Présentation des

Fiches « connaissances »

Associées aux programmes 2001

Les vingt quatre fiches « connaissances » s'efforcent d'exprimer, en des termes accessibles à des élèves du cycle des approfondissements, les principales connaissances scientifiques sous-jacentes aux différents chapitres du programme "Découverte du monde" (cycle des apprentissages fondamentaux) et "Sciences et technologie" (cycle des approfondissements).

Ces fiches ne constituent en aucune manière un manuel d'enseignement des sciences à l'école primaire. Notamment, la démarche pédagogique, les choix des situations concrètes servant de support à l'activité, la description et la réalisation d'expériences sont délibérément absents de ces documents. Il est clair, en particulier, que les connaissances énoncées au paragraphe 5 de chaque fiche ne prennent sens pour les élèves que lorsqu'ils construisent ces connaissances au cours de la démarche pédagogique active guidée par le maître. Un exposé magistral du contenu de ces fiches serait en contradiction tant avec les recommandations du Plan de rénovation de l’enseignement des sciences et de la technologie qu’avec celles du programme 2001.

Il importe par ailleurs d'observer qu'il n'y a pas (et qu'il n'est sans doute pas souhaitable qu'il y ait) correspondance terme à terme entre un libellé du programme, une situation concrète, une fiche connaissance et une expérience réalisée par les élèves Par exemple, on ne trouvera pas de fiche "Éducation à la santé", mais les connaissances fondamentales relatives à cette préoccupation sont réparties dans diverses fiches relatives aux sciences de la vie.

On notera enfin que certaines notions difficiles à aborder à l'école primaire ne sont pas développées. Ainsi le programme mentionne " Utilisation de thermomètres dans quelques situations de la vie courante » sans chercher à approfondir la notion de température.

Conçues comme un outil d'aide au travail des enseignants et des équipes pédagogiques, des fiches peuvent, dans leur paragraphe 5, apporter au maître une aide pour élaborer avec les élèves la formulation des conclusions résultant des activités d'investigation menées en classe.

Le paragraphe 2 de chaque fiche recense quelques difficultés provenant des liens ou des confusions entre les termes employés dans le domaine scientifique et le vocabulaire courant. Ces liens constituent souvent un obstacle à la compréhension pas les élèves des résultats obtenus lors de la démarche scientifique. [IM1]

Les fiches 2001 constituent une mise à jour des fiches rédigées à l’occasion de la publication des programmes de 1995 et envoyées dans toutes les circonscriptions d'IEN le 29 mai 1998 par le directeur de l'enseignement scolaire.

. Cette nouvelle version a été élaborée sous la responsabilité de la commission chargée de la rédaction des rubriques « découverte du monde » et « sciences et de technologie » des programmes 2001. Elle a bénéficié de la relecture de membres de l’Académie des Sciences.

FICHES « CONNAISSANCES »

F1 Etats de la matière et changements d'état

F2 Mélanges et solutions

F3 Air

F4 Stades de la vie d'un être vivant

F5 Fonctions communes des êtres vivants

F6 Besoins des végétaux

F7 Divers modes de reproduction

F8 Evolution des êtres vivants

F9 De l'ordre dans le monde vivant

F10 Mouvements corporels et déplacements

F11 Nutrition animale et humaine : digestion et excrétion

F12 Nutrition animale et humaine : respiration et circulation

F13 Energie

F14 Lumière et ombres

F15 Points cardinaux et boussole

F16 Mouvement apparent du Soleil

F17 Rotation de la Terre sur elle-même

F18 Système solaire et Univers

F19 Manifestations de l'activité de la Terre (séismes et volcans)

F20 Electricité

F21 Leviers et balances

F22 Technologies de l’information et de la communication

F23 Rôle et place des êtres vivants dans leur milieu (relations)

F24 Transmission de la vie (sexualité et reproduction des humains)

37 pages (moins si consécutives)

Fiche “ connaissances ” F1

ÉTATS DE LA MATIÈRE ET CHANGEMENTS D'ÉTAT

1. Programme

Cycle 2

L'eau dans la vie quotidienne : glace, eau liquide. Solidification et fusion.

Cycle 3

États et changements d'état de l'eau

- Fusion, solidification : température de fusion solidification de l'eau ; conservation de la masse au cours de cette transformation.

- Ébullition : stabilité de la température d'ébullition de l'eau à l'air libre.

- État gazeux de l'eau : caractère imperceptible ; évaporation, condensation ; facteurs agissant sur la vitesse d'évaporation.

Trajet et transformations de l'eau dans la nature : quelques exemples.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Dans le vocabulaire courant :

- solide s'oppose souvent à “ fragile ” ou à “ mou ”, et non à liquide et gazeux.

- gaz désigne surtout le gaz combustible utilisé comme moyen de chauffage domestique.

- l'expression “ eau gazeuse ” ne désigne pas de l'eau dont l'état physique est l'état gazeux mais de l'eau dans laquelle est dissous du dioxyde de carbone

- le mot “ fondre ” est souvent employé à la place de“ se dissoudre ” : on dit “ le sucre fond dans l'eau ”au lieu de : “ se dissout dans l'eau ”. Il ne s'agit pas ici d'un changement d'état mais d'une dissolution (voir fiche F2 pour ces deux derniers points).

- le mot “ vapeur ” désigne d'autres gaz que la vapeur d'eau (vapeur d'alcool, d'éther...).

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

- Les élèves considèrent que la glace, l'eau et la vapeur d'eau sont trois substances différentes. Cette représentation est issue des différences perceptives entre ces trois états. Elle est renforcée par le vocabulaire usuel (sous chacun de ses trois états, l'eau porte un nom différent) et par certaines habitudes pédagogiques qui consistent à présenter l'eau comme le prototype de l'état liquide alors que c'est l'air qui est présenté comme le prototype de l'état gazeux.

