Karamö, le prof virtuelLeçon 19 sur 25
TP : visualiser une tension périodique à l'oscilloscope
Je sais régler un oscilloscope, y visualiser une tension et en déduire la tension maximale, la période, la fréquence et la tension efficace.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Connaître le rôle des principaux réglages d'un oscilloscope (sensibilité verticale, balayage, position zéro)
- Brancher un générateur sur une voie de l'oscilloscope
- Mesurer Umax et T sur un oscillogramme par comptage de divisions
- Rédiger un compte rendu de TP avec calculs et comparaison des résultats
Avant de commencer : Les caractéristiques d'une tension alternative (période, fréquence, tension maximale, tension efficace) et la relation f = 1/T.
1Je découvre
Au lycée de Kindia, le professeur de physique pose sur la paillasse un appareil muni d'un écran quadrillé et de nombreux boutons : un oscilloscope. À côté, un générateur basse fréquence (GBF) et un petit transformateur qui abaisse la tension du secteur.
« Vous avez tracé des courbes de tension point par point, dit-il. C'était possible parce que le GBF variait très lentement. Mais la tension de la prise refait son motif 50 fois par seconde : impossible de noter les valeurs à la main ! L'oscilloscope, lui, dessine la courbe tout seul, en direct. »
Lansana et Hawa allument l'appareil. Un simple trait lumineux horizontal apparaît. Ils branchent le GBF : une vague se dessine, mais elle déborde de l'écran. Lansana tourne un bouton au hasard : la vague devient une bouillie de traits serrés.
Comment régler un oscilloscope pour obtenir une belle courbe, et comment y mesurer les caractéristiques d'une tension ?
2Je comprends
1. Objectif et matériel du TP
Objectif : visualiser des tensions (continue et alternatives) à l'oscilloscope, et mesurer leur tension maximale, leur période et leur fréquence.
Matériel : un oscilloscope, un GBF, un transformateur de basse tension (par exemple 220 V / 12 V), une pile plate, un multimètre, des fils de connexion.
Sécurité : on ne branche jamais l'oscilloscope directement sur la prise murale. Pour observer une tension de même forme et de même fréquence que le secteur, on utilise la sortie basse tension du transformateur.
2. Comment l'oscilloscope dessine une courbe
Sur l'écran, un point lumineux (le spot) se déplace de gauche à droite à vitesse constante : c'est le balayage, qui représente le temps. En même temps, il monte ou descend selon la valeur de la tension branchée à l'entrée : c'est la déviation verticale, qui représente la tension. Le spot trace ainsi la courbe u = f(t). Comme le balayage recommence très vite, on voit une courbe fixe : l'oscillogramme.
L'écran est quadrillé en divisions (des carreaux d'environ 1 cm). Le plus souvent, il compte 10 divisions horizontales et 8 divisions verticales.
3. Les réglages essentiels
| Réglage | Symbole et unité | Rôle |
|---|---|---|
| Sensibilité verticale | Sv en V/div | nombre de volts représentés par une division verticale |
| Durée de balayage | b en ms/div (ou s/div, µs/div) | durée représentée par une division horizontale |
| Position « GND » (masse) | GND | supprime la tension d'entrée : on voit la ligne du zéro, qu'on place au centre de l'écran |
| Couplage « DC » | DC | on observe la tension telle qu'elle est (partie continue comprise) |
| Luminosité, netteté | — | rendent la trace visible et fine |
Le générateur se branche sur une voie d'entrée (Y1 ou CH1) : la borne rouge sur l'entrée, la borne noire sur la masse de l'oscilloscope.
4. Les formules de mesure
On compte des divisions sur l'écran, puis on multiplie par le réglage correspondant.
Tension : si le point le plus haut de la courbe est à nv divisions au-dessus de la ligne du zéro,
Umax = nv × Sv
Temps : si un motif occupe nh divisions horizontales,
T = nh × b
Puis on calcule f = 1T (T en secondes) et, pour une tension sinusoïdale, Ueff = Umax√2.
- 1Allumer l'oscilloscope, régler luminosité et netteté pour obtenir une trace fine.
- 2Mettre la voie en position GND et placer la ligne du zéro au milieu de l'écran, puis repasser en DC.
