Influence de la couleur d un récepteur sur l énergie solaire qu il peut capter

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1 Influence de la couleur d un récepteur sur l énergie solaire qu il peut capter Fiche pédagogique Connaissances pour l enseignant Document accompagnant la malle pédagogique «Énergie solaire» 2015 Le Soleil émet des rayons lumineux dans une large bande spectrale qui correspond aux différentes couleurs (visibles, infrarouge, ultra-violets, ) avec une intensité variable. Les objets de notre environnement absorbent ou diffusent cette lumière plus ou moins selon leur propre couleur. Ainsi, un objet apparaît noir parce qu il absorbe une grande partie de la lumière visible. Au contraire, un objet apparaît blanc car il diffuse, donc renvoie une grande partie de la lumière visible. Entre les deux, les objets de couleur absorbent les rayons lumineux dont la couleur est complémentaire à leur couleur apparente. Ainsi, en fonction de leur couleur et sous un éclairement identique, les objets absorbent plus ou moins de l énergie transmise par le rayonnement solaire. Leurs températures vont donc augmenter à des vitesses différentes, résultat ce que les expériences suivantes vont démontrer. Afin d assurer la compréhension et de focaliser sur le paramètre des couleurs, mais aussi pour ne pas se limiter à une expérience unique peu significative, nous vous proposons plusieurs protocoles sur deux sortes de récepteurs : 1. des récipients remplis d eau, identiques mais de couleurs différentes, en vue de comprendre le fonctionnement d un chauffe-eau solaire basse température. Une variante, en prolongement, permettra également de comprendre comment «l effet albédo» influe sur le réchauffement global de la Terre. 2. des vêtements identiques mais de couleurs différentes, leur usage en fonction de la météo. SITUATION n 1 : Question initiale Comment chauffer de l eau avec le Soleil? Extrait de l ouvrage «Ma maison, ma planète... et moi», publication de la Fondation Main à la pâte, éd le pommier. Séquence 3 «l énergie dans l habitat» Séance 3.5 La mise en commun fait ressortir différents paramètres identifiés par les groupes. Certains, par exemple, pensent qu il faut du noir parce que «le noir attire la chaleur», d autres des loupes ou des miroirs pour «concentrer les rayons du Soleil», d autres encore souhaitent un récipient en métal, pensant que cela se réchauffera davantage que du plastique, etc. Finalement, les différents paramètres qui peuvent sortir sont : La forme : est-il préférable d avoir un récipient compact ou très étalé? Le volume : mieux vaut-il chauffer un peu ou beaucoup d eau à la fois? Matière : métal, plastique : lequel se réchauffera le plus vite? La couleur : le noir est souvent mis en avant, mais certains élèves pensent à une couleur argentée («comme un miroir») ou, plus rarement, au rouge (la «couleur du feu»). Les récipients transparents sont aussi proposés car «ils laissent passer la lumière». Ouvert/fermé : faut-il fermer le récipient? Si oui, avec un couvercle opaque ou transparent? L isolation : isoler les parois du récipient permet d éviter que «la chaleur ne sorte par les côtés». Est-ce que cela va permettre de mieux chauffer l eau? Si tous ces paramètres sont pertinents (on peut y ajouter l orientation «face au Soleil»), tous ne vont pas être formulés par les élèves ce qui n est pas très important. Centre pilote départemental main à la pâte p 1

