Vivre avec le soleil (cycle 3)

2- Soleil et ultraviolets
Auteurs : david Wilgenbus(plus d'infos)
Pierre Cesarini(plus d'infos)
Dominique BENSE(plus d'infos)
Résumé :
La lumière solaire contient des UV. L'intensité des UV varie en fonction de l'heure et de la saison
Publication : 28 Août 2012
Objectif :
- Identifier les UV comme composante dangereuse de la lumière solaire - Prendre conscience de l'importance du temps d'exposition - Comprendre comment varie l'intensité des UV en fonction de l'heure et de la saison

Sommaire

Objectifs

  • Identifier les UV comme composante dangereuse de la lumière solaire
  • Prendre conscience de l'importance du temps d'exposition
  • Comprendre comment varie l'intensité des UV en fonction de l'heure et de la saison.

Séance 3 - Les ultraviolets, qu'est-ce que c'est ?

Objectifs

  • Découvrir les ultraviolets
  • Mettre au point une fiche
  • d’expérimentation Mettre en évidence
  • les UV dans la lumière solaire
  • Prendre conscience de l’importance de la durée d’exposition

Durée

1h30

Matériel

Déroulement

Cette séance accorde une grande importance à l’élaboration d’une trace écrite scientifique, notamment par la création d’une affiche qui servira aux comptes rendus expérimentaux. La classe où l’enseignant et les élèves sont déjà familiers de la démarche d’investigation et de l’utilisation du cahier d’expériences y passera moins de temps qu’une classe plus « novice ».

1 - Discussion collective

Découverte des UV

L’enseignant distribue aux élèves une photocopie de la fiche 3 et leur demande de chercher le point commun entre les deux textes et l’image centrale. Au cours de la discussion, l’enseignant cherche à introduire le mot « ultraviolet », en insistant sur le fait que les UV sont responsables de la plupart des dangers liés au Soleil (coups de soleil, cataracte, cancers de la peau…) et qu’ils font partie de la lumière solaire. Il nous faut des dispositifs adaptés pour les mettre en évidence car notre oeil n’y est pas sensible.

Introduction du papier-UV

L’enseignant présente alors le papier-UV aux élèves : « Ce papier est imprégné de produits chimiques qui se transforment en recevant des ultraviolets. Leur transformation les fait changer de couleur (du blanc au bleu). La peau réagit de la même manière, bien qu’elle ne soit pas composée des mêmes produits chimiques et que ses couleurs soient différentes. Le papier-UV est comme la peau d’une personne qui bronzerait bleu ! »

2 - Préparation d’une expérience

La classe peut alors réfléchir à une expérience qui permettrait de savoir s’il y a vraiment des UV dans la lumière solaire. Cette question peut-être abordée différemment, par exemple sous la forme : Peut-on attraper un coup de soleil dans la classe, c’est-à-dire sous la lumière des lampes et avec les fenêtres fermées ? Pour répondre à cette question, une expérience peut être menée. Elle consiste à exposer un papier-UV directement au soleil (c’est-à-dire à l’extérieur) et un autre papier-UV à une lumière « artificielle » (lampe à incandescence ou néon de la classe), puis à les comparer.

Ne sachant pas a priori à quelle vitesse le papier va changer de teinte, ni quelle teinte il aura in fine (à partir de quand considère-t-on que c’est bleu ?), on peut décider de réaliser la même expérience avec 2 durées d’exposition différentes :

  • 2 papiers-UV (1 dehors, 1 dans la classe) exposés pendant 5 minutes ;
  • 2 papiers-UV (1 dehors, 1 dans la classe) exposés pendant 30 minutes.

On peut également réaliser cette expérience avec du papier « normal » (non sensible aux UV) : il reste blanc, que ce soit au soleil ou à la lumière artificielle. Pour mettre en évidence la présence d’UV, on a donc vraiment besoin d’un papier spécial ! Avant de réaliser cette première expérience, il est préférable de passer un peu de temps à la préparer. Ce temps passé maintenant sera largement « rentabilisé » par la suite car ce travail, une fois fait, sera réutilisé pour toutes les expériences à venir.

