[PDF] Enseignement expérimental de Physique

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{ PCSI 2019{2020, lyc ee Lalande, Bourg{en{Bresse {Enseignement experimental de Physique

AlexandreAlles

18 fevrier 2020

PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles

Table des matieres

Fiches methodes : compte rendu de TP1

Fiches methodes : incertitudes2

I Physique des ondes5

TP 1 (Chap. 00) { Mesure de la celerite du son dans l'air par retard 6 TP 2 (Chap. 00 et 02) { Mesure de la celerite du son dans l'air par dephasage 8 TP 3 (Chap. 02) { Analyse spectrale d'un instrument de musique 9

TP 4 (Chap. 03) { Interferences12

TP 5 (Chap. 03) { Ondes stationnaires : corde de Melde 13

II Optique15

TP 6 (Chap. 05) { Formation d'images16

TP 7 (Chap. 05) { Focometrie18

TP 8 (Chap. 05) { Lunette astronomique20

TP 9 (Chap. 03 et 04) { Diraction et interferences 22
TP 10 (Chap. 04 et 06) { Nature d'une lampe spectrale 23
TP 11 (Chap. 03 et 04) { Mesure du pas d'un reseau 26

TP 12 (Chap. 04) { Polarisation de la lumiere

28
III

Electrocinetique30

TP 13 (Chap. 07) { Resistance interne et caracteristique 31

TP 14 (Chap. 08 et 09) {

Etude de regimes transitoires33

TP 15 (Chap. 09) { Oscillateurs harmoniques amortis 35

TP 16 (Chap. 11) { Filtrage39

TP 17 { Modulation de signaux42

IV Mecanique45

TP 18 (Chap. 12 et 13) { Mesure de g46

TP 19 (Chap. 13) { Frottements solides : loi de Coulomb 48

TP 20 (Chap. 02, 03 et 12) { Eet Doppler50

i PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles

TP 21 (Chap. 13) { Frottement

uide : loi de Stokes 51

TP 22 (Chap. 15) { Mesure du rapport e/m53

TP 23 (Chap. 12, 13 et 15) {

Etude numerique du pendule56

TP 24 (Chap. 13 et 15) { Pendule pesant59

TP 25 (Chap. xx et xx) { xxxx61

V Thermodynamique62

TP 26 (Chap. 18 et 19) { Changements de phases, diagramme de Clapeyron 63
TP 27 (Chap. 20) { Calorimetrie : Enthalpie de changement d'etat 65
TP 28 (Chap. 20 et 21) { Mesure du coecient de Laplace de l'air 68

TP 29 (Chap. xx et xx) { xxxx70

VI Induction et forces de Laplace

71

TP 30 (Chap. 24 et 25) { Champs magnetiques

72

TP 31 (Chap. 26 et 27) { Couplages magnetiques

74
TP 32 (Chap. 25 et 28) { Principes des moteurs synchrone et asynchrone 76

TP 33 (Chap. 28) {

Etude d'un haut{parleur78

PR

EAMBULE2

PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles

Preambule

PR

EAMBULE3

PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles

Fiches methodes : compte rendu de TP

Un compte{rendu ne doit pas ^etre un brouillon, il sera redige au propre dans une cahier de TP. Notez que le compte{rendu de TP a

essentiellement un but utilitaire : il doit pouvoir ^etre relu et compris an de retrouver rapidement des resultats passe mais egalement

d'appuyer votre comprehension des notions abordees en classe.

Un compte{rendu comporte :

introduction : preciser l'objectif et/ou la problematique de la seance experimentale ou sous{partie;

protocole : description precise des experiences qui vont ^etre realisees. On doit pouvoir exactement reproduire votre experience en

suivant votre protocole; mesures et incertitudes;

conclusion : repondre a la problematique de la seance ou sous{partie.Le principe est de decrire votre realisation experimentale, une personne n'ayant pas fait le TP doit pouvoir comprendre l'experience

a l'aide de votre protocole.

Schema du montage.

Valeurs des composants, reglages (signal du GBF...), outils d'observation et de mesure (oscilloscope, voltmetre... ainsi que leurs

branchements).

Exploitation des mesures : calcul explicite des valeurs experimentales obtenues a l'aide de vos mesure.bPresentation d'un montage et protocoleDescription de comment est faite l'observation.

Description explicite de l'observation a l'aide de schema.

Commentaire d'analyse et d'interpretation.bDescription d'une observationDescription de comment est faite la mesure.

Lister les sources d'incertitudes, estimer ces incertitudes. Ecriture du resultat sous forme correcte avec son incertitude.

Calculer les eventuels grandeurs recherchees a l'aide de vos mesures et indiquer le resultat sous forme correcte avec son incertitude.

Comparaison avec les valeurs attendues et commentaires.bFaire une mesureEn cas d'accord entre la valeur experimentale et theorique, annoncer que le resultat est satisfaisant. Dans le cas contraire, eviter les

commentaires vagues rejetant la faute sur le materiel ou votre bin^ome de TP : il est important de conserver une regard critique sur vos

manipulations. 1 PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles

Fiches methodes : incertitude

I

Incertitude de mesure et in tervallede conance

Lorsque l'on utilise une regle, ou tout autre instrument possedant desgraduations de largeura(on passe de la lecture de la

valeurg1=x1a la la valeurg2=x1+a), on suppose en general que la valeur "vraie" (mais inconnue) peut prendre de maniere

equiprobabletoute les valeurs de l'intervalle de valeura. On parle dedistribution rectangulaire de largeura.

