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Relations Terre-Lune-Soleil :

Une mallette pédagogique

pour la primaire et le collège

Gaëtan Fichet de Clairfontaine

Alain Doressoundiram

Noël Robichon

Isabelle Woydyllo

Caroline Barban

Unité formation-enseignement de l"Observatoire de Paris

2Introduction / Mode d"emploi

Classement par niveaux des activités :Primaire et 6e (Cycle 3)

5e, 4e et 3e (Cycle 4)

Tous niveaux

Classement par types de travaux pratiques :Travaux pratiques avec expérience

Travaux pratiques sur informatique

Les activités sont conçues de manière ludique, parfois expérimentale, parfois plus "théorique", et en

relation avec les programmes de mathématiques et de sciences physiques aussi souvent que pos-

sible. Les pré-requis, les notions abordées, les objectifs et le déroulement des TPs sont décrits dans

ces fiches, qui se veulent modulables; l"enseignant garde ainsi une grande marge de liberté dans la

réalisation des activités. Retrouvez en annexe un classement des travaux pratiques selon le niveau

scolaire.

Ressources pédagogiques externes pour aller plus loin :-Document r egroupantdes act ivitésautour d "unballo n-Terregon flable(5 0act ivitéspéda go-

giques pour les enfants de 6 à 12 ans) disponible sur le site de la for mationdes pr ofesseurs de l"Observatoire de Paris;

Le l ivretd "activitéssu rla L unecréé pou rles parr ainagesc lésen main r egroupantu nepar tie

cours et un panel d"activités de différents niveaux, disponible sur le site de la f ormationdes professeurs de l "Observatoirede P aris.

Sauf indication contraire, tous les schémas ont été réalisés par Gaëtan Fichet de Clairfontaine.

Contenu de la mallette

C el ivretp édagogiqueav ec8 tr avauxpr atiques; C léUSB con tenantdes inf ormationset a ctivitéssupplément aires;

M aquetteT erre-Lune;

C artee tglobe de la L une;

M étéoritelunair e;

G lobeterr estre;

M orceaude br istolcir culaire/ t êted "épingle; B oulede p olystyrèneblanc (ph asesde la l une);

T orchel umineuse.

Table des matières3Table des matières

1 Étoile, planète et satellite

5

1.1 Quelques définitions...

5

1.1.1 La distinction étoile / planète / satellite

5

1.1.2 Le Soleil

6

1.1.3 La Terre

6

1.1.4 La Lune

7

1.2 Le système Soleil - Terre - Lune

9

1.2.1 Notions

9

2 Rotation et calendriers

10

2.1 Le jour

1 0

2.2 Le mois

1 1

2.3 L"année et les saisons

1 2

2.4 Précession des équinoxes

1 2

2.5 Les marées

1 3

3 Rotation et éclipse14

3.1 Occultation du soleil

1 4

3.2 Éclipse de Lune

1 6

3.2.1 Mesure du rayon de la Lune

1 6

3.2.2 Mesure de la distance Terre-Lune

1 6

A TP 1 : La Lune en mots

18

A.1 Les expressions liées à la Lune

1 8

A.2 Zoom sur le mot lundi

1 8

A.3 Les racines de la lune

1 9 A.4 Les expressions liées à la Lune (correction) 2 0

A.5 Zoom sur le lundi (correction)

2 0

A.6 Les racines de la lune (correction)

2 0

B TP 2 : cratérisation de la lune

21

B.1 Matériel nécessaire

2 1

B.2 Préparation de l"activité

2 1

B.3 Déroulement

2 2

B.4 Correction et remarques

2 2

C TP 3 : Naufragés de la Lune

24

C.1 Matériel

2 4

C.2 Déroulement de l"activité

2 4 D TP 4 : Maquette Soleil - Terre - Lune : éclipses et occultations 31

D.1 Introduction

3 1 D.1.1 Dans quel sens tourne la Terre sur elle-même, la Lune autour de la Terre et la

Terre autour du Soleil?

