Collection · Thermomètre de Galilée
Fabriquer un thermomètre de Galilée : une expérience de densité en 2 heures
Fabriquer un thermomètre de Galilée maison est possible avec un vase d'un litre, de l'eau et 4 ou 5 petits flacons lestés, à condition d'accepter une résolution de 5 °C : l'eau ne se dilate que de 0,02 % par degré, quatre fois moins que le liquide des modèles du commerce. L'objet obtenu illustre la poussée d'Archimède ; il ne remplacera pas un thermomètre.
Ce que l'on peut vraiment obtenir
Un modèle vendu en boutique utilise un hydrocarbure qui perd 0,08 à 0,09 % de densité par degré, et des sphères lestées au milligramme. À la maison, on remplace le liquide par de l'eau du robinet, dont la densité passe de 0,9991 à 20 °C à 0,9957 à 30 °C, soit un écart de 0,34 % sur 10 °C. Un flotteur de 20 g doit donc être ajusté à 0,07 g près pour changer d'état entre 20 et 30 °C. Avec une balance de cuisine à 0,1 g, on obtient de façon réaliste 3 à 4 flotteurs espacés de 5 °C, par exemple 15, 20, 25 et 30 °C. C'est suffisant pour voir les flotteurs basculer entre une pièce fraîche et une pièce chaude, et pour comprendre le fonctionnement du thermomètre de Galilée.
Matériel
| Élément | Spécification | Rôle |
|---|---|---|
| Récipient | Vase ou bocal cylindrique transparent, 25 à 35 cm de haut, 1 à 2 L | Colonne de liquide, hauteur suffisante pour voir les groupes se séparer |
| Liquide | Eau du robinet ou eau déminéralisée, 1 goutte de liquide vaisselle | Fluide dont la densité varie ; le tensioactif évite que les bulles collent aux flotteurs |
| Flotteurs | 4 à 5 mini-flacons en verre ou en plastique rigide de 10 à 20 ml, à bouchon étanche, identiques | Sphères de densité fixe |
| Lest | Sable fin, grenaille ou petites vis, plus quelques gouttes d'eau pour l'ajustage fin | Régler la masse de chaque flacon |
| Balance | Balance de cuisine ou de précision à 0,1 g, idéalement 0,01 g | Le poste clé : la résolution du thermomètre en dépend |
| Référence | Thermomètre numérique de cuisine ou d'intérieur à ±0,5 °C | Contrôler la température des bains de calibrage |
| Bains | Deux saladiers, eau froide du robinet (12 à 15 °C) et eau tiède (30 à 35 °C) | Créer les températures de réglage |
| Étiquettes | Ruban adhésif étanche ou fil de laiton avec plaquette | Marquer la température de chaque flotteur |
Les étapes
- Préparer la colonne. Remplir le vase d'eau, ajouter une goutte de liquide vaisselle, laisser reposer 1 heure pour que l'eau soit à température ambiante et que les bulles dissoutes remontent.
- Mesurer le volume d'un flacon. Le plonger fermé dans un verre doseur : l'eau déplacée donne son volume, par exemple 18 ml. La masse cible pour flotter entre deux eaux dans l'eau à 20 °C est donc 18 × 0,9982 = 17,97 g.
- Lester grossièrement. Mettre du sable ou des vis dans chaque flacon jusqu'à 0,3 g sous la masse cible, refermer, vérifier qu'il flotte juste sous la surface.
- Calibrer le premier flotteur dans un bain à 20 °C. Amener un saladier à 20 °C (mélange froid et tiède, contrôlé au thermomètre numérique). Ajouter de l'eau goutte à goutte dans le flacon, refermer, plonger. Quand il reste suspendu entre deux eaux ou descend très lentement, il est réglé : l'étiqueter « 20 °C ».
- Répéter pour 15, 25 et 30 °C. Chaque flotteur est réglé dans son propre bain. Le flotteur « 30 °C » sera le plus léger (l'eau chaude est moins dense), le « 15 °C » le plus lourd. L'écart de masse entre voisins ne fait que 0,03 à 0,04 g pour un flacon de 18 ml.
- Assembler. Placer les flotteurs dans la colonne, attendre 30 minutes, lire selon la méthode de lecture d'un thermomètre de Galilée : la température est celle du flotteur le plus bas du groupe du haut.
