Les mouvements de la Terre

HPT
Formation scientifique
UAA1
AUTEURS : Philippe Godts, Jean-Baptiste Schuermans
23 mars 2015
Conseils didactiques
Les mouvements de la Terre
Préconceptions et difficultés
Cette UAA réclame de la part des élèves un changement de perspective par rapport aux observations
de tous les jours. Celles-ci consistent en mouvements apparents du Soleil qui apparaît vers l’est, monte
dans le ciel, culmine puis redescend pour disparaître vers l’ouest. On doit à présent prendre le point de
vue d’un observateur extérieur au système solaire : cet observateur verrait la révolution de la Terre
autour du Soleil et la rotation de la Terre sur elle-même.
Les élèves confondent souvent étoiles et planètes. Pour certains, le Soleil n’est pas une étoile, car
celles-ci apparaissent dans le ciel comme des points minuscules très différents de l’aspect du Soleil vu
depuis la Terre.
Les élèves pensent souvent que les planètes sont beaucoup plus volumineuses que les étoiles : en
effet, ils ont souvent observé des photos de planètes où celles-ci ont une taille importante.
L’acception du mot « satellite » est souvent limitée à un objet construit par l’être humain et non à la
Lune, par exemple.
Les noms des planètes peuvent avoir été rencontrés dans le cadre des rubriques astrologiques : dans
ce cas, le Soleil et la Lune sont considérées comme des planètes !
Beaucoup d’élèves se représentent le monde selon le modèle géocentrique : la Terre est immobile au
centre du monde, le Soleil, les planètes et les étoiles tournent autour de la Terre en une journée. Ce
modèle géocentrique qui correspond si bien aux observations de tous les jours a été adopté par les
scientifiques jusqu’au XVIe siècle.
Beaucoup d’élèves considèrent qu’il n’est pas possible que la Terre se déplace car soit on sentirait le
vent, soit il n’y aurait plus d’air autour de la Terre.
Pour beaucoup d’élèves, la lumière du Soleil est « chaude » : ce sont les rayons lumineux qui
« transportent » la chaleur. De plus, quand on dit que le Soleil est « haut dans le ciel », certain
s’imaginent le Soleil plus éloigné que quand on dit qu’il est « bas dans le ciel ».
Beaucoup d’élèves croient que les saisons en Belgique ou la différence de température entre l‘été et
l’hiver sont des phénomènes liés à la distance Terre-Soleil, cette distance étant alors plus grande en
hiver qu’en été : moins de lumière parviendrait sur Terre, il y ferait donc plus froid.
Développements attendus
Distinguer étoile, planète et satellite (C1).
L’élève utilise un critère pour distinguer :
 étoile et planète,
 planète et satellite.
Décrire le système solaire comme un ensemble de planètes qui gravitent autour du Soleil (C2).
L’élève cite les caractéristiques principales du système solaire :
 au centre, l’étoile (le Soleil),
 un ensemble de planètes (8) qui gravitent autour du Soleil.
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Associer l’alternance lumière/obscurité et la durée du jour à la rotation de la Terre (C3).
L’élève énonce le lien entre la rotation de la Terre et ces deux phénomènes.
Associer l’alternance des saisons et la durée d’une année à la révolution de la Terre (C4).
L’élève énonce le lien entre :
 la durée d’une année et la révolution de la Terre ;
 l’alternance des saisons et la révolution de la Terre ainsi que l’inclinaison de son axe de rotation.
Utiliser un dispositif permettant de décrire un phénomène observé sur Terre (A1).
(P) A l’aide d’un dispositif expérimental donné par le professeur, l’élève rend compte d’un des
phénomènes présentés ci-dessous.
(TQ) A l’aide d’un dispositif expérimental imaginé ou sélectionné par lui, l’élève rend compte d’un des
phénomènes présentés ci-dessous.
Voici les exemples de phénomènes :
 l’alternance lumière/obscurité ;
 la différence de température en été et en hiver sous nos latitudes ;
 la différence de température à midi et au coucher du Soleil pour un jour donné ;
 le décalage horaire entre deux régions du globe.
