Série d'exercices : Oscillations électriques libres et oscillations électriques forcées - Ts

Classe: 
Terminale
 

Exercice 1

On considère le circuit électrique schématisé dans la figure ci-dessous,
 
 
comportant : un générateur de tension continue (G), de f.é.m U0 et de résistance interne négligeable ; un condensateur (c) de capacité C et d'armatures A et B ; une bobine (B) d'inductance L et de résistance négligeable ; deux interrupteurs K1 et K2.
 
1) K2 étant ouvert, on ferme K1. 
 
Après une brève durée, le condensateur porte une charge maximale Q0 et emmagasine une énergie électrostatique E0.
 
a) Donner l'expression de Q0 en fonction de U0 et C.
 
b) Donner l'expression de E0 en fonction de Q0 et C.
 
2) Le condensateur étant chargé ; à t=0 on ouvre K1 et on ferme K2. 
 
A t quelconque, l'armature A du condensateur porte une charge q.
 
a) Exprimer l'énergie électromagnétique E en fonction de L, C, q et i.
 
b) Montrer, sans faire aucun calcul que cette énergie se conserve et elle est égale à Q202C
 
Déduire l'équation différentielle des oscillations électriques.
 
c) Déterminer l'expression de la période propre T0 en fonction de L et C.
 
d) Donner l'expression de la charge q en fonction du temps.
 
3) Montrer que l'expression de cette énergie EL en fonction du temps s'écrit :
EL=E02[1+cos(4πT0t+π)]
 
4) Une étude expérimentale a permis de tracer les courbes (1) et (2) (ci-dessous)
 
 
traduisant respectivement les variations de l'énergie magnétique EL en fonction de i et en fonction du temps.
 
a) En exploitant la courbe (1), déduire les valeurs de L et de E0.
 
b) En exploitant la courbe (2), déduire la valeur de T0.
 
5) Déterminer alors C, Q0 et U0.

Exercice 2

Avec un générateur de tension continue, de f.e.m. 
 
E0 constante et de résistance interne nulle, un condensateur de capacité C et une bobine d'inductance L et de résistance négligeable, on réalise le circuit de la :
 
A. L'interrupteur K est dans la position (1)
 
1) Quel est le phénomène observé ?
 
2) Donner l'allure de la courbe de variation de la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps.
 
B. L'interrupteur K est basculé dans la position (2) :
 
1) a) Établir l'équation différentielle qui régit les oscillations de la charge q(t).
 
b) Montrer que q(t)=Qmsin(ω0t+ϕq) peut être une solution de l'équation différentielle précédente. 
 
Donner l'expression de ω0.
 
2) a) Montrer que le circuit (L, C) est conservatif et que son énergie totale est E=12CQ2m.
 
b) Montrer que l'énergie électrique emmagasinée dans le condensateur en fonction de i2 est de la forme Ee=12CQ2m12Li2.
 
c) L'étude expérimentale a permis de tracer les courbes de la figure-5-,
 
 
donnant les variations de l'énergie électrostatique Ee du condensateur en fonction de l'intensité i du courant (fig-5a) 
 
 
et de la tension uL aux bornes de la bobine en fonction de la charge q. (fig-5b).
 
 
Justifier théoriquement l'allure de la courbe figure-5b en établissant la relation entre uL et q.
 
3) En exploitant ces deux courbes, déterminer :
 
a) L'inductance L de la bobine.
 
b) La capacité C du condensateur.
 
c) La pulsation propre ω0 du circuit.
 
d) La charge maximale Qm.
 
e) En déduire la f.e.m du générateur.

Exercice 3

Au cours d'une séance de travaux pratiques, un élève réalise le circuit schématisé ci-dessous (figure 1).
 
 
Ce circuit est constitué des éléments suivants : un générateur délivrant une tension continue constante de valeur E=4.0V ; une résistance R réglable ; un condensateur de capacité C=2.0μF ; une bobine d'inductance L et de résistance r.
 
Un commutateur (K) permet de relier le dipôle (RC) soit au générateur, soit à la bobine.
 
L'entrée Y1 d'une interface, reliée à un ordinateur, est connectée à la borne A ; l'autre entrée Y2 est connectée à la borne D. 
 
La masse de l'interface est connectée à la borne B.
 
