Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
51Les phases de la Lune
Il y a des années, tu tenais un journal de la Lune et tu regardais la forme argentée passer du croissant à la pleine lune et revenir, et nous t’avions promis le « pourquoi » pour plus tard. Plus tard, c’est maintenant. Tu possèdes tout ce dont l’explication a besoin : une Lune qui parcourt son orbite en un mois, de la lumière solaire en lignes droites, et une sphère qui est toujours — toujours — éclairée à moitié.
51.1 Le fait unique qui est dessous
Proposition 51.1 (Éclairée à moitié, toujours)
Le Soleil éclaire une moitié de la Lune à chaque instant — celle qui lui fait face — exactement comme il éclaire la moitié de la Terre. La Lune n’a pas de forme changeante, elle ne grandit ni ne rétrécit : c’est une boule de pierre qui porte un côté jour permanent et un côté nuit permanent, la frontière glissant à mesure qu’elle parcourt son orbite. Tout ce que nous appelons une « phase » n’est que la vue : la part du côté jour qui se trouve tournée vers la Terre.
Définition 51.2 (Phases)
Les phases de la Lune sont ses formes apparentes au fil du mois : la nouvelle lune (côté jour entièrement détourné — nous ne voyons rien), le croissant, le premier quartier (la moitié du disque éclairée), la lune gibbeuse (plus de la moitié), la pleine lune (côté jour entièrement tourné vers nous), puis de nouveau gibbeuse, le dernier quartier et le croissant, refermant le cycle en environ jours. De la nouvelle lune à la pleine lune, la partie éclairée grandit de nuit en nuit : la Lune est croissante ; de la pleine lune à la nouvelle, elle diminue : la Lune est décroissante.
Méthode 51.3 (Sois la Terre, tiens la Lune)
L’explication, jouée en une minute :
- dans une pièce sombre, une unique lampe nue est le Soleil ; toi, tu es la Terre ; une balle blanche au bout de ton bras tendu est la Lune ;
- fais face à la lampe, la balle vers elle : la moitié éclairée de la balle est détournée de toi — tu vois son côté sombre : c’est la nouvelle lune ;
- tourne lentement sur place (la balle décrit son orbite autour de toi) : un croissant éclairé apparaît au bord de la balle — croissant de lune croissante ; après un quart de tour, la moitié de la balle apparaît éclairée : c’est le premier quartier ;
- continue de tourner : gibbeuse — puis, la lampe dans le dos, la balle entièrement éclairée devant toi : c’est la pleine lune ; achève le tour par la gibbeuse décroissante, le quartier et le croissant, jusqu’à la nouvelle lune.
Un tour sur toi-même rejoue un mois de ciel.
51.2 L’idée fausse, mise à la retraite
Proposition 51.4 (Les phases ne sont pas l’ombre de la Terre)
La réponse erronée la plus répandue de toute l’astronomie : « les phases sont l’ombre de la Terre sur la Lune ». La géométrie la réfute de trois façons. L’ombre de la Terre pointe à l’opposé du Soleil — elle ne peut toucher qu’une Lune située à l’opposé du Soleil, ce qui n’arrive qu’à la pleine lune (et encore, seulement lors de rares éclipses). Une Lune en croissant se tient du côté du Soleil, très loin de notre ombre. Et le bord de notre ombre sur la Lune est toujours un arc de grand cercle — il ne pourrait jamais découper la frontière à double courbure de la forme gibbeuse. Les phases n’ont besoin d’aucune ombre : une boule éclairée à moitié, vue sous différents angles, fait tout le travail.
Exemple 51.5 (Éclipse et phase)
Garde les deux assombrissements de la Lune dans des tiroirs séparés. Phase : le lent cycle mensuel, le côté nuit propre à la Lune qui se tourne vers nous — aucune ombre de la nôtre n’y est mêlée. Éclipse de Lune : une heure rare où la pleine lune traverse notre zone d’ombre — l’ombre de la Terre tombant véritablement sur elle, cuivrée et rapide. Le rythme du journal est une vue ; l’éclipse est une visite.
51.3 Lire le ciel comme une horloge
Exemple 51.6 (Où les phases tiennent leurs horaires)
Le schéma attache chaque phase à une position — et chaque position à un horaire. La pleine lune se tient à l’opposé du Soleil : elle doit donc se lever au coucher du Soleil, régner toute la nuit, et se coucher au lever du Soleil. La nouvelle lune voyage avec le Soleil : présente tout le jour, perdue dans l’éblouissement — et voilà pourquoi personne ne « voit » une nouvelle lune. Le premier quartier suit le Soleil d’un quart de tour : il se lève vers midi et se couche vers minuit — c’est la Lune d’après le dîner. La surprise de la Lune de plein jour de ton enfance est désormais un horaire : toute Lune qui n’est ni nouvelle ni pleine partage une partie de son service avec le Soleil.
