Centre Départemental de Ressources en Sciences de l'YONNE
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Rubrique Continuité des apprentissages

C3 - ASTRONOMIE CYCLE 3 (CM1/CM2) - LA TERRE

Le 31 mars 2020 - Bruno HENNOQUE



Madame, Monsieur, chers parents d’élèves,

Afin de vous aider à assurer la continuité des apprentissages pendant ce confinement, le centre départemental de ressources en Sciences de la DSDEN de l’Yonne vous propose cette courte progression traitant de l’astronomie au cycle 3 (mouvements de la Terre, Lune et Système solaire). Elle s’adresse directement à vous car c’est à vous qu’il revient de la mettre en œuvre.
Les activités proposées nécessiteront votre présence (celle d’un adulte) aux côtés de l’enfant. Elles ont été choisies car elles ne nécessitent qu’un matériel simple à se procurer.
Ce "parcours" est indicatif et devra, bien évidemment, être adapté au contexte où il sera mis en œuvre et aux besoins de l’élève à qui il est destiné, comme c’est le cas en classe. Des éléments de pédagogie de l’enseignement des Sciences vous sont présentés en préambule, très peu rassurez-vous, notamment les étapes de ce que doit être la démarche d’investigation. Cette démarche sera votre fil conducteur tout au long de ce travail.
Bonnes séances de Sciences !

Bruno Hennoque - Conseiller pédagogique Sciences 89


Les programmes de sciences du cycle 3 (extrait concernant le thème présenté)


Les étapes de la démarche


Fiche élève Sciences (à imprimer ou recopier)



1. LES MOUVEMENTS DE LA TERRE SUR ELLE-MEME ET AUTOUR DU SOLEIL

1.a. : L’alternance jour/nuit

de 30 à 40 minutes


Matériel nécessaire :
1 globe terrestre ou, à défaut, une balle ou un ballon ; une lampe de poche
Vous pourrez, si vous le souhaitez, imprimer la fiche proposée ci-dessous mais ce n’est pas indispensable.


Nous débuterons cette progression en astronomie par l’étude de l’alternance des jours et des nuits et nous la poursuivrons par celle des saisons.

Représentations de l’enfant

Il convient, donc, dans un premier temps, d’évaluer les connaissances préalables des enfants en leur soumettant ce recueil de représentations initiales : Comment explique-t-on l’alternance des jours et des nuits et celle des saisons ?

A cet effet, vous pouvez imprimer le document ci-dessous ou demander à l’enfant de le recopier sur papier libre. Sur cette feuille, il lui est demandé d’expliquer ce qui, selon lui, est à l’origine des phénomènes d’alternances jours/nuits et des saisons. Vous pouvez, avant qu’il ne commence cet exercice, effectuer oralement avec lui un rappel de ce qu’est un jour (au sens de "journée", de contraire de nuit : c’est la durée entre le lever et le coucher du soleil), quelles sont les saisons, ce qui les caractérise (végétation, températures, durée du jour, etc.) et leur cycle qui se répète.

A la suite de ce premier travail de représentations, l’enfant ouvrira un dossier astronomie dans un cahier, un classeur ou sur des feuilles libres qu’il assemblera à la fin de la progression. Sur la première page, il écrit en gros le domaine travaillé : "SCIENCES - ASTRONOMIE", puis le titre de cette première étude : "L’alternance des jours et des nuits et celle des saisons".
Puis, dessous, à la ligne, "1. Mes représentations - ce que je pense". Suivi de : "Voir feuille "Représentations initiales"". Il joindra, par la suite, la fiche qu’il vient de compléter à ce dossier.

Modélisation

Poursuivre en distribuant le matériel à l’enfant (globe ou ballon, lampe de poche). Puis, lui demander de modéliser avec ce matériel l’alternance jour/nuit telle qu’il l’a expliquée sur sa fiche de représentations initiales. Si d’autres accessoires lui sont nécessaires et qu’ils sont en votre possession, fournissez-lui.
Que représente le globe (ou le ballon) ? Que représente la lampe ? (rappel : une planète n’émet pas de lumière contrairement à une étoile comme le Soleil).
Cette modélisation donne-t-elle le résultat attendu ? Est-elle convaincante ?