Exemples de situations d’apprentissage
Descriptif
Développements attendus
principalement visés
FA1 « L’année et les
saisons »
Utiliser une sphère pouvant tourner autour d’un axe
incliné et éclairée par une lampe pour examiner le
mouvement annuel de la Terre et expliquer les saisons
C4, A1
FA2 « L’alternance
jour/nuit »
Construire un modèle miniature de la terre pour étudier
l’alternance jour/nuit en différents endroits de la Terre
C3, A1
FI1 « Le midi le plus
chaud »
Mener une investigation sur le lien entre la température
ambiante à midi et les saisons
C4, A1
FI2 « Le jour le plus
long »
Mener une investigation sur la durée d’une journée par
rapport à la nuit en fonction de la latitude
C3, A1
Fiches d’activité (FA)
Fiches d’intégration (FI)
Autres activités possibles
Effectuer une observation du ciel diurne et nocturne, et classer tous les
éléments visibles
C1
Evoquer l’un ou l’autre mythe lié aux constellations
C1, C2
Montrer quelques photos prises par une sonde (la planète Mars, le satellite
Ganymède, la comète Tchouri, la Lune…)
C1, C2
Proposer une observation du Soleil (ou d’une éclipse de Soleil) au moyen d’une
chambre noire
C1, C2
Relater un lever ou un coucher de Soleil
C1, C3
Visionner un extrait de film montrant les différents constituants de l’univers et
leurs ordres de grandeur, en relation avec la Terre et des objets de
l’environnement quotidien. Proposer à chaque élève de relever une grandeur
ou une caractéristique par constituant présenté
C1, C2
Construire un cadran solaire à l’aide d’un « gnomon » : un bâton placé
verticalement et d’une graduation tracée au sol dans la cour de l’école
C1, C3
Relater ou reproduire l’expérience du pendule de Foucault
C1, C3
Demander aux élèves où ils ont été en vacances et de relater le climat, la durée
du jour… constatés par rapport à la Belgique
C4
Faire fonctionner une maquette proposée par une firme de matériel didactique
C3, C4, A1
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Notions mises en place
Un astre désigne un objet céleste en général (étoile, planète ou satellite, par exemple).
Une étoile est une boule de gaz à très haute température qui émet sa propre lumière. Le Soleil est
une étoile de taille moyenne.
Une planète est un objet céleste de forme sphérique en orbite autour du Soleil. La Terre est une
planète, comme Vénus, Mars ou Jupiter.
Un satellite est un objet céleste en orbite autour d’une planète, comme la Lune autour de la Terre. Il
existe maintenant des satellites artificiels, engins construits par l’être humain et placés en orbite autour
de la Terre ou d’une planète.
Le système solaire est constitué du Soleil, en son centre, et de huit planètes qui gravitent autour de
lui sur des trajectoires presque circulaires.
Le Soleil est beaucoup plus gros que les planètes. Les 4 planètes les plus proches du Soleil (Mercure,
Vénus, Terre et Mars) sont solides et de taille relativement petite. Les quatre autres planètes (Jupiter,
Saturne, Uranus et Neptune) sont de plus grande taille et gazeuses.
La plupart des planètes ont des satellites. La Terre a un seul satellite naturel, la Lune.
La Terre est une planète du Soleil : elle gravite donc autour du Soleil et sa trajectoire est quasi
circulaire. La révolution de la Terre désigne le mouvement qu’elle effectue autour du Soleil en une
année (une année correspond à la durée d’un tour complet de la Terre autour du Soleil).
La Terre a également un mouvement de rotation sur elle-même autour d’un axe qui passe par le pôle
Nord et le pôle Sud. Vu du Soleil, la durée d’un tour complet de la Terre sur elle-même est de 1 jour,
soit 24 heures.
L’alternance lumière/obscurité (ou alternance du jour et de la nuit) en un lieu de la Terre correspond
au passage de ce lieu successivement dans la zone éclairée par le Soleil puis dans la zone non
éclairée par le Soleil.
A un endroit sur la Terre, il est midi quand ce lieu est face au Soleil (le Soleil culmine alors par rapport
à l’horizon). Puisque la Terre tourne sur elle-même d’est en ouest, en un lieu situé à l’ouest de cet
endroit, il est plus tôt, et en un lieu situé à l’est de ce point, il est plus tard. C’est pour cela qu’il peut
y avoir un décalage horaire entre deux points du globe.
Quand le Soleil culmine (à midi), il y a plus de lumière qui parvient au sol et donc plus d’énergie
lumineuse transformée en chaleur au contact du sol. Cela provoque des variations de température
au cours d’un jour donné.
En été, le Soleil culmine haut dans le ciel à midi, sa lumière nous arrive presque perpendiculairement.
En hiver, le Soleil est bas dans le ciel même à midi, sa lumière nous arrive de manière oblique. Il y a
donc en été plus de lumière qui parvient au sol et donc plus d’énergie lumineuse transformée en
chaleur au contact du sol qu’en hiver. Cela provoque des variations de température au cours de
l’année et explique les saisons.
Remarques pour le professeur
Le programme stipule de baser les activités didactiques sur la démarche d’investigation. Tout
l’enseignement doit-il se baser sur cette démarche ?
C’est le référentiel adopté par le Parlement de la Communauté Wallonie-Bruxelles qui place la
démarche d’investigation comme pierre angulaire de pratiquement toutes les Unités d’Acquis
d’Apprentissage de ce cours de Formation Scientifique Commune. L’esprit de ce programme est
donc de proposer aux élèves au moins une question d’investigation ouverte et concrète, en début,
en cours ou en fin de chaque UAA. Le but est de permettre aux élèves de prendre conscience,
d’exprimer et de tester leurs propres pistes de recherche, même si elles ne se moulent pas
parfaitement dans le cadre théorique.