3 1 D.1.2 Avec une Terre de 10 cm de diamètre, quels doivent être le diamètre de la Lune, du Soleil, la distance Terre-Lune et la distance Terre-Soleil pour que la maquette soit à l"échelle? 3 1

D.1.3 Dessiner les cercles polaires

3 1

D.1.4 Dessiner le tropique du Cancer

3 1

Table des matières4D.1.5 Dessiner le tropique du Capricorne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

D.2 Éclipses

3 2 D.2.1 Pourquoi n"y a-t-il pas d"éclipses de lune à chaque pleine lune? 3 2

D.3 Occultations

3 2

D.3.1 Créer une occultation du Soleil

3 2

D.3.2 Créer une éclipse de lune

3 2 D.3.3 Quelle est la différence fondamentale entre une éclipse de lune et une occulta- tion du Soleil? 3 2

E TP 5 : Cadran solaire équatorial

33

F TP 6 : Les phases de la lune

34
G TP 7 :Stellarium- Mouvement apparent du Soleil au cours de saisons36

G.1 Prise en main

3 6

G.2 TP 7.1 : Mouvement diurne

3 6 G.3 TP 7.2 : Mouvement apparent du Soleil au cours des saisons 3 6

G.4 TP 7.3 : Phases de la lune

3 8 H TP 8 : Mesure du rayon de la Lune et de la distance Terre-Lune 40

H.1 Introduction

4 0

H.2 Mesures lors d"une éclipse de Lune

4 1

H.2.1 Rayon de la Lune - Première méthode

4 1

H.2.2 Rayon de la Lune - Seconde méthode

4 2 H.2.3 Distance Terre - Lune - Première méthode 4 3

H.2.4 Distance Terre - Lune - Seconde méthode

4 3 H.3 Mesure de la distance Terre - Lune avec la troisième loi de Kepler 4 3

H.4 Discussion

4 3 5

1 Étoile, planète et satellite

1.1 Quelques définitions...MObjectif :Définir les trois objets que nous allons présenter ensuite à savoir une étoile (le

Soleil), une planète (la Terre) et un satellite (la Lune). MPré-requis :aucun; leçon introductive.1.1.1 La distinction étoile / planète / satellite

Uneétoileest une boule de gaz (essentiellement composée d"hydrogène et d"hélium), qui com-

porte en son coeur une zone suffisamment dense et chaude pour que des réactions nucléaires aient

lieu. Ces réactions libèrent l"énergie nécessaire pour chauffer l"étoile. Le gaz est ainsi porté à de très

hautes températures et cela lui permet d"émettre de la lumière.

Pour aller plus loin :Une étoile se forme par effondrement d"un nuage de gaz sur lui-même sous l"effet de la gra-

vité. Lorsque le nuage se contracte, la température en son centre augmente, et quand elle atteint

plusieurs millions de degrés, l"hydrogène se transforme en hélium par réaction defusion nucléaire.

milliards d"années et y passera encore plusieurs milliards d"années à fusionner de l"hydrogène en

émettant l"énergie qui lui permet de rayonner. Lorsque l"hydrogène contenu au coeur de l"étoile sera

consommé, elle grossira et deviendra une étoile géante ou super géante selon sa masse. Le Soleil

deviendra ainsi une étoilegéante rouge, phase à la fin de laquelle elle transformera de l"hélium

en carbone et oxygène. Puis, les réactions de fusion s"arrêteront, elle expulsera ses couches super-

ficielles formant une structure appelée, de façon trompeuse,nébuleuseplanétaire. Son coeur désor-

mais inerte se condensera en unnaine blanche, astre très dense de la taille de la Terre. Une étoile

huit fois plus massive que le Soleil, quant à elle, se transformera en super-géante et pourra fusionner

le carbone, puis l"oxygène, puis tous les éléments plus légers que le fer. Après avoir fusionné ces élé-

ments en leur coeur, elle finira par s"effondrer brutalement sur elle-même provoquant le phénomène

desupernova. Selon sa masse, le coeur de l"étoile formera uneétoile à neutronsou untrou noir.