Les entrées Y1, Y2 et la masse de l'interface sont équivalentes respectivement aux entrées Y1, Y2 et à la masse d'un oscilloscope.
 
Étude énergétique du condensateur
 
Au cours de cette question, on étudie la charge du condensateur. 
 
À l'instant de date t=0s, le condensateur est déchargé et on bascule le commutateur en position 1.
 
1.1 Représenter, sur la figure 1, par des flèches : la tension uDB(t) aux bornes de la résistance ; la tension uAB(t) aux bornes du condensateur.
 
1.2 Donner, en le justifiant, le signe de la charge q portée par l'armature A du condensateur au cours de sa charge et la relation existant entre la charge q et la tension UAB. 
 
En tenant compte de l'orientation du circuit, donner la relation vérifiée à chaque instant par l'intensité i(t) du courant et la charge q(t).
 
A partir des expressions des tensions aux bornes des trois dipôles, établir l'équation différentielle vérifiée par uAB(t). 
 
Donner l'expression de uAB(t) solution de cette équation différentielle en fonction de E, R, C et t
 
1.3 Donner en fonction de uAB(t) l'expression littérale de l'énergie électrique Ee emmagasinée par le condensateur. 
 
En déduire l'expression littérale Ee, max de sa valeur maximale et calculer sa valeur.
 
2. Étude énergétique du circuit RLC
 
2.1 Une fois le condensateur chargé, l'élève bascule rapidement le commutateur (K) de la position 1 à la position 2 : il prend l'instant du basculement comme nouvelle origine des dates. 
 
Le condensateur se décharge alors dans la bobine. 
 
L'acquisition informatisée des tensions permet de visualiser l'évolution des tensions uAB(t) et uDB(t) en fonction du temps. 
 
Après transfert des données vers un tableur-grapheur, l'élève souhaite étudier l'évolution des différentes énergies au cours du temps.
 
2.1 a) Exprimer littéralement, en fonction de i(t), l'énergie magnétique Em emmagasinée dans la bobine.
 
À partir de l'une des tensions enregistrées uAB(t) et uDB(t), donner l'expression de l'intensité instantanée i(t)
 
2.1 b) En déduire l'expression de l'énergie magnétique emmagasinée dans la bobine en fonction de l'une des tensions enregistrées.
 
2.1 c) En déduire l'expression de l'énergie totale ET du circuit en fonction des tensions uAB(t) et uDB(t).
 
2.2 À partir du tableur-grapheur, l'élève obtient le graphe (figure 2) 
 
 
qui montre l'évolution, en fonction du temps, des trois énergies : Ee énergie électrique, Em, énergie magnétique et ET énergie totale.
 
2.2 a) Identifier chaque courbe en justifiant. 
 
Quel phénomène explique la décroissance de la courbe 1 ?
 
2.2 b) Montrer les transformations mutuelles de Ee et de Em.
 
2.2 c) Déterminer graphiquement :
 
  La pseudo période T.
 
  L'énergie dissipée par effet joule à la date t=31.4ms.
 
2.2 d) Pour réduire l'énergie dissipée par effet joule pendant chaque pseudopériode dans le circuit faut-il augmenter ou diminuer R. 
 
Justifier.

Exercice 4

On considère le dipôle suivant, constitué d'un conducteur ohmique de résistance r1=100Ω et d'un condensateur de capacité inconnue C :
 
 
1) Pour mesurer son impédance, on applique à ce dipôle une tension sinusoïdale de fréquence 50Hz. 
 
On relève les valeurs efficaces de l'intensité iAB et de la tension uAB :
 
on trouve IAB=9.40mA et UAB=6.0V.
 
Calculer l'impédance Z du dipôle AB ; en déduire la capacité C du condensateur (on pourra utiliser, en les adaptant, les formules rappelées en fin d'exercice au cas étudié ici).
 
2) Dans une autre expérience, on associe en série le dipôle AB à une bobine de résistance r=10Ω et d'inductance L variable. 
 
On maintient entre les bornes de l'ensemble une tension sinusoïdale de valeur efficace constante 6V et de fréquence 100Hz. (différente de celle du 1)
 
Quand L varie, l'intensité efficace I passe par un maximum pour L=0.5H.
 