Deux propositions sont essentiellement faites pour expliquer la succession des jours et des nuits au cycle 3.
- 1. La Terre tourne sur elle-même
- 2. Le Soleil tourne autour de la Terre

En fait, ces deux situations peuvent théoriquement expliquer l’alternance des jours et des nuits. D’ailleurs, les hommes ont très longtemps expliqué ce phénomène par la révolution hypothétique du Soleil autour de la Terre (modèle géocentrique de Ptolémée) avant que Nicolas Copernic nous révèle le contraire... Il n’est tout simplement pas possible ici de trancher par l’expérimentation ou la modélisation entre l’une ou l’autre de ces deux hypothèses.

Au cycle 3, les enfants savent, en général, déjà expliquer l’alternance des jours et des nuits par la rotation de la Terre (un tour complet sur elle-même en 24 heures). Il fait jour lorsque nous sommes dans la partie de la Terre éclairée par le Soleil et nuit dans la partie qui ne l’est pas.

L’enfant poursuit le compte rendu de son investigation. Il reprend sa feuille (ou son cahier), passe une ligne et écrit : "2. Je cherche des réponses". Au dessous, il représente au crayon de papier la/les manipulation/s qu’il vient d’effectuer. Il légende son/ses dessin/s et peut y ajouter des phrases d’explication.

Analyse documentaire

Dire alors à l’enfant que les hommes ont très longtemps pensé que c’était le Soleil qui tournait autour de la Terre. Bien d’éminents esprits se sont trompés à ce sujet tant il est difficile de démontrer la réalité du phénomène. Les mouvements apparents du Soleil dans le ciel amènent bien évidemment à cette fausse explication. Surtout que rien ne pouvait laisser penser que la Terre tournait sur elle-même...
Il a fallu attendre 1851, c’est à dire il y a moins de 200 ans, pour que le français Léon Foucault démontre expérimentalement avec son célèbre pendule la rotation de la Terre (elle tourne sur elle-même).

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Pas d’expérience ou de modélisation simple possibles pour trancher, nous devons donc, à notre modeste niveau, nous en remettre à des documents pour valider la bonne hypothèse. En voici deux :
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A la suite de l’analyse de ces documents par l’enfant, il convient d’en faire une synthèse avec lui pour vérifier ce qu’il en a retenu et, le cas échéant, lui préciser certains points restés incompris.
Au besoin, reprendre le matériel et modéliser cette rotation de la Terre par rapport au Soleil qui peut ici être considéré comme fixe.

Conclusion

Terminer enfin cette séance en l’aidant à formuler une conclusion qu’il notera ensuite sur sa feuille après avoir écrit : "3. J’ai retenu".
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Voici quelques éléments qui devront figurer dans cette conclusion :
- La Terre effectue un tour complet sur elle-même en 24h, c’est ce qu’on appelle une rotation.
- Il y a en permanence une partie de la Terre qui fait face au Soleil (c’est le jour) et une autre partie dans l’ombre (c’est la nuit).
- Cette rotation de la Terre explique la succession des jours et des nuits.


1.b. : Qu’est-ce qu’un jour ?

environ 1 heure + relevés tout au long de la journée


Matériel nécessaire :
2 feuilles de papier blanc A4 ou 1 feuille A3, un crayon de papier, 1 pince à linge, 1 lampe
Vous pourrez, si vous le souhaitez, imprimer certains des documents qui vous sont proposés mais ce n’est pas indispensable.


Démarrer cette nouvelle séance en questionnant l’enfant sur ce qu’il a retenu de la précédente. Demandez-lui de vous rappeler, avec le plus de détails possible, ce qui explique l’alternance des jours et des nuits.

Posez-lui ensuite la question suivante : "Imagine que nous nous retrouvions en pleine nature sans aucun moyen (moderne) de mesurer le temps : ni montre, ni horloge, téléphone, etc.. Comment pourrait-on s’y prendre, dans ces conditions, pour savoir précisément qu’un jour (24h) s’est écoulé ?

Distribuer à l’enfant une copie du document "Fiche élève Sciences" ou lui demander d’en recopier, au fur et à mesure de la progression, chacune des rubriques sur une feuille libre.
- Faites-lui compléter "le titre" : "ASTRONOMIE : Qu’est-ce qu’un jour ?"
- Faites-lui compléter "la situation de départ" : "Une question m’est posée."
- Faites-lui compléter "le problème posé" : "Comment savoir précisément, sans montre, qu’un jour s’est écoulé ?"

A ce stade, invitez l’enfant à émettre ses hypothèses pour répondre à la question. Il les note au crayon de papier sur sa feuille en complétant la rubrique "Mes hypothèses" (schémas légendés et phrases d’explications). Laissez-lui pour cela le temps nécessaire (une dizaine de minutes environ).

