Astronomie à l‘École Élémentaire
V Le Jour et la Nuit............................................................................................................................................................. 12
VII) Le système solaire d'après Aristarque..................................................................................................................... 17
Chapitre 1 |
- l'exploration des caractéristiques visuelles des objets
: couleurs, intensités, oppositions brillant/terne, clair/sombre.
L'observation des effets de la lumière (jeux de lumière et d'ombres,
de miroirs), la déformation de la vision avec des instruments d'optique simples
(loupes, lunettes, verres de couleur, tubes...) permettent à l'enfant de percevoir
autrement les objets qui l'entourent.
Activités graphiques, repérage dans l’espace
Connaître les caractéristiques d’une ombre: relations avec l’objet, la source lumineuse, la position de “l’écran”
savoir que la lumière se déplace en ligne droite, que l’on peut dévier sa trajectoire par réflexion
savoir qu’un objet peut-être vu s’il “émet” ou s’il “réfléchit” de la lumière
Structuration de l’espace, prise de conscience du corps, travailler en groupe
Mettre en œuvre la démarche scientifique: remettre ses idées en question, se poser des questions, trouver des éléments de réponse (en formulant des hypothèses, en réalisant des expériences ou des observations...)
Expérience et conclusion: un objet émet ou réfléchit de la lumière
Exercice: Indiquer “émet” ou “réfléchit” la lumière
éclair, papier blanc, ampoule, étoile, abat-jour, flamme, Lune, aiguilles de réveil, ver luisant...
1) fluorescence: le minéral fluorescent émet en visible la lumière ultraviolette ou les rayons X absorbés
Tubes fluorescents: la lumière émise par la vapeur de mercure à l’intérieur du tube est riche en U.V. qui sont transformés par une poudre sur la paroi interne du tube en rayonnement visible.
Matériaux fluorescents naturellement: fluorite, calcite
2) phosphorescence: soumis à un fort éclairage, certains minéraux ré-émettent pendant un moment: gypse
Dessins-On compare-on va voir dehors Conclusions :Ombre= absence de lumière Ombre propre-ombre portée
L'ombre de l'Ours, Olga Lecaye, École des loisirs La petite girafe, Premières Histoires de Popi, Bayard Presse
L'ombre d'Arthur, Conte de Gaston Malherbe Ombre mon amie, Album du Père Castor, Flammarion
un des enfants (chat) doit marcher sur l'ombre d'un camarade qui devient Chat
Matériel: petit clou qui sera utilisé pour les relevés d'ombre, Feuille A4 ou A3
la source lumineuse est une lampe de poche ouverte (ainsi, il n'y a pas de réflecteur parasite et la source lumineuse est presque ponctuelle (le filament)
Consigne: on marque un point sur la feuille; où placer la lampe pour que l'extrémité de l'ombre du gnomon touche ce point
on trace une courbe sur la feuille et l'extrémité de l'ombre du gnomon doit suivre la courbe
Conclusion: la taille de l'ombre dépend de la hauteur de la source, la direction de l'ombre dépend de la direction de la source
Comment est l’ombre d’une boule blanche sur un écran? Essayer de joindre la source ponctuelle à l'ombre avec une ficelle
Comment placer trois fiches percées pour apercevoir la tache de la lampe sur un écran?
Plaque de plexiglass vertical avec une gommette collée dessus. Observer l’ombre de la gommette sur une feuille de papier blanche horizontale: relier Ombre-Gommette-ampoule lumineuse. Conclusion….
La lumière se déplace en ligne droite
Cycle 1 : Fais un dessin te représentant avec ton ombre
Cycle 2 et 3 : Quelles sont les conditions à remplir pour qu’une ombre soit créée? Comment faire varier la forme de cette ombre ?
Réponse : pour créer un ombre, il faut une source lumineuse, un objet opaque, un écran
Que se passe t’il si l’objet est translucide ?
Relation ombre-objet: formes en relation, ombre et enfant “attachés”, ombre plus grande ou plus petite que l’enfant
Relation ombre-soleil: présence ou non du soleil
Relation ombre - enfant - soleil: on perçoit l’alignement...
On regroupe les dessins et on les affiche par critère
Que pouvons-nous faire pour résoudre les problèmes? aller dans la cour et observer
Premier dessin: On dessine son camarade et son ombre
Retour en classe Réponse aux questions
Dessiner le “trajet” d’un rayon de soleil sur le dessin
Jeux: chat-ombre, ombres chinoises, tracer l’ombre d’un camarade à la craie
Ombres chinoises ou dessiner un profil avec rétroprojecteurs, jeux avec les mains
Ombre propre, portée, zone d’ombre
par groupe de deux enfants et une ampoule de forte puissance placée au centre de la classe
Définir les termes: ombre propre, portée, zone d’ombre Faire dessiner l’expérience
Observations libres avec le miroir, on joue avec à renvoyer la lumière du soleil, d’une lampe, d’une bougie. Forme de la tâche = Forme du miroir
On éclaire le miroir avec une fente: dessins
On écrit son nom que l’on place devant le miroir: lecture inversée
On dessine plusieurs formes géométriques: symétrie
Déchiffrer un rébus, reconstituer un objet dont seul figure la moitié
Réflexion avec bristol blanc, bristol noir
Qu’est ce qui réfléchit le mieux la lumière?
Jeux avec cuillères:
Intérieur de la cuillère: miroir concave, image + petite renversée, en même sens et + grosse si on approche
Extérieur de la cuillère: miroir convexe: image panoramique plus ou moins grande: rétro de voiture
Lampe de poche: forme du miroir Essai avec bougie de renvoyer la chaleur
Décomposition par un prisme. À quoi est due la couleur d’un objet ? Addition des couleurs en peinture
Addition des couleurs avec diapositives
Chapitre 2 |
3-2: Découverte de différents milieux, sensibilisation aux problèmes de l'environnement
Ce n'est que lorsque le milieu proche a été exploré et reconnu qu'il devient possible d'aller à la rencontre de réalités plus complexes. On conduira donc les enfants de la découverte et l'observation de l'environnement proche (la classe, l'école, le quartier...) à celles d'espaces moins familiers (espaces verts, terrains vagues, forêt, étangs, haies, parcs animaliers, campagne, mer, montagne, ville...). La caractérisation de ces différents lieux par leur position (en particulier leur altitude) est possible avec les plus grands. L'observation des constructions humaines (maisons, commerces, monuments, routes, ponts...) suppose le même cheminement…..
4- COMPÉTENCES DANS LE DOMAINE DE LA STRUCTURATION DE L'ESPACE
Être capable de :
- repérer des objets ou des déplacements dans l'espace par rapport à soi ;
- décrire des positions relatives ou des déplacements à l'aide d'indicateurs
spatiaux et en se référant à des repères stables variés ;
- décrire et représenter simplement l'environnement proche (classe, école, quartier...)
;
À l'école maternelle, l'élève a pris conscience de l'espace familier qui l'entoure. Au cours du cycle des apprentissages fondamentaux, il apprend à le représenter (en relation avec le travail du dessin). Il découvre d'autres espaces de plus en plus lointains, de la ville ou de la campagne voisine jusqu'aux paysages plus inhabituels pour lui.
Sur un globe terrestre ou sur une carte et avec l'aide du maître, les élèves apprennent à repérer leur région, la France, l'Europe, les autres continents, quelques grands ensembles géographiques.
Connaissances: savoir que la Terre est sphérique, comprendre (pour les cycles 2 et 3) les observations qui ont conduit les hommes à deviner la forme sphérique bien avant que les satellites ne nous la montre
Les enfants expriment souvent verbalement que la Terre est ronde, sans se la représenter dans l’espace sous cette forme ni voir toutes les conséquences sur la position de différents personnages, sur la situation des étoiles, sur la chute d’une pierre, sur ce que veut dire « faire le tour du monde »,...
Un questionnaire approprié permettra à l’enseignant de prendre conscience de ce “faux savoir”, uniquement intellectuel et non assimilé parce que ne faisant pas partie d’une démarche de recherche.
L’essentiel est de comprendre que le “haut” et le “bas” sont des notions locales qui n’ont pas de sens si l’on prend une vue large de la planète. La difficulté sera donc en s’interrogeant sur les observations locales, de passer à un modèle juste du monde qui nous entoure
Diverses questions sur la Terre
Pourquoi ne voit-on pas cette forme de boule si je regarde dehors?
Dans quelle direction faut-il regarder pour voir le centre de la boule?
Qu’y a t-il vers le bas? Dessine-toi sur cette boule. Dessine un ami qui habite très loin, Alger par exemple. Dessine toi et ton ami en train de lancer chacun une pomme en l’air et montre ce qui arrive à cette pomme. Colorie le ciel en bleu
Questions sur la Lune : Quelle est la forme de la Lune? Pour regarder la Lune il faut que je lève la tête, si j’habitais sur la Lune que faudrait-il que je fasse pour voir la Terre?
Donner aux enfants une sphère blanche, placer un horizon (petit cercle de carton), une aiguille ou un personnage Lego
Orienter cette sphère pour que le petit personnage ait le même plan horizontal et la même verticale que nous…
disciple de Platon, environ 350 av JC "Du Ciel II, 14"
Une preuve nous est fournie par l'évidence sensible : sans cette sphéricité, les éclipses de Lune ne présenteraient pas les segments tels que nous les voyons. C'est un fait que si, dans les aspects qu'elle offre chaque mois, la Lune revêt toutes les variétés (puisqu'elle devient droite, bombée et concave ; dans les éclipses, la ligne qui la limite est toujours une ligne courbe, de sorte que, s'il est vrai que l'éclipse est due à l'interposition de la Terre, c'est la forme de la surface de la Terre qui, étant sphérique, sera la cause de la forme de cette ligne.
En outre, nos observations des astres montrent avec évidence, non seulement que la Terre est circulaire, mais que c'est un cercle qui n'est pas d'une grandeur considérable. En effet, il suffit que nous nous déplacions tant soit peu vers le Sud ou vers le Nord, pour amener une évidente modification du cercle de l'horizon, de sorte que les étoiles qui sont au-dessus de nos têtes sont tout à fait changées, et n'apparaissent plus les mêmes si nous nous déplaçons vers le Nord ou vers le Sud En effet, il y a des étoiles qu'on voit en Égypte et dans le voisinage de Chypre, et qu'on n'aperçoit pas dans Les régions situées au Nord ; et les étoiles qui, dans la région du Nord, n'échappent jamais à notre champ visuel, ont leur coucher dans les régions du Sud. Il résulte évidemment de ces faits que non seulement la forme de la Terre est circulaire, mais encore qu'elle est une sphère qui n'est pas très grande, car autrement l'effet d'un si faible changement de position ne serait pas si vite apparent. C'est pourquoi ceux qui croient qu'il y a continuité de la région avoisinant les Colonnes d'Hercule et de la région de l'Inde, et que, de cette façon, il n'y a qu'une seule mer, ne semblent pas professer une opinion tellement incroyable. Ils en donnent encore comme preuve le cas des éléphants, dont l'espèce se rencontre dans chacune de ces régions extrêmes, ce qui tend à faire croire que c'est en raison de leur continuité que les régions extrêmes sont affectées des mêmes caractéristiques.
(extrait de la revue "Espace Information n°31 octobre 1985).
Ce 21 juin, un homme accroupi au centre de la grande glace d'Alexandrie, un misérable cadran solaire à la main, se propose de mesurer les dimensions du globe terrestre.
Calculer la taille exacte du monde quel rêve merveilleux, quelle arrogante ambition de la créature microscopique vivant sur la surface immense de la planète ! Et, hélas ! quelle entreprise futile. ...........
A midi juste, en ce jour du solstice d'été, il va essayer de déterminer avec précision la grandeur du globe terrestre à l'aide d'un simple gnomon. Cet instrument peu élaboré ne pourra que lui donner l'angle sous lequel un objet vertical projette son ombre. Mais pour réaliser son dessein, Ératosthène compte surtout sur la richesse des renseignements qu'il a puisés dans la bibliothèque.
Une information amusante, mais sans aucune valeur scientifique apparente, doit servir de base à la méthode aussi simple qu'ingénieuse qu'Ératosthène a maintenant l'intention d'employer pour prendre la mesure de la Terre. II a lu quelque part que dans la Ville de Syène (aujourd'hui Assouan), où il n'est jamais allé, le Soleil de midi, le jour du solstice, est absolument perpendiculaire
et ne projette aucune ombre. Des voyageurs rapportaient qu'à ce moment précis, on pouvait en regardant dans un puits très profond et étroit, y voir le Soleil se réfléchir d'aplomb. Tel n'était pas le cas à Alexandrie : même à midi, même un jour de solstice les rayons solaires n'étaient pas parfaitement verticaux.
Ératosthène était de ces savants de l'antiquité qui croyaient déjà que la Terre est une sphère. Cette théorie n'était pas universellement reconnue, loin de là. Ses adversaires avaient pour eux l'évidence quotidienne, ce que voient nos yeux, et les esprits scientifiques étaient entraînés à n'accepter comme vérité que ce qu'ils voyaient, la vérité telle que l'œil la perçoit étant indiscutablement que la Terre est plate.
Il y avait bien, naturellement, des phénomènes difficiles à concilier avec l'idée d'un monde plat ainsi l'apparition, à l'horizon, d'un navire dont on ne voit d'abord que le haut du mât, puis la voilure et enfin la coque. Certains philosophes en déduisaient une preuve de la courbure de la Terre, mais ils demeuraient une minorité.
Chapitre 3 |
L'élève est conduit à une première réflexion sur les objets
et les matériaux au travers d'activités permettant leur observation, leur utilisation,
et mettant en jeu des constructions guidées par le maître. Quelques réalisations
techniques élémentaires permettent d'acquérir des compétences spécifiques et
des connaissances dans des domaines variés laissés au choix des enseignants.
D'une manière générale, on vise :
- la découverte de quelques objets, de leurs usages et de leur maniement ; les
règles de sécurité qu'ils impliquent ;
- des recherches sur l'origine, l'utilisation et le devenir de quelques objets.
……….. - plan horizontal, vertical : intérêt dans quelques dispositifs techniques
Connaissances: savoir repérer la verticale par la direction du fil à plomb, le plan horizontal par la surface d'un liquide au repos,
Compétences: Concevoir et utiliser des objets techniques mettant en œuvre ces propriétés: niveau, fil à plomb; Comprendre leur intérêt pour des problèmes pratiques (mesures topographiques, mesures de hauteur en astronomie….)
