Astronomie à l‘École Élémentaire

I La lumière et les ombres............................................................................................................................................. 4

I) Instructions officielles......................................................................................................................................................... 4

II) Dans quelles conditions un objet est-il visible?.......................................................................................................... 4

III) Taille et Forme des ombres.......................................................................................................................................... 4

IV) La propagation de la lumière en ligne droite (source = petite lampe)............................................................. 5

V) Ombre et pénombre........................................................................................................................................................ 5

VI) La réflexion de la lumière.............................................................................................................................................. 5

VII) Prolongements................................................................................................................................................................ 5

II La forme de la Terre...................................................................................................................................................... 6

I) Instructions officielles......................................................................................................................................................... 6

II) Premier questionnaire de représentations.................................................................................................................... 6

III) Globe Terre....................................................................................................................................................................... 6

IV) Texte d'Aristote................................................................................................................................................................ 7

V) Eratosthène.......................................................................................................................................................................... 7

III La Verticale - Le Plan horizontal.................................................................................................................. 8

I) Instructions officielles......................................................................................................................................................... 8

II) Qu'est ce que la verticale?................................................................................................................................................ 8

III) Qu'est ce qu'une horizontale?....................................................................................................................................... 8

IV Repérage (cycle 1 et 2).................................................................................................................................................... 9

I) Instructions officielles......................................................................................................................................................... 9

II) Sur le plan de la classe, de l’École (cycle 1)................................................................................................................ 9

III) Sur le plan de la localité (cycle 2)................................................................................................................................. 9

IV) Sur la carte de France (cycle 2 et 3)........................................................................................................................... 10

V) Lyon à travers les âges.................................................................................................................................................... 10

VI) Le rallye du Temps dans Lyon.................................................................................................................................. 10

VII) Les cartes........................................................................................................................................................................ 10

V Le Jour et la Nuit............................................................................................................................................................. 12

I) Instructions officielles....................................................................................................................................................... 12

II) Recueil des représentations des enfants..................................................................................................................... 13

III) Paysage et mouvement relatif du soleil par rapport à l'horizon....................................................................... 14

IV) Modélisation - Interprétation...................................................................................................................................... 15

V) Tracé du méridien dans la cour de l'École............................................................................................................... 15

VI) Observations précises et relevés solaires.................................................................................................................. 16

VII) Le système solaire d'après Aristarque..................................................................................................................... 17

VIII) Nicolas Oresme, précurseur de Copernic........................................................................................................... 17

IX) Le système solaire d’après Copernic........................................................................................................................ 19

X) Les observations de Galilée (1564-1642).................................................................................................................. 20

XI) Galileo Galilée et les satellites de Jupiter.................................................................................................................. 21

XII) Extrait de «Vie de Galilée» de Bertold Brecht (1939).............................................................................................. 22

XIII) Pour l’enseignant......................................................................................................................................................... 23

XIV) Sentence du jugement de Galilée............................................................................................................................ 24

VI Repérage sur le globe (cycle 3)........................................................................................................................ 25

I) Instructions officielles....................................................................................................................................................... 25

II) Tracés sur sphère blanche sans axe............................................................................................................................. 25

III) Lecture et commentaires de planisphères et globes terrestres........................................................................... 25

IV) La boussole-Les aimants.............................................................................................................................................. 26

VII Les saisons........................................................................................................................................................................... 27

I) Instructions officielles....................................................................................................................................................... 27

II) Démarche au cycle 2....................................................................................................................................................... 27

III) Démarche au cycle 3..................................................................................................................................................... 27

VIII Le cadran solaire...................................................................................................................................................... 29

I) Objectifs............................................................................................................................................................................... 29

II) Rappels................................................................................................................................................................................ 29

III) Le cadran équatorial...................................................................................................................................................... 29

IV) Autres cadrans................................................................................................................................................................. 30

IX Heure solaire - Heure légale........................................................................................................................... 32

I) Instructions officielles....................................................................................................................................................... 32

II) Rappels sur l’heure solaire............................................................................................................................................. 32

III) Heure légale..................................................................................................................................................................... 32

