Enoncés des travaux pratiques
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1. tangente horizontale Cependant il faut tre attentif bien mesurer le d calage entre deux mont es ou entre deux descentes et non pas entre deux passages par 0 sous peine d obtenir une valeur fausse 7 2 pr s De m me cette m thode suppose que l on ait bien r gl le 0 des deux voies en passant par le mode GND pour chaque voie Ue Ue Us Us En t T t T a Us est en avance de phase b Us est en retard de phase FIG 2 6 Lecture du d phasage entre le signal de sortie et le signal d entr e Relever le d phasage entre le signal de sortie et le signal d entr e pour deux valeurs de la fr quence f 500 Hz et f2 20 kHz Pour une dizaine de fr quences choisies en gros entre la centaine de Hertz et quelques dizaines de kiloHertz relever la valeur du gain en d cibel en fonction de la fr quence Rappel Il est fortement conseill de proc der en deux fois une premi re appr ciation rapide et qualitative de la variation de l amplitude du signal de sortie en fonction de la fr quence doit permettre de choisir un chantillonage pertinent pour l tude quantitative Il faudra en particulier resserer l chantillonnage dans les zones de variation forte Dessiner sur papier milim tr la courbe du gain en d cibel en fonction de la fr quence Noter les points remarquables et les asymptotes apparentes en f 0 et f UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs2. tude des changes de chaleur 77 Sll Qu est ce que la Chaleur T e 4 44 eA LR ANR EL Sd Dash De EPRA 77 5 1 2 Lien entre change de chaleur et diff rence de temp rature 78 9 13 Changementd tat yo ia ie Vas He vis Gin Vin BE Vs Be nt ane Pan ane ARE 78 5 1 4 Premi re loi de la thermodynamique et syst me isol 78 5 1 5 Application aux mesures en calorim trie 79 Sko Donnees y aa CAE RER pe LEE RNA RE NS SN SA EE AR En PE PR SP T aN 80 5 2 Manipulation st a mo me Me fe ere re nee PU Lorie ie UEO ASIEN UE Et TA 80 52 1 Pr parations rs on Et te E A D IS M Se Se nie 80 5 2 2 Chaleur latente de fusion de la glace 81 5 2 3 Capacit calorifique massique du cuivre et du verre 81 On pourra se r f rer utilement l annexe D pour l laboration des courbes exp rimentales 5 1 La calorim trie tude des changes de chaleur La thermodynamique s occupe des variations d tat des syst mes du point de vue macroscopique les changes entre nergie thermique et travail m canique Concr tement c est la science des machines thermiques frigos moteur essence etc Cette science est n e au d but du XIX M si cle notament avec l ing nieur Sadi Carnot Nicolas L onard Sadi Carnot ing nieur polytechnicien 1796 1832 oncle du pr sid
3. Fr quence R gler le GBF pour qu il d livre un signal sinuso dal de tension maximale 2 V et de fr quence f 1000 Hz Mesurer sur l cran de l oscilloscope la p riode T du signal avec une estimation de l incertitude associ e cette mesure En d duire la fr quence mesur e fmes du signal avec son incertitude Les deux fr quences sont elles compatibles Modifier le GBF pour qu il d livre une tension de sortie de fr quence 10 000 Hz sans changer la base de temps sur l oscillo scope La mesure de la p riode est elle possible dans ce cas 2 3 Mesures lectriques sur un montage fondamental 2 3 1 G n ralit s On donne ici une petit aper u th orique de la fa on dont sont trait s les mesures ou signaux en lectronique Cette approche th orique appel g n ralement th orie du signal ou traitement du signal propose de s int resser aux grandeurs physiques uniquement en fonction de l information qu elles transportent Ce cadre formel permet d avoir un point de vue sur l lectro nique assez proche de la d marche d ing nieurie actuelle Transformation d un signal De fa on g n rale on d finira une entr e au circuit lectronique tr s souvent ce sera la tension du g n rateur De m me on d finira une sortie en g n ral une tension On demandera de visualiser l entr e et la sortie gr ce l oscilloscope De cette fa on le circuit peut tre vu comme une foncti
4. 1 R aliser le montage de la figure 2 5 en notant soigneusement les valeurs de la capacit C et de la r sistance R effective ment utilis es Brancher une voie de l oscilloscope sur la tension d entr e Uam Visualiser et d crire le signal observ par exemple l aide d un oscillogramme repr sentation de l cran de l oscilloscope Brancher la deuxi me voie de l oscilloscope sur la tension de sortie Ugy Visualiser et d crire le signal observ Diagramme de Bode 1 D finir le gain pour ce montage Quelle est sa dimension Donner la d finition du gain en d cibel dans ce cas 2 Mesure du d phasage La d finition du d phasage entre le signal de sortie et le signal d entr e est donn e dans l annexe E Pour mesurer le d phasage entre les deux signaux la m thode la plus simple consiste mesurer le d calage sur l cran en carreaux t puis la p riode sur l cran en carreaux T Puisque une p riode correspond 27 radian on obtient imm diatement le d phasage en radian par un simple produit en croix Q za Le signal de sortie peut tre en avance de phase par rapport au signal d entr e cas a sur la figure 2 6 amp t et sont alors positifs ou bien en retard de phase cas b t et sont alors n gatifs Pr cautions de mesure il est pr f rable de mesurer la diff rence entre deux passages par l origine le point tant plus pr cis que les extr ma des courbes
5. Mlle Patris M Micolau 2 3 MESURES LECTRIQUES SUR UN MONTAGE FONDAMENTAL 68 5 Commenter qualitativement les r sultats obtenus que valent le gain et le d phasage en basse fr quence Quel est alors l action du circuit sur le signal Que valent le gain et le d phasage en haute fr quence Quel est alors l action du montage Conclure par rapport au titre de ce montage Int r t On suppose qu on introduit en entr e du circuit le signal bruit repr sent sur la figure 2 7 qui peut s crire Uau t Uo sin t asin bor avec 27 f f 3000 Hz a 0 2 et b 42 FIG 2 7 Signal d entr e bruit par des parasites haute fr quence 1 Gr ce la courbe exp rimentale repr sentant la variation du gain calculer l att nuation de chaque composante du signal En d duire l expression de Ugy le signal obtenu en sortie 2 Repr senter sch matiquement le signal de sortie Commenter 3 Donner une explication du titre du montage et en proposer une utilisation pratique UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau Travaux Pratiques 3 Mesures et incertitudes Sommaire 3 1 Introduction ssor sie 0 arte eee eee sure arte Te late el une de nn nn ue te a ute tente 69 3 2 Manipulation sur une bille R sultat pour le mod le sph rique 69 3 2 1 Evaluation de la masse de la bille 69 3 2 2 Evalu
6. On peut montrer que dans ce cas ces deux exp riences sont suffisantes pour reconstruire la loi 4 2 Cependant on peut aussi s interesser aux variations de la pression en fonction de la temp rature volume fix La loi qu on doit v rifier dans ce cas est P ec soit P EXT 4 5 Quelle est la forme de la courbe qu on devra obtenir UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 4 THERMODYNAMIQUE LOI DES GAZ PARFAITS 75 On rappelle que dans chaque expression 4 3 4 4 et 4 5 la constante C est la m me C nR 4 1 2 Description du mat riel Thermom tre Eau thermostat e Piston T Manom tre Eprouvette gradu e FIG 4 1 Sch ma du dispositif exp rimental Le mat riel tude comprend voir aussi sch ma 4 1 une seringue en verre talonn e permettant de choisir le volume d air et de le mesurer une enveloppe en verre tanche permettant de maintenir la seringue dans de l eau perc e de plusieurs ouvertures une ouverture laisse libre le piston de la seringue une permet de mesurer la pression en sortie deux orifices sur le dessus permettent d introduire l eau et la sonde du thermom tre un pressiom tre et un thermom tre affichage num rique 4 1 3 Mise en garde Il est recommand d tre particuli rement prudent durant les manipulations
