Les ombres et lumières

Discipline
Sciences de la vie et de Terre
Niveaux
CM1, CM2.
Auteur
I. PERRY
Objectif
- Identifier et caractériser différents signaux (sonores, lumineux, radio...).
- Mobiliser ses connaissances sur la lumière et les ombres pour expliquer et comprendre le phénomène d’alternance du jour et de la nuit
- Repérer et comprendre le mouvement apparent du soleil au cours d’une journée et son évolution au cours de l’année.
- Connaître le sens et la durée de rotation de la Terre sur elle-même.
- Savoir interpréter le mouvement apparent du Soleil par une modélisation.
Relation avec les programmes

Cycle 3 - Programme 2020

  • Proposer, avec l'aide du professeur, une démarche pour résoudre un problème ou répondre à une question de nature scientifique ou technologique :.
  • Organiser seul ou en groupe un espace de réalisation expérimentale.
  • Rendre compte des observations, expériences, hypothèses, conclusions en utilisant un vocabulaire précis.
  • Utiliser différents modes de représentation formalisés (schéma, dessin, croquis, tableau, graphique, texte).
Dates
Créée le 21 octobre 2020
Modifiée le 29 décembre 2020
Statistiques
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Licence
CC-BY-NC-SALicence Creative Commons : Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Partage des conditions initiales à l'identique ?.

Déroulement des séances

1

Qu’est-ce que la lumière, qu’est-ce que l’ombre ?

Dernière mise à jour le 23 décembre 2020
Discipline / domaine
Sciences de la vie et de Terre
Objectif
Savoir qu’un objet a une ombre s’il est placé entre une source lumineuse et un écran.
Savoir qu’à plusieurs sources lumineuses correspondent plusieurs ombres.
Savoir expliquer la variation de la forme de l’ombre d’un objet en fonction de la distance source lumineuse / objet et de la position de la source lumineuse
Comprendre que la lumière se déplace de façon rectiligne dans un milieu homogène.
Expérimenter la dimension créative de dispositifs mettant en jeu des notions
liées à la transparence, l’opacité, la source lumineuse, l’angle d’incidence …
Durée
255 minutes (7 phases)
Matériel
- lampe de poche
- papier canson blanc servant d'écran
- des bouchons de liège, des piques à brochette
- (activité 3) un ensemble de matériaux ou matières: bois, carton, métal, papier, verre, plastique, tissus, "main"

1. Activité 1 - Comment obtenir une ombre ?

binômes | 45 min. | découverte

Questionnement de départ

Cette séance permet de se familiariser avec le matériel, les concepts  et le vocabulaire.

Que signifie les mots :  lumière, ombre, pénombre et obscurité ? Rechercher des illustrations pour appuyer les définitions (photographie, reproductions de tableaux). Nommer différentes sources de lumière (en distinguant lumière naturelle et lumière artificielle), des lieux obscurs (grottes, caves, salle de cinéma, etc.) ou encore des animaux nocturnes ou vivant dans l'obscurité : chauvesouris, chouettes, taupes... 

Expérimentation

Dans un second temps, on approfondit ce sujet en étudiant et en expérimentant plus précisément la façon dont naissent les ombres.

Qu’est-ce qu’une ombre ? Quand peut-on la voir ? Comment peut-on la fabriquer ?  Dessinez une ombre sur votre cahier d'expérience et tout ce qu'il faut pour l'obtenir.

 L'ombre est noire ; elle n'a pas de détail.  Elle ressemble et est "attachée" à l'objet qui la produit Pour obtenir une ombre, il faut du soleil. ou une lampe.

Les élèves notent ce qui va leur falloir pour produire une ombre ; ils expérimentent, observent puis réalisent un schéma.

Pour qu'il y ait une ombre, il faut : une source de lumière, un support qui reçoit la lumière et l’ombre, un objet placé entre les deux. 

Les élèves doivent se rendre compte que pour faire une ombre, il faut : une source de lumière, un objet dans la lumière et une surface sur laquelle on peut voir l’ombre. Ils doivent aussi comprendre qu'en fait un objet a deux ombres : l'ombre propre et l'ombre portée. L'ombre propre correspond à la partie non éclairée de l'objet qui reçoit un rayon lumineux. L'ombre portée correspond à la zone non éclairée de l'écran qui est placée derrière un objet éclairé.  A bien plus grande échelle ce phénomène s’applique à la Terre. Le jour et la nuit sont bien des questions d’ombre propre (nous sommes dans la zone d'ombre propre de la terre) et les éclipses d’ombre portée.

