Fiche pédagogique de l'animation "Le bleu du ciel" (niveau école)

Présentation de l'animation "Le bleu du ciel" - niveau école élémentaire

 


Cette animation permet de répondre à la question apparemment simple : Pourquoi le ciel est-il bleu ?  tout en utilisant un vocabulaire spécifique très précis (irisation, prisme, particules d'air…). Elle aborde également les raisons du changement de perception de couleur du Soleil au moment de son coucher.

Après une introduction présentant les objets émetteurs et réflecteurs de lumière (Soleil, Terre, étoiles), le rôle essentiel de l'atmosphère est mis en avant.  Des allers et retours entre les différentes régions de l'espace, ainsi qu'une plongée dans l'atmosphère permettent de bien appréhender l'importance de " cette couche pourtant invisible " et son rôle dans la réflexion de la lumière.

Cette animation se découvre de façon linéaire au fil des 8 onglets présents et propose une découverte progressive des notions suivantes :

- La lumière du Soleil qui éclaire.

- La vision bleue de la Terre vue de l'espace. Rôle de l'atmosphère : la lumière du Soleil traverse cette couche et nous éclaire.

- La composition de la lumière du Soleil. La lumière blanche du Soleil est composée de différentes couleurs visibles grâce à  un prisme.

- La diffusion de la lumière : les molécules d'air diffusent la lumière du Soleil. Le ciel est bleu parce que les radiations bleues sont davantage diffusées que les autres radiations : le bleu 16 fois plus que le rouge.

- Pourquoi le ciel est-il rouge le soir ? Plus le Soleil baisse sur l'horizon, plus les rayons du Soleil effectuent un long trajet dans l'atmosphère et plus ils rencontrent de molécules susceptibles de les diffuser. Le soir les rayons venant du Soleil ne comportent plus que la couleur rouge.  Une réelle plus-value pédagogique est apportée au travers d'une simulation qui permet de modifier la position du Soleil, de faire varier l'épaisseur de l'atmosphère traversée et ainsi de faire apparaître les différentes couleurs : bleu, jaune, verte, rouge.

Textes de référence

Cycle 3 (CM1/CM2)

Programmes 2015

La planète Terre. Les êtres vivants dans leur environnement.

• Situer la Terre dans le système solaire.
• Décrire les mouvements de la Terre (rotation sur elle-même et autour du soleil)

Socle commun de connaissances et de compétences : 

Découpage de l'animation

Cette animation est structurée en huit onglets (qui se découvrent de façon linéaire) et trois dossiers d'information qui peuvent être consultés au fil de l'animation. L'accès à ces derniers permet d'accéder à davantage d'informations afin d'étayer les connaissances. A noter que lorsque l'on relance l'animation en entier, les dossiers d'information sont cliquables dés le début.

Présentation dynamique du système Soleil - Terre - Lune. Le Soleil est présenté comme une étoile importante pour les êtres vivants sur la Terre. L'animation présente en effet les "objets" qui envoient de la lumière et ceux qui la réfléchissent.

Définition des termes d'émission et de réflexion de lumière.

Le voyage dans l'espace continue en comparant la visibilité de la Lune et de la Terre. La lune apparaît grise alors que la Terre apparaît bleue. C'est ETRANGE, conclut l'animation !!!

Cet onglet est une immersion dans l'atmosphère terrestre. Il permet de mieux se rendre compte de l'importance de cette couche.

Précise que la plus grande partie de la lumière émise par le Soleil traverse l'atmosphère et nous éclaire.

La présentation de l'arc-en-ciel et du spectre de la lumière blanche permet d'illustrer le fait que cette dernière est composée d'une infinité de lumières colorées.

Présente différents moyens de décomposer la lumière blanche : un prisme, un morceau de verre, et le phénomène d'irisation de surface. La lumière blanche est donc un mélange de différentes couleurs, qui déviées par un prisme, sont ainsi rendues visibles.

Le parallèle avec le jet d'eau sur le buisson permet d'illustrer simplement le phénomène de diffusion de la lumière et un schéma simplifié donne une vue d'ensemble en fonction des différentes longueurs d'onde et en particulier de la lumière bleue. La lumière émise par le Soleil frappe les particules d'air. Le bleu est la couleur la plus diffusée (16 fois plus que le rouge).

La couleur du ciel  observée lors d'un coucher de Soleil est expliquée par les différentes lumières diffusées et par l'épaisseur plus ou moins importante de la couche d'atmosphère traversée (ratio de 1 à 100). Cette partie permet de réinvestir la notion de diffusion de la lumière.

Une simulation propose de modéliser la diffusion de la lumière du Soleil pour expliquer les différentes couleurs que peuvent prendre le Soleil et le ciel au cours de la journée. L'écran est séparé en deux : une photo du monde réel et une modélisation où il est possible d'avancer et de reculer dans le temps afin de modifier la quantité d'atmosphère traversée. Les différentes couleurs qui apparaissent au moment du coucher du Soleil sont ainsi très clairement visibles : bleu / vert / jaune / rouge.