Les hypothèses étant émises, elles doivent ensuite être vérifiées. La séance précédente qui a porté sur l’alternance des jours et des nuits a mis l’enfant sur la piste de la rotation de la Terre, en 24h. Mais qu’imaginera-t-il en réponse à cette nouvelle question posée ? Peut-être proposera-t-il d’observer le Soleil, ses positions dans le ciel. Par exemple, le matin lorsqu’il se lève ou le soir lorsqu’il se couche... Ces hypothèses qui peuvent théoriquement être acceptées, ne peuvent pas être vérifiées par une observation directe du Soleil. Il faut impérativement insister auprès de l’enfant sur le fait que l’on ne regarde JAMAIS le Soleil, pas même muni de lunettes de Soleil. Et encore moins avec un instrument d’observation.

Il faut donc trouver une autre méthode que l’adulte peut proposer si l’enfant ne la propose pas lui-même : les déplacements d’une ombre portée tout au long d’une journée...

1er cas : Vous avez la possibilité d’effectuer des observations à l’extérieur et la météo le permet

Prenez une feuille blanche A3 si vous avez (ou deux A4 que vous scotcherez) ou encore un morceau de nappe en papier blanc. Posez-la au sol au soleil et orientez-la à l’aide d’une boussole (application sur téléphone mobile si vous ne disposez pas d’une vraie boussole) : Longueur > direction Est-Ouest et Largeur > direction Nord-Sud. Posez ensuite, comme illustré par cette photo, ce qu’on appelle un gnomon, c’est à dire un bâton, une tige, qui projettera son ombre sur la feuille. Ce pourra être un simple crayon de papier que l’on maintiendra debout à l’aide de pâte à modeler, d’une pince à linge, etc. Repérez bien la position de la feuille et du gnomon (crayon) qui ne devront pas être déplacés de toute la journée. Si le support le permet (une table de salon de jardin par exemple), fixez-la à l’aide de ruban adhésif.
Le travail consiste ensuite à relever les ombres à différents moments du jour (chaque heure, par exemple). L’enfant trace le contour de l’ombre et indique l’heure correspondante (voir l’exemple).

Un exemple de gnomon

Autre possibilité, on trace le contour d’une ombre portée à l’aide d’une craie...

2nd cas : Vous n’avez pas la possibilité d’effectuer ces observations à l’extérieur dans de bonnes conditions

Dans ce second cas, invitez l’enfant à analyser les documents suivants :

Voilà ce que l’on appelle un gnomon, c’est une tige dont l’ombre nous indique les déplacements du Soleil dans le ciel

Et voici un tracé que l’on peut obtenir avec ce procédé :

A partir des propres relevés de l’enfant (préférable) ou du document proposé ci-dessus, lui demander de vous expliquer :
- son fonctionnement
- pourquoi les ombres changent de directions
- pourquoi les ombres ne sont pas toujours de la même longueur
- quand sont-elles plus longues et quand sont-elles plus courtes ?
- Enfin, comment ce dispositif permet de répondre à la question de départ : "Comment savoir précisément, sans montre, qu’un jour s’est écoulé ?"

Ne lui donnez pas, à ce stade, les réponses à ces questions.

Il faut maintenant renseigner les rubriques "Mes recherches" et "Les résultats obtenus" en représentant l’expérience effectuée et en reportant les résultats obtenus, sous forme d’une photo des relevés d’ombres par exemple ou en joignant au dossier astronomie le relevé effectué sur papier et en indiquant dans la rubrique "Les résultats obtenus" > "voir relevé d’ombres joint".

Reprenez ensuite le dispositif feuille de relevés et gnomon et demandez à l’enfant de reproduire les mouvements du Soleil dans le ciel à l’aide d’une lampe de poche de telle sorte que les ombres produites avec la lampe coïncident avec celles du Soleil tracées sur la feuille. Comme sur cet exemple :

Ainsi, avec votre aide si nécessaire, il comprend :
- 1. que le Soleil se déplace de façon régulière dans le ciel.
- 2. qu’il se déplace dans le sens opposé aux relevés des ombres. En déduire qu’il se déplace d’Est en Ouest.
- 3. qu’il est plus ou moins haut dans le ciel ce qui explique que les ombres relevées sont plus courtes vers midi et plus longues le matin et le soir.