La chute des corps est due à l’attraction terrestre: elle indique la verticale du lieu. Les verticales se coupent au centre de la Terre
*Ce qu’est un fil à plomb *Le fil à plomb de maçon *On peut vérifier la verticalité d’un mur, d’un poteau, avec un fil à plomb
Observation 1: verser de l’eau dans un récipient:: la surface du liquide en contact avec l’air est appelée surface libre
Observation 2: viser la surface libre: elle est plane
Observation 3: l’arête d’une règle s’applique sur la surface libre dans toutes les directions
Conclusion: la surface libre d’un liquide en équilibre est un plan
Suspendre un fil à plomb au-dessus d’une surface libre
À l’aide d’une équerre on vérifie que la surface libre est perpendiculaire au fil à plomb
Conclusion: la surface libre d’un liquide est horizontale
*Avec des récipients de formes variées *Les vases communicants: lorsque plusieurs vases communiquent entre eux et contiennent un même liquide, les surfaces libres sont dans le même plan horizontal *Distribution de l’eau dans la ville *Les écluses
Chapitre 4 |
Ce n'est que lorsque le milieu proche a été exploré et reconnu qu'il devient possible d'aller à la rencontre de réalités plus complexes. On conduira donc les enfants de la découverte et l'observation de l'environnement proche (la classe, l'école, le quartier...) à celles d'espaces moins familiers (espaces verts, terrains vagues, forêt, étangs, haies, parcs animaliers, campagne, mer, montagne, ville...). La caractérisation de ces différents lieux par leur position (en particulier leur altitude) est possible avec les plus grands. L'observation des constructions humaines (maisons, commerces, monuments, routes, ponts...) suppose le même cheminement.
À l'école maternelle, l'élève a pris conscience de l'espace familier qui l'entoure. Au cours du cycle des apprentissages fondamentaux, il apprend à le représenter (en relation avec le travail du dessin). Il découvre d'autres espaces de plus en plus lointains, de la ville ou de la campagne voisine jusqu'aux paysages plus inhabituels pour lui.
Sur un globe terrestre ou sur une carte et avec l'aide du maître, les élèves apprennent à repérer leur région, la France, l'Europe, les autres continents, quelques grands ensembles géographiques.
Démarche: apprendre à s’orienter dans l’École, dans la ville, avec une carte
Connaissances: La direction du Nord est celle qui nous conduit à un point particulier de la Terre «Le pôle Nord», dont on précisera la définition après avoir vu le jour et la nuit au cycle 3
Les “points cardinaux” sont des directions liées à un lieu et définies à partir du nord
Méthodes
Savoir passer de la maquette au monde réel, du monde réel à la maquette
Travail inter-disciplinaire: Français, histoire, géographie...
Travail d’équipe: utilisation de cartes, faire des relevés de direction du vent
Activité possible: Réaliser le plan de la classe (meubles, place des enfants, tableau, bureau) ou de l’école
Échelle, couleurs, bâtiments publics, quadrillage. À quoi set le quadrillage? Réponse: à se repérer...
* Lieu donné, trouver son code * Code donné, trouver le lieu
Expliquer Vent du Nord ... puis faire de la météo
En France placer les vents: Mistral, Tramontane, Vent d’Autan
Mythologie grecque: Éole et ses fils (Borée, le vent du Nord, Aquilon, Zéphyr, Euros)
Étudier un plan de cathédrale: par exemple primatiale Saint-Jean
(éventuellement sinon le sujet sera traité au cycle 3 avec le repérage sur le globe)
Que veulent dire les lettres N, S, E, O Que représentent-elles lorsque l’on se trouve à Lyon:
Le Nord: la direction du Pôle Nord : point par lequel passe l’axe de rotation de la Terre (pas encore introduit)
l’Est et l’Ouest: directions placées à angle droit des précédentes
Construction d’une rose des vents: Division du cercle en 8 et construction graphique
Donner une carte ancienne de Lyon et une carte actuelle
Rédiger quelques lignes sur l’extension de la ville
Fonctions de la ville
Observation minutieuse du plan
Dresser les éléments observés et comparer avec la liste suivante
Hotel de Ville, gare, cimetière, musée, parking, jardin, places, rues
Classer par rubrique: Transport, Culture, Religion, Loisirs, Administration
Quelle fonction de la ville ne figure pas: commerce, marché, gare
Différents développement des villes
En étoile (Munich, Lyon), en cercles concentriques (Paris, Milan ...), en ligne (La Haye , Montluel ...)
Imaginer votre ville idéale
Que sera pour vous une ville du futur? ou Imaginez votre ville idéale.
Création d’une ville imaginaire en maquette
Partir de la cour de l’Hôtel de Ville: Demander à l'avance l'autorisation de pénétrer dans la cour: (
Qu’est-ce que l’Hôtel de Ville?
Quel objet observes-tu sur un des murs? Quelle est l’orientation de ce mur? Pourquoi cet objet est-il placé sur ce mur? cadran solaire
Prendre la rue Joseph Serlin pour aller Place des Terreaux
Quel est le bâtiment que tu observes et que voit-on sur la place?
Prendre la rue Constantine puis le Pont La Feuillée. Quelle est la rivière traversée?
Quel est le bâtiment qui se trouve sur la place en face du pont?
Prendre la rue Juiverie à gauche de ce bâtiment
Faire le tour du bâtiment par la Rue des loges puis la rue Soufflot
Quel est la fonction actuelle de ce bâtiment et quelle était l’ancienne?
Quel est le musée qui se trouve de l’autre côté?
Prendre la Rue de la Fronde pour aller place du Gouvernement
Trabouler au n°. Sur quel quai arrivons nous?
Trabouler au n°
Prendre la Rue Saint Jean au n° Trabouler au n°
Dans quelle rue arrivons-nous?
Prendre la rue de La Bombarde jusqu’à l’esplanade ave des vestiges
Arrête toi un moment pour écouter les explications
Prendre la Rue Saint Étienne pour arriver Place Saint Jean
Quel est le grand bâtiment qui se trouve sur la place? Voir l'Horloge astronomique au fond de la travée gauche
Monter le Gourguillon et Lyon gallo-Romain
Afficher au tableau deux cartes de la région lyonnaise (par exemple 1/50 000 et 1/100 000)
Noter l’échelle 1/50 000: les dimensions réelles sont 50 000 fois plus grandes que sur la carte:
1cm sur la carte représente 50 000cm=0,5km en réalité
Lecture d’une photo de paysage et utilisation de la carte 1/25 000 de Lyon Dans quelle direction sont prises les photos? Quelles différences entre chacune? Découper le paysage en différents plans en partant de l’observateur Décrire le paysage plan par plan? Plan1: Plan2: Plan 3:
Quelle est la tour ronde que l’on aperçoit sur l’une des photos à l’extrême droite? Où se trouve le pont de l’autoroute?
À quelle distance se trouve la tour? Quelle heure est-il? Reconnaissez-vous des villages ou des bâtiments?
Exercice1: Tu disposes des cartes suivantes
*Planisphère *Europe *France *Savoie Dauphiné *Lyon-Grenoble
*Grand Lyon *Lyon * Domaine de La Croix Laval
Choisis pour chacune l’échelle parmi celles proposées
¼ 500 000: 1/100 000 000: 1/1 000 000: 1/50 000:
1/250 000: 1/100 000: 1/7 500: 1/25 000:
Chercher les distances
Lyon à Grenoble Lyon à Berlin Lyon à Montluel Lyon à Vancouver?
Projection de Lambert : sur un cône sécant à la Terre:
les méridiens se projettent en des droites concourantes et les parallèles en des arcs de cercle
Lambert I (Nord 55gr), Lambert II (Centre 52gr), Lambert III (Sud 49gr), Lambert IV (Corse 46gr)
Latitude et longitude
en ° par rapport au méridien de Greenwich et l’équateur, en gr par rapport au méridien de Paris et l’équateur
Amorces kilométriques bleues intérieures
horizontales: origine au méridien de Paris décalé de 600km
verticales: origine au parallèle de tangence (52 gr pour Lambert II) décalé de 2200km
Amorces kilométriques noires extérieures
horizontales: origine au méridien de Greenwich verticales: origine à l’équateur
Chapitre 5 |
saisir rapidement l'enjeu de l'échange et en retenir les informations successives,
questionner l'adulte ou les autres élèves à bon escient,
se servir de sa mémoire pour conserver le fil de la conversation et attendre son tour, s'insérer dans la conversation,
reformuler l'intervention d'un autre élève ou du maître.
commencer à prendre en compte les points de vue des autres membres du groupe,
commencer à se servir du dialogue pour organiser les productions du groupe,
commencer à rapporter devant la classe (avec ou sans l'aide de l'écrit) de manière à rendre ces productions compréhensibles.
Sciences expérimentales et Technologie |
Parler |
Lire |
Écrire |
utiliser le lexique spécifique des Sciences dans les différentes situations didactiques mises en jeu |
lire et comprendre un ouvrage documentaire, de niveau adapté, portant sur l'un des thèmes au programme |
prendre des notes lors d'une observation, d'une expérience, d'une enquête, d'une visite |
|
formuler des questions pertinentes |
trouver sur la toile des informations scientifiques simples, les apprécier de manière critique et les comprendre |
rédiger, avec l'aide du maître, un compte rendu d'expérience ou d'observation (texte à statut scientifique) |
|
participer activement à un débat argumenté pour élaborer des connaissances scientifiques en en respectant les contraintes (raisonnement rigoureux, examen critique des faits constatés, précision des formulations, etc.) |
traiter une information complexe comprenant du texte, des images, des schémas, des tableaux, etc… |
rédiger un texte pour communiquer des connaissances (texte à statut documentaire) |
|
utiliser à bon escient les connecteurs logiques dans le cadre d'un raisonnement rigoureux |
La pratique des outils des arts visuels, dessiner, photographier, filmer, faire des maquettes permet à l'élève de développer la perception de son environnement paysager et architectural. Il doit apprendre à mieux percevoir les limites, les oppositions entre formes et fonds, les relations et les proportions, la lumière et les ombres, la structure et l'ensemble.
poser des questions précises et cohérentes à propos d'une situation d'observation ou d'expérience,
imaginer, avec l'aide du maître, un dispositif expérimental susceptible de répondre aux questions que l'on se pose
participer à la construction d'un dispositif expérimental ou d'observation, observer avec ou sans instruments, mesurer,
rechercher des documents sur un thème donné dans la BCD ou sur la toile,
participer à la préparation d'une enquête ou d'une visite en élaborant un protocole d'observation ou un questionnaire,
évaluer la validité des observations réalisées et les confronter aux savoirs établis que l'on a trouvés dans la documentation,
rédiger, avec l'aide du maître, un compte rendu d'expérience ou d'observation (texte à statut scientifique),
rédiger un texte pour communiquer des connaissances (texte à statut documentaire)
L'objectif est en tout premier lieu d'observer méthodiquement
les phénomènes les plus quotidiens et d'engager les élèves dans une première
démarche de construction d'un modèle scientifique :
- la lumière et les ombres ;
- les points cardinaux et la boussole ;
- 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 ;
- le système solaire et l'Univers ;
- mesure des durées, unités ;
Compétences devant être acquises en fin de cycle 3
Avoir compris et retenu « course du soleil » durant la journée, variation de durée des jours et des nuits, évolution au cours des saisons (calendrier), lien avec la boussole et les points cardinaux; un petit nombre de modèles simples concernant ces phénomènes, le système solaire et l'univers
Être capable de trouver le sens de rotation de la Terre sur elle même en ayant observé le mouvement du soleil par rapport à l'horizon
Comparer des représentations globales de la Terre (globe, planisphères...) et du monde (cartes, images d'artistes ou publicités. ..)
Être capable de mettre en relation des cartes à différentes échelles pour localiser un phénomène, de réaliser un croquis spatial simple
Un recueil de représentations permet aux enfants d’exprimer leur représentation du monde, à l’enseignant d’en prendre connaissance. Il leur permet aussi de s'approprier un problème qui ne les concernait pas au départ, au moyen de leur imaginaire, de leur goût pour le dessin, la peinture, l'écriture….
Les enfants expriment souvent leurs connaissances livresques par des phrases justes mais des dessins faux. En ce qui concerne la succession des jours et des nuits ou des saisons, on constate souvent que même connaissant le modèle héliocentrique ils sont ignorants de ce que perçoit un observateur terrestre et qu’ils n’ont pas une représentation spatiale juste du phénomène. Seule une lente progression (basée d’abord sur l’observation, ensuite sur une modélisation des phénomènes à l’aide d’une maquette en trois dimensions, enfin sur une étude documentaire) pourra faire évoluer leurs représentations.
Il s'agit de poser des questions qui induisent le moins possible
une réponse donnée: la question posée pourrait-être:
Pourquoi y a t-il des jours et des nuits? Explique pourquoi il y a alternance
des jours et des nuits?
Fais un dessin (ou schéma légendé) et une phrase de texte explicatif.
La question ci-dessus n'est pas si neutre qu'elle paraît (on aurait pu demander: "Où est le soleil pendant la nuit?" et induire d'autres réponses. A l'enseignant de choisir. L'essentiel est d'engager un questionnement qui devrait germer quel que soit la formulation de la question de départ). Question plus neutre, mais plus floue: "Dessine le monde avec les astres que tu connais et ce qui s'y passe…"
"La nuit cache le soleil." "La lune cache
le soleil." "Les nuages cachent le soleil de plus en plus , sa devien
nuit et on dort".
"La journée il y a le soleil donc il fait jour, la nuit il y a la lune
donc il fait nuit."
"Pour dormir" "Parce que s'il n'y avait pas de jour, on ne pourrait pas sortir dehors, parce qu'il ferait trop noir; et si il n'y aurait pas de nuit, on ne pourrait pas dormir"
"Quand c'est la nuit le soleil c'éloigne de la Terre"
"Parce que la Terre tourne autour du soleil". "C'est à cause du sitème soleire. La Terre tourne autour du soleil."
(Modèle expliquant l'alternance jour-nuit par la révolution de la Terre autour du soleil)
"Le soleil tourne autour de la Terre…""Quand le soleil tourne, en France il fait jour et au Brésil il fait nuit. Sa fait chacun son tour."
"Quand la Terre tourne, le soleil ne bouge pas. La Terre s'éclaire morceau par morceau parce que la Terre tourne et le soleil éclaire la partie qui est devant lui."
