Les phases de la Lune

Auteur: Audrey Delsanti et Stéfan Renner

Introduction

Niveau: *

Temps: 1h30

objectifsObjectifs

Le but de ce TP est de se familiariser avec :

Le contenu du TP peut être adapté selon le niveau des élèves (de l'école primaire au collège). Pour les plus jeunes élèves, certains points ne seront pas abordés (laissé à l'appréciation de l'enseignant).


Conseils

conseilConseils

La deuxième solution est moins pédagogique, car certains élèves pourraient imaginer que la Lune est réellement recouverte de noir sur la moitié de sa surface. Cette solution peut néanmoins être envisagée si l'utilisation d'une lampe ou d'un rétroprojecteur ne donne pas des résultats satisfaisants. La première solution est donc la plus fortement conseillée.

Pour l'étape 3 de l'étude des différentes phases, et l'étape 3 de l'étude des heures de lever et de coucher, on peut fournir à chaque élève ou à chaque binôme une balle de ping-pong dont une face est peinte en noir, enfilée au bout d'une pique en bois (de type brochette).


Documents

Documents

ou bien


Déroulement


Etude préliminaire

Au cours d'une période d'environ un mois, demander aux élèves de regarder régulièrement la Lune (depuis chez eux le matin et le soir, dans la cour de récréation dans la journée).

Demander aussi de noter l'apparence de la Lune (en dessinant la partie éclairée tous les deux ou trois jours par exemple) ainsi que les moments de la journée où l'on peut (ou ne peut pas) la voir.

Au cours d'une petite séance, confronter les résultats collectés par les élèves et noter les différentes questions et remarques.


Etude des différentes phases - Introduction

introductionIntroduction

Cette partie du TP sur l'étude des différentes phases se veut interactive. Les élèves vont bouger dans la classe pour se placer dans les configurations correspondantes aux différentes phases de la Lune que l'on désire étudier.

Dans le cas de l'utilisation d'une lampe, veiller à faire le noir complet dans la salle.

remarqueRemarque

Les 3 étapes proposées correspondent à ce que l'on observe depuis l'hémisphère nord. En effet, dans l'hémisphère sud, toutes les phases de la Lune seront inversées. Notamment, un premier quartier de Lune sera éclairé « par la gauche » (alors que dans l'hémisphère nord, il est éclairé « par la droite »).

De la même façon, l'apparence d'une phase donnée sera différente selon le point du globe Terrestre où l'on se place pour observer (terminateur plus ou moins incliné). Un petit exercice sur le sujet est présenté à la fin de ce TP.


Etude des différentes phases - Etape 1

Cette première étape a pour but de faire apprendre aux élèves les phases de la Lune, en reproduisant les différentes positions de celle-ci par rapport au Soleil et à la Terre.

Demander à un élève de figurer la Terre. L'élève-Terre se place alors à environ 1m50 de la lampe, face à celle-ci. Placer les autres participants derrière l'élève-Terre de façon à ce qu'ils puissent également suivre ce qu'il se passe.

Vous allez ensuite faire tourner la Lune autour de l'élève-Terre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Pour chaque phase à étudier, placer la Lune dans la position adéquate relativement au Soleil et à la Terre.

Demander à l'élève-Terre de dessiner au tableau la Lune telle qu'il la voit (par exemple en nouvelle Lune, il dessinera donc un disque entièrement noirci).

Confronter les résultats aux commentaires des autres élèves. Demander d'inscrire en dessous du dessin le nom de la phase correspondante.

remarqueRemarque

Dans l'hémisphère nord, se rappeler que la Lune est menteuse pour savoir si sa phase est croissante ou décroissante. En effet, en phase Croissante, la partie éclairée de la Lune ressemble à la lettre D, alors qu'en phase Décroissante, elle ressemble à la lettre C (voir figure 1).

conseilConseils

Démarrer l'exercice avec la Lune en phase de nouvelle Lune (position 1 sur la figure 2).

