Utilisation de l'oscilloscope pour visualiser une tension
Contexte : L'oscilloscopeUn instrument de mesure qui permet de visualiser un signal électrique, le plus souvent sous la forme d'une courbe de la tension en fonction du temps. est un outil essentiel en physique et en électronique.
Il agit comme des "yeux" qui nous permettent de voir l'allure d'une tension électrique, qui est invisible autrement. Dans cet exercice, nous allons apprendre à utiliser la représentation graphique fournie par un oscilloscope (l'oscillogramme) pour déterminer les caractéristiques principales d'une tension alternative périodique, comme celle que l'on trouve dans les prises de courant domestiques.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à interpréter un oscillogramme et à appliquer les formules de base pour trouver la tension maximale, la période et la fréquence d'un signal. Ces compétences sont fondamentales pour comprendre les courants alternatifs.
Objectifs Pédagogiques
- Identifier la nature d'une tension (continue ou alternative) à partir de son oscillogramme.
- Mesurer la déviation verticale (Y) et horizontale (X) sur l'écran.
- Calculer la tension maximale (Umax) d'une tension alternative.
- Calculer la période (T) et en déduire la fréquence (f) d'une tension alternative.
Données de l'étude
Réglages de l'Oscilloscope
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Sensibilité verticale (Sv) | 2 V/div |
| Vitesse de balayage horizontal (Sh) | 5 ms/div |
| Type de signal | Sinusoïdal |
Oscillogramme du signal
Questions à traiter
- Quelle est la nature de la tension observée ? Justifiez votre réponse.
- Mesurez la déviation verticale maximale (Y) en divisions (div) entre l'axe central et un sommet de la courbe.
- En utilisant la sensibilité verticale (Sv), calculez la tension maximale (Umax) du signal.
- Mesurez la largeur (X) d'un motif complet de la courbe (une période) en divisions (div).
- En utilisant la vitesse de balayage (Sh), calculez la période (T) du signal en millisecondes (ms), puis convertissez-la en secondes (s).
- Calculez la fréquence (f) du signal en Hertz (Hz).
Les bases sur les Mesures à l'Oscilloscope
Pour exploiter un oscillogramme, il faut connaître les deux relations fondamentales qui lient les mesures sur l'écran aux grandeurs physiques réelles.
1. Tension Maximale (Umax)
L'axe vertical représente la tension. La hauteur d'un pic (son "amplitude") par rapport au centre de l'écran, mesurée en divisions (Y), est proportionnelle à la tension maximale. Le facteur de proportionnalité est la sensibilité verticale (Sv), réglée sur l'appareil.
\[ U_{\text{max}} = Y \times S_v \]
Où Umax est en Volts (V), Y en divisions (div) et Sv en Volts par division (V/div).
2. Période (T) et Fréquence (f)
L'axe horizontal représente le temps. La largeur d'un motif qui se répète, mesurée en divisions (X), correspond à la période (T) du signal. Le facteur de proportionnalité est la vitesse de balayage (Sh). La fréquence (f) est l'inverse de la période.
\[ T = X \times S_h \]
\[ f = \frac{1}{T} \]
Où T est en secondes (s), X en divisions (div), Sh en secondes par division (s/div) et f en Hertz (Hz).
Correction : Utilisation de l'oscilloscope pour visualiser une tension
Question 1 : Nature de la tension
Principe
Pour identifier la nature d'une tension, on observe comment elle évolue au cours du temps. Une tension continue a une valeur constante, tandis qu'une tension alternative change de valeur et de signe.
Mini-Cours
Il existe principalement deux types de tensions :
- Continue (DC) : La valeur reste constante au fil du temps. L'oscillogramme est une ligne droite horizontale. Exemple : une pile.
- Alternative (AC) : La valeur change au cours du temps, passant par des valeurs positives et négatives. Si le motif se répète, elle est dite périodique. Exemple : le courant du secteur.
Schéma
Comparaison des types de tensions
Réflexions
La courbe sur l'oscillogramme n'est pas une ligne droite horizontale. Elle monte et descend, prenant des valeurs positives (au-dessus de l'axe central) et négatives (en dessous). De plus, le motif se répète à l'identique. Il s'agit donc d'une tension alternative et périodique. Sa forme d'onde lisse est caractéristique d'un signal sinusoïdal.
