Comment réaliser des expériences physiques réelles à la maison ?

Introduction

Certaines expériences ne sont pas compliquées à mettre en place si le matériel est à votre disposition

Cette partie présente l’ensemble des capacités expérimentales nouvelles que les élèves doivent acquérir au cours de l’année de PSI durant les séances de travaux pratiques. Elle vient prolonger la partie correspondante du programme de PCSI dont les capacités doivent être complètement acquises à l’issue des deux années de préparation, et restent donc au programme de seconde année de PSI. Les capacités rassemblées ici ne constituent en aucun cas une liste de travaux pratiques qui s’articuleraient autour d’une découverte du matériel, mais doivent au contraire faire l’objet d’un apprentissage progressif contextualisé où chaque élément apparaît naturellement à l’occasion d’un problème concret. Les activités expérimentales sur le thème de la chimie sont aussi l’occasion de consolider les savoir- faire de la classe de PCSI en particulier dans le domaine des solutions aqueuses.

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Nature et méthodes

Quand on fait une expérience à la maison ou à l'école, il peut être intéressant de prendre des notes pour reproduire le résultat plus tard

  • Mesures de temps et de fréquences
  • Détection synchrone.
  • Analyse spectrale.
  • Électricité et électronique
  • Filtrage analogique d’un signal périodique.
  • Montages utilisant un ALI.
  • Oscillateur.
  • Modulation et démodulation.
  • Électronique numérique.
  • Conversion de puissance
  • Puissance électrique.
  • Conversion électromagnétique statique de puissance.
  • Conversion électromécanique de puissance.
  • Conversion électronique statique de puissance.
  • Ondes Mesure d’une célérité.
  • Chimie
  • Effectuer des bilans d’énergie.
  • Mesures électriques.
  • Électrochimie

Capacités exigibles

Certaines expériences nécessites des prérequis que nous énoncerons ici

  • Mesurer une fréquence par une détection synchrone élémentaire à l’aide d’un multiplieur et d’un passe-bas simple adapté à la mesure.
  • Mettre en évidence le phénomène de repliement du spectre provoqué par l’échantillonnage avec un oscilloscope numérique ou une carte d’acquisition.
  • Choisir les paramètres d’une acquisition numérique destinée à une analyse spectrale afin de respecter la condition de Shannon, tout en optimisant la résolution spectrale.
  • Mettre en évidence l’action d’un filtre linéaire sur un signal périodique dans les domaines fréquentiel et temporel.
  • Identifier les limitations suivantes : saturation en tension, saturation en courant, vitesse de balayage, bande passante. Mettre en œuvre divers montages utilisant un ALI.
  • Mettre en œuvre un ALI ou une porte logique pour réaliser un oscillateur.
  • Élaborer un signal modulé en amplitude à l’aide d’un circuit multiplieur.
  • Réaliser une démodulation synchrone.
  • Utiliser un convertisseur analogique-numérique et un convertisseur numérique-analogique.
  • Mesurer une puissance moyenne à l’aide d’un wattmètre numérique.
  • Mettre en œuvre un transformateur.
  • ettre en œuvre une machine à courant continu.
  • Mettre en œuvre un redresseur.
  • Mesurer la célérité d’une onde par diverses méthodes : étude d’ondes progressives en propagation libre, étude d’ondes stationnaires..
  • Mettre en œuvre une technique de calorimétrie.
  • Mettre en œuvre des mesures électriques dans un environnement électrochimique.
  • Mettre en œuvre des piles.

Rappels concernant l'ALI

L'amplificateur opérationnel, également appelé ALI, correspond à un amplificateur différentiel. Cela signifie plus simplement que l'amplificateur opérationnel correspond à un amplificateur électronique qui va permettre d'amplifier une différence de potentiel électrique qui se présente à ses entrées. Au départ, les amplificateurs opérationnels étaient utilisés afin d'effectuer des opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques. Ainsi, ces amplificateurs rendaient possible l'implantation simple d'opération mathématique de bases - on parle ici de l'addition, de la soustraction, de l'intégration, mais également de la dérivation. Mais, plus tard, les amplificateurs opérationnels seront utilisés afin de commander des moteurs, de réguler des tensions ou même en tant que sources de courants ou en tant qu'oscillateurs. Un amplificateur est présenté sous la forme de circuit intégré et est principalement composé de transistors, de tubes électroniques et d'autres composants amplificateurs. Pour ce qui est du grain en tension de l'amplificateur opérationnel, celui-ci est très important lorsque l'amplificateur opérationnel est présent en boucle ouverte. Ainsi, cela fait de l'amplificateur opérationnel un composant que l'on utilise dans de nombreux cas pour effectuer une grande variété de choses. Par exemple, selon leurs caractéristiques, certains amplificateurs sont spécialisés dans l'amplification de signaux audio ou encore de signaux vidéo.