Uneplanèteest définie par l"Union Astronomique Internationale1, dans le cadre du Système so-

laire, comme un corps céleste qui est enorbiteautour du Soleil, qui a une masse suffisante pour que

sa propre gravité lui confère une forme quasi-sphérique et que son orbite ainsi que son environne-

ment soient nettoyés des poussières et petits corps. Les planètes se forment à partir de la matière

résiduelle qui reste en orbite autour de l"étoile qui vient de se former. Les planètes réfléchissent la lu-

mière de l"étoile autour de laquelle elles tournent. En particulier, depuis la Terre, on peut facilement

voir par exemple Mars ou Vénus qui paraissent très brillantes par rapport aux étoiles. En effet, même

si ces objets ne font que réfléchir la lumière du Soleil, ils sont très proches de nous par rapport aux

les étoiles des planètes dans le ciel nocturne : en regardant attentivement les objets, la luminosité

des étoiles vacille légèrement alors que celle des planètes ne présente pas ce phénomène associé à la

présence de l"atmosphère.

Cettescintillationest causé par des réfractions multiples et aléatoires de la lumière dans les

couches turbulentes de l"atmosphère terrestre. Cette effet est d"autant plus important si la source

de lumière est éloignée de la Terre (étoiles) dans quel cas la source lumineuse est perçue comme un1.documen toffi cielen ang lais.

1.1 Quelques définitions... 6

point. L"image des planètes, qui sont beaucoup plus proches, est beaucoup plus stable.

Unsatellitenaturelest un corps céleste qui est en orbite autour d"une planète. Ce sont des corps

de plus petite taille que leur hôte mais qui, comparés à la Terre, peuvent être parfois assimilés à des

de la Terre.

1.1.2 Le Soleil

Le Soleil est l"étoile la plus proche de la Terre. Elle brûle tranquillement l"hydrogène qui compose

Ces réactions libèrent l"énergie qui permet de chauffer l"étoile, qui rayonne et nous éclaire. Cela fait

approximativement 4,5 milliards d"années que cela dure et cela devrait durer encore approximative-

ment 4,5 milliards d"années. Le modèle de formation stellaire couramment admis est le suivant : un nuage de matière (gaz,

poussières, etc.) s"effondre sur lui-même suite à une perturbation (explosion d"une autre étoile à

proximité par exemple). La densité de ce nuage augmente alors progressivement et lorsque le milieu

est suffisamment dense, il devient opaque. L"énergie alors piégée dans l"embryon d"étoile permet de

chauffer la matière. Lorsque la matière est suffisamment dense et chaude, les réactions de fusion

s"allument et l"étoile naît.

l"astre considéré n"est pas solide. Dans ce cas, la vitesse de rotation du corps (ici atmosphère) va

dépendre de la latitude. Dans le cas du Soleil (mais aussi de Jupiter par exemple), les régions proches

de l"équateur tournent plus vite que celles aux pôles. Plus de détails au travers d"une activité

ici .Le Soleil

Masse (notée M

¯) : 2.1030kg»333 000 M©(masse terrestre)

Rayon (noté R

¯) :»700 000 km»109 R©(rayon terrestre) Volume :»1,41.1018km3»1 300 000 volumes terrestre Température :»15 millions °C au centre, 5 500°C en surface Composition chimique : hydrogène (73 % de la masse), hélium (25 % de la masse), éléments plus lourds (2 % de la masse)

Rotation différentielle : 26 jours à l"équateur, 31 jours à 60° de latitude, 37 jours aux pôles.1.1.3 La Terre

La Terre est la troisième planète du Système solaire. C"est une planète tellurique. La particularité

de la Terre est de posséder de l"eau à l"état liquide qui recouvre 71 % de sa surface. En effet, la Terre a

la particularité de se trouver dans la zone habitable. La zone habitable est définie comme une région

de l"espace où les conditions sont favorables à l"apparition de la vie telle que nous la connaissons

sur Terre. L"extension de cette zone et de sa localisation dépend entre autres de la quantité d"énergie

lumineuse dégagée par le Soleil. Les planètes et les lunes situées dans ces régions sont des candi-

dates possibles à l"habitabilité et donc potentiellement capables d"héberger une vie extraterrestre.