IV) Exercices........................................................................................................................................................................... 32

X Le mouvement apparent du soleil par rapport aux étoiles................................................ 33

I) Situation de la leçon.......................................................................................................................................................... 33

II) Observations (ou étude documentaire)..................................................................................................................... 33

III) Relevés............................................................................................................................................................................... 33

XI La Lune..................................................................................................................................................................................... 34

I) Instructions officielles....................................................................................................................................................... 34

II) Questionnaire de représentations................................................................................................................................ 34

III) Campagne d’observation............................................................................................................................................. 34

IV) Interprétation................................................................................................................................................................... 35

V) Diverses activités concernant la Lune......................................................................................................................... 35

VI) Maquette du «jardinier»................................................................................................................................................. 36

VII) Le Soleil a rendez vous avec la Lune...................................................................................................................... 37

VIII) Modéliser les éclipses................................................................................................................................................. 38

IX) Exercice: Les Phases de la Lune................................................................................................................................ 39

XII Les constellations................................................................................................................................................... 40

I) Situation de cette séquence - Pré Requis..................................................................................................................... 40

II) Questionnaire de représentations................................................................................................................................ 40

III) Étude de documents..................................................................................................................................................... 40

IV) Rappels.............................................................................................................................................................................. 40

V) Fabrication et utilisation d’une carte du ciel.............................................................................................................. 41

VI) Légendes........................................................................................................................................................................... 41

VII) Résumé............................................................................................................................................................................ 41

XIII Le système solaire.................................................................................................................................................... 42

I) Instructions officielles....................................................................................................................................................... 42

II) Activités.............................................................................................................................................................................. 42

XIV La matière.......................................................................................................................................................................... 43

I) Instructions, objectifs........................................................................................................................................................ 43

II) Des objets à la matière (cycle 2).................................................................................................................................. 43

III) La boussole-Les aimants.............................................................................................................................................. 44

IV) Pour l’enseignant sur les matériaux............................................................................................................................ 45

V) Bibliographie..................................................................................................................................................................... 48



Chapitre

1

I La lumière et les ombres

I)   Instructions officielles

1) Instructions officielles de 2002

F Cycle 1: Découverte sensorielle

- 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

F Cycle 3:  6 -Le ciel et la Terre : la lumière et les ombres

2) Objectifs

F Connaissances

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

F Comportement:

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...)

II)   Dans quelles conditions un objet est-il visible?

1) Représentations: boite noire percée d’un trou

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...

F N.B. pour le maître

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

2) Dessine toi avec ton ombre

Dessins-On compare-on va voir dehors Conclusions :Ombre= absence de lumière   Ombre propre-ombre portée

III)   Taille et Forme des ombres

1) Lecture d'album

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

2) Jeu Chat-Ombre

un des enfants (chat) doit marcher sur l'ombre d'un camarade qui devient Chat

3) Taille et forme des ombres avec le gnomon

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


IV)   La propagation de la lumière en ligne droite (source = petite lampe)

1) Représentations

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….

2) Expériences et conclusion

La lumière se déplace en ligne droite

V)   Ombre et pénombre

1) Questionnaires de représentations : Cycle 1 et 2

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 ?

F Analyse des dessins cycle 1 et 2: Observer les points suivants

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

2) Activités dans la cour

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

3) Jeux divers

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

4) Expériences avec une boule blanche

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

VI)   La réflexion de la lumière

1) Expériences avec un miroir

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?

2) Divers

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

VII)   Prolongements

1) Les couleurs

Décomposition par un prisme. À quoi est due la couleur d’un objet ? Addition des couleurs en peinture

Addition des couleurs avec diapositives

2) Fabrication de : sténopé, périscope,  théâtre d’ombres


Chapitre

2

II La forme de la Terre

I)   Instructions officielles

1) Instructions officielles 2002

F Cycle 1:

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...) ;

F Cycle 2: De l'espace familier aux espaces lointains

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.

2) Objectifs

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

II)   Premier questionnaire de représentations

1) Dessine la Terre vue d’un vaisseau spatial. Dessine-toi dessus.

