Présentation d’une utilisation de l’informatique en électricité :
l’étude des dipôles
par Annie LEPRINCE et Robert LAdOUTTE Service de l’Informatique Educative
(ex Unité des Logiciels Educatifs) CNDP
INTRODUCTION
Même si le coût du matériel informatique a beaucoup baissé, les établissements hésitent encore à investir dans du matériel spécifique aux sciences physiques. II est vrai que les enseignants, insuffisamment formés, jugent souvent l’informatique compliquée et ne voient pas le bénéfice qu’ils peuvent en tirer. Ils se posent, en général, trois questions qui nous paraissent fondamentales :
- POURQUOI utiliser un ordinateur ? - COMMENT l’utiliser ?
- QUAND l’utiliser ?
Nous allons essayer, à partir de l’étude des dipôles en classe de seconde, de répondre à ces trois questions.
1. POURQUOI UTILISER UN ORDINATEUR ?
Nous voyons deux raisons essentielles :
- la première est qu’un ordinateur, muni d’une interface de mesures et de logiciels bien conçus, est un outil pédagogique incomparable.
- la deuxième est que l’utilisation de l’informatique doit désormais faire partie de la culture générale d’un élève du secondaire.
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1 .l. Outil pédagogique
L’ordinateur, associé à un capteur et une interface, constitue un appareil de mesures «ordinaire» mais avec en plus toutes les possibilités de mémorisation, traitement et représentations qu’offre l’ordinateur et le logiciel associé. Ce sont ces possibilités qui font la différence avec les moyens traditionnels. Par exemple :
Mémorisation et représentations graphiques
Pour l’étude des dipôles, la rapidité des mesures, conjuguée à la mémorisaiton et aux tracés graphiques rapides des courbes de son choix (avec les échelles automatiques et les axes que l’on souhaite), offrent un avantage décisif par rapport aux méthodes traditionnelles. Ces représentations donnent à l’élève une image concrète et parlante des phénomènes (Figure 1).
Figure 1 : exemples de caractéristiques de dipôles.
Traitements
Les données issues de la mesure peuvent subir différents traite-
ments numériques pour faire apparaître certains phénomènes ou
certaines grandeurs.
Comparaison des résultats expérimentaux avec des résultats théo- riques
Cette démarche n’est pas nouvelle mais elle est grandement facilitée par l’ordinateur grâce à sa rapidité de calcul et de tracé graphique et devient véritablement opérationnelle dans de nombreux cas (Figure 2).
Figure 2 : recherche de l’équation d’une caractéristique.
1.2. Culture scientifique
L’informatique est devenue omniprésente dans la vie courante.
Moins répandu, l’emploi de l’acquisition de données est néanmoins très pratiqué dans les laboratoires et l’industrie et cette technique commence à faire son apparition dans l’utilisation grand public (Automobile, électroménager, audiovisuel...).
Il nous semble qu’une culture générale, et a fortiori scientifique, ne peut plus faire l’impasse sur l’informatique, et l’enseignement des sciences physiques ne peut plus ignorer les méthodes d’acquisition de données.
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L’utilisation de logiciels pédagogiques permettra une introduction
«en douceur» de ces méthodes, qui pourra aller d’une simple prise de conscience de leur existence à la présentation de leurs principes et de leur fonctionnalités :
- Notion de chaîne de mesures (capteur, interface et ordinateur).
- Notion de flexibilité. Par exemple, le logiciel «Les dipôles» peut remplacer un voltmètre,
unampèremètre, un ohmètre et un wattmètre donnant l’image, à son niveau, de la simplification des tableaux de bord des avions (Airbus A320).
- Les différents traitements possibles des données (mémorisation, stockage, calculs, statistiques...).
2. COMMENT UTILISER UN ORDINATEUR ?
2.1. Matériel et logiciel
L’ordinateur sera un compatible PC, avec, de préférence,
uncontrôleur graphique EGA ou VGA et
unmoniteur couleur. Si vous envisagez une utilisation collective, avec toute une classe, un grand écran ou un écran rétroprojectable est souhaitable.
II faut ajouter à l’ordinateur une interface de mesures et des logiciels. Pour l’interface de mesures, son choix dépendra des utilisa- tions que vous envisagez.
Pour l’étude des dipôles, l’interface ESA03 de JEULIN est plus facile à utiliser mais CANDIBUS donne de meilleurs résultats. Le logiciel «Les dipôles»* (qui fonctionne également avec l’interface ORPHY GTS) semble actuellement le plus complet et il ne nécessite aucun matériel spécifique en dehors de l’interface de mesures.