7. re loi de la thermodynamique et syst me isol On a vu comment on pouvait valuer la quantit de chaleur c d e ou acquise par un corps lors d un changement d tat ou de temp rature Mais puisqu il y a change de chaleur c est donc que deux syst mes au minimum sont en contact En UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 5 CALORIM TRIE TUDE DE CAPACIT S CALORIFIQUES 79 g n ral on essaie pour faciliter l tude de se limiter effectivement deux corps et de mesurer leurs changes On dit alors que les deux corps constituent un syst me isol il n changent pas nergie avec l ext rieur Les syst mes isol s ont une importance fondamentale en th orie parcequ on peut leur appliquer la premi re loi de la thermodynamique la loi de conservation de l nergie pour un syst me n changeant ni travail ni chaleur avec l exterieur la variation totale d nergie au cours d une transformation est nulle Dans le cas qui nous interesse on dira donc que toute la quantit de chaleur fournie par un des corps est re ue par l autre Math matiquement on crit Q1 Q2 0 5 4 On suppose ici que Q1 et Q2 sont des grandeurs alg briques une quantit de chaleur re ue est compt e positivement pour le syst me une quantit de chaleur c d e est compt e n gativement pour le syst me Comment r aliser de fa on pratique un tel syst
8. de gla ons peu pr s autant que ce que peut en contenir le calorim tre Pendant la phase de m lange il est tr s important d agiter continuellement Expliquer pourquoi il est n cessaire d agiter le m lange Mesures Peser d abord le calorim tre et ses accessoires on notera m1 le r sultat de cette mesure Remplir aux deux tiers environ le calorim tre d eau chaude et peser l ensemble On note m la valeur de cette deuxi me pes e D duire de m2 et m1 la masse Me d eau contenue dans le calorim tre Noter la temp rature 0 de l eau chaude dans le calorim tre Noter galement la temp rature 6 du cong lateur Introduire plusieurs gla ons dans le calorim tre et observer la variation de la temp rature 6 du m lange en fonction du temps Lorsque la temp rature semble avoir atteint son tat d quilibre temp rature constante noter cette valeur 8 avec l incertitude cor respondante Peser alors la masse m3 de l ensemble A quelle grandeur a t on acc s gr ce cette pes e Exploitation des mesures En crivant que les transferts thermiques entre l eau et la glace se sont faits dans un syst me isol pas d change avec l ext rieur donc la quantit de chaleur c d e par l eau chaude est int gralement absorb e par la glace calculer la chaleur latente de fusion de la glace 5 2 3 Capacit calorifique massique du cuivre et du verre On d sire mesurer la capacit calorifique massiqu
9. deux corps des temp ratures diff rentes 6 et 6 en contact thermique par exemple lair de la pi ce et une tasse de caf chaud Au bout d un certain temps on constate que les deux corps sont la m me temp rature ils ont atteint un quilibre thermique On parle d quilibre puisque une fois la temp rature commune atteinte 6 et 02 ne varient plus le caf ne redevient pas br lant ni ne se refroidit plus que la temp rature de la pi ce Il y a donc eu transfert d nergie d un corps un autre sans mouvement d ensemble il y a eu change de chaleur On voit sur l exemple ci dessus que les changes de chaleur sont conditionn s par une diff rence de temp rature Quel est l expression exacte de la quantit de chaleur en fonction de la diff rence de temp rature On s int ressera ici la quantit de chaleur re ue ou c d e par un corps en phase condens e c est dire soit sous forme solide soit sous forme liquide lorsqu il passe de la temp rature initiale 6 la temp rature finale 6 sans changer de phase Lorsqu on cherche mesurer la quantit de chaleur chang e par ce corps on constate que celle ci est proportionnelle la diff rence de temp rature Q C 8 6 5 1 C est une constante caract ristique du corps consid r que l on appelle capacit calorifique du corps Son unit dans le syst me international est le J K joule par kelvin On d finit galement la cap
10. elles que des chocs ceux ci tant consid r s comme lastiques Un tel gaz v rifie la loi ci dessous dite loi des gaz parfaits PV nRT 4 1 avec P la pression en pascals Pa V le volume en m tres cubes mi n la quantit de mati re en moles mol on rappelle que n m M si m est la masse de l chantillon en kg et M la masse molaire du gaz consid r en kg mol R la constante des gaz parfait R 8 31 J K mol T la temp rature en kelvins K Le gaz parfait est un mod le c est dire une vision approch e de la r alit qui offre une bonne description de l air autour des conditions normales de temp rature et de pression La difficult de cette loi comme d ailleurs de la thermodynamique en g n ral est qu elle met en relation quatre variables de statuts quivalents 73 4 1 INTRODUCTION 74 Une relation mettant en jeu plusieurs variables Dans d autres domaines de la physique on a en g n ral deux grandeurs parmi lesquelles la variable s impose assez simplement par exemple en m canique c est le temps qui est la variable naturelle On calcule donc l expression de la position en fonction du temps c est la trajectoire Il est rare qu on veuille calculer le temps en fonction de la position Le protocole exp rimental est donc simple le temps varie on mesure la position et on trace la courbe x f t En thermodynamique au contraire d une part il y
11. entr e peut se r gler par l op rateur Sur la face avant de l appa reil il existe un bouton de commande appel g n ralement SYNC ou TRIG qui permet l utilisateur de choisir le signal de synchronisation Dans la tr s grande majorit des cas on synchronise le faisceau sur une des deux voies d entr es de l oscilloscope g n ralement appel es voie A et voie B Il est cependant possible de synchroniser le faisceau sur une entr e appel e synchronisation externe souvent EXT sur l appareil Bien souvent lorsque des signaux ne sont pas visualisables correctement sur l cran c est le syst me de synchronisation qui UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 2 INITIATION LA MESURE EN ELECTRICIT 63 est mal r gl Dans les manipulations que nous allons faire il suffira de bloquer la synchronisation sur une des deux entr es de l oscilloscope Les boutons de commande Sur la plupart des appareils on retrouve les m mes boutons de commandes de base Ces boutons peuvent changer d ap pellation d un type d appareil l autre mais ont le m me effet sur tous les oscilloscopes Interrupteur il existe un interrupteur de mise sous tension de l appareil qu il convient d allumer pour utiliser l oscillo scope Filtre d entr e A proximit de chaque voie d entr e il exite un curseur not souvent AC DC GND ce s lecteur filtre
12. imploser si il est manipul trop brutalement ou si il tombe par terre Pour que le calorim tre fonctionne c est dire pour qu il isole thermiquement son contenu il faut naturellement qu il soit ferm on prendra donc soin de refermer rapidement le calorim tre apr s y avoir introduit les produits ii Chaque l ment du mat riel ne fonctionne correctement que dans une certaine plage de valeurs en g n ral indiqu sur l appareil attention ne jamais d passer les valeurs limites iii Eviter de r pandre de l eau partout et surtout sur les appareils lectroniques ou les prises lectriques Utiliser des ponges et le rouleau mis disposition d s qu une inondation menace iv La manipulation fait intervenir des temp ratures lev es 100 2 C tr s suffisantes pour se br ler s rieusement Il faut donc tre attentif ne pas renverser de l eau bouillante sur ses doigts ou sur un camarade et ne pas toucher les mat riaux chauds directement 5 2 2 Chaleur latente de fusion de la glace Cette premi re manipulation a pour objet de d terminer la chaleur latente de fusion de la glace Dans ce but on introduira dans le calorim tre de l eau chaude et de la glace selon le protocole d fini ci dessous La mesure de la temp rature finale du m lange doit permettre de calculer la grandeur recherch e Remarques Pour obtenir un r sultat aussi pr cis que possible on veillera employer une grande quantit
