Astronomie : les saisons, l'année

1) Le maître interroge la classe : d’après vous, est-ce que la durée de la journée est la même partout ?

Après avoir recueilli les réponses, il propose aux élèves d’étudier un document et distribue à chaque groupe une photocopie de la fiche 4, qui montre la durée de la journée en différents lieux sur Terre (pour différentes latitudes).

Durée de la journée, le 21 juin 2009, en différents lieux de l’hémisphère Nord

Note pédagogique

• Afin de ne pas perturber la discussion par des problèmes de fuseaux horaires, tous les lieux indiqués sont (à peu près) à la même longitude.
• De même, pour éviter toute digression sur les saisons et ne faire varier qu’un paramètre à la fois (la position), toutes ces durées sont indiquées pour un jour précis : le 21 juin (le solstice d’été, journée la plus longue dans l’hémisphère Nord).

2)a) Les élèves doivent, dans un premier temps, situer les différents lieux sur le planisphère de la classe. Certains sont difficiles à trouver (la latitude peut alors être une indication précieuse)

b) On remarque que la journée n’a pas la même durée partout sur Terre, et qu’il y a un lien évident entre la latitude et la durée de la journée : plus on va vers le nord, plus la journée dure longtemps (en été).

c) L’enseignant demande alors aux élèves de chercher à expliquer le phénomène et engage une discussion collective.
Il recueille au tableau les hypothèses des élèves et essaye de schématiser leurs explications.
Les hypothèses généralement présentées par les élèves sont :
– l’axe de rotation de la Terre est incliné (par rapport aux rayons du Soleil) ;
– la Terre tourne plus vite au nord qu’au sud ;
– la Terre tourne autour du Soleil.
Seule la première hypothèse, celle de l’axe incliné, est juste. Si elle n’apparaît pas dans la discussion, les élèves la retrouveront en manipulant.

Cette phase est essentielle puisqu’elle permet de comprendre l’intérêt de la modélisation. Bien souvent, en effet, les élèves ne testent que leur hypothèse de départ, et non toutes les hypothèses possibles : la modélisation ne sert alors qu’à « illustrer » leur point de vue, pas à réfléchir.

On peut, par exemple, montrer à toute la classe qu’en faisant tourner la Terre sur elle-même sans incliner son axe de rotation, on crée une situation dans laquelle la durée de la journée est la même partout (12 heures de jour, 12 heures de nuit).

En inclinant l’axe, en revanche, on introduit des différences selon la latitude.
L’enseignant peut proposer une façon de vérifier que cette inclinaison permet effectivement d’expliquer les différences constatées dans la fiche 4. Il place trois points sur sa boule de polystyrène, sur la limite jour/nuit : un près de l’équateur, le second près des pôles et le troisième entre les deux (attention, il s’agit de la limite jour/nuit, pas d’un méridien puisque la Terre est inclinée). Puis il fait tourner la Terre sur elle-même. Le jour se lève en même temps pour ces trois points, mais ne se couche pas en même temps : la durée de la journée n’est pas la même. On pourra demander à trois élèves de surveiller chacun un des trois points et de signaler quand le point se retrouve dans la nuit.

Les élèves schématisent l’expérience et notent la conclusion collective dans leur cahier de sciences :

l’axe de rotation de la Terre est incliné par rapport aux rayons du Soleil. C’est pour cela que la journée n’a pas la même durée partout sur la Terre.

Les élèves copient la trace écrite suivante : cf fichiers ci-joints "Trace écrite séance 1 séquence 2 (1) et (2)"

L’enseignant peut, selon les possibilités et ses préférences, diriger seul la séance (un ordinateur avec un vidéo-projecteur) ou aller en salle informatique pour laisser à chaque élève la possibilité d’utiliser le logiciel Stellarium, en donnant les consignes indiquées sur la fiche 5 (cf fichier joint)

Dans un premier temps, on mesure la durée de la journée à Paris.

