Seconde · Physique-chimie

Signaux électriques et capteurs

Chapitre 17

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Ces 15 questions sur Signaux électriques et capteurs alternent observations, calculs et décisions expérimentales. Plusieurs propositions peuvent être exactes. Prévois du papier et un stylo.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Mesurer un courant

On veut mesurer l’intensité qui traverse une lampe dans un circuit alimenté par une pile basse tension. Quel branchement de l’ampèremètre convient ?

Il faut respecter les bornes et le calibre adaptés à la valeur attendue. Un voltmètre branché en dérivation remplace exactement un ampèremètre en série. L’ampèremètre se branche directement en dérivation aux bornes de la pile. L’intensité se lit nécessairement en volts. L’ampèremètre se place en série avec la lampe.

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Réponse attendue : A, E

A — Vrai. Oui. Le choix du calibre et du sens de branchement conditionne la lecture et la protection de l’appareil.
B — Faux. Non. Les appareils ne mesurent pas la même grandeur et leurs branchements usuels diffèrent. Un voltmètre est conçu pour lire une différence de potentiel entre deux points du circuit.
C — Faux. Non. Un ampèremètre possède une faible résistance et un tel branchement peut créer un court-circuit dangereux pour le matériel.
D — Faux. Non. L’intensité se mesure en ampères (A) ; le volt (V) est l’unité de tension. Confondre A et V conduirait à choisir le mauvais appareil et le mauvais branchement.
E — Vrai. Oui. Le même courant traverse alors successivement l’appareil et la lampe ; la mesure porte sur l’intensité dans cette branche.

Méthode à retenir. Identifier la grandeur à mesurer : ampèremètre en série pour I en A, avec calibre et sens adaptés.

Question 2

Un nœud à deux branches

Un courant de 0,50 A arrive à un nœud, puis 0,20 A repart dans une branche et le reste dans l’autre. Que donne la loi des nœuds ?

L’intensité de la branche inconnue est en volts. Les intensités sortantes totalisent 0,50 A. Le courant de la seconde branche vaut 0,70 A. Il faut fixer les sens des courants avant l’addition algébrique. Le courant de la seconde branche vaut 0,30 A.

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Réponse attendue : B, D, E

A — Faux. Non. C’est une intensité électrique exprimée en ampères (A), et sa valeur est 0,30 A. Le calcul 0,50 − 0,20 fournit un courant, donc conserve l’unité ampère.
B — Vrai. Oui. 0,20 A + 0,30 A = 0,50 A, valeur égale à l’intensité entrante. Cette égalité décrit la conservation de la charge au nœud, sans accumulation durable.
C — Faux. Non. Additionner 0,50 A et 0,20 A alors que le second courant repart du nœud ne respecte pas I_entrant = I_sortant total.
D — Vrai. Oui. La loi des nœuds compare les courants entrants et sortants ; les signes changent avec les sens choisis.
E — Vrai. Oui. Conservation au nœud : I_entrant = I₁ + I₂ ; donc I₂ = 0,50 A − 0,20 A = 0,30 A.

Méthode à retenir. Au nœud, écrire somme des courants entrants = somme des courants sortants avec toutes les valeurs en A.

Question 3

Deux lampes en série

Une pile alimente deux lampes L₁ et L₂ en série dans une seule boucle. Un ampèremètre indique I = 0,15 A près de la pile. Quelles affirmations sont correctes ?

L’intensité dans L₂ vaut aussi 0,15 A. Chaque lampe reçoit nécessairement 0,075 A car on partage le courant par deux. La tension de la pile peut se répartir entre les deux lampes. L’intensité dans L₁ vaut 0,15 A. Déplacer l’ampèremètre à un autre endroit de cette boucle ne change pas idéalement la valeur lue.

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Réponse attendue : A, C, D, E

A — Vrai. Oui. Aucun nœud ne sépare le courant en branches distinctes ; I reste 0,15 A dans la boucle.
B — Faux. Non. On partagerait une intensité entre branches en dérivation ; les deux lampes en série sont traversées par le même 0,15 A.
C — Vrai. Oui. La loi de la maille relie la tension du générateur à la somme des tensions des deux lampes dans ce montage.
D — Vrai. Oui. Dans une branche unique en série, le même courant traverse tous les dipôles.
E — Vrai. Oui. Un appareil idéal inséré en série mesure l’intensité de la même branche unique. L’égalité suppose une seule branche sans dérivation ni fuite entre les emplacements.