13. magn tique par un ensemble de vecteurs de m me direction que le champ magn tique et dont la longueur est proportionnelle l intensit du champ voir figure 1 1 gauche Pour un dip le lectro magn tique la zone d o sortent les fl ches des vecteurs est appel e p le Nord et la zone dans laquelle les fl ches semblent entrer est le p le Sud Pour repr senter le champ magn tique on peut aussi utiliser les lignes de champ voir figure 1 1 droite Ces lignes sont d finies par la propri t suivante en chaque point M de l espace le vecteur B M est tangent la ligne de champ passant par M On a alors les propri t s suivantes une ligne de champ magn tique est toujours ferm e elle est orient e dans le m me sens que le champ la norme du champ est d autant plus grande en un point donc le champ d autant plus intense que les lignes de champ y sont rapproch es d Unit L unit de mesure de l intensit du champ est le tesla T c est une unit relativement grande au sens o les champs cou ramment mesur s sont en g n ral de l ordre du millitesla Appareils de mesure Les outils g n ralement utilis s pour mesurer le champ magn tique sont l aiguille aimant e et le teslam tre L aiguille aimant e ou boussole permet d avoir acc s la direction du champ le nord de l aiguille donnant le sens du champ UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle
14. me isol Il s agit avant tout de limiter les changes thermiques avec l ext rieur en g n ral l air du laboratoire temp rature ambiante Les r cipients qui remplissent cette fonction sont appel s des calorim tres Il en existe plusieurs sortes les salles de TP sont quip es de vases Dewar L isolation est r alis e gr ce un vide qui est cr entre deux parois de verre l application quotidienne du vase Dewar est la bouteille thermos Un sch ma du vase Dewar est pr sent sur la figure 5 2 Filet agitateur porte objet Couvercle en plexiglas Air isolant T Support plastique Echantillon tudi Thermom tre Eau Enceinte de verre FIG 5 2 Sch ma d un calorim tre classique le vase Dewar 5 1 5 Application aux mesures en calorim trie Le principe de la calorim trie est de mesurer exp rimentalement les capacit s calorifiques massiques et les chaleurs latentes de diff rents corps Dans ce but on utilise en g n ral la m thode dite des m langes on m lange dans un calorim tre le corps mesurer et un liquide l eau en g n ral de capacit calorifique massique connue Le calorim tre a pour but d isoler thermiquement le m lange on peut donc crire que la quantit de chaleur c d e par le corps tudier est la m me que la quantit de chaleur re ue par l eau On d taille ci dessous les deux cas figurant da
15. sentation visuelle de ph nom nes lectriques variant fortement dans le temps jusqu une centaine de millions de fois par seconde 61 2 2 PR SENTATION DE L OSCILLOSCOPE 62 2 2 2 Fonctionnement Sur la figure 2 1 est pr sent e une coupe sch matique d un oscilloscope L appareil est compos d un tube serti dans lequel Electrodes Faisceau Electrodes d lectrons de d viation horizontale d acc l ration Electrode d mission d lectrons Electrodes Electrodes de focalisation de d viation verticale Ecran d vetre FIG 2 1 Sch ma d un oscilloscope r gne le vide absence d air Une lectrode de m tal A permettant d mettre des lectrons est plac au cul du tube Les lectrons mis passent au travers un syst me d lectrodes d acc l ration B et de focalisation C qui permettent d avoir un faisceau troit et rapide Un jeu d lectrodes horizontales D permet de d vier le faisceau verticalement un autre jeu vertical E permet une d viation horizontale du faisceau Enfin un cran F sur lequel viennent taper les lectrons permet de visualiser le spot lumineux Dans un premier temps on s int resse aux syst mes d lectrodes D et E qui sont ceux que l op rateur peut commander Si l on relie le syst me d lectrodes D une tension le spot va d vier verticalement sur l cran La d viation du spo
16. HI Travaux Pratiques Travaux Pratiques 1 Etude de champs magn tiques Sommaire EI Introduction sesei eoi ean Ro Se SN ER a E a E a M n Mere 55 LEL Rappels deCOUFS or ass s eat ete eea e ae ea a a Dans Pass a a 55 112 Pr sentation du mat riel 12 oen A A a a a E NM EN RE E E 58 1 1 3 Utilisation des instruments de mesure 58 1 2 Champ cr par une bobine simple 58 121 Btude qualitativ 2 2 D RER LE ee ARR Re He st aa 4e En 58 1 22 Trac du champs ssi s MR A a A A A a a DA mn En he Nes 58 13 Sol noide osae nan o e e ar e on Bret de ne a a a E 0 0 59 1 3 1 Caract risation du champ l int rieur du sol no de 59 1 3 2 Champ et courant lectrique 59 Les annexes aff rentes cette s ance de TP sont les annexes B Cet F 1 1 Introduction 1 1 1 Rappels de cours D finitions a Propri t Une charge lectrique en mouvement cr e dans tout l espace un champ magn tique not B b D finition d un champ Par d finition un champ en physique est une fonction qui chaque point de l espace associe une valeur Un exemple simple est celui du champ de temp rature en chaque point M de l espace d une salle de cours par exemple on associe un nombre r el qui caract rise ce point Lorsque la caract ristique est d crite par un r el cf la temp rature on p
17. Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 1 ETUDE DE CHAMPS MAGN TIQUES 57 Le teslam tre est un appareil lectronique quip d une sonde qui transforme le champ magn tique en diff rence de potentiel par effet Hall reli e un bo tier sur lequel on peut lire une valeur Cet appareil mesure non pas la norme B du champ magn tique mais la projection du champ sur l axe de la sonde sonde axiale On mesure donc le produit scalaire voir rappels annexe B entre le champ B et le vecteur u directeur de la sonde soit gt sonde Bud Usonde Bcos B mesur si 8 est l angle entre la sonde et la direction du champ Si la sonde est plac e perpendiculairement au champ la valeur mesur e sera nulle quelle que soit l intensit r elle du champ Pour mesurer la norme du champ magn tique il est donc n cessaire de mesurer d abord l orientation du champ puis de placer la sonde du teslam tre selon cette direction voir sch ma 1 2 BM B mesur lt B r el sonde teslam tre sonde teslam tre B mesur B r el FIG 1 2 Utilisation de la sonde du teslam tre L annexe F explicite le principe ainsi que la mise en uvre d une cellule de mesure par effet Hall Il est recommand de s y r f rer afin de bien saisir l importance de l orientation de la sonde Exemples courants Le champ le plus classique est le champ magn tique terrestre cr dans les zones inte
18. a moyenne des r sultats de tous les groupes La moyenne est elle dans votre marge d incertitude Conclure UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 3 3 APPROCHE STATISTIQUE UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 72 Travaux Pratiques 4 Thermodynamique loi des gaz parfaits Sommaire L Introduction satses 2 82 02 2200 8 Ru en ne Ro lee le end tele lee ed ee ee 73 A Rappels rs A GE CIS GONG GIE POI Pi GI PS COR RER Re 73 4 1 2 D scrptondu mat riel 2 4 8 548 ame at ga ne A RE BA RARE BA A 75 413 Mieten garden ee ie at het de he gts ne ae de ent 8 808 ts te ea ts a 75 42 Manipulation 24 5 25608 er E ne ne en een ere sen de tee 0e a a aa 4e ee e 75 42 11 Etude pr liminaire qere eea a dd ee dE a D de LS ot D ins 75 4 2 2 Variation temp rature constante 76 4 2 3 Variation pression constante 76 On pourra se r f rer utilement l annexe D pour l laboration des courbes exp rimentales 4 1 Introduction 4 1 1 Rappels Le but de la manipulation est de mettre en vidence la validit de la loi des gaz parfaits pour l air On sugg re fortement d utiliser l ordinateur et le tableur Open Office pour le trac des courbes Loi des gaz parfaits On appelle gaz parfait un gaz form de particules ponctuelles n ayant pas d autres interactions entre
19. a quatre grandeurs physiques mesurables le volume la pression la temp rature et la quantit de mati re et d autre part aucune des quatre grandeurs n a de statut particulier Il faudra donc choisir parmi ces grandeurs laquelle on prendra comme variable et laquelle sera la fonction mesur e les autres tant alors fix es une valeur constante Ce choix n est pas d finitif et il se repose chaque nouveau protocole exp rimental Prenons l exemple de la loi 4 1 On veut dans ce TP v rifier sa validit pour un chantillon d air autour des conditions normales de temp rature et de pression Il est impossible de laisser flotter toutes les grandeurs Le protocole est donc le sui vant on choisit d abord un couple de grandeurs une fonction une variable et on les tudie en laissant les autres constantes On passe ensuite un autre couple et ainsi de suite jusqu ce qu on ait reconstruit la loi Application la pr paration du TP Voyons en d tail ce qu on fera durant le TP Dans notre cas seules trois grandeurs sont mesurables la pression la temp rature et le volume La quantit de mati re n est pas mesurable mais puisque le dispositif est tanche elle reste constante tout au long de l exp rience nR sera donc consid r comme une nouvelle constante qu on peut appeler C On a donc la loi p F C 4 2 Remarque si le piston fuit la quantit de mati re ne sera plus constante et tout
