TP MPI  N° 01

Grandeurs physiques, unités,

écriture des valeurs numériques.

Le multimètre.

Correction

 

 

Énoncé  

Matériel

Multimètres (2 :  jaune et noir),

générateurs (polysource, multigénérateur),

lampe à incandescence (12 V – 100 mA),

fils de connexions, interrupteur , plaque de connexion

 

Juste pour savoir ce que vous connaissez !

 

I -Grandeurs physiques et mesures .

II -Unités, notation scientifique et ordre de grandeur.

III -Les dipôles, le courant électrique et la tension .

IV - Le multimètre.

V - Utilisation de multimètres.

 
 

I- Grandeurs physiques et mesures.

1)- Donner des exemples de grandeurs physiques :

-  La tension, l’intensité, la longueur, la masse, le poids, longueur, le temps, la vitesse, ……..

2)- Définition d’une grandeur physique.

a)- Introduction.

-  La physique est l’étude des phénomènes naturels, des phénomènes qui nous entourent.

La physique examine et interprète les phénomènes de la nature inanimée. C’est une science expérimentale.

-  La physique décrit la matière et l’espace, leurs propriétés et leurs comportements.

-  Les propriétés mesurables sont appelées : grandeurs physiques.

-  L'idée de mesure est inséparable de l'idée de grandeur.

-  Les grandeurs physiques sont en règle générale, le résultat d’une mesure ou d’un calcul.

-  Lorsque la mesure s’exprime par un simple nombre, on parle de grandeur scalaire (la masse, la longueur).

-  Lorsqu’un ensemble de plusieurs nombres est nécessaire pour représenter la grandeur physique, on parle de grandeur vectorielle (les forces, la vitesse)

-  La plupart des grandeurs physiques découlent les unes des autres ainsi que de quelques grandeurs de base.

b)- Écriture.

-  Les grandeurs physiques sont représentées par une lettre (souvent écrite en italique).

-  Les unités pour les grandeurs physiques sont fixées par le système international d’unités (S.I).

c)- Grandeurs et unités fondamentales.

grandeur fondamentale

symbole

unité

symbole fondamental

Longueur

mètre

m

Masse

m

kilogramme

kg

Temps

t

seconde

s

Intensité du courant

I

ampère

A

Température absolue

T

kelvin

K

Intensité lumineuse

I

candela

cd

Quantité de matière

n

mole

mol

 

d)- Expression d’un résultat ou d’une mesure.

-  Le résultat d’une mesure ou d’un calcul d’une grandeur physique est constitué le plus souvent par une valeur numérique suivie d’une unité.

-  Exemple : la longueur d’une poutre est de 17,3 m.

-  On écrit : ℓ =  17,3 m.

e)-  Les chiffres significatifs.

-  Les chiffres significatifs permettent de caractériser une grandeur physique.

-  La longueur d’une poutre est de 17,3 m. La longueur de la poutre est donnée avec 3 chiffres significatifs.

-  Le nombre de chiffres significatifs utilisés pour exprimer une valeur donnée indique la précision avec laquelle cette valeur est connue.

f)-  Mesure et erreur.

-  Le résultat de toute mesure donne une valeur approchée de la grandeur physique mesurée.

-  Lors d’une mesure, 2 types d’erreurs peuvent survenir :

l’erreur systématique essentiellement due à l’instrument de mesure et

l’erreur aléatoire essentiellement due à l’expérimentateur.

-  Pour minimiser les erreurs, on effectue des séries de mesures et on utilise le plus souvent la valeur moyenne comme résultat de la mesure.

-  Exemple : la longueur d’une poutre est de 17,3 m.

Dans cet exemple, on ne précise pas le matériel utilisé pour effectuer la mesure.

-  Pour simplifier, on admet généralement que l’incertitude absolue sur la mesure est égale à la demi-unité du dernier chiffre significatif :

-  Exemple 1 : =  17,3 m. La grandeur physique comprend 3 chiffres significatifs.

-  L’incertitude absolue notée  Δℓ = 0,05 m .

-  Cela signifie que la valeur de est connue à 0,05 m près :  17,25 m ≤ ℓ ≤ 17,35 m  

-  La valeur exacte de la longueur de la poutre n’est pas connue mais,

on peut affirmer qu’elle appartient au domaine suivant : 17,25 m ≤ ℓ ≤ 17,35 m  

-  On peut écrire que :  ℓ = (17,30 ± 0,05) m ou  ℓ ≈ 17,3 m

-  On peut calculer l’incertitude relative qui nous renseigne sur la précision de la mesure :

- 

-  La précision est de 0,29 %.