Méthode à retenir. Une seule branche impose la même intensité en tout point ; les tensions se répartissent selon la loi des mailles.

Question 4

Tensions d’une maille

Dans une boucle, un générateur fournit 9,0 V à deux dipôles en série. Le premier reçoit 4,0 V ; on néglige les fils. Quelle proposition donne la tension du second ?

La tension du second vaut obligatoirement 4,0 V puisque les dipôles sont en série. La tension du second est 5,0 V, car 9,0 V = 4,0 V + 5,0 V. La tension du second vaut 13,0 V en additionnant 9,0 et 4,0. On peut supprimer la tension du générateur de l’équation sans conséquence. La tension du second se mesure en ampères.

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Réponse attendue : B

A — Faux. Non. Les intensités en série sont égales, pas forcément les tensions. La loi des mailles donne ici 5,0 V.
B — Vrai. Oui. La loi des mailles donne U_générateur = U₁ + U₂, donc U₂ = 9,0 V − 4,0 V = 5,0 V.
C — Faux. Non. Le générateur fournit déjà la somme des deux tensions réceptrices ; additionner 4,0 V donnerait une tension supérieure à celle fournie.
D — Faux. Non. La valeur 9,0 V est nécessaire au bilan de la maille et au calcul de U₂.
E — Faux. Non. La tension s’exprime en volts (V) ; les ampères sont l’unité de l’intensité. On doit soustraire des volts à des volts dans le bilan des tensions.

Méthode à retenir. Dans une boucle simple, écrire U_générateur = somme des tensions des récepteurs, puis isoler la tension cherchée.

Question 5

Une résistance de 100 ohms

Une résistance ohmique R = 100 Ω est traversée par I = 0,020 A. Quelle tension attend-on à ses bornes dans ce modèle ?

L’intensité donnée vaut aussi 20 mA. La relation utilisée est la loi d’Ohm pour ce dipôle ohmique. La tension vaut 5000 V parce qu’il faut diviser R par I. La résistance est une tension puisqu’elle s’exprime en ohms. La tension vaut 2,0 V.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Oui. 1 mA = 10⁻³ A, donc 0,020 A = 20 mA. Le préfixe milli multiplie par un millième lorsque l’on convertit vers les ampères.
B — Vrai. Oui. Elle relie la tension U en V, l’intensité I en A et la résistance R en Ω par U = RI.
C — Faux. Non. La loi donne un produit R × I, pas R/I ; 100 × 0,020 = 2,0 V.
D — Faux. Non. L’ohm est l’unité de résistance ; la tension calculée porte l’unité volt. Le nombre 100 Ω relie U et I par U = RI sans devenir lui-même une tension.
E — Vrai. Oui. U = RI = 100 Ω × 0,020 A = 2,0 V ; l’ohm vérifie Ω·A = V.

Méthode à retenir. Convertir les milliampères si nécessaire, puis appliquer U = RI avec Ω, A et V cohérents.

Question 6

Une caractéristique expérimentale

On mesure pour un dipôle les couples (I = 0,020 A ; U = 2,0 V) et (I = 0,040 A ; U = 4,0 V). On cherche un modèle sur ce domaine de mesure. Quelles conclusions sont étayées ?

La relation est nécessairement U = 100/I dans ce domaine. La pente U/I possède l’unité ampère. Un modèle ohmique U = RI avec R = 100 Ω est compatible avec ces deux points. Le quotient U/I vaut 100 Ω pour les deux mesures. Le dipôle est prouvé ohmique pour toutes les intensités imaginables.

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Réponse attendue : C, D

A — Faux. Non. Les mesures donnent un quotient U/I constant, soit U = 100 Ω × I, et non une relation inverse.
B — Faux. Non. Une tension en V divisée par une intensité en A donne V·A⁻¹ = Ω, unité de résistance.
C — Vrai. Oui. Dans les deux cas, 100 Ω × I donne exactement la tension mesurée aux arrondis affichés.
D — Vrai. Oui. 2,0 V/0,020 A = 100 Ω et 4,0 V/0,040 A = 100 Ω ; la même résistance décrit ces deux points.
E — Faux. Non. Deux points étayent un modèle sur la plage explorée ; ils ne démontrent pas son comportement sans limite hors de cette plage.

Méthode à retenir. Calculer U/I pour plusieurs points, comparer les résultats et annoncer la portée limitée du modèle aux mesures obtenues.

Question 7

Deux conducteurs ohmiques

Sous la même tension U = 3,0 V, on branche séparément R₁ = 100 Ω puis R₂ = 200 Ω. Quelles comparaisons sont fondées ?

