Université d'été « Enseigner les sciences à l'école primaire »

Astronomie

 

Animateurs : Hélène Merle, IUFM de Montpellier et Elisabeth Plé, IUFM de Reims
Rapporteur : Nicolas Poussielgue, INRP, La main à la pâte

Mise en situation des stagiaires : le cadran solaire de M. Martin

La table est la partie plane du cadran où les graduations des heures sont notées ;
le style (ou stylet) est la tige du cadran qui va créer une ombre sur la table.

Le cadran solaire présenté est réglable. On peut incliner la table, le style et le cadran tout entier. Les graduations sont notées sur la table et sont régulières.

(NB : ce cadran solaire équatorial est inspiré du modèle proposé dans Midi au Soleil de P. Bourge et J. Fulcrand).

Déroulement

L'atelier, d'une durée de trois heures, commence par la présentation de la situation de départ. Chaque groupe, composé de 4 ou 5 stagiaires, est ensuite laissé en autonomie pendant deux heures et est libre d'utiliser le matériel disponible. Une phase de mise en commun et de retour sur la démarche a lieu pendant la troisième heure. Les animateurs passent régulièrement dans les groupes pour relancer la discussion et recadrer la recherche.

Énoncé de la situation de départ

M. Martin, habitant de la Grande Motte, vient d'acheter un petit cadran solaire. Afin qu'il puisse l'utiliser correctement, nous vous demandons de l'aider à l'installer, à le modifier et à l'utiliser.

A terme vous devez pouvoir argumenter vos choix, vous présenterez vos résultats lors de la mise en commun.

Vous pouvez disposer d'un certain nombre de ressources que vous nous demanderez. Nous avons essayé d'imaginer ce dont vous pourriez avoir besoin. Nous sommes là pour vous aider mais pas pour vous donner la réponse.

Matériel à disposition

  • Un cadran solaire réglable par groupe.
  • Globes terrestres, sphères en polystyrène diamètre = 30cm, projecteurs de diapositives ou rétroprojecteurs, demi-sphères transparentes, supports pour les globes.
  • Aiguilles à tricoter, piques brochettes.
  • Cures dents, pâte à modeler, règles graduées, compas, ruban, ciseaux, ficelle, boussole, transparents.

Si vous voulez connaître la solution du problème afin de mieux comprendre les interrogations des stagiaires en situation de recherche, nous vous invitons à consulter en fin d'atelier la partie " Compléments scientifiques ", notamment celle relative aux cadrans solaires.

Parcours des groupes

Chaque groupe démarre alors son exploration. Nous relatons ici les parcours de recherche et les discussions qui ont eu lieu en parallèle dans quelques groupes.

Parcours du groupe n°1

Nous nous demandons tout d'abord s'il faut poser le cadran à l'horizontale ou à la verticale ? Et puis quelle orientation faut-il lui donner ? L'orientation du style a-t-elle une importance ?

Concernant l'orientation du style, nous avons raisonné et expérimenté ainsi :

sachant que la Terre fait un tour en 24 heures et qu' un tour représente 360°, la Terre tourne de 15° chaque heure (360°/24=15°).

En faisant faire à la Terre un huitième de tour, soit une rotation de 3 heures, équivalente à 3 x 15° = 45°, l'ombre du style devrait tourner du même angle, c'est-à-dire d'un angle de 45°.

Première hypothèse : le style doit être planté verticalement par rapport au sol.

Protocole permettant de la tester :

  • Sur un globe en polystyrène, à la latitude de la Grande Motte, on plante un style vertical par rapport au sol.
  • On éclaire ensuite le globe avec un projecteur de diapositives (qui représente le Soleil).
  • A l'aide d'un stylo, on repère la position de l'ombre du style sur le globe.
  • On tourne ensuite le globe autour de son axe d'un angle de 45°, puis on repère à nouveau l'ombre du style.

L'angle entre les deux ombres est très différent de 45°, cette hypothèse est donc infirmée.

Deuxième hypothèse : en un lieu donné, le style doit être planté parallèlement à l'axe de rotation de la Terre (axe des pôles).

En réalisant le même protocole, on constate que l'angle entre les ombres à trois heures d'intervalle est bien de 45°. Cette hypothèse semble donc valable.

Nous nous posons la question suivante : cela fonctionne-t-il à toutes les saisons ?

L'expérience est refaite en changeant la hauteur du Soleil (on surélève le projecteur). On constate que cela fonctionne toujours ; il semblerait donc qu'une direction parallèle à l'axe des pôles soit à retenir pour l'inclinaison du style.

Parcours du groupe n°2

Nous réfléchissons à quoi correspondent l'heure solaire et l'heure légale. Nous convenons que notre cadran indiquera l'heure solaire et que nous devrons procéder ensuite à la conversion en heure légale.

Les cadrans sont fixes sur les maisons, ils sont positionnés de manière à recevoir le Soleil toute l'année. Certaines orientations ne semblent pas convenir, par exemple, un cadran vertical ne fonctionne que sur 180°. Un cadran horizontal placé dans un endroit dégagé aurait donc des avantages : il pourrait fonctionner toute l'année.

A l'extérieur, au Soleil, nous avons essayé d'orienter le cadran pour que celui-ci fonctionne au moins une fois ! Nous avons regardé l'heure à notre montre (9h 30) et avons positionné le cadran pour qu'il indique la bonne heure. Nous nous sommes rendus compte que plusieurs positions étaient possibles pour que celui-ci indique la bonne heure.

Nous avons identifié trois paramètres que l'on peut faire varier :

  • l'inclinaison du style,
  • l'inclinaison de la table,
  • l'orientation de l'ensemble.

