TP 7 ETUDE DE LA CONDUCTION DE LA CHALEUR … · ETUDE DE LA CONDUCTION DE LA CHALEUR TP 8 TOPOLOGIE D'UN CHAMP ELECTROSTATIQUE TP 9 OSCILLATEURS AMORTIS TP 10 FROTTEMENTS SOLIDES

MP 2017/2018 TP physique 1

TP 7

ETUDE DE LA CONDUCTION DE LA CHALEUR

TP 8

TOPOLOGIE D'UN CHAMP ELECTROSTATIQUE

TP 9

OSCILLATEURS AMORTIS

TP 10

FROTTEMENTS SOLIDES

TP 11

ETUDE D’UN CYCLE THERMODYNAMIQUE

TP 12

MESURE DE L’ENTHALPIE DE REACTION

TP 13

MESURES DE CHAMPS MAGNETIQUES

TP 14

ONDES CENTIMETRIQUES

A ZWERTVAEGHER Léna

LEMIERE Bertille

B FONTAINE maxime

WAROT Jules LALLEMAN Victor

C MOULAY BERKCHI Mhedi

FACKEURE Corentin DE HOOGHE Albert

D CAPELLE Axel

DUBOIS Thibaud DUCATEL Vianney

E DERMU Romain

MACKOWIAK Pierre VERSTRAETE Marvin

F VAUTHIER Sarah

CARPENTIER Hugo MALFOY Julien

G COSSART Emma DESUTTER Arthur

H ROUBINOWITZ Esther

LORIDAN Elsa NOYEZ Louis

7/11 14/11 21/11 28/11 5/12 12/12 19/12 9/1 TP7 A H G F E D C B TP8 B A H G F E D C TP9 C B A H G F E D TP10 D C B A H G F E TP11 E D C B A H G F TP12 F E D C B A H G TP13 G F E D C B A H TP14 H G F E D C B A

** Tout résultat donné sans une évaluation de son incertitude ne sera pas pris en compte ; ** Dans de nombreux cas vous êtes libre du protocole expérimental, il convient dans ce cas il convient de correctement l’expliquer sur le compte rendu. ** Le compte rendu du TP est à remettre le lendemain ** Tout TP doit avoir une conclusion : validation d’un protocole expérimental, d’un modèle théorique, vérification des données d’un fabricant …


TP7 ETUDE DE LA CONDUCTION DE LA CHALEUR

connaissances : Transfert thermique par conduction et convection

but : Mesure de la conductivité thermique du laiton

matériel : Dispositif pour l’étude de la conduction 1 calorimètre 1 bain marie avec chauffe plat, une éprouvette graduée de 200 ml, une balance 2 interfaces Foxy (sur deux postes) avec 3 sondes thermométriques

I) BUT DE LA MANIPULATION : Si cela n'est pas déjà fait, régler la tension d'alimentation du chauffage à 150 V . On étudie dans ce T.P. la conduction de la chaleur dans une barre de métal isolée de l'extérieur . Pour cela on utilise le dispositif ci-dessous

La barre de laiton est placée dans le four, en prenant soin de l'enfoncer complètement pendant une durée de 15 à 90 secondes et on étudie la propagation d’un front thermique. II) ETUDE DE LA CONDUCTION : 1) Approche théorique : On isole latéralement la tige de laiton de manière à considérer le transfert d’énergie thermique comme unidirectionnel. La température de la tige étant uniforme, on impose à l'origine de celle-ci une variation brutale de la température en plaçant la tige pendant 45 secondes dans le four (utiliser des chiffons pour la manipulation du four sous peine de brûlures) et on observe en deux points de la tige la réponse en température. Vérifier que

l’équation de la chaleur hT

x

T

t

∂

∂

∂

∂

2

20− = admet comme solution T x t

T

h t

x

h t

o( , ). . .

.exp. .

= −

4 4

2

π . Reprendre

l’équation de la chaleur dans le cas où la tige n’est plus isolée latéralement ( on suppose la température fonction uniquement de t et x ) 2) Mesure de la conductivité thermique : Isoler la tige à l’aide le la laine de verre . Vérifier le réglage de l'alternostat de façon à avoir 130 V aux bornes du chauffage . Attendre le temps nécessaire à l'obtention d'une température constante dans le four . Placer l’extrémité de la tige dans le four pendant 45 secondes . On suit l'évolution de la température en utilisant l'interface Foxy la durée d’observation étant d'environ 15 minutes ( on arrête les mesures lorsque l’onde thermique est passée par le point de mesure le plus éloigné de la source ) . Recommencer l’expérience avec la durée d’introduction de la tige dans le four de 30 s ou 60 s. En déduire la valeur du coefficient h .


