Astronomie : le jour, la journée

Le maître interroge la classe entière : à quoi sert un calendrier ?

Il peut encourager les élèves à sortir leur agenda ou à regarder le calendrier affiché en classe.

Les élèves font habituellement des réponses variées du type :

- cela sert à se souvenir des choses à faire, à connaître les dates des fêtes, des anniversaires, des vacances, à compter les jours et les années…

Toutes les réponses sont inscrites au tableau et discutées collectivement.

La classe récapitule ce qui a été appris pendant cette séance, et le maître note cette conclusion collective au tableau. Un exemple de conclusion peut être :

Un calendrier sert à se repérer dans le temps. Il existe plusieurs types de calendriers dans le monde : grégorien, musulman, hébraïque… Ils sont découpés en jour, mois et années, avec des décalages entre eux.

Chaque élève note cette conclusion sur son cahier d’expériences.

Le maître annonce que les prochaines séances permettront de comprendre ce que sont ces jours, ces mois, et ces années, et comment les différents calendriers fonctionnent.

Il peut proposer aux élèves d’établir la liste des questions qu’ils se posent à ce propos et de noter ces questions sur une affiche, qui restera présente pendant toute la durée du projet. Petit à petit, on notera les questions auxquelles on a apporté des réponses.
Les questions restées sans réponse feront l’objet de recherches documentaires.

Après que quelques élèves aient rappelé la conclusion de la séance précédente (il existe plusieurs sortes de calendriers dans le monde) ...

a) ... le maître engage une discussion collective autour des mots « jour » et « journée », l’objectif étant de les distinguer.
En effet, dans le langage courant, le mot « jour » possède plusieurs sens : il signifie aussi bien clarté, jour de la semaine, durée de 24 heures, période pendant laquelle il
« fait jour » (et pas nuit), etc.
Au cours de cette discussion, le maître tente de séparer jour et journée de cette façon :
– la journée est la période pendant laquelle « il fait jour », c’est-à-dire pendant laquelle le Soleil reste au-dessus de l’horizon (espace de temps entre le lever et le coucher du soleil)
– le jour est une période de 24 heures (on ne sait pas trop, à ce stade, à quoi cela correspond par rapport au Soleil).

b) Le maître demande à la classe : Comment faire pour savoir qu’il s’est écoulé un jour, si on n’a pas de montre ?

Les élèves, répartis en petits groupes (trois ou quatre enfants maximum), relèvent, à plusieurs moments de la journée, la taille et la position de l’ombre de l’un d’entre eux.
L’ombre est tracée à la craie sur le sol et mesurée de la tête aux pieds.
Les enfants dont on mesure l’ombre se tiennent bien à la verticale, pieds joints et dos au Soleil.
Ils se placent au même endroit à chaque fois, pour ne faire varier qu’un seul paramètre entre les différentes observations. Pour chaque mesure, les élèves notent dans le cahier d’expériences la taille de l’ombre et l’heure.
Les mesures peuvent être effectuées à 9 h 30, 11 heures, 14 heures en été (13 heures, si l’heure d’hiver est en vigueur, cette mesure étant la plus importante car proche du midi solaire : la taille de l’ombre est alors minimale) et 15 h 30.

Note scientifique

On admet communément que le midi solaire correspond à 14 heures en été (13 heures en hiver), à la montre. Ça n’est qu’une approximation car le moment auquel le Soleil passe au plus haut dépend de la longitude du lieu d’observation : il n’est donc pas le même sur tout le territoire français (de Brest à Strasbourg, il y a presqu’une heure de décalage !).

Une fois la première mesure réalisée, en attendant d’effectuer les autres mesures quelques heures plus tard, les élèves tentent de prévoir les résultats futurs. Le maître leur donne la consigne :
dessinez dans votre cahier d’expériences l’ombre telle que vous pensez l’observer à 11 heures, puis à 14 heures et à 15 h 30. Faites attention à l’orientation et à la taille de l’ombre.

Note pédagogique

Les dessins produits sont souvent maladroits, mais ne traduisent pas forcément une mauvaise compréhension du phénomène étudié (pour s’en assurer, on invite les élèves à venir présenter leurs hypothèses au tableau et à les commenter). La plupart savent en effet que l’ombre doit être orientée dans la direction opposée au Soleil, et qu’elle doit être d’autant plus courte que le Soleil est haut dans le ciel. En revanche, dessiner cette scène (3D) sur une feuille ou au tableau (2D) peut s’avérer difficile.

