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PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES - PHYSIQUE

By Irene Hamilton,2014-07-18 12:01
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PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES - PHYSIQUEPROG

2BTS CIM PHYSIQUE APPLIQUEE 1

    PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES - PHYSIQUE APPLIQUÉE

MODULE 1 : ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE: CAPTEUR

    1.1. Transducteur, principe, caractérisation. Cas des capteurs de température, de déplacement, de vitesse, de force: aspects physiques et technologiques, conditionnement et transmission de l'information représentative. Capteur intelligent. 1.2. Éléments de métrologie. -Le système international d'unités; définitions des unités de base.

     -Approche statistique de la mesure.

MODULE 2 : GRANDEURS ÉLECTRIQUES ET CIRCUITS

2.1. Propriétés temporelles: représentations temporelles d'une grandeur électrique. Valeurs moyenne et efficace. Représentation

    complexe d'une grandeur électrique sinusoïdale. Régimes transitoire et permanent. Régime permanent sinusoïdal.

    2.2. Propriétés fréquentielles : cas des signaux périodiques ; spectre en amplitude. 2.3. Propriétés énergétiques : puissances instantanée et moyenne.

MODULE 3 : TRAITEMENT ANALOGIQUE DES GRANDEURS ÉLECTRIQUES

    3.1. Systèmes linéaires :

    -fonction amplification de tension, de puissance ;

    -fonction filtrage analogique : filtre passe-bas, passe-haut et sélectif ;

    -fonctions linéaires de traitement analogique à base d'ADI.

    3.2. Systèmes non linéaires :

    -fonction "comparaison" à un ou deux seuils.

    MODULE 4 : DISCRÉTISATION ET TRAITEMENT NUMÉRIQUE DES GRANDEURS ANALOGIQUES 4.1. Fonction Échantillonnage : représentations temporelles des grandeurs mises en jeu ; aspects fréquentiels. Blocage.

    4.2. Fonction Génération de signaux impulsionnels : réalisation et applications. 4.3. Fonction Conversion Analogique-Numérique : principe(s) ; réalisation; caractéristiques instrumentales. 4.4. Fonction Conversion Numérique-Analogique : réalisation; caractéristiques instrumentales. 4.5. Chaîne de mesure et de commande : organisation.

MODULE 5 : ÉNERGIE ÉLECTRIQUE: DISTRIBUTION ET CONVERSION

     5.1. Distribution électrique et sécurité :

    -notions générales sur le transport et la distribution électrique; rôle d'un transformateur ;

    -sécurité: danger d'électrocution ; limites des domaines de tension ; régime de liaison à la terre. 5.2. Conversion électromécanique d'énergie :

    -moteur à courant continu-réversibilité ;

    -moteurs à courants alternatifs ;

    -moteur pas à pas.

    5.3. Conversion statique d'énergie :

    -convertisseur alternatif-continu : redresseur ;

    -convertisseur continu-continu : hacheur série ;

    -convertisseur continu-alternatif : onduleur

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    MODULE 6: MODÉLISATION, COMMANDE ET CONTRÔLE DE SYSTÈMES LINÉAIRES

6.1. Identification d'un système analogique : réponse indicielle ; cas des systèmes des premier et second ordre; retard pur ;

    caractérisation.

    6.2. Systèmes asservis analogiques : représentation fonctionnelle ; stabilité ; précision ; correction. 6.3. Asservissements numériques : structure de la chaîne de contrôle commande ; algorithme de contrôle.

MODULE 7 : LE SOLIDE EN MOUVEMENT

7.1. Les systèmes mécaniques en mouvements.

    -Système mécanique ; forces, couple, moments ; centre et moment d'inertie d'un système ;

    Référentiels ; vitesse et accélération.

    -La seconde loi de Newton.

    -Rotation d'un solide autour d'un axe fixe: théorème du moment cinétique projeté sur l'axe de rotation -Étude de quelques mouvements "simples" : application de la seconde loi de Newton et du théorème du moment cinétique ; modélisation. Frottements.

    7.2. Systèmes mécaniques oscillants : Pendule simple ; pendule pesant ; système élastique ; pendule de torsion. 7.3. La résonance en mécanique :

    -Oscillations forcées ; résonance ;

    -Analogies électromécaniques ;

    -Couplage électromécanique.

    7.4. Aspects énergétiques.

    -Travail d'une force ;

    -Énergie cinétique, potentielle (pesanteur, élastique), mécanique.