-  Exemple 2 : La longueur d'une poutre est de 17,3 m. La précision de la mesure est de 2,0 %.

-  Donner la valeur de l'incertitude relative sur la mesure de la poutre.

-  Calculer la valeur de l'incertitude absolue sur la mesure de la poutre.

-  Donner un encadrement de la valeur de de la longueur de la poutre.

-  Réponses : 

-  Valeur de l’incertitude relative sur la mesure de la poutre :

-  

-  Valeur de l'incertitude absolue sur la mesure de la poutre :

-  

-  Encadrement de la valeur de la mesure de la poutre :

-  ℓ = (17,30 ± 0,35) m

-  12,95 m ≤ ℓ ≤ 17,65 m  

II- Unités, notation scientifique et ordre de grandeur.

1)- Repérer les nombres écrits en notation scientifique, définir la notation scientifique et écrire les autres nombres en écriture scientifique (sur 4).

50,32 x 10 3  5,032 x 10 4 

2,345 x 10 – 8

3740 = 3,740 x 10 3

0,685 x 10 2 = 6,85 x 10 1  

0,745 x 10 – 2 = 7,45 x 10 – 3

0,0568 = 5,68 x 10 – 2

10045 = 1,0045 x 10 4 

2  

La notation scientifique : a x 10 n  ou  a . 10 n  ; a : nombre décimal compris entre 1 et 10 : 0 a < 10  ;

  n : nombre entier positif ou négatif : n €  Z .

2)- Multiples et sous-multiples.

a)- Que signifient les préfixes suivants ? Par quelle abréviation les représente-t-on ?

milli

micro

kilo

méga

  10 – 3  ; m

  10 – 6  ;  μ

  10 3  ; k

  10 6   ; M

b)- Effectuer les conversions demandées en utilisant la notation scientifique ou en écrivant le nombre tel quel si c’est simple (sur 4).

0,32 A

=

    3,2 x 10– 2 ou  320 mA

0,0056 mA

=

 5,6  x 10– 6   A

0,0056 mA

=

 5,6 mA

5,0 x 10

=

    5,0 x 107    mV

30 mV

=

3,0 x 10  – 5 kV

2 500 000 W

=

 2,5 x 10 3   kW

53 mV

=

    5,3 x 10– 5 V

270 mA

=

 0,270 mA

72 kV

=

 7,2 x 104  V

18 MV

=

    1,8 x 107  V

18 MV

=

 1,8 x 104  kV

0,038 A

=

 3,8 x 104  mA

 

III- Les dipôles, le courant électrique , la tension électrique.

1)- Associer un nom à chaque dipôle  ( sur 2) :

-  Lampe témoin, moteur, pile, lampe à incandescence, diode, conducteur ohmique, interrupteur, fusible.

  Interrupteur

  Pile

Conducteur
ohmique
Moteur Lampe
témoin

  Diode

Lampe à
incandescence
Fusible

2)- Dans quel cas un courant électrique circule-t-il dans un circuit fermé ? (sur 2) :

-  Un courant circule dans un circuit fermé s’il comprend un générateur électrique (courant ou tension).

3)- Indiquer sur le schéma ci-dessous le sens conventionnel du courant dans le circuit (sur 1) .

4)- Indiquer avec la lettre C (pour conducteur) ou I (pour isolant) la nature des matériaux ci-dessous (sur 1,5).

Air

Cuivre

Mercure

Graphite

Zinc

verre

  I

C C C C I

5)- Indiquer sur le schéma le sens du courant qui permettrait à la DEL de s’éclairer ( sur 2).

6)- Indiquer sous chaque schéma s’il s’agit d’un circuit série ou d’un circuit avec dérivation (sur 3).

  Série

  Circuit avec

 dérivation

  Circuit avec

dérivation

Circuit série

Le voltmètre est branché

en dérivation

7)- Quelle est l’unité de l’intensité du courant ( nom et symbole) (sur 1).

-  Réponse :  nom : ampère, symbole : A

 

8)- Comment mesure-t-on l’intensité du courant dans un circuit (il faut être très précis) ? (sur 2)

-  Réponse : On branche un ampèremètre en série dans le circuit pour mesurer l'intensité du courant dans un circuit.

9)- Pour chaque circuit, donner la valeur de l’intensité du courant I3 (sur 3).

