TP virtuel caractéristiques I–V : résistance, lampe, diode

Ce TP virtuel caractéristiques I–V correspond au TP obligatoire d'AQA GCSE Physics sur les graphiques courant–tension d'une résistance, d'une lampe à filament et d'une diode. Les élèves règlent un générateur de tension continue variable, lisent un voltmètre aux bornes du dipôle et un ampèremètre en série avec lui, et notent des mesures dans les deux sens. Une seule séance donne trois formes à partir des mesures des élèves : une droite, une courbe qui s'aplatit, et une conduction dans un seul sens qui démarre vers 0,6 V.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Physics (8463) 4.2.1.4 (resistors) et le TP obligatoire 4 : mesurer comment le courant varie avec la tension pour une lampe à filament, une diode et une résistance maintenue à température constante. En Combined Science: Trilogy, le même contenu est le point 6.2.1.4.

Simulic n'est pas affilié à AQA et n'est pas approuvé par cet organisme.

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou comme question 1 du lien de classe :

« Vous augmentez la tension aux bornes d'une lampe à filament de 0 à 6 V et vous tracez I en fonction de V. Quelle forme aura le graphique ? »

Attendez-vous à ce que beaucoup d'élèves tracent une droite, « parce que c'est la loi d'Ohm ».

Protocole dans la simulation

Pour chaque mesure : fermez l'interrupteur K, attendez que les appareils soient stables, appuyez sur Noter la mesure, puis appuyez sur Ouvrir le circuit avant de changer le générateur. Générateur E est le réglage du générateur ; le voltmètre affiche la tension V aux bornes du dipôle, un peu plus faible.

1. Résistance. Choisissez Résistance fixe et réglez Résistance R sur 47 Ω. Notez des mesures pour Générateur E = 1,0 ; 2,0 ; 3,0 ; 4,0 ; 5,0 et 6,0 V (curseur ou boutons − / +).
2. Appuyez sur Inverser les bornes et recommencez pour obtenir des valeurs négatives.
3. Lampe à filament. Choisissez Lampe à filament (6 V – 0,3 A) et recommencez les étapes 1 et 2. Ne dépassez pas sa tension nominale de 6 V.
4. Diode. Choisissez Diode au silicium avec une Résistance de protection de 330 Ω. Notez des mesures à E = 0,5 ; 1,0 ; 2,0 ; 3,0 ; 4,0 et 6,0 V, et cochez Zoom autour de l'origine. Inversez ensuite le générateur à 3,0 V.
5. Touchez un point pour voir R = V/I. Cochez Courbe de référence pour comparer vos points avec le modèle.

Générateur E (V)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
V aux bornes de la lampe (V)
I (mA)
R = V/I (Ω)

Résultats attendus

Toutes les mesures viennent de la simulation. Chaque appareil a une petite erreur aléatoire : le dernier chiffre peut différer de 1.

Lampe à filament :

Générateur E (V)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
V (V)	0,92	1,89	2,87	3,86	4,84	5,82
I (mA)	138,0	177,2	211	242	270	296
R (Ω)	6,6	10,7	13,6	15,9	17,9	19,7

La courbe s'aplatit et R triple entre 1 V et 6 V. Les mesures inversées sont symétriques de celles-ci par rapport à l'origine.

• Résistance (47 Ω) : à E = 6,0 V, les appareils indiquent 5,92 V et 125,7 mA, donc R = 47,1 Ω. Tous les points sont sur une droite passant par l'origine. Si l'interrupteur K reste fermé une minute à 6 V, la résistance chauffe jusqu'à environ 56 °C et R dérive jusqu'à environ 48,7 Ω.
• Diode au silicium (330 Ω) : 0,44 V et 0,19 mA à E = 0,5 V ; 0,53 V et 1,41 mA à 1,0 V ; 0,61 V et 7,2 mA à 3,0 V ; 0,65 V et 16,2 mA à 6,0 V. Le courant monte brusquement alors que V change à peine. Inversée à 3,0 V : −3,00 V et 0,00 mA.
• LED rouge (330 Ω) : 1,80 V et 3,6 mA à E = 3,0 V. Elle commence à conduire vers 1,7 V au lieu d'environ 0,5 V.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Quelle est la forme de la caractéristique I–V d'une lampe à filament de 0 à 6 V ?
2. Pour que la résistance fixe donne une droite passant par l'origine, quelle variable faut-il garder constante ?
3. Avec la diode au silicium, une résistance de protection de 330 Ω et E = 3,0 V, qu'indique le voltmètre ?
4. Pour la lampe, calculez R = V/I à E = 1,0 V et à E = 6,0 V. Combien de fois R est-elle plus grande à 6,0 V ?
5. Expliquez pourquoi la résistance d'une lampe à filament augmente quand la tension à ses bornes augmente.

Réponses pour l'enseignant : (1) Une courbe passant par l'origine, de moins en moins pentue. (2) La température de la résistance. (3) 0,61 V (accepter 0,59–0,63). (4) Environ 6,6 Ω et 19,7 Ω, soit environ 3,0 fois (accepter 2,8–3,1). (5) Un courant plus intense chauffe davantage le filament. Les ions métalliques vibrent plus, les électrons les heurtent plus souvent et la résistance augmente.

Idées fausses fréquentes

• « Tous les dipôles obéissent à la loi d'Ohm. » Seule la résistance à température constante y obéit. La R de la lampe passe de 6,6 Ω à 19,7 Ω au cours d'une seule expérience.
• « Inverser le générateur rend simplement le courant négatif. » C'est vrai pour la résistance et la lampe. La diode indique 0,00 mA à −3,00 V : sa R = V/I vaut environ 84 Ω en direct à E = 3,0 V et est presque infinie en inverse.

Prolongement

• Pourquoi une résistance de protection ? Réglez la résistance de protection sur Aucune et augmentez E par pas de 0,1 V. Le courant vaut 5,5 mA à E = 0,6 V et 311 mA à 1,0 V, et la diode grille dès qu'il dépasse 1 A (vers E = 1,6 V). Avec 330 Ω à 6 V, les élèves peuvent calculer le courant sans danger : (6 − 0,65) ÷ 330 ≈ 16 mA.
• Résistance chaude. Réglez R = 10 Ω et E = 12 V et laissez l'interrupteur fermé. La température affichée monte et le courant baisse jusqu'à ce que la résistance grille. Faites le lien avec P = VI.

Questions fréquentes

Pourquoi le voltmètre indique-t-il moins que le réglage du générateur ?

Le générateur et l'ampèremètre ont 0,6 Ω de résistance interne, et avec la diode la plus grande partie de E se trouve aux bornes de la résistance de protection. Tracez la valeur du voltmètre, pas E.

Pourquoi les mesures de la diode sont-elles si rapprochées ?

Dès qu'une diode au silicium conduit, une petite variation de V donne une grande variation de I. Ajoutez des mesures entre E = 0,5 et 2,0 V et zoomez pour voir le coude.

Cela remplace-t-il le TP réel ?

Pas pour AQA : les TP obligatoires doivent toujours être faits à la main. Utilisez la simulation pour préparer, répéter ou analyser les résultats. Voir laboratoires virtuels ou réels.

Simulations et guides associés

Loi d'Ohm – tension, intensité et résistance Circuit redresseur à diodes

Pour la séance qui précède ce TP, voir le plan de leçon sur la loi d'Ohm. Pour d'autres idées, voir idées de leçons de physique interactives.