- Ils ne possèdent pas totalement l'idée de conservation et ont du mal, généralement, à admettre l'existence de quelque chose d'invisible. Cette difficulté se manifeste dans le cas des gaz et tout particulièrement dans celui de la vapeur d'eau. Lorsque de l'eau s'évapore les plus jeunes élèves formulent des explications "magiques" ou pensent tout simplement qu'elle a disparu. Les plus âgés prétendent souvent que l'eau, en s'évaporant, s'est transformée en air.

- Lors de l'ébullition, de grosses bulles de vapeur d'eau se forment dans le liquide, remontent à la surface et s'échappent. De nombreux élèves pensent que ce sont des bulles d'air.

- Lorsque l'eau bout, on voit en général un brouillard au-dessus du récipient. Ce brouillard est constitué de fines gouttelettes d'eau résultant de la condensation de la vapeur d'eau dans l'air froid au-dessus du récipient. Les élèves appellent souvent ce brouillard “ fumée ”, alors qu'une fumée comporte de fines particules solides, ce qui n'est pas le cas ici. Ils appellent aussi ce brouillard “ vapeur ”, alors que la vapeur d'eau est un gaz invisible. Ils appellent également ce brouillard “ buée ” alors que le mot buée désigne plutôt les fines gouttelettes d'eau qui se déposent sur un objet froid.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et manipulations

- Lorsqu'on chauffe de l'eau dans un récipient on observe, avant l'ébullition, de petites bulles d'air (initialement dissout dans l'eau) qui s'échappent de l'eau. Ce n'est qu'en poursuivant le chauffage que l'on voit apparaître de grosses bulles de vapeur d'eau qui caractérisent l'ébullition.

- La mise en évidence de la température de fusion-solidification de l'eau pure nécessite un mélange intime de glace et d'eau en équilibre. Si la quantité de glace est trop faible, la température n'atteindra pas l'équilibre. Si la glace n'est pas pilée (par exemple lorsqu'on utilise un glaçon), la température risque de ne pas être homogène dans tout le récipient.

- Lorsqu'on mesure la température d'ébullition de l'eau à l'école, il est rare de trouver 100°C. La température d'ébullition est affectée par la présence de substances dissoutes (l'eau du robinet n'est pas pure) et par la pression atmosphérique qui dépend, en particulier, de l'altitude. Dans les régions montagneuses, l'eau pure bout à une température légèrement inférieure à 100°C. Les thermomètres usuels que les écoles peuvent se procurer sont souvent "à immersion totale". Cette condition d'utilisation est rarement possible pour mesurer la température d'ébullition de l'eau. L'indication fournie par le thermomètre présente alors une erreur (par défaut) de quelques degrés (ce qui n'est pas fondamental si l'on se réfère à la formulation prévue par le programme où l'on vise essentiellement à montrer le fait que la température reste constante au cours de l'ébullition de l'eau pure).

- La mise en évidence de la conservation de la masse lors de la fusion de la glace nécessite d'essuyer la buée, issue de l'air ambiant, qui se condense sur les parois extérieures du récipient contenant la glace. Sans cette précaution, l'équilibre d'une balance de type Roberval est rapidement rompu.

5. Connaissances

La glace, l'eau liquide et la vapeur d'eau sont trois états physiques de l'eau. C'est la conservation de la substance eau, malgré ses différents aspects, qui constitue l'apprentissage principal à conduire à l'école. Il donne lieu à différents niveaux de formulation en fonction du cycle. Les points rappelés ci-dessous en italiques sont extraits du programme du cycle 3.

1. L'eau gèle (ou reste solide) lorsque elle est portée à une température inférieure à 0°C et, réciproquement, la glace fond (ou l'eau reste liquide) lorsque elle est portée à une température supérieure à 0°C.

2. Le mélange intime de glace et d'eau à l'état liquide est à zéro degré (0° C).

3. La masse se conserve au cours de cette transformation.

4. À l'air libre et dans les conditions usuelles l'eau bout à une température fixe, voisine de cent degrés (100°C). La valeur de celle-ci n'est affectée ni par la durée du chauffage ni par la puissance de la source.

L'ébullition se caractérise par la transformation d'eau liquide en vapeur d'eau se produisant dans tout le volume du liquide. C'est à cette condition qu'elle s'accompagne de la constance de la température.

5. La vapeur d'eau présente dans l’air ambiant, état gazeux de l'eau, est imperceptible à nos sens.

Le passage de l'état liquide à l'état gazeux peut se produire seulement en surface : c'est l'évaporation. Le phénomène est alors plus lent et ne se produit pas à une température constante. Au cours d'une évaporation, l'eau ne disparaît pas. Elle se transforme en vapeur d'eau qui se mélange à l'air ambiant.

Au cours d'une condensation l'eau n'apparaît pas. Elle était présente dans l'air sous forme de vapeur avant de se condenser.

6. Pour en savoir plus

- L'étude de l'eau conduit à distinguer trois états et seulement trois (solide, liquide, gazeux).

- Le caractère constant de la température tout au long de la fusion et de l’ébullition (palier de température) est une propriété générale des changements d’état d’un corps pur.

- La classification précédente et les propriétés qui l'accompagnent ne s'appliquent qu'aux corps purs : le chocolat, par exemple, peut être solide ou liquéfié ("fondu") mais il ne s'agit pas d'un changement d'état physique, le chocolat n'étant pas une substance pure (en particulier, cette transformation ne s'effectue pas à température constante). Cette classification présente des exceptions (substances qui, chauffées, subissent une modification chimique avant de changer d'état) et des limites : elle ne prend pas en compte l'état de certaines substances qu'une classification plus élaborée envisagerait (vitreux, cristallin, dissous, cristaux liquides, plasma...).