Règle de réglage : un flotteur qui coule à sa température cible est trop lourd de quelques centièmes de gramme ; retirer une goutte d'eau (0,05 g) et refaire l'essai. Travailler par gouttes, jamais par pincées de sable.
Erreur fréquente : calibrer à l'air libre puis tester dans l'eau du robinet
L'erreur qui fait échouer la plupart des tentatives est de régler les flotteurs à la balance seule, sans bain de calibrage. Une balance de cuisine à 0,1 g ne distingue pas deux flotteurs qui diffèrent de 0,03 g ; seul le bain à température contrôlée tranche. Deuxième cause d'échec : une bulle d'air accrochée sous le flacon, qui ajoute 0,01 à 0,05 g de poussée et fait remonter un flotteur pourtant bien réglé. La goutte de liquide vaisselle et un passage du doigt sous le flacon règlent le problème. Enfin, calibrez dans la même eau que celle de la colonne : les sels dissous de l'eau du robinet modifient sa densité de 0,02 à 0,05 %.
Variantes et sécurité
Remplacer l'eau par de l'alcool isopropylique ou de l'éthanol à 70 % multiplie par quatre la variation de densité et permet un pas de 2 °C, mais le liquide s'évapore, dissout certains plastiques et pose un risque d'inflammation ; c'est réservé à un adulte avec un récipient fermé. L'huile de paraffine de pharmacie fonctionne aussi. Pour une expérience avec des enfants, restez à l'eau : les flotteurs se manipulent, se rouvrent et se recalibrent sans danger. La version historique de l'Accademia del Cimento, décrite dans notre page sur l'histoire du thermomètre de Galilée, utilisait déjà de l'esprit-de-vin pour cette raison.
Liquides inflammables : éthanol, isopropanol et huile de paraffine ne doivent jamais être chauffés au bain-marie près d'une flamme ou d'une plaque. En cas d'utilisation, travailler dans une pièce aérée, loin de toute source de chaleur, et garder le récipient bouché.
Pour qui ce n'est pas fait
Ce montage ne sert pas à mesurer une température : résolution de 5 °C, réponse en 30 minutes, dérive avec l'évaporation de l'eau de la colonne. Il ne convient pas non plus à quelqu'un qui veut un objet de décoration durable ; un modèle scellé du commerce, choisi dans le guide du thermomètre de Galilée, restera lisible pendant des décennies. L'intérêt est ailleurs : deux heures d'expérience sur la densité, la dilatation et la précision des mesures, pour un collège, un atelier ou un après-midi de curiosité.
Pages liées
- Thermomètre de Galilée : le guide complet
- Fonctionnement et physique de la densité
- Lire un thermomètre de Galilée
- Histoire : Galilée et l'Accademia del Cimento
- Quelle précision attendre
- Baromètre de Goethe
- Comment fonctionne un thermomètre
- Calibrer un thermomètre
- Meilleur thermomètre de cuisine (pour la référence)
Questions fréquentes
Quel liquide utiliser pour fabriquer un thermomètre de Galilée ?
De l'eau pour une expérience sans risque, avec une résolution de 5 °C environ. L'alcool à 70 % ou l'huile de paraffine se dilatent quatre fois plus et permettent un pas de 2 °C, mais sont inflammables et réservés à un adulte dans un récipient fermé.
Avec quoi remplacer les sphères en verre ?
Des mini-flacons de 10 à 20 ml à bouchon étanche, en verre ou plastique rigide, tous identiques. On les leste avec du sable ou des vis, puis on ajuste goutte à goutte avec de l'eau.
Pourquoi mes flotteurs restent tous en haut ou tous en bas ?
Soit ils n'ont pas été calibrés dans un bain à la bonne température, soit une bulle d'air est accrochée dessous, soit la colonne n'est pas encore à la température de la pièce. Attendre 30 minutes, passer le doigt sous chaque flacon et vérifier la température du bain avec un thermomètre numérique.
Quelle précision peut atteindre un thermomètre de Galilée maison ?
Environ 5 °C avec de l'eau et une balance à 0,1 g, 2 °C avec de l'alcool et une balance à 0,01 g. Les modèles du commerce atteignent ±1 °C grâce à un liquide hydrocarbure et à des lests en laiton ajustés au milligramme.