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Fiche de présentation et d’accompagnement Terminale - Physique-Chimie Disciplin

Fiche de présentation et d’accompagnement Terminale - Physique-Chimie Discipline(s) dominante(s) : Physique Chapitre : Evolutions temporelles dans un circuit capacitif Nom de l’activité : TP « Constante de temps τ d’un circuit RC » Activité expérimentale En binôme 2 heures Programme officiel Savoir Savoir-faire Étudier la réponse d’un dispositif modélisé par un dipôle RC. Déterminer le temps caractéristique d'un dipôle RC à l’aide d’un microcontrôleur et du langage de programmation Python. Compétences pouvant être évaluées au cours de l’activité ☒ S’approprier ☒ Analyser ☒ Réaliser ☒ Valider ☒ Communiquer Organisation de la séance et remarques : Séance expérimentale de 2 heures, cependant la partie A (formulation de la problématique et élaboration de la démarche expérimentale) peut être réalisée sous forme de classe inversée. Partie B : Etude préliminaire et expérimentale de la charge d’un condensateur. Partie C : Détermination expérimentale de la constante de temps du circuit RC et réponse à la problématique. Partie D : Prolongement, étude statistique. Marie-Anne DEJOAN - Académie de la Guyane Mars 2020 Terminale - Enseignement de spécialité PC TP : Constante de temps τ d’un circuit RC Compétences S'APProprier ANAlyser REAliser VALider COMmuniquer Coefficient 1 2 3 3 1 Thème : Ondes et signaux Objectifs :  Étudier la réponse d’un dispositif modélisé par un dipôle RC.  Déterminer le temps caractéristique d'un dipôle RC à l’aide d’un microcontrôleur et du langage de programmation Python. Le contexte Marine est passionnée d’électronique : le père noël lui a apporté cette année une carte Arduino, un ensemble de composants électroniques et un petit livre de projets à réaliser ! Quelle chance !! Elle feuillette le livret et se lance le défi de réaliser un verrou codé. Le descriptif du montage indique qu’il faut utiliser un condensateur de capacité 100 μF. Le père noël a dû acheter des composants à bas prix car aucune caractéristique n’est indiquée sur le condensateur… Elle va devoir se pencher sur la question et ouvrir son livre de physique… Documents mis à disposition Document 1 : Le condensateur Un condensateur est un composant électronique capable de stocker (charge) et relâcher (décharge) de l’énergie électrique dans un circuit. Souvent positionné entre l’alimentation et la masse dans un circuit, proche d’un capteur ou d’un moteur afin d’éviter des fluctuations de tension (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension). Un condensateur est caractérisé par sa capacité électrique notée C, exprimée en farads (F). Elle représente la quantité de charges électrique portées par le condensateur pour une tension donnée. Figure 1 : Symbole d’un condensateur polarisé Document 2 : Le circuit RC série Un circuit RC série est un circuit électrique, composé d’une résistance et d'un condensateur montés en série. Figure 2 : Schéma électrique d’un circuit RC série Marie-Anne DEJOAN - Académie de la Guyane Mars 2020 VC E + I Gnd C R Document 3 : Réponse d’un circuit RC à un échelon de tension On appelle échelon de tension le passage brutal de la tension appliquée à l’ensemble {R+C} d’une valeur nulle à une valeur non nulle : on suppose qu’à t <0, la tension d’alimentation du circuit est nulle et qu’à partir de t = 0 elle est égale à une constante E. Le condensateur initialement déchargé se charge. Au cours de sa charge la tension VC à ses bornes s’écrit : V C=E×(1−e −t RC) Le produit RC est homogène à une durée appelée constante de temps, notée τ et exprimée en s. Constante de temps Au cours de la charge d’un condensateur à travers une résistance R et sous une tension E du générateur : à t = τ, VC ≈ 0,63×E (soit 63% de E) ; à t = 3τ, VC ≈ 0,95×E (soit 95% de E) ; à t = 5τ, VC ≈ 0,99×E (soit 99% de E) (Le condensateur est pratiquement chargé). La constante donne donc un ordre de grandeur de la charge d’un condensateur. Figure 3 : Tension Vc aux bornes d’un condensateur au cours de sa charge Marie-Anne DEJOAN - Académie de la Guyane Mars 2020 Vc t τ E 0,63× E Document 4 : Le montage Montage proposé par Cristophe BELLESSORT (académie de Normandie) Principe Le microcontrôleur est utilisé, d’une part pour alimenter le circuit RC série (broche numérique 2) et d’autre part pour relever mesurer la tension aux bornes du condensateur (broche analogique A0). On place un bouton poussoir en parallèle du condensateur pour permettre une décharge instantanée avant de mesurer la durée de la charge. Une fois le condensateur déchargé, la sortie numérique 2 de la carte