On demontre que l'incertitude-type (ou ecart-type), est egal a la demi-longueur divisee parp3

U(g) =a=2p3

Nous notons cette incertitudeU(g) car elle reliee a un niveau de conance alors gne l'est pas d'apres ce que nous avons vu

precedemment.Fiche methode : Incertitude-type de mesure liee a la lecture sur une regle

Exemple :pour une regle graduee tous les millimetres, l'incertitude{type vaut doncU(x) = 0:3mm et un tirage aleatoire aura 67% de

chance d'appartenir a l'intervalle [xU(x);x+U(x)]. Alors que x= 1mm et un tirage aleatoire appartiendra toujours a l'intervalle

[xx;x+ x].L'incertitude-type, notee aussiU(g), est liee a un ecart{type. Autrement dit, il existe une certaine probabilite que la valeur "vraie"

inconnue soit en dehors de l'intervalle [gU;g+U]. Typiquement, la probabilite de trouver la valeur vraie dans cet intervalle

n'est que de 67% environ.

Pour obtenir un intervalle de conance a 95% ou 99%, on elargit cet intervalle en multipliant l'incertitude-type par un coecient

k. On obtient ainsi une incertitude elargieU%(g) =kU(g).

En pratique, nous nous contenterons d'intervalle de conance a 95% en multipliant l'incertitude type park2 environ. On

donnera l'incertitude elargie a 1 seul chire signicatif, toujours arrondi au superieur.

La valeur vraie degvraise situe dans l'intervalle [gmesureU95%;gmesure+U95%] avec une probabilite de 95%Fiche methode : Intervalle de conance

Exemple :U= 0;012, doncU95%= 0;03.On suppose qu'on possede une valeurgmesuree d'une grandeurG, ainsi que son incertitude elargieU. On presentera le resultat

de la facon suivante :

G=gU95%(intervalle a 95%)

en s'assurant que le dernier chire signicatif degcorrespondent a la dizaine de celui de l'incertitude elargie.Fiche methode : Presentation d'un resultat issu d'une mesure

Exemple :g= 2;314m etU95%= 0;03m. On ecriraG= 2;310;03m. 2 PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles II

Propagation des incertitudes

Cas d'une grandeur issue d'une somme ou d'une dierence de grandeurs mesurees :

L'incertitude elargie d'une somme n'est pas la somme des incertitudes elargies mais une surevaluation de l'erreur. Une estimation

plus precise de l'incertitude elargie passe par l'utilisation de la formule de propagation des icnertitudes.

Siy=nX

i=1E iaixi, avecEi=1, etai2R,

U(y) =v

uutn X i=1a

2i(U(xi))2;

avecU(xi) est l'incertitude elargie surxietU(y) est l'incertitude elargie composee sury. Cas d'une grandeur issue d'un produit ou d'un quotient mesurees :

Siy=abcouY=abc

, alors l'incertitude-elargieUc(y) s'estime a partir de U(y)y =s U(a)a 2 +U(b)b 2 +U(c)c 2

U(a) est l'incertitude elargie suraetU(y) est l'incertitude elargie composee sury. Le resultat est generalisable a un produit

et un quotient dentermes.Fiche methode : Propagation des incertitudes

Soit trois resistancesR1= 1;000;02k

,R2= 2;000;02k ,R3= 1;000;04k placees en serie. La resistance totaleRvaut doncR=R1+R2+R3:D'apres ce qui precede, l'incertitude-elargieU(R) s'estime a partir de

U(R) =p(U(R1))2+ (U(R2))2+ (U(R3))2= 0;05k

:Exemple :

Les formules precedentes se generalisent en une unique formule de propagation des erreurs. Soit une grandeury=f(x1;x2;:::;xn),

alors l'incertitude elargie surypeut s'ecrire

U(y) =v

uutn X i=1 @f@x i 2 (U(xi))2: avec @f@x

ila derivee de la fonctionfpar rapport a la variablexietU(xi) l'incertitude elargie surxi.Fiche methode : Formule generale de la propagation des incertitudes

On realise une experience de calorimetrie pour estimer la capacite thermique massique de l'eau s'exprimant :cm=UItm(T2T1).