Attention : selon le type de tableau sur lequel on travaille, il est important de choisir une convention. Sur un tableau blanc, il n'y a pas d'ambiguïté, on noircit au marqueur la partie du disque lunaire qui est dans l'ombre. A la craie blanche sur un tableau noir, on remplira plutôt à la craie la partie éclairée du disque lunaire.

panolune.gif
Figure 1 : les phases de la Lune. De gauche à droite, on a : nouvelle Lune, premier croissant, premier quartier, gibbeuse croissante, pleine Lune, gibbeuse décroissante, dernier quartier et dernier croissant.
image004.jpg
Figure 2 : position de la Lune par rapport au Soleil et à la Terre, pour chaque phase de la figure 1 (la position 1 est la nouvelle Lune, la position 8 le dernier croissant).

Etude des différentes phases - Etape 2

On effectue maintenant l'exercice inverse par rapport à l'étape précédente, qui va permettre aux élèves, pour une phase de la Lune donnée, de savoir placer celle-ci par rapport au Soleil et la Terre.

Choisir une liste de phases dans le désordre, comme par exemple : gibbeuse décroissante, premier croissant, dernier quartier, pleine Lune, etc.

Demander alors à un élève-Terre de placer la Lune par rapport au Soleil et à la Terre, de façon à ce qu'elle soit dans la phase proposée.

Poursuivre l'exercice avec différents élèves, jusqu'à ce que les hésitations sur le placement de la Lune diminuent.


Etude des différentes phases - Etape 3

Cette étape se réalise par écrit à l'aide de la figure 3. Il permet de valider ce qui a été appris dans les deux étapes précédentes.

Pour chaque position de la Lune (de 1 à 10), noircir la partie non-éclairée de la Lune (tableau en bas de la figure 3) et indiquer en-dessous le nom de la phase correspondante.

conseilConseils

Pour que chaque élève puisse retrouver par lui-même les phases demandées, on peut lui fournir une pique en bois sur laquelle est enfilée une balle de ping-pong à moitié peinte en noir. En la tenant à bout de bras dans la position adéquate, l'élève peut reconstituer la configuration Soleil-Terre-Lune demandée par l'exercice et visualiser ainsi directement la phase lunaire résultante.

image011.jpg
Figure 3 : support de l'étape 3 de l'étude des différentes phases. Il s'agit de dessiner la phase de la Lune lorsque celle-ci est en position 1, 2, ..., 10.

Heures de lever et de coucher de la Lune - Etape 1

Le but est maintenant de déterminer les moments de lever et de coucher de la Lune dans les quatre phases suivantes : nouvelle Lune, premier quartier, pleine Lune et dernier quartier.

remarqueRemarque

les mouvements du Soleil et de la Lune par rapport à la Terre sont supposés uniformes et dans un même plan.

La première étape s'effectue seulement avec le Soleil et un élève-Terre, et consiste à visualiser les différents moments d'une journée.

Demander à un élève-Terre d'ouvrir les bras en croix, avec le Soleil (lampe) placé à sa gauche (voir figure 4). Le bout de son bras gauche figure ainsi l'horizon est, le bout de son bras droit figure l'horizon ouest. En regardant droit devant lui, l'élève-Terre visualise la direction du zénith.

Faire tourner l'élève-Terre sur lui-même. On réalise ainsi un lever du Soleil (6h), midi, un coucher du Soleil (18h), et minuit (figure 4).

Un jour s'est écoulé lorsque l'élève-Terre a fait un tour sur lui-même. On suppose implicitement que le jour est aussi long que la nuit. Cela n'est pas vrai qu'au moment des equinoxes, mais cet exercice simple permet de comprendre les phénomènes de lever et de coucher.

image013.jpg
Figure 4 : visualisation des différents moments d'une journée sur Terre.

Heures de lever et de coucher de la Lune - Etape 2

On répète à présent l'étape précédente, mais en rajoutant la Lune, placée dans l'une des quatre phases proposées.

Demander à l'élève-Terre de faire un tour sur lui-même doucement (afin de simuler la durée d'une journée), toujours les bras en croix.

Noter à quel moment approximatif de la journée se lève et se couche la Lune.

Recommencer pour les trois autres phases.


Heures de lever et de coucher de la Lune - Etape 3

Cet troisième étape est un exercice écrit, effectué individuellement ou en binôme, qui permet de valider ce qui a été vu à l'étape précédente.

Il s'agit de remplir un tableau dans lequel pour chaque phase, on donnera l'aspect, la position dans le ciel, le lever, le coucher, et les heures de visibilité de la Lune. Cet exercice est corrigé à la fin du TP.

