Terminales STI2D 2012/2013 Sujets 0 Métrologie Photovoltaïque Chaînes de mesures Chaînes et convertisseurs d'énergies

Terminales STI2D 2012/2013 Métrologie

BO physique : Intro Partie 1 Autre composante essentielle de la démarche scientifique, la démarche expérimentale joue un rôle fondamental dans l'enseignement de la physique et de la chimie. Elle établit un rapport critique avec le monde réel, où les observations sont parfois déroutantes, où des expériences peuvent échouer, où chaque geste demande à être maîtrisé, où les mesures - toujours entachées d'erreurs aléatoires quand ce ne sont pas des erreurs systématiques - ne permettent de déterminer des valeurs de grandeurs qu'avec une incertitude qu'il faut pouvoir évaluer au mieux. La maîtrise de la précision dans le contexte des activités expérimentales est au cœur de l'enseignement de la physique et de la chimie. Elle participe à l'éducation des élèves à la construction d'une vision critique des informations données sous forme numérique, à la possibilité de les confronter à une norme, éducation indispensable pour l'évaluation des risques et la prise de décision.

BO physique : Intro Partie 2 La pratique d'activités expérimentales permet aussi d'acquérir des compétences dans le domaine de la mesure et des incertitudes. En faisant prendre conscience à l'élève des causes de limitation de la précision, des sources d'erreurs et de leurs implications sur la qualité de la mesure pour finalement aboutir à la validation d'une loi ou d'un modèle, on développe l'esprit critique, la capacité d'analyse et l'attitude citoyenne. L'informatique peut jouer un rôle tout à fait particulier en fournissant aux élèves les outils nécessaires à l'évaluation des incertitudes sans qu'ils soient conduits à entrer dans le détail des outils mathématiques utilisés. Le tableau suivant résume les notions et capacités spécifiques relatives aux mesures et à leurs incertitudes que les élèves doivent maîtriser à la fin de la formation du lycée. Ces notions diffusent dans chacun des thèmes du programme et ces capacités sont développées tout au long de l'année scolaire, dans le cadre des activités expérimentales. Elles ne font pas l'objet de séquences de cours spécifiques.

Erreurs - Identifier les différentes sources d'erreur (de limites à la précision) lors d'une mesure : variabilité du phénomène et de l'acte de mesure (facteurs liés à l'opérateur, aux instruments, etc.).

Incertitudes - Évaluer les incertitudes associées à chaque source d'erreur. - Comparer le poids des différentes sources d'erreur. - Évaluer l'incertitude de répétabilité à l'aide d'une formule d'évaluation fournie. - Évaluer l'incertitude d'une mesure unique obtenue à l'aide d'un instrument de mesure. - Évaluer, à l'aide d'une formule fournie, l'incertitude d'une mesure obtenue lors de la réalisation d'un protocole dans lequel interviennent plusieurs sources d'erreurs.

Résultats - Maîtriser l'usage des chiffres significatifs et l'écriture scientifique. Associer l'incertitude à cette écriture. - Exprimer le résultat d'une opération de mesure par une valeur issue éventuellement d'une moyenne et une incertitude de mesure associée à un niveau de confiance. - Évaluer la précision relative. - Déterminer les mesures à conserver en fonction d'un critère donné. - Commenter le résultat d'une opération de mesure en le comparant à une valeur de référence. - Faire des propositions pour améliorer la démarche.

BO Math 1ère Term En classe de 1ère ET en classe de terminale maths_STI2D_STL_171037.pdf 1ère Term mathematique_STI2D_STL_SPCL_195980.pdf

Compléments "officiels" IGEN / TS IGEN : Moreau Bipm Un bon résumé 5-PremiereS2011incertitudes-physique-chimie.pdf uescience_moreau2_111922.pdf JCGM_100_2008_F.pdf JCGM_200_2012.pdf si_brochure_8.pdf Courssurlesincertitudes.pdf

Concrètement pour nous ? En Exercices Chaînes de mesures ? Combustion Autre propositions ? Livres Autre propositions ?

