Les éclipses de soleil : simulation, observation…

3- Des activités pour la classe
Auteurs : Mireille Hartmann(plus d'infos)
Résumé :
Trois familles d'activités sont proposées : simulations ; jeux d'observation, des jeux d'optique.
Publication : 22 Septembre 2005
Objectif :
- Compétences visées :  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... [..]un petit nombre de modèles simples concernant ces phénomènes
Matériel :

A : Lampes de poche, 1 projecteur, figurines, 1 ballon lune (diam. 15cm), 1 ballon terre (diam. 60cm), cylindres en cartons (hauteur 15cm), bristol blanc.
B : lunettes et filtres.
C : prisme de verre à angle droit.

A. Simuler une éclipse

Les spectateurs s'assoient face au ballon-Terre éclairé par le projecteur, comme sur la figure ci-dessous. Ils regardent une figurine avec son drapeau tricolore installée sur la " planète ".

1.Simulation préliminaire

Le cône d'ombre est bien là, derrière le ballon-Lune, dès que celui-ci passe dans le faisceau du projecteur ! Aussi est-ce un enfant qui se charge de la " manip " en montrant à ses camarades que sa main " devient toute grise quand elle passe derrière le p'tit ballon ". A partir de là, certains élèves dégourdis vont prendre les choses en main (si l'on peut dire !) lors des deux simulations suivantes, en écho à celles pratiquées pour léclipse de Lune. Le Maître n'aura plus qu'à suivre le mouvement, tout en le modérant et en attirant l'attention des spectateurs sur des points bien précis.

2.Simulation sans éclipse

L'enfant-manipulateur décrit l'opération : " Regardez ! Je fais tourner la Lune autour de la Terre, mais je fais exprès qu'elle passe un peu trop haut : comme ça, elle va pas faire d'ombre sur la planète et ça dérangera pas le p'tit bonhomme !". Le Maître en profite pour demander à ses camarades comment se présente la " Lune " par rapport au " p'tit bonhomme ". Les élèves répondent en choeur que celui-ci " ne peut pas la voir puisque c'est le côté nuit du ballon-Lune qui est en face de lui ". Ils précisent même : " Ca fait le contraire de l'autre fois quand il voyait la Lune toute éclairée, alors là c'est c'est la Nouvelle Lune ! ".

3.Simulation avec éclipse " locale " de Terre

L'enfant-manipulateur s'apprête maintenant à refaire passer la " Lune " devant le projecteur, mais cette fois, plus bas. Les autres anticipent le résultat et jouent les supporters : " Cette fois, on va voir l'ombre du ballon-Lune qui va venir sur la planète ! Ca y est, la voilà ! Vas-y ! Fais-la avancer encore... non, un peu plus bas ! Faut qu'elle passe sur le p'tit bonhomme et son drapeau ! "

En voyant cela, l'un des spectateurs interviendra peut-être si ça lui rappelle quelque chose : " Ah, mais moi jai fait pareil l'autre jour avec la lampe électrique ! J'voyais l'ombre de ma balle qui s'baladait sur mon ballon ! Bien sûr, puisqu'elle était trop p'tite pour l'éclipser en entier ! ". Ses camarades, réagissant au mot " éclipser ", vont faire un rapprochement immédiat :" Ben là, cest pareil ! Le ballon-Lune est trop petit pour éclipser toute la planète : y'a que le p'tit bonhomme et son drapeau qui vont pouvoir être cachés par l'ombre ! ". Justement, l'ombre " baladeuse " vient de simmobiliser sur le personnage et son pavillon tricolore. Les enfants rient et applaudissent : " Bravo, ça y est ! Ils sont éclipsés tous les deux ! Dis, maîtresse, est-ce que ça peut nous arriver à nous aussi que la vraie Lune nous éclipse ? ".

Avant de sourire, reconnaissons que les enfants ont eu un raisonnement très logique : ils ont vu dans la présente simulation le même mécanisme que dans l'autre, la Terre et la Lune ayant juste inversé leurs rôles puisqu'ici, c'est la " planète " qui se retrouve localement dans l'ombre du ballon-Lune. Il va donc falloir leur expliquer qu'il ne s'agit pas d'une éclipse locale de Terre, mais d'une autre sorte d'éclipse que les adultes appellent bizarrement une " éclipse totale de Soleil " ! (Quelle drôle d'idée vraiment, puisque celui-ci ne saurait s'assombrir derrière un astre !). En fait, le mot " occultation " serait le terme juste.