Les oscillateurs en général

Tout le monde a déjà utilisé un oscillateur à l'école durant les cours d'électricité

En physique, il est possible de parler d'oscillateur lorsque l'on décrit un système qui évolue de part et d'autre d'un équilibre stable. En effet, les grandeurs qui décrivent le système vont varier. On peut prendre l'exemple du temps, on parle alors de variations pseudo-périodiques si une dissipation d'énergie va atténuer de façon progressive l'amplitude des oscillations. Mais il est également possible d'observer plusieurs types d'oscillateurs selon le fonctionnement et les effets de ceux-ci. Les oscillateurs les plus connus sont les oscillateurs mécaniques classique comme le pendule ou la masse ressort mais aussi les oscillateurs électriques bien qu'on puisse trouver des oscillateurs en chimie et en mécanique quantique.

Le cas de l'oscillateur libre

L'oscillateur libre, également appelé oscillateur flottant, correspond à un système qui va subir une force qui le poussera vers le retour à une position d'équilibre autour de laquelle celui-ci oscille. On peut illustrer l'exemple de l'oscillateur libre avec le pendule oscillant sous l'effet de la gravité.

Le cas de l'oscillateur forcé

L'oscillateur forcé correspond à un oscillateur libre additionné d'une force oscillante. C'est notamment le cas de la balançoire lorsque l'on balance ses pieds d'avant en arrière afin d'accélérer le balancement. En effet, ces mouvements vont constituer une force supplémentaire qui, lorsqu'elle est adaptée à la vitesse de la balançoire, va permettre à celle-ci de monter de plus en plus haut. La balançoire n'est pas le seul oscillateur forcé existant. En effet, on peut considérer que le rayonnement du Soleil va forcer les électrons des molécules de l'atmosphère à osciller, d'où la couleur bleue du ciel.

Le cas de l'oscillateur auto-entretenu

L'oscillateur auto-entretenu correspond à un oscillateur qui va utiliser une source d'énergie continue et ainsi produire une variation périodique. Ils peuvent fonctionner grâce à deux fonctions principales qui sont :

  • Le gain : il correspond à l'amplification du signal. Cela est permis par la source d'énergie continue.
  • Le filtre : celui-ci permet de sélectionner une plage de fréquence au sein desquelles le système pourra osciller.

Le cas de l'oscillateur quasi-sinusoïdal

On appelle oscillateur quasi-sinusoïdal un oscillateur auto-entretenu dont la représentation graphique des variations périodique s'approche d'une sinusoïde. Cela est notamment possible lorsque l'on utilise un filtre de très bonne qualité qui sélectionnera ainsi une seule bonne fréquence, d'où la sinusoïde. On peut considérer l'oscillateur à pont de Wien comme étant un oscillateur quasi-sinusoïdal.

Le pont de Wien

Le pont de Wien était, à son époque, un montage en pont permettant de mesurer un composant grâce à la comparaison de ceux qui ont des caractéristiques connues. La technique reposait essentiellement sur la position sur une branche du pont le composant inconnu et de réduire à zéro la tension centrale grâce à l'ajustement des autres branches ou grâce à un changement de fréquence d'alimentation. On peut ainsi mesurer la capacité d'un composant mais également sa résistance.

Le cas de l'oscillateur à pont de Wien

On appelle oscillateur à pont de Wien un oscillateur qui produit des signaux sinusoïdaux avec une faible distorsion. Pour comprendre, il faut d'abord rappeler la constitution en deux parties d'un oscillateur :

  • Un amplificateur qui, selon les époques, peut être réalisé avec un tube à vide ou avec un ou plusieurs transistors. Aujourd'hui, on trouvera plus facilement des amplificateurs directement intégrés dans une puce électronique.
  • Un circuit de réaction qui sera disposé entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur afin de mettre en œuvre diverses impédances comme les résistances, les condensateurs, les bobines ou le quartz.

Ce sera alors le circuit de réaction mis en place qui déterminera la fréquence d'oscillation puisque celle-ci se produit à une fréquence donnée où la condition d'oscillation n.Go est égale à 1 où n et Go désignent des nombres complexes représentant le gain du circuit de réaction et le gain de l'amplificateur.