Dans le cas où la source lumineuse n'est pas ponctuelle (lampe de poche) mais étendue (soleil, lampadaire), une zone d'ombre plus pâle apparait autour de l'ombre. C'est la pénombre. Pour obtenir une lumière plus ponctuelle, il est possible d'adapter un cylindre de papier noir fixé à l'extrémité des lampes de poche.

Corrigé de l'exercice l'ombre de Peter n'est pas au bon endroit par rapport à la source de lumière et elle n'est pas bien orientée.

Trace écrite

Si nous éclairons un objet avec une source de lumière assez petite , nous remarquons une zone éclairée et une zone d'ombre, La lumière part de la source pour éclairer l'objet : on dit qu'elle se propage dans l'air. Lorsqu'elle rencontre l'objet, une moitié de l'objet  est éclairée et l'autre moitié est dans l'ombre. Les rayons ne passent pas à travers.  L'ombre propre est la région de l'objet qui ne reçoit que peu de  lumière de la source. Si l'on place un écran derrière l'objet, une ombre est visible sur l'écran : c'est l'ombre portée.

Légendes du schéma : source de lumière, faisceau lumineux (=rayons de lumière), ombre portée, ombre propre, objet, écran, zone d'ombre

2. Activité 2 - Les ombres portées ont-elles toujours une forme proche de celle de l'objet qui les produit ?

binômes | 45 min. | recherche

Recherche et expérimentation

Observation et lecture de la page de l'album .....Papy s'il te plait dessine-moi un oiseau ; papy croise ses mains et l'oiseau d'ombre sur le mur s'envole. D'après ce texte, que faut-il faire pour modifier la forme de l'ombre d'un objet ?  Quel domaine artistique est basé sur la modification de la forme des ombres ?

Quelles formes d'ombres sont envisageables avec notre objet-bouchon ? Quels facteurs doit-on modifier pour obtenir ces formes d'ombres ?

Enoncé d'hypothèses puis expérimentation.

Pour modifier la forme de l'ombre d'un objet, on peut :

- changer l'orientation de l'objet par rapport à la source de lumière

- changer l'orientation de la source de lumière par rapport à l'objet 

- utiliser une surface- écran non lisse 

Trace écrite

Pour modifier la forme de l'ombre portée d'un objet, il faut changer son orientation par rapport à la source de lumière.

Activité décrochée en arts plastiques

Réaliser un portfolio d'illustrations  comportant des ombres ; les trier selon différents critères :  formes, surfaces sur lesquelles elles se projettent, source de lumière qui les produit …

Présentation du diaporama "Shadow's art"; Dans les sculptures d’ombres, l’ombre est un matériau à part entière. Les sculptures d'ombre sont construites selon un dispositif de projection, composé d’une source lumineuse (spot, vidéoprojecteur, bougie) et d’un écran (mur, sol, toile…) sur lequel apparaît l'ombre portée d'un ou plusieurs objets assemblés, fixe ou en mouvement,.  Les oeuvres obtenues sont figuratives.

Fiche hda Kuli Yamashita : 1 à 9 (2011) assemblage de chiffres en bois permettant la représentation du visage d'un enfant.Kumi Yamashita  est une artiste japonaise installée à NY qui joue dans ses sculptures avec les ombres et les lumières. Elle sculpte l’ombre en jouant avec des matériaux divers comme des feuilles de papier ou des plaques d'acier, des lettres ou des volumes en bois qu’elle va mettre en relation avec une seule source lumineuse. L’œuvre d’art complète est donc composée à la fois de quelque chose de matériel et d'immatériel.  

Fiche hda Christian Bortanski :  « Théâtre d’Ombres »   17 figurines en cartons, métal, bois, plumes, écorces, suspendues à des fils de fer  au centre d'une pièce aveugle et mises en mouvement par un ventilateur.  Plusieurs projecteurs de lumière blanche sont posés au sol.  Les ombres projetées sur les murs évoquent les jeux, les histoires et les peurs de l’enfance, les récits mythologiques, les danses macabres ou la tradition des théâtres d’ombres chinois et indonésiens.

Consigne 1 - Avec un carré de papier légèrement froissé sur les bords, essayez d'obtenir un profil humain. Vous prendrez en photo votre oeuvre.

