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.

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.

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.

Crédit : ASM

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).

Crédit : ASM

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.

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.

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.

Crédit : ASM

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.

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.

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

Crédit : ASM

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.

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).

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.

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.

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.

Crédit : ASM

Figure 6 : un dernier quartier de Lune observé dans l'hémisphère sud, depuis le tropique du capricorne.

Crédit : ASM

Figure 7 : un dernier quartier de Lune à l'équinoxe, vu depuis l'équateur.

Crédit : ASM

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.

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

Crédit : ASM

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.