2.2. Modes d’utilisations
Les enseignants qui assistent à des démonstrations de logiciels posent toujours, à bon escient, le problème de l’utilisation de ces logiciels dans
uneclasse car il est vrai qu’ils ne disposent, en général, que d’un ordinateur et d’une interface.
*
Coédition CNDP-Langage et Informatique- Utilisation collective
Elle semble actuellement la plus riche et la plus pratiquée.
L’enseignant, pendant une séance de cours ou de travaux pratiques, manipule devant les élèves.
L’ordinateur peut être, dans ces conditions, un excellent catalyseur de l’interactivité élève-professeur : il permet des mesures et des représentations rapides qui doivent amener des questions trouvant elles-mêmes des réponses par d’autres expériences ou d’autres repré- sentations. Dans le chapitre suivant, nous avons essayé, pour chaque exemple d’utilisation, de suggérer des dialogues avec la classe.
Toutefois, cela ne fonctionnera vraiment bien que si l’enseignant est parfaitement à l’aise avec cet outil. Dans le cas contraire, on risque d’aboutir à l’opposé de ce que nous avons décrit, à savoir des élèves passifs devant un écran.
Pour être à l’aise, il faut un certain nombre de’conditions : - Savoir manipuler l’ordinateur et le logiciel.
Un minimum de connaissances informatiques (manipulation du clavier, utilisation de fenêtres de saisies et de menus déroulants...) semble nécessaire pour utiliser un tel logiciel.
- Avoir étudié au préalable le logiciel et sa documentation.
- Avoir préparé l’expérience, son intégration dans le cours et aussi toutes les questions à poser. La troisième partie du document devrait faciliter ce travail.
- Avoir confiance : les logiciels et les matériels sont maintenant bien au point et les dysfonctionnements sont rares.
Enfin, pour répondre à une objection souvent formulée sur la taille et la lisibilité de l’écran, nous dirons que cette objection s’applique pratiquement à n’importe quelle expérience de cours. On peut demander aux élèves de se déplacer et profiter des séances en demi-groupes.
Enfin, il existe maintenant des grands écrans et des écrans projetables qui donnent assez bien satisfaction.
- Utilisation par les élèves
En TP par exemple, avec un seul ordinateur, la mise en œuvre n’est pas simple. En effet, en 1 h 30, demander à 10 groupes de passer successivement sur le poste informatique relève de l’exploit. Les élèves passent plus de temps à prendre en mains le logiciel qu’à réfléchir à ce qu’ils observent. Il semble préférable, pour cette utilisation, d’attendre
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que l’on dispose de plus de matériel. Mais avec la rapidité de la baisse des prix et celle de l’augmentation des performances des matériels, il n’est plus utopique d’imaginer une salle de travaux pratiques avec au moins quatre ordinateurs, voire un ordinateur par binôme.
3. QUAND UTILISER UN ORDINATEUR ?
Nous ne traiterons que du cas de l’électricité en classe de seconde en utilisant le logiciel «Les dipôlew. Les exemples sont donnés pour des cours «traditionnels» correspondant au programme actuel.
Pour chaque exemple, vous trouverez une fiche qui se présentera de la
façon suivante :
i TITRE DE L’EXPÉRIENCE 1
Description Montage
Le montage sera décrit pour chaque fiche.
Réglages
Les commandes du logiciel préliminaires à l’utilisation proprement dite. Ces commandes sont indiquées sous la forme Commandel> Commande2Kommande3 correspondant aux menus qui sont successivement ouverts.
Sauf spécifications contraires, les réglages préliminaires standards seront les suivants : Montage>Masse commune
Montage>continu/Alternatif>Continu Acquisition>Mode>Manuel Acquisition>Convention>Récepteur Interactivité
Nous fournissons quelques suggestions pour l’utilisation avec les élèves sous la forme suivante :
Commandes, actions Dialogue
Toutes les commandes (mêmes notations Quelques exemples de questions que l’on qu’au paragraphe précédent) du logiciel et peut poser, ou que les élèves devraient po- tes actions sur le système physique. ser, avec éventuellement les réponses.
Notions qui se dégagent
Rappel des notions fondamentales que l’on a pu mettre en évidence avec l’expérience (synthèse du paragraphe précédent).