- 3Brancher le générateur sur la voie Y1 : borne rouge sur l'entrée, borne noire sur la masse.
- 4Choisir la sensibilité verticale pour que la courbe soit la plus grande possible sans sortir de l'écran.
- 5Choisir le balayage pour voir un ou deux motifs complets.
- 6Compter les divisions, calculer Umax = nv × Sv et T = nh × b, puis f et Ueff.
5. Bien choisir les réglages
- Si la courbe sort de l'écran en hauteur : la sensibilité Sv est trop petite, on l'augmente (par exemple de 2 V/div à 5 V/div).
- Si la courbe est trop écrasée : on diminue Sv.
- Si l'on voit trop de motifs serrés : le balayage b est trop grand, on le diminue.
- Si l'on ne voit qu'un morceau de motif : on augmente b.
Avec 8 divisions verticales et le zéro au centre, la courbe dispose de 4 divisions au-dessus et 4 au-dessous. Il faut donc UmaxSv ≤ 4.
6. Déroulement du TP
Manipulation 1 : la pile. On branche une pile plate. On observe une droite horizontale décalée vers le haut (ou vers le bas si l'on inverse les fils) : c'est une tension continue constante. Avec Sv = 2 V/div, la droite est à 2,25 divisions au-dessus du zéro : U = 2,25 × 2 = 4,5 V.
Manipulation 2 : le GBF. On observe une courbe sinusoïdale. On peut changer la forme (carrée, triangulaire) et la fréquence, et observer ce qui change à l'écran.
Manipulation 3 : le transformateur. On observe une tension sinusoïdale de même fréquence que le secteur. On mesure Umax et T, puis on compare Ueff calculée avec la valeur lue sur un voltmètre en position V~.
Exemple
Manipulation 3. Réglages : Sv = 5 V/div et b = 5 ms/div. Le sommet de la courbe est à 3,4 divisions au-dessus du zéro ; un motif occupe 4 divisions horizontales.
Umax = nv × Sv = 3,4 × 5 = 17 V.
T = nh × b = 4 × 5 = 20 ms = 0,020 s.
f = 1 / T = 1 / 0,020 = 50 Hz : c'est bien la fréquence du secteur.
Ueff = Umax / √2 = 17 / 1,414 ≈ 12,0 V.
Le voltmètre en V~ indique 12 V : la mesure à l'oscilloscope est cohérente.
Exemple
Manipulation 2. Le GBF affiche une fréquence de 500 Hz. Réglages : Sv = 1 V/div, b = 0,5 ms/div. La courbe monte à 3 divisions au-dessus du zéro ; un motif occupe 4 divisions.
Umax = 3 × 1 = 3 V.
T = 4 × 0,5 = 2 ms = 0,002 s.
f = 1 / 0,002 = 500 Hz : on retrouve l'indication du GBF.
Méthode
Pour exploiter un oscillogramme :
- Je note les réglages Sv (V/div) et b (ms/div) indiqués.
- Je repère la ligne du zéro, puis je compte nv, le nombre de divisions entre le zéro et le sommet.
- Je compte nh, le nombre de divisions horizontales occupées par un motif (ou par plusieurs motifs, puis je divise).
- Je calcule Umax = nv × Sv et T = nh × b, puis je convertis T en secondes.
- Je calcule f = 1/T et, si la tension est sinusoïdale, Ueff = Umax/√2.
7. Rédiger le compte rendu
Un compte rendu de TP comprend : le titre et l'objectif, le matériel, le schéma du montage, les observations (description ou dessin de l'oscillogramme avec les réglages), les mesures et calculs présentés dans un tableau, et une conclusion (les résultats sont-ils cohérents avec le voltmètre et avec le GBF ?).
| Tension observée | Sv (V/div) | nv (div) | Umax (V) | b (ms/div) | nh (div) | T (ms) | f (Hz) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Transformateur | 5 | 3,4 | 17 | 5 | 4 | 20 | 50 |
| GBF | 1 | 3 | 3 | 0,5 | 4 | 2 | 500 |
3Je retiens
Je retiens
L'oscilloscope trace la courbe u = f(t) d'une tension : le balayage représente le temps, la déviation verticale représente la tension.
Sensibilité verticale Sv (V/div) : Umax = nv × Sv. Durée de balayage b (ms/div) : T = nh × b.
