1. LA LUMIÈRE ET LES OMBRES

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1 1. LA LUMIÈRE ET LES OMBRES Introduction Le mouvement des astres a toujours interrogé les hommes, et pour cause. Il a un lien direct avec la lumière et les ombres, la succession des jours et des nuits, la mesure du temps : ce qui constitue la base même de notre vie quotidienne. Ce chapitre vous permet d explorer un peu ce vaste domaine La lumière Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. Elle n a pas besoin d un support matériel pour se propager (contrairement au son qui ne peut pas se propager dans le vide), la meilleure preuve étant que l on reçoit la lumière des étoiles alors que la portion d univers qui nous sépare d elles est essentiellement constituée de vide. La lumière se déplace à une vitesse d environ km/s dans le vide (à titre de comparaison, celle du son dans l air est très inférieure, de l ordre de 340 m/s). Cette vitesse constitue une vitesse limite. Aucun corps matériel ne peut l atteindre, encore moins la dépasser. La vitesse de la lumière dans le vide permet de définir une unité de distance très utilisée en astronomie : l année-lumière (a.l.). Celle-ci est définie comme la distance parcourue par la lumière dans le vide, en une année. Sa valeur en kilomètres peut être calculée en multipliant la vitesse de la lumière en km/s par la valeur d une année en secondes : 1 a.l. = x (365,25 x 24 x 60 x 60) = 9,47 x km.

2 LA LUMIÈRE ET LES OMBRES Si une étoile est située à une distance de a.l. de la Terre, cela signifie que sa lumière a mis ans pour nous parvenir. Ainsi, nous la voyons telle qu elle était il y a ans. La nuit, nous voyons donc parfois briller des étoiles qui ont déjà disparu depuis longtemps. La lumière des étoiles lointaines nous donne des renseignements sur l univers tel qu il était il y a fort longtemps, ce qui est très utile pour améliorer nos connaissances à son sujet. Si l on utilise une source lumineuse étendue, une zone de pénombre apparaît en plus. Un observateur placé dans la zone d ombre ne voit pas la source mais s il est dans la zone de pénombre, il en aperçoit une partie Formation des ombres Éclairons un objet opaque (ici, un ballon), avec une source lumineuse ponctuelle (de très petite taille). Un écran est placé derrière le ballon. Sur l objet lui-même, on observe son ombre propre (@GL.). Sur l écran apparaît l ombre portée (@GL.) du ballon. Entre le ballon et l écran, on délimite une portion de l espace appelée cône d ombre Dans l expérience précédente, remplaçons la source par le Soleil et le ballon par la Terre. Si la Lune entre dans le cône d ombre de la Terre ou que la Terre entre dans le cône d ombre de la Lune, nous sommes dans la situation d une éclipse. (@DOC. Les éclipses Les ombres)

3 2. LE SYSTÈME SOLAIRE : COMPOSITION ET STRUCTURE Notre système solaire est constitué du Soleil et de huit planètes (Pluton n est plus considéré comme une planète depuis 2006), avec leurs satellites, ainsi que d astéroïdes et de comètes. Au centre se situe le Soleil, une étoile relativement petite mais qui contient néanmoins 99,86 % de la masse de tout le système solaire. Les planètes les plus proches du Soleil sont les planètes telluriques (@GL.), petites, rocheuses et denses. En partant du Soleil, on trouve Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Il existe au-delà de Mars une ceinture d astéroïdes composée de milliards de corps dont la taille varie de quelques mètres à plusieurs centaines de kilomètres. 131 Ensuite, s ouvre le domaine des planètes géantes, gazeuses et peu denses : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Les planètes sont des astres qui n émettent pas de lumière. Nous les voyons depuis la Terre car elles diffusent la lumière du Soleil. Les planètes du système solaire ont un mouvement de révolution autour du Soleil. Ce mouvement est dû à la force d attraction qu exerce le Soleil sur elles et qui a pour effet de les satelliser autour de lui. La Terre met environ 365,25 jours pour boucler son orbite autour du Soleil. Notre système solaire appartient à une galaxie nommée «Voie Lactée». (@AI. Le système solaire Quelques données sur le système solaire)