Reprendre la mesure pour une introduction de 60s en enlevant l’isolant : évaluer l’influence du terme conducto-convectif . N.B. : la distance entre les deux thermomètres est de 5 cm . III) RECHERCHE DE LA CAPACITE CALORIFIQUE DU LAITON : 1) Etalonnage du calorimètre : On étalonne le calorimètre en mélangeant deux masses d’eau différentes à des températures différentes sachant que la capacité thermique massique de l’eau est de 4,1855 J.g-1.K-1. Pour cela on place dans le calorimètre une masse m1 d’eau à la température T1 (inférieure à la température ambiante Ta ). On mesure la température à l’aide

de l’interface Foxy sur une durée de 20 min. On laisse le système se stabiliser pendant 10 min . On verse ensuite une masse d’eau m2 à la température T2 et on continue à mesurer T = f( t ) pendant à nouveau 10 min. Il est intéressant de prendre m2 et T2 telles que la température finale Tf soit la plus symétrique possible de T1 par

rapport à Ta. Tracer la courbe T = f( t ).

Si le calorimètre était parfait la chaleur perdue par l’eau chaude est récupérée par l’eau froide et on peut écrire :

( ) ( ) 0TT.c.mTT.c.m f222fie1 =−+−

Malheureusement le calorimètre admet deux défauts principaux : - Le calorimètre échange de l’énergie thermique avec les liquides qu’il contient, cela se traduit par la quantité C.( Ti – Tf ) où C est la capacité calorifique du calorimètre .

On peut donner la capacité du calorimètre par sa valeur en eau définie par C = µ.ce ( ce chaleur massique de l’eau ) .

- Le calorimètre échange de l’énergie thermique avec l’extérieur ce qui se traduit par une température finale Tf

pratique différente de la température finale Tf théorique .

Cet écart de température est évalué par la méthode de compensation de Rumford . Cette méthode permet de

trouver la température initiale iaT apparente et finale faT apparente ( c.f. schéma ).

On a donc la relation : ( )( ) ( ) 0TT.c.mTTc.mC. fa222faiae1 =−+−+

Déterminer la capacité calorifique du calorimètre . 2) Mesure de la capacité calorifique : On place dans le calorimètre une masse connue d’eau à une température inférieure à la température ambiante de 5°C environ et on note la température T en fonction du temps t ( environ 10 min ) .On ajoute ensuite un morceau de laiton placé au préalable dans de l’eau bouillante depuis quelques minutes et on continue de noter la température jusqu’à l’équilibre . On pèse le morceau de laiton à la fin de l’expérience . La température finale doit être supérieure à la température ambiante . Tracer la courbe T = f( t ) et en déduire la valeur de la température finale en tenant compte de pertes . Calculer la valeur de la capacité calorifique du laiton en évaluant la valeur des incertitudes .


TP8 TOPOLOGIE D’UN CHAMP ELECTROSTATIQUE

connaissances : Champ électrostatique avec ses propriétés de symétrie

but : Mesure d’équipotentielles et déduction du champ E

matériel : cuve rhéographique un G.B.F. un voltmètre

I) PRINCIPE DE LA MESURE D’UN CHAMP ELECTROSTATIQUE :

On utilise une cuve rhéostatique contenant un liquide conducteur ( de l’eau ) dans lequel plongent des électrodes de potentiels imposés par un générateur extérieur . Il s’établit ainsi dans le liquide un régime permanent de courant électrique dans un espace à deux dimensions caractérisé par le champ de vecteurs

densité de courant ( )rj proportionnel au

champ électrique ( )rE suivant la loi d’ohm.

