Un thermoscope renversant

Ces expériences de physique amusantes sont faciles à réaliser mais nécessitent la présence d’un adulte pour la manipulation d’un sèche-cheveux à côté de la présence d’eau.

Matériel

  • un tube en verre à épices ou à gousse de vanille
  • un vase haut transparent
  • un sèche-cheveux
  • une pince en bois
  • des glaçons
  • un petit élastique pour cheveux (de diamètre plus petit que celui du tube) (facultatif)
Matériel nécessaire

Protocole

Remplir d’eau le haut vase transparent. Remplir d’eau à plus de la moitié le tube à épices en verre, mettre le doigt sur le tube afin de le boucher puis le renverser. Le plonger dans l’eau du vase puis retirer le doigt bouchant le tube tout en maintenant le tube hors de l’eau à l’aide d’une main. Vérifier que si on lâche le tube, il coule puis le récupérer (à l’aide de la pince en bois par exemple) et le maintenir en partie hors de l’eau, en faisant en sorte bien sûr que l’eau qu’il contient ne s’écoule pas.

Placer le tube de telle manière qu’il soit au maximum hors de l’eau, tout en ne se vidant pas de son eau. Placer le petit élastique sur le tube en verre le plus précisément possible à la position de l’interface eau/air dans celui-ci.

Maintenir le tube hors de l’eau à l’aide de la pince en bois puis chauffer la partie du tube contenant l’air à l’aide d’un sèche cheveux. Observer, puis une fois un régime permanent atteint, lâcher le tube et observer.

On peut également réaliser une autre expérience. Remplir le tube d’eau afin qu’il flotte mais afin qu’il soit également juste à la limite de couler. Pour ce faire, on peut le remplir d’eau en grande partie, le retourner dans le vase, puis mettre la quantité d’air adéquate le plus précisément possible à l’aide d’une paille, d’un compte-gouttes de médicaments afin qu’il soit à la limite de flotter. Cette dernière étape doit être réalisée minutieusement afin que l’expérience soit probante. Mettre alors des glaçons en haut du vase et observer.

Observations

Lorsque l’on chauffe l’air piégé dans le tube à l’aide du sèche-cheveux, le ménisque séparant l’air de l’eau dans le tube descend fortement au-dessous de l’élastique, qui indique la position initiale de l’interface. Lorsque l’on lâche le tube, il a tendance à flotter un peu puis l’air piégé se refroidissant, l’interface air/eau dans le tube remonte et le tube coule.

Lorsque l’on met des glaçons dans l’eau autour du tube, on observe qu’au bout de quelques minutes, le tube, flottant initialement, coule.

Vidéo de l’expérience

Que se passe-t-il ?

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Lorsque l’on chauffe l’air piégé dans le tube à l’aide du sèche-cheveux, l’air se dilate et la pression dans l’air augmente, le ménisque séparant l’air de l’eau dans le tube descend. De l’eau est évacuée du tube, parfois suffisamment, pour que le tube puisse se mettre à flotter un peu lorsqu’on le lâche, la poussée d’Archimède étant alors plus importante que le poids s’exerçant sur le tube rempli d’eau. Puis l’air dans le tube se refroidit, se comprime à nouveau, de l’eau rentre dans le tube qui coule.

Lorsque l’on met des glaçons autour de l’air piégé dans le tube, l’air se refroidit puis diminue de volume. De l’eau rentre dans le tube, ce qui a pour effet d’augmenter le poids du tube et de l’eau qu’il contient. Le poids devient alors supérieur à la Poussée d’Archimède s’exerçant sur ce système : le tube coule.

En réalisant ces expériences, nous venons de créer un thermoscope, c’est-à-dire encore un instrument de physique permettant de mettre en évidence des différences de températures (sans pour autant permettre des mesures précises).

Parmi les plus célèbres thermoscopes, on connait celui de Galilée, dont une réplique est présentée au musée des arts et métiers à Paris.

Pour aller pl

Thermoscope de Galilée (1592) – Musée des Arts et Métiers (Paris)
Réplique provenant du musée de la science à Florence (1960)
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