Premier problème que nous essayons de résoudre : comment orienter l'ensemble ?

Il faut utiliser le nord et le sud ; nous repérons un point fiable : le midi solaire Nous savons que le Soleil est au sud à midi et nous pouvons repérer cette position à l'aide d'une boussole.

Intervention d'une animatrice : " Pour progresser, vous devriez essayer de matérialiser la course du Soleil ".

Nous construisons une maquette à partir d'une demi-sphère transparente (saladier retourné). Nous y collons une série de gommettes pour représenter la course du Soleil en hiver ; nous plaçons ainsi 8 gommettes (une pour chaque heure) entre le sud-est (le Soleil se lève en hiver vers le sud-est) et le sud-ouest (le Soleil se couche en hiver vers le sud-ouest). Au-dessus nous plaçons une série de gommettes pour représenter la course du Soleil en été, 16 gommettes du nord-est au nord-ouest.

Nous plaçons ensuite un style verticalement, sous la demi-sphère. Ensuite nous éclairons le style avec une lampe de poche. Nous constatons qu'avec un style vertical, les ombres ne sont pas à la même position pour la même heure en été ou en hiver. Il nous faut incliner le style pour que cela devienne possible. Nous avons donc compris qu'il fallait une orientation bien précise mais ne savons pas dire exactement laquelle.

Intervention d'une animatrice : " Vous repérez la course du Soleil par rapport à quel axe ? " nous conduit à penser que le style devrait être parallèle à l'axe des pôles.

Parcours du groupe n°3

Nous faisons comme première hypothèse que le cadran doit être orienté au sud et installé verticalement. Nous profitons du Soleil pour aller essayer notre cadran à l'extérieur, il est 9 heures. Nous faisons coïncider l'ombre du style avec la graduation n°8 correspondant à l'heure solaire. Nous le fixons et revenons une heure plus tard. Horreur, le cadran indique maintenant 7 heures ! Il tourne à l'envers !

L'animatrice intervient et nous précise qu'il fallait positionner le cadran à l'horizontale.

Nous revenons à l'intérieur et discutons :

- Je ne vois pas ce que l'on doit régler. Quand tu achètes un cadran solaire en France, tu dois pouvoir l'utiliser au Danemark !

- Crois-tu que si tu l'achètes à Lille, tu ne peux pas l'emporter en vacances dans le sud ? Je pense que c'est l'inclinaison du cadran qui est importante et pas celle du style.

Nous passons ensuite à une phase de modélisation avec l'aide du cadran, d'un globe en polystyrène et d'un projecteur de diapositives comme source de lumière.

Pour le réglage du cadran, nous avons beaucoup de difficultés à isoler les paramètres que sont l'inclinaison du style et l'inclinaison de la table selon la latitude. Nous choisissons de fixer l'inclinaison du style perpendiculaire à la table et faisons varier l'inclinaison de la table par rapport à l'horizontale.

Intervention d'une animatrice : " Si le Soleil fait un tour autour de la Terre, il va se déplacer de manière régulière, l'ombre va se déplacer aussi régulièrement en 24 heures. Les graduations sur votre cadran sont régulières et égales à 15°. Vous devez vérifier que l'inclinaison de votre style est telle que l'angle entre chaque ombre est de 15°. "

On pensait avoir terminé mais là, on ne comprend pas…

Finalement, ce groupe s'est orienté vers un travail de schématisation pour résoudre le problème.

Parcours du groupe n°4

Problématique : trouver la bonne inclinaison du style.

Expérimentation : nous nous sommes demandés quelle importance avait l'inclinaison de l'axe de la Terre, mais l'animatrice nous a dit de ne pas nous en occuper. Nous avons perdu beaucoup de temps avec cela.

Sur un globe blanc, nous avons tracé un méridien, planté un style perpendiculaire à la surface, sur l'équateur puis sur d'autres points en remontant le méridien jusqu'au pôle nord. Nous avons mesuré l'écart angulaire des fuseaux horaires symboliques, il est de 15°, soit 360° divisé par 24 heures. Nous avons ensuite éclairé le globe avec un projecteur. Nous avons noté la position des ombres pour chaque style. Puis nous avons fait tourner la Terre autour de son axe d'un angle de 45° (correspondant à 3 heures), Nous avons repéré les nouvelles positions de chaque ombre. Nous nous sommes un peu perdus.

Une animatrice est venue nous relancer et nous a demandé de reprendre notre réflexion à partir du pôle nord.

Au pôle, nous constatons que de 12 h à 15 h (nous faisons tourner la Terre de 45°), l'ombre d'un style vertical tourne aussi de 45°. Par contre, pour les styles posés verticalement à d'autres latitudes, l'ombre ne tourne pas du même angle. On voit très nettement que les ombres, toutes orientées nord-sud à midi, ne sont plus parallèles entre elles à 15 heures.

Pour que celles-ci restent parallèles, nous essayons une autre direction remarquable, en mettant tous les styles parallèles à l'axe des pôles. Nous constatons alors que les ombres de tous les styles restent à peu près parallèles entre elles à chaque instant. Nous en déduisons que le style doit être orienté suivant l'axe des pôles.

Synthèse

La diversité des parcours

Pour un même problème posé, les parcours ont été très différents suivant les groupes. Certains ont très vite modélisé en utilisant les globes. D'autres groupes ont manipulé à partir d'un repère local en raisonnant sur la course du Soleil vue depuis la Terre.

L'isolation des variables

Une des difficultés majeures a été d'isoler les variables. Lors de leurs premières manipulations, les groupes ont tendance à explorer tout à la fois, sans rigueur ni méthode logique. Ensuite, ils parviennent à identifier quelques variables (l'inclinaison du style, la latitude du lieu) et peuvent alors expérimenter l'effet de cette variable sur le fonctionnement du cadran solaire.