Les lignes de courant sont donc des lignes du champ électrostatique et les

équipotentielles sont communes aux deux champs. II) TRACE DES EQUIPOTENTIELLES : On impose le potentiel entre deux électrodes fixes à l’aide d’un générateur et on mesure le potentiel de la sonde mobile à l’aide d’un voltmètre. Même si l’appareil est protégé, on évitera le contact entre la sonde mobile et les électrodes fixes du fait des différences de potentiels entre elles . III) ETUDE D’UN CHAMP UNIFORME : Placer deux électrodes rectilignes dans la cuve et marquer la position des deux électrodes fixes qui doivent être parallèles . Imposer entre elles une d.d.p de 10 V . A l’aide de la sonde tracer toutes les équipotentielles 1 , 2 , 3 ... et 9 V . Il peut être intéressant de densifier les mesures au niveau de l’extrémité des plaques rectilignes pour mettre en évidence la non uniformité du champ électrostatique . Tracer sur la même feuille le champ électrostatique en différents points en précisant sa norme . Conclusions ? IV) ANALOGIE AVEC LA CONDUCTION THERMIQUE : 1) mesures :

En régime permanent et dans une zone vide de charge le potentiel est

défini par la relation de Laplace ∆V = 0 que le peut rapprocher à la relation obtenue pour la conduction en régime stationnaire dans une

zone ne contenant de puits et de source thermique ∆T = 0 . Cette équation dans un domaine de l’espace limité par des conditions imposées n’admet qu’une et une seule solution . On désire connaître la température d’une plaque de cuisson dont les bords restent à la température de 20 °C et dont la partie chauffante circulaire est portée à la température de 250°C ( cf schéma ci-contre ) ; pour cela on étudie à l’aide de la cuve rhéographique une géométrie identique en portant les bords au potentiel de 0V et le cercle au potentiel de 10 V . Tracer toutes les équipotentielles 1 , 2 , 3 ... 18 et 19 V .


2) Simulation par éléments finis :

On peut rechercher une solution approchée à partir de l’équation de Laplace

∆V = 0 qui se développe sous la forme ∂

∂

∂

∂

2

2

2

20

V

x

V

y+ = car on étudie une

géométrie plane . On découpe le plan à l’aide d’une grille et on détermine le potentiel à chaque nœud .

On effectue le développement limité de V(x,y) en Mo au second ordre :

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )V x y V x y x xV

xy y

V

yx x

V

xy y

V

yx x y y

V

x yo o o

M

o

M

o

M

o

M

o o

Mo o o o o

( , ) ( , )= + − + − + − + − + − −∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂ ∂

1

2

1

2

22

2

22

2

2

avec en première approximation, où a est le coté d’une maille :

∂

∂

V

x

V V

aMo

=−1 3

2 ;

∂

∂

V

y

V V

aMo

=−2 4

2 ;

∂

∂

2

2

1 3

2

2V

x

V V V

aM

o

o

=+ −

et ∂

∂

2

2

2 4

2

2V

y

V V V

aM

o

o

=+ −

On en déduit donc ∆V = 0 ⇒ V V V V1 3 2 4

4

+ + +

En imposant les conditions aux limites, on effectue le calcul précédent en chaque nœud jusqu’à ce que la valeur du potentiel correspondant n’évolue plus.


TP9 OSCILLATEURS AMORTIS

connaissances : Frottements solides statique et dynamique

but : Mesure d’un coefficient de frottement et comparaison des frottements statique et dynamique

matériel : Oscillateur à pendule de torsion ponts diviseurs pour la mesure, alimentation continue 0 V-10 V Interface Foxy

I) Etude des frottements sur un pendule de torsion : 1) Description du matériel :

Le dispositif est formé de deux pendules oscillants constitués par une tige verticale maintenue par deux roulements à billes de haute précision et sur laquelle on a fixé un disque pour augmenter le moment d’inertie ainsi qu’un ressort hélicoïdal pour obtenir un couple de rappel . Un des deux oscillateurs peut être relié par l’intermédiaire d’un excentrique à un moteur pour obtenir des oscillations forcées. Les deux oscillateurs peuvent être couplés

à l’aide d’une tige que l’on fixe sur la partie supérieure . La base des tiges est associée à un potentiomètre sans frottement ce qui permet en effectuant un montage diviseur de tension (ici un pont de Wheatstone déjà préparé

dans un boîtier que l’on alimente par une tension continue comprise entre 2 et 3 V) de suivre la rotation θ de la

tige en injectant la tension obtenue à l’interface Foxy. On peut donc mesurer les tensions V1 et V2 orrespondantes

aux deux oscillateurs. L’application du théorème du moment cinétique à un pendule isolé donne sur l’axe verticale :