Consigne 2 -  Vous devrez concevoir et construire un dispositif qui permettra de produire l’ombre portée sur un écran vertical d’une figure d'au moins 20 cm sur le thème de l'air et de pouvoir la faire tourner autour de ce même objet . 

3. Activité 3 : Tout ce qui se trouve sur Terre a-t-il une ombre ?

binômes | 45 min. | recherche

Questionnement oral :

Enseignant :  Nous avons observé qu'un objet placé sur le chemin d'un faisceau lumineux l'arrête et que l'on obtient alors une ombre portée sur un écran placé derrière l'objet.  Mais tous ce qui nous entoure a-t-il les mêmes propriétés vis à vis de la lumière, tout ce qui nous entoure a-t-il une ombre ? 

Réponse attendue : L'air n'a pas d'ombre, La lumière passe à travers. C'est transparent. Le verre, l'eau sont aussi transparent.

Enseignant :  On qualifie d'opaque une matière qui ne laisse pas passer la lumière.  La propriété d'opacité est le contraire de la transparence.

Triez les matières et matériaux à votre disposition selon qu'ils laissent ou non passer la lumière.

Les élèves expérimentent et classent les échantillons en opaques ou transparents.

Le problème se posera sans doute pour les objets translucides. Pour mieux comprendre cette notion, les élèves auront à leur disposition un verre rempli d'eau dans lequel ils verseront petit à petit du lait jusqu'à rendre le milieu translucide puis presque opaque.

Le papier-calque, le gypse, le verre dépoli ou la peau humaine, à travers laquelle on peut voir les veines, sont des exemples de matériaux translucides. Beaucoup de matériaux (verre, tissu, papier, plastique...) deviennent translucides en fonction de leur épaisseur ou de leurs caractéristiques. Un rideau en coton tissé serré sera ainsi opaque alors qu'un rideau fin et de couleur claire sera translucide, laissant passer la lumière du soleil. De même, un papier mouillé ou huilé devient translucide. Certains animaux comme les méduses ou les grenouilles sont aussi translucides.

Trace écrite - 

Le rayon lumineux traverse plus ou moins un objet placé sur son chemin, selon la nature de celui-ci. Un milieu opaque ne laisse pas passer la lumière et ne permet pas de voir des objets à travers lui.  Il peut aussi la renvoyer comme les miroirs. Un milieu transparent permet le passage de la lumière et une vision nette des objets à travers lui. Un milieu translucide laisse passer les rayons lumineux mais il diffuse la plupart d'entre eux. On peut voir à travers l'objet mais on ne peut pas le distinguer nettement ; il parait flou.

(un échantillon d'une matière de chaque type est collé)

4. Activité 4 - Un objet opaque peut-il avoir plusieurs ombres ?

binômes | 30 min. | découverte

Défi 1 - Vous allez devoir  obtenir deux ombres distinctes  pour un même objet.

Emission d'hypothèses pour répondre à ce défi. Les élèves vont sans doute penser à plusieurs sources lumineuses. Ils testent leur hypothèse.

Défi 2 - Vous allez devoir cette fois obtenir deux ombres pour un même objet avec une seule source lumineuse et un miroir. L’objectif est d’aborder le concept de réflexion de la lumière, permettant de créer une source lumineuse secondaire.

Les élèves tâtonnent afin de trouver le bon positionnement des deux « sources » afin d’obtenir deux ombres nettes.

Comment faire disparaitre l'ombre portée d'un objet sans éteindre la lumière ?

Il faut éclairer l'ombre portée avec un lumière assez forte qui ne soit pas dans l'alignement de l'objet.

Trace écrite - Pour obtenir deux ombres d’un même objet il est nécessaire d’avoir deux sources lumineuses : soit deux sources primaires (par exemple deux lampes ), soit une source primaire et une source secondaire. Une source de lumière secondaire réfléchit c'est à dire renvoie la lumière émise par la source primaire (objet métallique, aluminium, miroir…)

5. Activité 5 - Un objet opaque peut-il avoir une ombre portée colorée ?

collectif | 30 min. | découverte

Enseignant : Quelles est la couleur de l'ombre d'un objet opaque ? 

Réponse attendues - Elle est noire, grise.

Enseignant - Peut-on obtenir des ombres de couleur d'un objet opaque ?

Réponse attendues - En éclairant l'objet avec des lampes de couleur.