20. acit calorifique massique Cm du corps Cm C m o m est la masse de l chantillon tudi La capacit calorifique massique d un corps est donc la quantit d nergie apporter un kilogramme de ce corps pour augmenter d un degr sa temp rature Son unit dans le syst me international est le joule par kelvin et par kilogramme IK Kg On peut donc exprimer la relation 5 1 en utilisant ce nouveau param tre Q mCm 8r 81 5 2 5 1 3 Changement d tat Il se peut que lors d un change de chaleur le corps tudi change de phase par exemple le gla on mis dans une boisson pour la refroidir va se transformer en eau liquide Ce changement de phase s effectue gr ce un change de chaleur mais temp rature constante La quantit de chaleur mise en jeu est alors simplement proportionnelle la masse de l chantillon tudi Q mL 5 3 La constante L est caract ristique du corps et du changement d tat on l appelle chaleur latente du changement de phase du corps par exemple chaleur latente de fusion de l eau dans le cas d un gla on C est la quantit d nergie n cessaire pour faire changer d tat un kilogramme du corps son unit est donc le joule par kilogramme J kg On rappelle les diff rents changement d tats dans le sch ma 5 1 phase solide liqu faction ou condensation vaporisation FIG 5 1 Phases et changements d tat 5 1 4 Premi
21. arle de champ scalaire Le champ magn tique quant lui est un champ vectoriel c est dire une fonction qui tout point de l espace associe un vecteur Il faut donc trois grandeurs ind pendantes pour le caract riser Ainsi le vecteur peut tre d crit par sa projection dans une base base cart sienne par exemple voir annexes B et C Alternativement on peut le d finir par son sens donn par un un vecteur unitaire W et sa norme not e IB On peut donc utiliser les diverses notations B B v ou encore B B dans une base cart sienne 55 1 1 INTRODUCTION 56 FIG 1 1 Deux repr sentations du champ cr par un dip le magn tique ou aimant gauche le champ est repr sent par des vecteurs en de nombreux points du plan droite seules figurent des lignes de champ Attention contrairement ce que peut faire croire la figure de droite les lignes de champ magn tique sont TOUJOURS ferm es m me si elles sortent du cadre sur cette repr sentation Alors 5 IIB 4 B B5 82 Pour all ger les notations on utilise souvent une seule lettre pour la norme du vecteur soit gt B B qui est un nombre r el positif Il s agit d tre vigilant aux notations utlis es puisque les projections du vecteur sur les axes de base sont elles des quantit s alg briques On crira alors B Bu c Mode de repr sentation On peut naturellement repr senter le champ
22. assique de la glace autour des conditions normales de temp rature et de pression C 2100 J kg K 5 2 Manipulation 5 2 1 Pr paration Description du mat riel Le mat riel d tude comprend pour chaque bin me un calorim tre vase isolant en verre quip d un couvercle d un thermom tre et d un agitateur un b cher en plastique et une petite passoire pour r cup rer les mat riaux utilis s une balance lectronique une interface et un ordinateur pour l acquisition des donn es En outre la salle dispose de trois appareils mis en commun un cong lateur un bain marie et un bac d eau chaude Le cong lateur fournit des gla ons le bain marie permet de chauffer les corps dont on veut d terminer la capacit calorifique massique Chaque bin me devra donc se d placer pour aller chercher son chantillon chaud ou ses gla ons Mise en garde Il est recommand d tre particuli rement prudent durant les manipulations aussi bien pour ne pas d teriorer le mat riel que pour viter de se blesser On notera en particuliers les points suivants UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 5 CALORIM TRIE TUDE DE CAPACIT S CALORIFIQUES 81 i Les calorim tres sont extr mement fragiles Ils sont constitu s de deux parois de verre s par es par du vide ce qui permet de diminuer consid rablement les changes thermiques Le calorim tre peut donc
23. ation du volume de la bille Mod le sph rique 70 3 2 3 Estimation de la masse volumique 70 3 3 Approche Statistique 222 222 21828 88400208 2 A A pen se Duel one Sue ee el os I 70 3 1 Introduction Ce TP a pour objet d appr hender le sens physique d une mesure Pour cela il y est propos des manipulations simples sur des billes Il y est vu comment l on peut estimer une incertitude exp rimentale et comment le processus de mesure peut influencer qualitativement et quantitativement la mesure effectu e On se propose d valuer la masse volumique d un mat riau constituant une bille et ceci de diverses fa ons On prendra bien soin de d tailler les mesures interm diaires dans le compte rendu par exemple lorsque l on demande de mesurer le rayon d une sph re la mesure directe donne le diam tre Il faut imp rativement noter le r sultat des mesures directes 3 2 Manipulation sur une bille R sultat pour le mod le sph rique On souhaite d terminer la masse volumique d une petite bille Dans un premier temps on cherche d terminer la masse de la bille Dans un deuxi me temps on va chercher valuer le volume de la bille 3 2 1 Evaluation de la masse de la bille On utilise une balance lectronique qui va donner directement une mesure de la masse de la bille 1 Utiliser la balance pour touver une estimation de la masse de la bille 2 Estimer
24. aussi bien pour ne pas d teriorer le mat riel que pour viter de se blesser On notera en particuliers les points suivants 1 Le mat riel de TP est en verre il ne r sistera pas une chute Ne d placer le dispositif que lorsque c est absolument n cessaire et avec pr cautions veiller notamment ne pas laisser glisser la seringue hors de son fourreau 2 Chaque l ment du mat riel ne fonctionne correctement que dans une certaine plage de valeurs en g n ral indiqu sur l appareil attention ne jamais d passer les valeurs limites 3 Eviter de r pandre de l eau partout et surtout sur les appareils lectroniques ou les prises lectriques En particulier prendre garde aux ouvertures de l enveloppe qui doivent rester orient es vers le haut 4 La manipulation fait intervenir des temp ratures relativement lev es 80 90 C maximum tr s suffisantes pour se br ler s rieusement Il faut donc tre attentif toujours saisir le mat riel loin des points de chauffage 5 Attention le dispositif de chauffage n est pas thermostat s il est laiss allum sans ampoule d eau au dessus qui joue le r le de r cup rateur de la chaleur mise sa temp rature augmente jusqu destruction de l appareil 4 2 Manipulation 4 2 1 Etude pr liminaire Relever les limites en temp rature et en pression de chaque appareil et en d duire les valeurs ne pas d passer pendant la manipulation On
25. e de la bille 1 Par cette m thode valuer le volume d une bille 2 Quelle est l incertitude absolue Quelle est l incertitude relative on peut l estimer par la donn e du constructeur de l prouvette mais aussi tenir compte de l erreur de lecture 3 Comment diminuer l incertitude relative 4 Refaire la mesure avec un nombre N de billes identiques Calculer le volume moyen d une bille ainsi que son incerti tude relative et absolue Conclure Mesure de la masse Afin de diminuer l incertitude sur la mesure de la masse on peut faire le m me raisonnement 1 Mesurer la masse de N billes identiques En d duire la masse moyenne d une bille Calculer l incertitude relative et absolue sur la masse d une bille 2 Conclure quant l efficacit de cette m thode On s appliquera en particulier bien distinguer ce que l on mesure dans le cas d une exp rience avec plusieurs billes et dans le cas d une exp rience avec une seule UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 3 MESURES ET INCERTITUDES 71 Calcul de la masse volumique 1 Avec les nouvelles mesures estimer la masse volumique d une bille ainsi que sa plage d incertitude 2 Donner l incertitude relative 3 Ecrire au tableau le r sultat obtenu pour la masse volumique avec sa marge d incertitude Les r sultats des autres groupes sont ils compatibles avec le v tre Faire l
