Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
18Le Soleil dans le ciel : jours et saisons
En juin, tu joues dehors après le dîner dans une lumière dorée ; en décembre, les lampadaires s’allument avant que tu ne rentres de l’école. Le Soleil garde sa vieille habitude — il monte d’un côté, passe au plus haut, redescend de l’autre — mais sa route à travers le ciel n’est pas la même toute l’année. Suis-le pendant une année entière, et tu découvres les saisons.
18.1 La route changeante du Soleil
Exemple 18.1 (Route d’été, route d’hiver)
Observe l’arc du Soleil au cœur de l’été : il se lève tôt, monte très haut — presque au-dessus de ta tête à midi — et se couche tard : une route longue et haute, et une longue journée. Au cœur de l’hiver, l’arc est bas et court : le Soleil se lève tard, ne monte jamais bien au-dessus des toits, et se couche au milieu de l’après-midi. Entre les deux, au printemps et en automne, la route est moyenne — et le jour et la nuit se partagent les heures presque également.
Proposition 18.2 (La règle de midi)
En toute saison, le Soleil est au plus haut au milieu de la journée — et à cet instant, chaque ombre est la plus courte de la journée et pointe dans la même direction que l’ombre de midi d’hier, et que celle de demain. Les ombres de midi sont les flèches les plus fiables de la nature.
Exemple 18.3 (Lire la saison dans une ombre)
La longueur de l’ombre de midi change avec la saison : en été, le Soleil étant presque au-dessus de nos têtes, l’ombre de midi d’un poteau n’est qu’un petit moignon ; en hiver, le Soleil restant bas, le même poteau jette à midi une longue ombre. Marque une fois par mois la pointe de l’ombre de midi sur le sol, et les marques avanceront et reculeront au fil de l’année comme un lent balancier.
18.2 L’horloge d’ombre
Définition 18.4 (Cadran solaire)
Un cadran solaire est une horloge faite d’une ombre : un bâton ou une lame dressés au soleil, avec des repères tout autour indiquant où tombe l’ombre à chaque heure. À mesure que le Soleil parcourt son arc, l’ombre balaie les repères — lentement, sans bruit, et sans la moindre pièce mobile.
Méthode 18.5 (Construire une horloge d’ombre)
Un matin ensoleillé, à un endroit qui reste au soleil toute la journée :
- planter un bâton bien droit dans un sol plat (ou le dresser dans un seau de sable) ;
- toutes les heures, à l’heure pile, marquer la pointe de son ombre avec un caillou et écrire l’heure dessus à la craie ;
- continuer jusqu’au soir.
Demain, l’ombre passera sur tes cailloux à l’heure dite : ton bâton donne maintenant l’heure. (Pour un temps, du moins — comme la saison glisse, les ombres glissent aussi, et tes cailloux se tromperont peu à peu.)
18.3 L’année et ses saisons
Définition 18.6 (L’année et les saisons)
Pendant que la Terre tourne une fois par jour sur elle-même, elle accomplit aussi un immense voyage autour du Soleil — un tour complet dure une année, environ jours. Au long de ce tour, la route du Soleil dans notre ciel s’élève puis s’abaisse lentement, et nous traversons les quatre saisons : le printemps, l’été, l’automne, l’hiver — puis le printemps de nouveau, tour après tour.
Exemple 18.7 (Les quatre quarts)
L’été : Soleil haut, journées longues, ombres de midi courtes. L’hiver : Soleil bas, journées courtes, ombres de midi longues. Le printemps et l’automne se placent entre les deux — et dans chacun d’eux arrive un jour particulier où le jour et la nuit durent exactement autant. Les paysans, les marins et les bâtisseurs d’autrefois ont appris à lire ce calendrier directement dans le ciel.
Remarque 18.8 (L’hiver n’est pas « plus loin »)
Il est tentant de deviner que l’hiver est froid parce que la Terre s’éloigne du Soleil. Eh bien non — la distance ne change presque pas, et quand c’est l’hiver ici, c’est l’été au même instant pour les enfants de l’autre moitié de la Terre, ce qu’aucun « plus loin » ne saurait expliquer ! La vraie clé est la route basse du Soleil : Soleil bas, lumière rasante, réchauffement faible. L’explication complète est promise pour un chapitre plus loin.