Eclairez l'objet-bouchon avec une lampe munie successivement de filtres de couleurs différentes. Complétez les schémas de la page 6 du folio. (tracer et mise en couleur de l'ombre, mise en couleur de la zone de l'écran en dehors du cône d'ombre)

L’ombre de n’importe quel objet éclairé par une unique source de lumière, est toujours noire, et ceci quelle que soit la couleur de la lumière et quelle que soit la couleur de l'objet.

Eclairez un verre coloré transparent avec une lumière blanche, puis avec des lampes munies de filtres de couleur. Notez vos observations.

On obtient sur l'écran la projection colorée de l'objet. Ce n'est pas une ombre.

 Un filtre est un objet transparent et coloré qui laisse passer certaines lumières colorées et en absorbe d’autres. . 

Observez ce qui se passe quand vous éclairez un objet opaque avec deux sources lumineuses, l'une verte et l'autre bleu de telle façon d'obtenir deux ombres sur un écran vertical.

Le fond de l'écran éclairé par les deux sources apparaît  bleu cyan (le mélange en couleur lumière du bleu et du vert) . Les ombres sont colorées, l"une bleue (l'objet opaque empêche à cet endroit la lumière verte de passer) et l'autre verte (l'objet opaque empêche à cet endroit la lumière bleue de passer) 

Une zone d’ombre totale devrait être noire. C’est rarement le cas du fait de l’éclairage de cette zone par des objets diffusants (le ciel par exemple). De ce fait, on observe plutôt des ombres grises. 

Trace écrite

Avec une seule source de lumière, quelque soit sa couleur, l'ombre portée sur un écran est toujours noire car l'objet est opaque. Pour réaliser deux ombres colorées, on doit disposer de deux sources lumineuses distinctes. 

6. Activité 6 - Comment les rayons lumineux se déplacent-ils ?

binômes | 30 min. | recherche

L’enseignant allume une lampe torche puissante dans la pièce placée dans l'obscurité. Décrivez ce que vous voyez. Les enfants pourront remarquer les poussières tout au long du trajet lumineux ,mais les rayons lumineux ne sont pas visibles. On ne voit que ce qui est éclairé.  La lumière part de la torche et arrive jusqu'au plafond mais que se passe-t-il entre les deux ? On ne voit pas le chemin que prend la lumière. 

Réalisez le défi qui vous est proposé page 7.  schématisez votre expérience et enfin répondez à la question "Comment se propage un rayon lumineux ?"

Pour que le faisceau de lumière atteigne la cible,  on doit aligner la source lumineuse, le trou et la cible. On peut conclure que la lumière se propage en ligne droite.

Le faisceau lumineux est invisible à l'oeil nu à moins moins de placer sur ce chemin des particules (fumée, brouillard, poussière de craie.) qui, en diffusant la lumière, rendront sa propagation visible.

Maintenant que nous savons que le trajet de la lumière est rectiligne, comment pourrait-on faire dévier un faisceau lumineux ? 

Les enfants penseront la plupart du temps à utiliser un miroir.

Trace écrite

On appelle source lumineuse tout ce qui produit de la lumière. Certaines sources sont artificielles, comme les lampes, les bougies, les lucioles, d’autres sont naturelles comme le Soleil ou une flamme. Puisque la lumière n'est pas une matière, au lieu de dire qu'elle se déplace on utilise le terme se " propage ". On parle également de propagation pour un son. Dans un milieu transparent, la lumière se propage en ligne droite, de la source  vers l'objet éclairé.  L'ensemble des rayons de lumière émis par une source forme un faisceau de lumière  qui  est invisible dans  l'air.  Lorsqu'un rayon lumineux rencontre un miroir, il est réfléchi et part dans une autre direction.

7. Activité 7 - Comment peut-on faire grandir ou rétrécir une ombre ?

binômes | 30 min. | recherche

Prenez un crayon de couleur. Mesurez-le. Placez correctement la lampe pour que l’ombre du crayon soit le double de sa taille  puis pour que le crayon et son ombre aient exactement la même taille. Notez dans un tableau la mesure de l'ombre,  la distance entre l'écran et le crayon, la distance entre la source de lumière et l'objet.

Pour obtenir une ombre 2 fois plus grande, il suffit de placer l’objet à mi-distance entre l’écran et la source. 

Trace écrite

Lorsque la distance entre la source de lumière et l'objet augmente, la taille de l'ombre portée diminue. Dans le cas inverse, si la source et l'objet se rapprochent, l'ombre sera plus grande.