Pour terminer ce travail, l’enfant doit tirer des conclusions de la recherche afin de répondre à la question de départ. Pour cela, n’hésitez pas à l’accompagner dans la formulation de cette conclusion. Il la copiera ensuite dans la dernière rubrique : "Mes conclusions".

Voici quelques éléments qui devront y figurer :
- le Soleil se déplace dans le ciel, il se lève vers l’Est et se couche vers l’Ouest
- le jour est la durée mise par le Soleil pour revenir à la même position dans le ciel (donc, l’ombre du gnomon au même endroit). Ce qui correspond à ce que les astronomes appellent "un jour solaire". Il dure environ 24h.


Si vous souhaitez aller plus loin...

- Pourquoi ne pas fabriquer un cadran solaire avec une assiette en carton et une paille ou un pic à brochette ?

- Une carte de l’ensoleillement de la Terre en temps réel :


1.c. : Les saisons

environ 1 heure


Matériel nécessaire :
- 1 globe terrestre ou, à défaut, une balle ou un ballon ; une lampe de poche
- Vous pourrez, si vous le souhaitez, imprimer certains des documents qui vous sont proposés mais ce n’est pas indispensable.


Troisième partie de notre travail sur les mouvements de la Terre. On sait maintenant qu’elle tourne sur elle-même en 24h, phénomène à l’origine de l’alternance des jours et des nuits.
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La première des choses maintenant est de s’assurer que l’enfant sait que la Terre tourne autour du Soleil (révolution) et non l’inverse. En effet, les seules observations que l’on fait des mouvements apparents du Soleil dans le ciel pourraient laisser croire que c’est lui qui tourne autour de nous...
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Petit rappel historique : le système géocentrique de Ptolémée puis héliocentrique de Copernic...

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Après le visionnage de cette vidéo, revenir avec l’enfant sur quelques points importants qui y ont été abordés.
- Lui demander d’expliquer ce que présente ce document (>l’évolution des théories de l’organisation de notre système solaire)
- qui sont les astronomes qui y sont présentés (>Ptolémée, Copernic, Galilée et Newton). Au besoin, revisionnez cette vidéo.
- enfin, comment ils ont participé à la connaissance actuelle de notre système solaire ? > Ptolémée a proposé un modèle dit "géocentrique" (géo=Terre), tandis que Nicolas Copernic de longs siècles plus tard proposait le modèle "héliocentrique" (helios=le Soleil). Galilée a confirmé par l’observation la théorie proposée par Copernic et Newton l’a validée par des calculs.
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Modèle Géocentrique de Ptolémée

Cellarius ptolemaic system.jpg
Par Johannes van Loonhttp://nla.gov.au/nla.map-nk10241, Domaine public, Lien

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Modèle Héliocentrique de Copernic

Heliocentric.jpg
Par Andreas Cellarius — first upload to de:wikipedia 22:42, 5. Apr 2004 by de:UserRivi . . 570 x 480 (63.606 Byte) (Heliozentrisches Weltbild), Domaine public, Lien

A ce stade, un résumé de ce qui est important à retenir ici peut être copié dans le dossier astronomie. Ce nouveau chapitre peut avoir pour titre "Les saisons". Le problème posé : "Comment expliquer les saisons ?". Les hypothèses : "Voir fiche de représentations initiales".

La "révolution" de la Terre autour du Soleil étant précisée, reprendre alors la fiche de représentations initiales et relire, avec l’enfant, l’explication qu’il avait donnée concernant l’alternance des saisons.
Plusieurs hypothèses ont pu être proposées :
- La Terre est plus proche du Soleil en été et plus éloignée en hiver
- Le Soleil produit plus de chaleur en été et moins en hiver
- Confusion entre nuit et hiver
- La véritable explication (on y revient plus loin)
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- Dans le cas d’une confusion entre la nuit et l’hiver (rare), reprendre ce qui a été fait au cours de la séance précédente (1.b.).
- Dans le cas d’une explication qui reposerait sur des différences de températures émises par le Soleil en été et en hiver, lui affirmer que si différences de températures il y a, elles ne varient pas selon nos saisons.
- Enfin, reste le cas où il justifie les saisons par une distance plus faible entre la Terre et le Soleil en été qu’en hiver. Sachez que c’est la réponse la plus couramment donnée par les enfants (et même par beaucoup d’adultes) pour répondre à cette question. Mais ce n’est pas la bonne explication. Même si elle pourrait expliquer les différences de températures, elle n’expliquerait pas la variation de durée des jours.