Que permettent les modèles didactiques Terre-Soleil proposés par des firmes ?
Par des systèmes d’engrenages, certains modèles permettent de visualiser simultanément les
mouvements de rotation diurne et de révolution annuelle de la Terre, ainsi que les mouvements de
la Lune. Pour tous les modèles, l’axe de rotation de la Terre pointe toujours dans la même direction
(ses positions successives sont toutes parallèles) quelle que soit sa position. La direction de son
axe par rapport au Soleil varie au cours de l’année, le pôle nord terrestre étant tantôt dirigé à l’opposé
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du Soleil (solstice d’hiver), tantôt dirigé vers lui (solstice d’été), tantôt latéralement par rapport au
Soleil (équinoxes de printemps et d’automne).
Aucun modèle du système Terre-Soleil-Lune exploitable dans une classe ne respecte les
proportions ; si l’on représentait la Terre par une sphère de 15 cm, le Soleil devrait - à la même
échelle - avoir plus de 16 mètres de diamètre et être situé à près de 2 km de distance ! Seuls certains
modèles extérieurs (du genre « chemins des planètes ») respectent certaines proportions.
Peut-on facilement utiliser un montage « maison » pour montrer les saisons ?
On peut illustrer les mouvements de la terre à l’aide d’une mappemonde que l’on déplace sur une
table autour d’une source lumineuse centrale figurant le Soleil. On peut aussi utiliser un globe
terrestre « fait maison » en veillant à ce que l’axe de rotation de la Terre soit incliné d’environ 23
degrés par rapport à la verticale. On peut mettre cet axe en évidence en le prolongeant d’une tige
en bois fixée au pôle nord. Lors des déplacements de la Terre, on veillera à ce que l’axe de rotation
pointe toujours dans la même direction, et que la Terre reste toujours à la même hauteur et la même
distance par rapport à la source lumineuse.
Quels montages expérimentaux permettent-ils de bien mettre en évidence la succession du jour et de
la nuit ?
La plus grande difficulté est d’avoir une source lumineuse suffisamment étendue pour qu’elle éclaire
de manière assez homogène la moitié de la sphère représentant la Terre. Au besoin, on peut
suffisamment éloigner la Terre de la source lumineuse. Si les élèves travaillent en groupe avec des
modèles de la Terre, il est préférable de n’avoir qu’une seule source lumineuse suffisamment
étendue placée au centre du local sur une table (par exemple une lampe assez puissante dans un
bulbe).
Faut-il aborder les modèles de l’univers ?
Le programme ne prévoit pas l’étude d’autres modèles de l’univers que le modèle héliocentrique. Il
sera toutefois utile d’évoquer avec les élèves les difficultés rencontrées au cours de l’histoire pour
pouvoir dépasser une représentation géocentrique de l’univers.
Comment aborder les réticences des élèves à imaginer la Terre en mouvement ?
Il n’est pas facile de dissocier force et mouvement. Pourtant, la définition de la force introduite au 1er
degré parle d’une cause capable de modifier l’état de mouvement d’un objet. Donc, en absence de
force, un objet poursuit son mouvement à vitesse constante et en ligne droite, s’il était déjà en
mouvement. Pour s’en convaincre, on peut faire rouler une bille d’abord sur un tissu, puis sur un
support parfaitement lisse, et constater qu’en absence de frottement, elle poursuit son mouvement.
On peut alors faire le lien avec la Terre. Le principe d’inertie, qui décrit de manière plus précise ces
phénomènes, sera abordé plus complètement dans l’UAA 15 « Se déplacer en sécurité ».
Le fait que l’atmosphère ne soit pas éjectée par effet centrifuge lors de la rotation de la Terre est dû
à l’attraction gravifique qui s’exerce aussi sur chaque molécule d’air.
Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante
 L’histoire du calendrier
 En géographie, les saisons et les différents climats
 Les fuseaux horaires
 Les rites liés à l’année
Bibliographie
LINDEMANN, E., et al., Mécanique, une introduction par l’astronomie, De Boeck, 1999.
Un parcours très complet dans l’histoire des modèles de l’Univers
MORRISSON, Ph., et al., Les puissances de dix, Pour la Science, Diffusion Belin, 1984.
Les ordres de grandeur dans l’Univers
NAZE, Y., Cahier d’exploration du ciel I, Découvrir l’Univers, Réjouisciences, ULg, 2009.
NAZE, Y., Cahier d’exploration du ciel II, Mesurer l’Univers, Réjouisciences, ULg, 2012.
Deux cahiers à la fois ludiques et didactiques, conçus par l’astrophysicienne liégeoise
VERBIST, Y., et al., Physique 5e sciences générales, De Boeck, 2011.
Les astres et leurs mouvements / Modèles du système solaire
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