Exemple 51.7 (De quel côté pointe le croissant ?)
Le côté éclairé de toute phase fait face au Soleil — le croissant est un arc pointé vers son archer. Croissant du soir à l’ouest : les cornes tournées vers le haut, à l’opposé de la lueur du coucher au-dessous de l’horizon. Le ciel ne le dessine jamais de travers ; les peintres, souvent. Un croissant dont les cornes pointent vers le Soleil est l’erreur préférée des chasseurs d’erreurs de l’astronomie.
Remarque 51.8 (Le visage qui ne se détourne jamais)
Encore une observation du journal, enfin honorée : les taches sombres de la Lune forment le même visage chaque nuit, phase après phase, année après année. La Lune tourne exactement une fois sur son axe par orbite — la même moitié fait donc face à la Terre pour toujours. Personne n’a vu la face cachée avant qu’une sonde spatiale n’en fasse le tour avec un appareil photo, du vivant de tes grands-parents. Pourquoi la rotation et la révolution s’accordent si parfaitement est une profonde histoire de marées, gardée pour les années de licence de ce cours.
51.4 Exercices
Exercice 51.1 ★
Quelle fraction de la Lune est éclairée par le Soleil à un instant donné ? Qu’est donc une « phase » ?
Solution
Solution de Exercice 51.1.
Exactement la moitié, toujours — la moitié tournée vers le Soleil. Une phase n’est que la vue : la fraction de cette moitié éclairée qui se trouve tournée vers la Terre.
Exercice 51.2 ★
Récite les phases dans l’ordre à partir de la nouvelle lune, et donne la durée du cycle. Quelle moitié du cycle correspond à la Lune croissante ?
Solution
Solution de Exercice 51.2.
Nouvelle lune, croissant de lune croissante, premier quartier, gibbeuse croissante, pleine lune, gibbeuse décroissante, dernier quartier, croissant de lune décroissante — le tour en environ jours. La Lune est croissante pendant la moitié où la partie éclairée grandit, de la nouvelle lune à la pleine lune.
Exercice 51.3 ★
Dans la méthode de la promenade orbitale, où se trouvent la lampe, la balle et toi à la nouvelle lune ? À la pleine lune ?
Solution
Solution de Exercice 51.3.
Nouvelle lune : tu fais face à la lampe, la balle tournée vers elle — sa moitié éclairée est détournée de toi. Pleine lune : la lampe dans ton dos, la balle devant toi — sa moitié éclairée entièrement tournée vers toi.
Exercice 51.4 ★
Donne deux des trois réfutations géométriques de « les phases sont l’ombre de la Terre ».
Solution
Solution de Exercice 51.4.
Deux au choix : l’ombre de la Terre pointe à l’opposé du Soleil et ne pourrait atteindre la Lune qu’en position de pleine lune ; une Lune en croissant se tient du côté du Soleil, très loin de cette ombre ; et le bord d’une ombre ronde ne pourrait jamais découper la double courbure de la forme gibbeuse.
Exercice 51.5 ★
Quelle est la différence entre l’obscurité de la nouvelle lune et celle d’une éclipse de Lune ?
Solution
Solution de Exercice 51.5.
La nouvelle lune est sombre pour nous parce que c’est son propre côté nuit qui nous fait face — aucune ombre de la nôtre n’y est mêlée, et sa face opposée est en plein soleil. L’éclipse de Lune, c’est la pleine lune qui traverse la véritable zone d’ombre de la Terre : notre ombre tombant réellement sur elle, brièvement.
Exercice 51.6 ★
Pourquoi la pleine lune se lève-t-elle toujours vers le coucher du Soleil ? Argumente à partir de sa position sur le schéma.
Solution
Solution de Exercice 51.6.
La pleine lune se tient à l’opposé du Soleil. Comme la rotation de la Terre fait descendre le Soleil sous l’horizon ouest, le point opposé du ciel — là où attend la pleine lune — doit se lever à l’est : le coucher du Soleil et le lever de la pleine lune sont un seul événement vu de deux façons.
Exercice 51.7 ★
Pourquoi personne ne « voit jamais la nouvelle lune se lever à minuit » ? Où est la nouvelle lune à minuit ?
Solution
Solution de Exercice 51.7.
La nouvelle lune voyage avec le Soleil : à minuit, tous deux se tiennent sous tes pieds, de l’autre côté de la Terre. Une nouvelle lune à minuit est aussi impossible que le Soleil à minuit.
Exercice 51.8 ★
Un croissant du soir est suspendu à l’ouest. De quel côté pointent ses cornes par rapport au Soleil disparu — et pourquoi un croissant ne peut-il jamais pointer ses cornes vers le Soleil ?
Solution
Solution de Exercice 51.8.