 

10)- Quelle est l’unité de la tension électrique (nom et symbole) ? (sur 1) :

-  Réponse : nom : volt, symbole : V.

  11)- Dessiner un voltmètre permettant de mesurer la tension U DE (indiquer en noir la borne COM du voltmètre (sur 2).

12)- Dans la portion de circuit ci-dessous, on donne : UAB = 9,0 V, UAC = 6,6 V. Calculer les valeurs des tensions ci-dessous.  (sur 4,5)

 

UAD = 0,0 V   

U EA = 0,0 V   

U CB = 2,4 V   

13)- Quelle est l’unité de résistance électrique (nom et symbole) ? (sur 1)

-  Réponse : nom : ohm, symbole Ω.

14)- Citer deux méthodes permettant de mesurer la résistance d’un conducteur ohmique. (sur 2)

-  Première méthode : code des couleurs, loi d’ohm.

-  Seconde méthode : Ohmmètre.

15)- Parmi les caractéristiques intensité-tension ci-dessous, donner la lettre qui correspond à celle d’un conducteur ohmique. (sur 2) :

Réponse :  C

 

16)- Énoncer la loi d’Ohm aux bornes d’un conducteur ohmique (résistor) de résistance R (sur 2) :

-         

17)- Que peut-on dire des grandeurs U et I pour un conducteur ohmique ? (sur 2) :

-  Loi d'Ohm :

-  La tension U  aux bornes d’un conducteur ohmique est proportionnelle à l’intensité du courant I qui le traverse.    

    

18)- En dessous des écrans d’oscilloscope représentant différentes tensions, placer le ou les mots de la liste suivante :

périodique ; continue ; variable ; alternative :

qui caractérise(nt) le mieux chacune des tensions (plusieurs mots possibles pour une même tension). ( sur 3)

-  Remarque : la ligne horizontale centrale représente une tension nulle.

  Tension alternative

variable

  Tension alternative

périodique

  Tension périodique

Tension continue

 

19)- Sur l’écran de l’oscilloscope ci-dessous repasser en rouge, sur l’oscillogramme, une période du signal. (sur 2)

20)- Retrouver quelques formules simples d’électricité : entourer la bonne réponse : (sur 3)

a)- En notant T la période en seconde et f  la fréquence en Hz, on a :

Faux

Vrai

Faux

 

b)- En notant P la puissance électrique , I l’intensité et U la tension, on a :

 

Faux

Faux

Vrai 

c)- En notant E l’énergie électrique, P la puissance et t le temps, on a :

Vrai

Faux

Faux

IV- Le multimètre.

1)- Présentation du multimètre :

-  Faire le schéma du multimètre ( on se limite aux fonctions fondamentales).

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

2)- Donner la représentation symbolique d’un :

a)-     Voltmètre

b)-     Ampèremètre

c)-     Ohmmètre

3)- Quelles bornes faut-il utiliser pour transformer le multimètre (on peut faire un schéma) en :

a)-     Voltmètre

b)-     Ampèremètre

c)-     Ohmmètre

V- Utilisation de multimètres :

1)- Utilisation d’un multimètre en voltmètre.

a)- Le but :

Régler la tension aux bornes d’une alimentation ajustable sur UG = 3,5 V à l’aide d’un voltmètre.

b)- Préparation du multimètre :

-  Sélection du courant et du calibre.

-  En courant continu, on utilise la position VDC et en courant alternatif la position VAC ou DCV en courant continu et ACV en courant alternatif.

-  Le courant utilisé est un courant continu, on choisit la position VDC.

-  Définir le calibre d’un appareil :

-  On appelle calibre la plus grande valeur de la mesure que peut effectuer l’appareil sur la valeur sélectionnée.

-  Indiquer les différents calibres que possède l’appareil.

-  Le voltmètre possède les calibres suivants : 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V et 1000 V.

Ici, on connaît la valeur de la tension

-  Quel calibre faut-il choisir avant de faire une expérience ? Pourquoi ?

-  Il faut choisir le calibre le plus élevé, puis on sélectionne le calibre le mieux adapté.

Ainsi, on peut réaliser une mesure et on évite  de détériorer  le multimètre (surtout lorsqu’on utilise le multimètre en ampèremètre).

-  Sélectionner le calibre le mieux adapté.

-  Le calibre le mieux adapté pour la mesure est le calibre 20 V car la valeur de la tension est comprise entre 2 V et 20 V.

-  On choisit le calibre 20 V.

On appuie sur la touche range  pour passer en mode MAN RANGE et on appuie plusieurs fois pour obtenir la valeur désirée.

