ASTRONOMIE
INTRODUCTION
Pour chaque leçon : 1) Nous rappellerons
a) But recherché en précisant à nouveau la ou les notions que
nous voulions faire acquérir pendant la séance.
b) éventuel l emen t les connaissances qui nous ont paru devoir
être mémorisées. Elles seront toujours réduites au maximum
car il s'agit plus d'une formation de l'esprit que de
l'ac-quisition d' un savoir
c) le mat ériel employé.
2) Nous noterons quelle méthode pédagogique nous avons utilisée.
3) Nous indiquerons les comportement s des élèves que nous voulions tester ou que nous avons observé au cours de cette préexpér i men t at i on . Il était en eff et essentiel pour nous de vérifier si les hypot hè s e s que nous avions
formulées pour bâtir cette init i a t i on à l ' astr onomie étaient correctes.
4) Pour permettre la discus s i on et aider les maî t res qui seront chargés de
cette initiati on nous donnerons le résumé descripti f de la sé anc e .
5) Eventuel l ement nous suggérerons, à la lumi è re de notre préexpériment a t i on quelques idées pour des modifications et les p inci paux écueils à éviter.
ASTRONOMIE - Séance nU
1 a) Buts recherchés
-Il s'agissait de prendre contact et d'essayer de créer un climat.
Nous voulions faire acquérir essentiellement l'idée que les étoiles tournent autour d'un point voisin de l'étoile polaire et que l'ensemble des constellations constitue une toile de fond qui sert de repère.
b) Connaissances à mémoriser
-Elles sont pratiquement nulles. Il est inutile que ~s élèves retiennent tous les noms des constellations présentées. Il suffit qu'à l'issue de cette séance ils sachent que - l'étoile polaire est
prati-quement fixe -les étoiles occupent les une
par rapport aux autres des situations bien définies alors que pour l'observateur terrestre l'ensemble tourne.
c) Matériel
-Un grand cercle de 75 cm de rayon, tendu de papier noir figure le ciel au voisinage de l'étoile polaire. Sur ce cercle nous avons placé les étoiles représentées par des gommettes rendues fluorescentes par pein-ture et éclairement U.V. (lumière noire). Nos conventions {expliquées aux élèves) sont les suivantes : les étoiles les plus brillantes (première grandeur) sont représentées par une forme étoilée, celles de deuxième et parfois 3e grandeur par un cercle de 1,8 cm de diamètre, les autres par un cercle de 1,2 cm de diamètre. L'étoile double Algol est figurée par un disque portant un cercle noir, Andromède par une gommette de petite taille non fluorescente. La voie lactée n'est pas représentée. L'ensemble est éclairé par une lampe à U.V. et tourne autour du centre, dans le sens direct à raison de un tour en 1/2 heure.
Sur la carte nous avons situé assez d'ét oi l es pour que la représenta-tion ne soit pas trop schématique, mais pas trop pour que l'observation reste assez facile. On y trouve la grande et la peti t e ourse, Cassi opée,
le dragon, la girafe, Céphée, Persée, le cygne, 2 étoiles de la Lyre
dont Vega, le cocher et le cygne. Nous nous somme s limités à
5b
o à partirde la polaire.
2 - Nous avons conduit cette séance sous forme de dialogue. La tâche au
'début fut un peu difficile bien que nous ayons été deux pour mener le jeu. Mais peu à peu les enfants se sont détendus. Il es t très net qu'ils ont parlé beaucoup plus spontanément dès l'instant où nous leur avons fourni
l'occasion d'avoir une activité personnelle, de se déplacer , d'agir.
Nous avons posé beaucoup de questions. Volontairement nous en avons laissé un grand nombre sans 'réponse , il s'agissait d'ouvr~des portes,
de leur suggérer tout un champ de réflexioœpossibles et de leur montrer que beaucoup de choses étaient à penser. Nous pensons qu'à l'avenir nous ne pourrons plus laisser ainsi autant de questions sans .
réponse sous peine de les decevoir. Il nous a semblé sentir tre s neLLC ment qu'ils attendaient des adultes "le savoir" et qu'ils n'étaient pas absolument convaincu qu'ils pourrment par eux-mêmes trouver la solution d'un certain nombre de problèmes. Nous devons leur donner confiance en eux.
3 - Nous avons essayé
de connaître les motivations des 6 élèves qui étaient volontaires pour faire de l'astronomie
- de: tester leurs connaissances antérieures : mouvement de latetre, nom des étoiles
- leur réaction vis-àvis de l'astrologie
leur faculté d'observation, leur esprit cr1t1que, la façon dont ils acceptent un modèle et la facilité avec laquelle ils font le lien entre la réalité et la repré-sentation qu'on leur propose.
(4.2.72) - SEANCE N° 1
-La séance a commencé par une discussion sur ce que les jeunes désiraient faire en venant suivre ce cours d'astronomie. Probablement intimidés par la
nouveauté des lieuxt des personnes et même des camarades (ga r ç on s et fil l e s
mélangés issus de 2 établissements di f f é r en t s ) les jeunes n'ont pas trop su dire ce qu'ils attendaient "une étude des astres" "des étoiles et des planètes". Sans trop savoir la différence.
Plus tard l'un d'entre eux définira les planètes comme étant les corps qui tournent autour du soleil. Les étoiles c'est le reste (le soleil une étoile? peut-être ce n'est pas évident ...). Un astronome? non ils ne savent pas ce
qu'il fait. Ils n'en ont jamais vu. Ils ne se souviennent pas en tout cas. C'est donc le mot imprécis (qu'il faudrait peut-être cerner un peu pus) d'astre qui sous tend apparemment leur motivation.
Nous leur demandons leur signe tous le connaissent et le disent sauf un qui ne sait pas. On prononce alorst le mot d'astrologue. Une fille li t son
horœcope sans y attacher d'importance: elle oublie tout de suite après; elle ne cherche pas du tout à vérifier ou non la véracité des prédictions. Quand on leur suggère qu'on pourrait alors faire de l'astrologiet as~er de comprendre
ce qu'il y a derrière ces signest une autre fille répond que ce ne serait pas
sérieuxt que cela ne l'intéresse pas. On sent pour elle que cela ne relève pas
de la catégorie de la science (l'astrologie serait-elle un peu jeu d'adultes ?).
Une brève incursion sur la lune. Ils on t vu à la télé. Elle n'a pas toujours la même forme. Des croissantst quartierst Pourquoi? sans réponse. De
même pas de réponse au fait évident qu'on ne voit pas les étoiles de jour . Un garçon déclare que l'observation des étoiles avait commencé avec les babyloniens ... Il aurait fallu creuser l'origine de ce t t e affirmation. Cette déclaration est faite en réponse à une question sur qui ~vait découvert les étoiles ?" question qui en soit ne pouvait pa s avoir de réponse évidemment
~
.
,
preCl.se... .
On leur propose alors l'observation de la carte ci r c umpol a ire en l u-ml.e re fluorescente. La carte étant tournée centre le mur pendant la dis c us s i on précédente. Cette carte est manifestement un ,'entre d'obs ervation que tous re-ga r d en t. On les la i s s e regarder quel que temp s Jans rien diret puis on leur de
-mande s' i ls reconnaissen t quelque chose. Le mot de constell a t i on est pr ononc é puis précisé en "groupe d'étoiles" . Aucune forme n' a pparai t cla i r ement . Ma n i -festement il faut un temps de motivation.
On leur a présenté la carte comme étant à pe u prè s ce qu'ils verraient par un beau ciel d'étét s'ils sortaient la nuit et regar daie nt dans la direction
du nord (définie à peu près par la boussole). Aucune rela t i on n'a ppa r ait év i-dente entre le fait que l'étoile polaire indique le Nord et qu'elle pour r ait se trouver sur la carte. En leur suggérant cette hypothèse ils mettent letoi le ou tout en haut le plus haut possible, ou en choisissant une grosse étoi le. ~lais personne ne pense à l'étoile près du centre .. . ce qui est en rela t i on év:den t e avec le fait qu'un seul sur les six croit que les étoiles tournentt mais nous
reviendrons sur ce point.