2

Du soleil et des ombres

Dernière mise à jour le 29 décembre 2020
Discipline / domaine
Sciences de la vie et de Terre
Objectif
- Se repérer, décrire ou exécuter des déplacements sur un plan ou sur une carte.
- Accomplir, décrire, coder des déplacements dans des espaces familiers.
- Décrire les mouvements de la Terre (rotation sur elle-même et alternance jour-nuit, autour du Soleil et cycle des saisons).
- Connaître les mouvements de la Terre sur elle-même et autour du Soleil.
Durée
305 minutes (5 phases)
Informations théoriques
Le mouvement observé du Soleil dans le ciel est qualifié d’apparent, ce qui ne signifie pas qu’il s’agit d’une illusion. Il est tout à fait correct, avec les élèves, d’employer des expressions comme « mouvement du Soleil par rapport à l’horizon ».
Chaque jour (voir fig.1), le Soleil apparaît vers l’Est, monte dans le ciel, culmine en passant au-dessus du Sud (dans l’hémisphère Nord), redescend et disparaît vers l’Ouest (cette affirmation n’est pas vraie dans les régions polaires). En Europe, la trajectoire du Soleil est parcourue de gauche (Est) à droite (Ouest) pour un observateur situé face à lui (regardant donc vers le Sud)

1. Activité 8 - Des boussoles pour repérer des positions

binômes | 45 min. | recherche

Mettre des boussoles à disposition des élèves.

Questionnement : qu’indique l’aiguille et qu'est-ce qui la fait tourner ?  Comment l’aiguille "sait-elle" où est le nord ?  Quand on tourne la boussole, l’aiguille prend-elle des directions différentes si on la déplace ?

L'aiguille tourne et se positionne toujours dans la même direction quand on tourne la boussole. Elle indique le nord. Lorsqu'on a trouvé le nord et que l'on y fait face, le sud est dans notre dos, l'est à notre droite et l'ouest à gauche. Un morceau de fer approché de la boussole provoque immédiatement le mouvement de l’aiguille. 

Trace écrite  : légende du schéma de la boussole p9  (aiguille aimantée sur pivot, flèche de direction, cadran gradué avec flèche d'orientation)

Continuer l’expérience dans la cour. Pour matérialiser la direction Nord-Sud les élèves pourront tendre leurs bras. Sur la photo aérienne du quartier de l'école (p10 du folio), les élèves localisent différents lieux (stade, bâtiments du groupe scolaire, parking...) ; ils orientent la photo en y traçant une flèche indiquant le nord.
De retour en classe : ils placent les quatre points cardinaux sur les murs de la classe (attention à bien tenir éloigner les boussoles de surfaces métalliques)
Exercices sur le folio p 9, 10, 11

La Terre est un très gros aimant parcouru par un champ magnétique qui passe du Nord au Sud. Notre planète a un pôle magnétique nord et un pôle magnétique sud. 
La boussole est également un aimant, beaucoup plus petit. Comme des aimants s'attirent, l'aiguille aimantée de la boussole se place dans le même sens que le champ magnétique de la Terre et indique toujours la direction du nord. la boussole indique le nord magnétique mais ce n'est pas tout à fait le pôle nord, tel qu'on en parle en géographie. Ils sont séparés par quelques centaines de kilomètres.

2. Activité 9 - Comment varie notre ombre au cours de la journée ?

collectif | 45 min. | découverte

1 - Rappel des séances précédentes sur les ombres et questionnement de départ

Questionnement - Pour obtenir une ombre, il faut une source lumineuse, un écran et un objet opaque. Nous avons noté qu'avec une lampe et un écran vertical, il était possible de modifier la taille, l'orientation et la forme d'une ombre. Si l'on considère maintenant comme source de lumière le soleil, notre ombre est-elle toujours la même au cours de la journée ?

 Elle est plus grande ou plus petite,  devant ou derrière nous ; parfois, on n'a pas d'ombre. Cela dépend de la position du soleil, il est parfois en bas, et à midi, il est en haut, c'est là que l'on a pas d'ombre. Le soleil tourne autour de nous. 

2 - Le gnomon (folio p12)

Lecture du document p12 du folio. Pour mesurer le temps, nos ancêtres utilisaient un gnomon, c'est à dire un bâton planté verticalement dans le sol. Ils plaçaient alors sur le sol un caillou à  l'extrémité de l'ombre portée du bâton à différentes heures de la journée ; ils avaient fabriqué un cadran solaire simple.

Vous allez à votre tour fabriquer un gnomon en suivant le protocole décrit. 