4 3. LA TERRE 3.1. Quelques données scientifiques La Terre est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil. Elle n a qu un seul satellite naturel, la Lune, qui est en rotation autour d elle. Son âge est actuellement estimé à environ 4,5 milliards d années. 133 Elle est constituée de plusieurs couches internes identifiables à peu près concentriques : la croûte terrestre, le manteau supérieur (qui forme, avec la croûte terrestre, la lithosphère), l asthénosphère, le manteau inférieur et le noyau. Sa surface est divisée en plusieurs plaques tectoniques. Sur Terre, on distingue quatre points cardinaux : le nord, le sud, l est et l ouest. Le nord peut être déterminé à l aide d une boussole. Le mouvement apparent du Soleil depuis la Terre est le suivant : il se lève à l est, atteint son apogée en direction du sud (au «midi solaire») et se couche à l ouest. En toute rigueur, cela n est vrai qu aux équinoxes : au solstice d hiver il se lève au sud-est et se couche au sudouest, au solstice d été il se lève au nord-est et se couche au nord-ouest Rotation de la Terre sur elle-même : les phénomènes quotidiens Le jour Une journée est l intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil, pendant lequel les rayons du Soleil éclairent la Terre. Son début et sa durée dépendent de l époque de l année et de la latitude.

5 LA TERRE Le jour solaire est le temps mis par la Terre pour faire un tour sur elle-même du point de vue du Soleil, c est-à-dire pour qu un point de la surface terrestre revienne à la même position apparente pour un observateur solaire. Un jour solaire est divisé en 24 heures, de zéro heure à minuit. Il y a 365 ou 366 jours dans une année (année bissextile ou non). Si les rayons du Soleil sont peu inclinés (1), le faisceau se projette sur une surface horizontale plus faible que si le faisceau est plus incliné (2). Par ailleurs, une surface donnée reçoit plus d énergie par rayonnement si les rayons sont peu inclinés. En été, les faisceaux de lumière du Soleil sont moins inclinés qu en hiver. Le jour sidéral (@GL.) est le temps mis par la Terre pour faire un tour sur ellemême, du point de vue d étoiles très lointaines. Un jour sidéral dure 23 heures, 56 minutes et 4 secondes. Il y a un jour sidéral de plus que de jours solaires dans une année. (@AI. Jour solaire et jour sidéral) La différence entre le jour sidéral et le jour solaire est due à la rotation de la Terre autour du Soleil La nuit La nuit est la période de temps qui s écoule entre le coucher et le lever du Soleil. Il s agit du moment où un endroit se trouve à l opposé du Soleil et donc dans l obscurité. Sur la Terre, la nuit couvre à tout instant la moitié de la planète. Ainsi, quand il fait nuit sur une moitié de la planète, il fait jour sur l autre moitié. Du fait de la rotation de la Terre sur son axe, il fait alternativement jour et nuit, les deux ayant une durée totale de 24 heures. Les nuits sont plus longues en hiver et plus courtes en été. Lors des équinoxes de printemps et d automne, la journée et la nuit ont exactement la même durée. Les solstices d été et d hiver marquent respectivement la nuit la plus courte et la nuit la plus longue de l année Le mouvement des astres. Étude de la variation de phénomènes au cours de l année Explication des saisons Le phénomène des saisons est dû à l inclinaison de l axe de rotation de la Terre (23 ) et à la rotation de la Terre autour du Soleil qui sont à l origine de la variation de deux paramètres : La durée d ensoleillement En Juin, en France, les journées sont environ deux fois plus longues qu en Décembre. Le Soleil chauffe donc deux fois plus longtemps. Notons que les saisons sont inversées entre l hémisphère nord et l hémisphère sud : quand c est l été dans l hémisphère nord, c est l hiver dans l hémisphère sud et inversement Heure solaire, heure légale L heure solaire locale est celle qui nous est donnée par le Soleil à l endroit où l on se trouve. Lorsque le Soleil est au plus haut dans le ciel, il est midi. Cette heure est celle qui nous est donnée par les cadrans solaires. L heure en temps universel (TU) est l heure sur le méridien de Greenwich. L heure légale, en France, est égale à l heure en temps universel à laquelle on ajoute une ou deux heures selon la période de l année La Lune La Lune se déplace dans le ciel, elle peut être visible au cours de la journée et/ou de la nuit. Elle passe en un point donné de sa trajectoire dans le ciel avec un retard d environ 50 minutes chaque jour. La Lune présente des phases : formes apparentes variant de manière continue selon un cycle de 29,5 jours appelé lunaison (@GL.). La première phase du cycle est la nouvelle lune. Viennent ensuite le premier croissant, le premier quartier, la pleine lune, le dernier quartier et le dernier croissant. (@DOC. Les phases de la Lune Les saisons) 135 L inclinaison des rayons du Soleil Le schéma ci-dessous représente un faisceau de lumière de section constante.