0.Cdt

d.

dt

d.J

2

2

=θ+θ

α+θ

où J est le moment d’inertie du pendule, α le coefficient de frottement fluide et C le couple de torsion. Dans le

cas d’un frottement solide on ajoute une force de norme constante opposée au mouvement. 2) Recherche du moment d’inertie des oscillateurs : On considère les deux oscillateurs identiques et on ne cherche donc le moment d’inertie que d’un seul dispositif . Vérifier l’isochronisme des oscillations en lâchant l’oscillateur de gauche avec des amplitudes initiales différentes (ne pas dépasser 30 °) et en mesurant à chaque fois la période. Placer une masse sur le disque de l’oscillateur et recommencer la mesure de la période. Connaissant la valeur de la masse ajoutée (supposée ponctuelle) ainsi que la distance à l’axe, calculer le moment d’inertie de l’oscillateur. Enlever la masse pour la suite des expériences. 3) Etude des frottements : * frottements solides : les frottements solides sont les frottements, malheureusement inévitables, au niveau des roulements à billes . Lâcher l’oscillateur de gauche avec un angle d’environ 30 ° et tracer la courbe de l’amplitude en fonction du temps. En déduire la valeur du coefficient de frottement . Faire cette expérience pour les deux oscillateurs car les coefficients de frottement peuvent être légèrement différents . * frottements fluides : les frottements fluides sont obtenus à l’aide des deux aimants qui se placent de part et d’autre du disque et qui génèrent des courants de Foucault . On peut négliger les frottements solides vis à vis des frottements fluides . Reprendre l’expérience précédente . Calculer le décrément logarithmique et en déduire la valeur du coefficient de frottement ( proportionnel à la vitesse de rotation de l’oscillateur ) .


Rappel : le décrément logarithmique est défini par δ =

1

n

d

d

o

n

.ln où do et dn sont respectivement les amplitudes

initiale et après n oscillations . II) Oscillateurs en régime forcé : 1) oscillateur sans frottement : On associe le pendule de droite au moteur . L’oscillateur étant au repos, démarrer le moteur en le gardant, à l’aide des commandes, à vitesse constante . Une commande sert à embrayer le moteur et l’autre ( graduée ) à régler la fréquence à imposer . Tracer la réponse de l’oscillateur pendant le régime transitoire et déterminer la fréquence du régime établi . Mesurer l’amplitude du régime établi en fonction de différentes fréquences d’excitation du moteur . Tracer la courbe de l’amplitude en fonction de la fréquence et en déduire la fréquence de résonance du système . 2) Oscillateur forcé avec frottements fluides : Replacer les aimants et reprendre les mesures précédentes . Interpréter les différences avec le cas précédent . III) Oscillateurs couplés : ( partie à n’effectuer que si la courbe précédente est tracée ) 1) Régime libre : On associe les deux oscillateurs à l’aide de la tige placée dans la partie supérieure du montage et on enlève la cause des frottements fluides . Ecarter l’oscillateur de droite de 30° en gardant celui de droite à sa position d’équilibre ; lâcher les deux oscillateur simultanément et tracer à l’aide de l’interface Expert la réponse des deux oscillateurs . Refaire la même expérience en lâchant les deux oscillateurs avec des angles respectifs de 30 ° et - 30 ° . Conclusions . 2) Régime forcé : On accouple l’oscillateur de droite au moteur . Se placer à la fréquence de résonance calculée dans le cas du régime libre et tracer la réponse des deux oscillateurs . Interpréter le phénomène de battement observer .


NOMS : DATE TP9 OSCILLATEUR MECANIQUE

I.2) Recherche du moment d’inertie : Période de l’oscillateur à vide : Masse ajoutée : distance à l’axe : période de l’oscillateur : I.2) Etude des frottements : Frottement fluide : amplitude du signal : A1 = amplitude du signal après n oscillations : n = An = décrément logarithmique II) Oscillateur en régime forcé : Sans frottement :

position du curseur

fréquence

amplitude maximale

Avec frottement fluide :

position du curseur

fréquence

amplitude maximale

REMARQUES :