2) Que va t-il m’arriver si je marche tout droit sans jamais m’arrêter?

3) Si l’on creuse un tunnel, droit à travers la Terre, où va t-il déboucher?

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?

III)   Globe 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…


IV)   Texte d'Aristote

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.

V)   Eratosthène

(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

III La Verticale - Le Plan horizontal

I)    Instructions officielles

1) Eléments du Programme (B.O. H.S. 14 février 2002)

F Découvrir le monde Cycle 2: 5 - Les objets et les matériaux

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.

F Sciences expérimentales et Technologie Cycle 3:1 – la matière

……….. - plan horizontal, vertical : intérêt dans quelques dispositifs techniques

2) Importance de cette séquence

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….)

II)   Qu'est ce que la verticale?

1) La chute d’une bille indique la verticale - L’attraction terrestre

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

2) Le fil à plomb

*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

III)   Qu'est ce qu'une horizontale?

1) C’est une droite faisant un angle droit avec la verticale

2) On peut tracer une horizontale avec un fil à plomb et, une équerre ou un T

3) La surface libre d’un liquide au repos est plane

F Observation: étang, bassin de jardin, Récipient assez large

F Observations

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

4) La surface de l’eau au repos est horizontale

F Observation

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

F Expériences diverses

*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

F Le niveau d’eau


Chapitre

4

IV Repérage (cycle 1 et 2)

I)   Instructions officielles

1) Instructions Officielles 2002

F Cycle 1: 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.

F Cycle 2: 1 - De l'espace familier aux espaces lointains

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.

2) Objectifs au Cycle 1 et 2

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

II)   Sur le plan de la classe, de l’École (cycle 1)

Activité possible: Réaliser le plan de la classe (meubles, place des enfants, tableau, bureau) ou de l’école

III)   Sur le plan de la localité (cycle 2)

1) Lecture et commentaires

Échelle, couleurs, bâtiments publics, quadrillage. À quoi set le quadrillage? Réponse: à se repérer...

2) Repérage

* Lieu donné, trouver son code                          * Code donné, trouver le lieu

3) Histoire, géographie, français

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

IV)   Sur la carte de France (cycle 2 et 3)

1) Lecture et commentaires

2) Repérage

F Lieu donné, trouver son code:              Orléans, Paris, Evreux

F Code donné, trouver le lieu:  Long. 6° à droite de 0, Lat.46°

3) La rose des vents

(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)

4) le Sud: la direction du Pôle Sud

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

V)   Lyon à travers les âges

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

VI)   Le rallye du Temps dans Lyon

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

VII)   Les cartes

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?

F La carte au 1/25 000 (Lambert II pour Lyon)

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

V Le Jour et la Nuit

I)   Instructions officielles

1) Domaine Transversal: Maîtrise du langage

F Savoir se servir des échanges verbaux dans la classe:

Situations de dialogue collectif (échanges avec la classe et avec le maître)

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.

Situations de travail de groupe et mise en commun des résultats de ce travail

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.

F Compétences spécifiques à acquérir en fin de cycle

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

2) Education Artistique: Éducation du regard: De la perception du paysage au croquis et à la photo.

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.

3) Sciences Expérimentales et Technologie

F Compétences devant être acquises à la fin du cycle 3

 Être capable de :

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)

F Programme Cycle 3: Paragraphe 6Le ciel et la Terre

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

4) Éducation scientifique: Mathématiques: Données numériques, Géométrie (repérage) Mesures,…

5) Programme de l'enseignement de la géographie

F Programme Regards sur le monde: des espaces organisés par les sociétés humaines

Comparer des représentations globales de la Terre (globe, planisphères...) et du monde (cartes, images d'artistes ou publicités. ..)

F Compétences

Être capable de mettre en relation des cartes à différentes échelles pour localiser un phénomène, de réaliser un croquis spatial simple

II)   Recueil des représentations des enfants

1) Intérêt du recueil de représentations

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.

2) Recueil de représentations

F Consigne

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…"

F Réponses d'enfants

Type 1: "Binaire" (OUI-NON)

"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."