L’enseignant peut par exemple poser les questions suivantes à ses élèves : Quelles informations devra-t-on garder ? Faut-il noter la date ? la météo ? l’heure de début et l’heure de fin ? (on verra plus tard que la quantité d’UV reçue dépend beaucoup de la météo et de l’heure à laquelle on s’expose !) Comment noter les résultats ? Sous forme de notes, tableaux, schémas ? Où les noter ?... Grâce à ces précisions, la classe met au point sa propre fiche de compte rendu expérimental et réalise une affiche qui, toujours visible, servira de support à chacun lors de l’élaboration des expériences. A titre d’exemple, voici quelques rubriques qui pourraient figurer sur cette fiche :

3 - Expérience

Les enfants, répartis par groupes, réalisent l’expérience élaborée collectivement, après l’avoir soigneusement préparée dans leur cahier à l’aide de l’affiche réalisée à l’étape précédente.

Les papiers exposés au soleil virent au bleu (la teinte est d’autant plus foncée que le temps d’exposition est long), alors que ceux restés dans la classe sont toujours blancs. Donc, la lumière solaire contient « quelque chose » qui n’est pas présent dans la lumière émise par les lampes et qui a fait réagir le papier-UV : ce sont les ultraviolets ! Les papiers-UV exposés ressemblent alors à ceci :

Remarques sur cette expérience :

  • Cette expérience, ainsi que de nombreuses autres du même type qui seront réalisées par la suite, ne peut pas être effectuée en hiver : le papier-UV reste blanc car la lumière reçue ne contient alors pas assez d’UV. Ce phénomène sera étudié dans les séances suivantes.
  • Un temps ensoleillé est préférable, mais pas indispensable. Un voile nuageux laisse passer les UV, mais il faudra peut-être allonger un peu les temps d’exposition.
  • On exposera le papier UV en milieu de journée (de préférence vers 14 h) afin d’avoir des teintes plus marquées.
  • Certaines lampes émettent également des UV ; on les trouve notamment dans les centres de bronzage.

4 - Bilan et discussion sur l'Index UV

Après avoir fait le bilan des résultats des différents groupes, la classe élabore une conclusion que chacun note sur son cahier d’expériences.

L’enseignant explique alors aux élèves qu’il existe un indicateur qui exprime l’intensité du rayonnement UV et le risque qu’il représente pour la santé. Il s’appelle l’Index UV. Il est communiqué, ainsi que le recommandent l’Organisation mondiale de la Santé et l’Organisation mondiale de la météorologie, généralement pour la tranche horaire 12 h – 16 h. L’index UV dépend de la saison, du lieu et de la météo. À chaque valeur de l’Index UV correspond un temps d’exposition suffisant au déclenchement d’un coup de soleil. Ce temps dépend du type de peau de chaque personne. Pour un enfant ou un adulte de peau sensible, on peut utiliser le tableau suivant (ce tableau est à communiquer aux élèves) :

Piste pour les prochaines séances : le bulletin de météo solaire

Cet Index UV est diffusé quotidiennement dans le bulletin de météo solaire sur le site Internet de l’association Sécurité Solaire (www.soleil.info) et peut vous être adressé gratuitement par courrier électronique après inscription sur ce site. Parmi les « rituels » matinaux de la classe (l’appel, la date…), on pourra introduire la lecture de ce bulletin de météo solaire. Ceci permettra aux élèves de se familiariser avec la notion d’Index UV et d’entamer un travail de réflexion sur les circonstances où il vaut mieux ne pas s’exposer au soleil.

5 - Conclusion

Dans la lumière que nous envoie le Soleil, il y des ultraviolets qu’on ne peut pas voir ni sentir et qui peuvent être dangereux. On peut mettre en évidence ces UV grâce à un papier spécial : le « papier-UV ». Plus on est exposé longtemps, plus on reçoit d’UV, et plus on risque de prendre un coup de soleil. L’Index UV permet de connaître chaque jour l’intensité des ultraviolets.

Séance 4 - Les risques sont-ils les mêmes toute la journée ?

Objectifs

  • Étudier la variation de l’intensité des UV au cours d’une journée
  • Relier l’intensité des UV à la taille de son ombre et la hauteur du Soleil

Durée

1h30 (en plusieurs fois)

Matériel (facultatif)

Pour chaque groupe :

  • 4 carrés de papier-UV
    • 1 craie
    • 1 grande règle ou un ruban métreur

Déroulement

Cette séance se déroule en plusieurs temps, à réaliser tout au long d’une journée : la problématique devra être abordée en début de matinée afin de pouvoir faire la première expérience vers 10 heures dans la cour.

