Épreuve écrite de «sciences expérimentales et technologie» du CERPE Seconde partie de la composante majeure de l'épreuve Sciences-Physiques et Technologie Dossier «Système solaire» Proposition de pistes de correction 1. Première étape : Dans une première étape, (en rédigeant un texte dont la longueur n est pas précisée) le candidat s appuie sur les questions posées dans le sujet pour procéder à une analyse critique des documents distribués. Il s appuie dans cette étape sur son propre niveau de connaissances scientifiques et fait donc appel à ses propres connaissances. Il peut ainsi être amené à comparer les documents, à mettre en évidence les qualités scientifiques de tel document ou, a contrario, à constater que certains textes sont contradictoires ou non pertinents, que le raisonnement scientifique mis en oeuvre dans telle argumentation présente des lacunes ou n est pas fondé rationnellement ou encore que les connaissances auxquelles le document se réfère sont approximatives. Cette première étape conduit le candidat à formuler des remarques et des conclusions sur tout ou partie des problèmes scientifiques traités dans les documents distribués. A. Questions Les réponses données ici sont succinctes et invitent à la consultation des développements exposés dans le cours. 1. Document 1 Sciences Cycle 3 Magnard. 1. Commentez le premier paragraphe de l article Soleil. Siège de réactions nucléaires qui consomment de l'hydrogène et produisent de l'hélium et de l'énergie ; l'existence du système solaire est liée aux conditions de naissance de cette étoile particulière qu'est le Soleil, située à la périphérie d'une assemblée de milliards d'étoiles qui constituent la galaxie à laquelle nous appartenons. (cf. cours d'astronomie) 2. Expliquez, dans l article Planète l expression «Phases de vénus». La planète Vénus n'est visible que parce qu'elle diffuse vers la Terre la lumière qu'elle reçoit du Soleil ; c'est toujours la moitié de Vénus «faisant face au Soleil» qui est susceptible d'être vue depuis la Terre, et ceci sous des angles de vue qui dépendent des positions relatives de la Terre, de Vénus et du Soleil ; ainsi, l'orbite de Vénus étant relativement proche de celle de la Terre on peut observer l'existence de «phases», des changements de forme périodiques, comme ceux que l'on observe dans le cas de la Lune. 1/7
3. Expliquez le paragraphe «Les planètes ne sont jamais visibles au même endroit...» Les planètes, dont la Terre, suivent des trajectoires elliptiques autour du Soleil appelées «orbites» ; les durées de révolution (le temps pour faire un tour), la distance moyenne au Soleil et la masse de chaque planète sont liées par les lois de Kepler. Pour l'observateur situé sur une de ces planètes en mouvement, les autres planètes animées de leur révolutions propres, décrivent dans le ciel de la planète d'observation des trajectoires complexes qui sont dues à la composition de tous ces mouvements ; ces trajectoires ont même pu passer pour «erratiques» aux premiers astronomes car elles se distinguent du mouvement d'ensemble des étoiles. 2. Document 2 Le système solaire. Neuf planètes., L Univers Larousse. 1. Que pensez-vous de la présentation choisie du document (en référence aux programmes)? La préoccupation dans cette représentation semble être celle de la comparaison qualitative des tailles des planètes entre elles, faisant abstraction de la question du positionnement relatif des astres ; elle fait aussi apparaître des caractéristiques particulières de certaines planètes (anneaux de Saturne, tache de Jupiter ). C'est en quelque sorte une proposition d'une maquette du système solaire qui ne s'attacherait ici qu'à représenter les tailles relatives des planètes. 3. Document 2 «Le système solaire. Les planètes tournent autour du Soleil.», «L Univers» Larousse. 1. Que pensez-vous de la représentation choisie pour le système solaire (position et dimension des planètes)? La symétrie discale du système solaire a été figurée ; l'agencement des planètes permet d'insister sur la notion d'orbite, même si la représentation «en perspective» ne permet pas bien de comparer les rayons des cercles qui «approximent» les orbites réelles ; on ne sait d'ailleurs pas bien, sans l'aide du texte, si ce sont des ellipses qui sont représentées ou simplement des cercles vus en perspective ; en revanche, on a sur un même dessin deux échelles de représentation qui sont très différentes puisque les planètes sont représentées sur leurs orbites et que dans ce cas l'échelle des tailles et celle des distances ne peut pas être la même. 2. Discutez le paragraphe «Les planètes tournent autour... celle de Neptune.» Pour des enfants dont l'âge les destine à lire ce genre d'ouvrage, les programmes stipulent que les orbites sont assimilées à des cercles centrés sur le Soleil ; le niveau de formulation ne semble donc pas ici bien adapté. 4. Document 4 «Sciences et Vie Junior». 1. Qu est-ce qu une comète? 2/7