Les connaissances

Pour résoudre le problème posé, les stagiaires ont souvent cherché à utiliser d'abord leurs connaissances : " Nous essayons toujours de tenir compte de paramètres qui ne sont pas importants. Les connaissances que nous avons reçues nous semblent indispensables à replacer. La manipulation nous permet de connaître leur importance réelle. "

Dans beaucoup de cas, il a fallu d'abord comprendre ou " remettre à jour " les notions suivantes :

  • Comment la Terre tourne ? Dans quel sens ?
  • Qu'est ce qui fait les saisons ? (c'est l'inclinaison de la Terre par rapport au Soleil qui les détermine et non la distance Terre-Soleil.)
  • Quelle est la course du Soleil dans le ciel dans une journée ? Quelle sont les variations de cette course au cours de l'année ?
  • Qu'est ce que la latitude ?

La dynamique de groupe

Les échanges dans le groupe ont permis de faire avancer plus rapidement la situation, à condition qu'il y ait un langage commun. Dans un groupe, le mot " table " ne voulait pas dire la même chose pour tous et cela a bloqué le groupe pendant un bon moment.

Le rôle des animatrices

Les interventions les plus efficaces sont celles qui ont eu lieu après un temps d'écoute important, indispensable pour pouvoir guider le groupe. Cette écoute a permis par exemple de relancer vers une piste intéressante abandonnée par le groupe ou bien de faire reformuler les hypothèses et les protocoles.

Le rôle de la manipulation

Sans manipulation, les groupes reconnaissent qu'ils auraient été incapables de résoudre le problème. Il est important de noter que ce sont les confrontations entre le modèle théorique (celui que l'on a à l'esprit) et l'expérimentation qui permettent d'avancer.

Si l'on manipule sans idées de départ, on procède à un tâtonnement qui permet uniquement de se familiariser avec les objets. Si l'on manipule pour essayer de répondre à un problème, on expérimente alors réellement.

Le rôle de la documentation

La documentation a semblé indispensable à plusieurs stagiaires ; elle peut permettre en effet :

- de gagner du temps en réorientant la recherche lorsque les pistes choisies risquent d'être trop longues et de ne pas aboutir. Elle peut induire de nouvelles idées en éclairant différemment le problème et permettre de nouvelles expérimentations ;
- de généraliser la règle obtenue lors d'une expérimentation unique.

Le rôle de la modélisation

La modélisation permet de représenter le réel et de tester ses hypothèses, la seule observation à l'extérieur ne permettant pas d'avancer.

Les étapes d'une démarche d'investigation

Il est à noter l'importance de la phase de modélisation lorsque l'on aborde le thème de l'astronomie où l'on ne peut pas expérimenter sur le réel : il faut nécessairement reproduire le réel à une plus petite échelle. Les étapes identifiées sont les suivantes :

  • recueil des idées (par un questionnaire ou par une question ouverte) ;
  • observation du réel ;
  • émission d'hypothèses explicatives ;
  • modélisation du phénomène ;
  • recours éventuel à la documentation.

Pour conclure ce chapitre, le témoignage d'une participante :

" Le fait d'avoir été placée dans une vraie situation problème m'a permis vraiment de vivre et d'imaginer ce que les enfants peuvent ressentir : moment de panique, attente d'aide du groupe, tâtonnements, cheminements communs, besoin d'aide, de recentration de l'éducateur qui aide à préciser ce que l'on cherche et où on veut aller, coups d'œil vers les autres groupes pour voir si eux réussissent, mise en mots pour rapporter le résultat des recherches à l'ensemble des participants et finalement s'apercevoir que pour les autres groupes cela n'a pas été non plus très simple… ". (Huguette Farges)

Pistes d'activité pour la classe : alternance jour/nuit

Nous proposons ici des parcours pédagogiques permettant de mener une activité en classe autour du thème " Mouvement apparent du Soleil - rotation de la Terre sur elle-même ". Ces propositions ont été rédigées par les stagiaires ayant participé à l'atelier Astronomie.

Alternance jour/nuit, course du Soleil, cycle 3

Objectif de connaissance : représenter avec précision la course du Soleil au cours d'une journée. Comprendre le phénomène à l'origine de ce déplacement.

Phase 1 : recueil des représentations initiales

Consigne : demander à chaque enfant sur une première feuille de représenter les différentes positions du Soleil au cours d'une journée. On peut, en fonction du niveau, soit donner une feuille blanche, soit donner une vue panoramique de l'horizon réel identique pour tous. On peut réaliser cet horizon à partir d'un panorama de plusieurs photos, ce travail de représentation de l'horizon peut être mené auparavant dans le cadre d'une séance liée à la géographie.

On peut procéder éventuellement à l'aide d'un questionnaire :

Questionnaire

Dessine ou écris où se trouve le Soleil

  • Le matin
  • Le midi
  • Le soir

Phase 2 : confrontations et problématisation

Comparaison des représentations personnelles et mises en commun :

  • Par groupe de 4 ou 5, les enfants confrontent leurs dessins.
  • Présentation collective des réflexions de chaque groupe.

Problème : comment savoir quelle est la course réelle du Soleil ?

Solution : il faut l'observer.

 

Phase 3 : observations
Repérer les positions du Soleil au cours de la journée

Observations libres du réel

Mise en garde : dangers de l'observation directe du Soleil, ne pas regarder le Soleil directement plus de 3 secondes.