- La généralisation aux autres corps purs demanderait de s'appuyer sur d'autres exemples. Or, la grande majorité des matériaux usuels, connus d'enfants de moins de 12 ans, ne sont pas des corps purs. Les exemples de corps purs pouvant être montrés ou évoqués à l'école sont assez peu nombreux ce qui justifie de reporter cet objectif au collège.

- Le fait que toute substance (ou presque) puisse exister sous chacun des trois états reste donc au niveau de l’école une généralisation plutôt dogmatique ce qui ne veut pas dire qu'il ne faut pas l'introduire. Si les élèves rencontrent l’expression “ l’air liquide ”, il est possible de réinvestir à ce propos le concept de changement d’état : l’air, gazeux dans les conditions usuelles, passe à l’état liquide lorsqu’il est fortement refroidi (environ – 200 °C).

- Chaque état a des propriétés spécifiques. Dans l'état solide la substance "se tient", on dit qu'elle a une "forme propre". Dans l'état liquide la substance coule et prend la forme du récipient dans lequel on la verse avec une surface libre horizontale[1]. (Attention : le sable coule, mais la surface libre obtenue n'est pas forcément horizontale ; ce n'est donc pas un liquide). Dans l'état gazeux, la substance occupe tout le volume qu'on lui offre (c'est la propriété d'expansibilité).

- À l'école, le passage d'un état physique à un autre est associé à la notion de température. Mais il peut aussi se produire en comprimant ou en détendant la substance (cette propriété est notamment mise à profit dans les réfrigérateurs, le changement d'état de liquide à gaz s'accompagnant d'une absorption de chaleur).

- La température de fusion-solidification de l'eau pure est très peu affectée par une variation de pression. L'influence de l'altitude n'est donc pas perceptible. En revanche de l'eau salée (donc non pure) ne gèle ni à 0°C, ni à température constante. On met du sel sur les routes parce que l'eau salée reste liquide pour des températures de l'environnement inférieures à 0°C.

- La température d'ébullition de l'eau pure dépend de la pression donc de l'altitude. La durée de cuisson des aliments peut être allongée de manière significative en régions montagneuses.

- L'eau salée ne bout pas à 100°C sous la pression atmosphérique normale et la température d'ébullition n'est pas constante. L'eau (et seulement l'eau) passe à l'état de vapeur. La solution se concentre en sel qui reste seul lorsque toute l'eau s'est évaporée.

- La masse ne change pas lors d'un changement d'état, mais le volume varie en général. Lors de la congélation de l'eau liquide, dans les conditions usuelles, le volume augmente en mettant en jeu des forces considérables (d'où l'expression "geler à pierre fendre"). Cette propriété fait de l'eau un cas exceptionnel par rapport à celui des autres substances pour lesquelles le volume diminue.

- Les nuages sont constitués de vapeur d'eau, de fines gouttelettes d'eau liquide et/ou de petits cristaux de glace.

7. Réinvestissements, notions liées

Voir aussi fiche F2 “ mélanges et solutions ” et F13 "énergie".

Les propriétés de la matière et en particulier de l'eau interviennent dans de nombreux phénomènes. Dans le cadre des programmes on peut citer le cycle météorologique de l'eau et l'évapotranspiration des organismes vivants.

Les icebergs (à ne pas confondre avec la banquise) sont constitués d'eau pure (non salée) ce qui permet d'envisager sa récupération pour la consommation. De même, la récupération d'eau douce à partir de l'eau salée des mers ne présente aucune difficulté théorique ou technique et est courante dans des pays pauvres en eau potable et riches en énergie (péninsule arabique). Elle soulève seulement le problème de sa rentabilité économique.

[1] - Cela n'est pas vrai si la surface de séparation liquide/gaz est influencée par la proximité d'une paroi solide (ménisques, phénomènes capillaires).

Fiche “ connaissances ”F2

MÉLANGES ET SOLUTIONS

1. Programme

Cycle 2 : L'eau dans la vie quotidienne. Mélanges.

Cycle 3 : exemples de mélanges et solutions réalisables en classe. Qualité de l'eau.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Les substantifs “ solution ” et “ dissolution ” correspondent au verbe “ se dissoudre ” ; “ solution ” correspond aussi au verbe “ résoudre ” (solution d'un problème).Le langage courant confond systématiquement “ dissoudre ” et “ fondre ” : on dit couramment que le sel et le sucre fondent dans l'eau, alors qu'ils se dissolvent. (La fusion est le changement d'état solide/liquide, V. F1).Pour [IM1] ce qui concerne la distinction “ mélange - solution ”, se reporter plus loin.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

La conservation de la matière lors d'une dissolution n'est pas perçue par les élèves, qui pensent que le sel et le sucre “ disparaissent ” lorsqu'on les dissout dans l'eau. Les élèves confondent en général eau limpide, pure, transparente, potable, propre. Une eau parfaitement limpide peut contenir des substances dissoutes, alors que les élèves la considèrent comme “ pure ”. Ainsi, l'eau minérale et l'eau du robinet contiennent des substances dissoutes (substances citées sur l'étiquette de la bouteille pour l'eau minérale, calcaire, entre autres, pour l'eau du robinet). Une eau limpide peut ne pas être potable (si elle contient des substances dissoutes toxiques ou en quantité excessive, ou encore des micro-organismes dangereux).

