Hauteur du soleil
Étudier comment la hauteur maximale du soleil dans le ciel varie au cours des saisons en utilisant l'éphéméride et l'inclinomètre de FizziQ Junior.
Pourquoi fait-il plus chaud en été qu'en hiver ? Beaucoup de personnes pensent que c'est parce que la Terre est plus proche du Soleil en été, mais c'est faux ! En réalité, c'est la hauteur du Soleil dans le ciel qui change au fil des saisons et qui explique les variations de température. En été, le Soleil monte très haut dans le ciel, ses rayons arrivent presque verticalement et chauffent efficacement le sol. En hiver, le Soleil reste bas sur l'horizon, ses rayons arrivent en oblique et réchauffent moins la surface terrestre. Ce phénomène est une conséquence directe de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre. Les architectes connaissent bien ces variations : ils orientent les fenêtres et les auvents des maisons pour profiter au maximum du soleil en hiver tout en s'en protégeant en été. Dans cette activité, tu vas mesurer la hauteur du Soleil dans le ciel avec ta tablette, puis utiliser l'éphéméride de FizziQ Junior pour explorer comment cette hauteur change au cours de l'année. Tu découvriras à quelle date le Soleil est le plus haut et le plus bas, et tu comprendras pourquoi les saisons existent.
Résumé :
Les élèves mesurent la hauteur du soleil dans le ciel à l'aide de l'inclinaison verticale de la tablette et comparent leurs mesures avec les données de l'éphéméride de FizziQ Junior. En explorant différentes dates, ils découvrent que la hauteur maximale du soleil varie avec les saisons et est liée à l'inclinaison de l'axe terrestre.
Nivel :
Autor:
Autor:
Cycle 3
FizziQ Junior
45-60
Objectif pédagogique :
- Mesurer expérimentalement la hauteur du soleil dans le ciel à l'aide de l'inclinomètre de FizziQ Junior.
- Utiliser l'éphéméride Soleil-Lune pour déterminer l'élévation du soleil à différentes dates.
- Identifier les dates des solstices et des équinoxes à partir des données d'élévation maximale.
- Comprendre le lien entre la hauteur du soleil, les saisons et l'inclinaison de l'axe terrestre.
- Découvrir le décalage entre l'heure solaire et l'heure légale.
Concepts scientifiques :
Hauteur du soleil; Élévation solaire; Saisons; Solstice; Équinoxe; Inclinaison de l'axe terrestre; Latitude; Heure solaire
Capteurs :
- Inclinaison verticale (inclinomètre)
- Éphéméride Soleil-Lune
Matériel :
Smartphone ou tablette avec FizziQ Junior; Un cahier rigide ou une surface plane pour poser la tablette; Cahier d'expérience FizziQ Junior
Protocole expérimental :
1. Expliquez aux élèves que la hauteur du soleil varie dans le ciel au cours de la journée en raison de la rotation de la Terre. Indiquez-leur que la hauteur maximale dépend aussi de la position de l'observateur et des saisons.
2. Divisez les élèves en groupes de 3 à 4. ATTENTION À LA SÉCURITÉ : les élèves ne doivent jamais regarder le Soleil en face, cela peut entraîner des dommages irréparables à la vue.
3. Ouvrez FizziQ Junior et accédez à l'instrument Inclinaison verticale. Posez la tablette à plat sur le sol puis levez le côté gauche : l'inclinaison est indiquée en degrés.
4. Pour mesurer la hauteur du soleil, placez la tablette sur un cahier posé par terre et orientez-la vers le soleil. En levant progressivement la tablette, observez que son ombre rétrécit. Quand l'ombre est la plus petite, la tablette est orientée vers le soleil et l'angle affiché correspond à la hauteur du soleil.
5. Les élèves ajoutent cette mesure au cahier d'expérience et prennent une photo du dispositif.
6. Demandez-leur de trouver sur FizziQ Junior l'éphéméride Soleil-Lune qui permet de connaître la position du soleil dans le ciel pour chaque jour de l'année. Explorez les informations fournies par cet instrument.
7. Les élèves vérifient si les données de l'éphéméride correspondent à leur mesure expérimentale de la hauteur du soleil.
8. Demandez-leur à quel moment de la journée le soleil est le plus haut dans le ciel. En comparant avec l'heure indiquée sur la tablette, ils découvriront un décalage entre l'heure solaire et l'heure légale.
9. Demandez-leur si la hauteur maximale du soleil est la même pour différentes dates. En changeant la date dans la tablette et en consultant l'éphéméride, ils explorent différentes dates de l'année.
10. Les élèves déterminent les dates où le soleil est le plus haut (solstice d'été) et le plus bas (solstice d'hiver) dans le ciel. À quel moment correspondent ces dates ?
11. Encouragez les élèves à réfléchir à l'importance de comprendre ces variations pour des applications pratiques : conception de maisons économes en énergie, panneaux solaires, compréhension des variations climatiques.
Résultats attendus
Les élèves observeront que la hauteur maximale du soleil varie considérablement selon les saisons. En France métropolitaine (latitude 48°N environ), le soleil atteint une hauteur maximale d'environ 65 degrés au solstice d'été et seulement 18 degrés au solstice d'hiver. Aux équinoxes, la hauteur maximale est d'environ 42 degrés. Les élèves découvriront également que le soleil est au plus haut dans le ciel vers midi solaire, qui ne correspond pas exactement à 12h00 de l'heure légale en raison du décalage horaire et de l'équation du temps. La mesure expérimentale avec l'ombre de la tablette sera approximative avec une précision de l'ordre de quelques degrés, ce qui est suffisant pour observer les tendances générales.