Dans un second temps, on réalise la même mesure dans une autre ville. Le maître peut demander à chaque groupe d’élèves d’étudier une ville différente, parmi celles indiquées dans la fiche 4 (séance précédente).
Les élèves utilisent cette fiche pour se guider, et remarquent ainsi de façon plus visuelle les différences dans la durée de la journée en différents endroits du globe.

Après avoir rappelé les conclusions auxquelles la classe est arrivée précédemment (la durée de la journée n’est pas partout la même), l’enseignant interroge les élèves :

A votre avis, la durée de la journée est-elle la même toute l’année ? Ici, on travaille sur un lieu donné.

Si la classe a effectué des relevés des heures de lever et de coucher du Soleil depuis le début du projet, cette séance est l’occasion de les exploiter. On constate que les heures de lever et de coucher varient.

On place plusieurs graphiques les uns à côté des autres sur le tableau.

Que voit-on ? Cette phase de mise en commun est l’occasion d’introduire du vocabulaire :

– les moments de l’année où la durée de la journée et de la nuit sont égales (12 heures chacune) s’appellent les « équinoxes » ; il y a deux équinoxes, un au printemps (autour des 20-21 mars), l’autre à l’automne (autour des 22-23 septembre) ;
– le moment de l’année où la journée dure le plus longtemps est appelé le « solstice d’été » (autour du 21 juin) ;
– le moment de l’année où la journée dure le moins longtemps est appelé le « solstice d’hiver » (autour des 21-22 décembre).

On constate que les solstices et les équinoxes correspondent aux dates de changement de saison.

L’enseignant demande aux élèves de placer ces quatre dates remarquables sur leur graphique.

Remarque : la durée qui sépare deux solstices d’été (par exemple) est d’une année.

L’enseignant peut, selon les possibilités et ses préférences, diriger seul la séance (un ordinateur avec un vidéo-projecteur) ou aller en salle informatique pour laisser à chaque élève la possibilité d’utiliser le logiciel Stellarium, en donnant les consignes indiquées sur la fiche 8.

- Dans un premier temps, on mesure la durée de la journée le 21 décembre, dans la ville de son choix (chacun peut choisir une ville différente).

- Dans un second temps, on réalise cette mesure pour la même ville, à d’autres dates. La fiche indique les dates « remarquables » (solstices, équinoxes) mais d’autres choix sont possibles.

Après un bref rappel de la séance précédente (la durée de la journée n’est pas toujours la même : elle varie selon les saisons), les élèves cherchent une explication à ce phénomène et l’explicitent par un schéma dans leur cahier de sciences.

S’ils sont en difficulté, le maître peut les guider : on a vu que la Terre était inclinée et qu’elle tournait autour du Soleil. Comment doit-elle être inclinée pour que la journée soit plus longue en été, et plus courte en hiver, à Paris ?

La plupart des élèves, à ce stade, tracent un schéma sur lequel la Terre pointe toujours son axe incliné vers le Soleil. Quelques-uns, cependant, trouvent peut-être la bonne explication : l’axe pointe toujours dans la même direction.

L’enseignant reproduit les différents schémas qu’il a observés et les fait commenter par toute la classe, sans pour l’instant chercher à trouver lequel est juste.

À la fin de la séance, chaque groupe désigne un représentant qui vient exposer ses travaux à toute la classe. Les propositions sont comparées aux hypothèses émises en début de séance, et sont débattues. Permet-elle d’expliquer la variation de la durée de la journée au cours de l’année ?

La classe arrive alors à une schématisation correcte de la rotation de la Terre autour du Soleil, qui explique convenablement les saisons.

On constate, sur ce schéma, que les saisons sont inversées pour les deux hémisphères terrestres : lorsque le pôle Nord est éclairé – ou, dit autrement, lorsque l’hémisphère Nord est orienté vers le Soleil (c’est l’été dans l’hémisphère Nord) –, le pôle Sud se trouve dans la nuit (hiver dans l’hémisphère Sud).

