L`alternance jour/nuit - enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA1
AUTEUR : Jean-Baptiste Schuermans
11 mars 2015
Fiche d’activité 2
L’alternance jour/nuit
Enoncé de la situation
Pourquoi fait-il jour en ce moment ; pourquoi fera-t-il nuit dans quelques heures ?
La nuit tombe-t-elle au même moment dans tous les pays ?
Le jour a-t-il la même durée partout sur Terre ?
Développements attendus principalement visés
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.
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.
Matériel
Local sombre, lampe forte1, sphère en polystyrène, marqueur, épingles, tige en bois ou en métal, support
donnant à la tige un angle d’environ 23° avec la verticale (expérience 3 uniquement)2.
1
La taille de la lampe et la distance lampe-Terre doivent être telles que la Terre soit éclairée sur la moitié de sa surface.
2 Le support peut
être confectionné avec un bloc de bois percé d’un trou du diamètre voulu, ou encore d’un morceau de pâte
à modeler. L’axe de rotation de la Terre doit former avec la verticale un angle d’environ 23°.
1
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Activité 1 - Pourquoi fait-il jour ou nuit ?
Procédure
1.
2.
3.
4.
Construire un modèle miniature de la Terre en plantant la tige dans la sphère en polystyrène.
Marquer le point où la tige pénètre dans la sphère par un S (pôle sud) et le point opposé sur la sphère par
un N (pôle nord). Tracer au marqueur une ligne à mi-distance entre les pôles : c’est l’équateur. Faire une
marque (ou planter une épingle) à mi-distance entre l’équateur et le pôle nord, cette marque figure la
position d’un observateur situé en Belgique.
Après avoir assombri la pièce, éclairer le globe miniature à l’aide d’une lampe qui figure le Soleil.
Faire tourner le globe sur son axe. Que se passe-t-il pour l’observateur situé en Belgique ?
Observations
Lorsqu’on fait tourner le globe sur son axe, la marque représentant la Belgique passe alternativement dans
l’ombre et dans la lumière. Lorsque la marque est située dans l’ombre, un observateur se trouvant à cet endroit
ne peut pas voir le Soleil car une partie de la Terre est placée entre lui et le Soleil : c’est la nuit. Lorsque la marque
se trouve dans la lumière, le Soleil est visible depuis la marque: c’est le jour. Conclusion : la rotation de la Terre
sur son axe est responsable de l’alternance des jours et des nuits. Une rotation complète de la Terre sur son axe
dure 24 heures.
Remarques et suggestions
Cette expérience peut être réalisée au moyen d’un globe Terrestre vendu dans le commerce. Il est cependant
préférable de donner aux élèves l’occasion de confectionner et d’annoter eux-mêmes le matériel expérimental.
Au cours de toutes les expériences visant à observer l’éclairement de la Terre par le Soleil, il faut veiller à placer
la lampe à la même hauteur que la Terre. De plus, la lampe doit être suffisamment éloignée ou suffisamment
étendue, de manière à ce qu’elle éclaire une moitié de la sphère.
Activité 2 – Quelle heure est-il ici et là-bas ?
Procédure
1.
2.
3.
4.
5.
Tracer des repères au marqueur (ou planter des épingles) à différentes longitudes sur le globe Terrestre3.
Après avoir assombri la pièce, éclairer le globe miniature à l’aide de la lampe figurant le Soleil.
Comment est orienté le globe Terrestre lorsqu’il est midi à Bruxelles ?
Y a-t-il d’autres endroits de la Terre où il est la même heure qu’à Bruxelles ?
Quelle heure est-il en chacune des autres positions marquées sur le globe?
Observations

Lorsqu’on place le globe dans le halo de la lampe, certains repères se trouvent dans l’ombre, d’autres dans
la lumière : il fait nuit dans certaines régions tandis que pour d’autres c’est le matin, le midi ou le soir.
Conclusion : à un moment donné, l’heure n’est pas la même pour toutes les régions de la planète (c’est la
raison d’être des fuseaux horaires).