À l’opposé du point du coucher — l’arc du croissant se courbe vers le Soleil, les cornes à l’écart. Le côté éclairé doit faire face au Soleil, et les cornes sont les bords fuyants de ce côté éclairé : la géométrie leur interdit de viser le Soleil.
Exercice 51.9 ★★
Ce soir, la Lune est gibbeuse croissante. Où se tient-elle sur son orbite ? Vers quelle heure s’est-elle levée, et quelle phase — et quel horaire — viendra cinq nuits plus tard ?
Solution
Solution de Exercice 51.9.
Entre le premier quartier et la pleine lune — environ aux trois huitièmes du tour, du côté du soir. Elle s’est levée en milieu d’après-midi. Cinq nuits plus tard : la pleine lune — lever au coucher du Soleil, présente toute la nuit.
Exercice 51.10 ★★
Une éclipse de Soleil ne peut se produire qu’à une seule phase, une éclipse de Lune qu’à une autre. Nomme les deux, justifie avec la géométrie de l’alignement, et explique pourquoi les éclipses restent néanmoins rares à ces phases.
Solution
Solution de Exercice 51.10.
Éclipse de Soleil : uniquement à la nouvelle lune — Soleil–Lune–Terre alignés. De Lune : uniquement à la pleine lune — Soleil–Terre–Lune alignés. Rares même alors, parce que l’orbite inclinée de la Lune l’emporte le plus souvent au-dessus ou au-dessous de la ligne exacte : la phase est nécessaire, l’alignement n’est pas garanti.
Exercice 51.11 ★★
Des astronautes sur la face visible de la Lune lèvent les yeux vers la Terre. Décris les « phases de la Terre » qu’ils voient au fil d’un mois, et dis quelle phase la Terre leur montre quand nous voyons une nouvelle lune. (Fais tourner la géométrie dans les deux sens.)
Solution
Solution de Exercice 51.11.
La Terre montre des phases opposées aux nôtres, sur la même horloge : quand nous voyons une nouvelle lune, les astronautes lunaires voient une Terre pleine — tout notre côté éclairé tourné vers eux ; à notre pleine lune, ils voient une Terre nouvelle. Une seule géométrie, lue depuis l’autre fauteuil.
Exercice 51.12 ★★★
Le secret du vieux croissant : par les soirs clairs, la partie sombre de la Lune en croissant luit faiblement — « la vieille lune dans les bras de la nouvelle ». Ton toi de deuxième année a rencontré cela comme une devinette ; résous-la maintenant complètement : retrace le chemin de la lumière, explique pourquoi cette lumière cendrée est la plus vive précisément aux phases de croissant (quelle phase la Terre montre-t-elle alors à la Lune ?), et pourquoi elle s’efface vers la pleine lune.
Solution
Solution de Exercice 51.12.
Le chemin : la lumière du Soleil frappe la Terre, la Terre brillante la diffuse vers la Lune, et le côté nuit de la Lune en rediffuse un peu vers nos yeux — de la lumière solaire transmise deux fois. À nos phases de croissant, la Lune voit une Terre presque pleine (la règle des phases opposées) : son côté nuit est inondé par la Terre la plus brillante possible — lumière cendrée maximale. Vers notre pleine lune, la Lune voit une mince Terre en croissant : le projecteur s’affaiblit, et l’éblouissement de la pleine lune noie ce qu’il en reste.
51.5 Problème : un mois avec la Lune
Problème 51.1
Problème du week-end — le mois portes ouvertes de l’observatoire ; trente nuits de Lune, un tableau mural ; le quiz du médiateur
L’observatoire de la ville organise un « mois avec la Lune » ouvert au public. Comme jeune médiateur, tu tiens le tableau mural et tu réponds aux visiteurs.
Partie I — monter le tableau.
- La nuit 0 est celle de la nouvelle lune. Remplis les étapes du tableau : vers quelles nuits tombent le premier quartier, la pleine lune et le dernier quartier ?
- À côté de chaque étape, le tableau réclame les heures de lever. Associe : se lève au coucher du Soleil ; se lève vers midi ; se lève vers minuit ; se lève et se couche avec le Soleil.
- Une visiteuse demande pourquoi le tableau montre le croissant bas dans le ciel du soir à l’ouest, alors que la pleine lune s’élève de l’est à la tombée du jour. Explique avec les positions orbitales.
- Un autre visiteur jure avoir vu la Lune à dix heures du matin. Quelles phases du tableau rendent possible une Lune matinale ?
Partie II — les démonstrations du médiateur.
- Tu joues la promenade de la lampe et de la balle devant une classe. Un élève t’immobilise en plein tour : la balle apparaît éclairée aux trois quarts. Nomme la phase, et situe la lampe, la Terre (toi) et la balle pour le groupe.