On commence alors d'observer les différentes représ e n ta tions d'étoiles. Ils observent bien les deux tailles de disquet la forme en étoilet et même
l'étoile avec un anneau noir et celle de couleur légèrement différente. Nous procédons alors à l'''explication'' de nos symbolest nous donnons un mot et
2 -Les petits disques sont pour les étoiles peu brillantes (l'un des garçons pense plutôt a priori à une étoile plus petite ce qui est un défaut de la représentation mais semble très vite corrigé par le fait qu'ils
ad-mettent la représentation de la luminosité) les grands disques pour les étoiles plus brillantes et les disques étoilés pour celles très brillantes. On leur dit aussi que l'anneau représente une étoile de luminosité variable (Algol), et on donne le nom par écrit. Une brève histoire de ce qu'on a représenté par une petite tache de fond différent. D'abord vu sous la forme d'une image mal résolue puis sous forme d'un amas d'étoiles on trouve là une galaxie qui a le nom d'Andromède. "Et nous, vivons-nous dans une galaxie
?"
si oui, laquelle ?" Grand silence. On leur suggère de poser la question à leurs parents et de nous rapporter l'information pour la fois suivante. (Une lecture sur les galaxies et leur découverte pourrait être bienvenue à cet endroit •.. Peut-être aussi un mot sur les étoiles variables).Devant l'impossibilité de reconnaître des constellations même nommées ',c a r celles-ci sont connues par rapport à la Polaire, et étant donné que la
Polaire n'est trouvée aisément sur cette carte que lorsqu'on sait que les étoiles tournent, nous leur montrons la petite ourse, la grande ourse. Un garçon rectifie en parlant de "chariot". L'identification se fait assez bien.
(on'v o i t mieux le chariot que l'''ourse'').
Ils acceptent moyennement l'idée qu'une constellation sert à se repérer. Pour indiquer où se trouve une étoile on commencera par préciser dans quelle constellation elle se trouve. C'est donc commode si on sait reconnaître les constellations.
Chacun ensuite joue au
FU
des constellations et en construit une pour lui qu'il vient indiquer à ses camarades. Certains choisissent un grand amas d'étoiles et trouvent une t~e de chien par exemple, d'autres préfèrent des figures géométriques simples, le trapèze, le re c t an gl e , le triangle même s'il y a dans le voisinage d'autres étoiles. Ils ne partent pas dans ce cas d'un regroupement d'étoiles relativement isolé pris globalement mais de parties d'un regroupement et cherchent à compléter la figure géométrique simple qui leur est suggérée par que l que s étoiles du groupe. On observera un effet de mémoire sur les nouvelles constellations créées et pas uniquement chez celui qui la créé puisque l'un des garçons représentera la constellation créée par un autre (nommée par son prénom: la constellation de Patrick).La rota t i on de la carte est assez rapide donc vi sibl e : 2 tours à l'heure, mais les je un e s ne la voient pas. Manife!tement il s la vo i en t sans la voir. C'est un phénomène qu'ils écartent de leur obs e r vat ion parce que ce l a n'éveille aucune connaissance chez eux. Aucune structure créée antérieurement
(modèle ou connaissance) n'est prête pour accueillir cette observation. 5sur6 déclarent que les étoiles ne tournent pas. La fille qui déclare qu'elles tour-nent n'est pas très sûre. Elle a regardé longtemps les étoiles et a cru voir bouger. Mais ce phénomène sitôt reconnu "les étoi les tournen t" est
immédia-tement expliqué par deux des jeunes. C'est la Terre qui tourne. Cela ressemble à une réminiscence plutôt qu'à une explication. Mais que la Terre tourne, on peut le prouver en disant qu'il y a jour et nuit . Cependant un autre répond que ça pourrait être le Soleil qui tourne autour de la Terre. On arrête la discussion à cet endroit car manifestement on atteint le prob lème de la cons -truction cohérente de l'interprétation de toutes les observations. C'e st un des objectifs de tout notre travail. Et il ne semble pas atteint d'ent r ée de jeu .. Au contraire on peut dire que l'hypothèse initiale sur laquelle es t fondée la
conception de notre module ne semble pas fausse : les enfants connaissent le modèle planétaire,' la rotation de la lune autour de la Terre et celle de la Terre autour du soleil~ Ils ont un tout petit peu observé le ciel (les étoiles,
la lune, le soieil mais son observation semble une trivialité, encore faudra-t-il voir pour les saisons) mais ne relient en aucune manière le modèle à
3 -Il convient donc de prec~ser le modèle (distance, tailles, histoire, constitution physique ... ils voudraient en savoir plus sur la constitution des planètes7 et de développer le goût d'observer (voir les phénomènes en fonction de questions posées ou même d'a priori mentaux) et de trouver en quelque sorte confirmation des modèles.
Il Y a certainement un peu de réticence à admettre que les étoiles tournent"d'où aussi la rapidité de l'explication "c'est par.i.ce que la terre tourne". Il faudra absolument leur présenter un document réel (une photo du ciel dans la direction polaire).
Deux d'entre les jeunes sont chargés de mesurer la vitesse de rota-tion. Le temps mis pour faire un tour (30 min.) . L'un procédera en prenant un repère extérieur à la carte (le moment où une étoile sur le pourtour passe devant le pied qui tient la carte) l'autre prendra l'étoile polaire et une direction initiale approchée. Ils arriveront au même résultat (aucune discussion maintenant sur cette valeur) .
On leur dit enfin à quoi peuvent servir les constellations : essen-tiellement des repères commodes et un langage commun. L'arrivée imprévue d'un physicien de l'étage qui commente la carte en reconnaissant quëques constel-lations confirme merveilleusement cette idée de repérage et de communication. Pourtant la réaction d'une"fille quand on lui dit qu'on peut repérer une étoile en disant qu'elle se trouve du côté de la g.o. est plutôt sceptique. Est-ce suffisant ?
On en vient alors à discuter la différence entre ce qu'ils voient
lA
et ce qu'ils verraient dans le ciel. Peu de réactions "l'échelle n'est pas la même, sur la carte les étoiles sont plus resserées". On en voit plus. Une ques-tion à un autre moment où est la voie lactée? (qui n'a pas été représentée sur notre carte). Ni les problèmes de hauteur réelle, de l'étoile polaire sur l'horizon, de distances inégales (qu'ils acceptent parfaitement) de présence de l'horizon ne les inquiètent.L'étape suivante consiste à reproduire la carte pour s'en servir. Ils reçoivent une feuille de papier circulaire et on les laisse reproduire ce qu'ils veulent comme ils veulent. En général ils met t ent une constellation près du centre (de l'étoile polaire) et une autre consrellat io n à eux, ou qu'ils v.ennent de découvrir (Cassiopée) . Une fille ne 'es s i ne que les étoiles ayant un dessin en forme d'étoile (pas du tout les COi ;tel lations). Cert ai nes carte s
so~t claires, d'autres confuses. Aucun ne songe j fa i r e a priori de s mesures .
On leur pose alors la question d'une reprodu c tion fidèle qu'ils ac-ceptent bien volontiers vu le peu de précision des dessins. Une grande discus-sion sur comment faire. L'idée de coordonnées pol a i r e s est évi de mmen t absente et ne jaillira pas spontanément.
Une série d'idées porte sur le découpage de la carte en tranche de gâ -teau (pour se ramener au dessin sur la feuille). Un garçon propose de faire un découpage en quatre grâce à un compas. Un camarade après essais et disc us
-sions lui montre qu'il s'agit de la construction d'un hexagone. Un autre
pro-po~e l'idée des tranche de plus en plus fines mais sans dire comment. Une fille propose des mesures de distance. Elle ne part pas du centre de la carte mais de l'étoile polaire. Elle vient faire des mesures avec un réglet et ne se préoccupe pas de l'orientation. Elle reconnaît l'insuffisance partielle du procédé.
Comme il se fait tard (lh45 de travail) nous leur distribuons une carte du ciel avec comme centre la polaire en attendant la semaine suivante.
2
-Ils n'on t aucune connais s ance géométrique et nous avons dû leur apprendre l'usage du rapporteur: ce fut assez rapide. Par contre les not i ons de vitesse/de durée de la rot a t i on sont très difficiles pour eux. Il s ont tr è s nettement la notion int ui t i ve de vitesse mais le lien av ec la notion de vites se angul a ire (don t nous nous sommes bien gardés de prononcer le nom) est très difficile à établir . Aussi nous sommes nous contentés de par l er de durée pour un tour.
Une mesure étan t fa it e par eux ave c soin leur donne le respect du chiffr e trouvé . La notion d'incertitude dans les mesures (terme égale-ment non prononcé) leur est non seulement étrangère mais semble les choquer.
4 - De scri ptif
-On procè de d' ab or d à la reconnai ss ance des étoiles et constel-lations observée s la fois précédent e sur la car te tournante qu i sert de modèle. Cette reconnaissance est aisée, les symboles bien acc ept és . Le s élèves ont cherché dans le dict i onna i r e le nom de notre ga l ax i e et l'ont
trouv~•• . avec un G majuscule. Ma is ils n'ont pas trouvé le nom ni r éa-li s é que c'était la Voie lactée.
On leur montre une photo de gal ax i e (avec comme idée qu'il ne faut
pas hés iter à in troduire rapidement des not ions d' as tronomie moderne.)
-de la grande ourse : intér êt du nom de la constell a t i on pour le repér a ge - .
Riac t i on : "Une boulê , avec une espèce de nuage de poussière autour, cela donne l ' impr e s s i on de tourner". "Le Soleil pourrait être la boule centrale".
"On voit des points plus gros que d'autres". "des planètes ou des étoiles
?"
.