III) Paysage et mouvement relatif du soleil par rapport à l'horizon
L'observation, l'étude, la représentation d'un paysage est une activité reliant bien des disciplines (géographie, nature et environnement, Sciences-Physiques, Arts plastiques) et des compétences des enfants (observation, imaginaire, habileté graphique…)
Sans s'occuper du soleil elle peut constituer par elle même une activité intéressante un jour nuageux (ou non)
Par une telle étude progressive, l’enfant prend conscience d’abord de son environnement puis des phénomènes qui s’y produisent.
L’enseignant fait d’abord le tour du paysage avec les enfants en leur demandant les éléments remarquables: obstacles naturels, lointains si possible, (montagnes, lacs, rivières...), constructions (immeubles, maisons, usines, cheminées...), végétation (arbres, forêts, champs..), maison de l'enfant…
L'observation directe du soleil peut entraîner des brûlures irrémédiables de la rétine…
feuille scotchée sur support cartonné, crayon de papier (et/ou crayons de couleur)
Les enfants doivent tendre un bras à gauche, un bras à droite: sur environ 180° représenter sur leur feuille les éléments du paysage, en particulier "le fond lointain" avec des éléments remarquables (tour, sommet, arbre …)
Pour un enfant ayant choisi une orientation donné: "sur ton dessin il faudra cet élément à gauche de ta feuille correspondant à ce que désigne ton bras gauche, cet élément à droite que désigne ton bras droit" (sinon les enfant commencent par dessiner ce qui est devant eux et n'ont pas une feuille assez large pour respecter la consigne du panorama à 180°)
Il faudra ensuite placer le soleil au dessus de son point de repère à 8h45….
Avec les bras ressentir physiquement la hauteur du soleil par rapport à l'horizon (un bras horizontal, l'autre en direction du soleil)
Demander au dessus de quel repère se trouve le soleil (on ne regarde pas le soleil!). En est-il toujours ainsi?
"Sur votre dessin dessiner en pointillés un rond indiquant la position présumée du soleil au milieu de la journée et le soir (ou coller trois gommettes de couleurs différentes)"
On revient au milieu de journée: vers 13h30 en "horaire d'été" et vers 12h30 en "horaire d'hiver" (changement le dernier dimanche d'octobre au le dernier dimanche de mars)
On dessine le soleil avec trois couleurs différentes à 8h45, à mi-di et à 16h15. Chaque enfant observe la position du soleil et avec un feutre de la même couleur que ses gommettes, il rectifie les prévisions qu’il avait faites sur son dessin
On colle à partir de 8h30 toutes les heures une gommette, de façon que l'ombre de la gommette tombe au centre de la sphère du saladier (avec un tout petit personnage, on peut dire: le rayon de soleil aboutit dans l'œil de l'observateur et on repère le mouvement du soleil sur la voûte céleste par rapport au paysage)
Chaque enfant compare son panorama prévisionnel fait en classe et les rectifications faites lors des observations.
Débat: le soleil est-il toujours au même endroit pendant la journée? Qu’est-ce qui a changé? Tout le monde est-il d’accord sur la hauteur du soleil? L’avons nous vu au zénith?
Le soleil a un mouvement relatif pendant la journée: il “apparaît” du côté de … (Alpes ou …), est haut par rapport à l’horizon en milieu de journée et “disparaît” du côté du Massif Central. (Les repères géographiques remarquables et lointains ont été choisis pour Lyon; ce serait dommage d'introduire maintenant les points cardinaux en disant que le soleil "apparaît vers l'est car le but de ces séquences est précisément de comprendre ce que représentent le nord, le méridien Nord-Sud puis de définir ensuite localement l'Est et l'Ouest et d'introduire la Rose des Vents…
· Le soleil a un mouvement régulier contenu dans un plan incliné par rapport au paysage (on peut mesurer cet angle: environ 44° à Lyon)
Le soleil tourne régulièrement autour d’un axe incliné par rapport à l'horizon (on peut mesurer ce deuxième angle: environ 46° à Lyon)
Qu’est-ce que l’on pourrait faire pour essayer de comprendre ce que nous avons observé ainsi que les explications que vous avez données à propos de l'alternance Jour-Nuit… Utiliser les boules blanches en polystyrène (sans axe)
Modéliser les explications des enfants (géocentrisme et héliocentrisme)
Comment choisir entre les deux hypothèses? Réponse: Nous n’avons pas les moyens de décider et seule une étude documentaire pourra nous aider (Conception des Égyptiens, des Chinois, des Grecs, Vie de Copernic et Galilée par exemple, Vidéos).
Nos observations du mouvement du soleil par rapport à l'horizon laisseraient penser que le soleil tourne autour de la Terre et que le modèle géocentrique de Ptolémée est juste.
En fait la Terre est semblable à un vaisseau spatial d'où nous voyons défiler le paysage (la voûte céleste). Les observations (par exemple l'étude précise du mouvement des planètes, la parallaxe des étoiles) et des expériences (par exemple le pendule de Foucault, la chute d'une bille dans un puits de mine….) montrent en fait que la Terre tourne sur elle même (jour) et autour du soleil (365j 1/4). C'est le modèle héliocentrique qui correspond à la réalité et permet d'expliquer l'ensemble des phénomènes observés.
Les hommes n’ont réellement compris que depuis 400 ans que le mouvement du soleil et de la voûte céleste qu'ils observaient par rapport au paysage était lié au choix (bien naturel) d’un repère terrestre. Les mouvements des astres s'expliquent très simplement dans un repère lié aux "étoiles" et les lois physiques ne s'expriment simplement que dans un tel repère.
Par rapport à ce repère (Soleil au centre et axes liés aux étoiles) la Terre
1) tourne sur elle-même. Ce mouvement entraîne: la succession des jours et des nuits, le mouvement par rapport à notre horizon du soleil la journée, des étoiles la nuit. Les hommes ont appelé la durée de ce phénomène le jour et ont décidé de diviser le jour en 24 parties égales qu'ils ont appelées les heures.
2) accomplit une révolution autour du soleil en 365j 5h 49mn: ce mouvement entraîne les saisons (voir leçon suivante).
lampe de poche, boule Terre et une aiguille plantée à Lyon. La leçon sur le repérage à la surface de la Terre (Chapitre suivant) doit avoir été traitée. On dispose alors de petites Terres sur lesquelles sont indiqués parallèles et méridiens voir les pays et les continents.
Nous ferons à partir de maintenant tourner la Terre sur un axe que l’on appellera l’axes des pôles. Faire traverser les sphères avec une brochette et marquer Pôle Nord et Pôle Sud. La brochette matérialise l'axe et permet de la faire tourner la Terre. Chaque enfant doit trouver sur sa boule: Soleil apparaît, le "Milieu du jour (mi-di solaire)", Soleil disparaît, le "Milieu de nuit" (mi-nuit)
*Dans quel sens faire tourner la Terre sur elle-même, le soleil étant positionné?
*Observer l'évolution des ombres: J’aimerais voir comment sont les ombres le matin, au "milieu de la journée", le soir. Quelles sont les caractéristiques précises de l’ombre au milieu de la journée? Réponse: elle est la plus courte et indique le Pôle Nord.
Que peut-on en tirer? Réponse: On peut tracer la direction du Nord dans la cour si on connaît l'instant de mi-di.
Définitions: Nous appellerons “jour” la durée séparant deux mi-dis solaires, “journée” la période séparant le lever du coucher du soleil, “nuit” la période séparant le coucher du lever du soleil
Aller dans la cour à midi solaire (avec le calendrier musulman ou le calendrier du Père Benoît des jardiniers ou les éphémérides du journal local qui donnent l’heure du lever et du coucher du soleil… ) et tracer l’ombre à cet instant
FAJR: aube; ici 1h30 avant le lever, mais en principe horaire calculé avec le soleil à une hauteur de -18° sous l’horizon
CHOROUQ: lever du soleil DHOR: midi solaire; le soleil se trouve au sud et culmine
ASAR: l’ombre du gnomon est égale à la longueur de son ombre à midi plus sa hauteur (1er Asr)
MAGHREB: coucher du soleil ICHA: crépuscule; ici 1h30 après le coucher du soleil mais en principe …
Constater avec les enfants que d'un dessin à l’autre il y
a des variations de hauteur du soleil sur les représentations du paysage.
Est-il possible de faire une mesure de hauteur du soleil qui mettrait tout le
monde d’accord?
Il existe de vieux appareils (bâton de Jacob, quadrant de Copernic...) qui permettent de mesurer l’angle, mais la plus vieille méthode est le relevé d’ombre avec un bâton vertical (gnomon signifiant indicateur en grec). Faire un relevé dans la cour toutes les heures
On indique l’heure de chaque relevé. L’enseignant marque les ombres au coucher du soleil. Il les couvrira si possible d’une feuille de plastique pour les protéger jusqu’au lendemain s’il est possible de les laisser sur place
Examen des relevés. Est-ce que cela coïncide avec nos prévisions?
Peut-on tracer la direction du pôle Nord? Réponse: Oui, c’est la direction de l’ombre la plus courte
faire le relevé d'ombres toute la journée et le soir lisser la courbe, l'ombre la plus courte donne la direction du Nord
à un instant de la matinée faire un relevé A; Tracer un cercle de centre la base G du gnomon passant par ce point A
attendre l'instant de l'après midi où l'ombre coupe à nouveau le cercle et placer le 2ième point de relevé B
La direction du Nord se trouve sur la médiatrice du segment AB (ou tracer la bissectrice de l'angle (AGB)
Les photos ci-dessous sont prises de l’esplanade de Fourvière
Lever du Soleil vers le 21 décembre : Sud-Est
Nord-Est : Lever du Soleil vers le 21 juin
Extrait de l'Arénaire d'Archimède parlant d'Aristarque
"II suppose que les étoiles fixes et le Soleil demeurent immobiles, que la Terre tourne suivant une circonférence de cercle autour du Soleil, qui est située au milieu de l'orbite de la Terre, et qu'enfin la grandeur de la sphère des étoiles fixes, disposée autour du même centre que celui du Soleil, est telle que le cercle à la circonférence duquel on suppose que la Terre évolue a le même rapport avec la distance des étoiles fixes que le centre d'une sphère avec sa surface. "
Nicolas Oresme est né en 1323 près de Riez en Allemagne, mort en 1382 à Lisieux. Il étudia à Paris dans les années 1340 où il fut élève du philosophe et physicien Jean Buridan. Il fut le précepteur du roi de France, Charles V le Sage (1338-1380), qui lui offrira, en 1377, l'évêché de Lisieux. Dans le « Livre du ciel et du monde» paru en 1377, il présente comme vraisemblable le modèle d’une Terre en rotation sur elle-même et autour du soleil…
«Supposez qu'un homme soit assis dans le ciel et qu'il se meuve avec celui-ci selon une rotation quotidienne ; et supposez que cet homme ait une vue claire et distincte de la Terre, avec ses montagnes, ses vallées, fleuves, cités et châteaux. Elle lui apparaîtrait exactement comme si elle était animée d'une giration quotidienne, juste comme il nous semble à nous, sur terre, que le Ciel se comporte. De la même façon, si la Terre tournait, plutôt que les cieux, il nous semblerait que c'est nous qui sommes immobiles et eux qui bougent. On n'a guère besoin de faire de grandes dépenses d'intelligence pour comprendre cela sans mal. Ainsi la réplique à la première observation est claire: on pourrait parfaitement bien soutenir que si le Soleil et les étoiles ont l'air de se lever et de se coucher comme ils font, et si le Ciel a l'air de tourner, la raison en est le mouvement de la Terre. »
« La réplique à la seconde observation est la suivante: le mouvement quotidien n'affecte pas seulement la Terre, mais aussi l'eau et l'atmosphère qui l'avoisinent... Pensez à l'air enfermé dans un navire en marche: au navigateur qui se trouve à l'intérieur, l'air semblera stationnaire... « Supposez (pareillement) qu'un homme se trouve à bord d'un bateau qui se hâte en direction de l'Est, sans qu'il soit conscient de ce déplacement; s'il levait et baissait la main selon la ligne du grand mât, de son point de vue il ne verrait que ce simple mouvement rectiligne. D'après l'opinion (d'Héraclide) une flèche tirée en l'air nous semble, pour le même motif, s'élever ou tomber en ligne droite. »
(On pense souvent que Galilée qui reprit cet argument en est l'auteur)
« Quant au cinquième argument prétendant que toute l'astronomie deviendrait inadéquate si les Cieux ne tournaient pas jour par jour, ceci je le démens tout simplement... (La rotation de la Terre) laisserait exactement identiques tous les aspects, conjonctions, oppositions, constellations, figures et influences. Les tables des mouvements et les autres livres d'astronomie seraient toujours aussi valables qu'ils le sont déjà, sauf que l'on parlerait de la rotation quotidienne comme ayant lieu «apparemment » dans les cieux, mais « réellement » sur la Terre. Il n'est pas de phénomène qui soit approprié à une vue sans l'être à l'autre. »
L'idée que l'ensemble du firmament accomplit un cercle complet chaque jour est très difficile à admettre:
« On est obligé de supposer que sa vitesse (du firmament) est excessivement grande. Quiconque réfléchit à la hauteur ou à la distance considérable des Cieux, à leurs dimensions et à la longueur de leur circuit quotidien, s'en apercevra clairement: si une telle rotation est effectuée en un seul jour, on ne peut imaginer ou concevoir comment la vitesse des Cieux pourrait atteindre une allure si merveilleuse et excessive...
« Encore un coup, si on suppose que tout le firmament tourne en un jour et qu'en outre la huitième sphère est animée d'un autre mouvement, comme le présument les astronomes (pour expliquer la précession des équinoxes), on est donc obligé d'admettre une neuvième sphère dont la rotation ne serait que quotidienne. Toutefois, si la Terre se mouvait comme il a été dit, la huitième sphère ne devrait plus avoir qu'un mouvement lent (c'est-à-dire la précession) : ainsi, selon cette théorie, il serait inutile d'imaginer une neuvième sphère dans la Nature, invisible et dépourvue d'étoiles. »
Oresme ne souscrit finalement pas à la rotation de la Terre, mais il s’agit d’un article de foi qu’aucune évidence ne vient étayer :
« Néanmoins, chacun tient pour assuré et je crois aussi, que ce sont les Cieux qui se meuvent de la sorte, et non la Terre, parce que « Dieu créa l'orbe de la Terre qui ne doit pas être mobile» (Psaume 92, 1), nonobstant les arguments en faveur du contraire. Car ces arguments sont persuasifs, mais n'aboutissent pas à des conclusions d'une vérité flagrante. Après avoir réfléchi à tout ce qui a été dit, on pourrait croire en conséquence que la Terre, plutôt que les Cieux, est mue de cette façon et il n'existe pas d'évidence qui puisse le réfuter. Donc, cette conclusion semble aller contre la raison naturelle tout autant, sinon plus, que beaucoup d'articles de notre Foi. »
Nicolas de Cusa (Nikolaus Krebs né en 1401 à Trêves, mort en 1464 Italie), philosophe, théologien et astronome renommé, nommé cardinal de Trêves en 1450, reprendra ces arguments et la théorie d’Aristarque sur l’héliocentrisme. Dans "De docta ignorantia" (la Docte ignorance, 1440), il affirme que la Terre tourne sur elle même et autour du soleil, que les étoiles sont des soleils lointains et que l’univers est infini… ("L'univers est une sphère dont le centre est partout et la circonférence nulle part.")