4.Simulation avec éclipse totale de Soleil

Pour que se dissipe cet apparent " contresens ", les élèves vont devoir découvrir que l'adjectif " éclipsé " a justement un deuxième sens.

Le Maître demande à l'enfant-manipulateur de remettre l'ombre du ballon-Lune sur le personnage et son drapeau, puis invite un spectateur à venir s'adosser juste à cet endroit, contre la " planète ", son visage devant se placer exactement dans le cercle d'ombre. Rires des petits camarades : " Ca y est ! Ta figure est éclipsée ! Mais ouvre donc les yeux ! " (Un oeil s'ouvre prudemment, puis l'autre). " Dis, qu'est-ce que tu vois ? ". Ici, l'enseignant intervient aussitôt pour questionner le groupe : " A votre avis, qu'est-ce qu'il peut bien voir ? ".

Une courte hésitation et puis la réponse fuse, bien qu'incomplète : " Il ne peut plus voir le projecteur ! "
Le visage " éclipsé " acquiesce tandis qu'un petit malin poursuit le raisonnement en s'adressant à lui : " Mais quand même, tu dois voir de la lumière passer tout autour du ballon-Lune puisqu'autour de ta figure, la planète est éclairée ! ".

L'enfant-acteur acquiesce à nouveau tandis que le Maître confirme que dans la réalité, les Terriens situés dans les mêmes conditions ne voient plus le Soleil : celui-ci se trouve complètement masqué par la Lune, mais en revanche, la couronne solaire devient visible juste à ce moment-là . Les élèves comprennent alors qu'ici, le terme éclipsé est synonyme de masqué. L'enseignant confirme également que de leur côté, les Terriens situés autour de la zone d'ombre sont bien sûr encore éclairés.

De fil en aiguille, les élèves vont aller encore plus loin : " Il devrait y avoir aussi de la pénombre autour du rond d'ombre, mais on la voit pas ! ". L'enseignant demande alors à l'enfant-acteur de fermer un oeil et de déplacer lentement la tête sur le côté, jusqu'au moment où son autre oeil pourra apercevoir juste une partie de la source lumineuse : aussitôt, il baissera la paupière pour ne pas être ébloui, et surtout ne bougera plus !

L'enfant s'exécute et, dès que son deuxième oeil s'éclaire à moitié puis se ferme, ses camarades constatent que celui-ci se situe dans la zone limitrophe du cercle d'ombre. Certains commentent : " Son oeil est au même endroit que le p'tit trou qu'était dans la pénombre l'autre jour, mais juste à côté de l'ombre : dedans on voyait aussi un p'tit peu la lampe ! ". L'enseignant n'a plus qu'à poser l'ultime question : " Alors, si on est sur la Terre à cet endroit, à côté de l'ombre, c'est-à-dire dans la pénombre, qu'est-ce que l'on va voir ? ". La réponse va jaillir, telle une évidence : " Et ben là, on ne verra qu'un morceau du Soleil ! ! !".

Avant d'éteindre le projecteur

Avant que le faisceau de lumière ne s'éteigne, les enfants iront bien sûr, chacun leur tour, expérimenter in situ la vision rare dune éclipse totale mais aussi partielle de projecteur ! La file d'attente aura tout loisir de remarquer que le cercle d'ombre du ballon-Lune est un peu plus grand que le ballon lui-même, tout comme l'ombre de la " planète " sur le mur est plus grande qu'elle : le Maître rappellera qu'ici la forme des cônes d'ombre est inversée par rapport à celle des astres réels, puisque le faisceau du projecteur est de faible diamètre et infiniment moins éloigné que le Soleil.

5.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. 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. 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, alors que ça n'est pas le cas si on le fait pénétrer dans la zone d'ombre.

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 jusqu'à 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 l'écran, à la " renaissance " de la pénombre, laquelle s'élargit de plus en plus.

