Résumé : Les élèves observent différents thermomètres et l'enseignant pose des questions concernant leur fonctionnement. Les élèves expliquent différents moyens pour faire monter le liquide. Construction d'un thermomètre et test de la dilatation. Les élèves étalonnent le thermomètre construit lors de la séance précédente en graduant selon trois domaines de température : froid, doux, chaud.
Objectif : À partir de l'objet courant qu'est le thermomètre, décrire et comprendre son fonctionnement, utiliser le vocabulaire adéquat. Comprendre pourquoi le liquide monte dans le tube fin; aborder la notion de dilatation.
Etude du thermomètre
L’enseignant réalise une présentation des thermomètres : à quoi servent-ils ? Qu’est-ce qu’ils ont de différents ?
Première mise en commun : combien d’éléments différents avez-vous remarqué ? L’enseignant dessine un thermomètre simple au tableau, avec uniquement les éléments importants, et écrit une légende : le support, le tube fin, le liquide rouge (alcool coloré), le réservoir, la graduation.
Ce schéma est repris par les élèves.
Approche de la notion de dilatation
Le but de cette partie est de trouver comment on fait monter le liquide dans le thermomètre. On lance le défi : "trouver une expérience pour faire monter le liquide dans le thermomètre". Chacun écrit sa proposition, puis la teste dans le groupe.
Diverses propositions :
- le mettre au soleil
- le chauffer avec la main (sans préciser quelle partie)
- avec de l’eau chaude
- souffler dessus (avec un sèche cheveux)
- l’envelopper avec de la laine, etc.
Mise en commun :
Qu’est ce qui a marché ? ou non ? Quel est le lien entre la variation de température et l’apport de chaleur ? On se contentera de remarquer que lorsque l’on met le thermomètre à côté d’un objet chaud, la température augmente et inversement lorsque l’on met le thermomètre à côté d’un objet froid, la température diminue.
Faire préciser : quelle est la partie que l’on chauffe ? Est-ce que cela change quelque chose, si l’on met une source chaude (verre d’eau chaude) au niveau du réservoir ? du tube fin ? ou du sommet du tube ?
Les élèves passent à nouveau à l’expérimentation pour savoir si la réaction du thermomètre dépend de la partie que l’on chauffe. Conclusion, après 10 min de manipulation : le thermomètre ne réagit pas de la même façon selon la partie que l’on chauffe. Il faut chauffer le réservoir, c’est à dire le liquide.
Puis en fin de séance, recueillir toutes les questions que se posent les enfants suite à l’observation du thermomètre. Par exemple :
Que fait le thermomètre lorsque le niveau du liquide ne peut plus baisser ?
Qu’est ce qui fait que ça monte ou ça descend ?
Comment il sait s’il fait chaud ou froid ?
Qu’est ce que ça veut dire "°C" ?
Quel est ce liquide rouge, en général ?
La question la plus récurrente étant certainement la seconde : "qu’est ce qui fait que ça monte ou ça descend ?", on choisit donc de travailler sur celle-ci. La classe s’accordera pour travailler sur un type de thermomètre.
Notion de dilatation ; construction d’un thermomètre
Objectif : Mettre en évidence la dilatation des liquides quand on les chauffe.
Rappel de la conclusion obtenue précédemment : le liquide monte dans le thermomètre quand on chauffe le réservoir. Le thermomètre utilise une propriété des liquides quand on les chauffe : que se passe-t-il ? Si le liquide monte, est-ce parce qu’il y en a plus ? Si on admet qu’il y a conservation de la matière (le liquide étant dans un "récipient fermé"), la réponse est non. Mais alors, pourquoi ?
Le liquide prend plus de place quand on le chauffe, on dit qu’il se dilate. L’enseignant demande aux élèves de proposer une expérience pour le démontrer.
Proposition : on met dans un bac d’eau très chaude le flacon rempli d’eau colorée avec une paille enfoncée dans le bouchon. On aura préalablement relevé le niveau de l’eau dans la paille à température ambiante. L’eau monte dans la paille en quelques minutes. On a fabriqué un thermomètre !
Que manque-t-il à ce thermomètre ? Une graduation, pour pouvoir lire la température.
Il reste donc le problème de l’étalonnage. Demander aux élèves de chercher à la maison comment on peut graduer ce thermomètre.
Pour aller plus loin :
On peut prolonger la séance en montrant qu’avec une source froide (des glaçons), le liquide descend.
Étalonnage du thermomètre
Objectif : Comprendre la notion de graduation, faire le lien entre la température et le niveau du liquide dans le tube fin.
Est-ce que quelqu’un a trouvé un moyen de graduer le thermomètre ?
Si oui, essayer.
Si non, c’est l’enseignant qui met sur la voie : il suffit de comparer avec un vrai thermomètre, et de noter sur le nôtre les trois domaines froid, doux, chaud. Pour déterminer ces domaines, les élèves plongent successivement le flacon dans de l’eau à différentes températures (par exemple : de 0°C à 12°C, de 12°C à 25°C, de 25°C à 35°C, et ils repèrent le niveau du liquide correspondant.
Un carton sera préalablement fixé sur la paille pour relever les différents domaines de température.
Pour finir cette séquence sur le thermomètre, l’enseignant demande aux élèves de choisir un thermomètre pour le placer dehors afin d'effectuer les relevés de températures (veiller à ce que le thermomètre soit placé dans un endroit protégé du soleil, à l’abri du vent).
Pour aller plus loin
Il s’agit d’étudier deux températures critiques de l’eau qui peuvent servir de références pour l’étalonnage de certains thermomètres.
Quelle est la température d’un mélange eau glace ? 0°C.
Et celle de l’eau qui bout : 100°C (Attention : l’utilisation de l’eau bouillante nécessite des consignes de sécurité strictes de la part de l’enseignant).