Repérage sauvage par chaque élève

  • Matériel : 2 feuilles blanches et 1 stylo par enfant

  • Consigne : sur la deuxième feuille, dessinez les différentes positions du Soleil lors de chacune de vos sorties

    • Ces observations peuvent se faire à 6 moments de la journée (3 le matin, 3 le soir).
    • Aucune consigne concernant un repère spécifique pour l'observation ne sera donnée aux enfants. Ils observent la place du Soleil à partir de différents points fixes.

En fonction de leur niveau, on laisse les enfants dessiner eux-mêmes l'horizon, soit directement, soit à partir d'un dessin de l'horizon photocopié (ensemble de photos panoramiques) sur lequel les enfants placent le Soleil à différents moments de la journée.

Problème : la comparaison des dessins (les positions du Soleil à la même heure ne sont pas les mêmes sur le paysage en fonction du point d'observation) montre que toutes les observations sont loin d'être identiques, pourquoi ?
Comment repérer précisément la direction du Soleil par rapport à l'observateur ?

Objectif : faire comprendre la nécessité d'un point fixe pour l'observation.

Observation plus précise du réel : trouver une méthode fiable d'observation

Repérage simultané de la direction et de la hauteur en plaçant des gommettes sur les fenêtres de la classe, si celles-ci sont bien exposées.

1ère étape : laisser les élèves placer les gommettes afin :

  • que l'ombre de celle-ci se trouve en un endroit de la classe ;
  • que le Soleil soit caché par la gommette pour un élève observateur situé dans la classe.

Un problème va émerger : pour la même heure, la place de la gommette change en fonction de la position de l'observateur ou de l'endroit choisi pour placer l'ombre.

2ème étape : nécessité de trouver un point fixe pour l'ombre.

Pour que le repérage soit précis, il faut que la classe se mette d'accord pour fixer un point pour l'ombre de la gommette (un cercle au centre de la classe par exemple) ou bien fixer la position de l'observateur.

Repérage de la direction

A partir d'un point fixe. Le dessin ou la photo de l'horizon permet de placer facilement le Soleil dans la bonne direction horizontale (= en azimut), par exemple au-dessus de l'arbre ou au dessus d'un immeuble (une liaison est possible avec la géographie et les arts plastiques).

Problème qui va émerger : comment représenter la hauteur du Soleil ?

Repérage de la hauteur

  • Consigne : les enfants doivent mettre au point un dispositif permettant de positionner précisément la hauteur du Soleil sur le dessin.

  • Quelques suggestions :

    • bras tendu, mettre les poings l'un sur l'autre et compter depuis l'horizon le nombre de poings jusqu'au Soleil. (il y a environ 9 poings entre l'horizon et la verticale, soit 10° par poing) ;

    • bras tendu, tenir une règle à la verticale en mettant le zéro de la règle sur l'horizontale et repérer la position du Soleil " en cm " sur la règle ;
      NB : le maître pourra fournir une échelle adaptée ; exemple : si 15 cm entre l'est et l'ouest, 15 cm en hauteur représenteront 90° (de l'horizontale à la verticale). Attention cela varie avec la longueur du bras !

    • avec un carton troué régulièrement (avec une perforeuse tous les cm par exemple). Le carton tenu à bout de bras, mettre la base du carton sur l'horizon et regarder par quel trou l'on repère le Soleil ;

    • avec un quadrillage sur papier calque ;

    • tendre le bras, poing tendu, jusqu'à cacher le Soleil avec son poing. Un camarade repère l'angle (ou la hauteur) que fait le bras avec l'horizontale (l'autre bras).

Phase 4 : modélisation

Problème scientifique à résoudre : Comment expliquer les différentes positions du Soleil au cours de la journée ?

Hypothèses probables des enfants :

  • c'est la Terre qui tourne (leur demander de préciser : est-ce la Terre qui tourne autour de quelque chose ou autour d'elle-même ? ) ;
  • c'est le Soleil qui tourne autour de la Terre ;
  • les deux sont en mouvement.

Objectifs de la phase de modélisation :

  • apprendre à utiliser des objets qui représentent le réel ;
  • comprendre les phénomènes en se situant à l'extérieur du système ;
  • reproduire le mouvement observé pendant l'observation ;
  • tester les modèles héliocentriques (la Terre tourne autour du Soleil) et géocentriques (le Soleil tourne autour de la Terre).

Durée de la séance : 45 minutes environ.

Gestion de la classe : les enfants partageant le même modèle explicatif sont regroupés par 3ou 4. Ils testeront d'abord leur modèle et ensuite essayeront de tester les modèles de leurs camarades.

Déroulement : les différents groupes réfléchissent sur leur protocole en notant leurs idées sur le cahier d'expériences, sous la forme de textes, dessins et schémas. Ils inscrivent la liste du matériel qui leur est nécessaire. Chaque groupe commence son expérimentation. On pourra suggérer l'utilisation de matériel utile aux groupes qui sont en difficulté.

Modèles possibles réalisés par les enfants

Exemple 1 : avec un globe et une source de lumière

Matériel :

  • une sphère en polystyrène (avantage : on peut dessiner facilement dessus et la transpercer d'un axe, aiguille à tricoter ou pique-brochette) ou un globe (avantage : les pays y sont représentés et l'on peut s'y situer plus facilement. Inconvénient : pas toujours facile d'y fixer quelque chose) ;
  • pâte à modeler ;
  • lampe de poche, projecteur de diapositives ou lampe de chevet sans abat-jour (attention : il faut veiller à ce que le globe soit éclairé entièrement) ;

La sphère représente la Terre. On place un peu de pâte à modeler qui représente l'observateur (le bonhomme).