Épier le phénomène " par le petit trou de la serrure "

Ce jeu est la réplique de celui exposé sur la figure ci dessus, relative à l'éclipse de Lune.
La figure qui suit montre que l'installation est identique mais que le cylindre et l'écran ont été remplacés par deux cercles de bristol faisant face à la lampe. (Au départ, le plus grand n'est pas percé de trous). Les enfants devinent tout de suite que les deux cercles représentent la Terre et la Lune et, avant même que la lampe ne soit allumée, ils anticipent ce qui va se produire.

Aussi, dès que l'ombre et la pénombre du petit cercle apparaissent sur le plus grand, le maitre propose aux jeunes chercheurs proposent de faire quatre trous d'épingle afin d'y apercevoir successivement " la lampe entière, un grand morceau de lampe, un ptit morceau, et plus de lampe du tout ". D'autres ajoutent comme à regret : " Mais dans le dernier trou, il va faire tout noir : alors, on pourra même pas voir la couronne solaire autour de la lampe ! ". En ajoutant trois trous, de façon symétrique, dans la pénombre et la zone éclairée, on peut visionner la fin de l'éclipse : " La lampe a l'air de se rallumer un p'tit peu, puis beaucoup, puis tout entière ! ".

" Éclipser " une lampe-Soleil en jouant à faire apparaître ou disparaître la pénombre

Toujours par équipes de deux, les enfants vont s'en donner à coeur joie pour simuler des éclipses de Soleil, " comme pour de vrai ". Ils auront cette fois à leur disposition deux séries de boules de tailles très différentes, les plus grosses devant être blanches (ballons peints ou boules de polystyrène). Les résultats seront même plus probants qu'avec le projecteur et le ballon-Terre puisque cette fois, grâce au réflecteur des lampes de poche et à la couleur des boules-planètes, les élèves distingueront sur ces dernières une bordure de pénombre autour de l'ombre des boules-lunes.

A cette occasion, le Maître va leur montrer comment la pénombre peut quasiment disparaître si la source lumineuse devient ponctuelle ou presque. Pour cela, il suffit d'ouvrir les lampes de poche : le réflecteur se rabat ou senlève, et lampoule reste " nue " (à condition, toutefois, quelle ne soit pas solidaire du réflecteur). Aussitôt, la pénombre disparaît sauf un fin liséré donnant à lombre projetée sur la boule-planète une netteté contrastant avec la précédente. Les enfants s'amuseront donc à faire apparaître ou disparaître la pénombre sur leur boule. Néanmoins, ils remarqueront qu'en rapprochant la boule-lune de l'ampoule nue, un peu de pénombre va se reformer puisque la source lumineuse n'est pas vraiment ponctuelle.


B. Jouer avec l'éclipse. Attention à la sécurité:

1.Recommandations impératives

Tout dabord, il ne saurait être question d'observer le Soleil en direct, et encore moins avec des jumelles (ou autres appareils optiques), même s'il est largement échancré ! Cela, sous peine de graves dommages au niveau de la rétine : ces lésions, qui se produisent de façon indolore, sont irréversibles).

Ensuite, l'utilisation d'amorces noires de pellicules photo n'offrira pas de protection suffisante en dehors de simples coups d'oeil n'excédant pas quelques secondes d'affilée : mais au préalable, il faudra s'assurer qu'à travers elles le bord du disque apparaît bien net (sans auréole de lumière autour) sinon, on en superposera deux, surtout si le Soleil est haut dans le ciel. Par contre, il faudra proscrire absolument les diapositives, même sombres, car elles laissent passer les rayons ultra-violets, très nocifs pour la rétine ! De même, les verres fumés, les disques compacts et autres objets ou matériaux soi-disant " filtrants " seront laissés de côté car ils n'offrent pas de protection garantie (sans parler des lunettes de soleil superposées !).

2.Choisir les bons filtres

La meilleure sécurité sera assurée par l'utilisation de verres de soudeur, en vente pour un prix très modique dans les " grandes surfaces " spécialisées dans le bricolage. Ils se présentent sous forme de rectangles de verre " noir " de 10 cm sur 5 avec, gravé sur l'une des faces, un chiffre indiquant le grade d'absorption des rayons nocifs : ce chiffre doit mentionner 13 ou 14 pour que la protection soit totale (ou 12 à la rigueur, mais en prenant les mêmes précautions qu'avec les amorces noires de films photo). Afin de protéger aussi les verres eux-mêmes et rendre leurs bords sans danger lors des manipulations, on les entourera avec du ruban adhésif en plusieurs épaisseurs.

