Comment fonctionne le thermomètre ?

Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
[Témoignage] - Les élèves recherchent les paramètres influant sur la hauteur du liquide dans le tube d'un thermomètre.
Publication : 1 Janvier 1998
Objectif :
- Avoir recours à un processus de réalisation technique pour réaliser un objet. - Sont mises en jeu les notions de transfert de chaleur et de dilatation.
Niveau : Cycle 3
Matériel :

Pour la classe :
petites bouteilles en verre de même taille et de tailles différentes,
bouchons
pailles de différents diamètres, stylos à bille,
différents liquides (eau, colorant alimentaire, lait...)
un réchaud, une grande casserole.

Copyright :
Creative Commons France. Certains droits réservés.

 

Situation déclenchante

  • Situation de départ : les enfants ont fabriqué des thermomètres avec un matériel différent et constatent que, pour certains appareils, l'élévation du niveau du liquide est peu visible ou plus lente.
  • Situation problème : comment faire pour que les variations de niveau du liquide soient bien visibles ? Comment faire pour que l'on puisse mesurer rapidement les changements de température ?

Exemples d'hypothèses faites par les élèves

1) La taille du réservoir a de l'importance.
2) La nature du liquide est importante.
3) La longueur du tube est importante.
4) Le diamètre du tube est important.
5) La quantité de liquide est importante.

Exemples d'expériences proposées par les élèves

  • Fabriquer des thermomètres.
  • Ne faire varier qu'un seul facteur à la fois.
  • Comparer la hauteur de liquide quand on chauffe.

Chaque thermomètre sera fabriqué selon le modèle suivant :

1ère expérience : influence de la taille du réservoir

Vérification de la première hypothèse

  • Utiliser des tubes identiques.
  • Utiliser le même liquide (eau colorée)
  • réaliser plusieurs thermomètres en ne faisant varier que le réservoir (bouteilles de formes et de tailles différentes).
  • Chauffer les thermomètres ensemble au "bain-marie".
  • Noter les différentes hauteurs dans le tube.

    Constat : Plus le réservoir est petit, plus la montée du liquide est rapide.

2ème expérience : influence de la nature du liquide

Vérification de la deuxième hypothèse

  • Réaliser la même expérience en ne faisant varier que la nature du liquide : eau colorée, lait...
  • Neutraliser les autres variables (réservoir, tube...)

    Constat : Certains liquides montent plus que d'autres dans le tube. C'est l'occasion de faire référence aux matières utilisées dans les thermomètres du commerce et de mentionner la grande toxicité du mercure (interdit depuis).

3ème expérience : influence de la longueur du tube

Vérification de la troisième hypothèse

  • Réaliser la même expérience en ne faisant varier que la longueur du tube.
  • Neutraliser les autres variables (réservoir, diamètre du tube, nature du liquide)

    Constat : La longueur du tube n'a aucune importance.

4ème expérience : influence du diamètre du tube

Vérification de la quatrième hypothèse

  • Réaliser la même expérience en ne faisant varier que le diamètre du tube : pailles de différentes grosseurs, corps de stylo bille...
  • Neutraliser les autres variables (réservoir, longueur du tube, nature du liquide)

    Constat : Le niveau du liquide dans le thermomètre au tube le plus fin monte plus haut, mais la hauteur se stabilise en même temps que les autres. La lecture de la température est plus facile. On mettre en évidence l'intérêt de ce constat pour la fabrication d'un appareil performant. On fera référence aux thermomètres vendus dans le commerce.

5ème expérience : influence de la quantité de liquide

Vérification de la cinquième hypothèse

Constat : Le niveau du liquide dans le thermomètre le moins rempli monte plus vite. La température d'une petite quantité de liquide d'élève plus vite que celle d'une grande (cf. 1ère expérience). Ce point pourra faire l'objet d'une expérience complémentaire.

  • Réaliser la même expérience en ne faisant varier que la quantité de liquide.
  • Neutraliser les autres variables (réservoir, longueur du tube, diamètre du tube, nature du liquide)

Le mot du maître

Ne pas utiliser de bouteilles en plastique. La dilatation du plastique étant plus rapide que celle de l'eau, on risque d'observer dans un premier temps l'effet inverse à celui désiré (au début de l'expérience l'eau descend dans le tube)

Documents utilisés

Nouvelle Collection Tavernier, éd. Bordas.

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