passe de l’état bas à l'état haut et alimente le circuit série sous une tension de 5,0 V. Schématisation Figure 4 : Schématisation du montage réalisée avec le simulateur Tinkercad A. Problématique et démarche expérimentale 1. Formuler la problématique soulevée par le contexte. APP 2. A l’aide des documents proposer une démarche expérimentale permettant de répondre à la problématique ? ANA Marie-Anne DEJOAN - Académie de la Guyane Mars 2020 R = 10 kΩ C = ??? Bouton poussoir APPEL n°1  Appeler le professeur pour lui présenter votre démarche expérimentale ou en cas de difficultés  B. Etude préliminaire de la charge du condensateur 1. Réaliser le câblage du montage présenté dans le Document 4. REA 2. Téléverser le programme « charge_capa.ino » dans la carte. Suivre la charge du condensateur à partir du moniteur série. Lorsque le message « Fin de la charge du condensateur » s’affiche, décocher le Défilement automatique et copier les valeurs de « Vc » et de « temps » associées à la charge. Copier ces valeurs dans Regressi (Edition → Copier document) et représenter Vc = f(t). REA 3. Déterminer graphiquement la valeur de τ. REA C. Réponse à la problématique Document 5 : Script Arduino pour la détermination de τ /* Détermination de la constante de temps d'un circuit RC - Script rédigé par Cristophe BELLESSORT (académie de Normandie) * Modifications mineures apportées par Marie-Anne DEJOAN (académie de la Guyane) */ // Définition de l'entrée numérique utilisée const int alimentation = 2; // La broche numérique 2 alimente le circuit RC // Définition de l'entrée analogique utilisée et des variables décimales int Lecture = A0; // La broche analogique A0 permet la mesure de la tension aux bornes du condensateur float tau; // "tau" est une variable décimale // Définition et mise à zéro des durées mesurées et intervenant dans le calcul de "tau" unsigned long tempsDebut = 0; // unsigned long : variable de type long non signé unsigned long tempsFin = 0; // BOUCLE D'INITIALISATION : exécutée une seule fois void setup() { Serial.begin(9600) ; // Ouvre le port série et fixe le débit de communication à 9600 bauds pinMode(alimentation, OUTPUT); // "alimentation" est une broche de sortie digitalWrite(alimentation, LOW); // A l'état initial "alimentation" est à l'état BAS pinMode(Lecture, INPUT); // "Lecture" est une broche d'entrée } // BOUCLE PRINCIPALE : exécutée à l'infini void loop() { digitalWrite(alimentation, LOW); Serial.println("Décharge du condensateur"); Serial.println("Pressez le bouton poussoir de court-circuit si la décharge trop longue"); while (analogRead(Lecture) > 0) { // On s'assure que le condensateur se décharge float Vmesuree = analogRead(Lecture); float Ucapa = (Vmesuree/1023)*5 ; // On convertit "Vmesuree" en une tension comprise entre 0 et 5V Serial.print("La tension aux bornes du condensateur est égale à : "); Serial.print(Ucapa); // On lit la tension aux bornes du condensateur (valeur entre 0 et 1023) Serial.println(" V"); delay(500); // Temporisation de 500 ms } Serial.println("Nouvelle mesure dans 5 secondes"); Serial.println("Lachez l'interrupteur de court-circuit"); delay(5000); digitalWrite(alimentation, HIGH); // On alimente le circuit RC avec une tension de 5V tempsDebut = micros(); // Mémorisation du temps au début de l'alimentation du circuit RC while (analogRead(Lecture) < 647) { // Tant que le niveau lu est inférieur à 647 (i.e. 63.2% de la valeur numérique 1023) // Ne rien faire } tempsFin = micros(); // Durée écoulée depuis le début du lancement du programme Marie-Anne DEJOAN - Académie de la Guyane Mars 2020 APPEL n°2  Appeler le professeur pour lui présenter votre travail ou en cas de difficultés  tau = (tempsFin - tempsDebut) * 1e-6; // Calcul de tau exprimé en s Serial.print("La constante de temps du circuit RC est égale à : "); Serial.print(tau, 3); // "tau" avec 3 décimales Serial.println(" s"); delay(5000); } 4. Ouvrir et téléverser dans la carte, le programme « circuit_rc.ino » dont le script est présenté dans le Document 5. Comparer la valeur de τ qui s’affiche à celle déterminée précédemment. REA 5. Modifier le script afin de répondre plus explicitement à la problématique. REA 6. Une fois vérifié par votre professeur, téléverser le programme modifié. REA 7. Répondre à la problématique. VAL D. Prolongement : Etude statistique Fière du travail réalisé, Marine présente son résultat à son professeur de physique-chimie. « Ton étude est intéressante, cependant elle manque de précision. Je te propose de mener une étude statistique en renouvelant la mesure un grand nombre de fois. Tu pourras ainsi calculer uploads/Litterature/ tp28-tempsreponsecircuitrc 2 .pdf