Il existe également des filtres en polymère noir ou en film plastique aluminé. Mais attention tout d'abord à leur efficacité : ils doivent tout juste laisser voir le filament d'une ampoule allumée. Ensuite, attention à leur état : ils ne doivent présenter ni éraflures, ni pliures. On peut trouver ces filtres dans le commerce, fixés parfois sur des montures de lunettes en carton, notamment sur les lieux où va se produire une éclipse totale de Soleil.

Signalons pour terminer que ce n'est pas tout d'avoir de bons filtres, encore faut-il les utiliser convenablement ! Ainsi, il faudra veiller à ce que les enfants les placent devant leurs yeux avant qu'ils ne dirigent leur regard vers le Soleil, et à ce que leurs observations ne se prolongent pas au delà de quelques secondes à une minute d'affilée selon les filtres. Précisons néanmoins que si on a la chance un jour de se trouver dans une bande de totalité, au moment où le disque solaire devient tout noir, il sera possible et même recommandé ! de regarder le phénomène à l'oeil nu ou avec des jumelles, afin de jouir de ce magnifique spectacle : moment inoubliable entre tous.

3.Jeux préalables concernant l'image du Soleil

Les enfants découvrent que lon peut faire apparaître l'image du Soleil à volonté. Ils seront amenés ensuite à percevoir cette image dans leur environnement où, contre toute attente, elle se trouve largement présente ! C'est quelque chose qui va les interpeller puis les passionner une fois qu'ils auront pris conscience du phénomène.

Les " mains au soleil "

Nous l'avons relevé dans le bulletin " Hands on " de l'Exploratorium de San Francisco. On installe un écran blanc face au Soleil (une feuille de bristol appuyée sur une chaise), puis on demande à un enfant de placer ses mains, doigts écartés, en faisant remarquer à l'assistance que ses doigts délimitent " des petites fenêtres carrées ".

 

Les mains, approchées de l'écran, projettent leur ombre aux contours bien nets, et les " fenêtres " apparaissent bien carrées. Mais lorsque doucement les mains commencent à s'éloigner de l'écran, on observe d'abord que les contours de l'ombre deviennent flous, puis que peu à peu, les carrés des " fenêtres " se transforment en cercles ! (photo G2). Pourquoi des cercles ?

 

De retour sur le site d'observation, les enfants vont être ravis de refaire cette " manip " pour obtenir cette fois, non des cercles mais des " petites lunes de lumière " dans l'ombre de leurs doigts. L'idéal est que l'écran ait une surface bien lisse, comme avec du bristol.

  Photo prise le 11 août 1999 avec les mains d'un adulte. La

  Photo montrant l'ombre d'une plaque perforée lors de l'éclipse partielle d'octobre 1996.

 

Les caches percés

L'idéal serait bien sûr d'amener les élèves à le découvrir par eux-mêmes (nous en décrivons le processus dans l'ouvrage "L'Astronomie est un jeu d'enfant", ed Le Pommier, 1999). Mais avant de leur donner la clef du mystère, on les laissera manipuler plusieurs morceaux de bristol percés au centre dune petite fenêtre dont chacune aura une forme différente (triangle, losange, cur, étoile, demi-lune) Les enfants auront la surprise de voir que chaque fenêtre en s'éloignant de l'écran finit toujours par produire la même tache de lumière : un cercle ! Et peut-être que l'un deux prononcera ingénument le mot-clef à votre place : " Ça fait tout rond comme un p'tit soleil ! ". Car cest bien en effet "l'image" de l'astre solaire qui se forme ainsi : la découverte est d'importance.

Sous les arbres et sur le pavage des églises !

Ce phénomène se reproduit abondamment dans l'ombre des arbres, les rayons solaires passant entre les feuilles. Selon la hauteur du Soleil, la densité du feuillage et son éloignement de l'écran, des petits cercles ou des ovales de lumière plus ou moins clairs apparaissent sur un mur ou par terre (photo ci-dessous).