26. e de la masse volumique en fonction des incertitudes relatives sur la masse et le volume de la bille Donner le r sultat num rique issu des mesures en pourcentage 2 Calculer num riquement la masse volumique de la bille Donner le r sultat encadr par sa barre d incertitude 3 Conclure quant au r sultat annonc 3 3 Approche statistique Dans le processus de mesure pr c dent il y a deux points importants Le premier est que l on estime la masse volumique d une bille particuli re Si les billes sont l g rement diff rentes les unes des autres en masse en volume ou en masse volumique alors c est un fait qui n est pas pris en compte dans notre valuation On peut donc dire que l on value l incertitude donn e pr s la masse volumique de la bille prise pour chantillon Le deuxi me point important tient au fait que l on a suppos que la bille tait sph rique L incertitude de mesure sur le volume est li e uniquement au fait que l on a une incertitude de mesure sur le rayon A aucun moment on a envisag la possibilit que les billes pouvaient tre l g rement d form es Pour cette raison il peut tre plus int ressant de mesurer directement le volume Mesure du volume Afin de mesurer directement le volume on utilise une prouvette gradu e contenant de l eau En plongeant la bille dans l eau on observe une modification du niveau du liquide Par diff rence on peut donc mesurer le volum
27. e du cuivre et du verre On utilisera pour ces deux mesures le m me protocole exp rimental d crit ci dessous avec le mat riau X L ordre dans lequel on effectuera les deux mesures est indiff rent Remarques Pour que l exp rience donne un r sultat satisfaisant le mat riau doit tre sec Expliquer succintement en quoi l utilisation d un mat riau mouill modifie le r sultat de l exp rience Par ailleurs pour obtenir un r sultat aussi pr cis que possible on veillera employer une grande quantit du mat riau peu pr s autant que ce que peut en contenir le calorim tre On rappelle que pendant la phase de m lange il est tr s important d agiter continuellement UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 5 2 MANIPULATION 82 Mesures Peser d abord le calorim tre et ses accessoires on notera m le r sultat de cette mesure Remplir aux deux tiers environ le calorim tre d eau temp rature ambiante et peser l ensemble m4 Noter la temp rature 6 du mat riau au bain marie avant de l introduire dans le calorim tre et observer la variation de la temp rature 8 du m lange en fonction du temps Lorsque la temp rature semble avoir atteint son tat d quilibre temp rature constante noter cette valeur 8 avec l incertitude correspondante Peser alors la masse m4 de l ensemble A quelle grandeur a t on acc s gr ce cette pes e Exploitation des
28. e point M 2 La sonde du teslam tre est d une forme un peu compliqu e car elle peut servir diff rents types de mesures Pour ce qui concerne ce TP on placera l extr mit de la sonde sur le point M tout en veillant placer la sonde dans le sens et la direction du vecteur champ magn tique donn s par la boussole 1 2 Champ cr par une bobine simple 1 2 1 Etude qualitative On alimente la bobine en courant continu A l aide des diff rents instruments de mesure disponibles r pondre aux ques tions pr liminaires suivantes 1 Trouver le p le nord de la bobine Que se passe t il lorsqu on change le sens du courant faire un sch ma 2 Trouver les points de l espace o le champ est d intensit maximale puis les points de l espace o le champ est d intensit minimale On donnera la m thode exp rimentale puis une interpr tation th orique 3 Montrer que la sonde du teslam tre mesure bien la projection du champ sur son axe on d taillera l exp rience r alis e et son r sultat 4 Quel est l ordre de grandeur de la norme du champ cr par la bobine Comparer au champ magn tique terrestre conclure 1 2 2 Trac du champ Relever la direction l aide d une boussole puis la norme avec le teslam tre du champ magn tique en une dizaine de points du plan horizontal passant par le centre de la bobine on pourra s aider de la feuille mod le disponible Tracer les vecteurs correspondant su
29. ent de la r publique Marie Fran ois Sadi Carnot La calorim trie est la partie de la thermodynamique qui s occupe des mesures de quantit s de chaleurs Nous allons d finir ci dessous quelques notions fondamentales de la calorim trie 5 1 1 Qu est ce que la chaleur En sciences physiques les deux notions de temp rature et de quantit de chaleur sont fondamentalement diff rentes la temp rature 6 est une variable d tat d un syst me c est dire que c est un des param tres dont on se servira en physique pour caract riser ce syst me comme aussi le volume ou la pression Elle s interpr te au niveau particulaire comme l agitation des particules l mentaires qui constituent le corps tudi plus l agitation interne est lev e plus la temp rature mesur e sera grande Son unit dans le syst me international est le kelvin K la quantit de chaleur ou transfert thermique en g n ral not e Q est un change d nergie non accompagn de mouvement macroscopique Q s exprime donc en joules J l unit de l nergie dans le syst me international La quantit de chaleur peut donc tre interpr t e d un point de vue microscopique comme la propagation de l agitation moyenne des particules 77 5 1 LA CALORIM TRIE TUDE DES CHANGES DE CHALEUR 78 5 1 2 Lien entre change de chaleur et diff rence de temp rature Voyons sur un exemple comment sont reli es les deux notions soient
30. entour e d un isolant mati re plastique L isolant est son tour entour d une gaine m tallique treillis de fils permettant de conserver la souplesse du c ble Enfin le tout est gain par un rev tement souple isolant plastique ou caoutchouc L me est branch e sur la borne positive du circuit tudier alors que le treillis est branch sur la masse Ce c ble permet donc en un seul branchement de relier la masse du g n rateur la masse de l oscilloscope et la tension de service du g n rateur la voie d entr e de l oscilloscope A retenir le cable coaxial correspond en r alit deux fils lectriques dont l un est en g n ral reli la masse Manipulation et prise en main de l apparei l On se propose d utiliser l oscilloscope pour mieux conna tre la tension d livr e par le GBF avant m me de construire un circuit Pour cela brancher directement l aide d un cable coaxial une des voies de l oscilloscope sur la sortie du GBF Cette partie du TP quoique importante ne doit pas prendre trop de temps ne pas h siter faire appel aux enseignants pour r soudre les difficult s pour pouvoir garder du temps pour la deuxi me partie On prendra soin de noter bri vement sur le compte rendu toutes les observations et mesures effectu es ainsi que les commentaires et remarques jug s pertinents Forme du signal Sur le GBF s lectionner une tension sinuso dale de fr quence appr
31. es les mesures seront fauss es Il faut donc bien v rifier l tanch it du piston et au besoin le graisser avant de commencer les mesures On va d composer la loi 4 2 pour chaque couple de grandeurs en une loi d riv e On d montre cette d monstration est un peu compliqu e nous ne la traiterons pas ici qu on peut reconstruire la loi g n rale partir d un nombre x de lois d riv es x tant gal au nombre de grandeurs moins un Ici on s attachera simplement v rifier exp rimentalement chaque loi d riv e Voyons comment Choisissons d abord comme couple d tude la pression et le volume On choisit de fa on tout fait arbitraire le volume comme variable on voudra donc trouver P fr 7 V les variations de la pression en fonction du volume temp rature constante fix e T T On injecte ces valeurs dans l expression 4 2 et on obtient 24 C it P CTo x 4 3 Solt To i o V C est cette loi d riv e qu on essaiera de v rifier dans l exp rience 4 2 2 Quelle doit tre a priori la forme de la courbe qu on tracera A quel param tre aura t on acc s gr ce cette exp rience En deuxi me partie on choisit comme fonction le volume et comme variable la temp rature pression constante La loi d riv e de 4 2 avec ce choix est py c 0 C soit V xT 4 4 T Po Quelle est la forme de la courbe qu on devra obtenir exp rience 4 2 3
