Fabriquer un cadran solaire

Mettre en évidence le mouvement apparent du Soleil et l’utiliser pour se repérer dans la journée. Construire un cadran solaire. Expliquer son fonctionnement. Donner l’heure solaire avec un cadran.

À l’issue de cette activité, les élèves seront capables de :

• nommer différents instruments de mesure du temps ;
• expliquer le fonctionnement d’un cadran solaire ;
• donner l’heure avec un cadran solaire.

• Au début de l’activité, demander aux élèves s’ils savent quelle heure il est, et s’ils connaissent des instruments qui permettent de connaître l’heure.
• Demander aux élèves de décrire l’évolution de la position et de la taille de l’ombre d’un style sur un cadran solaire.
• Demander aux élèves pourquoi la position du soleil change au cours de la journée. Encourager les élèves à illustrer par un dessin ou à démontrer la rotation de la Terre sur son axe et la variation de la position du soleil à différents moments de la journée.
• Demander aux élèves de lire l’heure sur le cadran solaire et de la comparer avec l’heure donnée par une montre ou une horloge.

• Ciseaux
• Colle
• Un cadran équatorial par élève (PDF imprimé sur carton rigide type bristol) http://ufe.obspm.fr/IMG/pdf/cadransolaire_a4.pdf

Soleil

Le Soleil est une étoile, une boule de gaz chaud qui émet de la lumière. C’est une étoile tout ce qu’il y a de plus moyenne : ni particulièrement grosse ou petite, ni particulièrement jeune ou vieille. La chaleur du Soleil permet à la vie de se développer sur Terre en maintenant des températures et des climats cléments. C’est l’étoile la plus proche de la Terre et la plus étudiée dans le détail. L’analyse de ses caractéristiques physiques a permis de comprendre comment fonctionnent les étoiles.

Observer le soleil

Regarder le soleil directement, même très brièvement, est très dangereux. Fixer le soleil à l’œil nu, ne serait-ce que quelques secondes, peut brûler la rétine de manière irréversible. Pour observer le soleil en toute sécurité, il faut disposer d’instruments adaptés : lunettes d’éclipse, filtres spéciaux pour lunette ou télescope ou observer par projection. Pour en savoir plus sur l’observation du soleil et ses dangers, voir par exemple ce site du laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique de l’Observatoire de Paris : http://solaire.obspm.fr/pages/obs_amateur/obs_amat.html

Cadran solaire

Pendant la journée, le mouvement apparent du soleil marque le temps qui passe. Comme la Terre tourne en un jour sur elle-même, le Soleil semble se lever sur l’horizon Est le matin, monte dans le ciel pour culminer à midi et se couche le soir sur l’horizon Ouest. Le mouvement apparent du soleil est mesuré depuis l’antiquité et les astronomes égyptiens divisèrent le jour en heures en suivant l’ombre d’un gnomon, un bâton vertical. Un cadran solaire est composé d’un style, en général une tige dirigée parallèlement à l’axe de rotation de la Terre, et d’une table sur laquelle l’ombre du style produite par le Soleil se projette, et qui est graduée pour donner l’heure. Il existe différents types de cadrans solaires qui tiennent leur nom de l’orientation de la table : un cadran horizontal peut être tracé par terre, un cadran vertical peut être dessiné sur un mur. Au pôle nord, l’axe des pôles est vertical et l’horizon parallèle à l’équateur. Le Soleil tourne donc régulièrement parallèlement à l’horizon d’un tour (360°) en 24 heures. Une heure représente donc un déplacement de 15° du Soleil. Sur un cadran équatorial dont la table est, comme son nom l’indique, parallèle à l’équateur, le soleil aura le même mouvement par rapport à la table que celui qu’il avait au pôle parallèlement à l’horizon. Les lignes horaires d’un cadran équatorial sont donc séparées de 15°. Le style est parallèle à l’axe des pôles : il pointe vers le nord et fait alors un angle égal à la latitude du lieu. Si la table n’est pas parallèle à l’équateur, les graduations marquant les heures dépendent de la latitude de l’endroit où l’on trace le cadran et de l’orientation de la table. En cherchant un peu, on trouve facilement sur internet des cadrans horizontaux déjà tracés pour nos latitudes. Il existe même des logiciels gratuits qui permettent de les tracer comme le logiciel Shadows http://www.shadowspro.com/fr/

Image: Exemple de cadran équatorial

Quelle heure est-il ?

Selon le niveau des élèves, poser des questions sur le temps, les instruments de mesure du temps… Demandez-leur si les montres et les horloges existaient dans le passé. Comment mesurait-on le temps avant l’invention de l’horloge… Si nécessaire, leur faire faire des recherches documentaires sur les horloges, les cadrans solaires, les sabliers, les clepsydres…. Leur présenter le cadran solaire, son fonctionnement.

Fabriquer un cadran solaire

Distribuer colle, ciseaux et cadran à découper. Découper, plier et coller le cadran. Ce cadran fonctionne à la latitude de Paris (environ 49° mais il marchera bien à quelques degrés de différence en latitude) et donne l’heure solaire vraie. Si vous êtes à une latitude très différente, cherchez ou construisez un autre cadran.

Le cadran solaire donne en général lʼheure solaire locale vraie cʼest-à-dire lʼangle entre le soleil et la direction du sud parallèlement à l’équateur. Lʼombre du style passe par le méridien à midi solaire. Cette heure nʼest pas celle de votre montre. Pour passer de lʼune à lʼautre, il est nécessaire d'apporter plusieurs corrections. La première dépend du décalage en longitude entre le lieu où vous vous trouvez et le milieu de votre fuseau horaire. En effet, il sera par exemple midi à Strasbourg 48 minutes avant qu’il ne soit midi à Brest. Et pourtant votre montre indiquera la même heure dans les deux villes, celle de la France métropolitaine qui correspond au fuseau horaire UTC+1. Ensuite, il faut éventuellement appliquer une correction d’heure d’été. Enfin, la Terre n’orbitant pas à vitesse constante autour du Soleil et le plan de l’équateur étant différent du plan de l’écliptique, le jour solaire vrai n’est pas exactement égal à 24 heures. Il y a donc un décalage entre le temps solaire vrai et le temps solaire moyen, que l’on nomme équation du temps, qui peu atteindre plus ou moins un quart d’heure. Toutes ces corrections sont parfaitement bien expliquées sur la plupart des sites de cadrans solaires comme par exemple : http://www.shadowspro.com/fr/cadran-solaire.html

Selon le niveau des élèves, on abordera plus ou moins ces corrections.

Image: Cadran horizontal

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Navigation through the ages, Navigation

France

Cycle 2, sciences: se repérer dans l’espace et le représenter. Cadran solaire.

Cycle 3, sciences: situer la Terre dans le système solaire et caractériser les conditions de la vie terrestre. Les mouvements de la Terre sur elle-même et autour du Soleil.