Commentaires
Soit des suggestions pour des variantes ou des exploitations ultérieures de l’expérience, soit des indications générales supplémentaires.
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MESURE DES TENSJONS
Description Montage
La voie 1 de l’interface est branchée sur une alimentation stabilisée variable ou un montage potentiométrique, en même temps qu’un voltmètre ; l’autre est reliée à la masse.
Réglages préliminaires
Acquisition>affIchages numériques, sélectionner U Graphique>U(I)
Interactivité
Commandes, actions
Acquition>Acquisition (ou CTRL F2).
Faire varier la tension de l’alimentation.
Comparer avec l’indication du voltmètre.
Monter la tension à plus de 5 V.
Mémoriser quelques points par appui sur la touche ENTREE.
Notions qui se dégagent
Dialogue
Que voit-on ? La valeur de U est affichée.
Que fait l’ordinateur ? Il mesure la tension.
Comment fait-il ? Montrer l’interface.
Lequel est le plus précis ?
Que se passe-t-il ? Saturation : montrer I’a- nalogie avec un appareil à aiguille par exemple.
Que peut faire l’ordinateur que ne peut pas faire le voltmètre ?
Mémoriser des valeurs,
- l’ordinateur peut être un appareil de mesures,
- il utilise, en général, un dispositif supplémentaire appelé interface de mesures qui mesure des tensions et se comporte comme un voltmètre «normal» (calibre, valeur maxi...),
- il peut mémoriser des points ou des valeurs numériques.
Commentaires
Cette séance est destinée avant tout à préparer les suivantes en introduisant, de la façon la plus simple possible, la notion d’ordinateur appareil de mesures.
Montrer qu’il s’agit d’un voltmètre comme les autres, avec les mêmes règles d’utilisation (calibre, précision...).
Introduire ses propriétés spécifiques (mémorisation, calcul, graphique...) qui en font tout l’intérêt.
MESURE DES INTENSITÉS
1
Description Montage
L’alimentation est branchée sur une résistance de 100 ohms, en série avec une résistance de 10 ohms (qui sert à mesurer 1) et un ampèremètre. La masse est entre les deux résistances et la voie 2 est sur l’autre borne de la résistance de 10 ohms, la voie I est à la masse.
Réglages préliminaires
Acquisition>affIchages numériques, sélectionner 1 Interactivité
Commandes, actions
Acquisition>Acquisition (ou CTRL F2) Faire varier la tension de l’alimentation.
Dialogue
Comme pour la mesure des tensions mais en faisant découvrir la notion de capteur qui est ici la résistance de 10 ohms, Mémoriser quelques points par appui sur Reprendre la notion de mémorisation avec la touche ENTRÉE. Mémoriser la courbe le tableau de valeurs.
par mEmoire>Mémorisation puis affichage du tableau par Graphique>taBleau.
Notions qui se dégagent
- notion de capteur. Citer d’autres exemples,
- retour sur la mémorisation (on peut citer l’enregistrement sur disque) Commentaires
Comme pour la mesure des tensions, il s’agit d’une sensibilisation à la notion d’acquisition de données pour la culture scientifique des élèves et pour préparer les exemples suivants.
Comme précédemment, on peut être gêné par la petite taille des affichages de valeurs numériques. Espérons que les logiciels futurs nous offriront la possibilité d’affichages en grande taille. En attendant, le CNDP proposera un petit programme (qui lit
l’interface, calcule l’intensité ou la tension et l’affiche en grande taille) qui sera diffusé par 1’U.d.P.
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NOTION DE CARACTÉRISTIQUE
1
Description Montage
Masse commune (Cf. documentation page 4.13).
Réglages Graphique>](U) Graphique>Quadrant>L Interactivité
Commandes, actions
Acquisition>Acquisition (ou CTRL F2) Faire varier la tension de l’alimentation.
Mémoriser quelques points.
Acquisition>Mode>Automatique Faire varier la tension.
Revenir en mode manuel.
Faire varier la tension.
Tracer rapidement les caractéristiques de plusieurs dipôles de types différents (Figure 1).
Dialogue
Que voit-on ? U et 1 varient, le point se dé- place.
Comment varient U et 1 ? Repérer des cou- ples de valeurs.
Comment se déplace le point ? II passe tou- jours au même endroit, il faudrait en
«garder».
Point +U et 1 -ktat physique du dipôle.
Ensemble des points possibles +Courbe.