(Pour approfondir) Par contre, on constate que le jour se lève au même moment en tout point d’une ligne
qui rejoint les deux pôles (un méridien)4. Au même moment, le jour s’achève le long du méridien situé à 180°
de là. Comme 12 heures séparent le lever du coucher du Soleil (à l’équinoxe), on peut, en divisant l’équateur
en 24 segments égaux, dessiner les fuseaux horaires pour toute la planète et estimer le décalage horaire
entre deux régions du monde.
Placer le modèle de la Terre de l’expérience 1 avec la marque figurant la Belgique devant soi. Tourner trois fois de suite la
sphère de 90° autour de son axe et placer chaque fois une nouvelle marque à la même latitude (c’est-à-dire à la même
distance par rapport à l’équateur) que la Belgique.
3
4
En réalité, cette situation ne se produit qu’aux équinoxes ; les autres jours de l’année, la frontière séparant les zones
d’ombre et de lumière sur la Terre ne passe pas par les pôles. Dans cette activité cependant, nous n’avons pas encore parlé
de l’inclinaison de l’axe de rotation de la terre, notion qui sera introduite pour l’explication des saisons.
2
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Remarques et suggestions
Pour pouvoir faire la différence entre le matin et le soir, il est nécessaire de connaître le sens de rotation de la
Terre. Vue du “dessus” (depuis un point fixe situé au-dessus du pôle nord), la Terre tourne dans le sens antihorlogique5.
Le repérage des fuseaux horaires nécessite un modèle de planète de taille suffisante.
Matin
Midi
Minuit
Soir
Activité 3 – Durée du jour et de la nuit.
Procédure
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Tracer des repères à différentes latitudes sur le globe Terrestre et placer celui-ci sur son support.
Après avoir assombri la pièce, éclairer le globe miniature à l’aide de la lampe figurant le Soleil.
Incliner l’axe de rotation vers le Soleil
(solstice d’été). Observer la longueur de la
nuit et la longueur du jour pour le repère
situé en Belgique (on peut éventuellement
visualiser ces longueurs en traçant deux
traits, l’un coloré et l’autre noir, sur une ligne
passant par la Belgique et parallèle à
l’équateur)6. La nuit et le jour sont-ils de
même durée ?
Incliner l’axe de rotation dans la direction
opposée au Soleil (solstice d’hiver). Observer
à nouveau la longueur de la nuit et la
longueur du jour pour le repère situé en
Belgique.
Garder l’axe de rotation en position « hiver ».
Comparer la durée du jour en Belgique, à l’équateur et dans l’hémisphère sud.
Placer l’axe Terrestre en position « équinoxe » (c’est-à-dire dans un plan perpendiculaire à la droite TerreSoleil). Comparer la durée d’ensoleillement sous différentes latitudes.
Observations

Pour un observateur situé en Belgique, la durée d’ensoleillement change selon la position de l’axe de
rotation par rapport au Soleil.

Pour un même jour de l’année (exception faite des équinoxes), la durée du jour varie selon la position de
l’observateur par rapport à l’équateur : l’été en Belgique correspond à l’hiver en Afrique du Sud et
inversement.
5
Image : http://www.astrosurf.com/luxorion/astro-enfant-temps-cycles.htm, page consultée le 21/02/2015.
6
Illustration : http://www.fondation-lamap.org/fr/page/9614/séquence-2-les-saisons-lannée , page consultée le
21/02/2015.
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Remarques et suggestions
Le moment de l’année où la durée du jour est la plus petite est appelé solstice d’hiver, celui où le jour est le plus
long s’appelle solstice d’été. Les deux moments de l’année où la durée du jour égale celle de la nuit s’appellent
les équinoxes ; la frontière entre le jour et la nuit passe alors par les pôles et, partout sur la Terre, le jour dure
autant que la nuit.
Ces observations annoncent l’explication des saisons.
Activité 4 – Le Soleil se lève à l’Est
Matériel
Post-it ou étiquettes autocollantes, demi-sphère en polystyrène (environ 30 cm), lampe forte.
Procédure
1.
2.
3.
Un des élèves jouera le rôle de la terre, les autres seront observateurs 7.
L’élève-Terre colle sur la demi-sphère les 5 étiquettes autocollantes ; « moi » sera collée au centre, « est »
10 cm à gauche, « ouest » 10 cm à droite, « nord » au-dessus et « sud » en-dessous. L’élève tient la demisphère sur son ventre en tournant le côté bombé vers l’avant.
L’élève-Terre se place dos à la lampe. Il commence ensuite à tourner lentement sur lui-même, dans le sens
contraire des aiguilles d’une montre (vu d’en haut). Repérer le moment où la marque « moi » commence à
recevoir la lumière de la lampe représentant le Soleil ; ce moment correspond au lever du Soleil. Repérer le
moment où cette marque commence à entrer dans l’ombre de la lampe; ce moment correspond au coucher
du Soleil. L’élève continue à tourner ; interrogé, il dit quelle heure il est pour lui à ce moment.
Observations