L’enseignant a affiché les relevés de tous les groupes. 

Mise en commun Les élèves comparent leurs relevés et constatent que, quel que soit les endroits où ils ont été effectués, ils sont identiques.

Au cours de la journée, l'ombre portée du bâton n'a pas la même longueur, ni la même position.  Le matin, le soleil est à l'est et est bas sur l'horizon ; l'ombre du bâton est longue et orientée vers l'ouest. À midi, l'ombre est la plus courte et orientée vers le nord, car le Soleil est au plus haut sur l'horizon. L'après-midi, l'ombre va s'allonger vers l'est.

Le moment où l’ombre est la plus courte est appelé le midi solaire, l’ombre définit alors précisément la direction nord-sud ; elle ne se situe pas exactement à midi.

Tracer une courbe en  (p13)

 

4 - Modélisation du mouvement apparent du soleil

 En classe, avec le relevé effectué dans la cour, un cure dent comme gnomon et une lampe de poche , vous allez chercher à reproduire les mêmes ombres. 

Chaque groupe essaye de trouver le mouvement de la lampe permettant de simuler le mouvement apparent du Soleil de son lever à son coucher afin d’arriver à reproduire à la fois le mouvement des ombres et l’évolution de leur longueur.  Il s'agit pour eux de superposer les ombres du cure dent avec celle du gnomon, en ayant pris soin au départ de bien orienter la feuille de relevé d'ombres réalisé en extérieur avec une boussole.  Il identifie alors les directions successives prises par le soleil dans le ciel. Il schématise le mouvement de la lampe. 

Les ombres sont toujours dans la direction opposée au soleil, et tournent avec lui. Le matin, elles sont plutôt orientées vers l’Ouest car le soleil est à l'Est ; le soir c'est l'inverse. A midi, l’ombre devient de plus en plus courte mais ne disparaît jamais complètement, le soleil est alors haut  dans le ciel. 

Certains élèves positionnent la lampe trop près du cure-dent ou reproduisent de manière aléatoire les différentes ombres; le maitre leur rappelle que le soleil ne joue pas au yoyo dans le ciel et leur indique qu'il s'agit de respecter une certaine chronologie du matin vers le soir. 

5 - Trace écrite

Quand on fait l’expérience du gnomon, on a l’impression que le soleil tourne autour de la Terre : c'est, le mouvement apparent du soleil. Le gnomon nous permet de connaître la position du soleil à différents moments de la journée : on dit qu'il  se lève à l’Est et se couche à l’Ouest. 

3. Activité 9 - Le jour et la nuit

collectif | 45 min. | découverte

Avec l'expérience du gnomon, nous avons  appris  que le soleil le matin se trouvait à l'est et le soir à l'ouest. A votre avis quelles hypothèses peut-on émettre pour expliquer ce phénomène et donc ainsi comprendre l'alternance des jours et des nuits ?

1e hypothèse - La Terre tourne sur elle-même ; le Soleil ne bouge pas

2e hypothèse - La Terre ne bouge pas et le Soleil tourne autour d'elle.

3e hypothèse : La Terre tourne autour du Soleil

Les enfants connaissent savent déjà sans doute que la Terre tourne sur elle-même et qu'elle tourne aussi autour du soleil. Il s'agit dans cette séance d'adopter une démarche scientifique en testant les différentes hypothèses pour n'en garder qu'une seule.

Chaque groupe doit vérifier une hypothèse en mettant en oeuvre un modèle à l'aide du matériel proposé : la Terre sera une boule de polystyrène sur un pique à brochette, le Soleil une lampe de poche et le gnomon un  petit pique à brochette placé au niveau de la France.

Testez l'hypothèse qui vous a été donnée ; vous devez faire bouger les ombres du gnomon d'ouest en est, comme ce qui avait été observé dans la cour. 

On ne peut pas choisir, avec cette expérience, si la Terre tourne sur elle-même ou si le Soleil tourne autour de la Terre.  Pour que les ombres se déplacent comme dans leur relevé d’ombre, la Terre doit tourner d’Ouest en Est. 