Combustion PQ? Approche DI Traitement Excel Traitement Regressi

PQ? - TP "normalement" déjà fais en classe de première - TP "généralement" fais avec les bougies en paraffines (enthalpies incertaines ...) - Un seul apport nouveau : enthalpies standards - Un nouveau produit : l'éthanol, dont l'entalpie est connue - Protocole expérimental déjà connu, bon support de discutions dans une D.I. D'amélioration. - Nombreuse sources d'erreurs plus ou moins quantifiables, - Plusieurs supports d'une étude statistiques d'incertitudes

Bougies Approche DI Combien pèsent les bougies ?

Canettes Approche DI Combien pèsent vos canettes ?

Mesures

Bougies 8 Bougies et 8 Balances Traitement Excel

Bougies suite Traitement Excel

Canettes Conclusion : 2 poids différents 12.5 g 25 g Traitement Excel

Canettes de 12.5 g Traitement Excel

Canettes de 25 g Un balance défaillante Traitement Excel

Canettes de 25 g Traitement Excel

Traitement Regressi Statistique : Evaluation type A Incertitude : Evaluation type B

Statistique : Evaluation type A

Incertitude : Evaluation type B

Autre propositions ?

Livres Hachette Nathan Casteilla TP Chaleur latente de vaporisation p 42 43 Cours : analyse des erreurs de mesure p 69 70 Ex : chiffre sig. Mesure unique ; Mesures multiples p 76 Ex : Enthalpie de combustion p 156 Ex : mesure de température des gaz d'échappement p 197 198 Ex : utilisation d'un tesla-mètre p 218 Cours : Mesures et incertitudes p 8-15

Terminales STI2D 2012/2013 Chaînes de mesures

Chaînes de mesures BO Théorie Pratique Habitat Transport Points communs Différence(s) La communication dans l’habitat L’assistance au déplacement

Points communs - Citer quelques exemples de capteurs et de détecteurs utilisés dans l'habitat. ET dans un dispositif de transport. - Préciser les grandeurs d'entrée et de sortie ainsi que le phénomène physique auquel la grandeur d'entrée est sensible. - Distinguer les deux types de grandeurs : analogiques ou numériques. - Mettre en œuvre expérimentalement une chaîne de mesure simple utilisée en communication dans l'habitat. - Mettre en œuvre expérimentalement une chaîne de mesure simple (conditionneur de capteur, conditionneur de signal, numérisation, etc.)

Différence - Interpréter le spectre d'un signal périodique : déterminer la fréquence du fondamental, déterminer les harmoniques non nuls. (Transport)

Échantillonnage ? Pour échantillonner un signal électrique, on utilise comme paramètre la fréquence des mesures des niveaux électriques; c'est à dire combien de fois par seconde va-t-on faire la mesure sur le signal électrique? Plus la fréquence utilisée sera grande, plus les mesures seront fidèles au signal original.

Cas problématiques

Théorème de Shannon Le théorème de Nyquist-Shannon, nommé d'après Harry Nyquist et Claude Shannon, énonce que la fréquence d'échantillonnage d'un signal doit être égale ou supérieure au double de la fréquence maximale contenue dans ce signal, afin de convertir ce signal d'une forme continue à une forme discrète (discontinue dans le temps). Ce théorème est à la base de la conversion analogique-numérique des signaux. La meilleure illustration de l'application de ce théorème est la détermination de la fréquence d'échantillonnage d'un CD audio, qui est de 44,1 kHz. En effet, l'oreille humaine peut capter les sons jusqu'à 16 kHz, quelquefois jusqu'à 22 kHz. Il convient donc, lors de la conversion, d'échantillonner le signal audio à au moins 44 kHz. 44,1 kHz est la valeur normalisée par l'industrie.

