Comment fonctionne le thermomètre ?

Dans ce document, un enseignant rapporte le déroulé d’une séquence d’activités qu’il a menée en classe - réactions des élèves, difficultés rencontrées, conseils aux autres enseignants... Ces témoignages peuvent être utiles à la fois dans le cadre de la préparation d’une séquence ou activité de classe, ou servir de matière aux enseignants pour construire leurs propres activités de classe.

Notions et connaissances travaillées : Décrire le fonctionnement d’objets techniques, leurs fonctions et leurs constitutions

Disciplines : Sciences et technologie; Physique (Collège)

Message à emporter : Il est possible d'ajuster la conception de nos thermomètres pour faciliter la lecture de la température. Plus le réservoir est petit, plus la montée du liquide est rapide ; certains liquides montent également plus que d'autres dans le tube, à autres paramètres égaux. Le niveau du liquide dans le thermomètre au tube le plus fin monte plus haut et la hauteur se stabilise en même temps que les autres : la lecture de la température est également plus facile. En revanche, la longueur du tube n'a aucune importance.

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).