Les thermomètres
Un article de Wiki Paris Descartes.
Dossier écrit par
partiellement corrigé et augmenté par Eric.dane
Contexte
Classe de second cycle. Cette séquence se déroulera sur 5 séances d’une heure environ.
Connaissances visées
- comprendre et décrire le fonctionnement d'un thermomètre à dilatation.
- Aborder la notion de dilatation
Pré-requis
- Savoir que les thermomètres servent à mesurer la température
- Savoir qu’une température s’exprime en degrés
Matériel nécessaire
- Pour les expérience 1 et 1 bis : Des thermomètres que les enfants auront apportés de leur maison ou que le professeur aura apporté. (Les thermomètres à mercure seront interdits pour des raisons de sécurité). De la laine, de l’eau chaude et un sèche cheveux.
- Pour l’expérience 2 : Chaque groupe de 4 devra avoir : une bassine remplie d’eau très chaude, un flacon en verre de 60 ml avec un bouchon étanche rempli d’eau colorée à l’encre rouge et une paille fine et transparente.
Démarche pédagogique
1ère Partie : Problématique, lien concret avec la vie courante
Le professeur pose la question suivante : Quand vous êtes malades, qu’est ce que vous utilisez pour connaître votre température ? Comment font les gens pour connaître la température de l’air ? Les élèves répondent de manière générale qu’on utilise un thermomètre.
Le professeur pose donc la problématique suivante : Comment se fait-il qu’un petit thermomètre soit capable de mesurer la température de notre corps ou de l’air ? Comment le thermomètre fonctionne-t-il ? Réponse : le thermomètre mesure la température à un endroit qui quasiment est la même dans tout notre coprs.
2ème Partie : Exploration à travers l’historique
Quels sont les différents thermomètres ?
3ème Partie : Etude du thermomètre
Le professeur énonce que dans tout les thermomètres étudiés, il y a des éléments principaux qui sont présents à chaque fois. Il demande aux élèves de trouver ces éléments. Après concertation et avec l’aide du professeur, les élèves dictent au professeur les éléments suivants :
- le tube fin
- le réservoir
- le liquide (souvent de l'alcool gèle moins que l'eau, coloré)
- les graduations
- le support
http://www.learner.org/channel/courses/essential/physicalsci/images/s7.thermometer.jpg
Le professeur réalise donc le schéma d’un thermomètre simplifié avec en légende les éléments dictés par les élèves. Les élèves doivent effectuer ce même schéma sur leur cahier.
Le professeur pose ensuite le problème suivant :
Pourquoi le liquide coloré monte ou descend en fonction de la température ?
4ème Partie : Expérience 1, Comment faire varier le niveau du liquide coloré ?
Le professeur lance un défi aux élèves en leur demandant de trouver un moyen de faire monter le liquide dans les thermomètres qui sont à la disposition des élèves. Les élèves se mettent par groupes de 5 et proposent des solutions. Si ces solutions sont expérimentables dans la classe, les élèvent effectuent leur expérience pour voir si leur solution est adéquate ou pas.
Les élèves proposent les solutions suivantes : _ Mettre le thermomètre au soleil, _ Le chauffer avec la main, _ Le chauffer avec de l’eau chaude, _ Souffler dessus (on utilisera un sèche cheveux), _ L’envelopper avec de la laine.
Les groupes se concertent ensuite et remarquent que lorsque le thermomètre est en contact avec de la chaleur, le liquide coloré monte et que de fait, il indique que la température augmente. L’expérience est renouvelée avec de l’eau froide pour bien montrer que lorsque le thermomètre est en contact avec une matière froide, le liquide coloré descend et que de fait, il indique que la température diminue.
5ème Partie : Expérience 1 bis, Quelle partie du thermomètre est sensible à la température ?
Le professeur demande cette fois aux élèves si ils savent exactement quelle partie du thermomètre il faut chauffer ou refroidir pour obtenir une variation du niveau de liquide coloré. Les élèves réalisent donc pendant 10 minutes des manipulations en chauffant les thermomètres à plusieurs endroits différents et constatent qu’en effet, le liquide ne réagit pas de la même façon selon les parties chauffées. Ils constatent que c’est en chauffant au niveau du réservoir où se trouve le liquide que la variation du niveau du liquide coloré est la plus significative.