Pour choisir la bonne hypothèse, les élèves regarderont la vidéo des fondamentaux sur Ptolémée et Copernic afin de mettre en évidence le fait que c'est la terre qui tourne autour du soleil (questionnaire p17 du folio)

Si on fait tourner la Terre autour du Soleil uniquement (c’est-à-dire sans faire tourner la Terre sur elle-même), on reproduit bien une alternance jour/nuit. Dans ce cas, le cycle jour/nuit dure… un an, et pas 24 heures. La trajectoire «apparente » du Soleil s’effectue de la gauche vers la droite pour un observateur situé face à celui-ci. La rotation de la Terre sur elle-même s’effectue donc de la droite vers la gauche, c’est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, si on la regarde depuis l’espace en un point situé au-dessus du pôle Nord. La question est donc : comment les astronomes ont-ils fait pour le savoir. Le maître explique l'évolution des théories du repère héliocentrique  de Copernic à celui du repère  géocentrique de Galilée.

 

Trace écrite

La Terre effectue un mouvement de rotation sur elle-même.. Elle met environ 24 heures pour effectuer un tour complet : cela provoque l’alternance des jours et des nuits. La Terre, vue du pôle Nord, tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le Soleil éclaire en permanence une partie de la Terre. Dans l’Antiquité, on pensait que la Terre était au centre du Monde et que tous les astres tournaient autour d’elle (système géocentrique de Ptolémée). Il a fallu attendre le 16ème siècle pour que des savants remettent vraiment en cause ce modèle. Nicolas Copernic (1473 – 1543) a proposé un système dans lequel les planètes tournent autour du Soleil, placé au centre (système héliocentrique).Par ses observations astronomiques, Galilée (1564 – 1642) a confirmé les idées de Copernic : les planètes tournent bien autour du Soleil.

4. Activité 10 : la durée des jours

collectif | 120 min. | découverte

Maitre  Que se passerait-il si la Terre s’arrêtait de tourner ?
Elève 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).

Maitre A quelle heure fait-il à peu près nuit dans notre ville en ce moment ?

Elève vers 18h.

Maitre D'après ce que nous avons vu à la séance précédente, fait-il nuit à la même heure dans tous les lieux situés sur le même méridien ? ( montrer un globe avec deux punaises sur le même méridien)

Elève Oui puisque qu'une partie de la Terre était dans l'obscurité et l'autre dans la lumière avec un axe vertical. 

Maitre - Pour vérifier cette hypothèse,  nous allons utiliser un logiciel de modélisation en 3D, Stellarium. 

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

Sur les ordinateurs, les élèves placent le curseur sur différents lieux du planisphère situés dans l'hémisphère nord sur le méridien 0. Ils notent les heures de lever et coucher du soleil. 

Folio p18  Les lieux proposés par le tableau sont placés sur un planisphère ; les élèves calculent la durée du jour pour chacun d'eux. Les élèves remarquent que plus on va vers le nord, plus la durée du jour est grande.

Réponses sur les durées du jour : Castellon  15h1min , Paris 16h8min, Ouargla 14h12min, Tema 12h24min , Vanse 18h21min, Longyearbyen  24h

Lorsqu'il fait jour à Paris, si l'on suit le même méridien, il fait nuit au pôle nord. En utilisant une lampe, une boule de polystyrène et deux punaises localisant Paris et Longyearbyen , essayez de modéliser cette situation. Il doit faire en même temps jour à Paris et nuit à Longyearbyen.

On doit incliner l'axe de rotation de la Terre.

Maintenant la Terre reprend sa rotation. Que se passe-t-il au niveau de nos deux punaises ?

Sur l'une des deux punaises, il ne fait jamais jour.

.Folio p18 - 2  Observation du diagramme des variations de la durée du jour et de la nuit à Longyaerbyen, au pôle nord. Au mois d'octobre à quelle heure le soleil se lève-t-il ? A quelle heure se couche-t-il ? Quelle est la durée du jour ?

Durant 3 mois, (janvier, novembre, décembre)  il fait toujours nuit : c'est la nuit polaire ; durant 4 mois (mai, juin, juillet, août) il fait toujours jour  c'est le jour permanent ou le soleil de minuit.

Trace écrite - 

L’axe de rotation de la Terre est légèrement incliné ; c'est ce qui explique que la longueur du jour en deux points du globe peut être différente. A certains moments de l'année, les régions qui sont à l'intérieur du cercle polaire arctique ne sont jamais éclairées par le soleil. C'est la nuit polaire.

5. Activité 11 - Les saisons

collectif | 50 min. | découverte

1 Questionnement de départ

Maitre Puisque la Terre tourne sur elle-même en 24 heures, on devrait avoir 12 heures de jour et 12 heures de nuit. D’après ce que vous remarqué au quotidien, est-ce que c’est toujours le cas ?