Dans la ligne « Aspect », dessiner un cercle représentant le disque lunaire et noircir la partie dans l'ombre.

Dans la ligne « position dans le ciel », choisir entre : à 90° du Soleil, à l'opposé du Soleil, dans la direction du Soleil.

Pour les rubriques « lever » et « coucher », indiquer le moment de la journée : vers midi, vers minuit, à l'aube, au crépuscule.

Dans la ligne « heures de visibilité », il faut indiquer la période de la journée ou de la nuit où l'on peut voir la Lune. La Lune peut être levée, mais invisible (par exemple à midi).

conseilConseils

On pourra s'aider d'un camarade, des balles de ping-pong et des piques en bois, afin de refaire les manipulations de l'étape 2.


Apparence de la Lune selon la position géographique - Etape 1

Cette partie est destinée aux plus grandes classes, ou aux élèves qui soulèvent spontanément le problème.

L'apparence de la Lune varie selon la position géographique, principalement à cause de l'inclinaison (environ 23°) de l'équateur de la Terre par rapport à l'écliptique (plan de l'orbite terrestre autour du Soleil).

Le but de cette étape est de s'en rendre compte facilement en utilisant un ballon-Terre.

Placer le Soleil, la Terre et la Lune dans une configuration donnée. Incliner le ballon-Terre d'environ 23°. Quelle est la saison dans l'hémisphère nord ? Réponse : si le pôle nord est dans l'ombre, alors on est en hiver.

Choisir un point géographique dans l'hémisphère nord (par exemple la France). Penchez la tête de manière à se retrouver comme si l'on était debout sur le point choisi (verticale du lieu). On peut s'aider d'un crayon ou d'une pique en bois pour déterminer la direction de la verticale du lieu choisi.

Comment apparaît (par exemple) le premier quartier ? Garder la même phase de la Lune et recommencer l'expérience depuis un point situé dans l'hémisphère sud.


Apparence de la Lune selon la position géographique - Etape 2

On donne ici quelques exemples illustrant l'étape prédédente. Nous avons utilisé une balle de ping-pong pour faciliter la prise de photographie. Il est cependant recommandé de réaliser l'exercice avec une lampe en guise de Soleil et une balle blanche en guise de Lune.

image015.jpgimage017.jpg
Figure 5 : un dernier quartier de Lune. Pour la deuxième photo, on a penché la tête pour se retrouver comme si l'on était debout sur le sol de France.
image019.jpgimage021.jpg
Figure 6 : un dernier quartier de Lune observé dans l'hémisphère sud, depuis le tropique du capricorne.
image023.jpg
Figure 7 : un dernier quartier de Lune à l'équinoxe, vu depuis l'équateur.

Questions diverses

Vocabulaire

La limite entre la zone sombre et la zone éclairée de la Lune est appelée le terminateur.

Le premier quartier est aussi appelé quadrature est, le dernier quartier est la quadrature ouest. La pleine Lune et la nouvelle Lune sont aussi appelées les sysygies.

L'adjectif gibbeuse signifie bossue, et provient du mot latin gibba. En effet, quand on regarde la partie éclairée de la Lune dans une phase gibbeuse, on a l'impression que la Lune est bossue.

Le cycle des phases est de 29,53 jours, soit 29j 12h 44mn. C'est donc le temps que met la Lune à reprendre la même position par rapport au Soleil, vu de la Terre (période de révolution synodique). Cette période de 29,5 jours est aussi appelée mois lunaire synodique, ou encore lunaison.

Le cycle des phases diffère de la période de révolution sidérale de la Lune, qui est de 27, 32 jours, soit 27j 7h 43mn. C'est le temps que met la Lune pour tourner autour de la Terre, c'est-à-dire le temps que met la Lune à reprendre la même position dans le ciel par rapport aux étoiles. Cette période est également appelée mois lunaire sidéral.

Explication: Au cours du cycle des phases, la Terre se déplace sur son orbite annuelle d'environ 27°. Il en résulte un déplacement angulaire apparent du Soleil de 27°. Si nous partons d'un moment de nouvelle Lune, au bout d'une période sidérale de 27,3 jours, la Lune a accompli un tour complet autour de la Terre, mais elle ne se trouve pas exactement entre celle-ci et le Soleil, celui-ci s'étant déplacé de 27°. Il lui faut encore environ 2,2 jours pour parcourir cette distance angulaire de 27°.