Les enfants pourront alors trouver différentes manières de faire alterner le jour et la nuit pour le petit bonhomme :

  • soit en faisant tourner la lampe autour du globe ;
  • soit en faisant tourner le globe sur son axe ;
  • soit en faisant tourner le globe autour de la lampe, sans faire tourner le globe autour de son axe.

(Attention : les enfants ont tendance à faire tourner le globe d'est en ouest. Il faut donc s'assurer que le Soleil se lève bien du côté de l'est et se couche bien du côté de l'ouest pour le petit bonhomme).

Exemple 2 : par le mime

Les enfants jouent chacun un rôle :

  • 1 enfant représente le Soleil (il peut porter une source lumineuse) ;
  • 1 enfant représente la Terre (on peut apposer sur son buste un dessin représentant la carte de la France avec l'indication des points cardinaux). Ces mêmes points cardinaux peuvent être répétés à l'aide d'un manchon en papier entourant chaque poignet (EST sur le poignet gauche, OUEST sur le poignet droit) ;
  • Les autres membres du groupe observent et demandent à " l'enfant Terre " ce qu'il voit à chacune de leurs positions respectives, la consigne étant " Essayez de mimer la course du Soleil ".

Cas possibles présentés par les élèves :

  • l'élève Soleil tourne autour de l'élève Terre ;
  • l'élève Terre tourne sur lui-même d'est en ouest ;
  • l'élève Terre tourne autour de l'élève Soleil sans tourner autour de lui-même (en regardant toujours dans la même direction).

NB : à l'école primaire, il est impossible de déterminer si c'est la Terre qui tourne sur elle-même ou si c'est le Soleil qui tourne autour de la Terre en une journée ; seule une recherche documentaire peut permettre de " trancher " la question.

Positions du Soleil dans le ciel au cours de la journée, ombres : piste pour la classe, cycles 1 et 2

Jeux d'ombres 1

Objectifs de connaissance

  • découvrir l'opposition entre l'ombre et le soleil par rapport à l'objet,
  • travailler sur la topologie (devant/derrière, gauche/droite) ;
  • généraliser les observations faites au soleil en utilisant des lampes.

Phase 1 : j'ai une ombre

Dans la cour : jouer avec son ombre.

Demander aux enfants d'essayer de :

  • marcher sur son ombre ;
  • s'en détacher ;
  • voir par où on y est attaché ;
  • agir sur son ombre, l'étirer, la raccourcir (la faire la plus grande possible et la plus petite possible).

Les enfants peuvent se mettre où ils veulent, même à l'ombre. Ils doivent découvrir d'eux-mêmes la nécessité d'être au Soleil.

Dans la classe : on dessine ce que l'on vient de voir : soi et son ombre.

Affichage et confrontations. On peut s'attendre à l'émergence de représentations telles que :

  • ombres colorées ;
  • ombres détachées du corps ;
  • pas d'ombre.

Ces représentations doivent déboucher sur un débat qui nécessitera une vérification par l'observation. Vérification en retournant dans la cour et en observant.

Phase 2 : où est mon ombre ?

Dans la cour : déplacer son ombre, la mettre où l'on veut.

Situations menant à un problème : les enfants peuvent se déplacer comme ils veulent dans la cour (ou dans une zone limitée).

Situation - problème 1

En faisant une ronde, vous devez mettre toutes les ombres à l'intérieur.

Situation - problème 2

Individuellement, on met son ombre à un endroit donné, dans une position donnée. Donner une consigne tenant compte de la position du Soleil pour que cela soit impossible par rapport à un endroit prédéfini, par exemple :

  • mettre son ombre le long d'une ligne alors que le soleil arrive perpendiculairement à cette ligne ;
  • mettre son ombre dans une direction impossible (la tête vers le sud) ;
  • mettre son ombre entre 2 objets, orientée telle que l'ombre de la tête soit en direction de l'objet qui est le plus près du soleil ;
  • faire toucher l'ombre de sa tête à un objet qui est lui-même à l'ombre ;
  • faire une ombre détachée de ses pieds.

Situation - problème 3

Le matin, se placer à un endroit. Repérer l'ombre et la représenter sur le sol (à l'aide d'un camarade). Revenir l'après midi et essayer de replacer son ombre dans la même position que le matin : on ne peut plus la remettre au même endroit.

Questions communes aux situations problèmes 1, 2 et 3 : il nous est impossible de réaliser la consigne, pourquoi ?

Trace écrite : on fournit une silhouette découpée et son ombre. L'enfant doit placer le Soleil de manière cohérente ou bien on fixe la position du Soleil et l'enfant doit dessiner l'ombre de la silhouette.

Phase 3. 1. : l'ombre d'un objet

(si le soleil manque, faire d'abord la phase 3. 2.)

Situation : on veut savoir si l'ombre d'un objet fixe va se déplacer dans la journée et si oui comment ?

On ne peut pas rester dans la cour toute la journée. Il faut donc mettre un objet à la place de chaque enfant.

Soit :

  • le maître impose l'objet (quille, bouteille lestée, borne) ;
  • la classe choisit un objet commun ;
  • chaque enfant choisit son objet ; avantages : appropriation de l'objet, les ombres varieront quel que soit l'objet ; inconvénients : le relevé des ombres pourra être difficile.

Attention : si l'objet n'est pas symétrique verticalement (exemple : planche, chaise), non seulement la direction et la taille de l'ombre changeront, mais aussi la forme.

Dans la cour : chaque enfant met son objet où il veut. (même à l'ombre, afin de comprendre l'importance de la source de lumière).

Remarque : attention aux récréations, les objets restant toute une journée dehors.