Le lendemain, on consacre quelques minutes à vérifier l’hypothèse de la veille, à savoir que, 24 heures plus tard, le Soleil est revenu à la même place (les ombres ont la même orientation et la même taille que celles de la veille à la même heure).

Ombres mesurées par tous les groupes de la classe le mardi matin et après-midi, et le jeudi aux mêmes heures. On constate qu’au cours de la journée les ombres changent de taille et que, d’une journée à l’autre, elles ont la même taille si on les mesure à la même heure. Photographie prise dans une classe de CM1.

Note scientifique

Ceci n'est bien sûr qu'une approximation : la longueur des ombres varie d'un jour sur l'autre (l'ombre est de plus en plus courte si on va vers le solstice d'été, de plus en plus longue si on va vers le solstice d'hiver). Néanmoins, en 1 journée, cette différence de taille est très faible : on peut considérer, ici, que les ombres ont la même taille.

Dès cette séance, et jusqu’à la fin du projet, la classe peut adopter un nouveau « rituel » : chaque jour, un ou plusieurs élève(s) note(nt) les heures de lever et de coucher du Soleil, ainsi que les phases de la Lune. Cela permettra, par la suite, de travailler sur les saisons, les jours, et les mois. Pour que les relevés des enfants soient exploitables dans la séquence 3 séance 3, on peut faire dessiner par les élèves l’ensemble des « apparences » de la Lune sur une feuille quadrillée, et noter sous chaque dessin la date d’observation. L’enseignant organise une séance de dessin collective dans la cour à un moment où la Lune est visible pour insister sur la qualité du dessin et la rigueur avec laquelle il convient de noter la date d’observation. S’il en a la possibilité, il prend la Lune en photo. De retour en classe, il affiche au tableau l’ensemble des dessins de la classe ainsi que la photographie de la Lune. Si besoin, il demande aux élèves de refaire leurs dessins.

Après avoir revu les conclusions de la séance précédente, l’enseignant explique que cette séance a pour but de comprendre pourquoi il y a des jours et des nuits sur Terre.

Il pose la question à toute la classe et note les réponses au tableau : pourquoi il y a des jours et des nuits sur Terre ?

Note pédagogique

Les enfants connaissent déjà la réponse à cette question : la Terre tourne sur elle-même. Mais cette connaissance n’est en général pas justifiée. Une séance comme celle-ci sert davantage à apprendre une démarche de raisonnement qu’un fait (déjà connu de tous). En effet, peu d’élèves ont, à ce stade, le réflexe d’envisager toutes les solutions possibles et de les examiner une par une : ils ont tendance à se contenter de la solution qui leur paraît la plus évidente.

Les réponses des enfants sont, par exemple :
– le jour, c’est devant le Soleil ; la nuit, c’est de l’autre côté ;
– le Soleil n’éclaire qu’un seul côté de la Terre ;
– la Terre tourne autour du Soleil ;
– la Terre tourne sur elle-même ;
– le Soleil tourne autour de la Terre…
Elles ne sont pas exclusives : les deux premières, qui sont identiques, servent également aux trois dernières.

L’enseignant répartit les élèves en groupes et leur distribue le matériel.

Chaque groupe essaye de reproduire l’alternance jour/nuit avec ce matériel et teste toutes les hypothèses émises précédemment.

Si les élèves utilisent ce matériel pour la première fois, il est sans doute nécessaire de les laisser tâtonner quelques minutes, puis de revenir au dispositif en précisant qu’il s’agit d’un modèle (on peut également employer le terme « maquette »), qui représente la réalité de façon simplifiée et qui sert à réfléchir (et pas uniquement à être manipulé).

Notes pédagogiques

• Il est préférable d’utiliser des ampoules montées sur un support plutôt que des lampes de poche, car celles-ci ont une faible puissance et un faisceau étroit : ce faisceau n’éclaire en général pas toute la sphère terrestre, ce qui fausse l’interprétation des expériences.
• Une pièce avec des rideaux foncés permet de créer une obscurité suffisante à l’obtention de bons contrastes.

La dernière partie de cette séance peut être l’occasion d’une recherche documentaire sur ces questions historiques, en salle informatique.