4. Quelques écueils à éviter lors des manipulations

Il est préférable de se limiter, à l'école primaire, à des situations simples : mélanges hétérogènes dont on peut séparer les constituants par décantation ou filtration ; solutions de sucre ou de sel de cuisine dans l'eau ... (conservation de la masse totale, obtention à nouveau de la substance dissoute par ébullition ou évaporation lorsque cela est possible).Une eau trouble contient des matières solides en suspension. Par décantation ou filtration on peut obtenir une eau limpide ; les élèves pensent que ce liquide est de l'eau pure alors qu'il contient en général encore des substances dissoutes. L'eau “ distillée ” vendue en droguerie est, elle, proche de l'eau “ pure ” des chimistes. Pour des raisons de sécurité, il convient d'attirer l'attention des élèves sur le fait qu'il existe des liquides limpides incolores qui ne sont pas de l'eau, et qui peuvent être dangereux, tels que l'alcool à 90° ou l'eau oxygénée.

5. Connaissances

Certains gaz, certains liquides, certains solides, peuvent se dissoudre dans l'eau (dissolution) en quantité appréciable mais pas illimitée.Lors d'un mélange ou d'une dissolution, la matière, et donc la masse, se conservent.

Dans le cas d’un mélange homogène, on ne voit plus de particules solides. Le seul moyen de récupérer la subtance introduite dans le liquide est alors l’évaporation. Dans le cas d’un mélange hétérogène, on voit des subtances solides en suspension ou en dépôt au fond du liquide. On peut récupérer le solide par filtration ou décantation (dans le cas d’un dépôt), ou bien aussi par évaporation.

6. Pour en savoir plus

La masse d'une substance qui peut être dissoute dans un volume déterminé d'eau est limitée : à une température donnée, lorsque la solution est saturée, si l'on cherche à dissoudre encore plus de substance, elle ne se dissout plus. La vie courante offre de nombreux exemples de mélanges : solide/gaz (fumée : mélange d'un gaz et de particules solides), mélanges gazeux (tel que l'air), liquide/gaz (mousse, aérosol, brouillard), émulsions (telle que l'émulsion huile/vinaigre). L'interprétation des différents phénomènes en termes de particules (atomes, molécules, ions) ne sera abordée qu'au collège. Distinction mélange/solution : ces deux mots sont employés dans le libellé du programme. La distinction entre eux n'est pas une distinction scientifique fondamentale, mais une simple distinction d'usage. Lorsqu'on parle d'un ensemble hétérogène (eau boueuse, fumée) on emploie toujours le terme mélange. Dans le cas d'un ensemble homogène solide, liquide ou gazeux, on parle aussi de mélange (mélange eau/alcool, mélange gazeux tel que l'air). Mais, dans ce deuxième cas seulement, et pour les ensembles liquides ou solides seulement, on peut employer le terme solution lorsque l'un des composants joue un rôle clairement différent des autres. Ainsi, pour l'eau salée, l'eau expressions convenables, mais sans en faire l'objet d'un apprentissage

est appelée “ solvant ”, le sel “ soluté ”, et l'on parle de solution de sel dans l'eau. Il en est de même pour le sucre et l'eau. Il est clair que les termes “ homogène, hétérogène, solvant, soluté ”, et la distinction d'usage que les ouvrages scientifiques font entre mélange et solution n'ont à faire l'objet d'aucune étude systématique à l'école primaire. Le maître pourra, lorsqu'il lui semble que cela n'alourdit pas l'expression, employer lui-même les

7. Réinvestissements, notions liées

Réinvestissements : Les besoins des végétaux (fiche F6). Nutrition animale et humaine (F11 et F12) . Education à l’environnement.

Notions liées : Conservation de la masse (F1). [IM2]

Fiche Connaissances F3

AIR

1. Programme

Cycle 2 : Existence de l’air

Cycle 3 : L’air, son caractère pesant

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant :

Le mot air peut être utilisé de différentes façons :

- « aller prendre l’air » sous entend que l’air est plutôt présent à l’extérieur

- « être dans un courant d’air » peut renforcer l’idée que l’air n’a d’existence que si l’on en perçoit sa présence (ici sous forme d’un effet mécanique).

- Il est souvent dit que l’on « manque d’air » quand on a chaud dans une pièce fermée.

- Une bouteille, un verre ou tout autre récipient sont qualifiés de vide s’ils ne contiennent pas, ou plus, de substance liquides ou solides…alors qu’ils sont remplis d’air. Dans le langage courant le mot « vide » désigne donc l’absence de matière à l’état solide ou liquide. Dans le langage scientifique, le mot vide désigne l’absence de matière.(solide, liquide ou gaz). Le langage courant renforce ainsi la conception de la non matérialité de l’air.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves :

D’une manière générale, les enfants de cet âge ne conçoivent que ce qu’ils perçoivent.(avec leurs organes des sens). Cet obstacle se manifeste par ailleurs dans d’autres situations : la non conception pour l’enfant de l’eau à l’état de vapeur (voir fiche F1 états de la matière) ou encore la « disparition du sucre ou du sel dans l’eau » (voir fiche F2 mélanges et solutions).

Cependant, au cycle 3, les enfants sont suffisamment familiarisés avec l’air pour ne pas mettre en doute son existence. (l’air est vital, il est tout autour de nous…). Mais, si pour eux l’air existe, il n’a pas acquis le statut de matière. En effet, ils conçoivent implicitement la matière comme étant visible, résistante, palpable… en somme, tout le contraire de la conception qu’ils se font de l’air.

A la question, « est-ce que l’air pèse ? » ils répondent volontiers par la négative en justifiant par des formules du type « on en aurait lourd sur les épaules ». Ils argumentent parfois en faisant l’analogie avec l’eau : « quand on rentre dans l’eau ça fait un plaqué, dans l’air on ne sent rien » .

De plus l’air est plutôt considéré comme un contenant (c’est l’atmosphère dans laquelle on déverse des substances) que comme un contenu. Cette vision du monde contribue aussi à renforcer la « non matérialité de l’air ».

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Pour peser l’air, il faut bien sûr l’enfermer dans un récipient. Le ballon de baudruche n’est pas l’objet adéquat car son volume gonflé et dégonflé n’est pas le même ce qui provoque une différence de poussée d’Archimède qui rend insensible la différence de masse.