TP 10 MESURE DE COEFFICIENTS DE FROTTEMENTS SOLIDES TP en autonomie : Avant chaque expérience demander l’avis de l’enseignant Un compte rendu doit être donné en fin de séance

connaissances : Frottements solides statique et dynamique

but : Mesure d’un coefficient de frottement et comparaison des frottements statique et dynamique

matériel : Rail maintenu par deux supports solide à étudier ressorts règle graduée interface Foxy avec capteur de force

1) Déterminer un protocole simple permettant d’évaluer la valeur du coefficient de frottement solide statique. Mettre en œuvre le protocole et calculer le coefficient statique (avec son incertitude !). 2) Déterminer un protocole utilisant les ressorts permettant d’évaluer la valeur du coefficient de frottement solide dynamique. Mettre en œuvre le protocole et calculer le coefficient dynamique (avec son incertitude !). Comparer les deux coefficients. Courbes pouvant donner des idées :

déplacement du ressort sur le support


TP11 ETUDE D’UN CYCLE THERMODYNAMIQUE PROPAGATION DE l’ENERGIE THERMIQUE

connaissances : Thermodynamique, étude d’un cycle thermique avec changement d’état ; Equation de la chaleur

but : Vérification du premier principe, évaluation de l’efficacité. Evaluation de la vitesse de transfert thermique

matériel : Pompe à chaleur caméra thermique tige sur deux supports, bougie

I) Etude du dispositif expérimental :

Le compresseur hermétique, alimenté en 220 V – 50 Hz, agit en source extérieure d’énergie, de rendement global de l’ordre de 40% . Le réfrigérant ( SES36 ) est comprimé et conduit à travers des tuyaux en cuivre calorifugés, jusqu’à la cuve du condenseur à la pression Pc et à la température T7 . Un serpentin, parcouru par

de l’eau, est plongé dans la cuve du condenseur. L’eau du serpentin entre dans la cuve à la température d’entrée T4 et sort à la température de sortie T3 . La pression reste sensiblement constante dans la cuve mais la

température chute de T7 à T8 car le réfrigérant cède à l’eau l’énergie thermique correspondante à sa surchauffe

dans le compresseur et à la totalité de sa chaleur latente de changement d’état. Il atteint le débitmètre en phase liquide à la pression Pc et à la température T8 .

Le réfrigérant passe ensuite au travers d’un débitmètre puis de la vanne de détente, réglable manuellement. Il atteint une zone de pression Pe et commence à bouillir.

Le fluide réfrigérant entre dans la cuve de l’évaporateur à la pression Pe. Durant son passage dans la cuve, le

réfrigérant prend à l’eau l’énergie thermique correspondant à la chaleur latente d’évaporation, ou chaleur de changement de phase, et, en plus, peut recevoir de l’énergie due à la surchauffe à la température T5 . Le

phénomène d’ébullition ou d’évaporation se produit à la pression constante Pe . Un serpentin contenant de l’eau

est placé dans l’évaporateur. Durant son passage au travers du serpentin l’eau passe de la température d’entrée T1 à la température de sortie T2


Le réfrigérant en phase vapeur, surchauffé, quitte alors l’évaporateur et retourne au compresseur à travers des tubes en cuivre calorifugés et le cycle recommence. L’eau des sources chaudes et froides fournie par le réseau passe par des vannes de détente afin d’assurer un débit constant en éliminant les fluctuations de pression. II Mise en route de la pompe à chaleur : Chercher sur le dispositif les différentes parties représentées sur le schéma et repérer 2 manomètres 1) Ouvrir le robinet d’arrivée d’eau et ajuster progressivement les deux vannes d’arrivée afin d’obtenir un débit uniforme . 2) Régler la vanne de détente du réfrigérant à une position intermédiaire . 3) Mettre sous tension et mettre en marche le compresseur . 4) Attendre que l’équilibre thermique s’installe. Les vannes d’arrivée d’eau et la vanne de détente peuvent alors être ajustée afin d’obtenir les conditions voulues. Après une longue période de fonctionnement, toute variation importante nécessitera 15 à 20 min avant d’obtenir un nouvel équilibre . A la fin de la séance de TP la tension doit être coupée avant l’arrivée d’eau . II Résultats expérimentaux : Remplir le tableau suivant :