On considère que les premières traces de vie sur Terre sont apparues il y a environ 3,8 milliards d"an-

nées.

1.1 Quelques définitions... 7

La Terre

Masse (notée M

©) :»6.1024kg

Rayon moyen (noté R

©) :»6 400 km

Température de surface : [-88°C; 58°C]

Distance moyenne au Soleil : 149 597 871 km»8,3 minutes lumière

Période de rotation : 23h 56min 4s

Période de révolution : 365,2493 jours = 1 année1.1.4 La Lune

La Lune est le satellite naturel de la Terre. Le mot "lune" vient du latinluna, qui désignait déjà

l"astre de la nuit, et qui est issu d"une racine indo-européenne signifiant " lumière ». Dans la litté-

rature, le mot "lune" apparaît pour la première fois dans la Chanson de Roland vers 1080. La Lune

a une composition très similaire au manteau terrestre; cela a permis d"imaginer un mécanisme de

formation qui est actuellement couramment accepté : un planétoïde dont la masse était très impor-

tante (similaire à la celle de Mars) a heurté la Terre suivant une trajectoire rasante (Fig. 1 ,éta pe1 .).

Sous la force de l"impact (étape 2.), la matière s"est liquéfiée et le noyau de l"astéroïde (riche en fer,

étape 3.) a rejoint le noyau terrestre. Les débris arrachés à la surface terrestre au moment de l"impact

ont été propulsés en orbite (étape 4.), où ils ont fini par s"agglomérer pour former la Lune (étape 5. &

6.). Sa surface est caractérisée par des montagnes qui peuvent s"élever jusqu"à 8 000 m, des plaines,

et de nombreux cratères formés par la chute de météorites depuis des milliards d"années. Sa gravité,

du fait de sa petite taille, est 6 fois plus faible que sur Terre. En raison de l"absence d"atmosphère, on

observe des écarts de température importants. Son atmosphère est inexistante (en réalité on parlera

d"une exosphère).TP 1 : La Lune en mots

Niveau: Cycle 3 - Cycle 4.

Durée: 1h00 minimum.

Objectif: Découvrir les expressions liées à la Lune.FIGURE1 - Formation de la Lune en 6 étapes via la collision entre la Terre et un objet d"une taille

similaire à Mars.Crédit :Pour comprendre l"Univers, De Boeck Université

1.1 Quelques définitions... 8

La Lune

Masse :»7,3£1022kg»0.01 M©

Rayon moyen :»1 735 km

Distance moyenne à la Terre : 381 300 km

Période de rotation sidérale : 27,32 jours

Vitesse de rotation à l"équateur : 16,7 km/s

Température de surface : [-233°C, 123°C], moyenne : -77 °CLa Lune est en rotation synchrone autour de la Terre : sa période de révolution autour de la Terre

est égale à sa période de rotation sur elle-même. Par conséquent, la Lune montre toujours la même

face à la Terre. En réalité, suite aux librations (variations de l"angle de l"axe de rotation), on peut

observer un peu plus de la moitié de la surface de la Lune (environ 59%) depuis la Terre.FIGURE2 - Face visible (à gauche) et face cachée (à droite) de la Lune.Crédit :NASATP 2 : Cratérisation de la Lune

Niveau: Cycle 3 - Cycle 4.

Durée: 1h00 minimum.

Objectif: Apprendre la formation des cratères dits d"impact dans notre Système solaire. Repro- duire les rayons clairs observés autour de certains cratères comme celui de Tycho sur la Lune.