18.4 Exercices
Exercice 18.1 ★
En quelle saison l’arc du Soleil est-il le plus haut et le plus long ? Le plus bas et le plus court ? Quel effet cela a-t-il sur la longueur de la journée ?
Solution
Solution de Exercice 18.1.
Le plus haut et le plus long en été — d’où de longues journées ; le plus bas et le plus court en hiver — d’où de courtes journées.
Exercice 18.2 ★
À quel moment de la journée l’ombre d’un poteau est-elle la plus courte ? Qu’a encore de particulier l’ombre de midi, jour après jour ?
Solution
Solution de Exercice 18.2.
À midi, quand le Soleil est au plus haut. L’ombre de midi pointe en outre dans la même direction tous les jours de l’année — la flèche la plus fiable de la nature.
Exercice 18.3 ★
Le même poteau jette à midi une ombre de longueurs de botte en juin et de bottes en décembre. Explique la différence avec les deux routes du Soleil.
Exercice 18.4 ★
Comment un cadran solaire donne-t-il l’heure ? De quoi son aiguille mobile est-elle faite ?
Exercice 18.5 ★
Dans Méthode 18.5, pourquoi le bâton doit-il rester à un endroit ensoleillé toute la journée ? Qu’advient-il de l’horloge par temps nuageux — et la nuit ?
Solution
Solution de Exercice 18.5.
Si l’ombre d’un mur avale le bâton à une certaine heure, cette heure ne pourra jamais être ni marquée ni lue. Sous les nuages, l’horloge n’a plus d’aiguille — plus d’ombre — et la nuit non plus : un cadran solaire ne fonctionne que tant que le Soleil travaille.
Exercice 18.6 ★
Combien de temps la Terre met-elle pour faire un tour autour du Soleil ? Combien de saisons tiennent dans un tour ? Range-les dans l’ordre, en partant du printemps.
Solution
Solution de Exercice 18.6.
Une année — environ jours. Quatre saisons par tour : le printemps, l’été, l’automne, l’hiver.
Exercice 18.7 ★
Combien de jours y a-t-il à peu près dans une année ? Et — d’après un chapitre précédent — combien d’heures dans une journée ? Quel voyage de la Terre produit chacun des deux ?
Solution
Solution de Exercice 18.7.
Environ jours dans une année ; heures dans une journée. La journée est un tour de la Terre sur elle-même ; l’année est un tour de la Terre autour du Soleil.
Exercice 18.8 ★
Cite deux indices, visibles de ta fenêtre en une seule semaine, qui te disent si tu es en plein été ou en plein hiver sans calendrier.
Exercice 18.9 ★
Quand c’est l’hiver chez toi, quelle saison est-ce pour les enfants de l’autre moitié de la Terre ? Que prouve cela au sujet de l’idée « l’hiver arrive parce que la Terre entière est plus loin du Soleil » ?
Solution
Solution de Exercice 18.9.
C’est l’été chez eux, au même instant. Si la Terre entière était plus loin du Soleil, tout le monde aurait l’hiver en même temps — l’idée est donc forcément fausse. La vraie cause est la route basse et sa lumière rasante.
Exercice 18.10 ★★
Une jardinière plante les cailloux de son horloge d’ombre en mars. En juin, l’ombre ne touche plus les cailloux aux heures marquées. Le bâton a-t-il bougé ? Explique ce qui a dérivé, à l’aide de Exemple 18.3.
Solution
Solution de Exercice 18.10.
Le bâton n’a pas bougé — c’est la route du Soleil qui a changé. De mars à juin, l’arc est monté plus haut, et les ombres ont raccourci et se sont déplacées : l’ombre manque donc les cailloux posés pour la route de mars. Un cadran solaire se lit avec sa saison.
Exercice 18.11 ★★
Une exploratrice se réveille sans montre ni téléphone, voit le Soleil exactement au plus haut, et une heure plus tard trouve l’ombre de sa tente déjà plus longue que la tente n’est haute. Vers quelle heure s’est-elle réveillée, à peu près, et est-elle plus proche du plein été ou du plein hiver ? Argumente à partir de la règle de midi et de la longueur de l’ombre.
Solution
Solution de Exercice 18.11.
Le Soleil au plus haut signifie qu’elle s’est réveillée à midi. Si, une heure plus tard seulement, l’ombre de la tente est déjà plus longue que la tente n’est haute, le Soleil doit rester très bas même près de midi — la route basse de l’hiver : elle est plus proche du plein hiver.