Il faudrai t probablement leur mont r er une photo de galaxie mieux
rés ol ue pour éviter qu'ils n'interprè t ent ce qu 'il voit à part i r du mo~ dèl e planétaire, seul modèle qu'ils connai s se t.
Cette extrapolation du modèle peut les condui r e à des idées fauss es comme celles qu'on peut voi r les p1anlte s de sys t èmœ stel l aires
V01S1n s ou même dans la gal axie qu'on vient de leur représenter :
IlDe loin on voi t beaucoup mieux le solei l que ~a terr t;" (sous entendu : on
voit aussi la ter re et le s planèt e s et elles ~ons ti tuent ce s objets qui
for ment le nua ge de la galaxie).
Il es t vrais emblabl ement prématuré d'introdui r e cette notion de gal axi e aussi rapidemen t . Nous nous attendions à de s réactions de curio
-sité . Celle-ci n'était pas encore prête à réagi r à l'évoca tion de ce mot et
de ce monde. Il n'est pas du tout impossible par contre que la découverte pr ogressive de l'univers en partant de notre système planétair e et en ét en
-dan t progressivement le domaine d'investigation réussisse mi eux . On peut aussi imagi ne r qu'au détour d'une lecture de documents pour préparer un expo s é sur un thème quelconq ue d'astronomie leur curiosité soi t éveillée
par la rencontre d'un mot , d'une photo et qu' ainsi puisse ~~naî tre une discu s s i on sur les galaxies.
On revient à la carte de s constellati ons, la grande car t e tour-nante ai ns i que celle plus petite (de poche) qu'on leur a dis t r i bué . Lri-dentification de groupement d'étoiles (cons t el l a ti on) se fait aisément. Leur vis i on de la carte s'est progr e s s i vement et ass ez rapidement
Séance N° 2
- a) Buts rec herchés
-Il-s'agissait en premier lieu de voi r comment les élèves ava i ent assi -milé les noti ons données au cours de la première séance. Avaient-ils éve
n-tuel l ement retenu des noms de cons tellations ? Avaient - i ls eu envie de regarder le ciel ? Avaient-ils cherché à se renseigner sur la significa-tion du mot galaxie ? Avaient-ils vraiment pris cons ci enc e du mouvement de rota tion apparente des étoiles.
Nous avons également voulu les initier à l' examen et à l'exploitation de documents. En l' occurr ence il s'agissai t de photogr aphi es . Un triple aspect étai t env i sagé :-i magi ner la réalité à partir d'une photographie de
galaxie
-re t r ouver sur une phot ogr aphi e partielle du cie l l' aspec t d'une cons tellation
-mont r er que des mes ure s peuvent être fai tes à partir d'un document
(phot ogr aphie du déplacement des étoiles circumpol aim
b) Connaiss ances à mémoriser
-Elles sont prat i quement nulles et se réduisent à la connai s s ance de l' existence des galaxi es , à la duré e d'une rotation de 3600
pour les étoiles .
c) Mat éri el
-Le disque ayant servi pour la première séance. Les documents phot ographi ques sui vants
- photographie d'une gal axi e semb labl e à la not re
photographi e du ciel dans la région de la grand e ours e
photographi e de la rotation des étoiles autour de la pol aire. carte mobi l e du ciel à monter (à 1a maison) .
2 - Ce tte foi s encore nous avons mené la sé. nce sous fO~$ de discuss ion
avec les élèves. Ils sembl ai ent mieux accept~r le dialogue que lors de la premiè re séance. Mais nos rai sonnement s d' adu tes leur ont cer t a i nement paru trop longs. Ils préf èrent - croyons-nous une réponse r.el a t i vement rapide à condition qu'ell e soi.t convancant e.
3 - Comportement des élèves
-Leur cur ios ité ne semble pas avoi r été trè s éveillée. Il s ont bien regardé le ciel, le soir même, mais le peu d'étoiles vi s ibl es à Paris ne les a pas encour agés. Par contre ils semb lent avoi r pa r f ai t ement admi s le modèle proposé ; ils y reconnaiss ent as s e z bi en les cons tel lations
dont ils ont retenu les noms , inf ini ment mi eux que s. r la carte plus com-pl ète ou dans le cie l.
Ils ont fai t preuve de beaucoup d'imagination devant la phot ogr a-phie de galaxie , de beaucoup moins devant celles de la grande ourse et du mouvement de rot a t i on des étoiles. Ils sont très vite satis f ai ts par les quelques explica t i ons que nous leur donnons sur la galaxie et ne manifestent pas le désir d'appr of ondi r les choses.
2
-Ils n'on t aucune connaissance géométrique et nous avons dû leur apprendre l'usage du rappor t eur : ce fut assez rapide. Par contre les not i ons de vitesse/de durée de la rot a t i on sont très difficiles pour eux. Ils ont trè s nettement la notion int ui t i ve de vitesse mais le lien av ec la notion de vit es s e angul a ire (don t nous nous sommes bien gardés de prononc er le nom) est très difficile à établir . Aussi nous sommes nous contentés de parler de durée pour un tour.
Une mesure étant faite par eux ave c soin leur donne le respect du chiffre trouvé. La notion d'incertitude dans les mesures (terme égale-ment non prononcé) leur est non seulement étrangère mais semble les choquer.
4 - Descri pt if
-On procè de d'abord à la reconnai ss ance des étoiles et constel -lations observées la fois précéden t e sur la car te tour na nte qui sert de modèle. Cette reconnai ssance est aisée, le s symboles bien acceptés. Le s élèves ont cherché dans le di c tionnaire le nom de notre ga l axie et l'ont tr ouv@•• . avec un G maj us cu le . Ma is ils n'ont pas trouvé le nom ni réa-lis é que c'était la Voi e lactée.
On leur montre une phot o de gal ax i e (avec comme idée qu'il ne faut
pas hésit er à int roduire rapidement des not ions d'astr onomi e moderne.)
-de la grande ourse : inté r êt du nom de la constell a t ion pour le repé r a ge - .
Rfac t i on : "Une boulê , avec une espèce de nuage de poussière autour, cela donne l'impression de tourner". "Le Soleil pourrait être la boule centrale".
"On voit des points plus gros que d' a ut r e s " . "des planèt es ou des étoiles
1"
.
Il faudrait probablement leur mont rer une photo de galaxie mieux
rés ol ue pour éviter qu'ils n'interprèt ent ce q 'il voit à parti r du mo~
dèl e planétaire, seul modèle qu'ils conn ai s s en t .
Ce t t e extrapolation du modèle peut les condu i r e à de s idées fausses comme cel l e s qu ' on peut voir les pl antte s de sys t èmœ stel l aires
V01S1ns ou même dans la galaxi e qu'on vient de leur représenter :
"De loin on voi t beaucoup mieux le sole il que ia terre " (s ous entendu : on
voit aussi la terre et le s planètes et elle s 01ls ti tuent ce s objets qui
forment le nuage de la galaxie).
Il es t vr a i sembl ablement prématuré d'i ntrodui r e cette notion de galaxi e aussi rap idement . Nous nous attendions à de s réactions de curio -sité . Celle-ci n'était pas encore prête à réagi r à l'évocation de ce mot et de ce monde. Il n'est pas du tout impossible par contre que la découverte progre s s ive de l 'univers en partant de notre système planétai r e et en ét en -dan t progressivement le domaine d'investigation réussisse mi eux. On peut aussi imagi ne r qu'au détour d'une lecture de documents pour préparer un expo s é sur un thème quel conq ue d'astronomie leur curiosité soit évei llée
par la rencontre d'un mot, d'une photo et qu'ai ns i pui sse ~·.naître une discu s s i on sur les galaxies.
On rev ient à la carte des constellati ons, la grande car t e tour-nante ainsi que ce l l e plus petite (de poche) qu'on leur a dis t r i bué . L~i dentification de sroupement d'étoiles (cons t el l a tion) se fait aisément . Leur vision de la carte s'est progr e s s i vement et assez rapidement struc-turée.
3 -On ~e~r .d onne alors la photo d'.ne constellation (la grande Ourse) faite avec un court temps de pose (les étoiles sont représentées par des petits traits). L~bjectif est de leur montrer à quoi ressemblent les étoiles sur une photographie réelle et non sur une maquette (même
tournante) . (Ils ont un peu vu faire de la photo et en ont peut être fait). L'ident i f ica tion est plus difficile Patrick reconnaît le dragon : en fait il y a apparence d'accord à l'exception d'une étoile très lumineuse qui manque sur la photo. Ceci ne modifie pas son point de vue : il reconnait ce qu'il veut voir, malgré l' u t i l i s a t i on du calque pour isoler la constella-tion du reste de la photographie, et pour comparer ce dessin avec la carte du ciel observée juste avant.
La taille des modèles d'étoile sur la maquette ne fait pas dif-ficulté : ce sont bien les plus lumineuses qui ont droit au plus grand dia-mètre (une telle représentation symboliq.e ne semble pas induire en erreur).