Ce schéma est reproduit dans les cahiers d’expériences, accompagné de la conclusion : la Terre tourne autour du Soleil. Son axe est incliné et pointe toujours dans la même direction : c’est ce qui explique que la durée de la journée varie au fil des saisons. Quand c’est l’été dans l’hémisphère Nord,c’est l’hiver dans l’hémisphère Sud. Quand l’axe du pôle Nord se trouve du côté du Soleil, la journée est plus longue dans l’hémisphère Nord : c’est l’été.

Vidéo : "Rotation de la Terre" à l'adresse http://www.youtube.com/watch?v=V2TxvZaaosQ&feature=player_embedded

et

DVD "Les enquêtes de la luciole - Le ciel et la Terre - 1/Pourquoi fait-il froid en hiver ?"

ou

Vidéo "Equinoxe, Solstice et marée" à l'adresse http://www.youtube.com/watch?v=XY6XWt2HRLA

Après avoir rappelé les conclusions précédentes (au besoin, en utilisant le schéma réalisé lors de la dernière séance), l’enseignant demande aux élèves quelles sont les différences entre les quatre saisons. Les réponses attendues sont :
– en été le jour dure plus longtemps qu’en hiver ;
– en été, il fait plus chaud qu’en hiver ;
– mais aussi, les feuilles tombent en automne, il neige en hiver…
Le maître interroge alors les élèves : pourquoi fait-il plus chaud en été qu’en hiver ? La quasi-totalité des élèves (et des adultes !) répond en général : parce qu’en été, la Terre est plus près du Soleil.

Notes pédagogiques

• Cette erreur très répandue vient de ce que la très grande majorité des représentations de l’orbite de la Terre montre une orbite elliptique (ovale, diront les enfants), alors que cette ellipse est en fait un cercle quasi-parfait. La distance Terre-Soleil ne varie que très peu (~3 %) au cours de l’année.
• Il y a plusieurs façons de « déconstruire » cette représentation, par exemple en faisant remarquer que, si la Terre était plus proche du Soleil en été, les deux hémisphères devraient être en même temps dans l’été.
• Pour aider les élèves à comprendre l’origine de cette mauvaise représentation, on peut utiliser un cerceau. Si on le regarde par-dessus, on voit un cercle, alors que si on l’incline, on voit une ellipse de plus en plus aplatie au fur et à mesure que l’angle augmente. On peut alors en conclure que lorsqu’on voit, dans un livre, une orbite « ovale » pour la Terre, cela signifie qu’elle est montrée en perspective. En réalité, elle est circulaire.

En cherchant une autre raison qui pourrait expliquer qu’il fait plus chaud en été qu’en hiver, et fort de ce qui a été étudié lors des séances précédentes, la durée de la journée apparaît comme un facteur possible : plus elle dure, longtemps, plus elle chauffe la Terre, plus le climat est chaud.
L’inclinaison de la Terre apparaît aussi comme un facteur possible. Si la Terre est inclinée tantôt vers le Soleil (été), tantôt dans la direction opposée (hiver), alors l’angle des rayons du Soleil arrivant sur la Terre doit changer.
Une autre façon de formuler cette dernière hypothèse est : en été, le Soleil est plus haut dans le ciel, les rayons arrivent « au dessus » (ou « à la verticale ») alors qu’en hiver, le Soleil est plus bas dans le ciel : ses rayons sont plus inclinés.

La classe constate que le chocolat éclairé par le dessus fond plus vite que celui éclairé par le côté. L’enseignant veille alors à replacer ce résultat dans le contexte de la question posée :

en hiver, il fait plus froid car le Soleil est plus bas dans le ciel, donc ses rayons sont inclinés.

Il peut également rappeler que, en hiver, la durée d’ensoleillement est plus courte, ce qui explique aussi en partie qu’il fasse plus froid (car le Soleil chauffe moins longtemps).

Cette séance, très courte, est l’occasion de faire une synthèse de ce qui a été abordé lors de la séquence 2 : la Terre tourne autour du Soleil en une année ; à une année d’intervalle, elle revient à la même position.

Le maître peut préciser que la position qui sert de référence est l’équinoxe de printemps. Une année est donc définie comme la période séparant deux équinoxes de printemps.