Points de vigilance
Ne pas confondre "alternative" et "variable". Une tension peut être variable sans être alternative (par exemple, elle varie mais reste toujours positive). Une tension est alternative seulement si elle prend des valeurs de part et d'autre de l'axe du zéro.
Points à retenir
Trace plate = Tension continue.
Trace qui ondule de part et d'autre du centre = Tension alternative.
Si l'ondulation se répète = Périodique.
Résultat Final
Question 2 : Mesure de la déviation verticale (Y)
Principe
La déviation verticale, notée Y, correspond au nombre de divisions verticales entre la ligne centrale (ligne du zéro) et le point le plus haut de la courbe (le sommet ou la crête).
Mini-Cours
L'écran de l'oscilloscope est quadrillé par une grille appelée le réticule. Chaque "carreau" de cette grille est une "division" (div). Pour mesurer une amplitude, on compte simplement le nombre de divisions verticales depuis l'axe horizontal central jusqu'au sommet de la courbe. On fait de même pour le temps en comptant les divisions horizontales.
Schéma
Comment mesurer Y ?
Réflexions
Cette lecture est la première étape brute avant tout calcul. Sa précision est cruciale. Il faut bien aligner son regard pour éviter les erreurs de parallaxe et s'aider des subdivisions si la grille en possède pour des mesures plus fines (par exemple, 3.5 divisions).
Points de vigilance
Attention à ne pas mesurer la hauteur totale de crête à creux (qui ici serait de 6 divisions). La question demande la déviation maximale Y, qui est toujours mesurée par rapport à la ligne centrale du zéro.
Points à retenir
Pour mesurer Y :
1. Repérer l'axe horizontal central.
2. Choisir un sommet de la courbe.
3. Compter le nombre de carreaux (divisions) verticalement entre l'axe et ce sommet.
Résultat Final
Question 3 : Calcul de la Tension Maximale (\(U_{\text{max}}\))
Principe
La tension maximale (Umax) est la valeur de tension la plus élevée atteinte par le signal électrique. L'oscilloscope nous permet de "traduire" une hauteur sur l'écran (en divisions) en une valeur de tension (en Volts) grâce à un facteur de conversion : la sensibilité verticale.
Mini-Cours
L'axe vertical d'un oscilloscope est gradué en Volts. Cependant, pour s'adapter à des signaux de très faibles ou très hautes tensions, on utilise un sélecteur appelé "sensibilité verticale" (Sv). Ce réglage, exprimé en V/div, agit comme une échelle : il nous dit "combien de Volts représente un carreau vertical". Pour connaître la vraie valeur de la tension, il suffit de multiplier ce qu'on lit sur l'écran par cette échelle.
Remarque Pédagogique
Imaginez que vous regardez une carte. La distance que vous mesurez sur le papier en centimètres ne vous donne pas la distance réelle. Vous devez la multiplier par l'échelle de la carte (par ex. 1 cm = 10 km). La sensibilité verticale Sv est l'échelle de l'axe des tensions.
Normes
Il n'y a pas de "norme" réglementaire pour ce calcul, mais on applique les conventions du Système International d'unités (SI), où la tension s'exprime en Volts (V).
Formule(s)
L'outil mathématique pour passer de la mesure à la valeur physique est une simple relation de proportionnalité.
Formule de la tension maximale
Hypothèses
Pour que notre calcul soit juste, nous supposons deux choses simples :
- L'oscilloscope est correctement étalonné (le réglage affiché est juste).
- La lecture du nombre de divisions est faite précisément, sans erreur de parallaxe (en regardant l'écran bien en face).
Donnée(s)
Nous rassemblons les informations nécessaires pour ce calcul.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Déviation verticale | Y | 3 | div |
| Sensibilité verticale | Sv | 2 | V/div |
Astuces
Avant toute mesure verticale, vérifiez que le "zéro" de la tension (la trace sans signal) est bien positionné sur la ligne centrale horizontale de l'écran. La plupart des oscilloscopes ont un bouton "GND" (Ground/Masse) qui permet de faire ce réglage rapidement.
Schéma (Avant les calculs)
Le schéma suivant met en évidence la grandeur Y que nous mesurons sur l'écran pour trouver Umax.