Pasc al a eu l'idée de relier les étoiles de la cons t e l l a t i on pour en isoler la forme. "les traits" c 'est parce que cela tourne.
On commente la forme des traits un peu petits pour révéler leur forme en arc de cercle. La courbure des petits arcs est en général observée et un éventuel centre de rotation (équivalent de la direction de courbure) est identifié.
Cependant il vaudra mieux à l'avenir s~parer le fait de .entrer une photo d'étoile et d'y reconnaître une forme et celui de là rotation photographiée de ces étoiles qui apparaît sur la photo suivante qu'ils étu-dient (corr e s pondant à un angle de rotation de 220
environ). Il ~st impor-tant qu' ils prennent du recul par rapport à la maquette pour se rapprocher par l ' i n t e r médi a i r e de la photo d'une observati on réelle. Il va de .~i que l'idéal est de faire authentifier ces documents en faisant ré_tiser par les élèves , en t r e les séances, des photos de ci e l ét oi l é en instan t ané ou plus simplement en rotation (cf. document sur la photo de ciel étoilé).
L'observation de cette nouvelle phot o d'étoil e s circumpè l ai r e s parcourant des arcs de cercle importants pose plusi eurs problème s.
A la question "e st-ce que cette photo a été faite pendant un temps court ou un temps long
?"
Pasca l répond que la ~hot o a été fa i te rapidemen t parce que "quand c'est une voitur e qui va vite on observe une grande trainée" . Il Y a mélange entre temcstcourt, vi t e s s e élevé e, flou des photos etc•.•Reconnaître que le trait fong parce que dans ce ca s l'appareil de photo est resté fixe et longt emps ouvert n'est pas immédiat. Il convient vr a i s embla-blement de bien expliquer comment l'expérience es t faite (on pourra i t évi
-demment imaginer une photo prise rapidement avec un appar e il se dépl açant rapidement et donnant un arrière plan très flou . Il es t certain ainsi que
la forme des mouvements en cercle n'est pas compatible avec une translation
même rapide d'un appareil de'photos) .
Ces problèmes disparaitraient en présence d'une expé r ience réal is ée . "L'étoi l e polaire est au Nord" ou "indique le Nord". En réal i t é la direction de l'étoile polaire et celle de la verticale form«Pt un plan qui contient le pole Nord. L'étoile polaire indique donc la direction du Nord.
4
-Les élèves reconnaissent immédiatement que le sens de rotation des étoiles n'est pas identifiable sur la photo.
Ils admettent bien que les arcs parcourus par différentes étoiles peuvent être différents en longueur; mais n'admettent pas la notion de vitesse angulaire. On se met d'accord sur une formulation de ce genre: les étoiles mettent le même temps pour faire ,un tour complet mais elles ne vont pas à la même vitesse. Une étoile proche de l'étoile polaire ira moins vite qu'une étoile plus éloignée.
Ils mesurent avec un rapporteur les angles correspondant aux différents arcs. Ils ne savent pas utiliser un rapporteur. Il faut leur apprendre à cOQstruire l~angle qui SOU> ~~J l'arc pour mieux le mesurer au rapporteur. Ils n'ont pas non,plus l'idée de r amener le 0 du rappor-teur surun.des bords de l'spgle ce qui permet une lecture directe. On aboutit à un relevé de valeurs d'angles avec une certaine dispersion. Aucune conclusion ne peut être tirée. Cela correspond-il au même angle
av~c des erreurs de mesure, ou à des angles différents. Ils ne savent pas. Il faudrait faire un histogramme de$ mesures sur une même grandeur mesu-rée par tous pour mettre'en évidence la variabilité expérimentale.
(dans ce cas le même arc). On pourrait ensuite mesurer les angles corres-pondant à d'aut~es arcs (pour chaque arc un histogramme) et comparer les histogràmmes.
La dernière phase est celle du calcul de la durée de la photo sachant que la période de rotation des étgiles est de 24h. (ce qu'ils connaissent). Il faut'remarquer alors l'algorithme de Jean-Claude. Il s'agit de calculer la durée correspondant à une rotation de 22° sachant que ie temps'de .rotpdonest de 24h pour 360°. La méthode proposée par Jean-Claude consiste à diviser ,360 par 2 plusieurs fois et faire de même pour 24h. On arri~eainsi à ,l h . 30 pour 22°5. Le second algorithme consiste pour évaluer l.e temps correspondànt à une hypothètique rotation de 18° à exprimer IhJO en minutœ et.diviser par ,2 ce qui donne 45 mn. pour 11°. La division p'eut alo~s être èffectuée ce qui'donne 4min. par degré. Il ne reste plus qu'.à ~ltiplierpar le nombre de dégrés. Les autres ont simple-ment effectué la division 360° par 24h'., ont trouvé 15° et sont restés bloqués probablement par le passage de l'exprGssion en heure à l'expression
en minutes. ' , ,
La difficulté d'untel calcul vient du mélanfe ent r e calcul de proportion habituel sur, des nombres et changement d unités .
5 - Il est évidêntque l~s élèves ont besoin d'activité physique et manuelle pour soutenir leur attention; et l'examen,d'un trop grand nombre de documents leur parait 'monot one . Un seul , exploité
à
fond est suffisa nt pour une séance.La reco~naiss.nce·,d'une constellation à partir d'une photogr aphie doit êtr e
supprimée sous cette fonne. On pourrait peut être l'imaginer après toute une' !fé~nce
où
les élèves se seraient initiés à la photographie. Celle-ci " été menée selon un rythme beaucoup trop lent. Si une discussion n'aboutL.pas rapidement, il faut couper, laisser murir l'idée, et trouver une autre fois une preuve convaincante. Il est clair également que la séance a intérêt
à être centrée autourd'uœou au maximum deux idées clef~, et que les questions à poser doivent être prévues très minutieusement.
SEANCE N 0 3
-? ..
1 a) Butstechetchés
-Nous voulions voir si les él~ves avaient vraiment compris la façon de choisir un repère pour représenter les différentes constellations et s'ils étaient capables d'utiliser correctement le rapporteur dont ils ignoraient complètement l'usage au début de la leçon précédente.
Il s'agissait aussi de passer du modèle plan présenté jusqu'ici à
une vision dans l'espace et surtout de montrer la relativité du mou-vement des étoiles pour un observateur terrestre.
b) Connaissances à mémoriser
-Encore une fois elles sont nulles, on espère;simplement que les élèves retiendront l'ordre de grandeur des dimensions terrestres.
c) Matériel
-Pour la construction de la carte du ciel les élèves disposent de papier circulaire, d'un rapporteur. Ils ont devant eux la grande carte mobile précédemment utilisée. On met à leur disposition un document
comportant un relevé des valeurs à utiliser et indiquant la façon de procéder (cf. pièces jointes).
"Sphère céleste" : Une boule de liège de 3,2cm de diamètre figurera la terre. Elle peut être adaptée à l'extrémité d'une tige qui la sup-portera et matéri~liseral'axe Nord-Sud. Cette tige traverse un bouchon. On l'introduit ensuite au centre d'un gros ballon de deux litres posé sur un support sur lequel le ballon est incliné d'environ 450
par rap-port à l'horizontale. La sphère, ou le ballon peuvent tourner aanuelle-ment, l'autre étant maintenu fixe.
2 Méthodes pédagogiques
-Tenant compte des observations faites au cours de la séance précé
-dente nous avons essayé de laisser,plus d'initiatives aux élèves et de les rendre plus actifs.
Nous leur avons distribué un document écrit, laissé le temps de le lire, de l'assimiler, et la liberté de l'interpréter eux-mêmes pour construire leur carte nous contentant d'expliquer'-et rectifier leurs erreurs.
3 COmportement des élèves
-Ils ont "monté" entre les deux séances, come on le leur avait proposé
à la fin de la séance précédente, la carte mobile dans son cache. Est-ce pour cela, il semble; - qu'ils aient fait un effort plus sérieux pour re-trouver les étoiles dans le ciel. Certains ont également cherch~ à savoir si l'appareil qu'ils possèdent pourrait leur permettre de photographier le ciel. Tous se promettent de faire des observations pendant les vacances.
Leur intérêt pour l'observation du ciel nocturne semble nettement s'éveiller. Ils ont bien assimilé l'usage du rapporteur. La façon de placer une étoile pour dresser la carte est comprise, mais les maladresses dans le choix du repère qui servira de point de départ sont nombreuses et -l'horizontale"
est
pour eux une direction privilégiée. La lecture du document a paru leur suffire, ils n'ont pas sollicité 4'eux-mêmes des complèments d'informations. Nous les2
-avons cependant aidés. Les erreurs qu'iis ont commises semblent relever de l'étourderie ou du manque de pratique plus que d'une difficulté de raisonnement.
Le passage à la V1S1on dans l'espace ne leur a pas posé de grandes A difficultés. Ils ont très vite admis le nouveau modèle, trouvé d'eux-memes qu'ils nous permettrait de déterminer les étoiles qui sont visible~ pour un observateur donné. Un élève a même spontanément proposé de representer le plan de l'horizon.
