IUFM de Paris Collège de Sciences Physiques

Activité de cycle 3

Le Jour et la Nuit

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Instruction Officielles:

Cycle 3:

• -          Le mouvement apparent du Soleil. La durée du jour et son évolution au cours des saisons.
• -          La rotation de la Terre sur elle-même et ses conséquences Mesure des durées, unités.

Conseil: consulter les fiches 16 et 17 d'accompagnement des programmes sur http://eduscol.education.fr

Bibliographie sommaire:

Les livres de Sciences et Technologie du cycle 3 (en particulier les cahiers de l'élève d'astronomie Magnard)

Le site du collège de physique de l'IUFM de Paris: documents pour faire la classe et plans de cadrans solaires

http://physique.paris.iufm.fr et la bibliographie sur le même site.

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La découverte du mouvement apparent du Soleil:

Questionnement:

Projeter quelques photos d'un même lieu prises à des heures différentes de la journée. Quelles différences? Entre autres, bien regarder les ombres des objets. Où est le Soleil pour qu'il y ait des ombres comme cela?

Comment expliquer ces différences?

Pour en savoir plus; proposition de manipulation

On va repérer la position de l'ombre d'un objet au cours de la journée.

La feuille sera posée horizontalement sur une table, dans un endroit que le Soleil éclaire durant un long moment. Une boussole permet d'orienter un bord de la feuille dans la direction Sud – Nord.
On note toutes les heures la place de l'ombre de la tête d'épingle.

Exploitation du document obtenu:

De retour en classe, il s'agit de retrouver la même trace, en simulant le Soleil avec une lampe de poche.

Conseil: enlever le réflecteur de la lampe de poche pour obtenir une ombre nette ou utiliser une "boîte à lumière".

On en vient alors à la conclusion que vu de la Terre, le Soleil suit un mouvement circulaire autour de la Terre. Il exécute ce mouvement en 24 heures.  Localement, il se lève vers l'Est, monte dans le ciel  passe au Sud (en France) redescend et se couche vers l'Ouest. A  l'heure solaire, on dit qu'il "passe au méridien" à midi solaire.

Attention: l'heure légale est en avance d'une heure en hiver, deux heures en été par rapport à l'heure solaire.

Mais... ne pourrait-on pas changer de point de vue?

Un changement de point de vue:

Questionnement: pourrait-on obtenir la même trace de l'ombre de l'épingle, en maintenant le Soleil fixe, et en "bougeant la Terre".
Contrainte: il faut que le mouvement de la Terre soit le plus simple et le plus régulier possible.
On pose la lampe de poche sur la table: comment "bouger la plaque et son épingle simplement de telle manière que l'ombre de l'épingle effectue la même trajectoire?
Remarque: les élèves ne trouvent pas facilement: il faut leur suggérer le pivotement selon l'axe Sud – Nord.

Conclusion:

• On obtient le même tracé en supposant le Soleil fixe et la Terre pivotant sur son axe Sud-Nord.
• Vu du Soleil (si le Soleil était fixe), la Terre pivote sur son axe Sud-Nord en 24 heures.
• Mais… vue du Soleil, la Terre n'est pas plate, elle à la forme d'une boule.

En utilisant les globes terrestres

On simule le Soleil par un projecteur de diapositives; c'est la seule manière d'obtenir un faisceau lumineux parallèle. Le relevé est collé sur le globe terrestre avec un peu de pâte à modeler. Le globe est placé le plus loin possible du projecteur. Il est parfois nécessaire d'utiliser un relevé "fait pour" avec une épingle plus petite.

En faisant doucement pivoter le globe sur son axe, on voit l'ombre de l'épingle épouser la trace relevée expérimentalement.

Conclusion:

Vu de la Terre, le Soleil décrit une trajectoire apparente circulaire dans le ciel. Il se lève vers l'Est, passe au Sud à midi et se couche vers l'Ouest.
Vu du Soleil, la Terre pivote sur son axe Sud – Nord vers l'Est. Elle effectue une rotation en 24 heures. 
Le jour: c'est lorsque l'on se trouve sur la moitié de la Terre qui reçoit les rayons du Soleil. La nuit, c'est lorsqu'on se trouve dans l'ombre de la Terre

Remarque: en plaçant sa joue contre le globe, et en regardant au raz de la plaque du relevé, on pourra "voir un lever de Soleil" si on suit le pivotement du globe.

Prolongations:

• La mesure du temps.
• Questionnement: à partir d'une retransmission d'une compétition sportive ou d'un événement qui a lieu au Japon ou en Australie, expliquer pourquoi, il semble que cet événement a lieu "la nuit".
• Fabriquer des cadrans solaires: cf le site du collège de physique de l'IUFM de Paris.
• Comment placer le globe terrestre pour qu'il soit midi à paris ? Quelle heure est-il alors à Tokyo, à Singapour, etc.
• Vu de Buenos Aires, quel est le mouvement apparent du Soleil? Se lève t'il à l'Est, passe t'il au Sud à midi?
• Introduction au phénomène des saisons:
•  Voir fiches "Variation du Jour".

Remarques pour l'enseignant:

Les deux descriptions du phénomène ne sont pas contradictoires. Vu de la Terre, le Soleil se déplace dans le ciel, vu du Soleil, la Terre pivote sur son axe.
Il ne faut donc pas donner aux élèves l'idée qu'une description serait fausse et l'autre juste. Elles ne se font pas dans le même référentiel.

Mais ce n'est pas fini…

• Des observations supplémentaires obligeront à compléter ce modèle.
• Si le Soleil vu de la Terre effectue un tour en 24 heures, les étoiles effectuent un tour en 23 h 56 min Au cours de l'année, on voit donc la nuit des constellations d'étoiles différentes. Comment est-ce possible?
• Au bout d'un an, soit 365 jours, on ne retrouve pas à minuit les mêmes étoiles que l'année précédente: il faut attendre ¼ de jour de plus pour les retrouver. Comment faire pour que cela tombe juste?