Mesure de la déviation verticale Y
Calcul(s)
On applique l'outil mathématique avec les chiffres d'entrée.
Calcul de la tension maximale
Schéma (Après les calculs)
Le schéma suivant illustre le résultat : la courbe atteint bien une valeur maximale de 6V.
Résultat : Tension Maximale
Réflexions
Le résultat "6 V" signifie que la tension du générateur atteint un pic de +6 Volts, puis descend à -6 Volts. À titre de comparaison, c'est la tension de quatre piles bâtons de 1,5 V mises en série. Cependant, contrairement aux piles qui fournissent une tension continue, celle-ci change constamment.
Points de vigilance
L'erreur la plus commune est d'oublier de multiplier par la sensibilité. Une réponse de "3" sans unité serait fausse. Il faut toujours distinguer la lecture sur l'écran (en div) de la grandeur physique calculée (en V).
Points à retenir
Pour trouver la tension maximale Umax :
1. Mesurer la hauteur Y en divisions du centre au sommet.
2. Lire la sensibilité verticale Sv sur le bouton de l'oscilloscope.
3. Calculer Umax = Y × Sv.
Le saviez-vous ?
Un voltmètre en mode alternatif (AC) ne mesurerait pas 6 V ! Il afficherait une valeur plus faible, appelée "tension efficace" (\(U_{\text{eff}}\)), qui pour un signal sinusoïdal vaut \(U_{\text{max}} / \sqrt{2}\). Pour notre signal, il indiquerait environ 4,24 V. C'est cette tension efficace qui est pertinente pour les calculs de puissance.
FAQ
Quelques questions fréquentes pour cette étape :
Résultat Final
A vous de jouer
Si avec un autre signal, vous mesurez Y = 2,5 div avec une sensibilité Sv = 5 V/div, que vaudrait \(U_{\text{max}}\) ?
Question 4 : Mesure de la déviation horizontale (X)
Principe
La déviation horizontale, notée X, correspond à la largeur en divisions d'un motif élémentaire qui se répète. C'est la mesure sur l'écran de la période.
Mini-Cours
Un signal est dit "périodique" si un motif de base se répète indéfiniment. La durée de ce motif est la période (T). Sur l'oscilloscope, on mesure la largeur horizontale (X) de ce motif. Les points les plus faciles pour délimiter un motif sont les sommets, les creux, ou les points où le signal coupe l'axe central dans le même sens (toujours en montant, par exemple).
Schéma
Comment mesurer X ?
Réflexions
La mesure de X est fondamentale car elle est le point de départ pour trouver le temps (la période) et, par conséquent, la fréquence. Une petite erreur sur la lecture de X aura un impact direct sur le calcul de ces deux grandeurs physiques importantes.
Points de vigilance
Assurez-vous de mesurer un cycle complet ! Une erreur courante est de s'arrêter au premier retour à zéro (ce qui ne correspond qu'à une demi-période). Un cycle complet, c'est quand le signal a fini son excursion positive et négative et s'apprête à recommencer le même motif.
Points à retenir
Pour mesurer X :
1. Choisir un point de départ sur la courbe (ex: un sommet).
2. Suivre la courbe jusqu'à ce qu'elle atteigne le prochain point identique (le prochain sommet).
3. Compter le nombre de carreaux (divisions) horizontalement entre ces deux points.
Résultat Final
Question 5 : Calcul de la Période (T)
Principe
La période (T) est la durée que met le signal pour effectuer un cycle complet. L'oscilloscope nous permet de "traduire" une largeur sur l'écran (en divisions) en une durée (en secondes) grâce à son "échelle de temps" : la vitesse de balayage.
Mini-Cours
L'axe horizontal représente le temps qui s'écoule. Le spot lumineux qui dessine la courbe se déplace de gauche à droite à une vitesse constante, réglée par le bouton "vitesse de balayage" ou "base de temps" (Sh). Ce réglage, en s/div ou ms/div, nous dit "combien de temps met le spot pour traverser un carreau horizontal". Pour connaître la durée d'un motif, il suffit donc de multiplier sa largeur en carreaux par cette vitesse.
