SCIENCES-PHYSIQUES ET TECHNOLOGIE PREMIER CONCOURS BLANC ÉLÉMENTS DE CORRECTION J. Drouhot, A. Lasne & F. Kapala 1 e partie : Q1 : -Le plan de la trajectoire de la Lune n est pas confondu avec celui de la Terre, il est incliné d environ 5 si bien que les alignements STL ou SLT ne se produisent pas à chaque lunaison. -La zone terrestre concernée par l observation d une éclipse de Soleil est petite alors que depuis la quasi totalité de la Terre dans la nuit, on peut observer une éclipse de Lune. Donc la probabilité en un lieu donné, de voir une éclipse de Soleil est plus faible qu une éclipse de Lune. Q2 : -A notre latitude, tous les jours le Soleil apparaît au dessus de l horizon «se lève» du côté de l Est et disparaît «se couche» du côté de l Ouest. C est en fait un mouvement apparent qui est dû au mouvement diurne de la Terre qui tourne sur elle-même d Ouest en Est. Mais son mouvement de révolution autour du Soleil, change la trajectoire apparente du Soleil en un lieu donné : elle n est pas située au même endroit dans le ciel chaque jour. Ce qui a pour conséquence la durée variable des journées et des nuits au cours de l année. En effet, à notre latitude, en été, le Soleil se lève vers le NE et se couche vers le NO, la trajectoire visible du Soleil est grande, les journées sont longues. En hiver, le Soleil se lève vers le SE et se couche vers le SO, la trajectoire est petite, les journées sont courtes. Il ne se lève précisément à l Est et ne se couche précisément à l Ouest que le jour de chacun des 2 équinoxes ( 21 mars et 22 septembre). - Quel que soit le jour de l année, le Soleil culmine au Sud ( au méridien ) à midi solaire. Or l inclinaison de l axe de la Terre n est pas suffisante pour qu à notre latitude, le Soleil culmine au zénith, c est à dire à la verticale du lieu. Les limites Nord et Sud de la zone pouvant avoir le Soleil au zénith à midi solaire, sont les deux tropiques qui ont une latitude correspondant à l inclinaison de l axe de la Terre avec la normale à l écliptique, soit 23 27. Les rayons solaires arrivent à la verticale du point M2, le Soleil culmine, il est midi solaire sur tout le méridien N-M1-E -M2-S. M2 se trouve sur un tropique : on est alors à un solstice. S agissant du tropique du Capricorne, on est au solstice de Décembre.
En M1 situé environ à la latitude de la France, les rayons solaires arrivent très inclinés par rapport à la verticale du lieu : il est midi solaire mais le Soleil n est pas au zénith en M1. De même, au solstice de Juin, le Soleil est au zénith au tropique du Cancer en M3 mais ne l est pas au point M1 : Ainsi, quel que soit le jour de l année, le Soleil se trouve au zénith d un point entre M2 et M3 à midi solaire, et jamais en M1, c est-à-dire à notre latitude.
2 e partie - 1 re étape : Q1 : - le calendrier préhistorique se basait sur l observation de la course apparente du Soleil, avec en particulier les deux trajectoires extrêmes au moment des solstices : la plus longue au solstice d été et la plus courte au solstice d hiver. En effet, le Soleil ne se lève pas tous les jours au même endroit mais entre deux extrêmes de part et d autre de l Est ( NE et SE ) correspondant aux deux solstices : sur le site de Goseck, on trouve deux portes repérant le lever du Soleil ces deux jours particuliers. De même pour les couchers, on y trouve deux portes au NO et au SO. - Au moment d un solstice, les hémisphères Nord et Sud du globe terrestre ne sont pas éclairés dans les mêmes proportions. Le point M1 situé environ en Allemagne, se déplace sur un cercle M1-M 1 parallèle à l équateur au cours d un tour de la Terre sur elle-même, soit 24h. Au solstice d hiver, l hémisphère Nord est dans la plus grande proportion dans la nuit, le point M1 a une trajectoire courte dans la zone éclairée, les journées sont courtes en hiver. Au solstice d été, l hémisphère Nord est dans la plus petite proportion dans la nuit, le point M1 a une trajectoire longue dans la zone éclairée, les journées sont longues en été. Q2 : - pour un même jour, à des heures différentes : la Lune se lève vers l Est, culmine au Sud, et se couche vers l Ouest. C est le mouvement apparent d Est en Ouest de la Lune dû au mouvement réel diurne de la Terre d Ouest en Est. - pour une même heure, à des jours différents : la Lune se situe plus à gauche de la position qu elle avait 3 jours plus tôt à la même heure. C est le mouvement réel de la Lune autour de la Terre, dans le sens direct. Q3 : Le photographe se place avec le Nord du paysage devant lui, et centre son image sur l Etoile Polaire. Les étoiles semblent se déplacer dans le sens direct (sens inverse des aiguilles d une montre) autour de l Etoile Polaire pour l observateur. Ceci est dû au mouvement réel diurne de la Terre d Ouest en Est. Q4 : En été, le cercle polaire Arctique est complètement éclairé, il fait jour 24h par jour : on observe alors la trajectoire du document 4, avec le Soleil qui culmine au Sud à midi solaire et qui rase l horizon au Nord à minuit. En hiver, le cercle polaire Arctique n est pas éclairé, il fait nuit 24h par jour, le Soleil ne se lève pas.