Lorsque nous avons essayé de faire réfléchir les élèves sur l'ordre de grandeur des dimensions terrestres nous avons p~ cons~ater.que :ela . ne leur était pas familier, et qu'au-delà de certa1nes d1mens1ons 1nhab1
-tuelles un facteur 10 ou 100 en plus ne parle pas à leur esprit. Ils ont par contre un peu plus le sens de l'ordre de grandeur pour les dimensions en rapport avec leurs connaissances habituelles (exemple 1.000.000 de km Poùr l~&iamètre de la terre ne les choque pas, 30km les fait bondir).
Le calcul du facteur de réduction permettant de passer du diamètre terrestre à celui de la sphère de liège représentant la terre nous a conduit à la constatation curieuse suivante : La question l peine posée les élèves ont tous posé la division après avoir pensé (sauf 1) à ajouter les zéros nécessaires pour convertir les km en cm. Ils se sont évidemment un peu perdus et 4/6 seulement sont arrivés au résultat correct : 400 mil-lions de fois plus petit. Or nous avons constaté en leur proposant la méthode de calcul utilisant les puissances de 10 que, non seulement ils la connais-saient, mais qu'ils l'utilisaient avec aisance! Aucun n'avait fait le lien entre l'exercice scolaire mathématique et la possibilité de son applicatio~ pratique.
Le point délicat, concernant le mouvement des étoiles par rapport à la terre nous a apporté des réponses au total plus satisfaisantes que celles que nous espérions. Ilr est cl~ir que nous les avons convaincus que pour l'ob-servateur terrestre les étoiles tournent d'est en ouest. Par ailleurs "ils savent" (parce qu'on leur a déjà apprià , et sans chercher de preuves autre que l'argument du jour et de la nui~, que la terre tourne, et ils ont vite trouvé que ce devait être d'ouest en est. Aussi un élève s'en tenant fer
me-ment à ces deux "savoir" pensait que l'hypothèse la plus plausible était les deux tournent.
Nous avons introduit une "manipulation" de la sphère céleste, qu'ils ont marquée eux-mêmes. Nous avons essayé de ne pas faire appel seulement à leur
imagination, mais procédé à une ~ronde" pour les aider à percevoir comment les mêmes faits sont observables suivant que la terre est fixe et que les étoiles tournent, ou suivant l'hypothèse inverse.
3
4 Descriptif
-On commence par vouloir reproduire sérieusement la Grande carte (d'une manière précise). Les élèves ont pour celà un papier circulaire gradué (lem entre cercles et 10° entre deux rayons consécutifs de tracé épais). Il s'agit d'inventer les coordonnées polaires.
Maria était partie de l'étoile polaire. Elle avait mesuré sur la grande carte tournante la distance entre l'étoile polaire et une autre étoile (prise en note par Béatrice: intérêt des notes en physique). Mais il ne suffit pas de mesurer des distances. Il faut aussi mesurer une orientation. Christiane propose de se repérer par rapport à une ligne horizontale. On passe progressivement à l'idée d'u~ser le centre comme point de repère pour les distances. La carte tournes' .'aut - i l une direction de référence. On utilisera un trait d~ diagramme circulaire, c'est plus facile pour se répérer. Ils ont tendance à se repérer d'étoile en étoile par un processus répétitif; ce processus accumule les erreurs.
Ils le reconnaissent ~ontiers. On partira à chaque fois de la direc-tion de l'étoile polaire. On peut aussi prendre le centre et une direcdirec-tion de référence qui peut être horizontale. Après avoir élucidé le processus de construct ion polaire, opération relativement aisée; ils passent indi-viduellement à la con~tructiond'une carte à partir d'un texte et de coor-données qu'on leur distribue. .
Les données numéri.ues sont déjà à l'échelle de leur papier. Ils n'ont pas de difficulté pour lire et comprendre les données. Chacun choisit sa constellation .
L'éxécution est plus difficile. Ils ont déjà utilisé le rapporteur sur la photo des étoiles. Ce n'est pas suffisant. Une leçon ne suffit pas pour
vraiment manipuler un rapporteur. Ils n'ont pas regardé le papier (il au-rait peut être fallu passer du temps sur ce point). Ils n'ont pas repéré que l'on pouvait faire la construction pratiquement sans rapporteur. (Ce ne serait pas le cas sur un papier blanc, ou millimétré carré). Ils se mon-trent très actifs et intéressés.
Dans la construction de la carte aussi on voit là la répétition d'un processus de construction compliqué quand il a été inventé une première fois. La recherche de la simplification est une opération de rupture par rapport au procédé connu et donc très difficile.
Le problème du "sens" des angles est soulevé. Il faut progressivement indiquer si l'on compte les angles dans un sens ou dans l'autre. On retrouVé
ce sens en regardant la carte et en comparant avec les lectures (329°~ 31°). On leur présente ensuite une boule de liège dont on dit qu'elle représente la terre (ils savent que celle-ci est aplatie aux Pôles).'
Pour la taille de la Terre l'un d'entre eux propose: 32 000 km de diamètre. Est-ce vraisemblable? Apparemment oui (32 km, non tout de même 1
1 million de kms peut-être !) On retrouve là la difficulté de se figurer des chiffres 12 800 kms, 3,2 cm pour la sphère de liège. Quel est le facteur de réduction : "combièn de fois on a réduit la sphère"• .Pour ce faire Christiane
4
-essaie de mettre les kms en cm. Le problème des puissances de
la
est posé. Ils connaissent le principe de fonctionnement des exposants mais ne les utilisent pas spontanément.L'ax e de l'appareil qui va supporter la terre représente l'axe nord sud: ils reconnaissent très facilement l'existence d'un tel axe de rotation et ne sont apparemment pas gènés par sa matérialisation sous forme de tige support. Il est essent iel de centrer l'attention sur cette terre fixée sur son axe. Maria reconnaît qu'on ne peut pas voir au travers de la Terre. Comment donc représenter les étoiles. Sur un globe tout autour •.• pour une partie des étoiles en tous les cas ce qui indique que Jean-Claude ne les considère pas à la même dis t ance et que l'effort de réduction de 3 dimensions à 2 dimensions se fait en partant d'un modèle d'étoiles dispersées à des distances variables. Ils acceptent volontiers que le globe permet de matérialiser en fait les
directions d'obs er va t i on des étoiles ... sans représenter les distances.
Ils placent alors l'étoile polaire dans le prolongement de l'axe Sud-Nord. On ne met pas encore d'horizon. L'objectif fondamental est de montrer l'en-semble du ciel pour se préparer à une observation dans la direction Sud par-ticulièreme nt interessante (Lune, planètes, etc ..• )
Ils vaent bien la rotation d'est en ouest de toutes les étoiles. L'inter-prétation de la rotation est alors la terre tourne, les étoiles sont fixes ou la terre est fixe les étoiles tournent, et l'hypothèse des élèves: les deux tournent ••. perce qu'on sait que la terre tourne et qu'on a vu que les étoiles tournaient.
Le s élèves se sont tenus à cette dernière hypothèse, juxtaposant des faits et ne les expliquant pas mutuellement. La compréhension du fait que tout mouvement doit être expliqué par rapport à certains objets que le point de vue sur le mouvement n'est pas le même lorsque deux observateurs sont en mOU'lement relatif,est gènée dans ce cas par la fiBcination qu'exerce inconsciemment le repère terrestre. Même avec un modèle il y a une diffi-culté réelle à les laisser spontanément passer d'un point de vue à un autre.
Il y a aussi le fait que les enfants ne matérialisent pas les étoiles, qu'ils
ne les imaginent pas comme des grandes quantités de matière mais comme des points lumineux dans une direction. Ceci pose peu t être la question de savoir s'il ne faut pas introduire ce problème de mouve ment beaucoup plus tardive-ment après avoir vu ce que sont les étoiles....
5
-5 - Le problème très délicat du mouvement apparent des étoiles, de celui de la terre, est à peine entrevu. Il faudra y revenir apr è s une semaine de "maturation", pour cela préparer très soigneusement les questions à poser, les exemples à choisir. Surtout il sera indispensable de fixer très claire-ment le point auquel nous voulons les mener. Il est particulièreclaire-ment évident dans ce cas, que toute affirmation, même si elle est acceptée ne leur appor-tera rien sur le plan de la compréhension et ne les aidera pas lorsqu'ils rencontreront des notions similaires.
CONSTRUCTION DE LA CARTE DU CIEL
Si vous voulez construire une carte semblable à celle que vous venez de voir il faut que vous soyez capable de placer les étoiles
des const ellat i on s que nous avons appris à reconnaître.