Symboles Unités exp 1 exp 2 exp 3

température de l’eau à l’entrée de l’évaporateur T1 °C

température de l’eau à la sortie de l’évaporateur T2 °C

température de l’eau à l’entrée du condenseur T3 °C

température de l’eau à la sortie du condenseur T4 °C

débit d’eau de l’évaporateur me g.s-1

débit d’eau du condenseur mc g.s-1

débit du réfrigérant mr g.s-1

puissance électrique S W

température ambiante Ta °C

EVAPORATEUR

pression absolue du réfrigérant Pe kN.m-²

température de sortie du réfrigérant : surchauffe T5 °C

CONDENSEUR

pression absolue du réfrigérant Pc kN.m-²

température d’entrée du réfrigérant : surchauffe T7 °C

température de sortie du réfrigérant : liquide T8 °C

température de changement d’état T6 °C

Entre les différents essais, changer les débits d’eau et de réfrigérant . IV Exploitation des résultats expérimentaux : 1) Bilan énergétique :


Une quantité d’énergie thermique Qe est prélevée par

le réfrigérant au niveau de l’évaporateur (source chaude car à température plus élevée que le réfrigérant) ; celle-ci peut être évaluée en cherchant l’énergie thermique perdue par l’eau en 1 s, traversant la cuve de l’évaporateur . De même au niveau du condenseur, le réfrigérant récupère une énergie thermique Qc , qu’on évalue par l’évolution de la

température de l’eau traversant la cuve. Ce transfert d’énergie s’effectue grâce au compresseur auquel on cède de l’énergie, sous forme électrique, qui est cédée, sous forme mécanique, au réfrigérant avec un rendement global de 40% .

En négligeant les pertes avec le milieu extérieur, vérifier, sur les trois essais, la conservation de l’énergie au cours du cycle ( il est plus simple de raisonner sur 1s ) . On donne la chaleur massique de l’eau cp = 4,19 J.g-1K-1 .

2) utilisation des diagrammes thermodynamiques : Tracer sur le diagramme P = f(enthalpie) le cycle parcouru par le réfrigérant dans chaque cas . Comparer au niveau de l’évaporateur et du condenseur, la variation d’enthalpie avec les energies thermiques Qe et Qc .

Calculer la valeur de l’énergie cédée au fluide par le compresseur . En déduire l’efficacité théorique puis la valeur pratique en tenant compte du rendement du moteur . IV) Déplacement de l’énergie thermique : 1) Dispositif expérimental :

On place une tige sur deux supports et une bougie chauffe plat en dessous en son milieu. Un repère de longueur est placé au dessus de la tige au niveau de la bougie. On dispose la caméra face à la tige et après l’avoir allumé, on règle sa position afin que le centre de l’image se trouve au dessus de la flamme lorsque la bougie sera allumée. Les mesures se prennent lorsque la caméra n’est pas branchée à l’ordinateur

2) Mesures et exploitation : On cherche à déterminer la vitesse de propagation de l’onde thermique. Pour cela on allume la bougie chauffe plat et on prend une image thermique à l’aide de la caméra toutes les 10 s pendant 3 min. Lorsque les mesures sont terminées, brancher la caméra à l’ordinateur et ouvrir le logiciel « Irsoft » dans le fichier « Testo ». Récupérer les images. A l’aide des images, tracer pour différentes températures de références, la position de ce point en fonction du temps ( exemple : on suit le déplacement du point T = 25 °C en fonction du temps ). Quelles sont les conclusions que l’on peut en tirer ?



TP12 MESURE DE L’ENTHALPIE DE REACTION

connaissances : Echange thermique à pression constante au cours d’une transformation : réaction chimique,

solubilisation, fusion d’un solide

but : Etalonnage d’un calorimètre : mesure de sa capacité thermique mesure de l’énergie thermique échangée au cours d’une transformation.

matériel : 1calorimètre avec accessoires 1 interface Foxy avec 1 thermomètre une balance éprouvette graduée de 20 mL et 100 mL, bécher de 200 mL nitrate d’ammonium NH4NO3 solide glace fondante et bouilloire sur le bureau

I) Description du calorimètre : Pour étudier les transferts thermiques au cours d’une réaction on utilise un calorimètre .

Celui-ci est constitué de façon à minimiser les échanges thermiques avec l’extérieur : ◊ échange par conduction en plaçant de l’isolant et un vase Dewar formé d’un récipient creux dans lequel on fait le vide ◊ échange par convection en plaçant un couvercle ◊ échange par rayonnement en métallisant les parois extérieures du vase Dewar . On ajoute un thermomètre pour suivre l’évolution de la température ainsi qu’un agitateur pour homogénéiser la solution si nécessaire .

