Résumé : Deux types de simulations sont ici proposées : les éclipses et la pénombre.
Objectifs : Etre capable de poser des questions précises et cohérentes à propos d'une situation d'observation ou d'expérience - Avoir compris et retenu quelques phénomènes astronomiques - Avoir compris et retenu un petit nombre de modèles simples concernant ces phénomènes.
Matériel : Lampe de poche, projecteur de diapos, cylindre de bristol, "ballons-Terre" (gros ballon), "Lune" (balle)
Plutôt que de proposer aux enfant la "manip" figurant au début de ce dossier, il sera préférable de les faire participer à une simulation plus spectaculaire, dans un lieu assombri : on aura besoin d'un matériel très simple, le même que celui décrit plus haut pour simuler les phases de la Lune. Le ballon-Terre sera placé sur un cylindre de bristol posé sur une table d'élève ; le projecteur sera au même niveau pour l'éclairer de plein fouet.
Les enfants, en demi-groupe classe, s'assiéront à l'arrière du ballon-Terre comme sur la figure 6, en faisant face au mur. Dès que le projecteur sera allumé, ils verront bien sûr l'ombre du ballon se projeter sur la cloison (à côté d'autres ombres qui ne figurent pas sur le croquis). Précisons tout de suite que le cône de pénombre n'étant sans doute pas discernable (pour de multiples raisons), l'éclipse correspondante ne pourra être simulée ici mais le sera ultérieurement.
A - Simuler une éclipse
Simulation préliminaire
Elle a pour but de montrer que la zone d'ombre qui se forme derrière le ballon-Terre peut être mise en évidence autrement que par sa projection sur le mur, et qu'elle est en trois dimensions. Les enfants prendront conscience à cette occasion qu'une ombre n'a pas de consistance matérielle : elle n'est qu'une absence de lumière ; ensuite, elle n'est pas discernable derrière l'objet éclairé : il faut qu'un obstacle puisse l'intercepter pour qu'elle se révèle.
Debout près de ses élèves à l'arrière du ballon, le Maître place sa main ouverte en pleine lumière puis la déplace lentement pour qu'elle s'assombrisse dès que le ballon lui fait écran : les spectateurs remarquent aussitôt que " sur le mur, l'ombre de la main entre et se cache dans l'ombre du ballon ! ". L'enseignant recommence plusieurs fois mais à différents endroits, pour faire apparaître les limites de la zone d'ombre aussi bien en hauteur qu'en largeur, et montrer qu'elle s'étend bien sûr en profondeur. Les enfants découvrent qu'elle a une forme cylindrique, ou plutôt conique puisque l'ombre projetée sur le mur est plus grande que le ballon lui-même : le Maître explique en passant que le cône d'ombre de notre planète va au contraire en diminuant jusqu'à former une pointe car le Soleil est beaucoup plus gros que la Terre, alors qu'ici c'est l'inverse.
Simulation sans éclipse
L'enseignant prend le ballon-Lune et le fait graviter autour du ballon-Terre (dans le sens correct) mais en veillant d'abord à ce qu'il passe légèrement au-dessus du cône d'ombre. Les enfants constatent, plutôt déçus : "On l'a pas vu s'éteindre parce que tu l'as fait passer trop haut ! ".Le Maître justifie le choix de cette trajectoire en disant que c'est habituellement celle de la Lune, sauf en de rares occasions, ce qu'il va montrer maintenant.
Simulation avec éclipse totale
Le ballon-Lune recommence un nouveau tour, mais cette fois l'enseignant le fait passer au beau milieu du cône d'ombre. Ravis, les enfants s'écrient : " Ca y est, le voilà qui s'éteint ! Mais il va se rallumer quand il va sortir de l'ombre ! "Après avoir fait rectifier aux spectateurs leur façon de commenter l'éclipse (" Le ballon s'assombrit puis s'éclaire à nouveau" ), le Maître effectue deux ou trois tours supplémentaires pour permettre les constats suivants : juste avant de s'éclipser le ballon est éclairé de face, c'est donc la Pleine Lune ; l'éclipse totale va durer plus ou moins longtemps selon le trajet parcouru dans l'ombre ; elle peut être observée de toutes parts depuis la moitié nuit du ballon-Terre ; enfin, les deux ballons sont alignés avec le projecteur : "On pourrait les enfiler tous les trois sur une grande tringle à rideaux".
Simulation avec éclipse partielle
Le Maître va amener les enfants à chercher une nouvelle façon de faire passer le ballon-Lune par rapport au cône d'ombre, c'est à dire, ni tout à fait en dehors, ni tout à fait en dedans Il confie l'objet à un élève qui finira par trouver la solution : le ballon doit passer à cheval sur la lisière du cône d'ombre, de façon à entrer légèrement dedans. Les spectateurs commentent : " Quand la Lune passe de cette façon, on la voit qui reste toujours un peu éclairée comme un drôle de croissant ! "
A propos de ce "drôle de croissant", si un élève est invité à refaire cette fois une éclipse totale ( photos C1, C2 et C3 ), en faisant pénétrer très lentement le ballon-Lune dans le cône d'ombre, ses camarades verront que cela commence par une éclipse partielle : au début, la face éclairée est juste un peu échancrée par l'ombre ( photo C2 ). Certains enfants se souviendront alors des photos entrevues sur des documents et s'apercevront de leur méprise puisqu'ils avaient pris pour une Lune en croissant une Lune partiellement éclipsée !