Dans R₂, l’intensité vaut 0,015 A. Dans R₁, l’intensité vaut 0,030 A. La tension imposée a la même valeur dans les deux expériences séparées. À tension identique, doubler R divise I par deux dans le modèle ohmique. Le conducteur de 200 Ω laisse passer un courant deux fois plus grand.

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Réponse attendue : A, B, C, D

A — Vrai. Oui. I₂ = U/R₂ = 3,0 V / 200 Ω = 0,015 A, soit 15 mA.
B — Vrai. Oui. I₁ = U/R₁ = 3,0 V / 100 Ω = 0,030 A, soit 30 mA.
C — Vrai. Oui. L’énoncé fixe U = 3,0 V pour les deux montages ; la comparaison des courants porte sur cette condition commune.
D — Vrai. Oui. Avec I = U/R et U fixé, le quotient des résistances 200/100 = 2 conduit à un courant deux fois plus faible.
E — Faux. Non. Sa résistance plus élevée limite davantage le courant sous la même tension : 15 mA au lieu de 30 mA.

Méthode à retenir. Sous une tension fixée, calculer I = U/R pour chaque dipôle et vérifier l’influence du changement de R.

Question 8

Capteur de température résistif

Une thermistance est mesurée à 10 kΩ à 20 °C et à 6 kΩ à 30 °C. Dans cet intervalle, quelles lectures sont valides ?

Une courbe d’étalonnage R en fonction de la température peut exploiter ces mesures. La thermistance mesure directement une température en ampères. Il faut conserver l’unité kΩ ou convertir en Ω de façon cohérente. Sa résistance diminue lorsque la température passe de 20 °C à 30 °C. Toute thermistance a nécessairement le même comportement à toutes les températures.

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Réponse attendue : A, C, D

A — Vrai. Oui. Elle relie une grandeur électrique mesurée, la résistance, à la température recherchée. Une valeur intermédiaire de résistance peut alors être associée à une température estimée par interpolation.
B — Faux. Non. On observe une résistance en ohms puis on l’associe à une température à l’aide de l’étalonnage.
C — Vrai. Oui. 10 kΩ = 10 000 Ω et 6 kΩ = 6000 Ω ; une comparaison ou un graphique exige des unités annoncées.
D — Vrai. Oui. La valeur mesurée passe de 10 kΩ à 6 kΩ, soit une baisse de 4 kΩ.
E — Faux. Non. Le sens et l’ampleur de la variation dépendent du composant et de la plage étudiée ; l’énoncé ne donne que deux points.

Méthode à retenir. Lire le sens de variation de R sur l’intervalle mesuré, puis utiliser une courbe d’étalonnage propre au capteur.

Question 9

Interpoler sur une courbe de capteur

La figure étalonne une thermistance : R = 10 kΩ à 20 °C et R = 6 kΩ à 30 °C. Une mesure donne R = 8 kΩ ; on suppose l’interpolation linéaire entre ces deux points. Quelles conclusions suivent ?

Courbe d'étalonnage résistive décroissante : 10 kiloohms à 20 degrés Celsius, 8 kiloohms à 25 degrés Celsius et 6 kiloohms à 30 degrés Celsius. — Étalonnage local de la thermistance entre 20 °C et 30 °C.

La température vaut exactement 8 °C parce que la résistance vaut 8 kΩ. La température estimée est 25 °C. La valeur 8 kΩ se place entre les deux valeurs de référence. Le seul graphique prouve la loi linéaire à toute température. La mesure porte l’unité kelvin·ohm.

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Réponse attendue : B, C

A — Faux. Non. Résistance et température sont deux grandeurs différentes ; il faut lire leur correspondance sur la courbe d’étalonnage.
B — Vrai. Oui. 8 kΩ est à mi-chemin entre 10 et 6 kΩ ; sous l’hypothèse linéaire locale, la température est à mi-chemin entre 20 et 30 °C, soit 25 °C.
C — Vrai. Oui. 6 kΩ < 8 kΩ < 10 kΩ ; on interpole dans la plage connue au lieu d’extrapoler au-delà.
D — Faux. Non. L’énoncé pose une interpolation entre 20 et 30 °C seulement ; l’allure ailleurs n’est pas établie.
E — Faux. Non. Une résistance s’exprime ici en kΩ ; la température estimée en °C est une grandeur distincte.

