Ombres et lumière

Séquence 3 : les modifications des ombres
Auteurs : Nicolas DEMARTHE(plus d'infos)
Résumé :
Les élèves vont apprendre à séparer des paramètres pour découvrir leur effet en cherchant à modifier la taille et la forme des ombres d'un même objet, en changeant puis sans changer la forme de l'objet.
Publication : 4 Juillet 2016
Objectif :
Enjeux principaux : La taille et la forme d’une ombre dépendent de l’objet ET de la position de la source lumineuse par rapport à l’objet. On distinguera les ombres produites à partir de la lumière d'un projecteur (séances 1 et 2) et les ombres produites à partir de la lumière du Soleil (séance 3). Découvrir que le Soleil se déplace dans le ciel ; il n'est pas toujours dans la même direction et n’est pas à la même hauteur au cours de la journée. Objectifs • séparer des paramètres et analyser des effets ; • jouer avec différents paramètres pour obtenir un effet prévu ; • faire des hypothèses et les tester. Vocabulaire Ombre, lumière, source de lumière, haut, bas, position, silhouette, forme taille…sphère, cube, cylindre, pyramide, disque, carré, rectangle, triangle, polygone, cercle.
Matériel :
  • L’album « L’ombre de l’ours »
  • Un agrandissement en couleur au format A3 ou A4 des illustrations p. 11 et 13
  • Des lampes de poche
  • Projecteur ou lampe halogène 500W
  • Fiches de travail pour les dessins des tâches 1 et 2
  • Une figurine  et une lampe par groupe de 4
  • Des objets de forme simples (deux par groupe de 4) : sphères, cubes, pyramides, cylindres, anneaux, bouchons..)
  • Un poster avec les formes géométriques (vocabulaire)
  • Ficelle ou ruban étalonné

SÉANCE1 : Modifier la taille de l'ombre d'un objet

Faire rappeler collectivement ce qui a été fait et ce que l'on a obtenu comme résultats dans les séances précédentes : « Pour avoir une ombre, il faut une source de  lumière.  Notre ombre reproduit nos mouvements mais est noire, sans détails. Elle est attachée à nos pieds, si nos pieds sont par terre.  L’ombre est toujours du côté opposé à la source lumineuse par rapport à l'objet. La direction de l'ombre dépend de la position de la lampe ou du soleil par rapport à l'objet ».
Puis indiquer aux élèves qu’ils vont continuer à travailler à partir de l’album « L’ombre de l’ours » et leur proposer de regarder les illustrations p. 11 et 13.

Quelle est la taille du lapin ?
- «Il est tout petit.», …
Comment est son ombre ?
 «Elle est noire, grande, elle a la forme de celle de l’ours. »…
Est-ce qu’un petit objet comme le lapin peut avoir une grande ombre de la forme de l’ombre de l’ours ?
Les élèves commentent les tailles des ombres : plus grande que, plus petite que, de la même taille que…

Rappeler les premières expériences sur les ombres au cours desquelles ils avaient modifié la taille et la forme de leur ombre en modifiant leur posture  ( s'accroupir,etc…) .
On peut rappeler aussi ce qui a été fait à la séance précédente avec la figurine et la lampe de poche pour maîtriser la direction de l'ombre. Il est probable que certains élèves auront remarqué la modification de la taille des ombres lors du déplacement de la lampe.

En groupes de 4 :
Les enfants sont invités à réaliser des ombres de tailles différentes de leur figurine et de repérer les conditions pour obtenir une ombre plus petite ou plus grande. On pourra dans un premier temps ne pas leur donner de lampe et leur demander ce dont ils ont besoin pour observer l'ombre de la figurine dans la classe.

Il sera utile de préciser tout d'abord le vocabulaire permettant de se comprendre sur les positions relatives de la lampe par rapport à l’objet. Voir l’exemple ci-dessous.

Les élèves s'essaieront d'abord à modifier la taille de l'ombre de la figurine et rendront compte en grand groupe de leurs essais : changement de posture de la figurine, changement de position de la lampe, effets obtenus
 Puis des consignes plus précises permettront d'organiser les observations et de les comparer.

Tâche 1 : avec la lampe en position fixe ; en changeant la taille de l'objet

Distribuer la fiche sur laquelle les élèves dessineront le contour des ombres. Ils doivent repérer sur une feuille de papier les pieds du personnage et la taille des ombres obtenues.
Pour comparer objectivement les résultats, on pourra donner les consignes suivantes après une phase d'exploration et la découverte de la modification de l'ombre.