Pour vous aider vous avez un grand papier circulaire sur lequel sont placés des rayons. Mesurez à l'aide de votre rapporteur l'angle exis
-tant entre deux rayons consécutifs tracés en traits plus épais. Vous constatez que cet angle est de 10°. Quel est l'angle existant entre deux rayons tracés en traits plus fins? (2°) (Pour vous aider vous pourrez ensuite marquer au crayon quelques valeurs, mais évitez d'écrire trop de chiffres).
Vous constatez également que votre papier porte une série de cercles concentriques· entre deux cercles concentriques dont le tracé est plus épais la distanc~ est de Scm. Des cercles sont également tracés
en traits un peu plus fins. De l'un à l'autre le rayon augmente de Icm, ou 1/2 cm (trait encore plus fin).
Comment allons-nous utiliser ce papier pour construire notre carte ?
Pour situer une étoile il faut trouver sa place sur un rayon et aus~i sur un des cercles concentriques. Mais pour cela il nous faut choisir un rayon quelconque comme point de départ. Nous le marquerons 0°. Il sera bien commode de prendre comme repère un rayon sur lequel on pla-cera une étoile facile à reconnaître. Vous pouvez choisir celle que vous voulez.
Que vous faudra-t-il faire ensuite pour placer les autres étoiles ? Il vous faudrt situer la direction de l'étoile par rapport à la direction choisie comme re pè r e (ligne 0) et la distance comptée en cm qui la sépare du centre. Ceci vous permettra de placer l'étoile à l'intersection d'un rayon et d'un cercle concentrique.
Pour vous éviter d'avoir à faire les mesures sur la carte modèl e nous avons fait pour vous ce travail.
Pour cela nous avons dû faire nous aussi le choix de la di rection
repère (ligne 0 du rapporteur dont le centre est placé au centre de la carte) .
Nous avons décidé que cette ligne repère serait celle qui joint le centre de la carte à l'étoile très brillante qui s'appelle Deneb et appartient à la constellation du Cygne.
Voici tous les chiffres correspondant à nos mesures. Dans la prem1ere colonne se trouve le nom de l'étoile, dans la 2e vous trouvez une indication sur son éclat (les étoiles plus brillantes seront dessinées plus grosses) dans la 3e se trouve la valeur de l'angle entre la direction repère et l'étoile (angle entre les rayons de vos cercles) dans la 4e la distance au centre .
DIRECTION REPERE: la ligne joignant le centre des cercles à Deneb, l'étoile la plus brillante de la constellation du Cygne. Cette ligne est notée 0°
Constellation Taille Angle Distance 2 -~ <:4-~n.' au centre
J-..
-6 Persée 1•
100 ~ 10 2Algoi~ @> 97 12,2 3~
•
105 10,5 4 ()0
95 9,2 Nébuleuse d'Andromèdef)
59 12 Cephée 1o:
•
309 6,7 ~ /1 2 313 4,7~
•
3 22,5 5,5 4r
/1 44 3,2 5 t: /1 32,5 5,7 6 ~ /1 27 8 Girafe 1 cJ..•
122 6?
•
2 124 7,5 Dragon 1A
•
221 5,2 2K
•
236,5 5 3J...
•
260 6,2 4 ...(; • 281 7,7 5~
o
296 7 6 /1 297,5 6 7 /1 316 4,2 8•
324 4,5•
9 324 4 10•
338 4 Il•
347 4,7 120
338 5,5 13•
318,5 9,3 14 /1 312,5 9,2 15 0 312,5 9,5 16•
318 8,1Constellation Taille Angle
,
Distance au centre (cm) ,,-Deneb {~)
#
00 11 Cygne 1 '(0
355,5 12,2 2 ~0
346 11,2 Etoile Polaire0
900 0,2 1J...
0 213 7 Grande 2t3
0
213,5 8,5 Ourse 3r-
0
227 9 4~
•
233 8 5i-
•
243 8 6)
•
250 8,7 7~
•
253 10 Petite 1 &•
318,5 0,7 2f
•
302 2 Ourse 37
•
285 3 4?
•
290 3,5 5'f>
0
271,5 4 6 '10
280 4,5 Lyre Vega ~ 329 12,5. 2~
0
338 12,5 Cocher 1 Capella.. ~ ~ 123 Il 2r
0
138,5 Il ,2 3E
0
124 11,7 4~
•
126 12,2 Cassiopée 1 fi...0
60 8,5 2"
0
52,5 7,7 3r
0
63,5 7,24
~
•
71
7,5
5.
f
•
77 6,7 6 ~0
58 6;7SEANCE
N° 4
1 Buts recherchés
-Nous voulions revenir sur le difficile problème de la relativité du mouvement pour aboutir à l'idée fondamentale que décrire un mouvement n'a de sens que si l'on précise le repère par rapport auquel cette description est faite.
Ensuite nous désirions preC1ser les trajectoires décrites par les différentes étoiles suivant leur position dans le ciel et les di-rections dans lesquelles se fait l'observation. A ce propos nous voulions à nouveau amener les élèves à faire le passage du modèle sphérique à la représentation plane.
b) Connaissances à mémoriser
-On espère seulement que les élèves retiendront les termes d'équateur céleste, de bande du zodiaque et le nom de quelques constel-lations.
c) Matériel
--" l a sphère céleste"utilisée la fois précédente. Nous la faisons remplir à moitié d'eau noircie à l'encre de chine pour figurer l'horizon. Nous y plaçons quelques gommettes représentant les étoiles dont on cherche la tr a j ec t oi r e .
- des transparents projetables au rétroprojecteur pour l'exercice relatif·aux étoiles visibles suivant la situation sur terre de l'observateur. Un premier transparent que nous appellerons de base représente la terre. On peut superposer un 2e transparent sur lequel sont figurés la sphè re céleste, l'horizon, un observateur (à une échelle très agrandie). Les qua t r e points cardinaux sont indiqués
- une carte du ciel, semblable à la précédente (voir des-cription du matéri ~l séance n01), mais centrée sur le pôle sud (donc tournant en sens inverse). Sur cette carte, et avec la même convention sont représentées quelques constellations du zodiaque : la balance, le scorpi on, le sagittaire, le capricorne ••• Toute la région du centre ne porte aucune étoile. Un trait léger, blanc, figure l' éc l i pt i que . Devant
la car t e , à hauteur convenable, peut être placé grâce à deux supports un papier noi r . Il permettra de situer l'horizon.
2) Méthode pédagogique
-Elle est la même que lors des séances précédentes
de rendre actifs les élèves jeu de questions et réponses. 3) Compor t emen t des élèves
-essayer
La moitié des élèves, les filles, ont déclaré dès le début de la leçon avoir pendant la semaine refait le "jeu des étoiles". Comme "elles observent la même chose lorsque la terre est fix~ et que les étoiles tournent d'est en ouest, ou lorsque les étoiles sont fixés et que la terre tourne d'ouest en est, ou lorsque les deux tournent du sens inverse elles
en déduisent que les deux tournent". Interrogées elles disent que c'est parQu'on leur a montré que les étoiles tournaient et qu'elles savent que la terre tourne. Nous refaisons donc le jeu mais il ne leur permet pas q'arriver à la notion de système de référence. Nous passons alors au "jeu" que nous avions prévu.
2 -Appel ons le "jeu des voitures". Deux élèves "dans la même voiture" se déplacen t ensemble . Deux "voitures" circulent en sens inverse. Deux o b-servateurs fixés et situés face à face dans la rue regardent pass er le s voitures. Chaque élève est invité à observer ses 5 camarades et il doi t ensuite décrir e ce qu'il a vu. Un seul rédige vraiment son observation en termes de mouvement, les autres se contentent d'indiquer la posi t i on des élèves au déb ut puis à la fin de l'exercice (voir réponses jointes). La discussi on permet de leur faire trouver que le mouvement est décrit par l'observa t eur "de son point de vue". On se contentera d'aiThurs par la suite de cette formul e plus accessible.
Nous prenons un autre exemple, connu des élèves, celui de deux trains voisins. On revient alors au prob lème des étoiles et on fait trouver aux élèves que dans leur jeu ils ont toujours "bougé" par rapport à la sal l e. Ce prob l ème de répère est difficile pour eux. On résume la situa ti on un mouvement est décrit du point de vue de l'observateur et on coupe là. Trouver la trajectoire des étoiles en s'aidant d'une gommette fi xée sur la "sphè re cél e s t e" , par aî t facile aux élèves. Comme toujours toute activité manue l l e les séduit. Il n'y a aucun problème pour trouver que les trajectoir es de s étoiles situées près de la polaire sont des cercles décrits d'est en ouest. Voir que les étoiles observées dans la
directi on du sud ne décrivent que des portions de cerc le au dessus de l'hori-zon est asse z aisé . Mais nous sommes obligés de faire marquer sur le support où son t l'e s t et l'ouest pour que les élèves trouvent que les étoiles, elle s aussi se déplacent d'est en ouest.