6ème Partie : La notion de dilatation
Le professeur, suite à ces deux expériences invite les élèves à se demander comment il est possible que le liquide coloré monte ou descende en fonction de la température. Les élèves formulent des hypothèses diverses, qui en général, ne sont pas en accord avec la loi de la conservation de la matière (en effet, ils pensent parfois que le liquide monte parce qu’il y en a plus et qu’il descend parce qu’il y en a moins). Pour montrer qu’il est possible qu’un corps change de volume sans changement de matière, le professeur prend l’exemple des ballons en mousse que les élèves contorsionnent dans la cours de récréation : « lorsque vous compressez vos ballons, il y a toujours la même quantité de ballon alors que le volume est différent ». Le professeur réalise donc une ébauche d’explication en introduisant le phénomène de la dilatation : Plus un liquide est chaud, plus il prend de place, plus son volume augmente mais il y a toujours la même quantité de liquide. On dit que le liquide, quand il se réchauffe et qu’il prend plus de place, se dilate. C’est ce qu’on appelle la dilatation. C’est en rapport avec l’augmentation de la chaleur.
Pour vérifier cette notion, le professeur propose aux élèves de réaliser l’expérience suivante :
Expérience 2 :
Cette expérience se réalisera par groupes de 4. Les élèves vont chercher une bassine d’eau très chaude et la pose sur leur table. Ils remplissent ensuite un leur flacon de 60 ml avec un mélange d’eau et d’encre rouge à ras bord et bouchent le flacon avec un bouchon étanche. Ils introduisent ensuite la paille dans le bouchon troué, puis une fois que le dispositif est terminé, ils introduisent le flacon dans la bassine d’eau chaude. Voici le schéma de cette expérience :
Voici leurs observations : Les élèves constatent que de l’eau colorée monte dans la paille assez rapidement et de manière conséquente. Ils se rendent bien compte que rien n’a été rajouté pour que l’eau monte, et qu’elle est simplement montée à cause du contact entre le liquide coloré et l’eau chaude.
Pour le bon fonctionnement de cette expérience, il sera fort utile de vérifier l’étanchéité au niveau du bouchon troué par la paille. Le professeur devra également vérifier, avant d’autoriser les élèves à plonger le dispositif dans l’eau chaude que l’eau colorée arrive bien au ras du flacon. Après les constatations des élèves, le professeur termine son explication de la dilatation en faisant constater aux élèves qu’au contact de l’eau chaude, le liquide coloré s’est dilaté, qu’il a pris plus de place et que cela s’est vérifié par la montée du liquide colorée dans la paille.
Il fait ensuite le lien avec le fonctionnement du thermomètre, en s’appuyant sur le premier schéma du thermomètre simplifié et explique aux élèves que dans le thermomètre, le réservoir joue le rôle du flacon de leur expérience et qu’en réalité, ils viennent de construire un véritable thermomètre.
Le professeur demande alors aux élèves de réaliser, à côté du premier schéma légendé réalisé sur le cahier (voir la 3ème partie) un second schéma légendé de leur expérience en utilisant strictement les mêmes légendes que pour le premier schéma. Le flacon est donc appelé réservoir, le liquide rouge est appelé liquide rouge, la paille est appelée tube fin et la bassine est appelée support. Les élèves se rendent alors compte que la graduation manque à leur thermomètre expérimental.
7ème Partie : L’étalonnage du thermomètre
Le professeur invite donc les élèves à compléter leur thermomètre en le munissant d’un système de graduation. Il demande donc aux élèves de fixer un carton sur toute la longueur de leur paille, puis de placer leur thermomètre dans la bassine vide. Le professeur aura au préalable préparé 3 sceaux d’eau différents. Un sceau d’eau tiède, un sceau d’eau chaude et un sceau d’eau très chaude. Il demande donc aux élèves de verser de l’eau tiède dans leur bassine, et de noter avec un crayon sur le carton le niveau jusqu’où le liquide coloré est monté. Après avoir vidé l’eau de leur bassine, les élèves effectuent la même manipulation avec l’eau chaude et avec l’eau très chaude. Ils ont donc une graduation sur leur thermomètre indiquant une zone tiède, une zone chaude et une zone très chaude.
Le professeur explique aux élèves que les graduations des vrais thermomètres sont plus précises et qu’elles sont graduées au degré prés. Il signale néanmoins aux élèves que le principe de leur graduation est le même que pour un vrai thermomètre et que leur thermomètre est désormais complet.
Conclusion générale
« Grâce au thermomètre que vous venez de construire, voici ce que vous avez appris :
C’est en chauffant le réservoir d’un thermomètre que le niveau du liquide rouge contenu dans le réservoir augmente. Il augmente à cause du phénomène de dilatation thermique : un liquide prend augmente de volume lorsque il est chauffé.
Pour déterminer la température en fonction du niveau du liquide rouge, il suffit de mettre en place une échelle de niveaux : on parle alors de graduation.»
Utilisation du thermomètre
Le professeur demande aux élèves de placer leur thermomètre dehors, dans un endroit protégé du soleil et du vent. Les élèves pourront donc à leur guise aller vérifier le bon fonctionnement de leur thermomètre et regarder si le temps est doux, chaud ou très chaud !
