Spécialité Sciences de l'ingénieur , Première et Terminale , Nouveaux programmes

Bernard Girard, Rimars Guy, Voisin Marc

Description

Ce livre s’adresse aux élèves de Première et Terminale qui ont choisi de suivre la spécialité de Sciences de l’Ingénieur.

Il met en évidence les fondamentaux du cours et reprend la plupart des champs technologiques abordés par des systèmes réels, supports de sujets de baccalauréat :

• Analyse et modélisation des systèmes
• Énergie et grandeurs physiques
• Mécanique et électricité
• Systèmes numériques, acquisition et programmation
• Actionneurs
• Communication et réseaux
• Asservissements
• Modélisations multiphysiques et écarts.

Chaque chapitre est décomposé en 3 parties :

• les notions de cours
• des exercices variés (dont une majorité est issue de sujets de bac)
• les corrigés détaillés.

Sujets

• Médecine
• cours
• Apprentissage
• Médecine
• Lycée
• Secondaire
• Secondary education in France
• Liceos en Francia
• lycée

Informations

• Publié par: Editions Ellipses
• Date de parution: 19 mai 2020
• Nombre de lectures: 679
• EAN13: 9782340044043
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

BernardGirard GuyRimars MarcVoisin

Première&Terminale

SPÉCIALITÉ Sciences de l’ingénieur

COURS ET EXERCICES CORRIGÉS

Première&Terminale

SPÉCIALITÉ Sciences de l’ingénieur

COURS ET EXERCICES CORRIGÉS

BernardGirard

GuyRimars

MarcVoisin

Professeurs de SII (sciences industrielles de l’ingénieur) au lycée Saint-Gabriel Saint-Michel (Saint-Laurent-sur-Sèvre, 85)

ISBN 9782340036949 ©Ellipses Édition Marketing S.A., 2020  32, rue Bargue 75740 Paris cedex 15

Ce livre a été réalisé à partir des cours de sciences de l’ingénieur de Première et Terminale de trois professeurs de SII (sciences industrielles de l’ingénieur). Il s’adresse à des élèves qui ont du mal à repérer les fondamentaux dans le cours de sciences de l’ingénieur. Il reprend la plupart des champs technologiques des systèmes réels supports de sujets de baccalauréat. Chaque chapitre est décomposé en 3 parties : §notions de cours ; §exercices ; §solutions. Avec la mise en place du Bac 2021, le cours de sciences de l’ingénieur s’appuie sur une approche STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics). Il s’agit de renforcer le lien entre les 3 piliers : sciences physiques, mathématiques et technologie. Pour cela, le cours de sciences de l’ingénieur cible 6 compétences : Innover Créer des produits innovants

Analyser

Modéliser et résoudre

Expérimenter et simuler

Communiquer

Analyser les produits existants pour appréhender leur complexité

Modéliser les produits pour prévoir leurs performances

Valider les performances d’un produit par expérimentations et les simulations numériques

les

S’informer, choisir, produire de l’information pour communiquer au sein d’une équipe ou avec des intervenants extérieurs

1

Avant-propos

Ce livre a été réalisé à partir des cours de sciences de l’ingénieur de Première et Terminale de trois professeurs de SII (sciences industrielles de l’ingénieur). Il s’adresse à des élèves qui ont du mal à repérer les fondamentaux dans le cours de sciences de l’ingénieur. Il reprend la plupart des champs technologiques des systèmes réels supports de sujets de baccalauréat. Chaque chapitre est décomposé en 3 parties : §notions de cours ; §exercices ; §solutions. Avec la mise en place du Bac 2021, le cours de sciences de l’ingénieur s’appuie sur une approche STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics). Il s’agit de renforcer le lien entre les 3 piliers : sciences physiques, mathématiques et technologie. Pour cela, le cours de sciences de l’ingénieur cible 6 compétences : Innover Créer des produits innovants

Analyser

Modéliser et résoudre

Expérimenter et simuler

Communiquer

Analyser les produits existants pour appréhender leur complexité

Modéliser les produits pour prévoir leurs performances

Valider les performances d’un produit par expérimentations et les simulations numériques

les

S’informer, choisir, produire de l’information pour communiquer au sein d’une équipe ou avec des intervenants extérieurs