Copernic écrit dans «de revolutionibus», au sujet des révolutions (des planètes)
" Toutefois les orbites du Soleil, de la Lune et des planètes doivent être circulaires ou composées d'un ensemble de mouvements circulaires, car leurs variations sont régies par des lois immuables dont dépend leur périodicité. Si ces orbites n'étaient pas circulaires elles ne pourraient tout simplement pas exister, car seul le cercle permet de reproduire exactement une situation passée. . .
C'est dans un texte de Cicéron que j'ai rencontré pour la première fois l'hypothèse de Nicète selon laquelle la Terre tournait. Plus tard, en lisant Plutarque, j'ai découvert qu'il partageait cet avis; par conséquent j'ai, moi aussi, commencé à méditer sur la rotation de la Terre. Comme de nombreux savants avaient pris la liberté d'utiliser autant de cercles qu'il leur semblait nécessaire pour expliquer les phénomènes célestes, j'ai pensé pouvoir présenter sans difficulté une démonstration des mouvements planétaires aussi plausible que celle de mes prédécesseurs, en partant du fait que la Terre tournait, bien que cette idée semblât absurde de prime abord . . . "
……
" Les idées exposées ci-dessous sont difficiles, voire impossibles à admettre; elles entrent en contradiction avec les conceptions courantes. Malgré tout, et avec l'aide de Dieu, nous allons rendre toute chose claire du moins pour les mathématiciens. . .
La première sphère, la plus éloignée du Soleil, porte les étoiles fixes. Elle englobe toutes les autres sphères. Elle est immobile et c'est la partie de l'univers la mieux indiquée pour servir de référence aux déplacements et aux positions des autres "célestes". Si certains pensent encore que cette sphère est mobile, nous sommes dès maintenant en désaccord… En allant de la sphère des étoiles fixes vers le Soleil, nous trouvons d'abord Saturne dont la révolution dure trente ans, puis Jupiter qui parcourt son orbite en douze années, ensuite c'est le tour de Mars dont la rotation dure deux ans. La quatrième sphère porte la Terre et la Lune (révolution d'un an), en cinquième position il y a Vénus (révolution de 9 mois), la sixième et dernière orbite étant celle de Mercure (révolution de 80 jours). Le Soleil se tient immobile au centre de l'ensemble
Ce que prévoit le modèle de Ptolémée
Ce que voit Galilée
Galilée dessine son relief; il calcule même la hauteur des montagnes d’après la taille des ombres
Il n’est pas “parfait”, il possède des tâches, qui apparaissent, se resserrent en s’approchant du bord puis disparaissent: elles ne sont donc pas dues à des défauts de la lunette, le soleil tourne sur lui-même.
la lunette lui permet de séparer les milliers d’étoiles qui la compose
Galilée croit voir une planète triple avec ses observations de 1610, 1612 (“les deux planètes supplémentaires ont disparu), 1616 (“les deux planètes reviennent mais plus minces”). En 1655 Huygens identifie les anneaux et donne l’explication correcte: Saturne est vue, depuis la Terre, sous un angle variable lorsqu’elle se déplace autour du soleil.
Galilée (1564-1642) est né à Pise, en Italie. Il enseigna les mathématiques à Padoue puis à Florence.
En cette année 1609 il prend connaissance d’une nouvelle invention d’un opticien hollandais utilisant deux lentilles de verre. Judicieusement choisies et disposées de part et d’autre d’un long tube, celles-ci forment un instrument qui rapproche les objets observés! Les premières lunettes sont médiocres, ne grossissent que deux ou trois fois et déforment les objets. Mais Galilée en fabrique une grossissant huit fois avec un objectif de 4 cm, qu’il présente le 25 août 1609 au doge de Venise lui permettant de voir à l’avance les bateaux arrivant au port. Il perfectionne la taille et la qualité des verres pour disposer finalement le 7 janvier 1610 d’une lunette grossissant trente fois qu’il dirige vers le ciel. Cette nuit-là il observe Jupiter, qui apparaît comme une toute petite sphère et découvre à côté trois points brillants, deux vers l’est, un à l’ouest, alignés avec Jupiter. La nuit suivante les trois points se sont déplacés autour de Jupiter; les trois sont à l’ouest. Ce ne sont donc pas des étoiles, ce sont des compagnons de Jupiter, des satellites. Les nuits suivantes, la ronde se poursuit et un quatrième satellite se dévoile même dans le champ de la lunette! Les adversaires de Copernic affirmaient que si la Terre tournait autour du soleil, la lune ne pourrait la suivre dans sa course. Cet argument ne tient donc pas: une planète peut tourner autour d’un astre et entraîner avec elle des satellites.
Les découvertes de Galilée ne s’arrêtent pas là. Il observe ensuite les montagnes lunaires dont il évalue la hauteur en mesurant la longueur de leurs ombres, les taches solaires et leurs déplacements: ce qui est au-delà de la lune est aussi en évolution, comme sur Terre. Les phases de la planète Vénus (croissant, Vénus « pleine » ...) distinguées grâce à la lunette permettent d’affirmer que Vénus tourne autour du Soleil et non autour de la Terre.
(Les observations de Galilée ne sont pourtant pas décisives pour passer au modèle héliocentrique de Copernic.)
1) Quels sont les problèmes techniques posés par la réalisation de la lunette?
3) Pourquoi les trois points brillants découverts ne sont-ils pas de simples étoiles?
4) Dessine les observations de Galilée le 7 et le 8 janvier 1610, en plaçant trois * représentant les trois premiers satellites découverts?
7 janvier 1610
8 janvier 1610
5) Énumère les autres observations de Galilée, en les expliquant.
6) Celles-ci prouvent-elles que la Terre tourne sur elle-même et se déplace autour du soleil?
Dialogue entre Galilée et Andrea, le fils de sa gouvernante. Nous sommes en 1609 à Padoue.
GALILÉE: Ce que je t’ai dit hier, l’as-tu compris depuis ?
ANDREA: Quoi? L’histoire de Copernic avec la rotation?
GALILÉE: Oui.
ANDREA: Non. Pourquoi voulez-vous que je comprenne? C’est très difficile et je vais avoir seulement onze ans en octobre.
GALILÉE: Justement, je veux que toi aussi tu le comprennes. C’est pour ça, pour qu’on le comprenne, que je travaille et que j’achète ces livres coûteux au lieu de payer le laitier.
ANDREA: Mais je le vois, que le Soleil, le soir, s’arrête ailleurs que le matin. Avec ça, il ne peut pas être immobile! Jamais de la vie.
GALILÉE: Tu vois ! Qu’est-ce que tu vois? Tu ne vois rien du tout. Tu écarquilles les yeux, c’est tout. Écarquiller n’est pas voir. (Il pose le trépied en fer au milieu de la chambre.) Ceci est le Soleil, donc. Assieds-toi. (Andrea s’assied sur une des chaises, Galilée est debout derrière lui.) Où est le Soleil, à droite ou à gauche ?
ANDREA: À gauche.
GALILÉE: Et comment ira-t-il à droite ?
ANDREA: Si vous le transportez à droite, naturellement.
GALILÉE: Seulement de cette manière ? (Il soulève Andrea avec la chaise et accomplit avec lui une demi-rotation.) Où est maintenant le Soleil ?
ANDREA: À droite.
GALILÉE: Et il a bougé ?
ANDREA: Ça non.
GALILÉE: Qu’est-ce qui a bougé?
ANDREA: Moi.
GALILÉE (hurle): Faux ! Idiot ! La chaise!
ANDREA: Mais moi avec elle!
GALILÉE: Évidemment. La chaise, c’est la Terre. Tu es assis dessus.
Modèle de Ptolémée (90-158) Modèle de Copernic (1473-1544)
Ptolémée: Terre, immobile, autour de laquelle tournent Lune, Mercure, Vénus, Soleil, Mars, Jupiter, Saturne, Sphère des étoiles
Copernic: Soleil, immobile; tournent autour sur des cercles: Mercure, Vénus, Terre et Lune, Mars, Jupiter, Saturne, Sphère des étoiles
Kepler (1571-1630) montra quelques années plus tard que les orbites des planètes étaient des ellipses
À première vue, il paraît naturel de choisir un système de référence lié à la Terre pour repérer les mouvements.
D’ailleurs sur de courtes durées, on peut comparer l’observateur terrestre au conducteur d’une automobile roulant en ligne droite à vitesse constante: tout se passe dans le véhicule comme si il était au repos.
Mais les phénomènes d’une durée supérieure à ceux que nous observons habituellement montrent que la Terre n’est pas un repère «galiléen» dans lequel les lois qui régissent les mouvements prennent une forme simple.
La «dynamique» qui étudie ces mouvements est abordée à partir du Lycée et sort du champ de l’Ecole Primaire.
1) Aristarque, vers 250 avant J.C., présumait déjà que la Terre tournait autour du soleil car ses observations l’avait conduit à le trouver très grand par rapport à celle-ci.
Le mouvement des planètes restait mal expliquée dans le modèle géocentrique perfectionné de Ptolémée (2ième siècle après J.C.)
2) Newton vers 1686, publie les «Principia», synthèse expliquant les mouvements des astres dans le ciel et des corps sur la Terre par une même théorie: la «gravitation universelle»
«Je suis monté sur les épaules de géants» (Nicolas Copernic, Tycho Brahe, Galiléo Galiléi, Jean Kepler)
3) La parallaxe annuelle mesurée par Friedrich Bessel en 1838.
Le dessin ci-contre montre l’angle de parallaxe p qui dépend de la distance d et de la direction de l’étoile observée.
Cet angle est extrêmement faible (p=0,76” d’arc pour l’étoile la plus proche, Proxima du Centaure): il ne pouvait-être mesuré à l’époque de Copernic.
Le satellite Hipparcos mesure la position, le mouvement propre et la parallaxe des étoiles avec une précision de 0,002”
20”: pièce de 10 Francs à 240 m
1”: pièce de 10 Francs à 4,7 km
0,001”= pièce de 10 Francs à 4 700 km
On peut utiliser la méthode photographique : un champ stellaire est photographié au foyer d'une lunette de grande focale (f=10mètres par exemple), une vingtaine de fois par an.. L'étoile proche se déplace d'environ 10 microns sur la plaque
4) L’aberration de la lumière trouvée et expliquée en 1726 par James Bradley qui cherchait à mesurer l’effet précédent.
La direction de la lumière d’une étoile donnée semble changer suivant la vitesse (et donc la position) de la Terre sur sa trajectoire. Le phénomène est analogue à la direction apparente de la pluie qui semble changer lorsqu’on change de direction.
Les étoiles semblent décrire une ellipse de demi-grand axe 40’’
(Valeur correspondant à VTerre=30km/s et VLumière=300 000km/s)
5) le pendule conçu et réalisé par Léon Foucault en 1851 avec une masse de 28 kg attachée à 68 m de fil sous la coupole du Panthéon. Un pendule similaire peut être réalisé dans une cage d’escalier avec une masse de plusieurs kilogrammes et un fil d’au moins dix mètres (quelques heures d’oscillation seulement). Par rapport à un repère terrestre le plan d’oscillation du pendule tourne en 24h00 au Pôle Nord, en 31h48 à Paris, ne change pas à l’équateur.
6) «La déviation vers l’est»: Un corps en chute libre ne tombe pas suivant la verticale (Expérience tentée pour la première fois en 1860 dans un puits de mine à Freyberg (51° N): 28 mm de déviation sur 158 m de chute.
7) «La déviation vers la droite» (vers la gauche dans l’hémisphère sud) d’une particule dont la vitesse est tangente à la Terre. On peut voir cette déviation dans les enroulements de nuages autour des dépressions (enroulement en sens trigonométrique dans l’Hémisphère Nord)
parue en janvier 1634 dans la Gazette de Théophraste Renaudot
[ ... ] Pour ce que dans l’une des conférences tenues en ce bureau le 24 d’octobre 1633, et avant que nous sachions ce qui en avait été décidé par le Saint-Siège, il fut discuté du mouvement de la terre; j’ai cru être obligé de vous mettre ici la sentence rendue le 22 juin dernier contre Galilée, I’auteur de cette opinion, mais qui n’a été publiée que vers la fin de cette année. Et ce, pour empêcher que désormais cette question ne soit plus controversée.
« Nous, Gaspar Borgia, du titre de Sainte-Croix en Jérusalem
Fr. Felice Sentivo dit d’Ascoli, du titre de Sainte Anastasie
Guido Bentivoglio, du titre de Sainte-Marie du peuple
Fr. Desiderio Scaglia dit de Crémone, du titre de Saint Charles
Fr. Antonio Barberino, dit de Saint Onofrio
Laudonio Zacchia dit de Saint Sixte, du titre de Saint-Pierre-des-liens
Berlingerio Geffi, du titre de Saint Augustin
Fabricio Vecospi, du titre de Saint Laurent in pane é penna, tous prêtres.
Francesco Barberino, du titre de Saint Laurent en Damas, et Mario Ginerti, de Sainte Maria Nova, diacres, par la miséricorde de Dieu, cardinaux de la S.R.E., et spécialement députés pour être inquisiteurs généraux de la Sainte Foy Apostolique.
