TP MESURE DE DURÉE - ÉTALONNAGE DE CLEPSYDRES

I. Objectifs :

-           Mettre en œuvre une méthode de mesure de durée très ancienne : la clepsydre.

-           Mettre en évidence l’influence de divers paramètres sur l’écoulement pour optimiser la mesure de durées

II. Étalonner et utiliser une clepsydre :

1- Historique

Dès le XVème siècle avant J.-C., les Egyptiens eurent l’idée de mesurer des durées à partir du volume d’eau s’écoulant d’un vase percé : c’est la clepsydre ou « voleuse d’eau » : ce vase clos et calibré de telle sorte que l'eau mette toujours le même temps à s'en écouler ne mesure que des durées, mais se révèle indispensable la nuit ou par mauvais temps en complément du cadran solaire.

La phrase soulignée est extraite d’un article de science et vie de mars 2004.

De quels paramètres la régularité de l’écoulement peut-elle dépendre ?

 

2- Le dispositif expérimental

On utilisera des récipients de différentes formes pour remplacer le vase supérieur et une éprouvette graduée pour le vase inférieur (voir les schémas ci-dessous).

Coller verticalement une bande de papier millimétré sur la l’éprouvette graduée.

Pourquoi le récipient supérieur doit-il être ouvert en haut  ?

3- L’étalonnage :

Remplir le récipient d’eau en maintenant l’orifice fermé.

Déclencher le chronomètre et libérer le liquide en même temps.

Graduer la bande de papier en repérant le niveau de l’eau toutes les 5 secondes, à l’aide d’un chronomètre. Mesurer h, l’abscisse de chaque graduation, l’origine étant choisie quand l’éprouvette est vide.

(On présentera  les résultats expérimentaux dans un tableau ci-dessous).

t (s)

0

                                      

h(……)

0

                                      

Les traits repérant le niveau de l’eau sont-ils équidistants ?

Tracer la courbe h (m) en fonction de t (s).

Que peut-on dire du débit de l’eau ? ( mesuré en mL.s -1 ). L’écoulement peut-il être qualifié de « régulier » ?

Comparer les graphes obtenus par des groupes ayant des récipients différents et les commenter.

Dans la clepsydre antique représentée sur la photo, où devaient se trouver les graduations ? Justifier alors sa forme.

4. Application: Mesure de la durée d’écoulement du sable d’un sablier à l’aide des différentes clepsydres étalonnées

- Mesurer la hauteur d’eau  recueillie  pendant  un écoulement du sablier      hsablier  = ………………

- En déduire, à l’aide de la courbe, la durée d’écoulement du sablier        tsablier   = ……………… s           tsablier = ……………… min.

- Noter dans le tableau ci-dessous les mesures pour les différentes clepsydres.

groupe

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t (min)

                  

 - Donner la valeur estimée sous la forme : tsablier = tmoyen ±  e (e est l’incertitude de la mesure) : tsablier(min)  =         ±  

- Une mesure acceptable doit avoir une incertitude inférieure à 10% de la valeur mesurée. Est-ce le cas ?

- Recenser les causes des écarts de mesures