OuUest la tension d'alimentation d'une resistance chauante plongee dans une massemd'eau,Il'intensite traversant la

resistance chauante,tla duree de l'experience etT2T1l'elevation de temperature du systeme. Les erreurs ont ete estimees

avec un intervalle de conance a 95% : U(U)U = 1% ;U= 15:2V ;U(I)I = 2% ;I= 0;18A ;U(t) = 2s ;t= 153s ;U(m) = 2g ;m= 345g

U(T1) =U(T2) = 0;1C ;T1= 19;3C ;T2= 20;3C

L'application de la formule de propagation des erreurs conduit a : (U(cm))2=Itm(T2T1)U(U) 2 +Utm(T2T1)U(I) 2 +UIm(T2T1)U(t) 2 UItm

2(T2T1)U(m)

2 +UItm(T2T1)2U(T2) 2 +UItm(T2T1)2U(T1) 2 = (275;40;2)2+234093;61032+ (27;542)2

4213621032+ (4213;60;1)2+ (4213;60;1)2= 375426

U(cm)612;7 A.V.s.kg1.K1

Ainsi le resultat experimental s'ecrira :cm= 4200700 A.V.s.kg1.K1a un niveau de conance de 95%.Exemple :

3 PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles III

Incertitudes et R egressi

Le logiciel tableur Regressi ore la possibilite de rentrer les incertitudes liees a chacune des grandeurs. Dans la partie classeur,

onglet variables ou parametres, cliquer sur l'icone incertitudes. Des colonnes incertitudes apparaissent pour chacune des variables

ou chacun des parametres.

On peut acher ces incertitudes sur la courbe, en selectionnantincertitudesdans le menu deroulant de l'optionPointde la

fen^etreaxe XY.

Ces incertitudes seront utilisees dans le calcul du modele, apres avoir coche les casesCalcul d'incertitudes avec la varianceet

Methode des ellipses (chi2)dans l'ongletCalculde la fen^etre d'options.Fiche methode : Traitement des incertitudes sous Regressi

IV Incertitude-t ypede mesure li ee aun appareil de mesure

Les appareils de mesure, aussi perfectionnes soient-ils, ne permettent pas d'acceder a la valeur vraie du mesurande. Ils peuvent

^etre aecte d'une erreur aleatoire et/ou d'un biais.

Le constructeur a pris en compte ceci et indique, dans sa documentation, la precision de son appareil.La precision est composee de deux chires : une composante relative (0;1%) et une composante absolue (30D,Dpourdigit). La

precision se lit donc, pourE= 95:235mV : = 0;001E+ 301μV = 0:040mV ; d'ou l'intervalle de conance a 95% s'ecrit

U(E) =2p3

= 0;140:2mV: Enn, on ecritE= 95:20:2mV.Fiche methode : Incertitude-type de mesure liee a un appareil de mesure 4 PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles

Premiere partie

Physique des ondes

5 PCSI 2019{2020, Lycee Lalande, Bourg{en{Bresse Alexandre Alles TP 1 (Chap. 00 et 02) { Mesure de la celerite du son dans l'air par retard

Le but de ce TP est de mesurer la celerite du son dans l'air.bObjectifs :Mesurer une longueur d'onde acoustique a l'aide d'un support gradue et d'un oscilloscope bicourbe.

Reconna^tre une avance ou un retard.

Mesurer la celerite, la longueur d'onde et le dephasage d^u a la propagation d'un phenomene ondulatoire.

Decouvrir du materiel

Estimer une incertitudebLes points du programme :IMesure de la c eleritedu son : la "mauv aise"m ethode

Montage a haut-parleur :Une onde sonore de frequencefest emise par un haut parleur. Un microphone electrostatique relie a un

amplicateur constitue le recepteur (ne pas oublier de le mettre sous tension avant utilisation, et de l'eteindre apres chaque utilisation!).

Les signaux emis seront observes a l'oscilloscope. Reglage du GBF en mode salves :ce reglage permet d'envoyer des impulsions regulierement espacees frequence 40kHz amplitude 7V en "peak{to{peak" appuyer sur la touche Burst appuyer sur la touche cycle (10 cyc) periode 5ms

A l'aide du materiel decrit ci-dessus, et de vos connaissances sur les ondes, proposer un protocole permettant de mesurer la celerite

du son dans l'air.Protocole : Remarque :Un protocole est compose d'explications detaillees et de schemas legendes.

KAppelez le professeur pour verier votre production.Indication :On cherchera a ^etre le plus precis possible dans les mesures de distance et de temps. On estimera l'incertitude des mesures

avec precision.KMettre en oeuvre le protocole experimental.KAppelez le professeur pour verier votre production.

A partir de vos resultats, donner une estimation de la celeritecdu son dans l'air et evaluer l'incertitude elargie.Exploitation :

II Guide p ourl'analyse et l' ecriturede r esultatsexp erimentaux 1.

Exprimer (i.e. donner l'expression litt erale)et calculer (i.e .faire l'application n umerique)la v aleurde la c eleritedes ondes ultra-

sonores dans l'air a l'aide de vos mesures. 2.

Estime rl'incertitude de la mesure de la distance dentre l'emetteur et le recepteur, les resultats sont presentes sous la formedd.

3.

F airede m ^emep ourle retard .

4.

Les incertitudes sur detinduisent une incertitude surc. Estimer la valeur sans incertitude ainsi que les valeurs maximale et

minimale de la celerite a l'aide de vos mesures : le resultat experimental est en realite un intervalle de valeurs possibles [cmin;cmax].

5. La c elerites' ecrivantc=d=son incertitude est de la la forme cc =s dd 2 2

Ecrire le resultat nal sous la formecc.

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