Cette dernière partie conclut très succinctement l'animation.

Suggestions d'exploitation pédagogique en classe

Vocabulaire spécifique à acquérir 
Il conviendra de faire acquérir le vocabulaire spécifique (vocabulaire actif) qui sera réinvesti lors des phases de verbalisation (tout au long de la démarche d'investigation) : lumière, ombre, source lumineuse,  planète, étoile, système solaire, satellite, rotation (axe de rotation), atmosphère, prisme, irisation. 

Proposition de séquences 
L'étude concernant le bleu du ciel n'est pas explicitement citée dans les programmes de l'école élémentaire. De ce fait le travail mené  le sera essentiellement en cycle 3, dans un cadre pluridisciplinaire et transversal avec des ancrages forts en maîtrise de la langue et mathématiques. 
Il sera en outre fondamental d'élargir la réflexion au domaine du " ciel et de la Terre "

Ces séances devront de fait être menées dans le cadre d'un projet et de recherches liées à la démarche d'investigation : point de départ à un questionnement, outil d'aide documentaire, temps de retour sur les conceptions initiales.


1.    Mise en place de la problématique afin de faire émerger les conceptions initiales des élèves
Point de départ, un questionnement initial basé sur un relevé d'observation établi par les élèves : ce questionnement sera déclencheur de la démarche d'investigation.
Nous observons quotidiennement que le ciel change de couleur. Si l'on excepte la couleur donnée par les nuages, nous pouvons observer que le ciel peut être de couleurs  bleue, jaune, rouge ….
A votre avis, qu'est-ce qui donne sa couleur au ciel ? Comment expliquer qu'elle varie au fur et à mesure de la journée ?
Les premières propositions des élèves seront notées et gardées comme trace initiale. Elles permettront en outre, au terme de la démarche d'investigation proposée, de revenir sur les conceptions initiales erronées.

2.    Pré requis à consolider en prenant appui sur les onglets 1 et 2 de l'animation :
-    La dynamique du système Soleil/Terre/Lune : destinée à faire émerger les notions d'émission et de réflexion de la lumière.
-    Le Soleil et les planètes : ces dernières tournent autour du Soleil et ne produisent pas de lumière. Elles renvoient celle du Soleil, ce qui les rend lumineuses.

3.    Réalisation d'expériences sur l'arc-en-ciel
En lien avec les onglets 4 et 5, de petits défis scientifiques pourront être proposés aux élèves. Un travail par groupe permettra de réaliser deux expériences. Les confrontations entre les pairs seront nécessaires afin de faire émerger les notions à acquérir. Il peut être intéressant de communiquer à une autre classe le fruit de la réflexion.
La maîtrise de la langue prend ici toute sa place :
- dans la mise en place du protocole : utiliser les termes spécifiques afin d'installer son atelier de manipulation.
- dans la prise de note et l'élaboration de schéma : faire noter ce que l'on a observé, écrire les premières conclusions que les élèves en ont tirées.
- dans le cadre de la langue orale : les élèves seront invités à présenter leur expérience, à en décrire le déroulement et en tirer les premières conclusions.
TICE : Filmer les expériences mises en place.

Expérience 1 : Un arc-en-ciel dans la classe

Objectifs
Mettre en évidence que la lumière du Soleil est composée de différentes couleurs.
Comment obtenir un arc-en-ciel ? Le rôle de l'eau peut être testé en se référant aux conditions naturelles : on observe un arc-en-ciel après une bonne averse lorsque le Soleil est situé à mi-hauteur dans le ciel (inférieur à 41°).
Matériel 
o Un bac rempli d'eau
o Un miroir
Manipulation
1.    Placer le bac rempli d'eau près d'une fenêtre d'où entrent de beaux rayons de Soleil (si le  Soleil est caché, on  peut utiliser une lampe).
2.    Éteindre les lumières dans la pièce.
3.    Placer le miroir dans l'eau.
4.    Incliner le miroir de façon recevoir  la lumière du Soleil (ou de la lampe) sur le mur ou le plafond blanc ou y accrocher une feuille de papier blanc.
5.    Attendre que l'eau s'immobilise.
6.    Observer l'arc-en-ciel qui s'y est formé.
 

 

Interprétation
Le phénomène physique mis en jeu ici est la réfraction.
La lumière blanche est composée d'ondes électromagnétiques de longueurs d'onde différentes correspondant à différentes couleurs. Lorsque la lumière change de milieu elle est réfractée :  ici en passant de l'air dans l'eau, ou dans un prisme, de l'air dans le verre. Chaque composante est déviée d'un angle différent qui dépend de sa longueur d'onde. Les rayons changent de direction chacun avec la sienne propre, ils se trouvent ainsi séparés. Ils sont ensuite réfléchis par le miroir puis de nouveau réfractés en sortant de l'eau. On observe alors " les sept couleurs de l'arc-en-ciel " qui sont ce que notre œil perçoit de la multitude de couleurs dont est composée la lumière blanche. Le rouge, radiation visible de plus grande longueur d'onde, est moins dévié que le bleu.