Type 2: "Philosophe"

"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"

Type 3: "Distrait"

"Quand c'est la nuit le soleil c'éloigne de la Terre"

Type 4: "Conciliant"

"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)

Type 5: "Observateur"

"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."

Type 6: "Érudit"

"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."

3) Synthèse

III)   Paysage et mouvement relatif du soleil par rapport à l'horizon

1) Les observations

F Intérêt de l'Étude de paysage et mouvement 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…

Consigne de sécurité donnée en classe: ne pas regarder directement le soleil

L'observation directe du soleil peut entraîner des brûlures irrémédiables de la rétine…

2) Dessins sur feuille A3 ou A4 (format cahier d'observation)

F Matériel

feuille scotchée sur support cartonné, crayon de papier (et/ou crayons de couleur)

F on sort à 8h45 le matin Consigne

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….

F Commentaire après exécution des dessins

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)"

F Observations du milieu de journée et du soir

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

3) Relevé avec un saladier

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)

   

4) En classe le lendemain

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?

F Conclusion des dessins du paysage et du mouvement relatif du soleil

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…

F Conclusion du relevé du saladier

·         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)

IV)   Modélisation - Interprétation

1) Question

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)

2) Sur la maquette

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).

3) Conclusion de l’étude documentaire

F Résumé possible pour les enfants (en élaborer un collectivement)

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.

F Résumé pour l'enseignant

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).

V)   Tracé du méridien dans la cour de l'École

1) Travail en classe

F Matériel

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)

F Questions

*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

2) Tracé du méridien dans la cour (méthode rapide)

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

3) Le calendrier musulman

F Pour la ville de Lyon, on lit de droite à gauche, en heure légale en France

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 …


VI)   Observations précises et relevés solaires

1) Introduction au relevé solaire

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

2) Relevé solaire dans la cour sur une journée

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

3) Tracé du méridien avec un  relevé d'ombre

F Relevé toute la journée

faire le relevé d'ombres toute la journée et le soir lisser la courbe, l'ombre la plus courte donne la direction du Nord

F Méthode des cercles hindoux

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)

4) Observation de la direction du lever du soleil (ou du coucher) Cf. Les saisons

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


VII)   Le système solaire d'après Aristarque

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. "

VIII)   Nicolas Oresme, précurseur de Copernic

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…

1) Le problème du système de référence

«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. »

2) La rotation de la Terre et les objets à sa surface

« 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)

3)  Les observations astronomiques, les tables astronomiques

« 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. »

4) Argument en faveur de la rotation de la Terre

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. »

5) Conclusion

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.")


IX)   Le système solaire d’après Copernic

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


X)   Les observations de Galilée (1564-1642)

1) Les phases de Vénus

Ce que prévoit le modèle de Ptolémée
                                                                     Ce que voit Galilée

2) La lune (1610)

Galilée dessine son relief; il calcule même la hauteur des montagnes d’après la taille des ombres

3) Le soleil (1611)

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.

4) La Voie Lactée

la lunette lui permet de séparer les milliers d’étoiles qui la compose

5) Saturne

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.


XI)   Galileo Galilée et les satellites de Jupiter

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?


XII)   Extrait de «Vie de Galilée» de Bertold Brecht (1939)

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


XIII)   Pour l’enseignant

1) Mouvement...   Par rapport à quel repère?

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.

2) Les étapes de l’héliocentrisme

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)


XIV)   Sentence du jugement de Galilée

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)

I)   Instructions officielles

1) Instructions officielles 2002:Cycle 3:  6 - Le ciel et la Terre

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

2) Position de cette leçon

Il est indispensable d'avoir fait cette leçon pour comprendre le tracé du méridien dans la cour expliqué en leçon précédente

II)   Tracés sur sphère blanche sans axe

1) Pôles

F Rappel

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

F Donner alors aux élèves l’axe (brochette en bois)

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

2) Parallèles (à l’équateur)

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?