Découvrir comment former des cratères de même taille avec des objets de masses différentes.

1.2 Le système Soleil - Terre - Lune 9

TP 3 : Naufragés sur la Lune

Niveau: Cycle 3 - Cycle 4

Durée: 1h00 minimum

Objectif: Réfléchir sur les conditions présentes à la surface de la Lune et l"intérêt de différents

équipements dans cet environnement.1.2 Le système Soleil - Terre - Lune MObjectif :Introduction des grandeurs caractéristiques associées aux mouvements des diffé-

MPré-requis :Aucun - Leçon introductive

MLien avec les programmes :

Cycle 3 : repérage du temps - le ciel et la Terre Cycle 4 : mouvements et interactions - organisation et transformations de la matière1.2.1 Notions La Lune tourne autour de la Terre en quatre semaines environ. Le système Terre-Lune est lui-

même en orbite autour du Soleil et effectue une révolution en 365,25 jours. La trajectoire décrite par

la Terre autour du Soleil est très proche d"un cercle. Le plan de cette trajectoire s"appelle le plan de l"écliptique (voir Fig. 7 ). L"axe de rotation de la

mats. La Terre effectue une rotation sur elle-même en environ 24 heures. Depuis la Terre, on observe

donc le Soleil dans la même direction toutes les 24 heures en moyenne. Ceci génère l"alternance des

jours et des nuits. Le Soleil est environ 400 fois plus gros que la Lune et environ 400 fois plus loin,

ainsi leurs diamètres apparents respectifs sont très proches, ce qui favorisera l"apparition d"éclipses

totales de Soleil.

Pour aller plus loin :En 1609, Kepler prédit, à partir de la loi de la gravitation de Newton, que le mouvement des planètes

du Système solaire obéit à 3 lois (Fig. 3

·Loi des aires : le rayon Soleil-planète balaie des aires égales pendant des intervalles de temps

égaux;

¸Loi des périodes : le carré de la période de révolution est proportionnel au cube du demi-

grand axe de l"orbite. 10

FIGURE3 - Représentation schématique des trois lois de Kepler.TP 4 : Maquette Soleil - Terre - Lune : Éclipse et Occultation

Niveau: Cycle 4.

Durée: 2-3 heures.

Résumé: Le but de ce TP est de réaliser une maquette permettant d"expliquer les phénomènes

célestes liés aux positions respectives de la Terre, de la Lune et du Soleil, comme l"alternance

jour/nuit, les saisons, les phases de la Lune et les éclipses.2 Rotation et calendriers mènes (année, saison, mois, jour).

MPré-requis :aucun; leçon introductive

MLien avec les programmes :

Cycle 3 : repérage du temps - le ciel et la Terre Cycle 4 : mouvements et interactions - organisation et transformations de la matière2.1 Le jour

C"est le mouvement de rotation de la Terre sur elle-même qui est à l"origine de l"existence des

jours et des nuits. Chaque point sur Terre passe périodiquement de la zone éclairée par le Soleil à la

zone d"ombre. On appellejourl"intervalle de temps qui sépare le lever et le coucher du Soleil en un

lieu. Il ne faut pas confondre lejouravec lejour solairequi, lui, dure approximativement 24 heures et correspond au temps séparant deux levers de Soleil (ou deux couchers).

Depuis la Terre, on voit le Soleil se lever vers l"est, s"élever dans le ciel puis se coucher vers l"ouest. On

Entre le jour et la nuit, on appellecrépusculela lueur, croissante avant le lever du Soleil, décroissante

par les rayons du Soleil situé sous l"horizon, mais très voisin de celui-ci. Dans le langage courant, le

crépuscule du matin est appeléaubeouaurore.

2.2 Le mois11TP 5 : Construire un cadran solaire

Niveaux: Cycle 3 - Cycle 4.

Durée: 30 minutes.

Objectif: Construire et apprendre à utiliser un cadran solaire.2.2 Le moisquotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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