L' exerc i ce (avec les transparents) que nous leur avons pro-posé ens ui te éta i t nettement trop difficile et les a ennuyé, Il nous a n éan-moins permis de nous apercevoir qu'une confusion semblait s'être introdui t e dans leur espri t entre ce que l'horizon empêche toujours de voir d'une par t, le jour et la nu i t d'autre part.
Lors que nous leur avons ensui te montré la carte du ciel centr ée
~ur le pôle sud ils ont très vite repéré le mouvement, S&~ sens - alors que lors de la 1è re séance le mouvement des ét oi l es à la même vitesse et en sens inverse ne leur était apparu qu'après un temps assez long et plusieurs sol-li c i t a t i ons de not r e part - Par contre, la raison pour laquelle nous n'avions pas mis d'ét oi l es dans la régi on centrale ne leur a paru évidente que l6rsque nous avons "placé " l 'hori zon. Mai s alors ils ont très bien su passer du modèl e plan au modèle sphérique . Le nom des constellations du zodiaque les a très moyennemen t intére ss é s : enfi n ils se sont mont ré s as s e z adroits pour, à l'aid e de scot ch , repr é s enter sur la "sphère céleste" l 'équat eu r céleste et la bande du zodiaque.
SEANCE N° 5
1 - a) Buts reche r ché s
-A la demande des psychologues nous avons demandé aux élèves de répo ndre par écrit à quelques questions pour véri f i e r comment ils avaient compris le modèle de "sphère céleste"utilisé, et s'il y avait~ ou non, eu conf us i on dans leur esprit entre la partie du ciel non vi-sible pour un observateur donné et la nuit (voir questionnaire et réponses joi t es ).
Ensui t e nous sommes passés à l'étude de la lune. Notre but était triple : en faisant le point de leur connaissance voir leur in-térêt pour un sujet d'actualité et le genre d'informations qu'ils re-tiennent ; étud i er le mouvement de la lune, les initier à l'examen de documents phot ogr aph i que s .
b) Connais s ance s à mémoriser
-Les noms des phases de la lune. c) Ma tériel ut i l i s é
-• Deux gr andes cartes (72 x 50cm) représentant l'une le premier, l'autre le derni er quartier (éditées par le "Central Office of Geodesy and carto-graphy" Pr ague 1958 )
• Par groupe de 2 élèves : 5 photographies (17x22cm) représentant les dif-férente s phase s de la lune et une donnant des images de cratères lunaires (en vente à l'Observatoire de Paris).
• Par groupe de deux élèves toujours pour étudier les phases de la lune : une plaque mé t~ l l ique recouver te d'un cart on indiquant les positions (fixes) où seront placés le soleil et la terre . Lb rb i te lunaire est représentée par un cercle sur lequel on a re~é hui t positions numéro tées ABC D E F G H. Le soleil est figuré par une sphè re peinte en orange , la terr~ et la lune par des sphère s dont une moitié , peinte en blanc, ser a l 'hémisphère tour né vers le soleil et dont l'autre moi t ié peinte en bl eu foncé schéma-tise la partie obscur e. Leur s ta i l l e s sont différent es ; ell e s tiennent sur le tab leau par de petits aimants. Les élèves feront le dessin sur une
feuille prépar ée à l'avance :~ c erc 1 e s numéro té s A B ••• • H recevront les observations faites dans les posi t i ons correspondantes sur l ' orbite .
Des calendri ers sont prévu s pour comparer les observa t ions faites avec les indications qu' il s portent .
Des sphères de liège permettront d'étud i er le mouvement de la lune sur elle-même .
2 - Mé thode pédagogique
-Le suje t nous paraissait favorable pour faire s'exprimer libre-ment les élèves. Le matériel dont nous disposions nous permettait de réaliser notre désir de les rendre actifs et de leur présenter les choses sous forme aussi concrète que possible.
2
-3 - Comportement des élèves
-Le s élèves n·ont pas montré de réticences pour répondre au
quest i onnaire . Les trois premières questions leur ont paru faciles, les
questions 4 ou 5 leur ont posé quelques problèmes (voir questionnaire
et réponses join t e s ).
Ils n' ont pas su expliquer clairement où ils avaient pr is
leur s informati ons et ont montré beaucoup de diffi culté pour s'expr i
-mer au t r emen t que pa r des lambeaux de phrase, mai s ils sava i en t déjà
beaucoup de choses, trè s va r i ée s sur la lune : dimensi ons, pesanteur,
absence d'atmosphère, température ••. Ils reconnaissent rapidement sur une photo du sol lunaire les différentes formes de cratères. Le pro
-blème de leur format i on les intéresse. Par contre ils calculent très lent ement , compte tenu de l'échelle du document, l'or dr e de grandeur du diamètre d'un cratèr e. Leur répugnance pour le ca l cul semble l'em
-por t er sur leur curi osi t é.
L'étude des pha s es de la lune nous a pr i s plus de temps
que nous n'av i ons prévu. Il nous a fallu expli que r longuemen t et dans
le moindre détail la façon d'utiliser le matériel , de dessiner les obser va t ions , peut êt r e parce que certai ns n'avaient aucun idée ou de s idée s fauss e s sur l'éc lairement de la lune. Avec beaucoup de logique un au moins a repér é la difficulté que présente le modè l e pour représenter la pleine lune. Leur s des s i ns ont été peu soignés et ils ont eu du mal à fai re le lien avec la représentation du calendrier. Par contre l'examen
des photo graphi es a donné de bons résultats. Les élèves, visiblement
séduits par la qualité des documents, ont très vite observé que l'on ne pouvait ident i fi er la phase de la lune représentée que si on pouvait placer le Nord et le Sud et ils l'ont fait spontanément en reconnaissant
un même cratè re sur le s diverses photos et la carte de la classe.
De là , il fut aisé de les amener à di re que l' on voya i t t ou-jours la mf me face. Pour tr ouve r si la lune tourne sur el le-même nous leur avons ret:r é le matériel précéden t qui est mauvai s pour cet exer -cice. Nous leur avons distri bué une sphère de li è ge sur laquel l e ils ont marqué la face visible . Ils ont essayé de faire tourner cette sphèr e
au t our d'un poin t fi xe. Après discus sion entre eux ils se son t mis d'a c-cord sur la bonne réponse. Un élève a même trouvé très rapi dement la
durée de la rot ati on de la lune sur elle-même. Les autres ont eu plus de
mal . Pour convainc re une élève il a même fallu lui fa i r e réal i s e r le
mouv emen t .
Ultérieurement nous avons distribué aux élèves une lectur e
sur la lune. El le semb le les avoir intéressés malgr é une plus grande
compl exité. Ils n'ont pas sollic i t é de notre part des complèments d'in-formations ma i s ont déclaré avoir cherché les mot s diffici les sur le die
3
4 - Descriptif
-Le début de la séance est marqué pa r des réponses éc ri tes données à un ques t ionna ire court sur la signif i ca t i on du matériel empl oyé au cours des séances pr écédentes pour figurer la ~phère cé l es te.
. Premiè re question : "Que représente le gr os ball on" ?
Un seul exprime vraiment l ' i dée de la représentation du cie l vu de la terre "Ce qui est visibl e dans le ciel en part an t de notre terre " . Le s autr es ré-pons e s peuvent êtr.e rangée s en "les étoi l es, le ciel" , "l'e sp ac e autour de la ter r e " , "l'atmos phè r e". Derrière ces réponse s apparaît le probl ème de la perc ep t i on de l ' es pace extraterrest re comme un espace à troi s dimensions
peuplé d'objets par opposition à la représen ta t i on qu'on en a (puisqu 'on ne peut s'y mouvoir et qu'il n'y a aucun moyen si mp l e de percevoir la troi -sième dimens ion) qui est celle d'une "voute ou sphère céleste" . O:tte ab s ence de la trois i ème dimension a tendance à dêmatérialiser les objets (la matiè r e a trois dimea sions !) et permet en même temps une représentation cartogr a ph i que relati vemen t aisée (à cec i près qu'i l s'agit de projeter une sphèr e sur un plan, ce que nous avons réa l is é sur deux plans tangen t s à la sph èr e et per
-pendicul a i r e à l ' axe Sud-Nord. La réal isa t ion ultérieure de maque t t e dans notre espace à trois dimens i ons et qui ne soit pa s la simple reproduction de la sphè r e céleste sera néce s saire pour faire sentir ce~peuplementmatérie l de l ' Un i ver s.
Il reste que la repr é s entation à deu x dimensions sur une
sphère est indispens able pour in t rodu ire et faciliter l' ob s ervation pour
acquéri r cette familiarité avec le ciel de jour ou de nui t sans laquel l e une ini t i a t ion à l'astronomi e serai t pas sab l ement dénuée de sens réel.
Deuxième que stion: "Que représente la petite boule à l' in t ér i eur " ? Unani men t , c'est la terre. L'obser vation de cette boule pour elle-même~(sé parée donc sortie de la "s phère céleste") un calcul d'éche ll e (s éance n03) "nt
cer ta i nemen t . ac i li t é la reconnaissance correcte de la signification de ce t t e repr és en t a tioll.
