Les ombres et lumières

Questionnement de départ

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

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

Expérimentation

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

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

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

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

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

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

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

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

Trace écrite

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

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

Questionnement oral :

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

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

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

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

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

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

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

Trace écrite - 

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

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

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

Réponse attendues - Elle est noire, grise.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Trace écrite

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

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

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

Trace écrite

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

Mettre des boussoles à disposition des élèves.

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

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

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

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

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

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

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

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

3e hypothèse : La Terre tourne autour du Soleil

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

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

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

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

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

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

Trace écrite

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

1 Questionnement de départ

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

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

Folio p20 :

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

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

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

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

2 - Modélisation

Questionnement

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

Elève Le côté nord est incliné vers le Soleil 

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

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

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

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

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

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

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