Placez la lampe à une distance d’environ deux largeurs de main de la fiche, un peu en hauteur sur le côté, sur une pile de livres par exemple, et ne bougez plus ni la lampe ni la fiche.
Posez le bonhomme en position debout sur la feuille et éclairez- le avec votre lampe. Dessinez au crayon de couleur vert son ombre sur la feuille. L’ombre ne doit pas dépasser de la feuille.  Si elle dépasse bougez la feuille pour rétablir.
Puis, faites de même en rouge avec le bonhomme assis, à la même place.

Les élèves constateront que la taille de l’ombre dépend de la taille de l’objet pour une même position objet-lampe.
On leur fera se rappeler que c'est ce qu'ils avaient obtenu en se mettant accroupis pour avoir une ombre plus petite.
On peut leur faire commenter leurs dessins en précisant avec des gestes où se trouvait la source de lumière.

On peut faire la même chose avec deux objets de même forme mais de tailles différentes, par exemple des bouchons ce qui est plus facile du point de vue vocabulaire et plus explicite puisqu'on change d'objet plutôt que d'en modifier la forme.
On pourra conclure que tous les objets, posés au même endroit, n'ont pas des ombres de même taille ; un objet plus grand a une ombre plus grande.

Tâche 2 : sans modifier l'objet

Distribuez une nouvelle fiche pour de nouveaux dessins

La lampe toujours au même endroit, mettez le bonhomme debout et dessinez son ombre en vert  sur une nouvelle feuille blanche
Puis, baissez votre lampe, toujours sur le côté et dessinez  l’ombre du bonhomme encore debout  en bleu cette fois.
Les élèves constatent que la taille de l'ombre augmente sans qu'on ait modifié l'objet.

La mise en commun des résultats permettra de formuler une conclusion de ces  expériences : pour une même position de la lampe et de la figurine :

  • l’ombre du la figurine  assise est plus petite que si elle est debout ;
  • si on change la position de la lampe, en la laissant sur le côté, l’ombre de la figurine debout est plus grande lorsque la lampe est plus basse.
  • la taille de l'ombre peut être modifiée sans modification de l'objet mais en changeant la position de la lampe par rapport à l'objet.

Tâche 3 : maîtrise des positions relatives de l'objet et de la lampe

On pourra ensuite demander d'obtenir une  ombre, la plus grande possible sur la gauche du personnage, puis la plus petite sur la gauche, l'ombre la plus grande possible sur la droite du personnage, puis la plus petite sur la droite.  

Après avoir laissé le temps aux enfants d’expérimenter, le maître leur demande comment ils ont fait pour obtenir les différentes ombres. Les élèves devront expliquer, avec l'aide du maître,  et en montrant ce qu'ils ont fait :
 « on a changé la place de la lampe »,
« il faut la mettre d'un côté pour avoir l'ombre de l'autre côté du personnage »  
« plus la lampe  est basse, sur le côté, plus l'ombre est grande »
 « plus la lampe est proche sur le côté plus l'ombre est petite, juste au dessus il n'y a plus d'ombre. »


SÉANCE  2 : Forme des ombres d'objets de forme géométrique simple

Le maître présente aux élèves différentes formes  (cube, sphère, pyramide, cylindre, anneau...) et les nomme. Un poster avec les formes et les noms permettra de garder mémoire des termes.
Chaque groupe de 4 va disposer de deux formes géométriques.

Tâche 1 : prévoir et produire l'ombre d'un objet de forme géométrique simple

Dans un premier temps, on leur demande de prévoir la forme de l'ombre en dessinant ce qu'ils pensent qu'ils verront puis de tester leur hypothèse. Ils devront également nommer la forme de l'ombre, s'informer s'ils ne connaissent pas le terme.
En général les élèves posent l'objet «  sur sa base la plus stable » sur la table pour ce faire ; ne pas les dissuader s'ils font autrement, cela servira pour la tâche suivante.
La tâche est difficile car les élèves ne maîtrisent pas la perspective ; il sera nécessaire de leur faire montrer la disposition qu'ils ont dessinée ; en vérifiant qu'ils ont bien représenté une source de lumière et la forme de leur objet .On fera discuter éventuellement la direction de l'ombre par rapport à la source de lumière ( le second dessin ci- dessous prend bien mieux en compte les positions relatives source ,objet ombre que le premier) .
Chaque groupe comparera ses prévisions et ses réalisations.

Tâche 2 : peut-on modifier la forme de l'ombre ?

Les élèves sont ensuite invités à essayer de modifier la forme de l'ombre de leur objet comme ils ont modifié la taille dans la séance précédente.

« Est- ce que en modifiant la place de la lampe par rapport à l'objet on va changer la forme de l'ombre ? »
On peut leur suggérer de modifier la façon dont ils posent l'objet ou encore de ne pas le poser !
 Les élèves constateront que à un même objet peut correspondre des ombres différentes selon les postions relatives de l'objet et de la lampe. C'est la base des jeux d'ombres qu'ils pourront expérimenter dans une séquence ultérieure.