Une comète est un objet céleste composé majoritairement de glace et de roche en orbite elliptique très allongée autour du Soleil ; son rapprochement du Soleil s'accompagne d'une fonte partielle de ses matériaux constitutifs et occasionne les traînées que l'on peut observer («queues de la comète»). Ces comètes viennent probablement d'une zone située à la grande périphérie du système solaire et englobant celui-ci appelé le «nuage de Oort». 2. Que signifie l acronyme «U.A.»? Unité Astronomique : la distance moyenne de la Terre au Soleil prise comme unité de distance (environ 150 millions de km). 3. Quel est l intérêt de ce document en référence aux programmes? Si ce document permet de replacer le système solaire dans une perspective plus globale des différentes échelles des structures de l'univers, il pose le problème de la capacité des enfant de l'âge primaire de pouvoir envisager de telles structures et de pouvoir faire la différence entre les différents types de documents iconographiques (photos réelles, vues d'artistes cf. Fiches connaissances). B. Synthèse issue de l'analyse critique des documents Les documents présentés et les questions auxquelles nous avons répondues nous permettent de dégager quelques points de focalisation. Nous avons vu qu'on devait mettre l'accent sur les différents «astres» qui constituent le système solaire, et en particulier en différenciant les planètes et leur étoile, le Soleil. Cela invite à une étude comparative des différentes planètes («carte d'identité») regroupant les caractéristiques principales (taille, masse, distance moyenne au Soleil, nature, nombre de satellites, présence d'anneaux ) rapportées les unes aux autres. On insiste aussi sur la structure discale et orbitale du système solaire, la position des planètes autour du Soleil étant représentée par leur orbite, assimilée à un cercle centré sur le Soleil, répondant à une succession particulière. Il est fondamental de noter que l'accent est mis aussi sur les choix de représentation du système solaire qui apparaissent cruciaux pour la construction des savoirs mis en jeu. Enfin, des astres «complémentaires» peuvent faire l'objet d'études, en particulier les comètes et les astéroïdes. 3/7
2. Seconde étape : Dans une deuxième étape, d une longueur de une à deux pages, le candidat exploite les documents distribués et l analyse critique qu il en a faite pour exposer comment les situations évoquées dans ces documents lui permettent de dégager un problème pouvant être étudié en classe, en le situant clairement par rapport aux programmes du cycle 3. Il développe la présentation à une classe d un questionnement scientifique productif (au sens des documents d application et des documents d accompagnement des programmes) relatif au problème dégagé. Il explicite ensuite quelques éléments de la démarche d investigation en classe en donnant une brève liste de trois situations au maximum, (expérimentation, observation directe ou assistée par des instruments, utilisation d un document) décrites de façon très succincte et appropriées à l étude du thème choisi. Il formule enfin de façon précise les connaissances que les élèves pourront aborder ou acquérir au cours des activités conduites à propos du problème présenté. A. Dégager un problème pouvant être étudié en classe 1. Champ d'étude Il est clair que l'étude va porter sur la constitution et la structure du système solaire et sur ses représentations. 2. Référence aux programmes du cycle 3 1. Documents d'application Chapitre «Le ciel et la Terre», rubrique «Le système solaire et l'univers». Savoir que la Terre, vue du Soleil, décrit une trajectoire qui est pratiquement un cercle centré sur celui-ci et que, de même, les trajectoires des planètes autour du Soleil sont assimilables à des cercles centrés sur le Soleil. Savoir que la Lune tourne autour de la Terre. Être capable de réaliser une représentation à l échelle : des dimensions des planètes ; des dimensions des orbites. Savoir qu il n est pas possible d utiliser la même échelle dans les deux cas. On note que la réalisation d'une représentation à l'échelle des dimensions des orbites et la constatation de l'impossibilité d'utiliser la même échelle de représentation pour les tailles des planètes et les dimensions des orbites est facultative. On note l'importance accordée à l'observation directe des phénomènes. On note l'importance des discussions autour des modes de représentation. 2. Fiches connaissances Celles-ci mettent notamment l'accent sur les difficultés des élèves à envisager les différentes échelles, sur les problèmes de représentation et sur les écueils que constituent les interprétations communes de l'expérience quotidienne des «objets» présents dans le ciel. 3. Pilotage pédagogique et didactique 4/7