6 4. LE TEMPS 4.1. Comment se repérer dans le temps? La première entreprise liée à la mesure du temps fut l élaboration d un calendrier. Toutes les civilisations ont très vite compris l importance de mesurer, diviser et organiser le temps sur de longues durées afin de gérer leur vie quotidienne et de repérer le retour de certains événements, notamment ceux liés aux activités agricoles. 137 Notre calendrier actuel est d origine solaire (@GL.). Il trouve son origine dans la Rome antique et il est issu du calendrier julien qui resta en vigueur jusqu en À cette date, le pape Grégoire XIII procéda à une réforme pour réduire un décalage apparu au fil du temps entre les saisons et le calendrier. Il limita notamment le nombre d années bissextiles qui existaient dans le calendrier julien. Les années séculaires (dont le millésime se termine par deux zéros) cesseraient d être bissextiles sauf lorsqu elles sont divisibles par 400. Ainsi, contrairement à 2000, les années 1700, 1800, 1900 ne furent pas bissextiles Quelques systèmes anciens de mesure des durées Le cadran solaire Constatant, dès la plus haute antiquité, que l ombre portée d un objet fixe se modifie en fonction de l instant, les hommes construisirent des systèmes exploitant ce phénomène. Le cadran solaire, bâti sur ce principe, est une évolution du gnomon qui est un simple bâton planté verticalement dans le sol. La clepsydre La clepsydre est une horloge hydraulique. Son principe de fonctionnement, très simple,

7 s inspire sans doute de la similitude entre l écoulement régulier de l eau ou de l huile et celui du temps. Le sablier Utilisé dès l antiquité, il demeura d un usage général jusqu à l apparition des premières horloges transportables au XVI e siècle. Le sablier est, comme la clepsydre, un instrument basé sur le principe d un écoulement de matière, permettant de mesurer une durée. En remplaçant l eau par le sable, on obtint un instrument beaucoup plus fiable, plus facile à transporter. (@DOC. Systèmes anciens de mesure des durées) 4.3. L horloge atomique 138 Actuellement, l instrument de mesure des durées le plus précis est l horloge atomique. Elle permet de définir la seconde (s) qui est l unité officielle de temps. Bon nombre de technologies modernes ne pourraient fonctionner sans l extrême précision de l horloge atomique. Pistes pour une démarche d investigation - Pourquoi la Lune n a-t-elle pas toujours le même aspect? - Pourquoi le Soleil n a-t-il pas toujours la même position dans le ciel? - Pourquoi le Soleil ou la Lune sont-ils masqués lors des éclipses? - Pourquoi les durées du jour ou de la nuit varient-elles au cours d une année? - Pourquoi y a-t-il des saisons? N oubliez pas de consulter sur «Le ciel et la terre».