32. haut parleur sur le GBF on peut entendre le signal En r glant la fr quence du GBF on obtient des sons plus ou moins aigus en r glant son amplitude on modifie le volume sonore Le GBF a donc un r le actif pour analyser le signal on peut rajouter un oscilloscope au circuit L oscilloscope est un instrument de mesure qui ne modifie pas si il est convenablement branch le fonctionnement du circuit Dans l exemple ci dessus l insertion de l oscilloscope ne modifie pas le son De m me les r glages de l oscilloscope ne servent qu mieux visualiser le signal sur l cran mais UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 2 2 PR SENTATION DE L OSCILLOSCOPE 64 ne le modifient pas en changeant le calibre de temps et celui de tension le son entendu est le m me seule l apparence de l cran est modifi e L oscilloscope a donc un r le passif dans le circuit il ne sert qu l tudier On branche le GBF sur la voie d entr e 1 ou A de l oscilloscope l aide d un c ble particulier nomm c ble coaxial C ble coaxial Un sch ma explicatif du c ble coaxial est pr sent figure 2 2 Ce cable est compos d un fil de m tal Isolant pa r aps f Ame du c ble Cuivre Gaine m tallique treillis de fils FIG 2 2 Coupe sch matique d un c ble coaxial conducteur g n ralement du cuivre appel me du c ble Celle ci est
33. isualiser la somme des deux signaux en fonction du temps XY Pour visualiser la voie I en fonction de la voie II R glage de base de temps Un bouton permet de r gler le temps de balayage du spot sur la largeur de l cran On peut donc choisir la valeur temporelle associ e une division de l cran Calibrage en tension Chacune des voies poss de un bouton de calibration de tension Pour chaque voie chaque division verticale de l cran aura la valeur en tension fix e par le calibre Attention le bouton est en g n ral surmont d un autre bouton appel cal ce bouton doit tre en position cal e position 0 pour que les valeurs lues soient exactes Ne pas h siter faire appel l enseignant pour v rifier si ce bouton est en position correcte il peut fausser l ensemble des r sultats d une exp rience 2 2 4 Prise en main de l appareil Quelques manipulations Nous allons observer quelques fonctionalit s de l oscilloscope en tudiant un signal simple Pour cela on utilise un G n rateur Basse Fr quence GBF qui est un appareil permettant de g n rer une tension p riodique Il est important de ne pas cofondre le g n rateur et l oscilloscope qui n ont pas des r les sym triques le g n rateur est la source du signal C est en agissant sur le GBF que l on d cidera de la fr quence et de l amplitude du signal Une exp rience simple permet de le constater si on branche un
34. l entr e du GBF En position AC on enl ve la composante continue du signal Cette position est utile lorsqu on ne s int resse qu aux va riations d un signal ayant une forte composante continue Cependant puisque le signal est filtr des d formations peuvent appara tre cette position n est utiliser qu avec pr cautions lorsqu on conna t d j l allure du signal tudier En position DC on garde les composantes continues et alternatives C est la position la plus neutre recommand e pour une premi re approche En position GND abr viation de GROUND terre en anglais on relie le potentiel de la voie la masse en le d con nectant du signal d entr e Cette position permet de centrer le spot sur l cran ou faire le z ro Elle ne permet en aucun cas d tudier le signal Boutons de positionnement Il existe deux boutons permettant de d caler verticalement et horizontalement le spot sur l cran On les utilise en g n ral en mode GND pour centrer le signal Mode de visualisation Un bouton ou curseur not souvent MODE permet de s lectionner le type de visualisation Il poss de le plus souvent 4 ou 5 positions g n ralement not es CH I pour ne visualiser que la voie I en fonction du temps CH II pour ne visualiser que la voie IT en fonction du temps DUAL Pour visualiser les deux voies en m me temps en fonction du temps ADD Pour v
35. l incertitude absolue Am sur la mesure de la masse Donner le r sultat de la pes e sous la forme mp Am 3 Donner l incertitude relative Am my exprim e en pourcentage Est ce beaucoup par rapport ce que l on peut attendre d une mesure avec une telle balance 4 Donner un proc d de mesure permettant votre avis de diminuer l incertitude de mesure sur la masse de la bille en indiquant clairement quelles sont alors les hypoth ses concernant les billes 69 3 3 APPROCHE STATISTIQUE 70 3 2 2 Evaluation du volume de la bille Mod le sph rique On suppose que les billes sont sph riques Le volume v d une bille de rayon rp est donc __4n v A l aide d un pied coulisse estimer le rayon rp d une bille Estimer l incertitude absolue Arp faite sur la mesure Donner l incertitude relative Ar r exprim e en pourcentage s aae Evaluer litt ralement l incertitude relative Av vp en fonction de rp et Arp Evaluer num riquement cette quantit selon la mesure pr c dente 5 Si les billes ne sont pas parfaitement sph riques cette incertitude reste t elle correcte Comment peut on esp rer am liorer la pr cision d une telle mesure 3 2 3 Estimation de la masse volumique La masse volumique p d un objet est d finie comme le rapport de sa masse son volume On a donc pour le mat riau constituant la bille 7 vo 1 Donner l expression litt rale de l incertitude relativ
36. la permittivit du vide uo 47 10 77T m A7 UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 1 2 CHAMP CR PAR UNE BOBINE SIMPLE 58 1 1 2 Pr sentation du mat riel Ce TP a pour but de se familiariser avec les instruments de mesure du champ magn tique ainsi qu avec quelques dispo sitifs classiques de cr ation de champ magn tique Description Le mat riel d tude comprend un g n rateur de courant un teslam tre des petites boussoles une bobine lectrique un sol no de long Mise en garde Attention bien respecter les limites en courant impos es par les bobines Des courants de 1 amp re sont de forts courants manipuler avec un minimum de pr caution On fera notamment v rifier le montage par un enseignant avant d allumer l alimentation 1 13 Utilisation des instruments de mesure Contrairement beaucoup de grandeurs mesur es en physique le champ magn tique n est pas une grandeur scalaire mais un vecteur ce qui rend sa mesure plus d licate On se servira donc de deux instruments pour pouvoir conna tre le vecteur champ magn tique en un point M d abord la boussole qui donnera le sens et la direction du champ magn tique puis la sonde du teslam tre qui plac e selon cette direction donnera la norme du vecteur 1 La boussole donne la direction et le sens du vecteur On la placera sur un plan horizontal le centre de l aiguille plac sur l
37. le de L chaleur latente de fusion de l eau en fonction des grandeurs mesur es chauffage de fusion de la chauffage de Etat initial la glace Etat 2 glace Etat 3 leau Etat final G H glace 0 0 o t glace 0 C t eau 0 0 C t eau 0 6 Q Q Q 2 3 FIG 5 3 Sch ma repr sentant les trois tapes de la transformation de la glace froide 8 en eau ti de 0p Capacit calorifique massique d un solide Un chantillon de masse m du corps tudi la temp rature Oc est plong dans un chantillon d eau de masse me temp rature Oe en g n ral on prendra 8 lt 8 Au bout d un certain temps la temp rature de l eau la seule facilement mesurable se stabilise Of On cherche d terminer la capacit calorifique massique du corps tudi en supposant conn ue la capacit calorifique massique de l eau liquide 1 Ecrire l expression de la quantit de chaleur Q re ue par l eau 2 Ecrire l expression de la quantit de chaleur Q2 c d e par le corps 3 En crivant le principe de conservation de l nergie donner la relation entre Q1 et Q2 En d duire l expression litt rale de C capacit calorifique massique du corps en fonction des grandeurs mesur es 5 1 6 Donn es On donne quelques grandeurs n cessaires la manipulation capacit calorifique massique de l eau autour des conditions normales de temp rature et de pression C 4185 J kg K capacit calorifique m