Méthode à retenir. Avant de lire une température, repérer la grandeur mesurée et l’intervalle étalonné ; utiliser l’hypothèse linéaire uniquement sur cet intervalle.

Question 10

Un détecteur de lumière

Un capteur résistif présente 20 kΩ dans une pièce sombre et 5 kΩ sous une lampe forte. Aucune autre valeur n’est fournie. Quelle seule conclusion s’appuie directement sur ces mesures ?

Tout capteur de lumière voit sa résistance augmenter quand la lumière augmente. La lumière transforme le composant en générateur de tension de 20 V. La lampe émet nécessairement un son de 5 kHz. La pièce sombre est exactement à 20 lux puisque la résistance vaut 20 kΩ. Pour ce capteur, l’éclairement plus fort correspond ici à une résistance plus faible.

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Réponse attendue : E

A — Faux. Non. Ce composant montre précisément une baisse entre les deux conditions données ; on ne généralise pas à tous les capteurs.
B — Faux. Non. Le changement de résistance observé ne fixe pas à lui seul une tension produite ni un comportement de générateur.
C — Faux. Non. La mesure 5 kΩ est une résistance électrique, sans information sur une fréquence sonore. Le symbole kΩ exprime mille ohms et ne fournit aucun cycle sonore par seconde.
D — Faux. Non. Aucune courbe reliant kΩ et lux n’est fournie ; les valeurs numériques de deux grandeurs ne se confondent pas.
E — Vrai. Oui. On compare les deux situations mesurées : 20 kΩ dans le sombre et 5 kΩ sous la lampe forte.

Méthode à retenir. Limiter la conclusion à la relation observée entre lumière et résistance ; demander un étalonnage avant de chiffrer l’éclairement.

Question 11

Sécurité du montage

Une classe étudie des capteurs avec une alimentation de laboratoire basse tension. Un élève propose de relier directement des fils dénudés au secteur domestique. Quelles décisions sont justifiées ?

Refuser le branchement direct au secteur proposé. La couleur des fils suffit à garantir qu’aucun danger électrique n’existe. Remplacer une résistance de protection par un fil nu améliore toujours la sécurité. Vérifier les limites nominales du capteur et des appareils de mesure. Couper l’alimentation avant de modifier les connexions.

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Réponse attendue : A, D, E

A — Vrai. Oui. Un réseau domestique présente un danger majeur ; l’activité doit utiliser l’alimentation et le matériel adaptés du laboratoire.
B — Faux. Non. Il faut contrôler le schéma, les tensions, les connexions et les consignes ; la couleur ne remplace pas ces vérifications.
C — Faux. Non. Supprimer une limitation du courant peut au contraire provoquer un échauffement ou un court-circuit.
D — Vrai. Oui. Un montage hors des spécifications peut endommager le matériel ou exposer à un danger. Il faut comparer tension, courant et puissance prévus aux valeurs supportées par chacun.
E — Vrai. Oui. Cela réduit le risque de court-circuit et d’erreur de manipulation au cours du montage. Dans ce contexte basse tension, l’arrêt évite aussi de changer un composant pendant qu’il est parcouru par le courant.

Méthode à retenir. Employer une alimentation basse tension adaptée, vérifier le schéma et travailler hors tension lors des modifications.

Question 12

Voltmètre aux bornes d’une pile

On veut mesurer la tension de la pile qui alimente un montage sans interrompre la boucle. Quel branchement est approprié ?

Brancher le voltmètre en série est nécessaire pour mesurer la tension de la pile. L’écran du voltmètre affiche forcément des ampères. Une tension ne peut être définie qu’après avoir coupé les fils du circuit. Choisir un calibre de tension convenable et respecter les bornes du voltmètre. Brancher un voltmètre en dérivation aux deux bornes de la pile.

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Réponse attendue : D, E

A — Faux. Non. Une tension entre deux points se mesure aux bornes du dipôle, donc en dérivation. Le circuit peut rester fermé car le voltmètre se place en parallèle sur les deux bornes.
B — Faux. Non. Le voltmètre mesure une tension en volts ; un ampèremètre mesure une intensité en ampères.
C — Faux. Non. On peut mesurer la tension d’un dipôle en fonctionnement en plaçant l’appareil à ses bornes selon les règles de sécurité.
D — Vrai. Oui. Un réglage adapté protège l’appareil et permet une lecture cohérente de la tension de la pile.
E — Vrai. Oui. Il compare les potentiels des deux bornes et mesure la tension U en volts sans être inséré en série dans la branche principale.