Observation et relevé de l'ombre à plusieurs moments de la journée, soit en traçant les ombres sur le sol à l'aide d'une craie, soit sur une feuille ; dans ce dernier cas, fournir un papier d'un format standard identique pour tous les enfants, limiter la taille de l'objet (inférieure à la moitié de la taille maximum du papier).

Faire en sorte que tous les enfants orientent leur feuille de manière identique, en la posant soit le long d'une même ligne tracée au sol, soit le long d'une ficelle tendue au sol.

Ensuite tracer l'ombre portée :

  • soit en marquant le contour ;
  • soit en la coloriant pleinement ;
  • soit en marquant seulement l'extrémité.

NB : ne pas oublier de noter l'heure des relevés.

Il est utile aussi de demander aux enfants de faire un plan approché du paysage sur leur feuille (cela peut faire l'objet d'une séance).

Exemple :

En classe : afficher sur un mur (ou au sol) les différents tracés papier en les orientant tous de la même façon .

Demander aux élèves d'indiquer la direction des ombres à chaque heure.

Essayer de faire émerger l'idée d'ombres toutes parallèles (toutes dans la même direction) aux même heures.

Pourquoi l'ombre change-t-elle de place ? Demander aux élèves d'expliquer la raison du déplacement des ombres dans la journée. Les élèves doivent découvrir que le Soleil se déplace dans la journée.

Phase 3. 2. : reproduire une ombre

A faire de préférence un jour sans Soleil, à l'intérieur.

Problème : peut-on faire une ombre alors qu'il n'y a pas de Soleil ?

Les enfants reprennent le même objet qu'ils ont utilisé à l'extérieur et doivent essayer de faire une ombre avec. Ils n'y parviennent pas (ils peuvent néanmoins parvenir à faire des ombres avec la lumière provenant de l'extérieur ou d'une lampe du plafond mais, dans ce cas, les ombres ne seront pas nettes et seront multiples pour un même objet. Demander aux élèves de faire une ombre nette).

De quoi a-t-on besoin ?

Les enfants doivent découvrir qu'il est nécessaire d'avoir une source de lumière (lampe de poche, lampe de chevet sans abat-jour, etc.).

On laisse ensuite les enfants expérimenter et dessiner le résultat de leurs expérimentations.

Questions à poser :

  • comment obtenir l'ombre et enlever l'ombre (réponse : allumer/éteindre) ;
  • où se situe l'ombre par rapport à l'objet et à la source de lumière ;
  • comment modifier la taille et la position de l'ombre ? Quel mouvement provoque quel effet ? (réponse : variation des distances respectives et de la hauteur : modification de la taille, rotation de la source de lumière : variation de la position).

Phase 4 : synthèse

Demander aux enfants de comparer ce qu'ils ont fait à l'intérieur avec leurs observations à l'extérieur.

  • Que faut-il pour qu'il y ait une ombre ? (réponse : une source de lumière et un objet).
  • Quel est le rôle du Soleil ? (réponse : la source de lumière).
  • Pourquoi l'ombre au Soleil se déplace-t-elle ? (réponse : parce que le Soleil se déplace dans le ciel).

    Prolongements

Travail sur la longueur de l'ombre et sur le sens de déplacement de l'ombre.

Mouvement apparent du Soleil cycles 1 et 2 : piste 2

Jeux d'ombre 2

Notions scientifiques visées

  • Pour qu'il y ait une ombre, il doit y avoir une source lumineuse et un obstacle.
  • Pour que l'ombre d'un objet fixe change de place ou de taille, il doit y avoir déplacement de la source lumineuse.

Situations de départ possibles :

  • Motricité : jeux du chat perché avec l'ombre ; tâche : marcher sur l'ombre du copain.
  • Lecture d'un album (histoire d'ombre).
  • Les enfants sont gênés par le Soleil dans la classe.
  • Remarques d'un enfant dans la cour.

Représentations individuelles : dessine-toi avec ton ombre

Observations collectives des différents dessins :

Questions posées par la maîtresse :

  • L'ombre a-t-elle des yeux ?
  • Quelle est sa couleur ? (est-elle de la même couleur que l'enfant ? )
  • Est-elle toujours attachée aux pieds ?

Sur chaque dessin : question posée aux enfants, réponse dictée à l'adulte.

  • Pourquoi y a-t-il (ou n'y a-t-il pas) une ombre ?
  • Comment est la forme de l'ombre par rapport à l'objet ?

Observation du réel en extérieur :

  • Dessiner différentes ombres à un moment donné (On peut dessiner les ombres des maisons ou immeubles du quartier, les ombres des arbres). Demander aux enfants d'identifier l'objet qui crée chaque ombre.
  • Dessiner l'ombre d'un même objet à différents moments de la journée.
  • Peut-on faire des ombres un jour sans Soleil ? (à l'intérieur).

Le gnomon

Phase 1 : à l'extérieur

Placer un objet verticalement dans la cour.

Repérer les ombres de cet objet à heures fixes.

Les ombres se déplacent dans la journée, pourquoi ?

Refaire l'expérience les jours suivants

Les ombres se replacent à la même position. Pourquoi ?

(Attention, au bout de quelques semaines, le gnomon ne fonctionnera plus ; les ombres correspondant à la même heure ne seront plus au même endroit, celui-ci n'étant pas orienté suivant l'axe nord-sud mais verticalement. Pour en savoir plus, lisez la partie compléments scientifiques de cet atelier).

Phase 2 : à l'intérieur

Les élèves placent un gnomon sur une table ; ils doivent essayer de faire varier l'ombre du gnomon. A eux d'utiliser une source de lumière et de faire varier sa position pour faire varier l'ombre du gnomon.