A titre d'exemple, voici des photos d'ombres différentes d'un même objet, que les élèves peuvent découvrir, ou reproduire.

Objet posé de façons différentes :

Objets posés et modification de la place de la lampe

Objets tenus et modifications de la position par rapport à la lampe

On pourra faire un tableau des formes obtenues avec un même objet ; ce qui permettra de revoir le vocabulaire désignant les objets 3D et les objets 2D.

On pourra aussi interroger les élèves sur l'intérêt qu'on peut avoir à savoir modifier une ombre, par exemple avoir une ombre plus grande d'un parasol pour se tenir à plusieurs à l'abri du Soleil.


SÉANCE 3 : Un objet ne peut pas avoir n'importe quelle ombre

On pourra ensuite s'interroger pour savoir si on peut obtenir une forme de triangle avec une sphère (ou l’inverse) ou encore un carré avec un cône ou toute autre proposition qui n'a pas été obtenue précédemment pour se rendre compte de quelques impossibilités.

Terminer cette séance par l'écriture d'un récapitulatif  de ce qu'on a appris et de ce qu'on a fait pour savoir. Il est en effet nécessaire de prévoir des temps pour permettre à chaque élève de faire le point sur ce qu’il pense savoir.
Cette étape permet aussi de porter un regard  sur le cheminement de l’enfant et d’apprécier sa compréhension des notions abordées et de la démarche mise en œuvre.


SÉANCE  4 : Modification des ombres lorsque la source est le Soleil

Le Soleil ne peut pas ici être remplacé par un projecteur.
ATTENTION bien préciser aux élèves qu'il ne faut pas fixer le Soleil du regard car on s’abîmerait  les yeux.
Ces observations pourront être reprises ultérieurement pour observer une régularité  (relativement à l'heure) et des changements au cours des saisons.
Rappel collectif sur le travail effectué avec la figurine et la lampe de poche  dans les séances précédentes ; qu'est ce qu'on avait fait, qu'est qu'on avait observé ?

  • La taille de l'ombre dépendait de l'objet ET de la position de la lampe
  • La forme de l'ombre dépendait de l'objet ET de la position de la lampe

Et si l'ombre est formée par le Soleil que va-t-il se passer ?
Peut- on modifier la taille et la forme de l'ombre comme on a fait avec la lampe ?
Les élèves énoncent des hypothèses qu’ils vont tester dehors.

Les essais de rapprocher la source (Soleil) et l'objet restent bien sûr sans effet ! Les ombres ne changent pas de taille. Néanmoins, l'enseignant propose de recommencer un peu plus tard en demandant aux élèves ce qu'ils pensent qui va se passer.
Les idées sont notées sur une affiche.

A différents moments d'une journée ensoleillée (ou bien en recommençant la séance sur plusieurs jours mais ce sera plus difficile pour les enfants de se rappeler les conditions), un des élèves du binôme trace à la craie le contour de l’ombre de son camarade et la mesure (en comptant le nombre de pieds qu’il peut aligner  et en l'écrivant à côté du contour avec l'heure, ou avec un ruban étalonné s'ils savent le lire, ou avec une ficelle sur laquelle on mettra un scotch de couleur avec l'heure écrite).
Les élèves notent ensuite la position du Soleil dans le ciel en se servant de repères observables (on le voit vers.. au dessus de... juste un peu au dessus / très haut au dessus...)  
Attention, le même élève doit servir de référence à chaque mesure. On pourra repérer aussi aux mêmes moments l'ombre d'un arbre (du même arbre pour chaque binôme).

Il faudra condamner cette partie de la cour pour que ces traces ne soient pas effacées au cours des récréations!!

En fin de journée, on pourra faire construire collectivement un tableau récapitulatif des mesures des ombres ; on remarquera alors que l’ombre du même objet est plus longue le matin et le soir que le midi, que l'ombre de l'arbre est toujours plus grande que l'ombre de l'enfant, que le Soleil a changé de place dans le ciel, on ne le voit plus dans la même direction, qu'on le voit plus haut dans  le ciel à midi que le matin et le soir. Et enfin que lorsque le Soleil est plus haut dans le ciel l'ombre est plus petite que lorsque le Soleil est plus bas.

On pourra faire le lien entre les ombres au Soleil et les ombres avec la lampe et la figurine : la direction des ombres change quand la source change de place, et faire énoncer les différences : on peut déplacer la lampe, le Soleil bouge tout seul !

On fera rappeler que si l'ombre change de place quand la source lumineuse change de place, l'objet et l'ombre sont  toujours « alignés » avec la source et que l’ombre et la source sont toujours de part et d'autre de l'objet.
On découvrira qu’on ne peut pas se rapprocher du Soleil comme on se rapproche du projecteur pour changer la taille de l'ombre.

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