Etude de dipôles  soumis à des oscillations forcées sinusoïdales avec l’aide du logiciel solvelec

 

I -L’intérêt du logiciel solvelec :

Ce dernier permet de placer l’utilisateur dans la situation d’une manipulation d’électricité quasi réelle. Certes, il ne remplace  pas l’étude expérimentale avec du vrai matériel mais adoptant une démarche similaire il apporte, à qui s’en donne la peine, une bonne dose de pédagogie pour faire assimiler les phénomènes aux élèves de terminale. La simulation complète bien l’étude expérimentale en ce sens qu’elle permet de faire varier les paramètres d’un phénomène dans un domaine plus vaste et très rapidement ! Dans le cas présent, la fonction « oscilloscope » est précieuse car ce matériel onéreux n’est pas toujours disponible dans les classes de lycée ! La rubrique « solution » permet d’associer les calculs du circuit. aux courbes. Ce logiciel permet aux professeurs de créer leur  propre démarche de cours ; ils  apprécieront ce support intéressant.

 

Pour charger le logiciel dans l’ordinateur local, cliquer sur le lien :  

Logiciel "Solvelec"

II -Connaissances requises :

Connaître l’expression d’une grandeur sinusoïdale et sa représentation de Fresnel associée.

Maitriser le logiciel solvelec. Une aide très complète accessible par la barre d’outils permet de le prendre en main facilement. Il est conseillé de réaliser des schémas simples au début pour apprendre à l’utiliser avant de commencer le travail proposé ci-dessous. Progressivement, le professeur trouvera les idées qui lui permettront de l’utiliser efficacement. Nous déconseillons une utilisation directe sans préparation par les élèves.   

 

III -Dipôle RLC série :

Ouvrir le logiciel « solvelec » et sélectionner l’option « Régime sinusoïdal »

1-Réalisation du schéma du circuit :

Dessiner le schéma du circuit comme représenté ci-dessous.

 

Remarque : pour gagner du temps, tous les schémas réalisés pourront être stockés au fur et à mesure dans un dossier de l’ordinateur. Ces derniers seront ouverts à la demande .Cela permettra à l’élève  utilisateur de se concentrer plus longtemps sur les manipulations.

   

 

Le générateur de tension de f.e.m  E₁ associé au potentiomètre P₁ permet de modifier la tension d’alimentation U₁. Le réglage du curseur du potentiomètre étant effectué par le choix de x : pour x=1, le curseur est « tout en bas » sur le dessin et dans ce cas la tension U₁ est nulle. On pourra prendre x=0.5.

 

 Une fois le schéma terminé, sélectionner « Allumer ». Une indication de « bon fonctionnement » du circuit doit apparaître.

 

 Si un  avertissement signalant que des connexions ne sont pas faites ou mal faites, il faut supprimer ces dernières en cliquant avec la « pince » et les refaire correctement. Après modification du circuit, il faut l’« allumer » de nouveau. 

 

2-Réglage des paramètres :

Dans la partie « Propriétés » régler les paramètres du circuit: R₁=1k ; L₁=0.6H ; C=10F ; E₁=10V ; f=10Hz.

 

Sélectionner le bouton « Oscilloscope ». La tension u₁ apparait en vert et l’intensité du courant i₁ en bleu. Ne garder que u₁ et i₁. Pour supprimer E₁ cliquer sur le symbole E₁ puis sur GND (mise à la terre)  pour l’éliminer.

 

3-Observations, mesures et calculs :

-Mesurer la période T de chaque grandeur sinusoïdale.

(l’utilisation du bouton curseur placé dans la marge du graphe  permet de lire plus facilement les coordonnées des points choisis sur le graphe).On obtient facilement T=100ms=0,1s

Calculer la  fréquence f  à partir de T.

Constater que les deux grandeurs u₁ et i₁ ont  même fréquence.

Comparer avec le paramètre f sélectionné au départ.

 

-Mesure du décalage horaire entre les deux courbes et du déphasage :

Plus précisément ici, i₁ atteint un maximum un court instant t  avant u₁ dans le sens des t croissants. Nous dirons que  i₁ est en avance horaire de t sur u₁. Si l’on associe à chaque grandeur sinusoïdale un vecteur tournant (construction de Fresnel), à l’avance horaire t lue sur l’oscilloscope correspond un décalage angulaire (ou déphasage) des deux vecteurs q égal à :

Remarque : t doit être lu de préférence sur l’axe des t 

-Influence de la fréquence sur le décalage :

Modifier la fréquence d’un facteur 10 soit f=100 puis 1000Hz. On obtient les graphes ci-dessous

Pour N=100Hz, les deux grandeurs sont quasiment en phase .Pour N=1000Hz, c’est u₁ qui est en avance de phase sur i₁.

Le déphasage entre tension et courant dépend de la fréquence.

 

-Influence des paramètres du circuit :

Modifier les valeurs de R, L et C séparément, et constater que ces paramètres influencent également le déphasage

 

-Notion d’impédance :

La loi d’ohm en courant continu nous suggère de considérer le rapport :

Grandeur nommée impédance du dipôle RLC.

Pour évaluer rapidement ce rapport, il est commode de demander la courbe Ueff= f(Ieff) pour différentes fréquences.

 

-Tracé de la courbe U_1eff = f(I_1eff) :

Cliquer sur l’icône « courbe » dans la barre d’outils supérieure.

Cliquer sur « ? » en abscisse et sélectionner « I₁ » parmi les différents paramètres proposés.

Cliquer sur « ? » en ordonnée  et sélectionner le paramètre « U₁ ».

 

Enfin cliquer sur « paramètres » pour choisir la variable x1. On choisira de faire varier x1 entre 0 et 1. Cela revient à faire varier U₁ entre 0 et la valeur maximum. On comprend l’intérêt  d’avoir mis un potentiomètre à l’entrée du circuit.

Le choix de l’échelle en abscisse et en ordonnée s’effectue en cliquant sur la 1^ère graduation de l’axe. Un curseur apparaît : le déplacer pour modifier la valeur d’une graduation. Choisir l’échelle pour obtenir une courbe qui remplisse  le cadre de la zone graphique.

 

-Résultats :

La courbe obtenue est en fait une droite.

Cela signifie que Z est une constante pour une fréquence donnée.

Pour évaluer Z , il suffit de calculer la pente de celle-ci.  Pour faciliter la lecture des coordonnées des points de la courbe, utiliser le curseur proposé.

 

Pour f=10hertz, on obtient Z=10,5/(5,70.10^-3)=1842 ohms.

Comparons cette valeur de Z à celle de R=1 kohm. Donc Z>R

 

 

 

 

Pour f=100 Hz , Z = 7,2/(7,05.10^-3)=1021ohms valeur proche de R mais légèrement supérieure(souvenons –nous qu’à cette fréquence u et i sont quasiment en phase !)

 

Et enfin avec f =1000Hz, Z=12.8/(3.15.10^-3)=4063ohms Cette fois Z >>R

 

A stade de l’étude il est possible de faire l’interprétation de ces résultats en faisant l’étude théorique du circuit RLC en utilisant la représentation de Fresnel (ou la méthode complexe).

Il est sans doute plus intéressant  de poursuivre cette (pseudo) étude expérimentale dans le même esprit mais dipôle par dipôle et de mettre en place progressivement l’étude théorique.