1

6.Résistancedesmatériaux:sollicitations, torseurdecohésion,contraintes,Sommaire Cha d p é i fo tr r e ma 1 t . io A n n s, al t y ra s c e ti e o t n-c m o o m d p é r li e s ss a i t o i n o , n fl d e ’ x u io n n s s y i s m t p è le m , e co .. n .. d . i . t . i . o .. n . s ... d .. e ..................... 1. a h r C nioctn senîa tde’ fin teodrem at déf i onrsmeatoni ed ............ i . u . s . spnaec ......................................................... 2.Diagrammesdesinter-acteursetdiagrammeFAST......................................... C C h h a a p p i i t t r r e e 1 6 – .É A l n e a c l t y r s o e ni e q t u m e odélisation d’un système ................................. 1 3.ModélisationsysML:diagrammesexigences,casd’utilisation,séquence, 1.F 1. o C n h c a t î i n o es ns d’i l n o fo g r i m q a u ti e o s ns : e t t a de bl p e uis d s e an v c é e r n it 2 é . , Di é a q gr u a a m ti m o e n d l e o s g in i t q e u r- e act e e t ur c s h e r t o di n a o gr g a r m a m m e m FA e S , T activité,états,défini iondeblocs,blocin erne............................................... n 3.Modélisation sysML listedesfonctionslogiques.......................................................................... 2 C . h A a l p g i è t b r r e e 2 d . e É B n o e o r le gé : t o iq pé u r e a . t . e .. u .. r . s .. l . o .. g . i .. q . u .. e .. s . , .. p .. r . o .. p . r . i . é .. t . é .. s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 2– Énergétique .............................................................................. 23 13. îahC sioLngeéndéeraplueisss: anc iloed et O’hbmil,alnoiésn re edgKéitricqhuheoff ....... ( ... d . es ........... s,nœude . s ..... d .... llia,)sem ....................... n n 1.Chaîne de puissance et bilan énergétique2.Puissance, énergie3.Rendement d’un système 2. vid su i iP seaunrced-eéntes gr nio .e n ... , ... oéèrem . t . h ......... .d..e.iM . l . la . m ......... n...................................................... 43. dnmee Com eR opasntsd’puansssifyss:tr è é em sis . t .. cean, ................ c . o .. nednetas,ru ...................... u . d . n . i . ctance, ....... as .. s . oc . i . a . t . oin ............... Chapitre 3.............................................................. 37– Grandeurs physiques decomposants(série/parallèle).................................................................. 1.Électricité2.Mécanique3.Hydraulique4.Thermique n n n 5 C . h C a o pi m tr p e os 3 a . nt G s r a a c n ti d fs e : ur d s io p d h e, y t s r i a q n u si e s s to .. r .. M ... O .. S . , .. a ... m .. p . l . i . f . i . c . a .. t . e .. u . r .. l . i . n .. é .. a . i . r .. e .. i . n . t .. é . g .. r . é ............. 1.c L t A) ri I Éle ( .c.i.t.é...:.t . n . o .. , .. n . e . i . s ................ na,tocrun . t . veoncnsio ............... éngr . uetaré ................ .e..t. ... pecér ......... r . u . e . t,emi . g ......... é . r ........ Chapitre 4– Système de numération .......................................................... 57 continu,régimepériodique.......................................................................... 1.Bases de numération 2.Quelques termes utiles en binaire3.Conversion entre bases n n n 2 C . h 4 M a . é p Q c i u t a e r l n q e i u q e 7 u s . e co A : d c e f q s or p u c a i r e s ti , i c t u i m li o e o r n s m .. e . n .. t . , .. v . i . t .. e . s .. s . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.nait raudyH Éhcl ique lnona:gpere:héor oi,nss t dbé ème i td.e.. ............. noSnnah........................................................ 5.Méthoded’identificationdeStrejc.................................................................. Chapitre 5– Mécanique ................................................................................ 