Questions scientifiques :
- Pourquoi le soleil est-il plus haut dans le ciel en été qu'en hiver ?
- Que se passerait-il si l'axe de la Terre n'était pas incliné par rapport à son orbite ?
- Pourquoi le midi solaire ne correspond-il pas exactement à 12h00 sur nos montres ?
- La hauteur maximale du soleil est-elle la même à Paris et à Marseille ?
- Comment les architectes utilisent-ils la connaissance de la hauteur du soleil pour concevoir des bâtiments économes en énergie ?
Analyse scientifique
La hauteur du Soleil dans le ciel varie au cours de la journée en raison de la rotation de la Terre sur son axe. La Terre effectue une rotation complète sur elle-même en 24 heures, ce qui fait que le Soleil semble se déplacer d'est en ouest dans le ciel. Le matin, au lever, le Soleil est près de l'horizon à l'est. Il monte progressivement jusqu'à atteindre sa hauteur maximale à midi solaire, puis redescend vers l'horizon à l'ouest jusqu'au coucher.
La hauteur maximale du Soleil dans le ciel dépend de trois facteurs : l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre (environ 23,5 degrés), la latitude de l'observateur et la position de la Terre sur son orbite autour du Soleil, c'est-à-dire la saison.
L'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre est le facteur fondamental. Cet axe est incliné d'environ 23,5 degrés par rapport au plan de l'orbite terrestre autour du Soleil. Cette inclinaison fait que, selon la position de la Terre sur son orbite, les rayons du Soleil arrivent avec un angle plus ou moins vertical sur une région donnée.
Au fur et à mesure que la Terre orbite autour du Soleil, l'hémisphère Nord reçoit plus de lumière et de chaleur pendant l'été, tandis que l'hémisphère Sud en reçoit moins. En hiver, c'est l'inverse. Pendant les équinoxes, la hauteur maximale du Soleil est la même pour les deux hémisphères.
La latitude est la mesure de la distance angulaire d'un point de la Terre par rapport à l'équateur. Plus on se rapproche des pôles, plus la hauteur maximale du Soleil dans le ciel diminue. Cela est dû à l'angle plus important entre les rayons du Soleil et la surface de la Terre aux latitudes élevées.
On peut calculer la hauteur maximale du Soleil à partir de la latitude. Au solstice d'été, elle vaut (90 - latitude + 23,5) degrés, soit environ 65 degrés pour Paris (latitude 48°N). Au solstice d'hiver, elle vaut (90 - latitude - 23,5) degrés, soit environ 18 degrés pour Paris. Aux équinoxes, elle vaut (90 - latitude) degrés, soit environ 42 degrés.
Le midi solaire, moment où le Soleil est au plus haut, ne correspond pas exactement à 12h00 de l'heure légale. Ce décalage a deux causes : le fuseau horaire (l'heure légale est définie pour tout un fuseau) et l'équation du temps (la vitesse orbitale de la Terre n'est pas constante car son orbite est légèrement elliptique).
Comprendre la hauteur du Soleil est essentiel pour de nombreuses applications. Les architectes utilisent ces données pour concevoir des habitations éco-énergétiques avec des auvents qui laissent entrer le soleil bas d'hiver mais bloquent le soleil haut d'été. Les installateurs de panneaux solaires orientent les panneaux pour capter un maximum de lumière. Les agriculteurs comprennent ainsi les variations de chaleur et de lumière reçues par leurs cultures au fil des saisons.
Variantes possibles
- Mesurer la hauteur du soleil à plusieurs moments de la journée pour tracer sa trajectoire dans le ciel.
- Comparer les données d'élévation maximale entre deux villes de latitudes différentes en utilisant l'éphéméride.
- Fabriquer un cadran solaire simple en utilisant les données collectées.
- Calculer théoriquement la hauteur maximale du soleil et comparer avec les données de l'éphéméride.
- Étudier l'influence de la hauteur du soleil sur la longueur des ombres en mesurant l'ombre d'un bâton vertical.
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FAQ
Q: Comment mesurer la hauteur du soleil sans regarder directement le Soleil ?
R: On utilise la méthode de l'ombre : en inclinant la tablette vers le soleil posée sur un cahier au sol, on observe que l'ombre de la tablette rétrécit. Quand l'ombre est minimale, l'angle affiché sur l'inclinomètre donne la hauteur du soleil.
Q: Pourquoi la mesure expérimentale ne correspond-elle pas exactement à l'éphéméride ?
R: Plusieurs sources d'erreur existent : la difficulté à identifier précisément le moment où l'ombre est la plus petite, l'imprécision du capteur d'inclinaison, et le fait que la mesure n'est pas faite exactement au midi solaire.
Q: L'éphéméride donne-t-elle les mêmes résultats partout ?
R: Non, l'éphéméride utilise la position GPS de la tablette pour calculer les données. Les résultats seront différents selon la latitude et la longitude de l'observateur.
Q: Peut-on faire la mesure expérimentale par temps couvert ?
R: Non, la mesure de l'ombre nécessite du soleil direct. Cependant, l'étude de l'éphéméride peut se faire en classe par tout temps.