On privilégiera le ballon de volley, qui ne présente pas le défaut précédent. La différence de masse est alors de plusieurs grammes et peut être détectée même avec une balance peu sensible.

On ne fera pas de distinction entre masse et poids puisque ces deux concepts ne sont pas à construire à l’école élémentaire, et on en restera à l’expression : est pesant. On s’habituera en revanche à dire d’un objet «il a une masse de x grammes »

5. Connaissances :

L’air est de la matière au même titre que les liquides et les solides puisque l’air est pesant.

La matérialité se manifeste également par d’autre propriétés : l’air peut être transvasé comme les liquides, l’air peut transmettre un mouvement comme les solides, l’air peut résister à un liquide, à un solide ou au mouvement (parachute), le vent est de l’air en mouvement…

L’air est enfin un excellent isolant thermique (les duvets ne sont qu’un moyen de maintenir une couche d’air non renouvelé et donc chauffé par le corps).

6. Autres notions liées

La vapeur d’eau. (Fiche F1).. L’énergie (l’éolienne)

7. Pour en savoir plus

L’air est pesant : 1,2g par litre dans les conditions ambiantes.

L’air est composé principalement de diazote (4/5) et de dioxygène (1/5). Il contient eégalement divers autres gaz en faible proportion. L’air atmosphérique n’est pas réparti uniformément sur la surface de la Terre et peut se déplacer par écoulement d’un lieu à un autre ; ce courant d’air est ce que l’on appelle le vent. L’air atmosphérique se raréfie en altitude[IM1] .

L’air est dit pollué s’il comporte des gaz qui n’entrent pas dans sa composition normale ou s’il contient des particules solides ou liquides en suspension.

Fiche « connaissances » F4

STADES DE LA VIE D’UN ETRE VIVANT

1. Programme

Cycle 2 : Les manifestations de la vie animale et de la vie végétale.

Cycle 3 : Le développement d'un être vivant (végétal ou animal).

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Les descriptions des "cycles" de la nature entretiennent souvent la confusion entre "cycle" de vie et "cycle" saisonnier. La notion de « cycle de vie » n’est envisageable qu’au niveau de l’espèce, elle ne doit pas être utilisée pour l’individu car elle ne rend pas compte du fait que la vie de l’individu n’est pas un éternel recommencement mais est caractérisée par un début et une fin. La mort, lorsqu'elle n'est pas cachée, est souvent présentée comme un accident de parcours et pas du tout comme le terme inéluctable de l'existence d'un organisme vivant.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves sont plus sensibles aux histoires individuelles des êtres vivants, qu'aux étapes des "cycles" de vie. Mettre en boucle un "cycle" animal ou végétal, n’est pas compris par les jeunes élèves parce que ce n'est plus le même être vivant qui est retrouvé à la génération suivante.

Les élèves dissocient mal évolution des structures biologiques et évolution du comportement (autonomie de vie).

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Ne pas imposer la description d'un "cycle" de vie théorique et l'illustrer ensuite par des exemples.

Ne pas éliminer systématiquement le facteur temps en privilégiant l'observation ponctuelle d'un stade de et en faisant imaginer immédiatement -peut-être à partir de documents de substitution- les étapes manquantes. Privilégier l’observation directe et régulière du développement d’animaux (petits élevages) et de végétaux (cultures en classes, jardin d’école).

5. Connaissances

Chaque être vivant change au cours du temps. Le développement de la plupart d'entre eux présente une succession de phases : naissance, développement et croissance, âge adulte, vieillissement, mort.

La croissance correspond à une augmentation irréversible des dimensions et du poids (de masse).

Chez l'animal et chez l'homme adultes, la croissance s'est arrêtée et la maturité sexuelle est atteinte.

Au cours de leur développement certains animaux passent par le stade de larve (exemple : les insectes)

Les arbres ont une croissance qui se poursuit toute leur vie ; elle peut être discontinue, saisonnière dans les zones à saisons marquées.

Chez les végétaux à graines, au cours de la germination, la plantule contenue dans la graine se développe en utilisant les réserves de nourriture également contenues dans cette graine.

6. Autres notions liées et réinvestissement

Notions de temps et d'espace - Mesures - Transmission de la vie - Classification des êtres vivants (espèce).

7. Pour en savoir plus

A sa naissance le jeune animal a une autonomie de vie qui varie en fonction de l'espèce.

Chez les végétaux, il existe des plantes annuelles, bisannuelles, vivaces.

Fiche « connaissances » F5

FONCTIONS COMMUNES DES ETRES VIVANTS

1. Programme

Cycle 2 : les manifestations de la vie chez les animaux et les végétaux. Les manifestations de la vie chez l’enfant.

Cycle 3 : unité et diversité du monde vivant : le développement d’un être vivant, les divers modes de reproduction, le corps humain

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Les termes "être vivant", "végétal", "organisme" sont généralement peu utilisés par les élèves. Ce sont donc des concepts à construire. Pour les jeunes élèves c’est surtout la possibilité de réaliser des mouvements qui caractérise un être vivant ce qui explique que la vie végétale soit perçue plus tardivement que la vie animale.[1]

Le mot "plante" correspond dans le langage courant à un végétal (terme scientifique) planté.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves ne se représentent le plus souvent que ce qu'ils voient ; ainsi un végétal est souvent dessiné sans racines. De plus, les jeunes élèves sont plus sensibles aux différences observables (entre un animal et un végétal) qu'aux similitudes qui se dégagent de la réflexion (unité du monde vivant).

Les élèves n'établissent pas toujours de relation entre une fonction (exemple : respiration) et son support anatomique (exemple : poumons).