38. mesures En crivant que les transferts thermiques entre l eau et le mat riau se sont faits dans un syst me isol calculer la capacit calorifique massique du mat riau Conclusion Comparer les capacit s calorifiques massiques des deux mat riaux consid r s Commenter Ces capacit s calorifiques massiques peuvent elles en l tat tre compar es la chaleur latente de fusion de la glace calcul e en 5 2 2 on pensera en particulier consid rer leur dimension physique D velopper UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau
39. mprend qu on veuille en g n ral caract riser le comportement des circuits lec troniques en fonction de la fr quence des signaux d entr e Le diagramme de Bode est la repr sentation en fonction de la fr quence de deux grandeurs l amplitude du signal de sortie divis e par l amplitude du signale d entr e le gain la d phasage du signal de sortie par rapport au signal d entr e En g n ral les fr quences utilis es en lectronique varient sur plusieurs ordres de grandeur ainsi que les amplitudes des signaux bien souvent on choisit donc une repr sentation logarithmique Pour le gain on d finit le gain en d cibel par Gab 20log G Le diagramme de Bode le plus classique comprendra donc les deux courbes Gap en fonction du logarithme d cimal de la fr quence log f le d phasage en radian en fonction de log f 2 3 2 Filtre passe bas On se propose d tudier le circuit simple d crit sur la figure 2 5 Le signal d entr e sera la tension Uam aux bornes du g n rateur et le signal de sortie sera la tension Ugy aux bornes du condensateur On pourra prendre des valeurs des composantsde l ordre de grandeur suivant R 500 Q et C 0 1 uF Ur A B i R GBF A C Ug M AUA FIG 2 5 Circuit du filtre passe bas UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 2 INITIATION LA MESURE EN ELECTRICIT 67 Montage
40. ns le TP Chaleur latente de fusion de l eau Un chantillon de glace de masse mg temp rature 6 est plong dans un chantillon d eau de masse me temp rature 6 Au bout d un certain temps les gla ons ont fondu et le calorim tre est rempli d une masse mf mg me d eau la temp rature 67 On cherche d terminer la chaleur latente de fusion de la glace en supposant connues les capacit s calorifiques massiques de l eau liquide et de l eau solide 1 Ecrire l expression de la quantit de chaleur Q c d e par l eau initialement dans le calorim tre 2 Ecrire l expression de la quantit de chaleur Q2 n cessaire pour mener les gla ons de la temp rature 8 la temp rature de fusion de la glace O 0 9C 273 K 1013 hPa 3 Ecrire ensuite l expression de la quantit de chaleur Q2 n cessaire pour transformer les gla ons en eau liquide temp rature constante 6 UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 5 2 MANIPULATION 80 4 Ecrire enfin l expression de la quantit de chaleur Q2 n cessaire pour mener la masse de gla ons fondus de la temp rature de fusion de la glace O la temp rature finale 6 5 En d duire la quantit de chaleur totale Q2 re ue par l chantillon de gla ons voir sch ma 5 3 6 En crivant le principe de conservation de l nergie donner la relation entre Q1 et Q2 7 En d duire l expression litt ra
41. on qui transforme un signal l entr e en un autre la sortie comme illustr sur le sch ma 2 3 C est en effet tout l enjeu de l lectronique cr er des fonctions qui r alisent toutes sortes d op rations Cette id e g n rale a conduit l lectronoque analogique qui permet de transmettre de coder d amplifier des signaux puis l lectronique num rique qui tend aux m mes buts avec des composants et un formalisme l g rement diff rents Ces deux domaines constituent actuellement une des applications majeures des sciences physiques et certainement celle qui prend la part la plus importante dans notre vie quotidienne Circuit lectronique gt signal d entr e signal de sortie FIG 2 3 Repr sentation sch matique tr s g n rale d un circuit lectronique Variation du comportement d un circuit en fonction de la fr quence Les signaux sur lesquels on travaille d pendent du temps l oscilloscope permet de visualiser l amplitude du signal en fonction du temps Cependant la repr sentation temporelle n est pas la seule possible il est souvent plus utile de repr senter un signal par la variation de son amplitude en fonction de la fr quence Le principe math matique qui permet le passage de la repr sentation temporelle la repr sentation fr quentielle est appel th or me de Fourier Toute fonction p riodique peut tre d compos e en une somme infinie de sinu
42. oximative 1 kHz Essayer de visualiser cette tension sur l oscilloscope en adaptant les boutons de calibre en visionnant la bonne voie d entr e en choisissant un calibre de temps appropri Noter les valeurs de r glages appropri es sur le compte rendu Quelle est la tension moyenne ou composante continue d livr e Le bouton AC DC change t il la forme du signal Commenter Choisir sur le GBF une tension triangulaire puis carr e Dessiner un oscillogramme repr sentation de l cran pour chaque signal La fr quence du signal est elle modifi e Et son amplitude valeur max Le bouton AC DC change t il la forme du signal Penser revenir en position DC pour la suite des manipulations Amplitude Revenir sur un signal sinuso dal V rifier gr ce l oscilloscope que le GBF est capable de fournir des tensions usuelles en lectronique de l ordre de la dizaine de volts On pourra essayer de quantifier la plus petite valeur de tension mesurable l oscilloscope ainsi que la plus grande valeur de tension d livrable par le GBF Cet exercice peut il se faire sans changer de calibre sur l oscilloscope R gler la tension de sortie du GBF pour obtenir une valeur maximale ou tension de cr te Umax 2 V Calculer la tension efficace dans ce cas voir Annexe E UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 2 INITIATION LA MESURE EN ELECTRICIT 65
43. prendra une marge de 15 afin d viter les risques UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 4 2 MANIPULATION 76 4 2 2 Variation temp rature constante Aspect qualitatif Avant de commencer la manipulation noter sur le compte rendu le sens de variation attendu de la pression lorsqu on diminue le volume de l chantillon quantit de mati re et temp rature constantes On justifiera la r ponse par une phrase Mesures On prendra un chantillon initial d air dans la seringue temp rature et pression ambiante de 60 mL environ noter la valeur exacte sur le compte rendu Remplir l enveloppe d eau la temp rature ambiante noter celle ci En jouant sur le piston de la seringue faire varier le volume et relever les valeurs du volume et de la pression On effectuera une dizaine de mesures l int rieur des limites fix es au 4 2 1 Repr sentation graphique On veut faire appara tre sur un graphe les variations de la pression en fonction de celles du volume temp rature constante historiquement cette fonction fut appel e loi de Boyle Mariotte Tracer la courbe P f V puis P f 1 V Commenter l allure des deux courbes Laquelle sera la plus facilement exploitable Exploitation des mesures Calculer la pente de la droite obtenue ainsi que son incertitude En d duire la quantit de mati re de gaz pr sente dans P chantillon On veillera donner le r
44. r une feuille de papier millim tr e en choisissant une chelle appropri e On n oubliera pas de noter sur le graphe titre et l gende En d duire l allure des lignes de champ UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau TRAVAUX PRATIQUES 1 ETUDE DE CHAMPS MAGN TIQUES 59 1 3 Sol no de Dans cette partie on cherche v rifier la formule th orique donnant le champ magn tique l int rieur du sol no de et calculer exp rimentalement la valeur de uo 1 3 1 Caract risation du champ l int rieur du sol no de 1 Relever les caract ristiques du sol no de rayon R longueur l nombre de spires N Donner galement le nombre de spires par unit de longueur n N l 2 Le sol no de peut il tre consid r comme long Justifier 3 Alimenter le sol no de et mesurer la valeur du champ magn tique en diff rents points de l int rieur Commenter 1 3 2 Champ et courant lectrique 1 Comment doit on placer un amp rem tre dans un circuit lectrique justifier 2 Placer un amp rem tre dans le circuit d alimentation du sol no de Tout en prenant bien soin de ne pas d passer les valeurs de courant autoris es par le sol no de et les instruments de mesure tracer la courbe B f T 3 En d duire une valeur approch e de uo Calculer l cart relatif entre le r sultat mesur et le r sultat th orique th o _ exp e en So Ho L erreur en po