Le Soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest. A midi le Soleil est face à l’élève (c’est-à-dire haut dans le ciel) ;
à minuit, le Soleil est dans le dos de l’élève (c’est-à-dire invisible depuis cet endroit de la Terre).
Remarques et suggestions
On peut aussi dessiner les points cardinaux sur les paumes des mains (dans ce cas tourner avec les bras ouverts),
le front et les pieds, ou encore les dessiner tous sur le visage ; cependant, pour obtenir un lever et un coucher
de soleil réalistes, il vaut mieux placer le repère « moi » sur une surface arrondie (front, menton). On pourrait
aussi proposer à l’élève de tenir devant lui un ballon de sport muni des repères appropriés ou, à défaut, coller
les repères sur le vêtement de l’élève, au niveau du ventre.
Si l’on veut rendre compte de l’inclinaison de la trajectoire du Soleil vers l’horizon sud, on peut placer le repère
« moi » non pas au centre de la demi-sphère mais à mi-chemin entre le centre et le sommet (« à 50° de latitude
Nord »). Dans ce cas, il serait intéressant de remplacer la marque « moi » par une épingle qui puisse produire
une ombre. Si le Soleil passe « à l’équateur » (c’est-à-dire si la lampe est située à la hauteur du milieu de la demisphère), l’ombre sera visible au nord.
Matériel
Post-it ou marqueur effaçable, globe Terrestre sur axe incliné, petits personnages ou bâtonnets, lampe forte.
Procédure
4.
Sur un globe Terrestre, fixer un petit personnage ou un bâtonnet à un
endroit correspondant à la Belgique (environ à mi-chemin entre le pôle nord
et l’équateur). Après avoir assombri la pièce, éclairer le globe miniature à
l’aide de la lampe figurant le Soleil. Faire tourner le globe d’ouest en est, et
observer la direction et la longueur de l’ombre engendrée par le Soleil au
lever du Soleil, à midi et au coucher du Soleil. Pour plus de facilité, on peut
7 Rien n’empêche que différents élèves se succèdent dans le rôle de la terre, l’intérêt de l’activité résidant dans
l’expérimentation corporelle des mouvements en question.
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matérialiser l’horizon avec un petit disque en plastique fixé à l’aide d’une punaise « à manche » symbolisant
le personnage8.
Observations

Lorsqu’on le jour se lève sur la Belgique, l’ombre est longue et dirigée vers l’ouest ; à midi, l’ombre est courte
et dirigée vers le nord ; le soir, les ombres s’allongent vers l’est.
Remarques et suggestions
Ces observations peuvent être rapprochées d’autres observations réalisées sur le terrain. Le matin, le Soleil se
lève à l’est, et les ombres sont longues et dirigées vers l’ouest ; à midi, le Soleil est au sud, et les ombres sont
courtes et dirigées vers le nord ; le soir, le Soleil est à l’ouest, et les ombres sont longues et dirigées vers l’est. La
longueur des ombres est liée à la hauteur apparente du Soleil dans le ciel.
Bibliographie
NAZE, Y., Cahier d’exploration du ciel - 1. Découvrir l’univers, Réjouisciences, Université de Liège, 2011.
Illustration : http://media4.obspm.fr/public/AMC/pages_tp-maquette-stl/stl-utilisation-journuit.html, page consultée le 11
mars 2015.
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