73 4 2 T N h u e m r é m rias uqe tio:nc:a cité veonc pa iors t n her oalan qimeuis g sa u m eiq q « u en,eu é qirému uaqitnt ,dreé l t e i u on rhac ulos,ét c e h nn a s n i gé o e, 1.Représentations graphiques d’un système2.Transmission d’un mouvement de rotation n n plueiisnseanécehl t el h eremt i quaenotumfl.... uxrmhe . t ....... e . u . q . i ............................................................. Chapitre11.Transmissiondedonnées.Busdeterrain............................... n n n 3.Actions mécaniques4.Cinématique5.Principe fondamental de la dynamique (PFD) 3.Filtrage:fonctiondetransfert,gain,bandepassante,déphasage..................... 1. 6 D . é R f é i s n i i s t t i a o n n c s ed : e t s y m p a e t s éri d a e ux c (R o D m M m ) unication,gestiondescommunications, Chapitre4.Systèmedenumération............................................................ 4.Dualitétemps/fréque ceetdécompositionensériedeFourier.............. vitessedetransmission,codeASCII.............................................................. 1.Basesdenumération:décimale,binaire,hexadécimal........................... Chapitre 6............................................................................. 117– Électronique 2.LiaisonsérieUART:formatd’unetrame,parité,vitessedetransmission........... Ch Q a u pi e t l r q e ue 8 s . t A er ct m i e o s n u n t e il u es rs e .. n .. b .. i . n .. a . i . r ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............ n n n 1.Fonctions logiques2.Algèbre de Boole3.Lois générales d’électricité4.Composants 3.LiaisonsérieI²C:formatd’unetrame,vitessedetransmission......................... 1 p CP a on s e s n if vu s e m n r sa 5 it . oi C qn o u m e p -n o th s ry a ed nt rb s a a a us c l t ie i q f s s u . : . e. s . e :. . m .v i . - é. c .r o .i. n n. d ,. u .d. c . t i. e s.t u .r r .i s sreixuaiai . letub,ru .............................. de.c.o. mmande, 4.BusCAN:modedetransmissiondifférentielle,autore-synchronisation Q p u o e m lq p u eehsycdordaeulsiqpuaertiectuetia leirs rt:mte CDB, dGerla’ayiro.u.. e ... ibrian ....... ércélf ........... hi ............................... (bitdestuffing),vitessedetransmission,formatd’unetrame,principe C 2. ha M p o i t t e r u e rs 7 é – le A c c tr q iq ui u s e i s ti : on éle .. c . t . r .. o ... m .. a .. g .. n .. é . t . i .... m .. e ......... c .. e ... d .. e .. L ... a . p .. l . a .. c .. e . , .... m .. o .. t . e .. u .. r .. à ......... 169 d’arbitrage................................................................................................. Ch 1 a . p Éc it ha r n e till 5 o . nn M ag é e c n a 2. n N i u q m u é e ri . s . a . t . i . o . n .. n .. 3 . . . F . i . l . tr . a .. g . e .. n .. 4 . . .. D . u .. al . i . t . é . t . e .. m .. p . s .. / . f . r . é . q . u .. e . n . c .. e . e .. t . d .. é . c . o .. m .. p . o . s . i . ti . o .. n .......... courantcontinu,servomoteur,moteurbrushless,moteurpasàpas, 5. e M n o s d ér u ie la d t e io F n ou s ri : er d’amplitude,defréquence,numérique....................................... 1R m e o p t r e és ur enatsaytinocnhsrognreaqieuhps .............. : . c .. o ....... is . , ......... sch .... ém . asatémueiq .... cin ... & technologique,graphedeliaisons................................................................. CChhaappiittrree81–2.ARctéisoenanuexur.s............................................................................................................................................................1..9.5 2.Transmi 9 s . sio P n ro d g ’u r n am mo m u a v t e io m n entderotation:rapportdetransmissionen 1. 1 D . é P f n i e n u it m io at n iq s ue : , L hy A d N ra , uli W qu A e N n . 2 . . .. M .. o . t . e .. u . r . s .. é . l . e . c . t . ri . q .. u . e . s ........................................................ A f l o g n o c r ti g o r n a d m e m al e:te c il en t h ssde logoie, sy trans es mi ,mbolpi s cnirp ssion àalpelsusr e t i uct rs uérteasges, rendement 2.Constitutionphysiqued’unréseau:topologie,média...................................... L d a ’un ga e gteraCn iss ur sm poar i c no t .... s ......... oudni ... r . A.:.edcspt . r . in ... i . o .......... u . nd . ’ ... e ..... ca . e . t . rArduino, Chapitre 9215– Programmation ........................................................................ 