D’autres expériences similaires seront réalisées à 12, 14 et 16 heures. La conclusion sera élaborée à la fin de cette dernière expérience. Si l’enseignant manque de temps, il pourra reporter cette conclusion au lendemain car les élèves auront noté leurs résultats sur leur cahier d’expériences.

La durée cumulée de ces différentes phases est d’environ 1 h 30.

1 - Discussion collective

L’enseignant demande aux élèves : A quel moment de la journée risque-t-on le plus d’attraper des coups de Soleil ? En général, les enfants répondent « à midi » ou « l’après-midi ». Certains disent « 14 heures », mais sans forcément le justifier : la distinction midi solaire / midi « civil » n’est souvent pas faite à cet âge. Pour trancher, les élèves mettent au point un protocole expérimental qui consiste à exposer plusieurs papiers-UV à différents moments de la journée : à 10 h, 12 h, 14 h et 16 h par exemple. Les expériences de 12 h et 14 h permettent de distinguer heure civile et heure solaire. Les autres moments doivent être aussi éloignés du midi solaire (14 h) que possible afin de montrer des différences significatives dans l’intensité des UV. L’enseignant propose d’enrichir l’expérience avec une mesure complémentaire : « Comment faire, sans montre, pour repérer les différents moments de la journée ? » Il oriente si besoin la discussion vers le principe du cadran solaire : mesurer la taille de l’ombre d’un bâton ou d’un enfant.

2 - Expérience (par groupes)

Les enfants, répartis par groupes, préparent leurs expériences (à l’aide de l’affiche créée à la séance 3) et les réalisent. Ils notent leurs résultats et leurs conclusions au fur et à mesure de l’avancement des expériences, tout au long de la journée. On aura avantage à faire les deux expériences en même temps, afin de bien mettre en relation l’intensité des UV reçus et la taille de notre ombre. Chaque groupe expose un papier UV et mesure la taille de l’ombre d’un enfant, toujours le même et placé au même endroit. On pourra par exemple dessiner son ombre sur le sol avec de la craie. Cette expérience, comme pour la première, sera effectuée à 10 h, 12 h, 14 h et 16 h.

La durée d’exposition est à choisir avec soin, et doit être identique pour toutes les expériences de la journée afin que l’on puisse les comparer entre elles. Une durée trop courte rend cette comparaison difficile car les différentes teintes de bleu seront très proches. Une durée trop longue risque de saturer le papier UV et de rendre cette comparaison également difficile. La « bonne » durée dépend essentiellement de trois facteurs : date, latitude, météo. A titre d’exemple, en Région parisienne, au début du mois de mai, par un temps ensoleillé (ce qui donne un Index UV de 5-6 environ) : 20 minutes semblent un bon compromis.

3 - Comparaison des différentes expériences

Après la dernière expérience, les résultats des différents groupes sont mutualisés. Contrairement à ce qu’attendent beaucoup d’enfants, ce n’est pas à midi que le Soleil est « le plus fort », mais à 14 h. On reçoit alors la plus grande quantité d’UV de la journée. C’est également à 14 h que les ombres sont les plus courtes, car le Soleil est au plus haut dans le ciel. Les élèves notent toutefois que l’ombre ne disparaît pas ! On constate que, entre 12 h et 16 h, chaque enfant est plus grand que son ombre. Ainsi, quand notre ombre est plus petite que nous, cela signifie que nous sommes proches du midi solaire et que nous recevons beaucoup d’UV. C’est à ce moment qu’il faut particulièrement se protéger !

4 - Conclusion

Il y a davantage d’UV en milieu de journée : à 14 h où le Soleil est au plus haut (c’est le midi solaire) et pas au midi indiqué par la montre (+ 1 ou 2 heures suivant la saison). La taille de notre ombre nous renseigne sur la hauteur du Soleil : plus elle est courte, plus on est proche du midi solaire et plus on reçoit d’UV. Un slogan simple permet de s’en souvenir : « Si ton ombre est plus petite que toi, fais attention ! »

Séance 5 - Les risques sont-ils les mêmes toute l'année ?