Photos C1,C2,C3
B - Simuler la pénombre
Si les lampes de poche possèdent un réflecteur assez lisse, circulaire de préférence, ces jeux vont permettre de découvrir l'existence de la pénombre, cela de manière fort simple (figure 7 ). Il suffira de mettre chaque lampe sur un banc ou une table pour qu'elle éclaire un objet posé devant elle (un petit cylindre de bristol étant tout indiqué), et qu'un écran blanc (en bristol) soit fixé un peu plus loin, sur la tranche du support. La surface de celui-ci entre la lampe et l'écran devant être blanche également, on la recouvrira s'il le faut de papier ordinaire. Le Maître va présenter l'expérience suivante devant trois groupes successifs d'une dizaine d'élèves qui pourront ensuite la reproduire à volonté.
Découvrir la pénombre
Une des lampes étant allumée, les enfants voient l'ombre du cylindre se projeter sur l'écran et remarquent deux zones contrastées : lune, gris foncé au centre et l'autre, gris clair tout autour. Le Maître explique que cette dernière s'appelle la pénombre, qu'elle enveloppe l'ombre proprement dite et que c'est la même chose pour l'ombre de notre planète. Puis il montre, avec un tout petit cercle de bristol, qu'il existe des éclipses de Lune par la pénombre : les enfants constatent que la blancheur du cercle est très peu affectée lorsqu'il traverse la zone de pénombre en haut du cylindre ( fig. 7, en a ), alors que ça n'est pas le cas si on le fait pénétrer dans la zone d'ombre ; ils en déduisent que " ça doit être pareil pour la vraie Lune ! ".
Jouer avec la pénombre
Ensuite, l'enseignant attire l'attention des élèves sur le fait que les deux zones d'ombre se voient également sur la table à l'arrière du cylindre, mais qu'au pied de celui-ci, il n'y a pas de pénombre : elle apparaît peu à peu en s'élargissant progressivement jusquà l'écran. Un enfant est alors chargé de déplacer lentement le cylindre vers ce dernier Ses camarades, (qui nont pas encore mémorisé le mot " pénombre ") s'écrient : " L'ombre plus claire diminue, diminue ! Et maintenant on ne la voit plus du tout ! ".En effet, lorsque le cylindre arrive au pied de la feuille de bristol, seule son ombre " foncée ", aux contours maintenant très nets, reste visible. Le cylindre effectue ensuite le trajet inverse, jusqu'au pied de la lampe, et les spectateurs assistent, sur la table et lécran, à la " renaissance " de la pénombre, laquelle s'élargit de plus en plus.
Observer le phénomène "par le petit trou de la serrure"
Le cylindre est replacé à sa position première, à peu près à mi-chemin entre la lampe et l'écran, de façon à obtenir sur celui-ci une pénombre large de 2 à 3 cm. Les enfants, intrigués, voient le Maître pratiquer avec une épingle 4 trous à peu près alignés, comme sur la figure 7 en b : le premier trou, en zone éclairée, les deux suivants, dans la pénombre, et le quatrième, dans l'ombre.
Un élève est invité à se placer derrière l'écran et à regarder successivement dans les quatre trous : " Là, j'vois la lampe toute éclairée ! (trou 1). Ici, j'la vois, mais elle est un p'tit peu cachée ! (2). Maintenant, j'la vois presque plus ! (3). Ben là, c'est tout noir dans le trou ! (4) ". Comme le bristol est suffisamment mince, la lumière de la lampe se voit au travers ainsi que les deux zones d'ombre. Aussi, les enfants vont-ils venir vérifier chacun leur tour les dires du premier, en particulier le fait que dans les deux trous de la zone de pénombre, la source lumineuse soit visible partiellement : ils comprendront ainsi qu'une ombre ait pu se former et il leur semblera logique qu'elle soit plus claire que lorsque tous les rayons lumineux sont stoppés.
Pour terminer, le Maître propose le jeu suivant : l'écran de bristol est enlevé et remplacé par un autre, mais en double épaisseur (donc opaque), mobile et percé au centre d'un seul trou d'épingle : ce dernier est repéré, côté spectateurs, par un gros point rouge. Un enfant se place au même endroit (au bout du banc ou de la table) en tenant cet écran devant son visage et en le déplaçant légèrement à plusieurs reprises. Selon ce qu'il verra dans l'unique trou, il devra en déduire où celui-ci doit se trouver, soit dans la zone éclairée, soit dans l'ombre ou dans la pénombre. Les spectateurs seront en mesure de vérifier ses dires en regardant l'éclairement du point rouge sur l'écran. A l'inverse, ils pourront lui demander ensuite de positionner le trou soit dans la lumière, soit dans l'ombre ou dans la pénombre.