Théorie : cf Esquieu Echantillonnage : peigne de Dirac f(t) Echantillonnage : spectre du peigne de Dirac ET du signal échantillonné Électronique F. Manneville - J. Esquieu Théorie du signal et composants

Echantillonnage : peigne de Dirac f(t)

Echantillonnage : spectre du peigne de Dirac ET du signal échantillonné

Echantillonnage : spectre du signal échantillonné

Chaîne de mesure : une partie de la chaîne de traitement numérique

Vue d'ensemble du/des problème(s)

COMMENT ? Excepté le filtrage (dont la présence est liée au phénomène d'échantillonnage), la conversion analogique/numérique s'effectue en 3 étapes: Échantillonnage Blocage Codage

BLOCAGE

QUANTIFICATION

ERREUR

C.A.N. CODAGE DÉFINITION CARACTÉRISTIQUES RÉSOLUTION Plus le nombre de bits utilisé est important, plus la dynamique du signal échantillonné sera bonne. Le quantum q correspond à la plus petite tension analogique que le convertisseur est capable de détecter. C'est donc la différence de tension correspondant à deux valeurs numériques consécutives: q = (Tension pleine échelle)/(2n-1), si n est le nombre de bits. Sur l'exemple, q=E/7.

Livres Hachette Nathan Casteilla Domotique p 63 Chaine d’information dans un véhicule p 163 Capteurs et mesures dans l’habitat p 65 Les capteurs dans les dispositifs de transports p 185 Quel assistant à la conduite p 224

Pratique Transport Habitat Position Vitesse Accélération O2

Position Radar US

Vitesse Tube de pitot

Vitesse : Tube de pitot Dans le cas d'un écoulement incompressible (c'est-à-dire en régime subsonique pour un nombre de Mach inférieur à 0,3), le calcul de la vitesse est effectué par application du théorème de Bernoulli. On néglige alors le terme z pour avoir une relation directe entre la vitesse et la pression dynamique pt -ps que l'on mesure avec un capteur de pression ou un simple manomètre. v = vitesse ps = pression statique pt = pression totale ρ = masse volumique du fluide

Accélération WII et I-phone Capteur : ADXL330

Accélération : WII

Accélération : I-phone

Capteur : ADXL330 Carte sur base ADXL330

Carte sur base ADXL330

Habitat Mesure de la proportion d'Oxygène dans les fumées, et asservissement.

Sonde lambda

Positions

Positions

Principe

Caractéristiques

Mise en œuvre : elektor janvier 2012

Autres propositions ?

Chaînes et convertisseurs d'énergies

Réservoirs d'énergies - Comparer des ordres de grandeur des énergies stockées dans différents réservoirs d'énergie. - Écrire et exploiter la relation entre une variation d'énergie et la puissance moyenne - Évaluer l'autonomie d'un système mobile autonome ; la comparer aux données du constructeur.

Comparaison des réservoirs d'énergies

Densités d'énergie Énergie Massique Énergie Volumique

Diagramme de Ragone Energie massique Puissance (massique)

Diagramme de Ragone Qui ? David V. Ragone Pronunciation: ru-GO-nee President, Case Western Reserve University, 7/1/1980-6/30/1987 Education S.B, Massachusetts Institute of Technology, 1951, Metallurgical Engineering S.M., Massachusetts Institute of Technology, 1952, Sc.D., Massachusetts Institute of Technology, 1953,

Diagramme de Ragone Le diagramme de Ragone est un graphique utilisé couramment pour comparer les performances des technologies de stockage d'énergie (batteries, piles, accumulateurs électriques, etc)

Diagramme de Ragone Il s'agit d'un graphique à axes logarithmiques. La densité massique de puissance (en W/kg par exemple) est tracée en abscisse et parfois en ordonnée. La densité massique d'énergie (en J/kg par exemple) est tracée en ordonnée et parfois en abscisse.

Diagramme de Ragone Il peut être complété par des lignes transversales (en secondes par exemple) qui indiquent le temps nécessaire à la charge ou la décharge des systèmes de stockage.

Exemple

Exemple

Exemple

Exemple

Exemple

Un document de présentation/exercices Stockage_Energie.pdf

Super-condensateurs supercond.pdf

Principe

Charbon actif

Piles et Accumulateurs Les_piles.pdf

La pile a combustible http://www.cea.fr/UserFiles/File/Animations/aLaLoupe/Pile/pile.htm

Anode

Cathode

Accumulateur Lithium Principe Documents

Li métal Principe

Problèmes

Solution : Insertion

Doc CEA 130a135martinetCEA.pdf

Doc ambassade au japon pile2006.pdf