Dilatation thermique des solides – tiges métalliques et bilame
SciencesMatière et matériaux13–14 ansLaboratoire virtuel
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À suivre dans Matière et matériaux
Trois tiges d'aluminium, de cuivre et d'acier de même longueur sont chauffées de la même façon ; un comparateur à cadran placé au bout de chaque tige mesure l'allongement ΔL = α·L₀·Δt au centième de millimètre. Les élèves remplissent un tableau de mesures et constatent que l'aluminium se dilate le plus et l'acier le moins. En mode bilame, une lame cuivre–acier se courbe du côté de l'acier (le métal qui se dilate le moins) et coupe un circuit électrique, comme le thermostat d'un fer à repasser. D’autres expériences montrent la dilatation surfacique et volumique d’une plaque et d’un cube (β ≈ 2α, γ ≈ 3α), un liquide dans un ballon muni d’un tube fin et de l’air qui pousse un index (les gaz se dilatent le plus, puis les liquides, les solides le moins), ainsi qu’un lac qui gèle par le haut parce que l’eau est la plus dense à 4 °C.
Leçon : Dilatation thermique
Ce qu’elle montre
Quand on chauffe une substance, ses particules s’agitent davantage et occupent plus de place : elle se dilate ; en refroidissant, elle se contracte. Une tige s’allonge de ΔL = α·L₀·Δt, une surface augmente avec β ≈ 2α et un volume avec γ ≈ 3α. Les liquides se dilatent bien plus que les solides, et les gaz encore plus, car leurs particules sont moins liées. Un liquide dans un ballon de verre montre sa dilatation apparente : la dilatation réelle moins celle du verre. L’eau est particulière : elle est la plus dense vers 4 °C, donc les lacs gèlent par le haut. Bilames et joints de rails en sont des applications courantes.
Mode d’emploi
Choisissez une expérience avec les onglets. Avec Trois tiges, allumez le brûleur et cliquez sur Noter les mesures à plusieurs températures. Dans Surface et volume, choisissez le Métal et comparez ΔA et ΔV à α. Dans Liquides et gaz, cliquez sur Allumer le brûleur et regardez le niveau du tube fin baisser puis monter ; une fois stable, cliquez sur Noter les mesures, changez la Température du bain-marie et recommencez. Dans L’eau à 4 °C, réglez la Température de l’air en hiver et regardez le lac geler.
Paramètres modifiables
- Expérience Trois tiges métalliques et comparateurs, Bilame cuivre–acier, Plaque et cube : dilatation surfacique et volumique, Liquides et gaz dans des ballons, L’eau à 4 °C et un lac qui gèle
- Longueur initiale de chaque tige 200–1000 mm
- Température ambiante 10–35 °C
- Température maximale de chauffage 60–300 °C
- Métal (plaque et cube) Aluminium, Cuivre, Acier
- Liquide du ballon Eau colorée, Éthanol coloré, Mercure
- Température du bain-marie 30–75 °C
- Température de l’air en hiver -20–10 °C
Questions à explorer
- Pour une même élévation de température, quelle tige s'allonge le plus et laquelle le moins ?
- Si vous doublez la longueur initiale L₀, que devient ΔL pour la même élévation de température ?
- Pourquoi le bilame cuivre–acier se courbe-t-il vers l'acier quand on le chauffe, et comment cela éteint-il la lampe ?