3) Méridiens

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)

4) Notre ville et la rose des vents

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

5) Placer d'autres lieux

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

III)   Lecture et commentaires de planisphères et globes terrestres

1) Repérage

Lieu donné, trouver son code             Exemple: Islande                 Réponse: (20°O, 65°N)

Code donné, trouver le lieu                 Exemple: (140° E, 36 °N)? Réponse: Tokyo

2) Positionner le globe

Le personnage Bozo doit être comme nous, vertical
Dans quelle direction dois-je marcher pour aller à Alger: on indique la direction d’Alger ce qui permet de positionner le globe miniature dans la même position que la Terre.

3) Positionner le soleil de maquette à l’instant de l’expérimentation

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.

IV)   La boussole-Les aimants

1) Classification de matériaux

Tri d'objet: carton, verre, plastique, bois et métaux (par leurs caractéristiques physiques: éclat, dureté, sonorité, densité, couleur….)

2) Premières propriétés (Cycle 1)

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

3) Trouver les objets attirés

Établir un premier tableau

 

Attiré

Non Attiré

Objet 1

   

Objet 2

   

Conclusion: ce n’est pas l’objet mais le matériau qui compte

4) Trouver les matériaux attirés

Établir un deuxième tableau

 

Attiré

Non Attiré

Matériau 1

   

Matériau 2

   

Conclusion: les matériaux attirés sont ceux contenant du fer ou du nickel

5) Fabrication d’un aimant avec un clou (cycle 2 et 3)

Aimantation d'un clou avec un aimant par frottement

Désaimantation du clou: on le laisse tomber, on tape dessus ou on le chauffe

6) Fabrication d’une boussole

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.

Zone de Texte: NG 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.

Zone de Texte: NM 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

7) Autres propriétés

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….

8) Matériel

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

VII Les saisons

I)   Instructions officielles

1) Cycle 2: Découverte du monde

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

2) Cycle 3: Sciences expérimentales et Technologie

F Connaissances

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 !!!!!!!!

F Méthodes

Savoir modéliser un problème physique: ici celui de la variation de la durée du jour

Émettre des hypothèses, essayer de les valider

II)   Démarche au cycle 2

1) L’automne par exemple

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

2) Autres saisons et synthèse finale

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….

III)   Démarche au cycle 3

1) Conceptions des enfants

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...)

2) Étude de documents

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”

3) Essai d’explication des documents

F Maquette:

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

F Synthèse: modèle de l’inclinaison et de la fixité de l’axe des pôles

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)

F Conclusion

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

4) Retour sur la variation du climat lié aux saisons

Quand fait-il le plus chaud, le plus froid? Pourquoi? Les deux paramètres : durée d’ensoleillement et inclinaison des rayons

5) Exercices

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

6) Variation des directions de levers (ou couchers) de soleil: 21 déc, Equinoxes, 21 juin

  



Chapitre

8

VIII Le cadran solaire

I)   Objectifs

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

II)   Rappels

1) Questions en classe

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?

2) Utilisation du saladier

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 II1: 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

3) Visualisation

F Sur un plateau incliné à 44°: que fait l’ombre du style?

III)   Le cadran équatorial

1) Questionnement en classe

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

2) Fabrication, positionnement et utilisation d’un cadran équatorial

3) Autre démarche sans se servir du saladier

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...

IV)   Autres cadrans

1) Cadran horizontal

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

2) Photos d’autres cadrans:

F Cadran vertical sur un mur orienté Est-Ouest puis Cadran déclinant

F Cadran analemmatique appelé aussi  Cadran de Lalande (latitude l)

Observer sur un photo: place du style, position et orientation de la table de lecture, graduations

F Méthode de construction du cadran analemmatique

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

IX Heure solaire - Heure légale

I)   Instructions officielles

F Savoir caractériser Midi Solaire Local

Connaître trois systèmes de repérage dans le temps: Heure Solaire, Heure Légale, Temps Universel

Comprendre l’aspect conventionnel mais nécessaire de l’Heure Légale

II)   Rappels sur l’heure solaire

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)

III)   Heure légale

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

IV)   Exercices

Sur l’heure légale

Sur le passage de l’heure légale à l’heure solaire

CHAPITRE

10

X Le mouvement apparent du soleil par rapport aux étoiles

I)   Situation de la leçon

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

II)   Observations (ou étude documentaire)

1) Repérer et décrire la position du soleil: au lever, à midi, au coucher.