Comme ainsi soit que toi Galilée, fils de Vincent Galilée, florentin, âgé de 70 ans, a été dénoncé dès l’an 1613 à ce Saint-Office, pour ce que tu tenais pour véritable la fausse doctrine enseignée par aucuns, que le Soleil soit le centre du monde, et immobile, et que la Terre ne l’était pas, mais se remuait d’un mouvement journalier, que tu enseignais cette doctrine à tes disciples, et l’écrivais aux mathématiciens d’Allemagne, tes correspondants. Tu avais fait imprimer un livre des taches du Soleil, et publié d’autres écrits, contenant la même doctrine, qui est aussi celle de Copernic. Les Théologiens et Docteurs ayant trouvé cette opinion non seulement absurde et fausse en philosophie, mais du moins erronée en la Foi. En suite de quoi, dès le 29 février 1616, dans la Sacrée Congrégation tenue devant Sa Sainteté, il fut décrété que l’Éminentissime cardinal Bellarmin mettrait ordre que tu quitterais entièrement cette fausse opinion. A faute de quoi le Commissaire dudit office t’en ferait exprès commandement avec défense de l’enseigner jamais à aucun autre, ni de la soutenir, à peine de prison. En exécution duquel décret le jour ensuivant après bénignes et familières remontrances du dit cardinal Bellarmin à toi faites dans sa mai son, le dit commissaire assisté de Notaire et témoins, te fit les commandements et défense fut dite, auxquels ayant promis d’obéir, tu fus envoyé, et un décret fut fait par cette Congrégation, censurant les livres qui traitaient de telle doctrine contraire à la Sainte Écriture. Toutefois, il a naguère paru un livre imprimé à Florence sous ton nom, intitulé Dialogue des deux systèmes du monde de Ptolémée et de Copernic, auquel tu défens encore la même opinion. C’est pourquoi nous t’avons appelé de nouveau, et sur tes confessions, reconnaissances et productions, par sentence définitive rendue dans notre tribunal, du conseil et avis du R.P. Maître de lu Sacrée Théologie, et des Docteurs de l’une et l’autre Loi, après l’invocation du Saint Nom de Jésus et de la glorieuse Mère toujours Vierge. Entre le magnifique Carlo Sincero, Docteur ès-deux Lois, Procureur Fiscal de ce Saint-Office, demandeur et accusateur d’une part, et toi Galilée, accusé et ici présent, d’autre part. Disons, prononçons, et sentencions que toi, Galilée, tu t’es rendu fort suspect d’hérésie, ayant tenu cette fausse doctrine du mouvement de la Terre et repos du soleil, et que l’on pouvait défendre comme probable une opinion après avoir été déclarée contraire à I’Écriture. Conséquemment, tu as encouru toutes les censures et peines des sacrés Canons, desquels néanmoins nous te délions, pourvu que dès maintenant, avec un cœur sincère et une foi non feinte, tu abjures, maudisses et détestes devant nous les susdites erreurs et hérésies, et toute autre erreur et hérésie contraire à l’Église. Et toutefois, afin que ta grande faute ne demeure tout à fait impunie, que tu sois plus retenu à l’avenir, et serves d’exemple aux autres, nous ordonnons que les dialogues susdits seront prohibés par édit public; que tu seras emprisonné dans les prisons dudit Saint-Office, à notre arbitre, et pour pénitence salutaire t’enjoignons de dire trois ans durant une fois la semaine les sept psaumes Pénitentiaux. Nous réservons la faculté de modérer, changer, ou lever en tout ou en partie les susdites peines et pénitences.»
A quoi ledit Galilée acquiesça le même jour, abjurant, maudissant et détestant la susdite erreur, de vive voix et par écrit dans le Couvent de Minerve. Et il promit à genoux, la main sur les Saints Évangiles, de n’aller jamais à l’encontre de la sentence susdite.
Chapitre 6 |
VI Repérage sur le globe (cycle 3) |
les points cardinaux et la boussole, Savoir ce que représentent: Pôles, Équateur, Méridiens, Parallèles
Comprendre que c'est le mouvement de rotation étudié au chapitre précédent qui donne aux pôles leur rôle particulier
Il est indispensable d'avoir fait cette leçon pour comprendre le tracé du méridien dans la cour expliqué en leçon précédente
Dans la leçon sur le jour et la nuit on a vu que la Terre tournait sur un axe et que Lyon était à peu près à égale distance de l'équateur et du pôle Nord
Points opposés de la Terre (Pôle Nord, Pôle Sud) sur l'axe de rotation (polos en grec: pivot, axe du monde)
Les flèches Nord des cartes indiquent la direction du pôle Nord
Le Pôle Nord est appelé aussi pôle arctique, pôle boréal, le Pôle Sud est appelé aussi pôle antarctique, austral
Équateur: cercle équidistant des pôles; le tracer en mesurant avec un fil la distance des pôles et le diviser en deux pour l’équateur, en 4 pour les parallèles 45°N, 45°S
Cercles gradués de 0° à 90°N (P. Nord), et 0° à 90°Sud (P. Sud): LATITUDE
Donner la latitude de notre village, approximativement ou avec les coordonnées géographiques: Lyon (45°46’N)» 45°N
Est-ce suffisant pour placer Lyon sur notre sphère?
Demi-cercle joignant les pôles.
Il faut choisir une origine conventionnelle alors que l'Équateur s'imposait comme parallèle origine. En 1880 le méridien origine choisi a été celui passant par Greenwich. On gradue à partir de celui-ci de 0° à 180° Est et 0° à 180° Ouest: LONGITUDE
On place Greenwich (0° ; 51°29’N)
Placer Lyon (4°49’E; 45°46’N)
Coller un petit disque rond en carton matérialisant l’horizon de Lyon, dessiner une petite flèche indiquant le Pôle Nord sur cet horizon. Dessiner une petite flèche notée Sud indiquant le Pôle Sud, une à 90° vers la gauche notée Ouest, une troisième vers la droite notée Est: cela s’appelle une rose des vents
Paris (2°20’14”E; 48°50’11N)
Placer des villes sur le même méridien que notre village [pour Lyon: Bergen en Norvège (5°E; 60°N), Phare d’Alger (3°E07’24”, 36°47’20”N), Île Bouvet près de l’Antarctique (5°E, 54°N), La Mecque (40°11’E, 21°21’N)]
Place une ville, une montagne, une mer où tu as envie d’aller
Lieu donné, trouver son code Exemple: Islande Réponse: (20°O, 65°N)
Code donné, trouver le lieu Exemple: (140° E, 36 °N)? Réponse: Tokyo
Sa direction correspond à celle du soleil réel. On peut visualiser cette direction en allant dehors, voir sur les boules blanches les pays où le soleil se “lève”, où il se “couche”, où il est midi solaire. Regarder si les pôles sont dans la nuit, le jour.
Tri d'objet: carton, verre, plastique, bois et métaux (par leurs caractéristiques physiques: éclat, dureté, sonorité, densité, couleur….)
Ils attirent certains objets
Ils attirent à distance
Ils attirent à travers certaines substances: feuille de papier, brique
Ils n’attirent pas à travers le fer
Établir un premier tableau
Attiré |
Non Attiré |
|
Objet 1 |
||
Objet 2 |
Conclusion: ce n’est pas l’objet mais le matériau qui compte
Établir un deuxième tableau
Attiré |
Non Attiré |
|
Matériau 1 |
||
Matériau 2 |
Conclusion: les matériaux attirés sont ceux contenant du fer ou du nickel
Aimantation d'un clou avec un aimant par frottement
Désaimantation du clou: on le laisse tomber, on tape dessus ou on le chauffe
Placer une petit aiguille aimantée sur un petit morceau de polystyrène et la faire flotter: elle s'oriente
Colorier en bleu le côté s'orientant vers le Nord, en rouge le côté s'orientant vers le Sud: on appelle Pôle N et Pôle S de l'aimant
Expérience avec deux aiguilles à la surface de l'eau: 2 pôles de même nom se repoussent, de noms opposés s'attirent
Conclusion: La terre se comporte comme un aimant.
A la surface de la Terre, la boussole pointe vers un point (Pôle Nord magnétique)
décalé de quelques degrés à l'est ou à l'ouest du Nord géographique (ou Nord
vrai). L'angle entre Nord Magnétique et Nord géographique est appelé déclinaison
magnétique. La déclinaison magnétique varie avec le temps en raison des
mouvements complexes du noyau en fusion (entre 2800 et 5000 km sous l'écorce
terrestre).Voir sur un globe la position actuelle du Pôle magnétique Nord (actuellement
au Nord du Canada) voisin du Pôle géographique.
Étude d’une carte I.G.N. et lecture
de la déclinaison magnétique à Lyon. Elle est voisine de 0°25 Ouest au 1er
janvier 2003 avec une variation de 0°7' Est par an.
Institut de géomagnétisme du Canada pour connaître la déclinaison d'un lieu
http://www.geolab.nrcan.gc.ca/geomag/f_cgrf.html
L’aimant attire mieux par certains cotés: pôles
Déterminer la "puissance" d’un aimant en essayant d’attirer des petits clous (on compte le nombre de clous à la suite)
Expérience de l’aimant brisé: on coupe un fil de fer magnétisé sur lequel on a précisé PN et PS: 2 nouveaux aimants….
Scie thermique à pile ou sur le secteur (pour l’enseignant)
CELDA 2 rue d’Arsonval, BP 191 69 686 Chassieu Ce Catalogue p 227, Réf 00118, Prix 25,15€, Recharge de fil (5mètres) Prix 4,42€
Rougié et Plé, 17 cours de la Liberté, 69 003 Lyon, 1,80€ la recharge de 10 brins; branchement sur le transformateur du pyrograveur
ASTAM, "Petites Terres", 2 Place du Chalet, 39 360 Viry Tél: 03 84 41 12 10, Prix: 3,70€, astamviry@minitel.net
Chapitre 7 |
Espace et diversité des paysages: Première découverte du globe, des éléments du cosmos. Observation du temps qu’il fait (données météorologiques et climatiques élémentaires)
Le temps dans la vie des hommes: Heure, journée, semaine, mois, a année, rythmes naturels et mesure sociale du temps. Utilisation et fabrication de calendriers
Monde du vivant: modification des milieux selon les saisons
Instructions officielles : la durée du jour et son évolution au cours des saisons ;
N'est plus au programme: Comprendre que l’inclinaison et la fixité de l’axe des pôles par rapport à l’écliptique entraîne la variation de durée du jour et de la nuit. Savoir que la durée du jour et de la nuit dépend de la date, du lieu !!!!!!!!
Savoir modéliser un problème physique: ici celui de la variation de la durée du jour
Émettre des hypothèses, essayer de les valider
Sur le calendrier: repérage du début et de la fin de l’automne
Compter le nombre de mois, de semaines, de jours Repérer les fêtes
Heure de lever et coucher du soleil Dictons météo ou agricoles...
Sortie dans un parc: observation des arbres, des plantes
À partir de textes ou de photos: types de temps (brouillard, rosée); activités (vendanges, semailles, chasse); Transformations de la nature: a) oiseaux qui partent (hirondelles...), oiseaux qui restent b) fruits, légumes de l’automne
Qu'est ce qui change au fil des jours
Flore: feuilles qui tombent, floraison….
Faune: migrations, hibernation, vêlage,….
Météorologie: changements de température, ensoleillement, précipitations, vents
Astronomie: durée du jour et hauteur du soleil au cours de la journée
Activités humaines et fêtes sociales: vendanges, moissons, pêche, rentrée des classe, Pâques, Fêtes de moisson, Noël….
Commencer cette leçon le jour d’un changement de saison, et poser des questions sur la saison concernée: quand commence t-elle, quand finit-elle? (Quand commence l’automne?)
Les enfants donnent souvent des repères sociaux (rentrée des classes, changement d’heure...), liés à la végétation (les feuilles jaunissent et tombent, l’herbe ne pousse plus, les rameaux de certains arbres tombent...), météorologiques (froid, vent, pluie, ...) et rarement le critère astronomique lié à la définition des saisons et portant sur l’éclairement de la Terre et sur la durée du jour.
Il faut faire surgir ce critère, par des questions, par l’étude de documents (bulletin météo du journal local, calendrier du Lyonnais pour le mois concerné donnant les levers et couchers de soleil, la date des équinoxes et solstices...)
Première approche de la variation de durée du jour
Bulletin météo du journal, calendrier du mois
L’enseignant définit la saison concernée L’automne, par exemple, commence quand le jour en devenant plus court est égal à la nuit
L’hiver commence quand les jours s’allongent. Le printemps commence quand le jour en devenant plus long devient égal à la nuit
L’été commence quand les jours diminuent
Calendrier donné par l’enseignant des levers et couchers à Lyon
Lecture et commentaires Diagramme d’évolution
Trouver la date et la durée du jour le plus court, le plus long; la date des jours où “nuit = jour = 12 heures”
Avec lampe de poche (soleil) et boule blanche (Terre), chercher pourquoi la durée des jours varie
Demander d’abord de positionner la boule pour un jour de solstice ou d’équinoxe, passer dans les groupes
L’enseignant avec une grosse lampe de 200 W résume les différentes démarches proposées par les enfants et réfute les solutions qui conviennent souvent partiellement, mais que des éléments nouveaux réfutent (L’étoile du bout de la petite Ourse, polaire, reste fixe), argument physique sur la stabilisation par rotation (assiette tournant sur baguette, vélo, gyroscope...)
Choisir un plan d’orbite terrestre, placer le globe aux solstices et équinoxes
Bien montrer que ces événements arrivent à un instant précis (jour, heure, min, s)
L’axe des pôles est incliné sur le plan de l’orbite terrestre et garde une direction fixe par rapport aux étoiles ce qui explique l’inégalité des durées du jour et de la nuit durant l’année
Quand fait-il le plus chaud, le plus froid? Pourquoi? Les deux paramètres : durée d’ensoleillement et inclinaison des rayons
Calcul de la durée de l’année des saisons. Équinoxes: 20 mars 2000 à 7h35, 20 mars 2001 à 13h31, 20 mars 2002 à 19h16, 21 mars 2003 à 1h00, 20 mars 2004 à 06h48, 20 mars 2005 à 12h33, 20 mars 2006 à 18h25
Chapitre 8 |
Élaborer, construire et utiliser un instrument de mesure du temps
Comprendre l’heure solaire et constater la différence avec l’heure légale (sans commentaires pour l’instant)
Observer la régularité du mouvement apparent du soleil
Quelle heure est-il?
Que veut dire cette expression?
Cite des instruments de mesure du temps : horloge, bougie de notaire, chronomètre, clepsydre, sablier, montres diverses..
Peut-on connaître l’heure sans instrument moderne?