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Les acquisitions de connaissances résultent nécessairement de synthèses successives faites au terme d'activités menées à différents niveaux : éviter de lier l'acquisition de telles connaissances à une seule activité.

5. Connaissances

Les êtres vivants se distinguent des objets inanimés par des fonctions qui leur sont communes : besoins nutritifs et nutrition, respiration, reproduction, relations avec le milieu. Ils donnent naissance à des individus de la même espèce.

Chez les animaux et les plantes, chaque fonction a pour support un organe ou plusieurs organes, qui constituent alors un appareil (ou système).

Les êtres vivants d'une même espèce présentent un fonctionnement globalement semblable (unité) mais les réactions d'un individu peuvent différer légèrement de celles d'un autre (diversité).

6. Pour en savoir plus

Le métabolisme d'un être vivant correspond à l'ensemble des réactions qui permettent une destruction des matières organiques et l'assimilation des matériaux par les cellules.

La procréation permet la naissance d'un nouvel être vivant porteur des caractères de son espèce.

7. Réinvestissements, notions liées.

Notion de rythme. Mesure du temps. Usage des nombres sexagésimaux. Graphes.

L'adaptation : au cours d'un exercice physique, par exemple, le cœur bat plus vite et le rythme respiratoire s'accélère pour assurer un ravitaillement suffisant des muscles ; la température corporelle s'élève, la peau transpire.

[1] En fait, le mouvement existe aussi chez les plantes, mais il est rarement perceptible.

Fiche « connaissances » F6

BESOINS DES VEGETAUX

1. Programme

Cycle 2 : Les manifestations de la vie chez les animaux et chez les végétaux : les animaux et les végétaux sont vivants...

Cycle 3 : le développement d’un végétal :les besoins des végétaux chlorophylliens. L'approche écologique à partir de l'environnement proche.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Le terme "plante" (langage courant) a un sens plus limité que celui de végétal. Par exemple, les algues sont rarement appelées « plantes » ! (langage scientifique à privilégier) : c’est théoriquement un végétal planté, mais le terme est souvent utilisé pour tout végétal.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves citent peu de critères du vivant à propos des végétaux, d'où l'importance de l'étude de leurs besoins.

Un arbre n'est pas toujours comparable à une plante pour les élèves.

Les élèves disent que les plantes "boivent" de l'eau : ils les arrosent en classe. Ils pensent souvent que les végétaux "mangent" dans la terre, car ils n'imaginent pas des besoins qui n'appartiennent pas à leur propre vécu (substances dissoutes, lumière...)

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Expérimentation non motivée par un problème clairement formulé.

Eviter de se contenter d'une seule observation pour tirer une conclusion.

5. Connaissances

Les végétaux verts (chlorophylliens) ont besoins d'eau, de sels minéraux (existant dans le sol ou qui peuvent être apportés par des engrais) et de lumière pour vivre.

Les végétaux qui ont des racines puisent l'eau et les sels minéraux dans la terre. L'eau circule dans les racines, les rameaux et les tiges. Les végétaux perdent de l'eau au niveau des feuilles. Ils captent la lumière par les feuilles.

6. Pour en savoir plus

En présence de lumière, les végétaux chlorophylliens "fabriquent" les matières organiques à partir des matières minérales du sol (eau et sels minéraux) et du dioxyde de carbone (appelé communément "gaz carbonique") de l'air qu'ils absorbent au niveau des feuilles. Cette photosynthèse, laquelle s'accompagne d'un rejet d'oxygène, est effectuée grâce à la chlorophylle (verte) ; c'est au niveau des feuilles qu'ont lieu les échanges.

De jour et de nuit les végétaux verts respirent (absorption d’oxygène et rejet de dioxyde de carbone).

En agriculture, l'utilisation des engrais constitue un apport supplémentaire de sels minéraux dans le but d'augmenter les rendements. e

Les termes dioxygène et dioxyde de carbone correspondent à une nomenclature chimique correcte de l'oxygène gazeux et du gaz carbonique présents dans l’air ambiant. Leur usage n'est pas une nécessité à l'école primaire.

7. Réinvestissements, notions liées

Notion de gaz. Connaissance de l'air. Mélanges et solutions. Nutrition animale. Education à l’environnement

Fiche « connaissances » F7

DIVERS MODES DE REPRODUCTION

.Programme

Cycle 2 : les manifestations de la vie animale et végétale

Cycle 3 : les divers modes de reproduction animale et végétale

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

L’œuf désigne uniquement l’œuf d’oiseau, notamment l’œuf de poule qui, en l’absence de coq dans l’élevage n’est, en fait, qu’un ovule avec ses réserves nutritives, alors que l’œuf est la première cellule d’un organisme.

L’expression « petite graine », utilisée parfois avec les jeunes élèves pour désigner le spermatozoïde peut créer des confusions.

La « fleur » désigne une fleur à pétales dont le rôle est avant tout décoratif.

Confusion entre reproduction (production d’une copie conforme) et procréation.

3.Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les représentations des élèves autour de la transmission de la vie sont plus ou moins chargées d’affectivité : elles varient donc s’il s’agit de végétaux, d’animaux ou d’êtres humains.

Chez les animaux, le rôle du mâle n’est pas toujours perçu ; chez les plantes à fleurs des élèves pensent que les grains de pollen, en germant, donnent de nouvelles plantes.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Imposer un vocabulaire trop spécialisé.

Généraliser hâtivement sans prendre appui sur des exemples variés.

Heurter la sensibilité des jeunes élèves.

5. Connaissances

La reproduction des êtres vivants se réalise de manière sexuée ou asexuée ; dans le cas de la procréation (reproduction sexuée), tout nouvel être vivant provient du développement d’un œuf

Dans la plupart des espèces animales on peut distinguer des mâles et des femelles.