Les oscillateurs électroniques en physique-chimie

Définition de l'oscillateur électronique

Un oscillateur électronique correspond à un circuit dont la fonction est de produire un signal périodique dont la forme peut varier selon l'utilisation ; en effet, celui-ci peut être de forme sinusoïdale, de forme carrée, en dents de scie ou encore de forme quelconque. De fréquence fixe ou variable, l'oscillateur existe sous deux formes :

  • Les oscillateurs harmoniques qui vont produire des signaux sinusoïdaux ;
  • Et les oscillateurs à relaxation qui ne produisent pas de signaux sinusoïdaux.

Le cas de l'oscillateur harmonique

On appelle oscillateur harmonique un oscillateur capable de produire un signal sinusoïdal. Sachez d'ailleurs qu'il existe de nombreux montages permettant de constituer un oscillateur harmonique. Parmi les oscillateurs harmoniques, on peut compter :

  • Oscillateur Colpitts
  • Oscillateur Clapp
  • Oscillateur à déphasage
  • Oscillateur Pierce
  • Oscillateur Hartley
  • Oscillateur à variables d'état

On dit des oscillateurs harmoniques qu'ils sont des oscillateurs idéaux. En effet, on peut décrire leur évolution dans le temps avec une fonction sinusoïdale dont la fréquence ne peut dépendre que des caractéristiques du système et dont l'amplitude est constante. L'intérêt de ce modèle est qu'il permet de décrire l'évolution de n'importe quel système physique au voisinage d'une position dite d'équilibre stable. De ce fait, on peut dire de c'est un outil transversal utilisé dans de nombreux domaines comme la mécanique, l'électricité, l'électronique et l'optique. Dans la réalité, ces oscillateurs idéaux ne sont approchés que rarement, lorsque les forces dites dissipatives, comme les frottements par exemple, sont négligées. Dans ce cas, si on souhaite conserver une amplitude constante, il est nécessaire d'entretenir les oscillations en fournissant de l'énergie au système.

Le cas de l'oscillateur de Colpitts

Cet oscillateur a été inventé par Monsieur Edwin H. Colpitts. Cet oscillateur représente l'une des nombreuses configurations possibles d'oscillateur électronique. De plus, sa simplicité de mise en place, mais également sa robustesse représente ses principaux atouts Notez que l'oscillateur de Colpitts est comparable avec celui de Hartley. En effet, dans le cas d'un oscillateur de Colpitts, la fréquence d'oscillation est déterminée par deux condensateurs et une inductance alors que dans le cas de l'oscillateur de Hartley, la fréquence est déterminée par deux inductances et un condensateur.

Edwin Henry Colpitts

Edwin Henry Colpitts était considéré comme un pionnier des communications. En effet, il est surtout connu pour son invention de l'oscillateur Colpitts. En tant que chef de la branche de recherche de Western Electric au début des années 1900, les scientifiques sous sa direction et lui-même ont réalisé des progrès significatifs dans le développement des oscillateurs et des amplificateurs à tube à vide push-pull. Il faudra attendre 1915 pour que son équipe fasse la démonstration avec succès du premier radiotéléphone transatlantique. Colpitts est décédé chez lui en 1949 à Orange dans le New Jersey aux États-Unis et son corps a été inhumé à Point de Bute, Nouveau-Brunswick au Canada.

Le cas de l'oscillateur de Clapp

Cet oscillateur a été inventé par James K. Clapp en 1948 représente l'une des configurations possibles d'oscillateur électronique. Cet oscillateur a pour particularité d'être extrêmement bien adapté aux fréquences élevées, même à plusieurs GHz, puisque les capacités mêmes du composant actif ne peuvent être incorporée aux capacités fonctionnelles. Notez en plus que cet oscillateur est utilisé afin de faire osciller des quartz en mode overtone, c'est-à-dire entre 30 MHz et 150 MHz. Pour cela, il est nécessaire de disposer le quartz entre l'émetteur du transistor et le point commun des deux condensateurs.