Cette curiosité naturelle procure aux enfants, dès qu'ils en découvrent la vraie nature, une véritable jubilation : il faut les voir gambader au milieu de tous ces "ronds de soleil" comme ils disent, et s'amuser à les intercepter sur la main ou le visage.

De la même façon, les petits morceaux de verre d'un vitrail, sertis chacun dans leur baguette de plomb, peuvent jouer le rôle de trous, et projeter dans certaines conditions de jolis ovales colorés sur le pavage des églises (photo ci-dessous ). Parfois aussi, de vrais trous pratiqués intentionnellement dans des vitraux projettent chacun une belle image du disque solaire, comme celle que l'on peut voir dans l'église St Sulpice de Paris ou dans la cathédrale de Chartres.

 

 

Si la pièce est assez vaste, on peut obtenir un spectre de grandes dimensions (jusqu'à 20cm dans une salle de classe !). Notre oeil, très perfectionné, perçoit un dégradé continu de nuances " arc-en-ciel ". Mais une photo révèle des à-plats de couleurs franches dont les formes circulaires " s'étalent " du rouge vers le violet, passant du cercle à des ellipses plus ou moins allongées. Cela nous montre que la tache lumineuse est composée d'une infinité d'images du Soleil correspondant à l'infinité des longueurs d'onde de sa lumière ! Voilà une découverte qui va fasciner petits et grands.

"Lunes de lumière " sous les feuillages.

L'aspect du Soleil évoluant très lentement, on en profitera, à un moment donné, pour se rendre sur les lieux où le Maître aura repéré des taches de Soleil sous les feuillages. Les enfants qui auront sans doute " deviné " pourquoi seront émerveillés de voir que les petits cercles lumineux ont, eux aussi, changé d'aspect : " On dirait qu'une souris coquine a grignoté tous les ronds de Soleil ! C'est peut-être pour qu'ils se transforment en petites lunes de lumière car la souris, c'est la vraie Lune ! ". Dans la première édition de " L'Astronomie Populaire " de Camille FLAMMARION, on trouve une gravure illustrant cette particularité, preuve que le grand astronome y était sensible lui aussi.

 


C. Optique

 

1. Utiliser un prisme de verre

Un simple prisme de jumelles (prisme à angle droit récupéré chez un opticien ou dans une vieille paire de jumelles) va pouvoir se comporter comme un " trou ", tandis qu'il décomposera la lumière. Cela, avec une jolie surprise à la clé. Il suffit d'appliquer la base du prisme sur une vitre ensoleillée et de l'orienter doucement jusqu'à voir apparaître une jolie tache de lumière irisée, appelée spectre, sur le sol ou le mur opposé ; le prisme est ensuite maintenu en place avec un peu de gomme adhésive.

2. Le " portrait " du Soleil éclipsé est à l'envers

Plus facilement que sous les feuillages, la " manip " précédente va permettre aux élèves de constater que "l'image" du Soleil éclipsé est inversée par rapport à l'astre réel. Le Maître pourra reprendre un cache percé d'une fenêtre carrée pour obtenir "l'image" du Soleil éclipsé, une "image" unique mais surtout plus stable qu'avec les mains des enfants. Ces derniers auront ainsi tout loisir de comparer l'orientation de l'échancrure du cercle lumineux apparaissant dans l'ombre du cache, avec celle du Soleil réel (fig.12).


Figure 12

3. Les spectres solaires seront-il échancrés ?

Voici une question que l'on ne s'était jamais encore posé mes élèves et moi, jusqu'en 1997, date de la première photo d'un spectre obtenu avec un prisme de jumelles. Aussi, l'intérêt des prochaines éclipses sera de vérifier que tous les petits cercles plus ou moins " étalés " représentant l'image du Soleil seront bien échancrés à leur tour ! L'idéal sera de répéter l'observation de la tache lumineuse à différents moments de l'éclipse et surtout de prendre des photos. La figure 13 montre de façon théorique (et très schématique) à quoi pourrait ressembler le spectre durant ces éclipses.


Figure 13