Calculer à nouveau la capacité C du condensateur et la valeur maximale de l'intensité efficace I.
 
3) On conserve le montage de la question précédente (conducteur ohmique, condensateur et bobine associés en série), mais on fait varier l'inductance de la bobine ; la nouvelle valeur est L=0.33H. 
 
La tension d'alimentation reste inchangée (6V  100Hz).
 
3.1 Calculer l'impédance Z du montage, puis l'intensité efficace I du courant qui circule.
 
3.2 Déterminer le déphasage que présente la tension u par rapport à l'intensité i prise comme référence.
 
Donner les expressions de i et u.
 
3.3 On dispose d'un oscillographe bicourbe. 
 
On envoie sur la voie A la tension aux bornes du conducteur ohmique de résistance r1 et sur la voie B la tension aux bornes de l'ensemble du montage.
 
Représenter les deux courbes que l'on observe sur les voies A et B de l'oscillographe (on se limitera à représenter une période) :
 
le balayage est réglé sur 1ms/cm, la sensibilité verticale vaut 2V/cm.
 
Que peut-on vérifier grâce à cette observation ?

Exercice 5

On désire mesurer la résistance interne R et l'inductance L d'une bobine réelle de deux façons différentes.
 
Partie A Dans un premier temps, la bobine est alimentée en régime continu. 
 
Lorsque la tension à ses bornes vaut U1=10V, l'intensité du courant qui la traverse vaut I1=0.2A.
 
Dans un deuxième temps, la bobine est alimentée par un générateur basse fréquence délivrant une tension alternative sinusoïdale de fréquence f=200Hz, de valeur efficace U=5V ; l'intensité efficace est alors I=10mA.
 
a) Calculer la valeur de R.
 
b) Calculer l'impédance ZL de la bobine réelle
 
c) En déduire la valeur de l'inductance L.
 
Partie B Ces résultats vont être vérifiés par une seconde méthode.
 
On réalise un dipôle AB constitué par l'association série de la bobine réelle et d'un condensateur de capacité C=1μF.
 
La bobine sera assimilée à un résistor R en série avec une bobine parfaite d'inductance L.
 
 
Le voltmètre nous indique la valeur efficace de la tension d'alimentation ; elle sera maintenue constante et vaut U=5V.
 
L'ampèremètre de résistance interne nulle nous indique la valeur de l'intensité efficace correspondante.
 
1) Donner l'expression littérale de l'impédance totale du circuit AB.
 
2) Pour f=f0=252Hz, la valeur de l'intensité efficace passe par une valeur maximale I0=0.1A.
 
a) Comment appelle-t-on ce phénomène ?
 
b) Que vaut l'impédance totale du circuit à f0 ?
 
c) Calculer R et L
 
d) Quelle est dans ces conditions la valeur de la tension efficace UC aux bornes du condensateur ? 
 
Comparer les valeurs efficaces de la tension d'alimentation U et de la tension UC : commenter.
 
3) On se place à présent à f1=200Hz.
 
a) Calculer la valeur de l'impédance totale du circuit.
 
b) En déduire la valeur de l'intensité efficace I.
 
c) Calculer le déphasage φ de la tension instantanée u(t) par rapport à l'intensité i(t). 
 
Conclure quant au caractère inductif ou capacitif du dipôle AB à la fréquence f1.
 
d) Donner les expressions de u(t) et de i(t). 
 
On prendra i(t)=I2sin(ωt).

Exercice 6 : Circuit R, L, C Résonance d'intensité

Un circuit comprenant une résistance R, une inductance pure L, un condensateur C montés en série, est alimenté sous une tension alternative sinusoïdale, de valeur efficace U de fréquence réglable.
 
Données :
 
U=2.00V 
 
R=14.0Ω 
 
L=69.6mH 
 
C=10.0μF
 
1.
1.1 Pour une pulsation ω correspondant à une fréquence f, exprimer l'impédance Z du circuit, l'intensité efficace I du courant et le déphasage φu/i de la tension d'alimentation par rapport au courant.
 
Calculer Z, I et  φu/i si f=175Hz.
 