2 e partie - 2 e étape : De quoi est-il question dans les documents? Sur quels aspects les questions posées focalisent-elles notre attention? Le document n 1 raconte comment une civilisation pré-historique utilisait la course apparente du soleil dans le ciel au cours d une journée et ses variations au cours de l année pour repérer le temps ; le document insiste en particulier sur le rôle joué par les deux courses «extrêmes» aux solstices d été et d hiver. Les questions posées incitent en particulier à lier les phénomènes observés depuis la Terre aux mouvements et positions particulières de la Terre au cours de sa révolution autour du Soleil. L analyse du document n 2 permet de mettre en lumière une conséquence de la rotation d ouest en est de la Terre à travers le mouvement apparent de la Lune ; le rôle du mouvement de la Terre dans l explication et la modélisation de la course apparente d est en ouest de la Lune est identifié et différencié de celui du mouvement de révolution de la Lune elle-même autour de la Terre décalage vers l est de la position de la Lune de jour en jour à la même heure. On note que les questions posées sur ce documents n attirent en aucune manière l attention sur les phases de la Lune. L analyse du document n 3 lie à nouveau une observation de mouvement apparent d astres les étoiles circumpolaires à la rotation diurne de notre planète et à la direction particulière dans laquelle pointe l axe de cette rotation. Les questions posées permettent de «vérifier» la cohérence entre le sens réel de rotation d ouest en est de la Terre sur elle-même et le sens apparent dans lequel les étoiles circumpolaires tournent autour de l étoile polaire (sens inverse des aiguilles d une montre). Enfin l analyse du dernier document permet de mettre en évidence la spécificité des trajets apparents du Soleil dans le ciel aux pôles ; les conséquences de l inclinaison de l axe de rotation de la Terre et de la situation d éclairement de celle-ci au cours de sa révolution autour du Soleil sont une nouvelle fois pointées. On voit donc que deux grandes thématiques sont abordées dans les documents : - La course apparente du Soleil dans le ciel au cours d une journée et sa variation au cours de l année ; - Le lien entre la rotation de la Terre sur elle-même et les mouvements apparents diurnes de certains astres (Soleil, Lune, Étoiles circumpolaires...). Dans les programmes du cycle 3 deux rubriques renvoient à ces thématiques : Le mouvement apparent du Soleil La durée du jour et son évolution au cours des saisons La rotation de la Terre sur ellemême et ses conséquences Être capable de représenter qualitativement la trajectoire apparente du Soleil dans le ciel et son évolution au fil de l année. Savoir qu elle est la plus courte à la date du solstice d hiver (le soleil est alors bas sur l horizon) et la plus longue à la date du solstice d été (le soleil est alors haut dans le ciel). Savoir que, dans l hémisphère Nord, elle est parcourue de gauche à droite pour un observateur tourné vers le Soleil. Être capable de mettre en évidence, par une observation directe, que le Soleil n apparaît pas et ne disparaît pas tous les jours à la même heure ; mettre en relation cette évolution avec celle du mouvement apparent du Soleil. Être capable d exploiter un calendrier pour déterminer les caractéristiques de chaque saison et les dates (solstices, équinoxes) qui marquent le début de chacune d entre elles. Savoir que la Terre, en plus de sa rotation sur elle-même, effectue une révolution autour du Soleil en environ 365 jours et 6 heures. À partir d une modélisation matérielle élémentaire du système Terre-Soleil (une boule et une source de lumière), être capable d examiner différentes hypothèses destinées à expliquer l alternance des journées et des nuits et conclure qu aucune observation familière ne permet de les départager entièrement. Savoir que la Terre tourne sur elle-même d un tour en vingt-quatre heures. Être capable de retrouver le sens de rotation de la Terre sur elle-même à partir de l observation du mouvement apparent du Soleil. Nous allons donc devoir choisir de décrire une séquence pédagogique qui traite de l un de ces deux points du programme. Nous le ferons en quatre phases : 1. Quel problème dégagé pouvant être étudié en classe? 2. Quel faisceau de questions scientifiques traitables au cycle 3 construire à partir de ce problème dégagé? 3. Quelles situations appropriées, représentatives d une démarche d investigation, construire pour étudier le problème dégagé? 4. Quelles «connaissances» les élèves vont-ils aborder, acquérir (et peut-être par extension, quels savoirs construits?) à l occasion du traitement du problème dégagé?