2) Conclusions

F le soleil ne se lève pas, et ne se couche pas toujours au même endroit

F à midi il n’est pas toujours à la même hauteur

Il y a un problème, il faut réaliser des observations précises et faire des mesures

III)   Relevés

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


Chapitre

11

XI La Lune

I)   Instructions officielles

1) Instructions officielles

F Cycle 1:

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) ;

F Cycle 3:

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)

2) Connaissances

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

II)   Questionnaire de représentations

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

III)   Campagne d’observation

1) Premier jour et deuxième jour d’observation

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

F Trace écrite:

* 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)

2) deuxième jour

on fait une seule observation à la même heure que le premier jour et on dessine également sur le paysage

F Traces écrites sur le cahier pour les deux premiers jours 

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…

3) Consignes pour les jours suivants

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

4) Résultats

IV)   Interprétation

1) Que faire pour comprendre?

F Émettre des hypothèses, Expériences, Vérification des hypothèses

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

2) Résumé: Pour comprendre les phases de la Lune:

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

V)   Diverses activités concernant la Lune

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


VI)   Maquette du «jardinier»

pour le système Lune – Terre – Soleil

1) En classe: étude de l'ellipse et de l'échelle choisie

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

F1

 
 

2) Dans la cour

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?


VII)   Le Soleil a rendez vous avec la Lune

·         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?


VIII)   Modéliser les éclipses

1) Questionnaire en classe

·         Qu’est-ce qu’une éclipse?

·         Peux-tu faire comprendre une éclipse sur un dessin?

·         Discussion en groupe

2) Modélisation d’une éclipse

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

3) Résumé

F Le phénomène dans l’espace

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

F Ce que voit un observateur terrestre:

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)

F Préparer l’observation de l’éclipse delune du 16 mai 2002


IX)   Exercice: Les Phases de la Lune

Pour comprendre les phases de la Lune, Bozo et son ami Spooky ont chacun une mission à remplir

1) Mission de Spooky:

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

2) Mission de Bozo

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

XII Les constellations

I)   Situation de cette séquence - Pré Requis

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.

II)   Questionnaire de représentations

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?

III)   Étude de documents

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.

IV)   Rappels

1) Rappel sur les mouvements de la Terre

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

2) Rappels sur l’heure solaire (avec petit bonhomme Légo)

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?

3) Rappels de repérage

F Sur la Terre: pôles, équateur, parallèles et méridiens.

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.

F Sur le globe céleste:

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)

4) De quels paramètres dépendent les constellations que l’on voit?

F De la position de l’observateur sur le globe?

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

F De l’heure d’observation?

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

F Du jour d’observation? Oui

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

V)   Fabrication et utilisation d’une carte du ciel

1) On donne le fond étoilé

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

2) On donne le tympan

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)

3) Fabrication

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?

4) Observation du ciel le ... à minuit solaire: on fait coïncider...

5) Utilisation avec feuille-questionnaire à une heure légale donnée

VI)   Légendes

Persée, Andromède, Céphée, Cassiopée, La Baleine, Pégase

Hercule, L’aigle, Le Cygne, Dragon, Lion, Taureau,  La Flèche

Orion, Le Scorpion...

Saint Jacques de Compostelle

VII)   Résumé

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

XIII Le système solaire

I)   Instructions officielles

1) Instructions officielles

Compétences: Exploiter des documents, utiliser des notions mathématiques (maquette, échelle, proportionnalité)

Connaissances: 6 - Le ciel et la Terre……..- le système solaire et l'Univers

2) Conceptions des enfants

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.

II)   Activités

1) Exploitation de document

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?