2 Influence de la couleur d un récipient L enseignant sélectionne ce critère et propose de tester la couleur. La formulation des autres paramètre peut s avérer utile car elle va permettre de définir un protocole expérimental à mettre en place autour d une seule variable, la couleur. Pour cela il faudra : des récipients identiques (même forme, même matière) un volume d eau identique dans chacun des récipients recouverts d un couvercle ou ouverts (en cas de couvercle, celui-ci doit être identique : cette solution pourra être écarter par l enseignant, en expliquant que cela induit un paramètre de plus sur lequel il faut veiller, donc une difficulté supplémentaire) 3 boîtes métalliques identiques de couleur blanche, noire et autre couleur (rouge, bleue, verte) 2 boîtes métalliques identiques non peintes 3 thermomètre-sondes 1 chronomètre peinture claire et peinture foncée d une même couleur (au choix des élèves) de l eau fraîche ( 10 C) permet une démonstration plus nette qu une eau à température ambiante Recueil des propositions des élèves. Débat pour sélectionner les propositions pertinentes. Que faut-il contrôler? >> la température, mais aussi le temps de l échauffement ce qui permet d induire l usage d instruments (thermomètres et chronomètres). Proposer alors une partie du matériel de la malle (les 3 boîtes métalliques identiques de couleur blanche, noire et autre couleur, les thermomètres, le chronomètre). Faire verbaliser le protocole à mettre en place. Cette phase permet de définir, en fonction de l age des élèves et de l expérience de la classe, comment vont être d abord notés puis visualisés les résultats : Par une liste Dans un tableau à double entrée (temps/température) Sur un histogramme bâton Sur un graphe ligne (CM2) Faire formuler des hypothèses sur les résultats que l on va obtenir. Faire justifier. Réalisation du protocole. Le relevé de température peut se faire par des groupes successifs de 3 élèves qui inscriront leurs relevés par le/ les moyens choisis par la classe. Le temps doit être contrôlé par un seul élève Exploitation des résultats : réalisation d un graphique. Vérification des hypothèses et formulation d une explication. Élaboration collective d une trace écrite. Pour un protocole réussi : 1. Remplir d un même volume d eau fraîche provenant de la même bouteille les trois récipients (noir, blanc et autre couleur) 2. Mettre en place les thermomètre-sondes dans les trois pots. Vérifier que les températures sont identiques et la noter. 3. Placer les récipients face au Soleil, alignés dans une même direction. 4. Relevez la température de l eau dans chaque pot au même instant et à intervalles de temps réguliers (toutes les minutes par exemple). Centre pilote départemental main à la pâte p 2

3 Exploitation : À l aide des données récoltées lors de l expérience, on peut réaliser 3 graphiques ou histogrammes représentant la température de l eau dans chaque récipient (noir, blanc et autre couleur) en fonction du temps. Veillez à ce que les échelles soient identiques, ce qui permettra, par superposition par exemple, de réaliser un graphique regroupant les trois courbes ou histogrammes. Son analyse permet de comparer l évolution de la température dans chacun des récipients. Trois remarques sont importantes à relever : La température finale atteinte est la plus élevée dans le pot noir, ensuite c est le pot coloré puis le pot blanc. La température augmente plus vite dans le pot noir et le pot coloré que dans le pot blanc. La température augmente plus ou moins rapidement mais finit par se stabiliser dans les 3 récipients. Il est possible que le résultat obtenu ne soit pas conforme aux attendus. Il faut alors identifier les biais qui ont pu entacher l expérience (exposition au Soleil, ombres, temps approximatif...). On peut alors expliquer les différences constatées et proposer les résultats que l on aurait dû obtenir. On peut aussi obtenir des résultats fort proches entre la boite noire et celle colorée ou entre la boite blanche et celle colorée, si la couleur est soit très sombre (ex émeraude, bleu marine, rouge brique), soit très claire ( ex jaune, bleu clair, orangé, vert anis ) Le deuxième protocole possible, proposé par l enseignant, est fait pour mettre en avant ce phénomène : Préparation : choisir une couleur, peindre les récipients non peints dans deux nuances (claire et foncée) de cette même couleur et laisser sécher. Réaliser ensuite les relevés comme précédemment : on constatera alors que le récipient plus foncé aura vu sa température s élever plus vite que le pot plus clair. Trace écrite, conclusion. Utiliser le dessin des expériences, les relevés de températures, les graphes. Un court texte, faisant consensus, sera rédigé par les élèves, validé par l enseignant puis recopié individuellement. Si cela n a pas eu lieu antérieurement, il est important que l enseignant introduise de façon explicite la notion d énergie solaire captée par les récipients. Exemple Dans nos expériences, on a constaté que la température de l eau augmentait plus vite dans le pot noir que dans les autres pots. De manière générale, la température de l eau augmente plus vite dans les pots de couleurs plus foncées. C est parce que les objets de couleur foncée absorbent plus la lumière du Soleil : ils captent donc plus d énergie venant du Soleil. L enseignant pourra inviter les élèves à refaire un protocole similaire chez eux en utilisant d autres récipients (par exemple des assiettes en plastique colorées ou blanches) et d en faire un rapide compte rendu en classe. Les deux propositions ci dessous sont optionnelles : elles permettent de réinvestir la connaissance sur l absorption de la lumière solaire par les couleurs dans d autres contextes (permet aussi une évaluation en situation) Centre pilote départemental main à la pâte p 3