MODULE 8 : OPTIQUE

8.1. Images données par un système optique :

     -Propagation de la lumière: modèle du rayon lumineux; point objet ; lois de la réflexion et de

     la réfraction pour un dioptre plan ;

     -Image donnée par un miroir plan ;

     -Image donnée par une lentille mince convergente: centre optique ; foyers ; point image

     conjugué d'un point objet; distance focale ; vergence.

    8.2. Sources et récepteurs de lumière :

     -Grandeurs et unités photométriques : puissance énergétique; intensité, luminance, éclairement.

    -Émetteurs et Récepteurs de lumière: diode électroluminescente; photodiode ; capteur optoélectronique. -Une source de lumière cohérente: le laser. Monochromaticité, puissance, directivité. Diode laser. 8.3. Modèle ondulatoire de la lumière.

     -Présentation expérimentale du phénomène de diffraction et des interférences en lumière monochromatique. Applications

    industrielles.

    -Le spectre des ondes électromagnétiques.

MODULE 9 : CHIMIE DES MATÉRIAUX

    Description microscopique et propriétés macroscopiques de la matière.

    On étudie plus spécialement :

    -les métaux et les alliages métalliques ;

    -les polymères et les élastomères ;

    -les céramiques et les verres ;

    -les matériaux composites.

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    1. Acquisition d’une grandeur physique : capteur

    1.0.Rappels sur les lois générales, diviseur de tension

1) Diviseur de tension à vide (I = 0) A 3

     I1

    ? U = R.I CB21R1 I= 0 3

    E E C II12RR12

     UCB R2 R.E2I? U2 CBRR12

     B

2) Circuits à deux sources : théorème de superposition

     R A R‟

    E E’

    B

On calcule U en annulant successivement chaque source : AB

    U = (U quand E’ = 0) + (U quand E = 0) ABABAB

     R A R‟

    E E’ = 0

    B

     R A R‟

    E = 0 E’

    B

    R'ERE'U ABRR'RR'christian.ekstein@ac-creteil.fr

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    Remarque : caractéristiques des composants électroniques usuels

     A I K A K F

    Diode

     équivalente à :

     VVA K

En négligeant la tension de seuil (de l'ordre de 0,7 V) :

    La diode D est passante (I > 0) si V > V : D est équivalente à un court-circuit FAK

    La diode D est bloquée (I = 0) si V < V : D est équivalente à un circuit ouvert FAK

     (elle ne conduit pas en inverse) (voir aussi module 5)

    Diode Zener

    IUne diode Zener conduit normalement en sens direct comme une diode de R

    K redressement (quand V > V) mais elle conduit aussi en sens inverse (de K AK

     vers A) quand V ? V où V est la tension de Zener qui dépend du type de KAZZ

     diode utilisée. V constitue ainsi un étalon de tension Z

     équivalente à : K

    A VZ

     A

    Diode électroluminescente (DEL ou LED en anglais) (voir aussi module 8)

     IF

    A Lorsqu'elles sont passantes, ces diodes émettent une lumière

     dont la longueur d'onde (visible ou IR) dépend de la structure de la DEL.

     Pour cela la tension V doit être supérieure à la tension de seuil V AK0

     (V de l'ordre de 1 à 2 V suivant la couleur des DEL) 0

K

    Comparateur à 1 seuil (voir aussi module 3)

     ? ++ - si ? > 0 U = U (niveau haut) ~ +Vcc S satSM

     + ?-- si ?;? 0 U = U (niveau bas) ~ -Vcc _ satSM

    N.B. Les courants d'entrée sont nuls. USM

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null

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3. Capteurs actifs

Les capteurs actifs sont soit des générateurs de tension ou de courant en réponse à une grandeur physique

    (température, éclairement,…), soit des dispositifs qui réagissent par une force contre-électromotrice lorsque la tension dépasse un certain seuil (type diodes).

    Grandeur physique à Grandeur de Effet utilisé mesurer sortie

    Thermoélectricité Tension Température Pyroélectricité Charge

    Photo-émission Courant

    Flux de rayonnement optique Effet photovoltaïque Tension

    Effet photo-électrique Tension

    Force

    Pression Piézo-électricité Charge

    Accélération

    Induction Vitesse Tension électromagnétique

    Position (Aimant) Effet Hall Tension Courant, champ magnétique

    4. Exemple des capteurs optoélectroniques

    A. La lumière (voir module 8).

Elle est composée d'ondes électromagnétiques (comme les ondes hertziennes ou les rayons X), de vitesse 8-1c = 3.10 ms, dont la longueur d'onde est la distance parcourue dans le vide pendant une période ou bien