Compléments scientifiques

Mouvement apparent du Soleil au cours d'une journée. Son évolution au cours de l'année

Pour comprendre ce phénomène il faut tenir compte de deux mouvements :

  • La rotation de la Terre sur elle-même autour de son axe en 23 h 56 min. Dans l'hémisphère nord, cet axe pointe actuellement vers une étoile appelée pour cette raison étoile polaire. Ainsi des repères, considérés comme fixes, comme les étoiles qui se situent à plusieurs dizaines ou centaines d'années lumières, sembleront faire un tour autour de la Terre en 23 h 56 min (jour sidéral).

Quant au Soleil, il semblera faire un tour en 24 h (jour solaire moyen). En effet, en un lieu donné, la durée moyenne entre deux passages consécutifs du Soleil par le méridien du lieu, ligne fictive qui en un lieu donné passe par le nord, le zénith (point au dessus de la tête de l'observateur) et le sud est de 24 h.

  • La révolution de la Terre autour du Soleil en 365, 2422 jours. C'est ce mouvement qui explique la différence de 4 minutes entre le jour solaire moyen et le jour sidéral.

L'axe de rotation de la Terre n'étant pas perpendiculaire au plan de révolution de la Terre autour du Soleil (plan de l'écliptique), la durée du jour (jour pris dans le sens de durée entre le lever et le coucher du Soleil) sera variable au cours des saisons.

Demi-sphère céleste locale

La trajectoire décrite par le Soleil au cours d'une journée dépend de la latitude à laquelle se situe l'observateur.

Un observateur situé au pôle nord est " embroché " par l'axe de la Terre. Il verra donc l'étoile polaire juste au dessus sa tête, c'est-à-dire au Zénith. En revanche, celui situé à l'équateur observera l'étoile polaire au niveau de l'horizon nord. Pour un observateur situé à une latitude l, l'étoile polaire sera à une hauteur égale à la latitude du lieu.

hauteur de l'étoile polaire :

½ sphère céleste pour un observateur en un lieu de latitude l

Elle représente la portion du ciel observable et donc limité par l'horizon du lieu.

Les saisons

La Terre fait un tour autour du Soleil en 365, 2422 jours. Son orbite est une ellipse dont le Soleil occupe un des foyers. L'excentricité de cette ellipse étant faible, on pourra (à l'école élémentaire) la considérer comme circulaire.

 

  • Si l'axe de la Terre était perpendiculaire au plan Soleil-Terre (plan de l'écliptique), il n'y aurait pas de saisons. Les deux hémisphères seraient alors éclairés de la même manière.

  • En réalité, l'axe de la Terre fait un angle de 23.5° par rapport à la perpendiculaire au plan de l'écliptique.

Ainsi le 21 juin (solstice d'été), à midi solaire, le Soleil est au zénith pour tous les points situés à la latitude de 23.5° (tropique nord). On peut dire que c'est comme si le Soleil se trouvait dans le plan tropical nord de la Terre. De même, le 21 décembre (solstice d'hiver), le Soleil se trouve dans le plan tropical sud de la Terre.

Le 21 mars et 21 septembre, le Soleil est au zénith à midi solaire pour tous les points situés sur l'équateur. On peut dire que le Soleil se trouve alors dans le plan équatorial de la Terre. Les deux hémisphères sont éclairés de manière uniforme, c'est l'équinoxe (la durée du jour est égale à la durée de la nuit pour tous les points de la Terre).

Trajectoires apparentes du Soleil dans le ciel en un lieu donné

En un lieu donné, toutes les courses de Soleil seront donc parallèles entre elles et centrées sur l'axe de la Terre. Il suffit de projeter sur la demi-sphère locale les plans tropicaux nord et sud de la Terre et le plan équatorial pour connaître les courses du Soleil respectivement les jours du solstice d'été, solstice d'hiver et équinoxes de printemps et d'automne.

 

Les cadrans solaires

Un cadran solaire utilise une observation très simple : l'ombre d'un objet, au cours d'une journée ensoleillée, évolue en même temps que la course du Soleil dans le ciel et permet donc de matérialiser l'écoulement du temps.

Leur constitution

Si vous observez les cadrans solaires les plus classiques, vous remarquerez qu'ils sont tous constitués de deux parties : un style ou stylet qui porte ombre (il s'agit le plus souvent d'une simple tige ou de l'arête d'un triangle) et une table graduée sur laquelle se projette cette ombre. Les graduations portées sur cette table correspondent bien sûr aux heures solaires et une simple lecture permet donc de connaître l'heure du Soleil au moment de l'observation.

Quel que soit le cadran, on remarque que le style est incliné et, pour un lieu donné, son inclinaison par rapport à l'horizontale est la même pour tous les cadrans. Elle est égale à la latitude du lieu, un cadran donné pouvant donc être utilisé dans tous les lieux de même latitude.

La table, quant à elle, peut avoir des orientations variées : souvent, les cadrans sont installés sur les murs des maisons, la table est alors verticale. Pour les cadrans dessinés dans des jardins, elle peut être horizontale. Enfin, pour certains cadrans, cette table est inclinée perpendiculairement au style. En observant les cadrans plus attentivement, on constate que seuls les derniers cadrans, ceux dont la table est perpendiculaire au style, ont des graduations régulières : entre chaque heure, le secteur angulaire est égal à 15°. Sur les autres cadrans, au contraire, les écarts angulaires d'une heure à la suivante varient au cours de la journée.

Nous allons nous intéresser dans un premier temps aux cadrans les plus simples, ceux dont la table est perpendiculaire au style. Pourquoi donc ces inclinaisons du style et de la table ?