Remarque Pédagogique
Continuez l'analogie de la carte : la vitesse de balayage est l'échelle de l'axe du temps. Mesurer une largeur X sur l'écran, c'est comme mesurer une distance sur la carte. Pour avoir la durée réelle T, il faut multiplier X par l'échelle de temps Sh.
Normes
Dans le Système International d'unités (SI), l'unité de temps est la seconde (s). Même si l'oscilloscope est réglé en millisecondes (ms), il est crucial de convertir le résultat final en secondes pour les calculs ultérieurs (comme la fréquence).
Formule(s)
La relation mathématique est, encore une fois, une simple proportionnalité.
Formule de la période
Hypothèses
Nous supposons que le signal est parfaitement périodique (sa durée de cycle est constante) et que la base de temps de l'oscilloscope est stable et précise.
Donnée(s)
Nous utilisons les données nécessaires pour ce calcul.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Déviation horizontale | X | 4 | div |
| Vitesse de balayage | Sh | 5 | ms/div |
Astuces
Pour améliorer la précision de la mesure de X, on peut mesurer la largeur de plusieurs périodes (par exemple 3 périodes) et diviser le résultat par le nombre de périodes mesurées (3). Cela minimise les erreurs de lecture.
Schéma (Avant les calculs)
Le schéma ci-dessous met en évidence la largeur X que nous mesurons pour déterminer la période T.
Mesure de la déviation horizontale X
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul de T en millisecondes
Étape 2 : Conversion en secondes
Schéma (Après les calculs)
Ce schéma montre l'axe du temps avec la période calculée de 20 ms.
Résultat : Période
Réflexions
Une période de 20 ms (0,02 s) est une durée très courte, impossible à percevoir pour un œil humain. C'est bien là toute l'utilité de l'oscilloscope : il "ralentit" le temps et nous permet de décomposer des phénomènes extrêmement rapides.
Points de vigilance
L'erreur la plus fréquente ici est la conversion d'unités. Il est impératif de ne pas oublier de convertir les millisecondes (ms) en secondes (s) avant de calculer la fréquence. Oublier cette étape donnera un résultat 1000 fois trop grand !
Points à retenir
Pour trouver la période T :
1. Mesurer la largeur X d'un cycle en divisions.
2. Lire la vitesse de balayage Sh sur le bouton.
3. Calculer T = X × Sh.
4. Convertir le résultat en secondes.
Le saviez-vous ?
Les premiers oscilloscopes utilisaient un "tube à rayons cathodiques", la même technologie que les anciennes télévisions ! Un faisceau d'électrons était dévié verticalement par la tension à mesurer et horizontalement par une "base de temps" interne, dessinant ainsi la courbe sur un écran phosphorescent.
FAQ
Les questions les plus fréquentes sur la période :
Résultat Final
A vous de jouer
Si vous mesurez une largeur de 8 divisions (X = 8 div) avec une base de temps de 2 ms/div, que vaut la période T en secondes ?
Question 6 : Fréquence (f)
Principe
La fréquence (f) est le nombre de fois que le motif se répète en une seule seconde. C'est une mesure de la "rapidité" d'oscillation du signal. Elle est mathématiquement l'inverse de la période : si un motif dure longtemps (période grande), il y en aura peu en une seconde (fréquence petite), et inversement.
Mini-Cours
La fréquence est l'une des caractéristiques les plus importantes d'un signal périodique. Elle détermine la hauteur d'un son (en acoustique), la couleur d'une onde lumineuse (en optique) ou encore la chaîne que vous captez à la radio (en télécommunications). L'unité de la fréquence est le Hertz (Hz), qui équivaut à un cycle par seconde (s⁻¹).
Remarque Pédagogique
Pensez à un pendule. S'il met 2 secondes pour faire un aller-retour (T = 2s), il ne fera qu'un demi-aller-retour en une seconde (f = 0,5 Hz). S'il oscille très vite et fait 5 aller-retours en une seconde (f = 5 Hz), chaque aller-retour ne durera qu'un cinquième de seconde (T = 0,2 s). La relation f = 1/T devient ainsi intuitive.
Normes
Le Hertz (Hz) est l'unité de fréquence du Système International (SI). Il est nommé en l'honneur du physicien allemand Heinrich Hertz pour ses travaux sur les ondes électromagnétiques.