Le saladier montre la trajectoire apparente régulière contenue dans un plan incliné par rapport à l’horizon (44° à Lyon: 90° - latitude): si on observe par rapport à une Terre correctement positionné (voir cadran solaire de Ternay)
Photo II‑1: Cadran de Ternay (Rhône) aux solstices et équinoxes
Ce plan est // à l’équateur terrestre et s’appelle l’équateur céleste
Peut-on utiliser ce résultat pour faire un instrument de mesure du temps
Le « saladier » est la réplique du polos grec qui a permis aux Anciens de comprendre les phénomènes célestes et la géographie terrestre.
Il constitue un outil pédagogique de grande valeur
En combien a t-on divisé la durée séparant deux passages du soleil au méridien? Réponse: 24
En combien allons nous diviser notre cadran? Réponse: 24. Il y a une différence avec une horloge où la petite aiguille fait 2 tours en 24h d’où 12 graduations
Analogie: ombre = aiguille de l’horloge
graduations du cadran solaire = graduations du cadran de l’horloge
cadran le plus simple = bâton (gnomon) en terre
Cadran placé sur le sol au pôle Nord du globe (il est plus facile de comprendre en plaçant la Terre un 21 juin).
Quelle est l'impression de l’Esquimau: il voit l’ ”aiguille” tourner sur le cadran.
Impression d’un observateur ne tournant pas avec la Terre: il voit l’ ”aiguille” fixe et le cadran tourner
Les graduations sont-elles régulières si la Terre tourne régulièrement? (Réponse: OUI)
Quel est l’angle représenté par 1h? (Réponse: 24h --- 360° donc 1h--- 360/24=15°)
Un Lyonnais peut-il prendre exemple sur l’Esquimau pour construire son cadran?
Construction d’un cadran équatorial placé à Lyon Mise en station. Lecture de l’heure solaire
Constat: Différence avec l’heure de notre montre appelée “heure légale en France”
Prévoir: l’heure de récréation ou du goûter...
Apports du maître: 2 problèmes sont soulevés par un cadran horizontal avec un bâton vertical:
* “petit” problème”: les graduations sont irrégulières (elles ne le seront pas dans le cadran équatorial, mais le seront dans le cadran horizontal ou vertical à style orienté vers l’Étoile Polaire)
* “gros” problème: une direction donnée n’indique pas une heure donnée (dépend du jour de l’année)
On peut visualiser sur l’ensemble des relevés de l’année le point de concours des droites horaires et incliner le gnomon à partir de ce point suivant l’axe de rotation apparent du soleil donné par le saladier
Observer sur un photo: place du style, position et orientation de la table de lecture, graduations
On se fixe le grand axe 2a de l’ellipse Valeur du petit axe: 2b=2asinl,
Déplacements du gnomon: d=atgdcosl d: déclinaison du soleil le jour considéré)
Angles a: tga= tgH/sinl H: angle horaire du soleil
Exemple: a = 2m et l=45° Alors b = c = asin45°= 1,414m Le tableau 1 et 2 donnent a et d
Date |
21.01 |
21.02 |
21.03 |
22.04 |
21.05 |
21.06 |
24.07 |
22.08 |
23.09 |
23.10 |
23.11 |
22.12 |
d |
-20,12 |
-10,9 |
0 |
11,86 |
20 |
23,5 |
20 |
12,11 |
0 |
-10,9 |
-20 |
-23,5 |
d |
-0,518 |
-0,272 |
0 |
0,296 |
0,5147 |
0,614 |
0,514 |
0,303 |
0 |
-0,272 |
-0,514 |
-0,869 |
heure |
11h et 13h |
10h et 14h |
9h et 15h |
8h et 16h |
7h et 17h |
6h et 18h |
H en ° |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
a en ° |
20,7 |
39,2 |
54,7 |
67,7 |
79,2 |
90 |
Chapitre 9 |
Connaître trois systèmes de repérage dans le temps: Heure Solaire, Heure Légale, Temps Universel
Comprendre l’aspect conventionnel mais nécessaire de l’Heure Légale
NOTION DE MESURE: pour mesurer une grandeur il faut un instrument, une origine, une unité
INSTRUMENT: Le cadran solaire
ORIGINE: Mi-di = le milieu du jour, à cet instant l’ombre est * sur le méridien * la plus courte de la journée
UNITE: Jour solaire = Durée séparant 2 Mi-dis consécutifs Choix très ancien de diviser l'unité en 24 (La division en 10 sous la Révolution Française a été rapidement abandonnée)
Problème: Est-il midi solaire en même temps pour tout point de la Terre?
« Remède »: Convention Internationale de Rome (1883)
Création de 24 fuseaux de 15°
Heure Légale = Heure solaire du méridien central du fuseau + E
Exemple: Espagne et Portugal
Exception: La France est presque centrée sur le fuseau 0 mais s’aligne sur le fuseau +1 en hiver, +2 en été
Numérotation: Vers l’Est +1, +2, +3... Vers l’Ouest -1, -2, -3...
Temps Universel (T.U. ou U.T.)
Heure Légale du fuseau 0 = Heure Solaire de Greenwich + E
= Heure Solaire Moyenne de Greenwich
Sur l’heure légale
Sur le passage de l’heure légale à l’heure solaire
CHAPITRE 10 |
Pré-requis: Connaître la course du soleil en une journée et à différentes dates, les phénomènes des saisons et leur interprétation
Intérêt: Réaliser et exploiter des mesures de relevés d'ombre, de photographies de Lever de Soleil
Relier ces observations au cycle des saisons vu antérieurement
Il y a un problème, il faut réaliser des observations précises et faire des mesures
Ombre du gnomon aux solstices et équinoxes
Retrouve t-on la notion de saison? Les deux aspects?
En été le soleil est présent plus longtemps au-dessus de l’horizon.
En été le soleil est plus haut: le sol s’échauffe plus.
Gommettes sur un demi-ballon transparent
trajectoire apparente du soleil
11 |
XI La Lune |
6 Le temps qui passe: L'utilisation des instruments de repérage chronologique (calendriers) et de mesure des durées (sabliers, clepsydres, horloges...) est un moyen sûr pour conduire les enfants à une meilleure appréciation du temps. Leur usage régulier (rituels) est nécessaire dès la première année d'école maternelle.
Vivre ensemble, agir dans le monde, découvrir le monde, imaginer, sentir, créer
4- COMPÉTENCES DANS LE DOMAINE DE LA STRUCTURATION DE L'ESPACE:
Être capable de :
- repérer des objets ou des déplacements dans l'espace par rapport à soi ;
- décrire des positions relatives ou des déplacements à l'aide d'indicateurs
spatiaux et en se référant à des repères stables variés
5 - COMPÉTENCES DANS LE DOMAINE DE LA STRUCTURATION DU TEMPS:
Être capable de :
- reconnaître le caractère cyclique de certains phénomènes, utiliser des repères
relatifs aux rythmes de la journée, de la semaine et de l'année, situer des
événements les uns par rapport aux autres (distinguer succession et simultanéité)
;
Compétences: Avoir compris et retenu : quelques phénomènes astronomiques : "course du Soleil" ; durée des jours et des nuits ; évolution au cours des saisons (calendrier) ; lien avec la boussole et les points cardinaux ; un petit nombre de modèles simples concernant ces phénomènes ; le système solaire et l'Univers
L'étude de la Lune n'est pas explicitement au programme mais son observations permet d'étudier de façon concrète et vivante tous les aspects scientifique et culturel des calendrier (musulman, juif, chinois, grégorien)
Cycle 1 et 2: observer * le mouvement diurne * le changement d’apparence de la Lune au fil des jours sur un mois environ
Cycle 3: savoir utiliser une maquette en trois dimensions du système Terre - Lune - Soleil
savoir passer “d’une vision sur Terre à une vision d’extraterrestre”, changer de repère
Comportement: travailler par groupe, s’exprimer
Cycle 1 ou 2: Dessine la Lune? Quelle est la forme? Pourquoi est-elle brillante?
Cycle 3: Les deux questions précédentes et de plus: Quand est -elle visible?
Le dépouillement met en évidence des différences de conceptions, qu'il y a différents problèmes à résoudre et qu'il faut observer
Dessin de la Lune sur un même paysage à 8h30, 11h30, 14h30 (si on commence en premier quartier)
Faire un gabarit de carton pour l'écart angulaire Lune-Terre-Soleil
* la Lune peut être visible de jour *elle garde la même apparence un même jour * elle possède un mouvement relatif par rapport à l'horizon comme le soleil (elle garde le même écart angulaire avec lui) *elle est éclairée du côté du soleil
Lors de cette première observation de croissant ou quartier, il est important que les enfants visualisent avec leurs bras, l'écart angulaire Lune-Soleil: en effet cela leur évitera d'interpréter les phases par le phénomène des éclipses lorsqu'ils interpréteront leurs observations (voir paragraphe IV)
on fait une seule observation à la même heure que le premier jour et on dessine également sur le paysage
Coller le dessin sur le cahier et
Texte : nous avons observé dans la cour de l’école, la lune mardi …2004 à 9h00. Elle était au-dessus de… et avait l’apparence suivante…
Coller le dessin du jeudi
Texte : nous avons observé la lune jeudi …2004 à 9h00. Elle était au-dessus de… et avait l’apparence suivante…
Premières conclusion : de jour en jour la lune change d’aspect ; Pendant notre observation elle a eu le mouvement suivant par rapport au soleil…
dessin de l’apparence de la Lune une seule fois par jour avec date, lieu, heure de l’observation
indiquer la direction du soleil/ côté éclairé de la Lune
IV) Interprétation
Réaliser une maquette Que demandent les enfants pour leur maquette? (assiette ronde, croissant, plusieurs « Lunes », diverses lampes de poche, ampoule centrale puissante...)
A l’extérieur un jour où la Lune est visible: “Pêche à la Lune”
En classe par groupe de deux enfants
lampe de 200 W au centre, des boules blanches pour la Terre et la Lune, retrouver les observations
Regroupement avec le maître
lampe de 200 W au centre, globe terrestre autour duquel se rassemblent les enfants, et une boule blanche (Lune) qui tourne autour du globe
La Lune est une sphère
La Lune est éclairée par le Soleil
La Lune tourne autour de la Terre en 29,5 jours, sur un plan incliné par rapport au plan de l’écliptique
C’est parce que nous regardons la Lune depuis la Terre que nous voyons des phases
Maquette dans la cour
Tracé de l’ellipse de la trajectoire lunaire, enfants autour, placer la Lune du jour/soleil, la faire circuler
Dans la cour “danse Terre-Lune” autour du Soleil
Exercices sur feuilles avec petites boules
Divers exercices:
Le Soleil a rendez-vous avec la Lune
La face cachée de la Lune
Les jardiniers: la Lune montante et descendante; la Lune rousse
Les marées
La Lune cendrée
Le « lunoscope»
La date de Pâques, les mois musulmans ou hébreux
Histoire de la conquête de la Lune
Étude de diapositives, vidéos, documents écrits ou photos
Règles mnémotechniques valables dans l’hémisphère Nord
Étude du calendrier des Postes
Les éclipses
A l’aide d’une maquette trouver les heures approximatives de visibilité des phases
pour le système Lune – Terre – Soleil
Echelle choisie: 1 cm représente 100 000 000 cm = 1 000 000 m = 1 000 km
Echelle permettant de bien voir les phénomènes
Remplir le tableau
Réel en km |
Réel en cm |
Maquette en cm |
|
Rayon Lune |
1 740 |
||
Rayon Terre |
6 400 |
||
Distance Terre _Foyer2 |
40 000 |
||
Rayon Soleil |
70 0000 |
||
Longueur du «Fil» |
770 000 |
||
Distance Terre-Soleil |
150 000 000 |
||
Distance Proxima du Centaure |
4.2 a.l. |
Remarques
En réalité les deux foyers F1 et F2 sont très proches: la trajectoire de la lune est très voisine du cercle.
1 a.l. = distance parcourue par la lumière en un an (à la vitesse = 300 000 km/s)
Soleil Lune F2 Terre
= 300 000 * 365 * 24 *3600 km = 9 460 000 000 000 km
= 9 460 milliards de km
|
Tracé de l’ellipse de la trajectoire lunaire: avec une ficelle tendue entre les deux foyers, on trace l’ellipse que l’on matérialise avec des cailloux, des marrons, un trait à la craie ….
Laisser les élèves se placer tout autour
Prendre la boule «Terre» (R=6.4cm), la boule «Lune» (R=1.7cm), quelle est le rayon du soleil (R=7m), à quelle distance se trouve t-il?
Si on choisit de placer le soleil dans cette direction (pourquoi pas donnée par celle du soleil au cours de la séance) où se trouve la lune sachant que la nouvelle lune a eu lieu il y a … jours?
Qu’est-ce qu’une éclipse (de soleil, de lune?) Pourquoi les éclipses sont-elles rares?
· Mais la Lune ne le voit pas
· Et le Soleil l’attend...
· Charles Trénet
Remplis le tableau ci-dessous à l’aide du calendrier des Postes pour la prochaine Nouvelle Lune (N.L.) qui aura lieu le . .. 200.
N.L. – 2 jours |
Nouvelle Lune |
N.L. + 2 jours |
|
Date |
|||
Heure du « coucher » du soleil |
|||
Heure du « coucher » de la lune |
|||
Durée entre « couchers » |
|||
Phase de la lune |
Au “coucher” du soleil
Les trois dessins ci-dessous représentent le Soleil à l’instant de son “coucher” et une position possible du plan d’orbite lunaire. Complète chaque dessin:
en indiquant la date et l’heure.
en représentant la Lune (phase et position par rapport au Soleil).
Le plan d’orbite lunaire est-il toujours placé comme sur ces dessins?
· Qu’est-ce qu’une éclipse?
· Peux-tu faire comprendre une éclipse sur un dessin?