II) Etalonnage du calorimètre : Le calorimètre est formé de différentes parties qui doivent toutes se mettre en équilibre thermique avec les éléments que l’on place dans celui-ci ; cela se traduit par une valeur de capacité thermique qu’il faut déterminer avant de pouvoir commencer les mesures . On étalonne le calorimètre en mélangeant deux masses d’eau différentes à des températures différentes sachant que la capacité thermique massique de l’eau est de 4,1855 J.g-1.K-1. Pour cela on place dans le calorimètre une masse m1 d’eau à la température T1 (inférieure à la température ambiante Ta ). On mesure la température à l’aide

de l’interface Foxy sur une durée de 20 min. On laisse le système se stabiliser pendant 10 min. On verse ensuite une masse d’eau m2 à la température T2 et on continue à mesurer T = f( t ) pendant à nouveau 10 min. Il est intéressant de prendre m2 et T2 telles que la température finale Tf soit la plus symétrique possible de T1 par

rapport à Ta. Tracer la courbe T = f( t ).


Si le calorimètre était parfait la chaleur perdue par l’eau chaude est récupérée par l’eau froide et on peut écrire :

( ) ( ) 0TT.c.mTT.c.m f222fie1 =−+−

Malheureusement le calorimètre admet deux défauts principaux : - Le calorimètre échange de l’énergie thermique avec les liquides qu’il contient, cela se traduit par la quantité C.( Ti – Tf ) où C est la capacité calorifique du calorimètre .

On peut donner la capacité du calorimètre par sa valeur en eau définie par C = µ.ce ( ce chaleur massique de l’eau ) .

- Le calorimètre échange de l’énergie thermique avec l’extérieur ce qui se traduit par une température finale Tf

pratique différente de la température finale Tf théorique .

Cet écart de température est évalué par la méthode de compensation de Rumford . Cette méthode permet de

trouver la température initiale iaT apparente et finale faT apparente ( c.f. schéma ).

On a donc la relation : ( )( ) ( ) 0TT.c.mTTc.mC. fa222faiae1 =−+−+

Déterminer la capacité calorifique du calorimètre . III) Mesures : 1) Enthalpie de solubilisation d’un solide : On dispose de nitrate d’ammonium NH4NO3 solide. Déterminer un protocole expérimental permettant de mesurer l’enthalpie molaire de solubilisation du nitrate d’ammonium. Faire les mesures et en déduire la valeur en kJ.mol-1. 2) Enthalpie de fusion de la glace : On place dans le calorimètre de l’eau à une température supérieure à la température ambiante de 10°C environ et on mesure la masse du récipient avec l’eau . Replacer le récipient dans le calorimètre et noter la température T lorsque l’ensemble est à l’équilibre . On ajoute ensuite un morceau de glace fondante correctement essuyé et on continue de noter la température jusqu'à équilibre. On pèse le récipient à la fin de l'expérience pour connaître la masse de glace ajoutée . Le protocole expérimental étant donné expliquer la raison des précautions prises ( surlignées en caractère gras ) Tracer la courbe T = f( t ) et en déduire la valeur de la température finale en tenant compte de pertes . Calculer la valeur de la l’enthalpie de fusion de la glace.


NOMS : DATE TP12 Enthalpie de réaction

II) Etalonnage du calorimètre : C = II.1) Solubilisation de NH4NO3 : Masse molaire de NH4NO3 : M = 80 g.mol

-1

Comme P ≅ 1 bar : =∆ orH en J.mol

-1

II.2) Fusion de la glace : Masse du récipient vide :

m récipient+eau ( g )

m récipient+eau+glace ( g )

T initiale ( °C )

T finale ( °C )

Q ( Joule )

Comme P ≅ 1 bar : =∆ orH en J.mol

-1


TP13 MESURES DE CHAMPS MAGNETIQUES Bobines de Helmholtz TP en autonomie : Avant chaque expérience demander l’avis de l’enseignant Un compte rendu doit être donné en fin de séance Matériel disponible : teslamètre à sonde de Hall avec notice de fonctionnement support gradué supportant deux bobines identiques de 95 spires chacune un générateur de tension continue un rhéostat un ampèremètre un ordinateur I) Rappel théorique :