Formule(s)
L'outil mathématique est la relation inverse entre fréquence et période.
Formule de la fréquence
Hypothèses
La seule hypothèse est que la valeur de la période T utilisée dans le calcul est correcte et, surtout, qu'elle est exprimée en secondes.
Donnée(s)
Nous utilisons la période calculée précédemment, exprimée en secondes.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Période | T | 0,02 | s |
Astuces
Calculer 1 / 0,02 de tête peut sembler compliqué. Pensez que 0,02 c'est 2/100. L'inverse de 2/100 est 100/2, ce qui fait 50. Utiliser les fractions simplifie souvent les calculs avec des décimales.
Schéma (Avant les calculs)
Visualisons la relation : la fréquence 'f' est le nombre de cycles de durée 'T' que l'on peut placer dans une seconde.
Relation entre Période et Fréquence
Calcul(s)
On applique la formule de la fréquence avec la période préalablement convertie en secondes.
Calcul de la fréquence
Schéma (Après les calculs)
Ce schéma illustre le résultat : 50 cycles complets du signal se produisent en 1 seconde.
Résultat : Fréquence de 50 Hz
Réflexions
Un signal de 50 Hz est un signal relativement basse fréquence. Le son le plus grave d'un piano est d'environ 27 Hz, et une guitare basse peut descendre jusqu'à 41 Hz. Notre signal est donc dans la gamme des sons graves audibles, et c'est surtout la fréquence du courant domestique en Europe.
Points de vigilance
L'erreur fatale est d'utiliser la période en millisecondes dans la formule. Si vous calculez 1/20, vous obtiendrez 0,05 Hz, un résultat complètement faux. La période DOIT être en secondes pour obtenir des Hertz !
Points à retenir
Pour trouver la fréquence f :
1. S'assurer d'avoir la période T en secondes (s).
2. Appliquer la formule d'inversion : f = 1 / T.
3. L'unité du résultat est le Hertz (Hz).
Le saviez-vous ?
Le physicien allemand Heinrich Hertz a été le premier à prouver expérimentalement l'existence des ondes électromagnétiques (les ondes radio) en 1887, prédites par la théorie de James Clerk Maxwell. Il a ainsi ouvert la voie à toutes les télécommunications sans fil que nous utilisons aujourd'hui.
FAQ
Les doutes les plus courants sur la fréquence :
Résultat Final
A vous de jouer
Un signal a une période T de 0,004 s. Quelle est sa fréquence en Hertz ?
Outil Interactif : Simulateur d'Oscilloscope
Utilisez les curseurs pour changer les réglages de sensibilité et de balayage. Observez comment la représentation du signal change, même si le signal lui-même (et donc ses caractéristiques réelles) reste le même ! Le signal simulé a une Umax de 6V et une Période de 20ms.
Paramètres d'Entrée
Caractéristiques Réelles du Signal
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. L'axe vertical d'un oscilloscope permet de mesurer :
2. Si un signal atteint une hauteur de 4 divisions (Y=4 div) avec une sensibilité de 0.5 V/div (Sv=0.5 V/div), que vaut Umax ?
3. L'unité de la fréquence est :
4. Une tension continue de 4V est visualisée sur un oscilloscope. On verra :
5. Si la période d'un signal est de 10 ms, quelle est sa fréquence ?
Glossaire
- Oscilloscope
- Instrument de mesure qui affiche un graphique de la tension en fonction du temps.
- Tension alternative périodique
- Tension qui change de signe et de valeur de manière répétitive au cours du temps.
- Tension maximale (Umax)
- Valeur de crête (amplitude) de la tension, mesurée en Volts (V).
- Période (T)
- Durée en secondes (s) d'un cycle complet du signal.
- Fréquence (f)
- Nombre de cycles par seconde, mesuré en Hertz (Hz). C'est l'inverse de la période.
- Sensibilité verticale (Sv)
- Réglage qui détermine la valeur de tension correspondant à une division sur l'axe vertical (exprimée en V/div).
- Vitesse de balayage (Sh)
- Réglage qui détermine la durée correspondant à une division sur l'axe horizontal (exprimée en s/div ou ms/div).
D’autres exercices de physique 3 ème:
Laisser un commentaire