-  L’appareil (multimètre noir) peut rechercher la calibre le mieux adapté en position AUTO RANGE.

Pour pouvoir choisir un calibre manuellement, il faut passer en MAN RANGE.

-  Choisir les bornes et relier chaque borne à un fil de jonction (rouge et noir : connecter le fil noir à la borne COM).

-  Choisir les bornes et relier chaque borne à un fil de jonction (rouge et noir : connecter le fil noir à la borne COM).

c)- Le générateur : polysource ou multigénérateur.

-  Repérer les bornes de branchement de l’alimentation ajustable,

le potentiomètre permettant le réglage et le bouton inverseur (dans certain cas).

Faire un schéma simplifié de la partie alimentation ajustable.

d)- Schématisation du montage permettant la mesure de la tension

Alimentation ajustable

Montage

ou

Manipulation 1 :

Réaliser le montage (interrupteur ouvert),

Le faire vérifier.

Puis procéder au réglage (on garde le réglage pour la manipulation suivante)

e)- Quels sont les calibres que l’on peut utiliser ? Choisir le calibre le mieux adapté.

-  Sur les calibres 200 mV et 2 V, la mesure est impossible. 

-  Sur le calibre 20 V, l’affichage comprend 3 chiffres significatifs, sur 200 V, l’affichage comprend 2 chiffres significatifs et sur 100 V, 1 chiffre significatif. 

-  Le calibre le mieux adapté permet d’obtenir la plus grande précision.

2)- Utilisation d’un multimètre en ampèremètre.

a)- Le but : mesurer l’intensité du courant dans un circuit série.

b)- Préparation du multimètre :

-  Sélection du courant.

-  En courant continu, on utilise la position DCA et en courant alternatif la position ACA

-  Le courant utilisé est un courant continu, on choisit la position  A DC ou DCA  suivant l’appareil utilisé.

-  Quel calibre faut-il choisir avant de faire une expérience ? lors de l’utilisation du multimètre en ampèremètre, pourquoi le choix du calibre de départ est-il très important ?

-  Il faut choisir le calibre le plus grand afin de ne pas griller les fusibles. Puis on choisit le calibre le mieux adapté pour avoir la plus grande précision possible de l’appareil.

-  Indiquer la liste des calibres de l’ampèremètre par ordre décroissant.

-  Liste des calibres : 20 A, 400 mA et 40 mA.

-  Sélectionner le calibre le plus élevé.

-  Pour sélectionner le calibre le plus élevé (20 A), il faut utiliser les bornes 20 A et COM et placer le sélecteur sur 20 A.

-  Choisir les bornes et relier chaque borne à un fil de jonction (rouge et noir : connecter le fil noir à la borne COM).

c)- Schématisation du circuit :

Faire le schéma d’un circuit série comprenant,

le générateur précédent,

un interrupteur K,

une lampe à incandescence,

un ampèremètre et des fils de jonction.

Manipulation 2 :

Réaliser le montage (interrupteur K ouvert),

Le faire vérifier.

Puis procéder à la mesure.

d)- Adapter le calibre à la mesure si cela est nécessaire.

-  On choisit ensuite le calibre le mieux adapté à la mesure. Dans le cas présent, il faut brancher le fil rouge à la borne mA du multimètre.

Le calibre le mieux adapté est le calibre 400 mA et la lecture :

Noter la valeur de l’intensité du courant :

 -  I ≈ 47,7 mA.

Le calibre 40 mA ne convient pas pour la mesure.

3)- Intensité et tension.

a)- Faire le schéma du montage permettant de mesurer la tension aux bornes de la lampe à incandescence du circuit précédent.

Manipulation 3 :

compléter le montage (interrupteur ouvert).

Le faire vérifier. Puis procéder à la mesure.

-  Noter les caractéristiques de la lampe et les comparer aux valeurs de l’intensité et de la tension mesurée. Conclusions.

-  Mesure de la tension : U ≈ 3,47 V. 

-  Les caractéristiques de la lampe sont 12 V et 100 mA.

- La lampe est sous-alimentée.

- Elle brille peu car la tension d’alimentation est inférieure à la valeur nominale de la tension.

- L’intensité qui traverse la lampe est inférieure à la valeur nominale de l’intensité.

-  On peut sans risque augmenter la valeur de la tension délivrée par le générateur.

- On peut aller jusqu’à 12 V qui est la valeur maximale de la tension délivrée par le générateur de tension ajustable.