Objectifs

  • Relier la variation de la hauteur du Soleil avec les saisons
  • Comprendre la hauteur du Soleil en tant qu’angle

Durée

1h

Matériel

      • Pour chaque élève :
      • Pour chaque groupe :
        • 1 lampe de poche
        • 1 feuille de papier
        • pâte à modeler (utile pour maintenir le crayon vertical)

Déroulement

Cette séance complète les observations réalisées la séance précédente par des manipulations qui vont permettre aux élèves de :– Mieux se représenter la course du Soleil dans le ciel, en particulier la « hauteur du Soleil » qui fait référence à un angle. Cette notion d’angle est essentielle pour les séances suivantes qui impliquent un changement de perspective (les élèves matérialiseront les rayons du Soleil « vus » de l’espace).– Relier la taille de l’ombre et la hauteur du Soleil et ainsi mieux comprendre le message clé « si ton ombre est plus petite que toi, fais attention ! ».

1 - Défi (par groupes)

Après avoir rappelé la conclusion de la séance précédente, l’enseignant propose aux élèves le « défi » suivant : A l’aide d’une lampe de poche, comment faire pour avoir l’ombre d’un crayon la plus longue possible ? Les élèves écrivent leurs hypothèses sur leur cahier d’expériences, puis réalisent la manipulation. La lampe doit être « plus basse » (l’angle formé par les rayons issus de la lampe et le support doit être plus faible). On notera bien que le midi solaire correspond en général à l’ombre la plus courte, mais pas à l’absence d’ombre.

Cette expérience nous permet aussi de vérifier que l’éloignement du Soleil (c’est-à-dire de la lampe) ne change pas la taille des ombres. Seul importe l’angle formé par les rayons et le support. Ainsi, le fait qu’on reçoive plus ou moins d’UV ne signifie pas que l’on est plus près ou plus loin du Soleil ! Cette idée très répandue (« le Soleil est plus loin de la Terre en hiver ») est d’ailleurs fausse : dans l’hémisphère nord, l’hiver correspond au moment où la distance Terre- Soleil est la plus courte !

Variantes selon les connaissances préalables des élèves

Si la classe a déjà travaillé sur l’alternance des saisons, les élèves doivent savoir qu’en hiver le Soleil est plus bas dans le ciel qu’en été. Dans ce cas, plutôt que de continuer la séance comme indiqué ci-après, il vaut mieux exploiter ces connaissances. On peut poser les questions : Et en hiver, que se passe-t-il ? Que peut-on dire de la hauteur du Soleil ? Les manipulations avec la lampe permettent de conclure qu’en hiver nos ombres sont plus longues. D’après ce qu’on sait déjà, cela signifie qu’on risque moins de prendre un coup de soleil en hiver qu’en été. La fin de cette séance (voir déroulement ci-dessous) correspond au cas où la classe n’a pas effectué de travail spécifique sur les saisons.

2 - Discussion collective

L’enseignant utilise les résultats des manipulations avec les lampes pour aborder la question des saisons : Avez-vous déjà attrapé des coups de soleil en hiver ? Certains enfants pourraient parler des coups de soleil attrapés aux sports d’hiver mais, dans ce cas, d’autres facteurs que la hauteur du Soleil entrent en jeu (altitude, réverbération sur la neige) et seront étudiés dans les séances suivantes. Si l’on met de côté les situations d’altitude, la conclusion est qu’il est très rare (impossible à Paris en décembre) d’attraper un coup de soleil en hiver.

3 - Etude d'un document

L’enseignant peut poursuivre la discussion et demander : Pourquoi n’attrape-t-on pas de coup de Soleil en hiver ? Il distribue alors à chaque élève la fiche 4 montrant l’ombre d’un même personnage en hiver et en été. Les élèves observent que l’ombre est bien plus longue en hiver qu’en été (à heure solaire égale), ce qui signifie qu’en hiver le Soleil est plus bas dans le ciel qu’en été. C’est la raison pour laquelle on reçoit moins d’UV.

4 - Conclusion

En été, le Soleil est plus haut dans le ciel qu’en hiver (à heure solaire égale !) : on reçoit donc plus d’UV en été et on risque d’attraper davantage de coups de soleil.