Elèves : L'été, les jours sont plus longs que l'hiver. 

Folio p20 :

- calcul des durées des jours au cours de l'année à Paris

- tracé des courbes correspondant aux heures de lever et de couchers du soleil à Paris au cours de l'année. Distinguer dans un graphique, les axes horizontaux et verticaux. Le premier, correspondant aux mois de l'année, le second aux heures de la journée. Sont placées les saisons

Que pouvez-vous dire sur la durée des jours et des nuits au cours de l'année à Paris ?

Analyse du graphique  L’été, le soleil se lève tôt  et la durée du jour est la plus importante. -L’hiver le soleil se lève tard ET la durée du jour diminue . Le jour le pus court est en décembre ; la nuit est à peu près deux fois plus longue que le jour. On a également deux mois où la durée du jour est égale à la durée de la nuit : septembre et mars.  

2 - Modélisation

Questionnement

Maitre Comment doit être incliné l’axe pour obtenir à Paris une journée très longue par rapport à la nuit ?

Elève Le côté nord est incliné vers le Soleil 

Maitre et pour que l'on obtienne l'inverse en hiver ?

Elève Il faudrait qu'il soit incliné de l'autre côté, que le côté nord soit le plus éloigné du soleil.

Maitre Quel mouvement de la Terre peut justifier ces remarques ? Nous savons déjà qu'elle tourne sur elle même en 24 heures ce qui provoque des jours et des nuits, que son axe est incliné ce qui explique que la durée des jours et des nuits n'est pas la même partout sur le globe. Comment peut-on alors justifier le fait que la durée du jour durant l'année n'est pas la même en un même point ?

Le sens d'inclinaison de l'axe de la Terre change au cours de l'année ; la Terre tourne autour du soleil en gardant la même orientation. On sait déjà que le soleil ne tourne pas autour de la Terre donc cette Hypothèse n'est pas retenue.

Les élèves modélisent leur hypothèses avec une lampe et une boule de polystyrène.

 La Terre tourne autour du Soleil en environ 365 jours. On appelle ce mouvement une révolution. Elle parcourt cette trajectoire en gardant toujours son axe incliné dans la même direction. Cette inclinaison explique la variation de la durée de la journée au cours de l’année. Lorsque le pôle Nord est le plus proche du Soleil, le jour apparaît d'abord dans l'hémisphère Nord, puis à l'équateur, et enfin dans l'hémisphère Sud. Les journées sont plus longues dans l'hémisphère Nord, plus courtes dans l'hémisphère Sud et durent 12 heures à l'équateur. C'est le solstice d'été dans l'hémisphère Nord, et le solstice d'hiver dans l'hémisphère Sud. Lorsque aucun des pôles n'est plus proche du Soleil que l'autre, le jour se lève en même temps sur tous les points d'une même longitude. Les journées et les nuits durent 12 heures en tout point du globe. Ce sont les équinoxes de printemps et d'automne. Les saisons sont donc dues à la révolution de la terre autour du soleil et à l’inclinaison de l’axe de rotation de la terre sur elle-même. La trajectoire apparente du Soleil dans le ciel se modifie  au cours des saisons. Aux latitudes de l’Europe, elle est la plus courte au solstice d’hiver(le Soleil se lève alors pratiquement au sud-est et se couche pratiquement au sud-ouest) et la plus longue au solstice d’été (le Soleil se lève pratiquement au nord-est et se couche pratiquement au nord-ouest). Ce n’est qu’aux équinoxes de printemps et d’automne que le Soleil se lève exactement à l’est et se couche exactement à l’ouest (sur un horizon parfaitement horizontal).La durée de la journée évolue au fil de l’année. Dans les régions tempérées, elle est la plus courte à la date du solstice d’hiver et la plus longue à la date du solstice d’été. À la date des équinoxes, la durée de la journée (mesurée entre le coucher et le lever du Soleil sur un horizon fictif parfaitement horizontal) est pratiquement égale à 12 heures. Il y a alors égalité entre la durée de la journée et celle de la nuit, c’est l’origine du mot «équinoxe». 

Les dates des solstices et des équinoxes changent légèrement d’une année à l’autre. Dans l’hémisphère Nord, elles se situent autour des dates suivantes : 21 septembre (équinoxe d’automne) ; 21 décembre (solstice d’hiver) ; 21 mars (équinoxe de printemps) ; 21 juin(solstice d’été).