Trcisième question : "Que repr ésente la tige que vous tourne zl l
Deux cat é gories de répons e s : l'une insistant sur l'asp ec t rot a t i on de la
terr e autour d'un axe, l'autre sur la di recti on p ivil é gi ée d' un axe qui est Sud-Nord ou Nord-Sud. Il y a manifes t emen t une grande familiarit é avec le
fai t que la terre tourne autour d' un axe qui passe par les pôles. Et la r~
pr é s ent a ti on proposée qui de plus est opéra t i onnel l e ne le s gène pas. Quatrième question :" Pour quoi le ballon est-il incliné" ?
Ce tte que stion fait ré f érence au fai t que l'on ut i li s er a pour simu ler l'ho -ri zon une surface de li qui de effectivement horizont a l e. Cer ta ins par mi eux
voi ent la liaison entre inclinais on du ballon et inclina i s on de l' axe de la Ter r e . "parce que l'axe de laA:erre est penché donc le ball on l'e s t aus si"
"car normal emen t la Ter re est inc linée" . Cer t a i ns ne répondent rien vi s ibl e
-men t ennuyés par une telle que s t i on . Enfin certains menti onnent l'inclinai s on
de l'axe de la Ter re sa ns fi nal ement indiquer par rapport à quoi. Et on peu t
se demander s'il n'y a pas des remi nisc en ces d'une information antérieure (qui ne vient pas de notre cours) ooncernant l ' i nc l i na i s on de l' axe de la
terr e par rappor t au plan de soh orb ite autour du sol eil, inc l inaison qui est par exemple représentée avec tous les globes comme~ 1 4~ ~ • Ici il s'agit d'inc l i ne r l'axe de rotation de manière à teni r comp te de notre la titude c'est à dire de la hauteur de l'étoile polai r e dans le cie l au dess us de
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-Cinquième question: "Que représente l'eau"
?
Unanimement "l'eau représente l'horizon. C'était nos conventions. Elles ont été parfaitement acceptées et reconnues.
Sixième question : "Pourquoi est-elle noire" ?
Trois réponse s montrent une incompréhension de notre intention : "Pour mieux se re pré s en t er la nuit". Le mot de noir peut suggérer cette réponse si son influe nce est prépondérante. En réalité il n'est pas aberrant de penser que le spectau1e des étoiles étant vu la nuit (et on représentera les étoi l e s ) le plan de l'horizon soit sombre. Ce qui est plus incorrect c'est
de répondr e "Pour ne pas confondre le jour et la nuit", l'eau noire représente le jour". Cep endan t on n'a pas encore abordé avec eux la trajectoire du soleil
et le pass age nuit-jour. Toutes nos observations sont a priori nocturnes. Enfi n deux réponses correspondant à notre attente " l'hor~zon est noir car on ne voi t rien à trave rs l'horizon normalement".
Il résulte de ces réponses l'impression que les élèves ont en généra l saisi l'inten tion et l'usage de représentation à deux dimensions sphér i ques de ce t te sphè r e céleste comportant une terre au centre. Il faudra probablemen t bi en insist«sur le fait que toutes les observations ainsi décrites
sont faites de nuit mais qu'on peut aussi ultérieurement faire appar~ître le solei l et qu ' a l ors la couleur de l'horizon veut seulement dire que l'on ne peut pas observer au travers.
Il restera nécessaire de passer ensuite à trois dimensions par des maquettes.
La séance continue ensuite par une discussion sur la lune.
C'~s t en ef f e t un bon moyen de commencer de peupler cet espace extérieur d'obje t s matériels dont on connait déjà beaucoup de choses comme va le révé ler la di s cussion avec les jeunes.
Ils nous disent d'eux-mêmes son diamètre approximatif (en
rap-port avec celu i de la Terre ~ 1/4), qu'i l n'y a pas d'atmosphère, qu'il faut
mettre donc des sCfl'DhJa res , qu'on saute plus fac i l emen t et qu'on n'''attérit'' pas sur la lune ; que la lune est le satellite natur e l de la terre, qu'e l l e est recouver t e de mer (sans eau) et de cratères , qu ' i l y a un écart de pl us
de 1000 entre le s températures de zones éclairée s et de zones dans l'obs cu
-rité.
On leur propose des photos de la surf ace pour un peu mi eux o
b-server le s cra t è r e s (ils n'ont jamais regardé la lune dans une jumelle ou une
lunett e , ils ne savent pas non plus de quel côté elle se trouve dans le ciel
et encore mo i ns qu'elle suit une trajectoire appar ente voisine de celle du soleil). Cela donne lieu à une discussion sur l'origine passible des cratÈres .
Il s ne relien t pas ces cratères à des volcans et encore moins à des impact~
d'obje ts lour ds. Par contre Maria déclare qu'on doit pouvoir connaître la
profondeur (ou hauteur) des cratères grâce à la taille de l'ombre des bords.
En même temps une observation soigneuse leur montre différentes formes de
cratères (bords plus ou moins atténués, piton central etc ••• ). Nous sommes fi na leme nt amenés à proposer l'explication des cratères par collision.
La grande carte lunaire nous permet aussi d'évaluer la dimen-sion des cratères. Ils mesurent le diamètre d'un cratère sur la carte, le diamètre de la lune qu'ils connaissent par ailleurs. La déduction du dia-mètre réel du cratère est toujours excessivement laborieuse. Plutôt que de faire le rapport des diamètres sur la carte pour en déduire le rapport des diamètres réels ils préfèrent s'en tenir à l'emploi du facteur échelle
5 -la même grandeur est réduite quand on passe de -la réalité à -la carte.
Il semble que ce phénom~ne qui leur fait préférer le rapport de deux chiffres pour une même grandeur plutôt que celui de deux grandeurs pourtan t de même nature soit assez général. Le problème sera analogue dans le cas des calculs à par tir des diamètres apparents.
On passe ensuite aux phases de la lune. Ils savent qu'on peut
voi r la lune de jour. Ils conna i s s ent les formes des phases de la lune sans
bien sûr leur chr onologie . La lune est éclairée par le soleil. Mais ils ne
savent pas explique r les formes. Il faut remarquer que la lumière renvoyée
pa r la lune ou envoyée directement par le soleil est plutôt appelée chaleur. Pascal propose même que c'est l ' ombr e de la terre qui créée ces formes .
On leur donne alors le modè l e des boules sur aimant pour
figurer le sole i l, la Terre et la lune , dans des relations topographiques.
Le modèle est bien accepté. Jean-Claude en comprend tout de suite une des limites en remar quan t l'impossibilité de la pleine Lune. Il ne signale pas la difficulté symétrique de la Terre partiellement cachée par le lune. Ces deux difficulté s ne sont toutefois pas essentielles car il va s'agir d'ob-server la lune vue de la terre avec l'oeil au dessus de la Terre, la face éclairée de la lune étant placée en fonction de la position par rapport au soleil. Il conviendra cependant de faire ultérieurement un modèle Terre-Lune à échelle, qui tient aisément dans une classe avec des boules de
quelques cm de diamètre (rapport 30 entre diamètre terre et distance Terre-Lune). On peut aussi lever partiellement la difficulté en inclinant le plan de l'orbite de la lune de quelques degrés. Cependant la taille des sphère gènera toujours par rapport aux distances entre sphères.
Il faut remarquer par ailleurs à nouveau l'intérêt renouvelé
de s enf an t s q~and il s'agit de travailler sur un mont8ge et plus de discuter.
L' objec t i f était de leur faire obser ver puis dessiner la forme de la fron t i è r e entre partie claire et partie sombr e de la lune pour 8 posi
-ti ons de la lune autour de la Terre par rapport à la direction Soleil-Terre.
Ils ont du mal de représent er (ou d'ob s er ve r 7) correc teme nt la forme des frontières, malgré le fai t que ces cercl e s dess iné s à l'avance leurs sont donnés pour être remplis à chaque position correspondante . Il est
cependant déjà important qu'ils sachent montrer si la partie éclairée est
à gauche ou à droite du cercle. En génér al par contr e ils ne représentent pas la structure symétrique par rapport à un axe horizontal.
De plus ~ ne remarquent~s les poi n t s d'encrage de l'ombre
sur l' axe verti cal (~ et non ).
Une autre difficulté du mo le qui nous a inquiété était celle de la confusion entre l'axe de l'aimant et l'axe de rotation de la Terre. Le modèle en effet ne s'intéresse pas aux axes de rotation mais simplement aux formes apparentesdes régions éclairées et non éclairées. On pourrait remédier à cette difficulté en indiquant par une épingle que l'axe de rotation de la Terre n'est pas 'per pendi cu1a i r e au plan de l'écliptique qui dans ce cas est parallèle à celui de la table. Remarquons aussi qu'un exercice de contrôle possible mais non essayé consiste à faire observer les phases de la Terre vue de la Lune pour les différentes positions de la Lune.