4 SITUATION n 2 : Modification de l albédo de notre planète et changement climatique Connaissances pour l enseignant (source site Climate challenge ) La quantité de rayonnement solaire réfléchi par la surface terrestre est appelée albédo ou facteur de réflexion, habituellement exprimé en pourcentage. Plus le rayonnement absorbé par la surface est important et moins il est réfléchi, plus la surface chauffe. Les objets noirs, tels que l'asphalte de nos routes ou un T-shirt noir, ont une valeur albédo faible et absorbent donc une grosse partie des rayons du soleil et se réchauffent fortement. Les objets blancs ont un albédo élevé et réfléchissent les rayons du soleil beaucoup plus fortement, de sorte qu'ils se réchauffent moins rapidement. Étant donné que les grandes surfaces du globe réfléchissent la lumière (eau, calottes glaciaires, nuage), la Terre a un albédo relativement important de 30 à 35%. À titre de comparaison, la Lune, par sa surface de roches volcaniques, a un albédo de 7%. L'intervention de l'homme (par exemple, la déforestation à grande échelle, mais la fonte des calottes glaciaires au profit de l océan libre) modifie l'albédo de la planète. Albédo en chiffres : - Neige fraîche ou glace : 80-95% - Neige fondante : 40-70% - Nuages : 40-90% - Sable du désert : 30-50% - Terre : 5-30% - Toundra : 15-35% - Prairies : 25-30% - Forêts : 10-20% - Eau : 10-60% - 2 récipients métalliques identiques de couleur blanche et bleu marine, 2 thermomètre-sondes, 1 chronomètre Observation de la photographie de notre planète la Terre en couleurs réelle. Pourquoi l appelle-t-on «la planète bleue»? Repérage des océans, des continents (forêt, desserts) mais aussi des surfaces blanches (glace et nuages) Expérimentation similaire à situation n 1 avec un récipient peint en bleu marine et un identique peint en blanc. Recherche documentaire sur la fonte des calottes polaires. Tirer une conclusion concernant le changement climatique Compte rendu réalisé par les élèves de l école élémentaire de Souillac /2009 Centre pilote départemental main à la pâte p 4

5 SITUATION n 3 : Comment s habiller en fonction des saisons? 3 T-shirts de couleur blanche, noire et rouge 3 cintres métalliques 3 plaquettes en carton 3 thermomètre-sondes 1 chronomètre Présentation : On conseille souvent de s habiller avec des couleurs claires en été pour éviter le «coup de chaleur». Cette expérience permet de mettre en évidence les raisons de cet adage et en propose une explication scientifique. Recueil des conceptions initiales : Pourquoi aime-t-on s habiller avec des couleurs claires en été? La formulation d hypothèses permet d évaluer si les élèves réinvestissent ce qu ils ont déjà appris concernant les couleurs (dépasser par exemple les critères «esthétiques»). Proposer alors la partie du matériel de la malle (les 3 T-shirts identiques de couleur blanche, noire et rouge les thermomètres, le chronomètre). Faire verbaliser le protocole à mettre en place. Faire alors des hypothèses sur les résultats que l on va obtenir. Réalisation du protocole. Le relevé de température peut se faire par des groupes successifs de 3 élèves qui inscriront leurs relevés par le/ les moyens choisis par la classe. Le temps doit être contrôlé par un seul élève Exploitation des résultats : réalisation d un graphique. Vérification des hypothèses et formulation d une explication. Élaboration collective d une trace écrite. Pour un protocole réussi : 1. Positionner et de façon similaire les thermomètres sondes sur la plaque cartonnée dans chaque vêtement 2. Suspendre les T-shirts face au Soleil, alignés dans une même direction. 3. Relevez la température sous le tissu au même instant et à intervalles de temps réguliers (toutes les minutes par exemple). Exploitation : À l aide des données récoltées lors de l expérience, comme dans la situation n 1, les élèves peuvent réaliser un graphique représentant la température de chaque T-shirt en fonction du temps. Ce graphique comportera donc trois courbes. Il s agit alors de comparer l évolution de la température de chacun des T-shirts. Trois remarques sont essentielles à formuler. La température atteinte est rapidement la plus élevée dans le T-shirt noir, ensuite c est le T-shirts rouge puis le T-shirt blanc. La température augmente plus vite dans le T-shirt noir que dans le T-shirt rouge. Dans le T-shirt blanc, la température augmente encore moins vite. Conclusion (exemple de trace écrite faisant le lien avec les conclusions précédentes) On a vu que la température augmentait moins vite dans le T-shirt blanc. C est comme pour la boite blanche : le blanc absorbe moins les rayons du Soleil que le noir ou le rouge. Donc, si on porte des vêtements de couleur claire, on aura moins chaud. Des vêtements sombres permettront au contraire d avoir plus chaud. Centre pilote départemental main à la pâte p 5