TP Physique N° 12

L'oscilloscope.

Enoncé.

 

   

  

I - Introduction
II - Description de l'oscilloscope.
III - Réglages préliminaires.

IV - Base de temps ou balayage.

V - Mesure d'une période.

VI - Etude complémentaire.

Programme 2010 : Physique et Chimie

Matériel :

-  Oscilloscope, chronomètre, G.B.F,

 

I- Introduction : exemples d’instruments de mesure de temps.

 

-  Le pendule simple : en 1602, Galilée découvre que les petites oscillations d’un pendule simple sont périodiques.

-  En 1657, Christian Huygens utilise les propriétés des oscillations du pendule pour construire la première horloge mécanique.

-  La période d’un pendule est facile à mesurer à l’aide d’un chronomètre. 

-  En revanche, si l’on veut étudier des phénomènes beaucoup plus rapides, il faut disposer d’outils adaptés. 

-  Parmi ceux-ci, on trouve l’oscilloscope.

II- Description de l'oscilloscope.

1)- Présentation.

C'est un appareil à faisceau d'électrons. Il comprend :

-  Un canon à électrons

-  Un écran qui est constitué d’une plaque fluorescente

-  Des plaques de déviation. Les plaques Y et Y' sont les plaques de déviation verticale et les plaques X et X' sont les plaques de déviation horizontale.

-  Schéma :

2)- Le canon à électrons.

-          La cathode chauffée par un filament émet des électrons. C’est l’effet thermoélectronique. 

-          Ces électrons sont accélérés par une anode creuse. Le canon à électrons projette un faisceau d’électrons. 

-          Par action sur la substance fluorescente de l’écran, ces particules provoquent l’apparition d’un spot lumineux.

3)- Les plaques de déviations.

-          Les plaques horizontales Y et Y’. si elles sont reliées à des bornes + et -, elles permettent la déviation du spot vers le haut ou vers le bas. 

-         Ce sont les plaques de déviation verticale.  

-          On observe sur l’écran la tension électrique qu’elles subissent.

-          Remarque : la tension entre deux bornes A et B est égale à la différence de potentiel entre ces bornes. 

-          On écrit : UAB = VA  -  VB  : unité : volt V

-          Le potentiel électrique en un point représente l’état électrique de ce point ou le niveau électrique de ce point.

-          Les plaques verticales X et X’. Elles permettent la déviation du spot de gauche à droite de l’écran. 

-          Ce sont les plaques de déviation horizontale.

III- Réglages préliminaires.

1)- Schéma de l’oscilloscope.

 

 

2)- Réglages de base de l’oscilloscope.

Boutons de réglage de l’oscilloscope

Rôle.

Interrupteur Marche-Arrêt et diode témoin.

Réglage de la luminosité du spot ou de la trace lumineuse.

Réglage de la concentration, de la netteté  du spot lumineux et des traces des voies A et B.

Centrage horizontal du spot ou des deux traces des voies A et B.

Base de temps ou durée de balayage (ou vitesse de balayage) en s / div ms / div  ou μs / div. Ce bouton permet l’étalement horizontal du spot ou de la trace. On parle aussi de sensibilité horizontale.

Choix du mode de synchronisation.

Ces boutons permettent d’ajuster le niveau de synchronisation et de stabiliser le signal.

Choix de l’affichage des courbes : voie A seule,  mode XY ( la voie A est en abscisse et la voie B en ordonnée), voies A et B, voies A et B additionnées en une seule courbe, voie B seule.

Centrage vertical de la voie A ou de la voie B.

 

Calibre vertical ou sensibilité verticale de la voie A ou de la voie B en V / div ou en mV / div.

Touche de changement de signe de la tension à la voie B.

Type de tension applicable à la voie : AC : tension alternative seule. DC (direct courant) tension alternative et continue. GND :  mise à zéro de la tension appliquée à la voie.

Bornes de branchement de la voie A ou de la voie B.

ManipulationRepérer sur l’oscilloscope, à l’aide de la fiche technique qui vous a été distribuée, les boutons qui permettent :

-  De mettre l’appareil sous tension,

-  De régler la luminosité du spot ou de la ligne lumineuse,

-  De régler la finesse du spot ou de la ligne lumineuse,

-  De centrer le spot ou la ligne lumineuse,

-  De changer la vitesse de balayage du spot.