Dans certaines espèces animales le jeune trouve dans l’œuf pondu par la femelle dans le milieu extérieur, tout ce qui est nécessaire à son développement, c’est un développement ovipare. Après l’éclosion, les œufs libèrent soit une larve, soit un jeune qui ressemble à l’adulte.

Dans d’autres espèces le développement se fait à l’intérieur du corps de la femelle qui satisfait à sa nutrition : c’est le développement vivipare.

Les végétaux à fleurs proviennent d’une graine obtenue par reproduction sexuée. Les graines se forment à l’intérieur d’un fruit provenant de la transformation de la fleur.

Une reproduction asexuée existe aussi chez certains végétaux, elle se fait à partir d’un fragment de végétal (boutures, marcottes, bulbes, tubercules…) : c’est un clonage naturel.

6. Pour en savoir plus

L’œuf résulte de la fusion d’un ovule et d’un spermatozoïde.

Chez les animaux les mâles produisent des spermatozoïdes, les femelles produisent des ovules.

Chez les végétaux à graines la fleur est un organe sexuel : le pistil est la partie femelle, les étamines correspondent à la partie mâle. Après la pollinisation, le pistil se transforme en fruit et l’ovule en graine.

Certains végétaux ne produisent pas de graines, ils forment des spores (champignons, fougères).

Dans la reproduction asexuée, le nouvel être vivant obtenu est la copie conforme de son unique parent. La reproduction sexuée, elle, conduit à un nouvel être (génétiquement) différent de ses deux parents.

7. Réinvestissement, notions liées

Notion d’espèce, classification des êtres vivants. Stades de la vie d’un être vivant.

Education à l’environnement

Fiche « connaissances » F8

EVOLUTUTION des ETRES VIVANTS

1. Programme

Cycle 3 : Des traces de l'évolution des êtres vivants.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves croient spontanément à la fixité des espèces. Ils pensent souvent que les fossiles sont des animaux morts, ils oublient les végétaux.

La longueur des temps géologiques (en millions et milliards d'années) pose souvent le problème de la gestion des grands nombres.

Le temps nécessaire à la fossilisation est rarement pris en compte, les élèves pensent souvent que l'animal mort "s'est couché et enfoncé" dans la roche.

La contemporanéité des êtres vivants n'est pas toujours respectée : les élèves font, par exemple, parfois voisiner les Hommes et les Dinosaures dans le même milieu.

Les élèves ne considèrent pas l'Homme comme un animal, qui diffère par ses activités.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Il faudrait notamment éviter :

- de limiter l'étude à des restes animaux uniquement, pour construire la notion de fossile.

- de limiter l'étude à une seule époque sans la situer par rapport aux temps géologiques.

5. Connaissances

Les fossiles constituent des traces de la vie d'autrefois. Ils sont des traces d’animaux ou de végétaux qui existaient à l’époque de la formation de la roche qui les contient ;

Les fossiles permettent de reconstituer de grandes étapes de l'histoire de la Terre, de constater l'apparition et la disparition de certaines espèces animales et végétales.

Les Hommes n'ont pas toujours existé à la surface de la Terre et ils se sont transformés au cours du temps. Divers indices témoignent de leur présence (squelette, outils, traces de feu, peintures...)

6. Pour en savoir plus

La Terre se forme, il y environ 4,5 milliards d'années, 1 milliard d'années environ s'écoulent avant les premières formes vivantes connues. La succession des espèces est le résultat d’une évolution ; chronologie d’apparition des principales familles d’êtres vivants : bactéries, êtres monocellulaires à noyaux , métazoaires, invertébrés, vertébrés ; les êtres vivants d’aujourd’hui résultent d’une longue évolution et qu’ils ont tous des parentés ...Les différentes espèces de Dinosaures commencent à se multiplier, il y a environ 250 millions d'années et disparaissent, il y a 65 millions d'années.

Les formes « primitives », chronologiquement parlant, n’étaient pas nécessairement moins évoluées fonctionnellement que les formes actuelles.

L'hominisation correspond à une évolution biologique et culturelle (station debout, bipédie, augmentation de volume du cerveau, fabrication d'outils, maîtrise du feu, vie sociale, culte des morts, arts...).

7. Réinvestissement, notions liées

Temps, chronologie (lien avec la frise historique).

Notion de plan d'organisation d'un animal.

Connaissance des classes de Vertébrés.

Plantes à fleurs et plantes sans fleurs (Fougères).

Fiche « connaissances » F9

DE L’ORDRE DANS LE MONDE VIVANT

1. Programme

Cycle 2 : Les manifestations de la vie animale et de la vie végétale : quelques premiers critères élémentaires de classification.

Cycle 3 : Unité et diversité du monde vivant. Les divers modes de reproduction

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Le vocabulaire courant ne favorise pas toujours la sensibilisation à la notion d'espèce : les races canines, qui appartiennent toutes à l'espèce chien, sont parfois confondues avec des espèces différentes.

Les déterminants masculin - féminin utilisés pour désigner certaines espèces proches induisent la création de couples inter espèces : la grenouille / le crapaud, le hibou / la chouette, le rat / la souris.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves perçoivent mieux les différences que les ressemblances entre les êtres vivants.

L'appropriation des éléments de classification est confuse : informations fragmentées et non hiérarchisées.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Les classifications scientifiques ne peuvent pas être inventées par les élèves, elles ne doivent pas non plus faire l'objet d'une mémorisation systématique mais être construites progressivement.

Certains stades du développement d'un être vivant peuvent induire des erreurs d'interprétation (exemple ver de farine et insecte adulte).

5. Connaissances

Il existe une grande diversité chez les êtres vivants (animaux, végétaux, bactéries). Le nombre d’espèces actuelles n’est pas connu : il avoisine les 10 millions. On n’en a décrit qu’environ 10 à 15 %. Les espèces les plus répandues se rencontrent chez les insectes.