Méthode à retenir. Une tension est une grandeur entre deux points : placer le voltmètre en dérivation aux bornes visées.

Question 13

Bilan d’une maille simple

Une pile de 6,0 V alimente deux dipôles D₁ et D₂ en série ; U₁ = 2,0 V et U₂ = 4,0 V. On néglige les fils. Que vérifie le bilan ?

On peut dessiner une boucle et placer les polarités avant d’écrire l’égalité. La même intensité traverse D₁ et D₂ dans cette branche série. La loi des mailles est compatible avec ces valeurs. D₁ et D₂ reçoivent chacun 6,0 V puisque la pile donne 6,0 V. U₁ + U₂ = 6,0 V.

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Réponse attendue : A, B, C, E

A — Vrai. Oui. Les sens choisis pour parcourir la maille et pour les tensions évitent des erreurs de signe.
B — Vrai. Oui. La boucle ne comporte aucune dérivation entre les deux dipôles ; le courant y est commun.
C — Vrai. Oui. La somme algébrique des tensions sur une boucle est nulle, soit ici U_pile − U₁ − U₂ = 0.
D — Faux. Non. En série, les tensions se répartissent ici en 2,0 V et 4,0 V ; chacune n’égale pas automatiquement celle de la pile.
E — Vrai. Oui. 2,0 V + 4,0 V = 6,0 V, valeur de la tension de la pile dans cette maille.

Méthode à retenir. Sur une maille, fixer les polarités puis contrôler que la tension du générateur égale la somme des tensions réceptrices.

Question 14

Microcontrôleur et seuil

Un capteur résistif est relié à un dispositif qui déclenche une alarme quand sa résistance mesurée devient inférieure à 7 kΩ. Les mesures successives sont 9 kΩ, 8 kΩ et 6 kΩ. Quelles décisions suivent la règle donnée ?

L’alarme se déclenche dès 8 kΩ puisque 8 est supérieur à 7. La troisième mesure vaut 6 °C parce que l’alarme dépend d’un capteur. La condition programmée compare une mesure électrique à un seuil électrique. Le seuil 7 kΩ doit être écrit 7 V pour fonctionner. L’alarme se déclenche sur la troisième mesure.

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Réponse attendue : C, E

A — Faux. Non. La règle dit strictement « inférieure à 7 kΩ » ; 8 kΩ ne la satisfait pas.
B — Faux. Non. La donnée 6 kΩ est une résistance ; sans étalonnage, on ne peut l’identifier à une température.
C — Vrai. Oui. Le dispositif utilise ici la résistance mesurée, en kΩ, et la compare à 7 kΩ avant toute autre interprétation physique.
D — Faux. Non. On compare des résistances dans la même unité ; volts et kiloohms sont des grandeurs différentes.
E — Vrai. Oui. 6 kΩ est inférieur au seuil de 7 kΩ ; les deux premières valeurs, 9 et 8 kΩ, restent au-dessus.

Méthode à retenir. Lire le sens strict de l’inégalité et garder les unités : 6 kΩ < 7 kΩ, alors que 8 et 9 kΩ sont au-dessus.

Question 15

Une résistance commandée

Une pile idéale de 6,0 V alimente une résistance R = 100 Ω seule dans une boucle fermée. Un ampèremètre est en série et un voltmètre aux bornes de R. Quelles valeurs attend-on ?

Le voltmètre indique environ 6,0 V aux bornes de R dans ce modèle. L’ampèremètre indique environ 0,060 A. Le voltmètre doit être placé en dérivation sur R. L’ampèremètre doit être placé directement aux bornes de la pile. L’unité de la résistance calculée est le volt.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Oui. Avec une pile idéale et des fils idéaux, la tension de l’unique récepteur est celle de la pile.
B — Vrai. Oui. I = U/R = 6,0 V / 100 Ω = 0,060 A, soit 60 mA. La lecture en milliampères serait 60 mA ; les deux unités désignent le même courant.
C — Vrai. Oui. Une tension se mesure entre les deux bornes du dipôle, tandis que l’ampèremètre s’insère en série.
D — Faux. Non. Ce branchement en dérivation pourrait court-circuiter la source ; il doit suivre le courant dans la boucle en série.
E — Faux. Non. R est exprimée en ohms ; tension en volts et intensité en ampères sont les deux autres grandeurs de U = RI.

Méthode à retenir. Sur le schéma, vérifier le branchement de chaque appareil puis appliquer la loi d’Ohm avec U en V, R en Ω et I en A.

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