1.2 Donner les expressions de u(t) et de i(t) ; on prendra i comme référence pour la phase.
 
2. La valeur efficace U de la tension d'alimentation est maintenue constante et égale à 2.00V.
 
Pour des fréquences variant de 90 à 300Hz, on relève les valeurs correspondantes de l'intensité efficace du courant :
f(Hz)90120150160170180185190195200210250300I(mA)14.922.838.560.483.2116.3132.7142.5141.7135.493.540.925.7
 
2.1
2.1 a) Tracer la courbe représentant I en fonction de f, sur papier millimétré avec les échelles suivantes : 1cm pour 20Hz et 1cm pour 10mA. 
 
On portera un soin tout particulier à cette représentation graphique.
 
2.1 b) Déterminer graphiquement la fréquence f0 et l'intensité efficace I0 du courant correspondant à la résonance.
 
2.2 Calculer ces valeurs et comparer à celles déterminées graphiquement.
 
3.
3.1
3.1 a) Pour la fréquence de résonance f0, donner l'expression littérale de la tension efficace UC aux bornes du condensateur.
 
3.1 b) Montrer que cette tension peut se mettre sous la forme UC=Q×UQ est indépendant de U.
 
3.1 c) Q est appelé le coefficient de surtension. 
 
Indiquer un autre nom possible pour Q.
 
3.2
3.2 a) Calculer numériquement Q et UC.
 
3.2 b) Indiquer l'inconvénient que peut présenter le phénomène de surtension.
 
4. On appelle bande passante en fréquence l'intervalle de fréquence pour lequel l'intensité efficace I est supérieure ou égale à I02.
 
4.1 Déterminer graphiquement la bande passante B=f2f1, f2 et f1 étant les fréquences pour lesquelles I=I02
 
4.2 Comparer cette largeur de la bande ainsi déterminée à celle calculée à partir de la relation B=f0Q

Exercice 7

On réalise un circuit électrique schématisé sur la figure -1- et comprenant un générateur B.F.
 
 
délivrant une tension sinusoïdale u(t)=Umsin(2πft) d'amplitude Um constante de fréquence f variable, aux bornes duquel sont disposés en série le condensateur de capacité C=1μF, une bobine de résistance r et d'inductance L=0.01H et un résistor de résistance R.
 
On se propose de visualiser sur l'écran d'un oscilloscope à deux voies :
 
  la tension u(t)  voie(1).
 
  la tension uRt  voie(1).
 
1) Établir à l'aide d'un tracé clair les connexions nécessaires entre le circuit électrique de la figure-1- et l'oscilloscope.
 
2) Établir l'équation reliant i, sa dérivée première didt et sa primitive idt.
 
Soit i(t)=Imsin(2πft+φi) la solution de cette équation .
 
3) a) Expérience n1
 
On ajuste la fréquence f à la valeur f0 correspondant à la fréquence propre du dipôle (L, C).
 
On obtient les diagrammes de la figure-2-.
 
  Montrer que, parmi les deux signaux qui constituent cette figure, celui ayant l'amplitude la plus élevée correspond à la tension u(t).
 
  Établir que RR+r=23
 
 
b) Expérience n2
 
A partir de cette valeur f0, on fait varier la fréquence f de la tension excitatrice u(t) jusqu'à rendre cette dernière déphasée de π6 par rapport au courant i(t). 
 
La nouvelle de la fréquence est alors f1=1524Hz.
 
  Dire, en le justifiant, si le circuit est inductif ou capacitif.
 
  Faire la construction de Fresnel en tenant compte des données de cette expérience n2 et montrer que R+r=3(12πf1C2πf1L).
 
  Calculer R et r.
 
c) Déterminer le facteur de qualité Q de cet oscillateur

Exercice 8

Deux dipôles D1 et D2 inconnus, mais chacun d'eux peut être : un résistor de résistance R.
 
Une inductance pure L ou un condensateur parfait de capacité C.
 
On veut identifier D1 et D2 et déterminer ses grandeurs caractéristiques, on dispose alors d'un résistor de résistance R=155.5Ω, d'un oscilloscope bicourbe et d'un générateur basse fréquence. 
 
Pour atteindre cet objectif, on a réalisé le montage de la figure 1. 
 
 
Le circuit est alimenté par une tension alternative sinusoïdale u(t)=Umsin(2πNt).
 