La courbe continue -grand nombre de points.
Montrer que le point se déplace sur la courbe.
La courbe dépend du dipôle : courbe carac- téristique.
Discussion sur les formes : introduction du vocabulaire, symétrie, linéaire...
Notions qui se dégagent
- notion de point de fonctionnement qui est la représentation graphique de l’état physique d’un dipôle,
- cet état dépend du circuit dans lequel se trouve le dipôle,
- l’ensemble des points possibles pour un dipôle est une courbe qui dépend du dipôle : on l’appelle caractéristique.
Commentaires
II sera intéressant de donner un document papier représentant deux caractéristi- ques avec des exercices classiques sur la lecture des caractéristiques.
DIPÔLE LINÉAIRE : CONDUCTEUR OHMIQUE
Description Montage
Même montage que précédemment avec un conducteur ohmique.
Réglages Standard.
Interactivité
Commandes, actions
Tracer la caractéristique et la mémoriser comme Indiqué précédemment.
Acquisition>Mode>Manuel
Acquisitiowafflchages numériques.
Demander U/I.
AcquisitiowAcquisition (ou CTRL F2) Faire varier la tension de l’alimentation pour déplacer le point.
Arrêter l’acquisition par ESC aNalyse>Modèle mathématique Entrer une des équations.
Refaire éventuellement l’expérience avec un dipôle non linéaire.
Notions qui se dégagent
~ notion de résistance,
Dialogue
Revenir sur la notion de linéarité.
Que remarque-t-on pour U/l ? Faire chercher l’équation de U en fonction de 1.
Faire trouver la bonne équation et vérifier.
Comparer avec le cas précédent.
- loi d’ohm pour un conducteur ohmique.
Commentaires
On peut également utiliser la fonction Linéarisation du menu Traitement qui donne automatiquement le résultat.
11 semble souhaitable de donner une copie d’écran avec plusieurs caractéristiques réalisées en classe. Elle servira de base à des exercices classiques.
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ASSOCIATION DE DIPÔLES PASSIFS
Description
Mêmes montages et réglages que précédemment.
Interactivité
Commandes. actions Dialogue
Tracer et mémoriser les caractéristiques de deux conducteurs ohmiques différents.
Tracer et mémoriser la caractéristique d’une association de ces deux dipôles.
Déterminer (méthode au choix) la résis- tance de chaque dipôle.
Notions qui se dégagent - notion d’association de dipôles, - notion de dipôle équivalent,
Introduction de la notion d’association.
Nature du nouveau dipôle ?
Valeur de sa r&istance poar rapport aux deux autres ?
Faire trouver ou vérifier la loi (suivant qu’il s’agit de dipôles en série ou en //).
- règles d’associations des dipôles linéaires.
Commentaires
Les associations de dipôles non linéaires ne sont plus officiellement au programme car leur étude expérimentale était longue à mettre en Oeuvre.
C’est un exemple où l’ordinateur permet une introduction expérimentale rapide et imagée et il nous semble intéressant de les réintroduire à cette occasion.
r ÉTUDE DES DIPÔLES ACTIFS
Description Montage
Dip8lc actif
R variable
Y,
“2 Utiliser de préférence une «boîte noire» avec une
pile de 4.5 V et une résistance de 100 ohms.
Pour faire varier 1, utiliser une résistance variable.
5”
tta
Réglages “asse
Montage>Masse commune>Valeur de la résistance : 20 ohms Montagexontinu/AIternatif>Continu
Acquisition>Mode>Manuel AcquisitionXonventionXXnérateur Interactivité
Commandes. actions Acquisition>Acquisition Faire varier la résistance.
Mémoriser quelques points.
Mémoriser la courbe.
Ouvrir le circuit, puis court-circuiter la résistance variable.
Analyse>Modèle mathématique.
Allure de la courbe ?
Comparaison avec celle d’un dipôle passif.
Faire trouver les particularités de ces deux points. Définitions.
Entrer les équations des élèves. (Fig. 2) Notions qui se dégagent
- caractéristique d’un dipôle actif, - fonctionnements à vide et en court-circuit, - loi d’ohm pour un dipôle générateur.
Commentaires
On pourra, par la suite, étudier rapidement le cas particulier d’un générateur parfait. On pourra également montrer l’influence des paramètres r et E en étudiant le dipôle générateur constitué d’une alimentation stabilisée réglable, en série avec une résistance variable.
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CONCLUSION