ManipulationAllumer l’oscilloscope :

-  Régler la durée de balayage sur 0,2 s / div, ajuster la luminosité et la position du spot lumineux.

RédactionIndiquer les observations. Faire un schéma de la face avant d’un oscilloscope.

IV- La base de temps ou le balayage.

-  Ce dispositif permet au spot lumineux de se déplacer horizontalement avec une vitesse constante réglable. 

-  Le spot se déplace de gauche à droite puis revient à gauche instantanément et repart.

-  Pour faire varier la vitesse, on utilise le bouton : base de temps ou durée de balayage. 

-  À partir d'une certaine vitesse, on observe une ligne lumineuse horizontale. 

-  La persistance des impressions lumineuses sur la rétine ne permet plus de distinguer le déplacement du spot lumineux.

-  Lorsque le balayage est enclenché, la courbe obtenue donne les variations de la tension appliquée aux plaques X, X' en fonction du temps.

-  On appelle oscillogramme la figure visualisée sur l’écran d’un oscilloscope. 

-  Elle est obtenue grâce au déplacement du spot.

 

1)- Manipulation 1.

ʘ    Pour des sensibilités différentes de la base de temps,

le spot balaie l’écran de gauche à droite plus ou moins vite.

 

ManipulationLocaliser le bouton base de temps ou durée de balayage sur l’oscilloscope.

-  Régler la sensibilité de la base de temps pour obtenir un déplacement du spot le plus lent possible. 

-  Chronométrer la durée mise par le spot pour traverser l’écran.

RédactionEn déduire la durée mise par le spot pour parcourir une division (une division mesure 1 cm).

-   Comparer le résultat obtenu avec la sensibilité de la base de temps. Calculer la vitesse du spot en m / s.

2)- manipulation 2.

ʘ La sensibilité de la base de temps est le temps mis par le spot pour parcourir une division (1 cm). 

-  Les différentes unités : s / div, ms / div et μs / div

-  En mode balayage, l’axe horizontal de l’oscilloscope représente l’axe des temps.

 

Augmenter la sensibilité de la base de temps de la plus petite à la plus grande : 

-  à partir de quelle sensibilité ne peut-on plus suivre le spot lumineux des yeux quand il balaie l’écran ?

RédactionNoter la valeur de cette sensibilité et déterminer la valeur de la vitesse du spot. Quel est le phénomène mis en cause ?

ʘ    Lorsque la durée totale du balayage de l’écran est inférieure à 0,10 s ( s = 10 ms / div), la persistance rétinienne des impressions lumineuses permet d’observer un trait horizontal continu et stable.

V- Mesure d’une période.

1)- Rappels.

-  La période : 

La période T est la plus petite durée au bout de laquelle la tension se reproduit identique à elle-même. 

L'unité de période est la seconde symbole s.

-  La fréquence : 

La fréquence f est le nombre de période par seconde. 

C'est l'inverse de la période.

f

1 


T 

L'unité de fréquence est l'Hertz, symbole Hz.

 

 

2)- Le générateur basses fréquences : G.B.F.

C’est un générateur de tension alternative : il délivre les tensions suivantes

-  Tension en dent de scie ou tension triangulaire,

-  Tension en créneau ou tension carrée,

-  Tension Sinusoïdale.

 

3)- Présentation.

 

 

4)- Réglage du G.B.F.

Boutons de réglage

du G.B.F

Rôle

Face arrière

Power ON / OFF  commutateur « marche-arrêt »

Affichage de la fréquence. Les symboles des commandes sont rappelés sur l’afficheur.

Choix de la gamme de fréquence.

Inversion de la polarité du signal de sortie.

Choix de la forme du signal de sortie (rectangulaire, triangulaire et sinusoïdale).

Atténuation de l’amplitude du signal de sortie.

Réglage de la fréquence du signal de sortie.