Cas où l’enfant a proposé l’hypothèse que la Terre est plus proche du Soleil en été et plus éloignée en hiver
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Présentez-lui ce tableau (qui prouve le contraire) et laissez-le l’analyser :

Et faites-lui visionner un extrait de cette vidéo où l’ami Pierre Causeret de la Société d’Astronomie de Bourgogne propose une autre façon d’invalider cette hypothèse. Cette démonstration est présentée dans la vidéo à partir de la 3ème minute (extrait à visionner entre 3min20s et 4min35s).

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Comment, alors, expliquer ces différences entre les saisons ?

A. La durée des journées et des nuits

Rappel : La journée est la durée d’ensoleillement entre le lever et le coucher du Soleil.

Option 1 : Invitez l’enfant à construire le graphique de variation de la durée des journées tout au long d’une année. Il pourra ensuite être ajouté au dossier astronomie.

Téléchargez les fiches suivantes (source : Site La main à la pâte) : Heures du lever et du coucher du Soleil à Paris et papier quadrillé et aidez-le à construire le graphique.

Option 2 : Observez ce document

Que nous apprend ce graphique ? > La durée des journées et des nuits varie tout au long de l’année. C’est en été que les journées sont les plus longues (solstice d’été le 20 juin en 2020) et en hiver qu’elles sont les plus courtes (solstice d’hiver le 21 décembre en 2020). Les journées et les nuits ont la même durée lors des équinoxes de printemps (20 mars en 2020) et d’automne (22 septembre en 2020).

Posez-lui alors la question suivante : Comment la Terre doit-elle être inclinée lors de sa trajectoire tout autour du Soleil pour que les journées soient plus courtes en hiver et plus longues en été ?

Un indice :

Si on considère que le Soleil est fixe au centre de notre système solaire, c’est donc bien la Terre qui n’est pas toujours inclinée de la même façon face à lui pour qu’il nous apparaisse plus ou moins haut dans le ciel en fonction des saisons.
A l’aide d’un globe (ou de tout autre sphère : balle, ballon, etc.) et d’une lampe, essayez de trouver comment la Terre se présente face au Soleil aux différentes saisons.

L’enfant peut faire un compte rendu de sa manipulation dans le dossier astronomie ("Mon expérience"). Puis, il vérifie sa proposition en visionnant ce document :

B. Les différences de températures

Comment expliquer les différences de températures d’une saison à l’autre ?

Visionner l’expérience présentée par Pierre Causeret dans cette vidéo entre 4min35s et 6min10s (extrait de cette vidéo à visionner : de 4’35’’ à 6’10’’).

Une conclusion générale peut ensuite être rédigée et recopiée dans le dossier ("Mes conclusions"). Aidez-le à clarifier ces nouveaux concepts et à formuler la conclusion. Voici quelques éléments qui doivent y figurer :
- La Terre tourne autour du Soleil en un peu plus de 365 jours, on parle de "révolution" de la Terre autour du Soleil.
- Les différences de températures d’une saison à l’autre sont dues à l’inclinaison de la Terre par rapport au Soleil. L’axe de rotation de la Terre est incliné de 23 degrés par rapport au plan de l’écliptique (trajet de la Terre autour du Soleil). Cet angle d’inclinaison reste toujours parallèle à lui-même, quel que soit le moment de l’année.

Ed. Bordas, Tavernier

- Ainsi, lorsque c’est l’hémisphère nord qui est incliné vers le Soleil, ce dernier nous apparait haut dans le ciel. C’est l’été. La concentration de ses rayons sur le sol terrestre est plus importante. Il fait alors plus chaud. L’hiver, c’est l’hémisphère sud qui est incliné vers le Soleil. Il nous apparait donc plus bas dans le ciel. Les rayons solaires que nous percevons sont plus rasants. Leur énergie s’étale sur de plus grandes surfaces, elle est plus diffuse. C’est pourquoi il fait plus froid.


Si vous souhaitez aller plus loin...

- Une maquette du planétarium de Reims qui explique qu’en fonction de la hauteur du Soleil dans le ciel, la surface chauffée au sol est plus ou moins importante :


Si vous souhaitez aller ENCORE plus loin...

- Des livres

- Des logiciels gratuits



Pour toute remarque, question ou pour faire partager des photos de vos expériences à la maison : cms89@ac-dijon.fr