On place la ligne du zéro au centre avec la position GND, puis on observe en DC.
Une tension continue donne une droite horizontale décalée ; une tension alternative, une courbe de part et d'autre du zéro.
Ensuite : f = 1/T (T en s) et, pour une tension sinusoïdale, Ueff = Umax/√2.
On ne branche jamais l'oscilloscope directement sur le secteur.
4Erreurs fréquentes
- Compter les divisions verticales depuis le bas de l'écran au lieu de la ligne du zéro : on trouve une tension fausse.
- Oublier de convertir T en secondes avant de calculer f.
- Mesurer Umax avec la tension crête à crête : si la courbe va de −3 à +3 divisions, nv = 3 et non 6.
- Confondre les deux boutons : Sv (V/div) règle la hauteur, b (ms/div) règle l'étalement horizontal.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Quel est le rôle : a) de la sensibilité verticale ? b) de la durée de balayage ? c) de la position GND ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La sensibilité verticale indique combien de volts représente une division verticale ; elle règle la hauteur de la courbe.
b) La durée de balayage indique quelle durée représente une division horizontale ; elle règle l'étalement de la courbe dans le temps.
c) La position GND supprime la tension d'entrée : on voit la ligne du zéro et on peut la placer au centre de l'écran.
2Exercice 2
Sur un oscillogramme, on a Sv = 5 V/div et b = 0,5 ms/div. Le sommet de la courbe sinusoïdale est à 2,4 divisions au-dessus du zéro et un motif occupe 4 divisions.
Calcule Umax, T, f et Ueff (arrondie au dixième).
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Umax = 2,4 × 5 = 12 V.
T = 4 × 0,5 = 2 ms = 0,002 s.
f = 10,002 = 500 Hz.
Ueff = 121,414 ≈ 8,5 V.
3Exercice 3
On veut observer une tension sinusoïdale de tension maximale 9 V. L'écran a 8 divisions verticales, le zéro étant au centre. Les sensibilités possibles sont 1 V/div, 2 V/div, 5 V/div et 10 V/div. Laquelle choisir pour avoir la plus grande courbe possible sans qu'elle sorte de l'écran ? Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Il faut 9Sv ≤ 4 divisions.
Avec 1 V/div : 9 divisions, la courbe sort de l'écran.
Avec 2 V/div : 4,5 divisions, la courbe sort encore.
Avec 5 V/div : 1,8 division, la courbe tient dans l'écran.
Avec 10 V/div : 0,9 division, elle tient mais elle est plus petite.
On choisit 5 V/div.
4Exercice 4
(Type BEPC) On visualise à l'oscilloscope la tension de sortie d'un transformateur. Réglages : Sv = 10 V/div ; b = 5 ms/div. La courbe est sinusoïdale ; son sommet est à 1,7 division au-dessus de la ligne du zéro ; deux motifs complets occupent 8 divisions horizontales.
a) Calcule la tension maximale.
b) Calcule la période, puis la fréquence.
c) Calcule la tension efficace (arrondie à l'unité). Que devrait indiquer un voltmètre en position V~ ?
d) Cette tension a-t-elle la même fréquence que le secteur ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Umax = nv × Sv = 1,7 × 10 = 17 V.
b) Un motif occupe 82 = 4 divisions. T = 4 × 5 = 20 ms = 0,020 s. f = 10,020 = 50 Hz.
c) Ueff = 171,414 ≈ 12 V. Le voltmètre en position V~ devrait indiquer environ 12 V.
d) Oui : la fréquence est de 50 Hz, comme celle du secteur. C'est normal, car le transformateur abaisse la tension sans changer la fréquence.
5Exercice 5
On branche une batterie à l'oscilloscope réglé sur Sv = 5 V/div. On observe une droite horizontale située 2,4 divisions au-dessous de la ligne du zéro.
a) Quelle est la nature de cette tension ?
b) Quelle est sa valeur ? Pourquoi est-elle négative ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Une droite horizontale : c'est une tension continue constante.
b) U = 2,4 × 5 = 12 V en valeur. Elle est notée -12 V car la droite est au-dessous du zéro : la batterie est branchée à l'envers (borne − sur l'entrée de la voie).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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