Mise en œuvre d'une démarche de projet pédagogique qui fédère les Sciences, les mathématiques et les arts plastiques. Relativement au champ scientifique, ce sera l'occasion de construire un certains nombre de savoirs, relatifs : à la constitution et à la structure du système solaire ; au sens donné aux observations directes du ciel. On mettra l'accent sur l'observation directe du ciel, sur la mise en œuvre d'une démarche de documentation (y compris par recours aux TICE grâce à l'utilisation de logiciel de modélisation du système solaire Stellarium, Celestia), sur la construction de maquettes (au sens technologique du terme), c'est-à-dire qui illustrent des aspects particuliers et choisis du système que l'on souhaite décrire. 4. Problème soumis à la classe «Préparer une exposition sur le système solaire à destination de l'école et de ses partenaires» Tous les ans les occasions ne manquent pas pour introduire un questionnement sur les planètes et le système solaire ; on a ainsi eu le transit de Vénus en 2004, mais en ce moment les missions sur Mars ou sur Titan, les missions en direction de comètes, les découvertes de planètes supplémentaires à l'intérieur (objets transneptuniens de la ceinture de Kuiper) ou à l'extérieur du système solaire («exo-planètes») font de l'actualité astronomique un point de départ idéal. B. Élaboration d'un questionnement scientifique 1. Modalités de la problématisation Les questions qui suivent ainsi que les questions qu'elles ne vont pas manquer de susciter émergent au sein de débats autour de l'exposition et de la présentation des traces produites par les élèves (individuellement ou en petit groupes) en réponse à des consignes ouvertes du maître qui va ainsi «guider» graduellement le questionnement scientifique de la classe. La première question apparaît comme une clarification nécessaire faisant suite à l'exposition de données complexes issues de l'actualité et rend nécessaire la tenue d'observations et leur exploitation ainsi que le recours à la documentation pour rationaliser celles-ci. Une fois les «acteurs» identifiés, la problématique globale d'unité et de diversité va induire la deuxième question ainsi que la troisième ; ces deux questions s'imposeront aussi comme éléments de compréhension nécessaires au fait d'actualité déclenchant. 2. Questions scientifiques ouvrant sur une démarche d'investigation 1. «Qu'y-a-t-il dans l'espace autour de la Terre?» La confrontation à un phénomène astronomique faisant la une de 5/7
l'actualité va obliger la classe à faire le point sur ses connaissances et va la renvoyer à la nécessité d'observer et de se documenter sur le sujet. 2. «Comment représenter les différentes planètes du système solaire?» Cette question soulève le problèmes des critères descriptifs que la classe va retenir pour illustrer les ressemblances et les différences entre les planètes. 3. «Comment représenter où se trouvent les planètes dans le système solaire?» Cette question va permettre la décentration de l'élève (passage d'une position géocentrée à une vue «spatiale» du système) et lui permettre d'aborder les problèmes d'échelle. C. Éléments de la démarche d'investigation 1. Première situation : Préparer et mener une observation d'un ciel nocturne. Démarche d'observation et de documentation. À partir d'une question découlant de la première de celles posées cidessus («Que peut-on voir dans le ciel la nuit des choses qui sont dans l'espace autour de la Terre?»), une observation de nuit (encadrée par exemple par les membres d'un club d'astronomes amateurs) va être préparée par le travail par groupe sur des documents (prévisions type «Ciel et Espace» ) et par le travail au niveau de la classe sur un logiciel de type «planétarium» (comme «Stellarium» par exemple). 2. Deuxième situation : Rédiger des fiches d'identité des planètes et du Soleil et les représenter. Démarche de documentation. On constitue 10 groupes au seins de la classe. Chacun se voit confier une planète et un groupe «s'occupe» du Soleil. Ils recherche dans la documentation qu'ils ont apportés et qui est mise à leur disposition toutes les informations qui leur paraissent pertinentes. On prend en note les questions qui se posent à la lecture de ces documents. La classe débat ensuite pour savoir ce que l'on va retenir comme critères caractéristiques pour les astres (masse, dimension, distance moyenne au Soleil, période de révolution, nature, nombre de satellites, anneaux) et pour statuer sur leur signification. Le maître oriente le choix d'unités «parlantes» pour les distances et engage des calculs de proportions ou en propose les résultats. Un choix de représentation des planètes illustrant ces critères est fait (disques de carton décorés ) et les groupes réalisent l'œuvre plastique. 3. Troisième situation : Représenter le système solaire dans la cour de l'école. Démarche de documentation et de «modélisation-illustration». 6/7
Le recours à la documentation (et éventuellement à un logiciel comme Celestia) va permettre aux élèves de partir sur l'idée de représenter «en grand» les «cercles que font les planètes autour du Soleil», les orbites considérées circulaires des planètes, tracées à la craie ou au plâtre dans la cour de l'école. La classe doit élaborer une technique pour tracer des cercles (corde ) de grands rayons, se donner le cercle le plus grand qu'elle puisse tracer et, avec l'aide du maître, calculer les cercles correspondants pour toutes les planètes. Les orbites sont en fin de compte identifiées, mais les planètes elles-mêmes ne sont pas représentées sur les orbites. D. Connaissances abordées et/ou acquises au cours des activités 1. Compétences figurant dans les documents d'application On retrouve les compétences citées en A.2. 7/7