Le maître interroge la classe : dans notre calendrier, quel est le premier jour de l’année ? La réponse (le 1^er janvier) ne correspond pas à l’équinoxe de printemps (20 ou 21 mars).
En a-t-il toujours été ainsi ? Est-ce que l’année a toujours commencé le 1er janvier ? Certains élèves se rappellent que les calendriers grégorien, hébraïque et musulman
sont décalés (voir séance introductive).
La discussion est alors recentrée : pour nous, en France, l’année a-t-elle toujours commencé le 1^er janvier ?

L’enseignant demande aux élèves : combien il y a de jours dans une année (sous entendu : dans le calendrier grégorien) ?
La plupart répondent 365. Quelques élèves peuvent préciser que certaines années comptent 366 jours, mais ils ne savent en général pas lesquelles, ni pourquoi.

Notes scientifiques

• L’année est définie par la révolution de la Terre autour du Soleil, alors que la journée est définie par la rotation de la Terre sur elle-même. Ces mouvements étant complètement indépendants, il n’y a aucune raison pour que la période de l’un soit un multiple de la période de l’autre. Autrement dit, il n’y a aucune raison pour qu’une année dure « pile » 365 jours.
• De fait, une année dure environ 365,24 jours, ce qui est assez proche de 365 jours ¼. Ceci explique pourquoi l’on rajoute un jour tous les quatre ans (à quelques exceptions près) dans notre calendrier.

La mise en commun est l’occasion d’introduire le vocabulaire « année bissextile ». Puis la classe récapitule ce qui a été appris pendant cette séance et élabore une synthèse, qui peut être :

La révolution de la Terre autour du Soleil dure environ 365 jours et 6 heures. Chaque année, notre calendrier se décale donc de 6 heures par rapport au Soleil. Au bout de quatre ans, ce décalage est de 4 x 6 heures = 24 heures, soit une journée. Pour cette raison, on ajoute une journée supplémentaire (le 29 février) tous les quatre ans. L’année qui comporte 366 jours est appelée année bissextile. Ainsi notre calendrier ne se décale pas par rapport aux saisons.

Le maître peut montrer collectivement sur la maquette du système Terre-Soleil le décalage du calendrier avec les saisons en exagérant l’écart entre les durées d’une année
calendaire et d’une année solaire. Après plusieurs révolutions, le 21 juin deviendrait (si on ne rattrapait pas ce retard) un jour printanier ou automnal !

Chaque élève note cette conclusion sur son cahier d’expériences. Les élèves peuvent ensuite rechercher quelles seront les prochaines années bissextiles (2008 + 4 = 2012, etc.) et s’interroger si l’année 2011 sera bissextile.

Note pédagogique

• La séance 3-2 (séquence 3) constitue un prolongement naturel de cette séance et peut être enrichie d’une recherche documentaire sur les calendriers disparus. On remarquera, par exemple, en étudiant le calendrier romain (julien), qu’il est un calendrier « solaire ». Même s’ils possèdent un découpage de l’année qui leur est propre, tous comportent 365 jours pour les années régulières et 366 pour les années bissextiles (l’origine du mot bissextile est expliquée dans la séance 3-2).
• Ça n’est pas le cas des calendriers lunaires (par exemple, le calendrier musulman) ou des calendriers sans rapport ni avec le Soleil, ni avec la Lune (par exemple, le calendrier maya). Ces calendriers se décalent par rapport aux saisons.

Ce patron (que l’on peut retrouver sur le site http://www.ii.uib.no/~arntzen/kalender/)
permet de réaliser un calendrier en trois dimensions.
Le solide régulier à douze faces s’appelle un dodécaèdre.

Il y a 365 (ou 366 si l’année est bissextile) jours dans l’année : les jours peuvent donc se compter du premier au 365^e (366^e).

Utilise le tableau pour savoir quel est le numéro du jour aujourd’hui :
N =275 x M/9 – K x M + 9/12 + D – 30, où K = 1 si l’année est bissextile et K = 2 sinon, M représente le numéro du mois et D le quantième du jour.