3.AdresseMAC............................................................................................... e c n ti vi o r n o s n acé ne m menitqduesd:évtoelrosepuprenet crof( m,oni ntme r m A oe u - déd ), c rus noitaral seort pdaersticon ,eisr ans l t u teset n n 1.Algorigramme2.Langage C pour cartes Arduino3.Langage Python pour cartes circuitPython 4.AdresseIPv4:constitutiond’uneadresseIP,lesclassesd’adresses,choix t d o esevuar s ai,l ra bs ns e ts tr s é i e melb e i nss/psaorrs e eit nu émunqir lisoain, u pb ,s ro et m r ès e e né l easv/ecsofrs t ie oet t ment.................. desadressesIPdansunréseau,masquedesousréseau,passerelle................ 4. Cain é lagoqieus uqitam ,: t u c ti e l ja i r s t atioinred’eutnvei esse i t rair , libe, tiv fonc eess tieotnas n,érélioat ................ ccéatqu ........... s . n . oide Chapitre 10................................................................... 253– Asservissements 5.Routagedespaquets................................................................................... 3 1 L . m a F on o gu nc v t e io m n eP d ny e t t sh ra oe n nt sf rp e e r o t pu n rr é 2 sc . ae B rn o tt u ea c s l t e icoi o n r u cs v u e gi r t t r e aP / p y b ht o ih u qo c un le e :s fe .d r ..e m . s . é .c e .r.i n . p .. 3 t. . i.o. R .n. é . p .d o .’. n u s n e e à c u a n rt é e che M l etr n o on 6.Lesprotocoles:définition,protocoleIP,protocoleTCP.................................... 5 4 P . M ri C 0n or cE r i e xp c pe te rf u e r os P ns I ,d D ae m n 5 v . en ri M ot é a t nl h n o de d e e m l d e ’ a i n d td e y n d t n i e fi a c d a m t é i i o vq n eul d eo e p( S pP tr eF ej D c m)e:ntsyMsutdEti emèsi ro, ol tu é, ilPisFaDtioen n 7.Couchesréseau:modèleOSIetTCP/IP......................................................... t d r ’ a unsel a r tion, libai,ei PF Ddéecnlaroataiotinond,ecsavsapria icrtiul bl,eserntrsée d’un p/r lbo s emè soiertneuniréms s euq itatque ,. ........ 8.ServeursDNSetDHCP................................................................................. Chapitre 11– Transmission de données. Bus de terrain ........................... 279 entrées/sortiesanalogiques,sortieMLI,fonctions 1.Définitions2.Liaison série UART3.Liaison série I²C4.Bus CAN5.Modulations n n n n Chapitre13.Modélisationmultiphysiqueetécarts..................................... 0 Asservissements................................ C 1. ha M p o it d r é e lis 1 a 2 ti – on Ré m s u e lt a ip u h x ys .. i . q .. u .. e ... : ... m ... o .. d . é . l . i . s .. a .. t . i . o .. n ... c .. a .. u .. s . a .. l . e ... e .. t .. a .. c .. a .. u .. s . a .. l . e .. , .................. 315 Fonctiondetransfert................................................................................... 1. m D o é d fi é n l i i t s io a n t s io n n 2. m C u o l n ti s p tit h u y ti s o i n q p u h e ys d i ’ q u ue n d m ’u o n t r e é u se r a à u n co 3. ur A a d n r t es c s o e n M ti A n C u. n .. 4 . . .. A .. d . r . e . s .. s . e .. I . P . v . 4 ........... 1 2.Boucleouverte/bouclefermée....................................... 5.Routage de paquets6.Les protocoles7.Couches réseau : modèle OSI et TCP/IP 2.Écartseterreurrelative................................................................................ n n n n 3 Réponse àunéchelon: dépassement,erreurstatique,tempsderéponse, 8.Serveurs DNS et DHCP tempsdemontée....................................................................................... C4.haCpoirtrreect1e3u.rMPIoDd:élpisaraatimoèntrmeuplrtiopphorytisoiqnuneel,etpaércaamrtèstr.e...d..é..r.i.v..é..,..p..a..r.a...m..è..t.r..e.... 347 1 i . n M té od g é r li a s l a , ti s o y n n m t u h lt è ip s h e ys p iq a u r e a n m 2 è . t É r c e a s rts d’ e u t n err c e o u r r r r e el c a t ti e ve urPID..........................................

