Expérience de la dilatation
Expérience de la dilatation des solides
Quand on chauffe un solide, il s'allonge un tout petit peu (il se dilate) ; quand il refroidit, il reprend sa taille (il se contracte) : des expériences simples permettent de le voir.
Objectifs
- Réaliser et décrire des expériences qui montrent la dilatation d'un solide.
- Observer que la longueur d'une tige augmente quand sa température augmente et diminue quand elle baisse.
- Savoir que l'allongement dépend de la matière, de la longueur et de l'élévation de température.
- Expliquer quelques situations de la vie courante (rails, ponts, fils électriques).
1. Ce que l'on observe tous les jours
Autres exemples : en saison chaude, les fils électriques entre deux poteaux pendent davantage ; sur les ponts et les rails, on laisse de petits espaces entre les morceaux de métal ou de béton. Toutes ces observations ont la même explication : la dilatation.
2. Expérience 1 : la boule et l'anneau
Matériel : une boule en métal accrochée à une chaînette, un anneau en métal dans lequel la boule passe tout juste à froid, une flamme (bec Bunsen ou réchaud à gaz), une pince, un récipient d'eau froide.
À froid, la boule traverse l'anneau de justesse.
On chauffe la boule quelques minutes dans la flamme : elle ne passe plus, elle est devenue plus grosse.
On la plonge dans l'eau froide (ou on attend) : elle reprend sa taille et passe de nouveau.
Après avoir été chauffée, la boule ne passe plus dans l'anneau. Pourquoi ?
3. Expérience 2 : la tige qui s'allonge (dilatomètre à aiguille)
Montage : une tige métallique est fixée solidement à une extrémité. Son autre extrémité repose sur un petit rouleau relié à une aiguille, devant une graduation. On chauffe la tige sur toute sa longueur avec plusieurs flammes.
Légende le montage : place chaque nom sur la bonne partie.
Ce qu'on observe (exemple résolu)
Kofi allume les flammes sous la tige de fer, attend deux minutes, puis éteint. Que fait l'aiguille ? Cherche d'abord, puis dévoile les étapes.
flowchart LR A[Tige froide] -->|on chauffe| B[Tige dilatee] B -->|aiguille tourne| C[Allongement visible] B -->|on laisse refroidir| D[Tige contractee] D -->|aiguille revient| A
À quoi sert la longue aiguille du dilatomètre ?
4. Expérience 3 : tous les métaux ne s'allongent pas pareil
Pour une tige de 1 m dont la température augmente de 100 °C, les allongements sont environ :
| Métal | Allongement pour 1 m et +100 °C |
|---|---|
| Fer (acier) | environ 1,2 mm |
| Cuivre | environ 1,7 mm |
| Aluminium | environ 2,3 mm |
Manipule : l'axe horizontal donne l'élévation de température (en °C), l'axe vertical l'allongement en millimètres. Le curseur \(L\) est la longueur de la tige en mètres, le curseur \(k\) caractérise le métal (12 pour le fer, 17 pour le cuivre, 23 pour l'aluminium).
Exemple résolu : le rail de chemin de fer
Un rail en acier de \(30\ \text{m}\) passe de \(20\ ^\circ\text{C}\) la nuit à \(50\ ^\circ\text{C}\) en plein soleil, le long d'une voie ferrée au Sahel. De combien s'allonge-t-il ? (Pour l'acier : 1,2 mm par mètre et pour 100 °C.)
Voir la solution
La température augmente de \(50 - 20 = 30\ ^\circ\text{C}\).
Pour 1 m et 100 °C : 1,2 mm. Pour 1 m et 30 °C : \(1{,}2 \times \dfrac{30}{100} = 0{,}36\ \text{mm}\).
Pour 30 m : \(0{,}36 \times 30 = 10{,}8\ \text{mm}\), soit environ 1 cm.
C'est pourquoi on laisse un petit espace (un « joint de dilatation ») entre deux rails : sans lui, les rails se pousseraient et se tordraient.
Deux tiges de fer, l'une de 1 m et l'autre de 2 m, sont chauffées de 100 °C. Comment s'allonge la tige de 2 m ?
Erreurs fréquentes
- Croire que la masse du solide augmente quand il se dilate : seule sa taille change.
- Penser que la dilatation est visible à l'œil nu : elle est très petite, d'où le dilatomètre à aiguille.
- Oublier que le solide se contracte en refroidissant : la dilatation n'est pas définitive.
- Croire que tous les métaux se dilatent de la même façon.
Récapitulatif
- Un solide chauffé se dilate, un solide refroidi se contracte ; sa masse ne change pas.
- Boule et anneau : la boule chauffée ne passe plus, refroidie elle repasse.
- Dilatomètre à aiguille : la tige chauffée s'allonge et fait tourner l'aiguille.
- L'allongement dépend de la matière, de la longueur et de l'élévation de température.
- Applications : joints de dilatation, rails, ponts, fils électriques, couvercle à ouvrir.
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