Décomposition de la lumière par un prisme (dossier onglet 4 de l'animation)

Expérience 2 : Un arc-en-ciel sur des gouttes d'eau
Objectif
Obtenir un arc-en -ciel en mimant les conditions naturelles : on observe un arc-en-ciel après une bonne averse lorsque le Soleil est situé à mi-hauteur dans le ciel (inférieur à 41°).
Matériel

• Un tuyau d'arrosage
• Choisir une belle journée ensoleillée.

Manipulation

1. Se placer dos au Soleil avec le tuyau.
2. Régler le débit du tuyau afin d'obtenir de grosses gouttes.
3. Orienter la lance à 45° par rapport à l'horizontale pour avoir un rideau de pluie tombant d'une bonne hauteur.
4. Observer l'arc-en-ciel sur l'écran de gouttelettes d'eau.

Interprétation
La lumière solaire est réfractée à  l'entrée et la sortie de chacune des milliers de gouttes d'eau selon des directions particulières propres à chaque couleur. L'observateur perçoit le résultat de tous ces trajets. Au bilan, il voit le rouge (radiation la moins déviée) sur le bord extérieur de l'arc-en-ciel et le bleu en dedans.
Attention, le jet d'eau dans l'animation (onglet 4) est  utilisé pour visualiser le phénomène de diffusion. 

Outre la production vidéo, il conviendra d'élaborer une trace écrite.

Proposition de production : " La lumière blanche du Soleil est composée de différentes couleurs visibles à travers une goutte d'eau. La lumière du Soleil est à l'origine des arcs-en-ciel avec leurs différentes couleurs ".
Il est tout indiqué pour faire émerger cette proposition, de prendre appui sur l'onglet 4 de l'animation.


4-    Mener une enquête afin de comprendre le mécanisme de changement de couleur du ciel

Les ongles 7 et 8 seront des points d'appui et il sera intéressant de lier dans le cadre de cette enquête,  sciences et mathématiques.

Proposer aux élèves de faire des relevés d'observations qui se dérouleront aux mois de mai et juin (3 fois par mois). Consigner dans le tableau ci-dessous les heures auxquelles le ciel change de couleur :

Parallèlement  à ce relevé d'informations, il conviendra de " situer " la hauteur du Soleil dans le ciel aux heures des relevés précédents : pour ce faire, des gommettes de couleurs (bleues, vertes, jaunes et rouges) seront collées sur les vitres de la classe.

Une observation croisée par groupe des horaires et de la position du Soleil (et donc des gommettes) permettra de faire émerger une première synthèse :
"Plus le Soleil est bas dans le ciel et plus la couleur de ce dernier va tendre vers le rouge."

Le recours à l'animation (onglets 7 et 8) permettra de donner un éclairage scientifique, de valider les observations des élèves pour leur donner un véritable statut mais aussi d'aller plus loin dans ce début d'explication  qu'ils ont découvert : " Plus le Soleil est bas dans le ciel et plus le chemin de la lumière s'allonge ".


5-    Travail en littérature
On pourra proposer aux élèves " Le rayon vert " de Jules Verne.
 

 Activités complémentaires

Dans le cadre d'une approche pluridisciplinaire (sciences / arts visuels), les élèves seront amenés à travailler sur la notion d'ombre et de lumière afin de comprendre et d'expliquer les phénomènes des phases de la Lune.
Ce domaine pourra être appréhendé dans le cadre d'une continuité inter cycle et ce à partir du cycle 1 :
- Comment obtenir une ombre ? Décrire et comprendre les conditions de formation d'une ombre.
- Comment former une ombre ?
- Tous les objets ont-ils une ombre ?
- Sources lumineuses et ombres : de quels paramètres dépend la taille d'une ombre ?
- De quelle couleur sont les ombres ?

 

Ressources complémentaires

Pour une continuité inter cycle :
Un module ombre et lumière sur le site " La main à la pâte " propose de travailler dans la continuité des cycles.   

Cycle 1 : Ombres dans la cour et en classe - Ombre et lumière (revue la classe maternelle)
Cycle 2 : Mon ombre au soleil - Ombres dans la cour et ombre en classe.
Cycle 3 : Théâtre d'ombres

Pour la réalisation d'un objet technique dans un cadre pluridisciplinaire :
Pour appréhender cette notion de mélange de couleurs, il est possible de réaliser une toupie colorée.

La toupie colorée : mélanger sept couleurs, cela donne quelle couleur ?

Toutes les informations de construction de cette toupie à l'adresse suivante : espace-science.


Pour aller plus loin
"    Site éducatout
"    Météorologie- 100 expériences pour comprendre les phénomènes météo- Yves Corboz- Ed Belin Pour la Science
"    Techniguide de la Météo - Jean-Louis Vallée - Ed Nathan
"    La couleur -  Dossier Pour la Science  n° 27 avril 2000.  
Voir les animations "Le rayonnement électromagnétique" et "Rayonnement et énergie".