2

 

Analyse et modélisation d’un système

1. Chaînes d’information et de puissance

N.B. :

Chaîne d’information

Acquérir

Alimenter

Traiter

Communiquer

Distribuer Convertir Chaîne de puissance

Transmettre

A G I R

C C h h a a p pi i t t r r e e 1 1 Analyse et modélisation d’un système Analyse et modélisation d’un système

La première étape d’une étude consiste à analyser les besoins et à décrire le plus précisément possible le système étudié à l’aide de schémas ou diagrammes lisibles par tous les intervenants. Suivant le niveau de détail nécessaire, le système peut être décrit : à l’aide d’outils globaux d’ingénierie système : SysML ; : Diagramme des inter-ou de graphes descriptifs des solutions envisagées acteurs et/ou FAST.

1. Chaînes d’information et de puissance

Tout système est traversé par un flux d’énergies et un flux d’informations ; la circulation des informations et de l’énergie peut être représentée par un schéma- bloc : Grandeurs physiques à acquérir

Informations extérieures

Énergies

Chaîne d’information

Acquérir

Alimenter

Traiter

Communiquer

Ordres de pilotage

Distribuer Convertir Chaînede puissance

Informations visuelles et/ou sonores

Transmettre

Système initial

A G I R

Système final N.B. :on peut aussi remplacer le nom « chaîne de puissance chaîne» par « d’énergie » car l’énergie correspond à la puissance consommée par le système pendant un certain temps.

2

Chapitre 1

Exemple de technologies associées à la chaîne d’information Chaîne d’information Grandeurs Informations physiques, et ordres Acquérir Traiter Communiquer consignes

CapteursAutomateVoyants Boutons programmableSirène / buzzer Écran tactileOrdinateurBus de terrain Microcontrôleur (UART, I²C, CAN…) Fonctions logiquesRéseau Ethernet Exemple de technologies associées à la chaîne de puissance

Énergies

Alimenter

Distribuer Convertir Chaîne de puissance

Transmettre

Réseau EDFContacteurMoteur Réducteur Pile / BatterieRelaisVérin Accouplement CompresseurTransistor Assemblage Variateur Frein Distributeur Exemple 1 :Production hydroélectrique (extrait concours général SI) Dans une centrale hydroélectrique, le système pilote l’orientation des pales de la turbine suivant le niveau de la rivière.

2

Exemple 2 :

2. Diagramme des inter-acteurs et diagramme FAST

2.1. Diagramme des inter-acteurs

 

2.1. Diagramme des inter-acteurs



Communiquer

Analyse et modélisation d’un système

Distribuer Convertir Chaîne de puissance

3

Traiter

  



3



Le diagramme des inter-acteurs présente les éléments qui sont en relation avec le système. Les liaisons entre ces éléments et le système représentent les « fonctions de service » : fonctions principales (notées FP…) et fonctions contraintes (notées FC…).

Alimenter

    

Exemple 1 :

  

Chaîne d’information

  

Exemple 2 :Déambulateur Robuwalker (extrait Bac SI 2016) Il est possible de dupliquer certains blocs pour bien identifier les différentes fonctions du système étudié. Dans le cas du « déambulateur Robuwalker », il y a une chaîne pour la commande de chacun des 2 vérins :

   

Transmettre



Acquérir

  

 

2. Diagramme des inter-acteurs et diagramme FAST

4

Exemple: Diagramme des inter-acteurs du Gyropode

Fonctions de services FP1 Permettre un déplacement de l’utilisateur par rapport au sol FC1 Respecter les normes FC2 Franchir, en toute sécurité, les obstacles présents sur le sol FC3 Permettre la recharge en énergie électrique (secteur EDF) FC4 Être transportable dans une voiture FC5 S’adapter à la taille de l’utilisateur FC6 Résister au milieu ambiant (poussières, humidité, …)

2.2. Diagramme FAST

Chapitre 1

Gyropode

Le diagramme FAST (Function Analysis System Technique) détaille les fonctions. Les fonctions de service (FP… et FC…) sont décomposées en fonctions techniques (FT…). Les solutions technologiques sont données pour chaque fonction technique élémentaire. FP… FT1 Solution technologique FT2 FT21 Solution technologique FT22 Solution technologique FT… Solution technologique

4

Exemple 1

Exemple 2

Moteur de propulsion droit

Moteurs de tonte

Détecteur de fil périmétrique

Détecteur de choc avant droit

Roue jockey

Contrepoids

roue motrice droite

Batterie

carte de commande

Moteur de propulsion gauche

Détecteur de choc arrière

Réducteur

roue motrice gauche

Détecteur de choc avant gauche

Exemple

2.2. Diagramme FAST

Analyse et modélisation d’un système

Exemple 1: Diagramme FAST de la fonctionprincipale FP1 du Gyropode

5

Exemple 2: Diagramme FAST de la fonction contrainte FC2 de la tondeuse RL500

Moteur de propulsion droit

Moteurs de tonte

Détecteur de fil périmétrique

Détecteur de choc avant droit

Roue jockey

Contrepoids

roue motrice droite

Batterie

5

carte de commande

Moteur de propulsion gauche

Détecteur de choc arrière

Réducteur

roue motrice gauche

Détecteur de choc avant gauche