Voir à ce sujet le dossier trouvé dans le livre 'Histoire-Géographie CM1/Collection Magellan/éd. Hatier" sur "Copernic et Galilée". (voir les deux fichiers joints)

Le maître rappelle ou fait rappeler par les élèves la conclusion des séances précédentes : la Terre tourne sur elle-même en 24 heures.

Puis, il pose la question : dans quel sens la Terre tourne-t-elle ?

Les réponses sont très diverses (vers la droite, vers l’ouest, ça dépend…), aussi est-il préférable d’ajouter : que peut-on faire pour savoir dans quel sens elle tourne ?

Ce jeu de rôle a pour avantage de faire vivre le changement de référentiel « avec le corps », ce qui est plus facile que de se le représenter mentalement.

La grande majorité des enfants, sinon la totalité, est ainsi convaincue que les sens de rotations doivent être inversés, comme l’étaient les sens de translation dans l’analogie du train et du paysage.

La classe peut donc conclure collectivement : si l’on voit le Soleil tourner dans le sens des aiguilles d’une montre, cela signifie que la Terre, vue du pôle Nord tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Cette conclusion est notée dans le cahier d’expériences.

Note scientifique

Dans l’hémisphère Sud, il faut bien sûr inverser cette proposition : on voit le Soleil tourner dans le sens inverse des aiguilles d’une montre ; donc, vue du pôle Sud (par en dessous), la Terre tourne dans le sens des aiguilles d’une montre.

L’enseignant présente les fonctionnalités de base et l’interface du logiciel : le défilement du temps, les différents boutons, le zoom, le changement de lieu ou de date…

Les principales commandes restent à disposition des élèves sous la forme d’une affiche présente dans la classe (fiche 2).

La séance se termine par un exercice permettant de s’assurer que chacun maîtrise les bases de Stellarium.

La consigne peut être :
– se placer à Paris, au 1er janvier 2009, et observer le mouvement apparent du Soleil ;
– se mettre à 5 h 00 et regarder dans toutes les directions : constater qu’il fait nuit ;
– faire défiler le temps pour voir successivement le lever puis le coucher du Soleil.

Notes scientifiques

• La durée du jour varie légèrement au cours de l’année, autour d’une valeur moyenne de 24 heures. Les raisons de ce phénomène sont hors de portée des élèves de l’école primaire. Au cours de cette séance, on choisit de mesurer la durée du jour le 3 novembre 2009, parce qu’à cette date, la durée du jour est réellement de 24 heures.
• Au cours de la séance, on mesure la durée du jour… pas celle de la journée (voir séquence 1 séance 1).

L’enseignant peut, selon les possibilités et ses préférences, diriger la séance (un ordinateur avec un vidéo-projecteur) ou aller en salle informatique pour laisser à chaque
élève la possibilité d’utiliser le logiciel, en donnant les consignes indiquées sur la fiche 3.

La mesure de la durée du jour se fait en repérant la date et l’heure de deux passages successifs du Soleil dans la direction du sud.

Lecture

A. de Saint-Exupéry, Le Petit Prince : le passage sur l’allumeur de réverbère est particulièrement intéressant, à ce stade de la progression pédagogique.

Quiz

• Le matin, le Soleil se lève-t-il vers l’est ou vers l’ouest ?
• En France, quand le Soleil est au plus haut dans le ciel, se trouve-t-il dans la direction du nord, du sud, de l’est ou de l’ouest ?
• En France, en été, quand le Soleil est au plus haut, quelle heure est-il à ta montre : 12 heures, 13 heures ou 14 heures ?

Débat : Que se passerait-il si la Terre s’arrêtait de tourner ?

La succession des jours et des nuits impose le rythme biologique de la plupart des espèces vivantes.
Si la Terre s’arrêtait de tourner sur elle-même, nul doute que ces cycles seraient perturbés.
Déjà, lors d’une éclipse totale de Soleil, les oiseaux s’arrêtent de chanter et les animaux domestiques sont « étonnés » de cette ambiance nocturne inattendue.
En outre, une moitié de la Terre serait constamment éclairée (la température augmenterait fortement), tandis que l’autre serait plongée dans une nuit permanente (où la température diminuerait jusqu’à devenir glaciaire). La vie des abysses ne serait guère perturbée : il fait nuit en permanence au-delà de quelques centaines de mètres de profondeur. Même chose pour la vie souterraine !