2) Maquette

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 »

3) Planétaire

4) Observation

Planètes visibles à l’œil nu: Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne

5) Résumé: Étoiles et Planètes

F Différences

Déplacement des planètes / constellations au fil des jours

alors que les étoiles ne se déplacent que plus lentement vu de la Terre

Les planètes sont «proches» du soleil: distance Terre-Soleil = 8 mn lumière……Soleil-Pluton = 6 heures lumière

alors que Soleil - Proxima du Centaure = 4 Années de lumière

Les étoiles émettent leur propre lumière car très chaudes (fusion nucléaire)

alors que les planètes renvoient la lumière du soleil

F Points communs

À l’œil nu: points lumineux (au télescope: petit cercle pour les planètes)
Mouvement diurne de rotation / étoile polaire

F Résumé

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

XIV La matière

I)   Instructions, objectifs

1) Cycle 2: Instructions 1995, objectifs

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

2) Cycle 3: Instructions 1995, objectifs

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

3) Objectifs:

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

II)   Des objets à la matière (cycle 2)

1) Étude générale d’objets: Établir des critères de classement:

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

2) Test de reconnaissance d’un métal

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

3) Nommer les métaux d’après leur caractéristique la plus évidente

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

4) Découvrir les propriétés des objets

F Jeu 1: “Trouvez l’objet auquel je pense”

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, ...

F Jeu 2: Pour un objet donné, trouvez le plus de propriétés

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)

F Jeu 3: Classer des objets Chaque groupe possède différents objets:

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

F Fiche d’identité de matière

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

F Jeu 4: apprendre à reconnaître le bois constitutif d’un meuble

F Jeu 5: apprendre à reconnaître le métal constitutif d’un objet

III)   La boussole-Les aimants

1) Premières propriétés (Cycle 1)

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

2) Trouver les objets attirés

Établir un premier tableau

 

Attiré

Non Attiré

Objet 1

   

Objet 2

   

Conclusion: ce n’est pas l’objet mais le matériau qui compte

3) Trouver les matériaux attirés

Établir un deuxième tableau

 

Attiré

Non Attiré

Matériau 1

   

Matériau 2

   

Conclusion: les matériaux attirés sont ceux contenant du fer ou du nickel

4) Fabrication d’un aimant avec un clou (cycle 2 et 3)

Aimantation d'un clou avec un aimant par frottement

Désaimantation du clou: on le laisse tomber, on tape dessus ou on le chauffe

5) Fabrication d’une boussole

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.

Zone de Texte: NG 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.

Zone de Texte: NM 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

6) Autres propriétés

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….

7) Matériel

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

IV)   Pour l’enseignant sur les matériaux

1) Caractéristiques des métaux

F Aspect: couleur (jaune, blanc,..), éclat (mat ou brillant)

F Conducteurs de la chaleur:

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

F Conducteurs de l’électricité

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)

F Densité par rapport à l’eau:

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)

F Dureté: (résistance à la rayure)

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

F Malléabilité: (facilité à faire des feuilles minces au laminoir)

or, argent, aluminium, cuivre, étain, platine, plomb, zinc, fer, nickel

F Action de l’air (oxygène + vapeur d’eau +CO2)

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

F Température de fusion et d’ébullition

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)

2) Les différents métaux

F Cuivre (Cu)

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

F Étain (Sn)

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

F Bronze (cuivre et 5 à 20% d’étain)

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%)

F Or (Au)

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

F Argent (Ag)

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

F Plomb (Pb)

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

F Zinc (Zn)

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

F Mercure (Hg)           thermomètres, baromètres

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)

F Aluminium (Al)

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)

F Nickel (Ni) trouvé en 1751

utilisé comme alliage dans les aciers à haute résistance;  monnaies (75% Ni, 25% Cu)

F Platine (Pt) découvert dans les sables aurifères d’Amérique du Sud

F Autres

uranium (trouvé en 1787), cobalt, chrome (découvert en 1797 par Vauquelin), tungstène (filament des ampoules), titane (1800)

F Les alliages: Les propriétés sont différentes de celles de chacun des constituants

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

F Prix des métaux: consulter le journal

3) Histoire des métaux

F La préhistoire

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.

F L’âge du cuivre

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 ..;

F L’âge du fer

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)

4) Les aimants

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

V)   Bibliographie

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