Pour le comprendre on peut tout d'abord tenter de s'imaginer ce qui se passerait au pôle nord. A une période de l'année où ce pôle est éclairé par le Soleil (en été au pôle nord), plantons un bâton verticalement. En vingt-quatre heures, la Terre effectue un tour complet sur elle-même et l'ombre du bâton sur le plan horizontal fera de même. Comme le mouvement de la Terre est régulier, l'ombre tournera de 360° en 24 h, soit de 15° par heure. Voici donc un cadran solaire extrêmement simple qui a d'ailleurs été utilisé depuis l'antiquité, sous le nom de gnomon. Malheureusement ce dispositif, s'il fonctionne correctement au pôle nord, n'est pas utilisable toute l'année pour les autres latitudes. Nous allons essayer de comprendre pourquoi.

(1 : latitude du lieu)

Pour obtenir un cadran utilisable en France par exemple, il suffit de translater le cadran utilisé au pôle. Le style qui était confondu avec l'axe des pôles restera parallèle à cet axe : il sera donc dirigé vers l'étoile polaire. Sur le schéma nous constatons que l'angle formé par le style et l'horizontale est bien égal à la latitude du lieu.

La table au pôle était horizontale puisque l'ombre était recueillie sur le sol. En France, la table gardera la même direction et sera donc parallèle à l'équateur Terrestre. Pour cette raison les cadrans de ce type sont appelés cadrans équatoriaux. Avec un cadran équatorial en France, on fera les mêmes observations qu'avec un simple gnomon au pôle nord. En effet, la distance qui sépare notre cadran de l'axe des pôles est extrêmement faible par rapport à la distance du Soleil.

Un cadran équatorial utilise donc les deux directions invariantes dans la rotation de la Terre sur elle-même en vingt-quatre heures : la direction de l'axe de rotation, à savoir l'axe des pôles pour le style et celle de l'équateur pour la table.

Une autre façon d'expliquer les directions du style et de la table consiste à observer la course du Soleil dans le ciel depuis la Terre, donc dans un référentiel géocentrique.

On constate sur le schéma que la trajectoire apparente du Soleil dans le ciel se modifie au cours des saisons mais garde toujours la même direction, celle de l'équateur terrestre. Cette trajectoire est centrée sur un axe passant par l'étoile polaire et elle est parcourue régulièrement par le Soleil en vingt-quatre heures. Dès lors, on comprend bien, du fait de la symétrie de la figure, que l'ombre du style (dirigé selon l'axe des pôles) projetée sur une table équatoriale tournera régulièrement de 15° toutes les heures et ce quelle que soit la saison.

Si on modifie la direction de la table tout en conservant celle du style vers la polaire, on doit projeter les graduations régulières portées sur la table équatoriale sur un plan vertical ou horizontal. Lors de cette projection sur des plans non parallèles au plan de l'équateur, les angles de 15° ne sont pas conservés mais se déforment. En particulier, les graduations horaires se rapprochent vers midi et s'écartent en début et en fin de journée. Voilà pourquoi les graduations ne sont pas régulières dans des cadrans horizontaux ou verticaux. En revanche, ces cadrans sont exacts et peuvent être utilisés à toutes les saisons.

Leur utilisation

Le cadran doit être installé selon la direction nord-sud, c'est-à-dire selon le méridien local. C'est approximativement la direction indiquée par la boussole, mais c'est surtout la direction dans laquelle l'ombre d'un objet vertical sera la plus courte : cela se produit à midi solaire, le Soleil culminant alors vers le sud.

L'heure qui est lue sur le cadran est l'heure solaire du lieu d'observation. Pour obtenir l'heure de la montre, il faut effectuer un certain nombre de corrections.

  • Il faut d'abord tenir compte du décalage d'une heure en hiver ou deux heures en été : ajouter donc à l'heure lue une heure ou deux selon la saison.
  • Il faut ensuite tenir compte de la longitude du lieu d'observation : en effet, par convention, l'heure en France est celle du méridien de Greenwich, comme pour tous les points de notre fuseau horaire. Or la Grande Motte est située à 4° de longitude est ; il faut donc retrancher 16minutes pour obtenir l'heure de Greenwich (15° correspondant à 1 heure, soit 60 minutes).
  • Enfin, il faut introduire une troisième correction appelée " équation du temps " ; la trajectoire de la Terre autour du Soleil n'étant pas rigoureusement circulaire, on constate certaines irrégularités du passage du Soleil au méridien. Cette équation du temps varie au cours de l'année de + ou - 15min environ.

Valeurs moyennes de l'équation du temps au cours de l'année (en minutes) :


Janv.

Fév.

Mars

Avril

Mai

Juin

Juillet

Août

Sept.

Oct.

Nov.

Déc.

1

+3.4

+13.6

+12.5

+4.1

-2.8

-2.3

+3.6

+6.3

+0.2

-10.1

-16.3

-11.2

10

+7.3

+14.3

+10.5

+1.5

-3.6

-0.8

+5.2

+5.4

-2.8

-12.8

-16.1

-7.5

20

+10.9

+13.8

+7.7

+0.9

-3.6

+1.3

+6.2

+3.5

-6.4

-15.1

-14.5

-2.7

30

+13.3

-

+4.7

-2.7

-2.6

+3.4

+6.4

+0.8

-9.8

-16.3

-11.5

+2.3

En conclusion, à la Grande Motte :
Heure de la montre (heure légale) = heure solaire - 1h (hiver) ou - 2h (été) + 16 minutes + équation du temps


Actes de l'université d'été - Enseigner les sciences à l'école primaire

Mis à jour le 15 avril 2011
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