Lumière et ombres : construire un cadran solaire ☀️

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Avant l'invention des horloges, les humains utilisaient le Soleil pour connaître l'heure. Un cadran solaire est un instrument très ancien qui utilise le principe de la propagation rectiligne de la lumière et la formation des ombres. En observant la position et la longueur de l'ombre d'un bâton, on peut suivre le passage du temps au cours de la journée.

Comment fonctionne un Cadran Solaire ?

Un cadran solaire simple est constitué d'un bâton (appelé gnomon) planté verticalement sur une surface plane et horizontale. Le Soleil, notre source de lumière, éclaire le gnomon. Comme le gnomon est un objet opaque, il crée une ombre portée sur la surface.

Schéma d'un cadran solaire simple

Un gnomon éclairé par le Soleil projette une ombre.

Questions à traiter

Au cours de la journée, le Soleil semble se déplacer dans le ciel (d'est en ouest). Comment va se déplacer l'ombre du gnomon sur le cadran solaire ?
Le Soleil est au plus haut dans le ciel à midi. À ce moment-là, comment sera la longueur de l'ombre du gnomon : la plus longue, la plus courte, ou moyenne ? Justifie ta réponse.
Comment ferais-tu pour marquer les heures sur ton cadran solaire ? Décris une méthode simple.
Si tu observes un cadran solaire et que l'ombre est très longue et dirigée vers l'ouest, est-il plus probable qu'il soit le matin, midi, ou la fin d'après-midi ? Explique pourquoi.

Simulation : Construis ton Cadran Solaire

Déplace le curseur pour changer l'heure et observe l'ombre.

Heure : 12:00

Cette simulation montre la vue de dessus d'un cadran solaire. Le point central est le gnomon. Le disque jaune représente la position du Soleil.

Correction : Lumière et ombres : construire un cadran solaire ☀️

Question 1 : Déplacement de l'ombre

Principe :

La lumière du Soleil se propage en ligne droite. L'ombre est toujours à l'opposé de la source de lumière par rapport à l'objet. Si le Soleil bouge, l'ombre bouge aussi.

Réponse :

Le Soleil se lève à l'est, est au sud à midi, et se couche à l'ouest. L'ombre du gnomon fera le mouvement inverse :

Le matin : Le Soleil est à l'est, donc l'ombre est dirigée vers l'ouest.
À midi : Le Soleil est au sud (dans l'hémisphère nord), donc l'ombre est dirigée vers le nord.
L'après-midi : Le Soleil est à l'ouest, donc l'ombre est dirigée vers l'est.

L'ombre du gnomon va donc "tourner" autour de la base du gnomon au cours de la journée.

Résultat Question 1 : L'ombre tourne autour du gnomon, se déplaçant d'ouest en est pendant la journée.

Question 2 : Longueur de l'ombre à midi

Principe :

La longueur de l'ombre dépend de la hauteur de la source de lumière dans le ciel. Plus le Soleil est haut, plus les rayons arrivent "verticalement" et plus l'ombre est courte.

Réponse :

À midi, le Soleil est à son point le plus haut dans le ciel. Ses rayons arrivent le plus "à la verticale" possible sur le sol. Par conséquent, l'ombre du gnomon sera la plus courte de la journée.

Au contraire, le matin et le soir, quand le Soleil est bas sur l'horizon, ses rayons sont très inclinés et l'ombre projetée est très longue.

Résultat Question 2 : À midi, lorsque le Soleil est au plus haut, l'ombre du gnomon est la plus courte.

Quiz Intermédiaire 1 : Quand ton ombre sur le sol est-elle la plus longue ?

À midi, quand le Soleil est au zénith.
Quand il n'y a pas de Soleil.
Tôt le matin ou tard le soir, quand le Soleil est bas.
La longueur de l'ombre ne change pas.

Question 3 : Marquer les heures sur le cadran

Principe :

Un cadran solaire devient un instrument de mesure du temps si on gradue le support en marquant la position de l'ombre à des heures précises.

Méthode :

Pour marquer les heures, il faut utiliser un autre instrument qui donne l'heure (une montre, une horloge) et procéder ainsi :

Installer le cadran solaire (le gnomon sur une surface plane) en plein soleil.
À une heure exacte (par exemple à 9h00 du matin), regarder où se trouve l'ombre du gnomon et faire une marque sur le support. Écrire "9h" à côté de la marque.
Attendre l'heure suivante (10h00). Faire une nouvelle marque à la nouvelle position de l'ombre et écrire "10h".
Répéter cette opération pour chaque heure de la journée (11h, 12h, 13h, etc.).

Une fois toutes les marques faites, le cadran solaire est "gradué" et on pourra lire l'heure les jours suivants en regardant simplement sur quelle marque se trouve l'ombre.

Résultat Question 3 : On marque la position de l'ombre à chaque heure exacte en se fiant à une montre, puis on écrit l'heure correspondante sur la marque.

Question 4 : Estimer le moment de la journée

Principe :

La direction et la longueur de l'ombre donnent des indices sur la position du Soleil, et donc sur le moment de la journée.

Réponse :

Si l'ombre est très longue et dirigée vers l'ouest, cela signifie que la source de lumière (le Soleil) est basse sur l'horizon et à l'est.

Le Soleil se levant à l'est, cette situation correspond au matin.

Résultat Question 4 : Une ombre longue dirigée vers l'ouest indique que c'est le matin.

Quiz Intermédiaire 2 : Si l'ombre du gnomon est dirigée vers l'est, le Soleil se trouve :

À l'est.
Au nord.
À l'ouest.
Au sud.

Glossaire

Cadran Solaire: Instrument qui indique l'heure de la journée grâce à la position de l'ombre d'un objet éclairé par le Soleil.
Gnomon: Partie du cadran solaire (souvent une tige ou un bâton) qui projette son ombre sur une surface graduée (le cadran).
Ombre Portée: Zone sombre qui se forme sur un écran (le sol, un mur) lorsqu'un objet opaque bloque la lumière.
Propagation Rectiligne: Principe selon lequel la lumière se déplace en ligne droite dans un milieu transparent et homogène.
Est: Point cardinal où le Soleil se lève.
Ouest: Point cardinal où le Soleil se couche.
Sud: Point cardinal où le Soleil est le plus haut dans le ciel à midi (dans l'hémisphère nord).

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