On rappelle que le champ magnétique créé par une bobine plate de rayon moyen R et comprenant n spires a pour valeur sur l’axe :

x

2

32

o u

R

x1

1

R.2

I.n.B

+

µ=

en respectant les conventions de signes sur le schéma

Le champ magnétique dans le vide ( l’air est ici considéré comme le vide pour les propriétés magnétiques ) est une grandeur additive. II) Mesures : 1) Vérification de la relation : Définir une méthode permettant de vérifier la relation. Réaliser les mesures tracer la ou les courbes correspondantes et conclure 2) Recherche de la perméabilité du vide :

Définir une méthode permettant de déterminer la valeur de oµ ( avec son incertitude bien entendu ) .

Réaliser les mesures et conclure. 3) Obtention d’un champ quasiment uniforme : En associant deux bobines sur le même axe, avec les centres distants de a, on peut pour une valeur de a obtenir un champ pratiquement uniforme entre les deux bobines ; Déterminer a correspondant.


TP14 ONDES CENTIMETRIQUES

connaissances : Propagation d’une onde électromagnétique.

but : Mesure de la longueur d’onde. Mise en évidence des phénomènes de réflexion, d’interférences et de diffraction.

matériel : dispositif ondes centimétriques un voltmètre grande feuille de papier

I) DESCRIPTION DU MATERIEL : Les ondes centimétriques sont générées par une diode gunn et émises par un cône.

Les appareils additionnels (générateurs, amplificateurs de mesure ...) ne doivent pas être installés dans la zone du lobe de rayonnement car des réflexions additionnelles risquent de fausser les indications relatives à la détection. Les récepteurs sont des tiges de cuivre associées à des diodes semi-conductrices générant un courant de quelques dizaines de µA ; On dispose deux capteurs, l'un associé à un cône de réception, l'autre libre permettant de le positionner avec une plus grande précision. Dans les deux cas l'angle sous lequel le signal est reçu a une grande importance et il est donc nécessaire de bien positionner le capteur. II) CARACTERISTIQUE DE L'ONDE : 1) Mesure de la longueur d’onde :

On mesure la longueur d'onde de l'onde électromagnétique en installant un phénomène d'onde stationnaire entre une plaque métallique, correspondant à un nœud, et l’émetteur. On déplace la plaque métallique, en veillant à rester derrière, et on note la position des maxima et des minima. En déduire la longueur d'onde de l'onde émise. Il est intéressant de mesurer la distance entre deux nœuds non consécutifs afin d'améliorer la précision du résultat.

2) Polarisation de l’onde :

On place une grille métallique entre les émetteur et récepteur placés sur le même axe. On fait tourner la grille autour de ce même axe. Qu’observe t’on ? Conclusions

3) Evaluation du lobe de rayonnement :


Lobe de rayonnement

Placer l’émetteur sur une grande feuille de papier. Noter la position de l’émetteur et relever la valeur de l’intensité

Iref obtenue par le récepteur sur la position de référence placée

20 cm devant l’émetteur sur l’axe. Tracer sur la feuille de papier les courbes correspondant à un

pourcentage de la valeur de référence (exemple 0,90. Iref , 0,60.

Iref , 0,30. Iref )

III) PROPRIETES DES MICRO-ONDES : 1) Réflexion sur un conducteur :

Placer une plaque métallique face à l'émetteur (à environ une trentaine de centimètres). Tourner la plaque et déplacer le récepteur de manière à repérer la position des maxima.

Noter la valeur des angles d'incidence α et de réflexion β. En déduire la loi de la réflexion. Reprendre la même expérience en remplaçant la plaque métallique par du Plexiglas ou du verre. Conclusion ?

2) Diffraction au travers d'une fente :

Placer la fente simple sur son support. L’émetteur et le support sont placés sur la partie rigidement liée du guide. Le récepteur est positionné sur la tige pouvant tourner autour du rapporteur. Pour une distance d fixée, tracer la courbe de la tension caractérisant l’intensité du signal en fonction de l’angle α

3) Interférences au travers de deux fentes d’Young :

Reprendre l’expérience précédente en remplaçant la fente par deux fentes d’Young. Il peut être intéressant de travailler avec les mêmes valeurs de d pour comparer les résultats

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