45. rnes de la plan te Il est dirig vers le p le nord magn tique terrestre qui est presque confondu avec le p le nord g ographique intersection de la sph re terrestre avec son axe de rotation Sa norme est comprise entre 0 03 et 0 06 mT Les autres champs magn tiques qu on rencontre couramment sont les champs cr s par des aimants ou par des circuits lectriques L origine du champ cr par un aimant est microscopique li e des mat riaux sp cifiques Le champ d finit dans l aimant un p le nord et un p le sud les lignes de champs sortent par le p le nord et entrent par le p le sud Un courant lectrique est par d finition un d placement de porteurs de charge il cr e donc toujours un champ magn tique Dans le cas d un enroulement le sens du champ magn tique est donn par la r gle du tire bouchon si celui ci est plac selon le sens d enroulement de la bobine avec un courant circulant dans ce sens il pointe dans la direction du vecteur champ magn tique On rappelle quelques formules classiques donnant la norme du champ cr par des syst mes lectriques champ cr en son centre par une bobine de N spires de rayon R parcourues par le courant 7 __ WoNI B O DR champ cr par un sol no de long c est dire pour lequel la longueur est beaucoup plus grande que le rayon l gt 10 R l int rieur du sol no de __ WoNI B I On rappelle galement la valeur de
46. so des Soit en criture math matique est la pulsation elle vaut donc 27 T Vf R ER p riodique continue 3 deux suites de r els an yex t bn ney tels que I 5 Ms an cosnot bn sinnot 1 3 Il Cette propri t math matique est complexe et donne lieu toute une th orie du signal permettant de calculer les coef ficients notament qui sera vue plus en d tail par ceux qui poursuivront des tudes de physique Il suffit pour l instant de retenir que chaque signal utilis en lectronique est la somme d un certain nombre de sinuso des des fr quences d termin es Cette notion est illustr e sur le graphe 2 4 o on peut constater comment recontruire un signal carr partir d une somme de sinus UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 2 3 MESURES LECTRIQUES SUR UN MONTAGE FONDAMENTAL 66 FIG 2 4 Reconstruction d un signal carr par une somme de sinuso des Le premier graphe repr sente le premier terme de la s rie sin t le deuxi me est la somme des deux premiers termes de la s rie sin t 0 33 sin 3of le troisi me la somme des trois premiers termes et le dernier la somme des cinq premiers termes Question Citer des utilisations pratiques de l lectronique o on caract rise les signaux par leurs variations en fonction de la fr quence Diagramme de Bode Apr s ce qui a t vu ci dessus on co
47. sultat avec l incertitude associ e 4 2 3 Variation pression constante Aspect qualitatif Quel est la pression du gaz lorsque le piston est laiss libre Pourquoi On pourra s aider d un sch ma pour justfier la r ponse Mesures Sans d brancher le pressiom tre faire augmenter la temp rature gr ce au syst me de chauffage En maintenant la pression constante en jouant sur le piston si celui ci ne glisse pas suffisament relever les valeurs de la temp rature et du volume On effectuera une dizaine de mesures l int rieur des limites fix es au 4 2 1 Repr sentation graphique On veut faire appara tre sur un graphe les variations du volume en fonction de celles de la temp rature pression constante historiquement cette fonction fut appel e loi de Gay Lussac Choisir les variables les plus adapt es la repr sentation graphique et tracer la courbe La courbe est elle qualitativement conforme aux pr visions th oriques Exploitation des mesures Calculer la pente de la droite obtenue ainsi que son incertitude En d duire la quantit de mati re de gaz pr sente dans l chantillon On veillera donner le r sultat avec l incertitude associ e Le r sultat est il compatible avec celui calcul au 4 2 2 Justifier UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau Travaux Pratiques 5 Calorim trie tude de capacit s calorifiques Sommaire 5 1 La calorim trie
48. t riser un circuit analogique standard le filtre passe bas Dans l annexe E sont consign s les concepts de base des signaux lectriques p riodiques ainsi que les d finition de mesures lectriques habituelles tension efficace de cr te 2 2 Pr sentation de l oscilloscope 2 2 1 Introduction L oscilloscope est un appareil permettant de visualiser des signaux lectriques et d en extraire certaines mesures Cet appareil dont la conception remonte au d but du vingti me si cle est excessivement utile en physique exp rimentale puisqu il permet de visualiser des signaux lectriques avec un mat riel relativement peu on reux La complexit grandissante des signaux lectroniques mis en jeu dans les appareils de mesure n cessite d avoir un appareil de contr le et de mesure relativement simple utiliser permettant d appr hender la globalit d un signal lectrique C est le r le de l oscilloscope Le principe de fonctionnement est d envoyer un faisceau d lectrons sur un cran fluorescent Cet can est recouvert d une substance qui met de la lumi re lorsqu elle est frapp e par un lectron Le faisceau d lectrons est d vi dans l espace par des lectrodes en fonction du signal observ Sur l cran apparait donc un spot lumineux dont les variations horizontales et verticales sont command es par les signaux observ s Ce syst me de visualisation permet de mesurer et d avoir une repr
49. t sur l cran donne donc une mesure de la tension appliqu e aux lectrodes D On relie le syst me E une tension variant dans le temps de telle fa on que le faisceau traverse horizontalement l cran en un laps de temps T et qu il revienne ensuite son point de d part pour recommencer La d viation horizontale est donc un marqueur du temps Avec ce principe il est donc possible d observer l volution temporelle de la tension que l on applique aux bornes du syst me d lectrodes D On peut aussi imaginer de relier E une autre tension et l volution du spot permettra donc de visualiser l volution de la tension appliqu e aux bornes de D en fonction de celle appliqu e aux bornes de E Un oscilloscope permet de visualiser et de mesurer des tensions soit en fonction du temps soit en fonction d une autre pe p ps tension 2 2 3 Mini mode d emploi L oscilloscope poss de en g n ral deux entr es de signaux lectriques que l on peut relier aux lectrodes D laissant E sur le syst me de temporisation On peut ainsi visualiser sur l cran en m me temps deux signaux lectriques en fonction du temps Pour que l image observ e soit stable il faut que le balayage horizontal du faisceau d lectron soit synchronis avec une des deux tensions observ es c est la synchronisation de l appareil La synchronisation Le syst me de synchronisation du faisceau sur les signaux d
50. urcentage est elle raisonnable D o provient elle Conclure UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 1 3 SOL NO DE UNIVERSIT PAUL C ZANNE Module P11A Auteurs Mlle Patris M Micolau 60 Travaux Pratiques 2 Initiation la mesure en Electricit Sommaire 2 1 Antrodu tion 320 4 te ant be die ee ie ra E AS EEE er ne re de m et 61 2 2 Pr sentation de l oscilloscope 61 22 11 InNTOdUEONEES MAS E A Re Re Te a ma Te tre rs TE Us sn er 61 222 Fonctionnement 45 254 dupe bibi et pilote ges 84 4 ui 4 4 D Du 4 4 st 62 22 3 MAN MOdE d EMPILOL EE SE NE RENE NE ARE LR QT As dE E esta 62 2 2 4 Prise en main de l appareil Quelques manipulations 63 2 3 Mesures lectriques sur un montage fondamental SN NN D RS a NE ete 00 233 1 G n raht s 3 8 E T re en E E E te M er te T 65 2 3 2 Filtre passe Das os de dans ue dd Da pme Ua peche Ua minis 66 Les annexes aff rentes cette s ances sont les annexes B et E 2 1 Introduction Le but de ce TP est de s initier aux mesures en lectronique fondamentale Il s agit de se familiariser avec la m thodolo gie exp rimentale propre aux mesures lectriques Dans une premi re partie on prendra en main l oscilloscope qui est un appareil de mesure et de contr le fondamental en lectronique Dans une deuxi me partie on s attachera carac
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