· Discussion en groupe
Matériel (par groupe d’enfants): deux boules de polystyrène dont les diamètres sont dans le rapport ¼
Une grosse lampe centrale
Réaliser les deux types d’éclipse (de lune et de soleil) partielles et totales
Eclipse de lune: Soleil – Terre – Lune alignés, la Lune rentre dans l’ombre de la Terre
Eclipse de soleil: Soleil – Lune – Terre alignés, la Terre rentre dans l’ombre de la Lune
Eclipse de Lune: un jour de pleine Lune, on voit le disque lunaire obscurci progressivement par le disque d’ombre de la Terre (phénomène complet durant jusqu’à 3heures)
Eclipse de soleil: petite tâche de 300km de diamètre au maximum qui se déplace à la surface de la Terre (durée de la période de totalité très brève: au plus 7mn)
Pour comprendre les phases de la Lune, Bozo et son ami Spooky ont chacun une mission à remplir
a) S’envoler très loin au dessus de la feuille
b) Colorier en jaune sur le dessin ci-dessous la partie de “chaque” lune qu’il voit lumineuse
Bozo aimerait bien aller aussi vers les étoiles comme son ami Spooky mais il doit
a) Rester sur Terre
b) Colorier en jaune sur la frise ci-dessous la partie de “chaque” lune qu’il voit lumineuse, en commençant par le plus facile L5, L1 puis L3, L7 et enfin L2, L4, L6, L8.
c) Indiquer le Premier Quartier (P.Q.), la Pleine Lune (P.L.), le Dernier Quartier (D.Q.), les Lunes Gibbeuses (L.G.), la Nouvelle Lune (N.L.), le Premier Croissant (P.C.) et le Dernier Croissant (D.C.)
Chapitre 12 |
Repérage sur la Terre
Rotation de la Terre sur elle-même et jour et nuit
Révolution de la Terre autour du soleil et saisons
Cette leçon n'est pas explicitement du programme mais elle est historiquement indispensable avant d'aborder le système solaire et les planètes du Soleil.
Dessine ce que tu peux voir dans le ciel, la nuit.
Qu’est-ce qu’une constellation?
Donne les noms de celles que tu connais.
Combien voit-on d’étoiles à l’œil nu?
Document 1: Que représente t-il? Cherche des formes connues et trace-les.
Document 2: Trouve la place de chaque figure sur le document 1.
Document 3: Intérêt des constellations. Dimension angulaire
Clefs du ciel: à partir de la grande Ourse: Étoile Polaire, Lion, Arcturus dans le Bouvier, Castor et Pollux, Bételgeuse dans Orion.
Globe terrestre et ballon jaune pour le soleil
Rotation de la Terre autour de l’axe des pôles: Dans quel sens? Le faire retrouver
Révolution autour du soleil: Dans quel sens? On le donne
Placer le bonhomme à Lyon sur le globe, placer le ballon-Soleil
Faire tourner la Terre sur elle-même
Quand est-il midi (milieu du jour) solaire à Lyon, minuit solaire, 6h solaire, 18h solaire?
Le plan de l’écliptique représente le plan de la trajectoire de la Terre autour du soleil
Durant une journée, le soleil ne bouge pas par rapport aux étoiles
Il a un mouvement apparent par rapport aux constellations de l’écliptique au cours de l’année et il revient à la même place au bout d’un an.
Comparaison du globe céleste au globe terrestre: Pôles (étoile polaire proche du pôle céleste Nord), équateur céleste, parallèles et méridiens célestes
Cercle écliptique: trajectoire apparente du soleil au cours de l’année (trajectoire apparente approximative de la lune et des planètes)
Latitude: oui la carte construite sera valable pour la latitude 45°N
Longitude: non, deux lieux différents verront le même ciel à une heure solaire locale donnée
Oui et bien observer que c’est l’heure solaire qui compte: un habitant de Lyon à minuit solaire de Lyon observera le même ciel qu’un habitant de Montréal à minuit solaire de Montréal
Par exemple: à quelle heure le ciel du 21 juin, correspond-il au ciel du 21 mars à 24h? Réponse: 18h
+3 mois de décalage¤-6 heures donc +1 mois ¤-2 heures
Observation des constellations (lettres majuscules), des étoiles (lettres minuscules), de l’équateur céleste, du cercle écliptique, de l’étoile polaire, du pôle céleste
Expliquer qu’il s’agit d’une projection du globe céleste sur un plan en regardant au-dessus de sa tête.
On pourrait graduer ce fond étoilé en “longitude céleste” comme sur la Terre avec des degrés (Les astronomes graduent en ascension droite exprimée en heure comme unité d’angle). Comme le soleil parcourt la voûte étoilée en 365,25 jours, on choisit de diviser le pourtour en 365,25 parties et de d’indiquer la position du soleil ce jour. (Pour le maître: Le soleil se trouve en fait à l’intersection équateur-écliptique à l’instant des équinoxes et il y a léger déplacement des graduations par rapport au fond étoilé d’une année sur l’autre)
Pourquoi la Terre n’est-elle pas placée?
Pourquoi le soleil n’est-il pas placé? On place le soleil le jour de l’observation...
Pourquoi lune et planètes ne sont-elles pas placées?
Voit-on toutes ces étoiles en même temps? Réponse non; donc il faut un cache que l’on fera tourner en fonction de l’heure. Ce cache ne dépendra que de la longitude de l’observateur
Pourquoi les points cardinaux sont-ils inversés? Placer la carte au-dessus de sa tête...
La forme ovale limite les étoiles visibles et représente la ligne horizon: parcourir avec son bras le pourtour de l’horizon puis avec son doigt le pourtour de l’ovale.
Le zénith est au milieu de l’ovale: le montrer avec son bras, puis le pointer sur le tympan
La ligne d’azimut Est-Ouest est représentée par une ligne courbe: la parcourir avec son bras dans l’espace puis la suivre du doigt sur le tympan
On peut choisir de graduer la ligne d’horizon de 0° à 360°. On peut aussi choisir de graduer la voûte céleste en 24 graduations à partir du méridien céleste nord (0h et 12h au sud)
On découpe le tympan (ovale et entre 17h et 7h) et le fond étoilé
Positionner le fond étoilé lorsque le soleil passe au sud (derrière le tympan): on constate que cela correspond à la graduation spatiale 12h qui correspond aussi à l’heure solaire de passage du soleil. Si on fait tourner régulièrement le fond étoilé, les graduations spatiales vont aussi correspondre à l’heure solaire d’observation du ciel donc à des repères temporels.
Dans quel sens faut-il tourner le fond étoilé?
Persée, Andromède, Céphée, Cassiopée, La Baleine, Pégase
Hercule, L’aigle, Le Cygne, Dragon, Lion, Taureau, La Flèche
Orion, Le Scorpion...
Saint Jacques de Compostelle
Les constellations qui quadrillent le ciel ont été élaborées par les astronomes pour se repérer sur la Terre en trouvant l’étoile polaire et donc le nord, pour repérer lune, planètes et comètes, et à se repérer dans le déroulement des saisons en observant la position du soleil (ciel = atlas + calendrier)
Elles regroupent des étoiles apparaissant dans la même zone du ciel mais que l’on sait depuis 1838 être à des distances très différentes.
En 1930 l’Union Astronomique partage la voûte céleste avec 88 constellations.
L’observation des mouvements des astres puis l’analyse du message complexe transmis par la lumière ont permis à l’homme de mieux comprendre l’Univers qui l’entoure.
Chapitre 13 |
Compétences: Exploiter des documents, utiliser des notions mathématiques (maquette, échelle, proportionnalité)
Connaissances: 6 - Le ciel et la Terre……..- le système solaire et l'Univers
Connais-tu d’autres objets célestes que le soleil, la lune et les étoiles?
Si oui, nomme-les et fais un dessin où ils apparaissent.
En quoi n’est-ce pas une vraie photo? Placer le soleil, les planètes.
Quelle est la trajectoire des planètes? Compte-les. Nomme-les
Mercredi Viendras-Tu Manger Avec Jean Sur Une Nappe Propre?
Intérêt Échelle 1 / 10 000 000 000
Maquette dans la cour (étoile la plus proche à 4000 km)
Expliquer pourquoi Vénus est appelée « étoile du berger »
Planètes visibles à l’œil nu: Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne
alors que les étoiles ne se déplacent que plus lentement vu de la Terre
alors que Soleil - Proxima du Centaure = 4 Années de lumière
alors que les planètes renvoient la lumière du soleil
Les planètes paraissent semblables aux étoiles lorsqu’on regarde le ciel nocturne. Mais au fil des semaines on les voit se déplacer plus ou moins rapidement par rapport aux constellations (planète = “étoile vagabonde”), ce qui les rendaient autrefois mystérieuses. On sait maintenant que ce sont des astres qui tournent autour du soleil et renvoient sa lumière alors que les étoiles qui sont très chaudes et très loin émettent leur propre lumière.
Chapitre 14 |
Instructions: Les objets et les matériaux, les états de la matière
Objectifs:
Savoir-faire: 1) Manipuler, observer, comparer 2) Classer, ranger 3) Expérimenter 4) Repérer, mesurer 5) Se documenter, communiquer
Savoir: Différencier objet et matière Propriétés simples des aimants
Instructions:
Le ciel et la terre: points cardinaux et utilisation de la boussole
Matière et énergie: exemples simples de production d’énergie
Objets technologiques: montage et démontage d’objets techniques simples
Géographie: localisation des gisements des métaux
Savoir: Un aimant s’oriente à la surface de la terre. Propriétés variées des aimants.
Savoir faire: 1) Manipuler, observer, comparer 2) Classer, ranger 3) Expérimenter 4) Repérer, mesurer 5) Se documenter, communiquer
Trouver la fonction, démonter et remonter un objet: génératrice de bicyclette
Forme: rond, carré, rectangulaire, mince, épais,...
Fonction: en classe, à la maison, publique, dans les usines, ...
La facture: naturel ou fabriqué, facture simple ou complexe
Propriétés physiques liées au matériau qui constitue l’objet
liées à l’ouïe: bruit sonore, mat, étouffé en tombant
liées au toucher: rugueux-lisse, chaud-froid (Est-ce que le métal est froid? Introduire ou faire trouver le vocabulaire: conduit bien la chaleur: conductivité thermique)
dur-mou (rayé par l’ongle, le verre, raye le verre)
liées à l’odorat: inodore - odorant ou mal-odorant
liées à la vue: transparence (transparent-translucide-opaque); couleur; éclat (mat-brillant), réfexion de la lumière
Autres: malléabilité, densité
Choix du critère: éclat, sonorité, conductivité thermique
Définition des métaux
Ce sont des matériaux qui ont simultanément les propriétés physiques suivantes:
Éclat et sonorité “métallique” Réflexion de la lumière Conductivité thermique
conduction du courant (attention au vernis, pellicule de plastique ou oxyde recouvrant parfois le métal)
* éclat et couleur * oxydé ou non par l’air * Le test des aimants sera vu ensuite
cuivre: couleur rouge, se couvre de vert-de-gris (hydroxyde) au contact de l’air
fer: blanc-gris, se recouvre de rouille
argent: couleur blanche, bel éclat en le polissant, inoxydable
or: rare!!! et cher!!!, couleur jaune, dense ....
plomb: dense, gris bleuâtre, oxydé, mais brillant dans coupe fraîche, malléable, rayé par l’ongle,
nickel: dur, brillant (pièces de 1 F; 2 F; 5 F; cœur des 10 F)
étain: odeur désagréable lorsqu’on frotte ses doigts dessus, blanc (comme l’argent)
aluminium: gris, léger
Des objets familiers sont déposé sur une table
Jeu 1a: Les enfants posent des questions à l’enseignant pour trouver l’objet
Jeu 1b: Un enfant sort et doit trouver l’objet choisi par la classe
Jeu 1c: on supprime les propriétés trop utilisées: fonction, couleur, ...
Forme: rond, carré, rectangulaire, mince, épais,...
Fonction: en classe, à la maison, publique, dans les usines, ...
La facture: naturel ou fabriqué, facture simple ou complexe
Propriétés physiques liées au matériau qui constitue l’objet
· agir sur les objets pour découvrir ces propriétés
· liées à l’ouïe: bruit sonore, mat, étouffé en tombant
· liées au toucher: rugueux-lisse, chaud-froid (Est-ce que le métal est froid? Introduire ou faire trouver le vocabulaire: conduit bien la chaleur: conductivité thermique)
· dur-mou (rayé par l’ongle par le verre, ou raye le verre)
· liées à l’odorat: inodore - odorant ou mal-odorant
· liées à la vue: transparence (transparent-translucide-opaque); couleur; éclat (mat-brillant)
· Autres: malléabilité, densité (flotte ou coule dans l’eau)
Classement avec une seule propriété: par exemple, couleur rouge
Classement avec deux propriétés: éclat et paraît froid au toucher
Les métaux sont des matériaux caractérisés par leur éclat et une bonne conductibilité thermique
bois: noirci à la flamme, flotte, veine ou cernes de croissance
métal: brille si on le frotte, parait froid au toucher, sonore
Autres: verre céramique plastiques
Ils attirent certains objets
Ils attirent à distance
Ils attirent à travers certaines substances: feuille de papier, brique
Ils n’attirent pas à travers le fer
Établir un premier tableau
Attiré |
Non Attiré |
|
Objet 1 |
||
Objet 2 |
Conclusion: ce n’est pas l’objet mais le matériau qui compte
Établir un deuxième tableau
Attiré |
Non Attiré |
|
Matériau 1 |
||
Matériau 2 |
Conclusion: les matériaux attirés sont ceux contenant du fer ou du nickel
Aimantation d'un clou avec un aimant par frottement
Désaimantation du clou: on le laisse tomber, on tape dessus ou on le chauffe
Placer une petit aiguille aimantée sur un petit morceau de polystyrène et la faire flotter: elle s'oriente
Colorier en bleu le côté s'orientant vers le Nord, en rouge le côté s'orientant vers le Sud: on appelle Pôle N et Pôle S de l'aimant
Expérience avec deux aiguilles à la surface de l'eau: 2 pôles de même nom se repoussent, de noms opposés s'attirent
Conclusion: La terre se comporte comme un aimant.
A la surface de la Terre, la boussole pointe vers un point (Pôle Nord magnétique)
décalé de quelques degrés à l'est ou à l'ouest du Nord géographique (ou Nord
vrai). L'angle entre Nord Magnétique et Nord géographique est appelé déclinaison
magnétique. La déclinaison magnétique varie avec le temps en raison des
mouvements complexes du noyau en fusion (entre 2800 et 5000 km sous l'écorce
terrestre).Voir sur un globe la position actuelle du Pôle magnétique Nord (actuellement
au Nord du Canada) voisin du Pôle géographique.
Étude d’une carte I.G.N. et lecture
de la déclinaison magnétique à Lyon. Elle est voisine de 0°25 Ouest au 1er
janvier 2003 avec une variation de 0°7' Est par an.
Institut de géomagnétisme du Canada pour connaître la déclinaison d'un lieu
http://www.geolab.nrcan.gc.ca/geomag/f_cgrf.html
L’aimant attire mieux par certains cotés: pôles
Déterminer la "puissance" d’un aimant en essayant d’attirer des petits clous (on compte le nombre de clous à la suite)
Expérience de l’aimant brisé: on coupe un fil de fer magnétisé sur lequel on a précisé PN et PS: 2 nouveaux aimants….