  Dans une première expérience on a visualisé la tension uNM sur la voie 2 de l'oscilloscope et la tension uPM sur la voie 1 on a obtenu les courbes de la figure 2.
 
 
  Au cours d'une deuxième expérience on a visualisé la tension uNM sur la voie 2 de l'oscilloscope et la tension uQM sur la voie 1 on a obtenu les courbes de la figure 3.
 
 
On donne :
 
Sensibilité horizontale : 1ms par division.
 
Sensibilité verticale Voie 1 : 5V par division
                      Voie 2 : 2V par division
 
1) a) A partir de l'oscillogramme de la figure 2, Montrer que le dipôle D1 est une inductance.
 
b) Étudier l'oscillogramme de la figure 3 et montrer que le dipôle D2 est un condensateur.
 
2) A partir de l'oscillogramme de la figure 3, déterminer :
 
a) La fréquence N et la valeur efficace U de la tension u(t) délivrée par le générateur.
 
b) L'intensité efficace I du courant qui traverse le circuit (le résultat doit être donné avec trois chiffres après la virgule). 
 
En déduire l'impédance Z du circuit.
 
c) Le déphasage Δφ de la tension aux bornes de tout le circuit par rapport à l'intensité du courant qui le traverse. 
 
Quelle est la nature du circuit ?
 
d) Écrire l'expression de i(t).
 
3) L'équation différentielle régissant les variations de l'intensité du courant dans le circuit est Ldidt+Ri+1cidt=u.
 
a) Faire correspondre à chaque fonction un vecteur de Fresnel. 
 
Sachant que la valeur de l'inductance est L=0.2H, Faire la construction de la figure 4 page 4 (1V est représenté par 1cm).
 
b) Déduire la valeur de la capacité C du condensateur.
 
4) On règle la fréquence du générateur B.F à une valeur N1 de manière que la tension efficace UQN=0.
 
a) Montrer que le circuit est le siège d'une résonance d'intensité. 
 
En déduire la valeur de la fréquence N1.
 
b) Calculer dans ces conditions le rapport UQPUQM. 
 
Que représente ce rapport.
 
5) La fréquence de la tension excitatrice est réglée à une valeur quelconque N2.
 
a) Montrer que la puissance électrique moyenne de ce circuit s'écrit sous la forme P=RU2(R2+A2). 
 
On donnera l'expression de A en fonction de ω et des grandeurs caractéristiques de D1 et de D2.
 
b) Pour quelle valeur de R cette puissance moyenne est maximale ?
 
c) Montrer que pour cette valeur de R, le déphasage courant-tension est indépendant de ω, de L et de C et qu'il est toujours égal à ±π4rad

Exercice 9

Un dipôle AB constitué d'une résistance R et d'une réactance X est branché en série avec une résistance pure r=50Ω. 
 
Un générateur de tension sinusoïdale, de fréquence f=50Hz, alimente le circuit.
 
 
Les tensions sinusoïdales u1 et u2 sont observées sur l'écran d'un oscillographe bicourbe.
 
Les sensibilités des voies Y1 et Y2 sont respectivement de 1V/carreau et de 5V/carreau.
 
L'observation de l'écran fournit une amplitude de 3.4 carreaux pour u1 et 2.3 carreaux pour u2.
 
Le décalage dans le temps des deux courbes permet de mesurer le déphasage φ de u1 par rapport à u2.
 
1) Calculer les valeurs maximales des tensions u1 et u2 et les valeurs efficaces correspondantes.
 
2) Considérant la tension de référence u2 en phase avec le courant i, déduire le sens du déphasage φ de u1 par rapport à u2.
 
Quelle est la nature de la réactance X (inductive ou capacitive) à la fréquence considérée ?
 
3) Calculer la valeur maximale et la valeur efficace du courant i traversant le circuit.
 
4) Déterminer le déphasage de u1 par rapport au courant.
 
5) Calculer l'impédance totale Z du circuit série formé par le dipôle AB et r.
 
6) Calculer la résistance R constitutive du dipôle AB [on rappelle que |cosφ|=R(totale)Z(totale)
 
7) Calculer la réactance X et la valeur de l'inductance L constitutive du dipôle AB.
 

Commentaires

C'EST très bon pour nous les élèves ça nous permet de se renforcer

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