James Kilton Clapp

James Kilton Clapp était un ingénieur électricien américain qui travaillait pour General Radio Corporation. Diplômé du Massachusetts Institute of Technology en 1923, il y obtiendra une maîtrise en 1926. Il a enseigné au MIT, puis a rejoint General Radio Corporation en 1928, jusqu'à sa retraite en 1957. Il deviendra membre de l'IRE en 1928 et en 1933 il est nommé "Fellow". Plusieurs des inventions de Clapp utilisées pour constituer la base des produits de General Radio. Par exemple, ce scientifique a inventé un étalon de fréquence d'oscillateur à quartz en 1930, et a breveté un four de contrôle de température pour oscillateurs à quartz. Même si le nom de Clapp est surtout connu dans le domaine de l'électronique pour sa description en 1948 d'une forme améliorée d'oscillateur Colpitts connu sous le nom d'oscillateur Clapp.

Le cas de l'oscillateur à déphasage

On appelle oscillateur à déphasage un oscillateur électronique qui fournit un signal dit sinusoïdal. Pour obtenir ce signal, cet oscillateur est composé d'un amplificateur inverseur possédant une boucle de contre-réaction qui contient elle-même un filtre déphasant le signal de 180° à la fréquence d'oscillation. Pour respecter le critère de Barkhausen, la chaîne de retour doit nécessairement déphaser les signaux qui lui sont appliqués de π.

Le cas de l'oscillateur de Pierce

L'oscillateur de Pierce, inventé par George Washington Pierce, est un oscillateur électronique fréquemment utilisé afin de réaliser des oscillateurs à quartz. En effet, cet oscillateur est adapté aux oscillateurs à quartz en fréquence fondamentale puisque celui-ci ne demande pas de self. Notez en plus que la capacité C1, qui permet d'ajuster précisément la fréquence, sera plus ou moins égale au tiers de la capacité C2.

George Washington Pierce

George Washington Pierce était un physicien américain mas aussi professeur de physique à l'Université Harvard et inventeur dans le développement des télécommunications électroniques. Fils d'un éleveur de bétail du Texas, il s'est distingué à l'école de Taylor et à l'Université du Texas avant de commencer sa relation durable avec Harvard en 1898. Il a écrit trois textes novateurs, dont plusieurs articles savants, et s'est vu attribuer 53 brevets. Le plus remarquable est le circuit oscillateur à quartz à un étage, qui est devenu la pierre de touche de l'art de la communication électronique. Süsskind dit qu'il était "un individu extrêmement chaleureux et drôle, très vénéré par ses étudiants."

Le cas de l'oscillateur de Hartley

Cet oscillateur, inventé par Ralph Hartley, représente l'une des configurations possibles d'oscillateur électronique. Il est nécessaire de rappeler que ce type d'oscillateur de Hartley est relativement peu utilisé puisque celui-ci demande une prise sur une inductance, ce qui demande deux inductances séparées et donc ce qui est beaucoup plus coûteux qu'utiliser le dual de l'oscillateur de Hartley, c'est-à-dire l'oscillateur de Colpitts.

Ralph Hartley

Ralph Vinton Lyon Hartley est un chercheur en électronique. Connu pour son invention d'un type d'oscillateur particulier : l'oscillateur Hartley mais aussi parce qu'il a défini la transformation mathématique connue sous le nom de transformée de Hartley. De plus, il a beaucoup contribué au fondement de la théorie de l'information.

Le cas de l'oscillateur à relaxation

On appelle oscillateur à relaxation un oscillateur qui produit un signal qui ne présente pas de forme sinusoïdale. Cet oscillateur repose en effet sur la répétition d'un phénomène apériodique, c'est-à-dire sans période, tel que la charge et la décharge d'un condensateur où l'arrivée d'une tension de seuil provoque le déclenchement de la phase suivante. On dit des oscillations de relaxation qu'elles sont non-linéaires car puisque celles-ci sont obtenues par une augmentation continue d'une contrainte puis par le relâchement de cette même contrainte. Il faut savoir que, lorsque la contrainte est devenue trop forte, la partie résistante du circuit va céder de façon brusque afin de libérer une partie de l'énergie accumulée. Par la suite, la contrainte va de nouveau croître jusqu'à ce qu'elle cède de nouveau et ainsi de suite. Il est possible d'illustrer ce schéma avec un filet d'eau qui va remplir un récipient fixé sur un axe horizontal. Ainsi, lorsque le récipient est plein, l'équilibre devient instable, le récipient se vide puis retrouve sa place initiale. Un exemple souvent utilisé pour illustrer ces oscillations est appelé l'expérience du vase de Tantale. Dans cette expérience, la contrainte est représentée par le niveau d'eau qui va augmenter de façon continuelle grâce à l'arrivée constante d'eau puis la baisse brutale de ce niveau d'eau quand le siphon va se déclencher.

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