- « Alors c’est bien l’ombre de la Terre qui fait les phases ? » demande l’élève en montrant le côté sombre de ta balle. Donne la réfutation que contient la démonstration elle-même : le côté nuit de qui voient-ils, et où se trouverait réellement l’ombre de la Terre ?
- Le groupe demande pourquoi on voit toujours « le lapin » (ou « le visage ») dans la Lune, jamais son dos. Réponds avec le fait du même visage.
- Un parent sceptique : « Si la Lune tourne sur elle-même, comme vous le dites, ne devrait-on pas la voir tourner ? » Résous la contradiction apparente : comment la Lune peut-elle tourner exactement une fois par orbite et, par là même, nous cacher sa rotation ?
Partie III — la soirée quiz.
- Carte A : « La Lune de ce soir s’est levée à minuit et montre sa moitié gauche éclairée (vue en allant vers le matin). Croissante ou décroissante — et quel quartier ? »
- Carte B : « L’affiche d’un artiste montre une Lune en croissant à minuit, haute au-dessus de nos têtes, les cornes pointées droit vers les couleurs du couchant à l’horizon. » Énumère toutes les erreurs astronomiques de l’affiche.
- Carte C : « Pendant la pleine lune de ce soir, des visiteurs pourraient-ils assister quelque part sur Terre à une éclipse de Soleil ? » Tranche avec la géométrie des phases.
- Discours de clôture : en trois phrases, donne le fait unique qui sous-tend tout le mois, l’idée fausse que le mois a enterrée, et l’astuce d’horaire que les visiteurs doivent emporter chez eux (ce que toute phase dit de son heure de lever).
Solution
Solution de Problème 51.1.
1. Premier quartier vers la nuit ; pleine lune vers la nuit ; dernier quartier vers la nuit (le cycle se refermant vers la nuit –). 2. Pleine lune : se lève au coucher du Soleil. Premier quartier : se lève vers midi. Dernier quartier : se lève vers minuit. Nouvelle lune : se lève et se couche avec le Soleil. 3. Le jeune croissant n’est qu’un peu en arrière du Soleil sur l’orbite : il est suspendu à l’ouest après le coucher et suit bientôt le Soleil sous l’horizon. La pleine lune se tient à l’opposé : quand le Soleil se couche à l’ouest, « à l’opposé » signifie se lever à l’est. 4. Toute phase qui partage une part du service du Soleil : la gibbeuse croissante en après-midi, et surtout les phases décroissantes — le dernier quartier et le croissant décroissant sont hauts dans les ciels du matin. 5. Gibbeuse croissante : une balle éclairée aux trois quarts signifie que tu te tiens entre le premier quartier et la pleine lune — la lampe derrière ton épaule, la balle devant toi et sur le côté. 6. Ils voient le propre côté nuit de la balle — la moitié détournée de la lampe. La Terre que tu incarnes jette bien une ombre, elle aussi, mais elle s’étire derrière toi, à l’opposé de la lampe ; la balle n’y est jamais, sauf en position de pleine lune — et encore, seulement en cas d’alignement exact : une éclipse, non une phase. 7. La Lune tourne exactement une fois par orbite : la même moitié fait donc face à la Terre pour toujours — lapin, visage et tout le reste ; la face cachée a attendu qu’un appareil photo en fasse le tour. 8. La rotation et la révolution marchent au pas : à mesure que la Lune avance sur son chemin, elle tourne juste assez pour garder le même visage pointé vers nous — comme un danseur qui tourne autour de sa partenaire en lui faisant toujours face : il tourne bel et bien (la salle voit tous ses côtés), et pourtant il ne montre à sa partenaire qu’un seul visage. 9. Se lever à minuit est l’horaire du dernier quartier — côté décroissant : c’est le dernier quartier (la moitié éclairée fait face à la direction du Soleil du matin). 10. Erreurs : un croissant se tient près du Soleil, il ne peut donc jamais être haut à minuit ; les cornes pointent à l’opposé du Soleil, jamais vers lui ; et des couleurs de coucher de Soleil à minuit sont une impossibilité à elles seules. Trois fautes. 11. Non : une éclipse de Soleil exige que la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre — la position de nouvelle lune. La Lune de ce soir est pleine, du côté opposé : les deux événements ne peuvent pas partager la même nuit. 12. Par exemple : « Un seul fait mène tout le mois : la Lune est toujours éclairée à moitié, et nous observons cette moitié en tournant autour d’elle. Enterrée ce mois-ci : l’idée que l’ombre de la Terre aurait quelque chose à voir avec les phases — elle ne rend visite qu’aux rares éclipses. Et emportez l’horloge chez vous : chaque phase garde sa propre heure de lever — la pleine lune au coucher du Soleil, les quartiers à midi et à minuit — si bien que la forme de la Lune vous dit son horaire. »