Problème dégagé Questionnement Situations d une d é m a r c h e d investigation Le mouvement apparent du Soleil La durée du jour et son évolution au cours des saisons Tous les jours nous voyons le Soleil dans le ciel ; mais savons-nous à quel endroit nous pouvons le voir en fonction des différents moments de la journée? Comment observer et décrire la course du Soleil dans le ciel au cours de la journée? D une journée à l autre, qu est-ce qui change, et qu est-ce qui ne change pas? Les variations éventuelles de la course du Soleil dans le ciel peuvent-elles être liées au rythmes saisonniers? Observation première directe (attention aux consignes de sécurité) objectivée (directions, hauteur/élévation...) par une observation indirecte (gnomon) de la course du Soleil dans le ciel au cours de plusieurs journées réparties de septembre à mai (en référence ou par incitation à partir des documents n 1 et n 4 : les hommes sont intéressés par la course du Soleil dans le ciel, pourrions-nous, nous aussi, connaître celle-ci depuis là où nous sommes?) ; on complète par des relevés fournis pour les périodes non couvertes par l observation. Analyse de documents (par exemple le document n 1) : le mouvement du Soleil dans le ciel et les saisons ; rôle des courses «extrêmes» (solstices). Analyse de documents : Évolution de la durée de la journée au cours de l année pour la latitude du canton de l école (par exemple à partir de données recueillies auprès de l Institut de mécanique Céleste et de Calcul des Éphémérides). Caractérisation des solstices et des équinoxes. La rotation de la Terre sur elle-même et ses conséquences Comment expliquer que les nuits succèdent aux journées et les journées aux nuits? Comment décrire, expliquer et prévoir le trajet du Soleil dans le ciel au cours des journées? Comment observer et décrire la course du Soleil dans le ciel au cours de la journée? Fait-il jour en même temps partout sur Terre? Au même instant, l heure est-elle la même en différents points du globe? Quel rapport y-a-t-il entre l heure et la position du Soleil dans le ciel? Pouvons-nous faire une «maquette» du système Terre-Soleil pour expliquer «depuis l espace» ce que nous observons depuis la surface de la Terre? Y-a-t-il d autres astres qui ont dans le ciel des mouvements semblables? Leurs mouvements s expliquent-ils de manière semblable? Observation première directe (attention aux consignes de sécurité) objectivée (directions, hauteur/élévation...) par une observation indirecte (gnomon) de la course du Soleil dans le ciel au cours d une journée (en référence ou par incitation à partir des documents n 1 et n 4 : les hommes sont intéressés par la course du Soleil dans le ciel, pourrions-nous, nous aussi, connaître celle-ci depuis là où nous sommes?) Modélisation (pour découvrir, pour construire un savoir en rupture avec les conceptions de la classe) : Proposer, à partir d une modélisation simple du système Terre-Soleil (maquette), plusieurs explications possibles aux observations terrestres effectuées. Recours, pour trancher, au savoir du maître, à la documentation ou aux savoirs éventuels de la classe préalablement construits (par exemple si le système solaire a déjà été traité). Documentation/Modélisation (pour faire fonctionner le savoir nouvellement construit par la classe) : Description et modélisation du mouvement apparent de la Lune et des étoiles circumpolaires. Recours éventuel à un logiciel de planétarium en complément des documents n 2 et n 3. Connaissances Cf. documents d application. Cf. documents d application. Remarques Les documents du dossier induisent partiellement ce thème, mais ne peuvent pas vraiment servir de support à son traitement, mis à part le document n 1. Conformément aux programmes, on ne traite pas du lien entre les saisons et l inclinaison de la Terre ; le document n 4 peut paraître alors «hors programme». Une approche documentaire complémentaire doit permettre aux élèves de prendre conscience de la différence entre l heure (différente en fonction des longitudes) et l instant. Les documents n 1 et n 4 peuvent être exploités mais n apparaissent pas ici comme les plus pertinents pour assurer la centration sur la course du Soleil au cours d une seule journée, à ce stade de la construction des savoirs (+ voir la remarque ci-contre concernant le document n 4).