Réglage du rapport cyclique du signal de sortie. (Tirée, cette commande permet d’ajuster la dissymétrie dans le temps du signal de sortie. La fréquence est alors divisée par dix)

Ajout d’une composante continue au signal de sortie (tirée, cette commande permet de superposer une tension continue réglable au signal de sortie)

Réglage de l’amplitude du signal de sortie.

Sortie BNC du signal défini par les commandes précédentes.

 

ManipulationRepérer sur le G.B.F, à l’aide de la fiche technique qui vous a été distribuée, les boutons qui permettent :

-  De mettre l’appareil sous tension,

-  De régler la gamme de fréquence,

-  De régler la fréquence du signal de sortie,

-  De choisir la forme du signal de sortie,

-  De régler l’amplitude du signal de sortie..

 

ManipulationAllumer le G.B.F :

-  Régler la fréquence sur 1000 Hz et le bouton de réglage de l’amplitude du signal aux ¾ de la graduation.

-  Relier le G.B.F à la voie A de l’oscilloscope : bornes rouges ensembles et bornes noires ensembles.

 

5)- Étude de la tension triangulaire.

ManipulationSélectionner la tension triangulaire.

ManipulationRégler l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.

RédactionReproduire l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.

-  Déterminer la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme. 

-  En déduire la valeur de la fréquence.

-  Modifier la valeur de la sensibilité s  de la durée de balayage.

-  La période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.

-  Modifier la valeur de l’amplitude délivrée par le G.B.F

-  La période et la fréquence ont-elles changé ?

Réalisé avec le logiciel Crocodile Physics 1.7

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6)- Tension en créneau : idem.

ManipulationSélectionner la tension en créneau.

ManipulationRégler l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.

RédactionReproduire l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.

-  Déterminer la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme. 

-  En déduire la valeur de la fréquence.

-  Modifier la valeur de la sensibilité s  de la durée de balayage. 

-  La période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.

-  Modifier la valeur de l’amplitude délivrée par le G.B.F

-  La période et la fréquence ont-elles changé ?

Réalisé avec le logiciel Crocodile Physics 1.7

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7)- Tension sinusoïdale : idem.

ManipulationSélectionner la tension sinusoïdale.

ManipulationRégler l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.

RédactionReproduire l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.

-  Déterminer la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme. 

-  En déduire la valeur de la fréquence.

-  Modifier la valeur de la sensibilité s  de la durée de balayage. 

-  La période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.

-  Modifier la valeur de l’amplitude délivrée par le G.B.F

-  La période et la fréquence ont-elles changé ?

Réalisé avec le logiciel Crocodile Physics 1.7

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VI- Étude complémentaire.

1)- Montage 1:

-  Matériel : D.E.L : diode électroluminescente verte ou rouge ; conducteur ohmique de résistance R = 220 Ω.

 

ManipulationRéaliser le montage suivant, le faire vérifier.

2)- Observations :

 

ManipulationSélectionner la tension sinusoïdale.

ManipulationRégler la fréquence du G.B.F sur 1 Hz et le bouton d’amplitude de la tension à moitié de graduation. 

ManipulationPuis augmenter la valeur de la fréquence délivrée par le G.B.F.

-  Quelles sont les observations que l’on peut faire ? Quelle conclusion peut-on tirer ?

3)- Montage 2 :

ManipulationRéaliser le montage suivant et le faire vérifier.

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ManipulationSélectionner la tension sinusoïdale.

ManipulationRégler la fréquence du G.B.F sur 500 Hz et le bouton d’amplitude de la tension à moitié de graduation.

ManipulationRégler l’oscilloscope de manière à obtenir un oscillogramme exploitable.

RédactionReproduire l’oscillogramme au crayon. Mettre en évidence le motif.

-  Que visualise-t-on à l’écran de l’oscilloscope ?

-  Déterminer la valeur de la période à l’aide de l’oscillogramme. En déduire la valeur de la fréquence.

-  Modifier la valeur de la sensibilité s  de la durée de balayage. 

-  La période et la fréquence ont-elles changé ? Justifier la réponse.

-  Quel est le rôle de la diode électroluminescente ?

ManipulationRelier la borne P à la voie B de l’oscilloscope. 

ManipulationAppuyer sur la touche Dual pour afficher les deux courbes.

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-  Les comparer. Conclusion.