Qu'est-ce que la lumière cendrée?

Elle est visible les jours qui précèdent et suivent la nouvelle Lune. La Lune, plongée dans l'obscurité, est légèrement éclairée par la réflexion de la lumière du Soleil par la Terre. En dehors de cette période, la lumière cendrée est difficile à voir, car la luminosité globale de la partie de la Lune éclairée directement par le Soleil éblouit l'observateur et l'empêche de distinguer la faible lueur de la partie sombre. La Terre parvient à éclairer la Lune, car sa surface est recouverte de nuages et d'océans qui réfléchissent bien la lumière (au contraire des continents). Ainsi, l'albédo de la Terre est de 0,37 (c'est-à-dire qu'elle réfléchit 37 % de la lumière incidente).

Qu'est-ce que la Lune rousse?

Elle a lieu lors d'une éclipse de Lune, à savoir lorsque la Lune passe dans le cône d'ombre ou dans le cône de pénombre de la Terre. Au cours d'une éclipse totale de la Lune, les rayons lumineux passant dans l'atmosphère terrestre sont déviés par la réfraction atmosphérique et éclairent la Lune. Ce flux lumineux se traduit par une coloration rougeâtre, qui rappelle un peu la couleur du ciel terrestre au moment du coucher du Soleil. L'aspect, les couleurs et l'intensité de l'éclairement sont très variables d'une éclipse à l'autre. Ils sont imprévisibles et dépendent fortement des conditions météorologiques et atmosphériques de la Terre à l'endroit où les rayons lumineux solaires sont réfractés.

Pourquoi n'y a-t-il pas d'éclipses de Lune à chaque pleine Lune?

Au moment de la pleine Lune, le Soleil, la Terre et la Lune sont quasiment alignés. Si le plan de l'orbite de la Lune était le même que le plan de l'orbite de la Terre (écliptique), il y aurait une éclipse de Lune à chaque pleine Lune. Or le plan de l'orbite de la Lune est incliné de 5° 13' sur le plan de l'orbite terrestre. L'intersection de ces deux plans est une droite appelée ligne des nœuds, et les intersections de cette droite avec l'écliptique sont appelées nœuds de l'orbite lunaire. Pour qu'il y ait une éclipse, il faut donc que la Lune soit près de la ligne des nœuds au moment de la pleine Lune.


Corrigé de l'exercice écrit sur les heures de lever et de coucher de la Lune

Nouvelle Lune Premier quartier Pleine Lune Dernier quartier
Position dans le ciel près du Soleil 90° du Soleil opposé du Soleil 90° du Soleil
Lever aube midi crépuscule minuit
Coucher crépuscule minuit aube midi
Heures de visibilité invisible fin d'après-midi et soirée toute la nuit fin de nuit et début de matinée

Observations

Il est relativement aisé d'observer la Lune à l'œil nu. Avec une paire de jumelles, on peut déjà explorer les différents cratères et « mers » visibles à la surface. On peut aussi remarquer clairement d'un soir sur l'autre la progression du terminateur. Il peut donc être intéressant de proposer aux élèves de dessiner la progression quotidienne du terminateur au cours d'une lunaison.

Sur la figure 8 sont présentées des images de la Lune acquises lors d'une nuit du stage de Saint-Véran (été 2004). On peut voir les différentes étapes d'un coucher de Lune sur la montagne.

image029.jpgimage031.jpgimage033.jpgimage035.jpg
Figure 8 : images de la Lune acquises lors d'une nuit du stage de Saint-Véran de l'été 2004.

Quelle est la phase de la Lune ? Est-elle croissante ou décroissante ? On peut proposer aux élèves des exercices de reconnaissance de phases, à partir de clichés photographiques.


Conclusion

conclusionConclusion

Ce TP permet à des élèves de primaire ou de collège de se familiariser essentiellement avec les phases de la Lune, ainsi qu'avec les heures de coucher et de lever (pour l'hémisphère nord).

Plus précisément, les objectifs suivants devraient être atteints :


Bibliographie

bibliographieBibliographie