    ? = c/f)

     - pour le visible : ? entre 0,4 (violet) et 0,75 µm (rouge)

    - pour l'infrarouge : ? entre 0,75 et 500 µm (limite des "micro-ondes")

    - pour l'ultraviolet : ? entre 0,01 et 0,4 µm

    B. Récepteurs de lumière

a) Grandeur photométrique :

    Eéclairement ou puissance reçue par unité de surface, en lux : S

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    b) Récepteurs passifs :

    - Photorésistances (LDR : light dependant résistor) : la conductivité d'un semi

    conducteur augmente quand on lui apporte de l'énergie, en particulier de

    l'énergie lumineuse. Sa constitution détermine la couleur pour laquelle il est le

    plus sensible (CdS : jaune, CdSe : rouge, PbS : infrarouge).

    - Photodiode : une jonction PN polarisée en inverse aura une conduction par

    porteurs minoritaires qui augmente quand elle reçoit de l'énergie, en particulier

    lumineuse : l'intensité du courant inverse est proportionnel à l'éclairement.

    - Phototransistor : la jonction base-collecteur polarisée en inverse est sensible à

    l'éclairement et le transistor conduit d'autant plus que la lumière absorbée est

    intense (dans une gamme de couleurs prédéfinie).

    - Photocoupleur (ou optocoupleur) : il est constitués d'une DEL et d'un

    phototransistor dans le même boîtier, de sorte qu'il permette une isolation

    galvanique entre le circuit d'entrée qui alimente la DEL, et le circuit de sortie

    qui alimente le phototransistor.

c) Récepteurs actifs :

    - Photopile : générateur constitué d'une jonction PN éclairée.

    5. Conditionnement du signal

Le signal de sortie du capteur doit être adapté à l‟utilisation : alarme, régulation, mesure, traitement

    informatique… ce qui nécessite souvent un certain nombre d‟opérations qui sont étudiées ultérieurement :

    amplification, comparaison, linéarisation, conversion analogique-numérique (CAN), conversion numérique-analogique (CNA)…

    La transmission du signal de sortie, lorsqu‟il est analogique, peut être :

    - calibré en tension (0-5V par exemple, norme TTL) ou

    - calibré en courant (4-20mA) pour s‟adapter à des modules récepteurs standards.

    6. Capteur ou transmetteur ? intelligent ?

    Le transmetteur intelligent est un transmetteur muni d'un module de communication et d'un microcontrôleur :

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    1.2 Eléments de métrologie

1. Le système international d’unités ; unités de base : Source :

    http://www.bipm.fr/fra/3_SI/base_units.html

Grandeur Unité symbole Définition

    Longueur L mètre m Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde.

    Masse M kilogramme kg Le kilogramme est l'unité de masse ; il est égal à la masse du prototype international du kilogramme.

    Temps T seconde s La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

    Courant électrique I ampère A L'ampère est l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1 mètre l'un de l'autre dans le vide, 7(produirait entre ces conducteurs une force égale à 2 × 10 newton par mètre Température kelvin K Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. thermodynamique ?

    Quantité de matière mole mol La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités N élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12.

    Intensité lumineuse J candela cd La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source 12qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 10 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian.

    Tableau 1

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2.Unités dérivées Tableau 2

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    2BTS CIM PHYSIQUE APPLIQUEE 10 GRANDEUR FORMULE UNITÉ SYMBOLE

    Angle plan ? radian rad

    ? Angle solide stéradian sr

    22Surface S = x mètre carré m

    33Volume V = x mètre cube m

    -3 Masse volumique ? = m/V kg.m

    -1 Vitesse v = x/t m.s

    -2 Accélération a = v/t m.s

    Force F = m.a newton N Travail Énergie W = F.x joule J

    Puissance P = W/t watt W

    Pression p = F/S pascal Pa

    Fréquence f = 1/T hertz Hz

     Moment d'une force Mt = F.x N.m

    Tension u volt V

    ? Résistance r = u/i ohm

    Quantité d'électricité q = i.t coulomb C Capacité électrique C = q/u farad F Champ magnétique B = F/(i.x) tesla T Flux magnétique = B.S weber Wb Inductance électrique L = /i henry H Flux lumineux ? = I.? lumen lm Éclairement E = ? /S lux lx

    GRANDEUR DIMENSIONS

    Longueur L

    Masse M

    Temps T

    2Surface L

    3Volume L

    -1-2Tableau 3 Pression MLT

    -1Vitesse LT

    -2Accélération LT

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