Scie thermique à pile ou sur le secteur (pour l’enseignant)
CELDA 2 rue d’Arsonval, BP 191 69 686 Chassieu Ce Catalogue p 227, Réf 00118, Prix 25,15€, Recharge de fil (5mètres) Prix 4,42€
Rougié et Plé, 17 cours de la Liberté, 69 003 Lyon, 1,80€ la recharge de 10 brins; branchement sur le transformateur du pyrograveur
ASTAM, "Petites Terres", 2 Place du Chalet, 39 360 Viry Tél: 03 84 41 12 10, Prix: 3,70€, astamviry@minitel.net
argent (1), cuivre (0,93), or (0,53), aluminium (0,48), zinc (0,27), étain (15), fer (0,12), plomb (0,084), marbre (0,007), verre (0,002), bois (0,0005) en cal/s.cm.dg
argent (3100), cuivre (2900), or (2000), alu (1700), zinc (850), étain (800), fer (520), plomb (225), maillechort 60%Cu-25%Zn-15%Ni (159) avec Fe ou Cu pour bilames, constantan 60%Cu-40%Ni (100), ferronickel 74%Fe-25%Ni-0,8%C (60), carbone (1)
platine (21), or (19), mercure (13,6), plomb (11,3), argent (10,5), cuivre (9), nickel (8,8), étain (7,28), zinc (7,13), titane (4,5), alu (2,7)
1 talc; 2 gypse; 3 calcite; 4 fluorine; 5 apatite; 6 orthose; 7 quartz; 8 topaze; 9 corindon; 10 diamant
Classer: savon; carton; plastique, ongle; sou; lime. Placer dans cette série: craie, lime
chrome (raye le verre)-- nickel, fer, zinc (rayés par le verre)-- Pt, Cu, or, alu, argent, étain (rayés par le spath d’Islande)-- plomb (rayés par l’ongle)-- mercure
or, argent, aluminium, cuivre, étain, platine, plomb, zinc, fer, nickel
Les métaux précieux (or, platine, argent, nickel, chrome) ne s’oxydent pas
Le plomb, le zinc, l’aluminium et le cuivre sont protégés par la couche d’oxyde formée
Pour l’étain c’est un hydroxyde qui se forme et qui protège également
Avec le fer l’oxyde qui se forme est poreux et ne protège pas d’une altération ultérieure
Protection contre l’oxydation
Galvanisation: passage d’un courant électrique dans une solution pour recouvrir d’un métal donné étamer, zinguer, nickeler, chromer, argenter, dorer
Par extension: on plonge dans métal fondu: argent, chrome, nickel, zinc, étain (fusion à 238°C)
Le zinc protège bien car une si il y a une entaille, il se couvre d’une couche protectrice d’oxyde de zinc, et protège à nouveau le fer. Avec l’étain, si il y a une entaille, c’est le fer qui s’oxyde
CORPS |
Mercure |
Étain |
Plomb |
Zinc |
Antimoine |
Aluminium |
Argent |
Tfusion |
-39 |
232 |
327 |
418 |
630 |
657 |
962 |
Tébullition |
357 |
2270 |
1740 |
907 |
1440 |
2460 |
2040 |
CORPS |
Or |
Cuivre |
Fer |
Fonte |
Platine |
Titane |
Tungstène |
Tfusion |
1063 |
1084 |
1530 |
1050 à 1200 |
1750 |
1795 |
3660 |
Tébullition |
2530 |
2300 |
3235 |
T. de fusion: verre (800 à 1200°C), soudure à l’étain-plomb (180°C), cire de bougie (60°C)
Utilisé pour casseroles, alambics, bon conducteur thermique, fils car bon conducteur électrique
Alliages: Constantan (60% Cu; 40% Ni) à faible résistivité servant pour les résistances bobinées, Laiton (15 à 40% Zn), maillechort (Cu, Zn, Ni)
Mine de Chessy (la seule de France), Espagne, U.S.A, Chine
Iles Britanniques appelées îles Cassitérides par les Grecs (minerai SnO2: cassitéride)
Étamer une glace (face interne du miroir): recouvrir d’un amalgame mercure-étain (glace sans tain). On aluminise maintenant sous vide
mesures de volume (90% Sn, 10% Pb), soudure (étain-plomb), culot des ampoules
Plus facile à fondre (900°C) et moins malléable que le cuivre seul (permit de faire des outils et des armes). Le minerai est chauffé dans un récipient puis versé dans un moule, le moule est brisé puis le bronze martelé pour être formé. Il fallait construire des fours en argile, mélanger le minerai à du charbon de bois, le métal est ensuite refondu dans des creusets puis coulé dans des moules. Il fallait également des réseaux d’échange car on trouve l’étain et le cuivre dans des régions différentes.
“Age du bronze” en 8000 avant J.C. en Chine, de 2500 à 500 av. J.C. en Europe !!!!
Cloches (80% Cu, 20% Sn) Monnaies (Cu 95%, Sn 4%, Zn 1%)
Rare et inaltérable, appelé le corps des dieux par les Égyptiens. Monnaies en or du roi Crésus, roi de Lydie (Turquie actuelle) au 6 ième siècle avant J.C..
Ruées vers l’or: Amérique du Sud (pillages des Aztèques et Incas de 1500 à 1530) par les Espagnols Californie en 1848, puis Canada, Australie, Afrique du sud
monnaies (90% Au, 10% Cu); bijouterie (75% Au, 25% Cu); électronique (contacts)
Pour les pierres précieuses: 1 carat correspond à 0,2g. L’or pur (100%) correspond à 24 carats. Le pourcentage d’un alliage en or est proportionnel au nombre de carats.
Or des bijoutiers à 22 (Inde), 18, 14 ou 9 carats (U.S.A.) Or à18 carats: 75,1% or
*Or jaune: 12,5% Cu, 12,5% Ag *Or rose: 16% Cu, 9% Ag *Or rouge: 20,5% Cu, 4,5% Ag
*Or blanc = or gris: 25 % de Ni Le Nickel étant interdit en Europe du Nord, on le remplace par du palladium ou du zinc qui blanchissent également l’or
gros essor pour la monnaie à partir de 1500 avec les mines espagnoles.
vaisselle (95% Ag, 5% Cu); monnaies (90% Ag, 10% Cu); bijoux (Ag 80%, Cu 20%); Photo
Minerai sous forme de sulfure PbS (la galène). Autrefois canalisations. Batteries
Caractères d’imprimerie (Gutenberg en 1438) avec un alliage très net et très résistant pour résister à la presse: plomb 55%, étain 20% (abaisse le point de fusion), et antimoine 25% (accroît la résistance et donne de la dureté)
Depuis Henri IV (saturnisme), les dentistes n’utilisent plus le plomb mais le cuivre
Amalgame gris: 70% Ag, 20 %Sn, 1% Cu chouia de mercure pour amalgamer
Amalgame blanc: résine + silice + quartz durcie par réaction en chaîne avec lumière
connu et importé en Europe depuis le 12 ème siècle en Europe et importé jusqu’au 18ème d’Inde et de Chine. Minerai: blende (ZnS)
laiton: 67% cuivre, 33% zinc (culot des ampoules, masses marquées, pivots car résiste bien à l’abrasion), gouttières
amalgame: alliage mercure + autre métal
poison violent par absorption sous forme de sels ou par inhalation des vapeurs (à toute température, même -40°C où il est solide)
découvert en 1827, procédé chimique de fabrication en 1854, industriel par électrolyse en 1886. D’abord utilisé en joaillerie puis en aéronautique.
Oxydation superficielle d’alumine Al2O3
papier chocolat, casseroles, armatures de fenêtres, boîtes de boisson
Alliages: alpax (Al-Si) pour les moteurs, duralumin (Al, Cu, Mg, Mn) bicyclettes et avions, Duralinox (Al, Mg) casseroles, Almélec (Al, Mg, Si): conducteur électrique léger, fontes d’aluminium (avec du fer), bronzes d’aluminium (avec du cuivre), laitons d’aluminium (avec du cuivre et du zinc)
utilisé comme alliage dans les aciers à haute résistance; monnaies (75% Ni, 25% Cu)
uranium (trouvé en 1787), cobalt, chrome (découvert en 1797 par Vauquelin), tungstène (filament des ampoules), titane (1800)
Le bronze est dur et cassant alors que le cuivre et l’étain sont maléables
Les températures de fusion sont modifiées: Alliage étain-plomb pour souder: Tfusion=180°C alors que Tfusion (plomb)= 327°C et Tfusion (étain) = 238°C
Le duralumin (aluminium + 4% cuivre +...Magnésium) est plus dur (de 30 à 100) et plus résistant à la traction (*4) que l’aluminium
Maillechort (cuivre + zinc + nickel): objets décoratifs, couverts
Laiton (Cuivre + 15 à 40% zinc): travaillé à froid
Potin (Étain + cuivre + plomb...)
Cupro-nickel: monnaies
On appelle préhistoire, la période de l’histoire humaine précédant l’invention de l’écriture. On la fait commencer il y a environ trois millions d’années avec un ancêtre de l’homme, vivant debout, et utilisant un langage articulé pour finir vers 3000 avan J.C.. Dans une première longue période appelée paléolithique (âge de la pierre polie), l’homme apprend à polir des silex pour faire des outils, domestique le feu, enterre ses morts, décore son habitat. Vers 10 000 avant J.C., succède le néolithique (âge de la pierre taillée), lorsqu’il améliore ses outils (il taille les silex et les emmanche sur des morceaux de bois), devient sédentaire et agriculteur.
Le feu: utilisé depuis 250 000 avant J.C. environ, il permit les débuts de la métallurgieen extrayant le métal en brûlant les impuretés du minerai.
Vers 8000 avant J.C. l’homme constate que parmi certains cailloux qu’il ramasse, trois ont des propriétés particulières et peuvent être martelés, travaillés, pour en faire des bijoux, des objets de prestige...
Il s’agit du cuivre, de l’or et de l’argent que l’on trouve sous forme de pépites de métal pur (état natif).
L’âge du bronze
Vers 3500 avant J.C., il découvre qu’en mélangeant le cuivre avec 5 à 20% d’étain, on obtient un alliage bien plus dur, le bronze, avec lequel il fabrique des outils, des armes ... Il devient forgeron, artisan ..;
Vers 1400 avant J.C. les Hitites découvrent la métallurgie du fer. Des fours creusés en terre permettent alors d’obtenir la température indispensable de 1 000 °C pour faire réagir le minerai de fer avec du charbon de bois et extraire le métal pur.
Le fer (Fe)
Métallurgie du fer
Il y eut d’abord des bas fourneaux (inventés par les Hitites vers -1500 avant J.C.) creusés dans la terre où l’on mélange le minerai avec du charbon de bois. La température atteint les 1000°C nécessaires pour réduire l’oxyde par le carbone du charbon de bois et donner du fer pur. Le fer fut d’abord travaillé au marteau: épingles, aiguilles, clous, épées.
Au Moyen-Age se développent des forges avec des hauts-fourneaux équipés de soufflets, avec des marteaux hydrauliques actionnés grâce à des moulins à eau. La température atteint 1500°C: les oxydes de fer sont réduits par CO et on obtient de la fonte. Un convertisseur permet ensuite de brûler une partie du carbone pour obtenir de l’acier. Le développement de la métallurgie entraînera les déboisements des forêts à partir de l’an 1000.
L’acier: 0,05%<C<1,5%: acier 2%<C<5%: fonte
Fontes (95%Fe, 2 à 5%C, Si, P, N, S, Mn): facile à mouler
Au départ l’acier fut fabriqué en trempant le fer dans une substance carbonée puis en le martelant pour répartir le carbone (limité à rasoirs, instruments de chirurgie car très cher). L’acier est fabriqué dans un creuset au 18ème siècle. De 1856 (convertisseur Bessener) à 1895 l’amélioration des techniques de production entraîne une division des prix par 6. La production est multiplié par 60: Tour Eiffel (10 000 tonnes) en 1889, tour métallique de Fourvière inauguré en 1895
1913: fabrication d’aciers inoxydables; acier 18/8: Cr (18%), Ni (8%), C (0,15%)
au moins 13% de chrome pour être inoxydable
Traitements thermiques: l’acier trempé refroidi brusquement devient beaucoup plus dur: Trempe dans un liquide froid (eau, huile ou mercure)
Autres Alliages contenant du fer:
Ferronickel (74%Fe; 25%Ni; 0,8%C)
Aciers au tungstène (outils de coupe très rapides: durs mais fragiles)
Aciers au vanadium (clés de serrage: résistants aux efforts alternatifs)
Aciers au chrome (roulements à billes)
Aciers au nickel (chassis d’automobiles indéformables)
Matériaux magnétiques
s’aimantant et se désaimantant facilement: perméabilité grande champ coercitif faible
s’aimantant et se désaimantant difficilement: perméabilité faible, champ coercitif grand
Certains aciers inoxydables sont a-magnétiques (ne sont pas attirés)
Acier 18-8: 18% chrome, 8% nickel, carbone (0,15%): Casseroles
Matériaux magnétiques se désaimantant facilement (fer doux C<0,15%) ou non (aciers durs)
Substance des aimants
aimantation naturelle: magnétite: roche contenant de l’oxyde de fer Fe3O4 (Magnésie en Turquie)
aimantation artificielle en plaçant dans des champs magnétiques intenses
aimants métalliques (fer à 50% ou moins + cobalt, nickel, titane, aluminium. Exemple: ticonal): puissants
en ferrites: différents oxydes de fer: moins puissants, mais désaimantation difficile
Valeur de l’inclinaison magnétique
60° en France, compensée par coté sud de la boussole plus lourd
B.T.: 1075: Une mine d’argent à la renaissance 978: Pourquoi c’est froid le métal?
Fenêtre ouverte sur la science: “Les métaux” de Robin Kerrod
Éditions Études vivantes, Paris-Montréal
Musée de la Mine, 3 bd Maréchal Franchet d’Esperey, 42000 St Étienne Tél: 04 77-43-83-23
Musée de la Mine de Saint Pierre la Palud, Tél 04 74 70 39 66
Sam, dim et jours fériés de 14h à 18h, en semaine le matin du 1er mars au 30 novembre sur R.V. groupe de 20 personnes 8F par enfant, 16F par adulte