Les animaux ou les végétaux appartenant à la même espèce se ressemblent et sont capables de se reproduire entre eux.

Les classifications des scientifiques sont universelles.

Le règne animal peut être divisé en deux grands groupes : les animaux invertébrés et les animaux vertébrés (Poissons, Batraciens, Reptiles, Oiseaux, Mammifères).

Le règne végétal peut être divisé en deux grands groupes : les végétaux qui ont des fleurs et qui donnent des graines et ceux qui n'ont ni fleurs ni graines.

6. Pour en savoir plus

Il existe des variations individuelles au sein d'une même espèce.

Dans un milieu donné, des êtres vivants ayant le même mode de vie peuvent présenter les mêmes particularités anatomiques (convergence entre espèces différentes).

Dans le groupe des animaux invertébrés on situe les Mollusques, les Vers, les Arthropodes (Insectes, Arachnides, Crustacés, Myriapodes).

La démarche de classification (du petit groupe au grand groupe) est complémentaire de la démarche de détermination (du grand groupe à l'espèce).

Le monde vivant n’est pas une collections d’espèces juxtaposées, ces espèces réagissent entre elles et avec le milieu.

7. Réinvestissements, notions liées

L'évolution des êtres vivants (diversité des formes fossiles). éducation à l’environnement (lien entre les espèces et avec le milieu)

Critères de classement (mathématiques).

Fiche « connaissances » F10

MOUVEMENTS ET DÉPLACEMENTS

1. Programme

Cycle 2 : Le corps de l'enfant (notions simples de physiologie et d'anatomie).

Cycle 3 : Les mouvements corporels.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Les élèves connaissent l'existence des muscles, mais ne les associent pas à la "viande" des animaux qu'ils consomment par ailleurs.

Les "nerfs" sont souvent confondus avec les tendons ou les ligaments ou l'inverse.

Les élèves confondent parfois "sentir" et "respirer".

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves dessinent les os d’une manière stéréotypée ;de plus leur nombre et leur position dans un membre ne permettraient pas la réalisation de mouvements.

Ils ne représentent pas les muscles et les attaches qui permettraient de réaliser des mouvements : les élèves pensent même souvent que le squelette est mobile par lui même comme dans les dessins animés

Les élèves imaginent souvent que les informations sensorielles circulent dans des "tuyaux".

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

L’emploi de maquettes suppose une comparaison critique avec la réalité observée lors du mouvement du membre.

5. Connaissances

Les mouvements du corps des Vertébrés sont rendus possibles au niveau des articulations, par l'action des muscles sur des éléments rigides, les os, qui constituent le squelette.

Les muscles des membres sont attachés aux os de part et d'autre d'une articulation. Lors de la contraction, le raccourcissement des muscles déplace les os qui restent passifs.

Dans un membre, lorsque les muscles rapprochent les segments entre eux, ils sont dits fléchisseurs et lorsqu'ils les éloignent, ils sont qualifiés d'extenseurs. Des muscles qui travaillent en opposition comme les muscles fléchisseurs et les muscles extenseurs sont dits antagonistes.

Les tendons permettent l'attache des muscles sur les os. Les ligaments maintiennent les os entre eux au niveau d'une articulation.

La marche, la course, le saut... résultent de la combinaison de plusieurs mouvements élémentaires (flexions et extensions).

Grâce aux organes des sens, un être vivant reçoit du milieu des informations complémentaires qui, traitées par le cerveau, lui permettent d'agir et de communiquer.

6. Pour en savoir plus

Il existe des muscles « volontaires « comme ceux des membres et des muscles involontaires comme le cœur La stature et l'ensemble des mouvements ne sont possibles que sous l'action de nombreuses commandes nerveuses.

Les récepteurs sensoriels sont des cellules sensibles incluses dans un organe sensoriel, dont le rôle consiste à transformer (coder) un stimulus en influx nerveux. Les nerfs conduisent les informations.

Les informations sont traitées au niveau d'un centre nerveux qui est à l'origine d'une réponse glandulaire ou motrice, mais le système nerveux central est évoqué seulement au collège en classe de 3^ième.

7. Réinvestissements, notions liées

évocation du rôle du cerveau dans la motricité – éducation à la santé – levier (F21)

Fiche « connaissances » F11

NUTRITION ANIMALE ET HUMAINE : DIGESTION ET EXCRÉTION

1. Programme

Cycle 2 : L’alimentation. Importance des règles de vie. Découverte des grandes fonctions du vivant.

Cycle 3 : Première approche des fonctions de nutrition. Conséquences à court et à long terme de notre hygiène.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Nutrition et alimentation sont des termes confondus.

Confusion entre menu (entrée - plat principal - dessert) et repas équilibré.

"Les reins" et "les rognons" désignent le même organe.

Confusion entre "faire un régime" et "régime alimentaire".

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Pour les élèves, l'intérieur du corps fonctionne comme un sac clos. Les aliments tombent sous l'action de la pesanteur, circulent librement et apportent directement "à manger" aux organes.

Pour certains élèves, les aliments restent prisonniers d'un tube fermé. Pour d'autres il existe un tuyau pour les liquides (en relation avec l'urine) et un tuyau pour les aliments solides (en relation avec les excréments).

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

L'observation des comportements alimentaires conduit souvent à des interprétations à caractère finaliste ou anthropomorphique.

Le classement par type d’aliment (composition) s’oppose à des classements spontanés, qui s'appuient sur des critères affectifs, culturels ou gastronomiques.

L'observation du contenu du tube digestif d'un animal montre la liquéfaction des aliments ; pour les élèves, celle-ci s'explique essentiellement par des actions mécaniques : ils ne peuvent percevoir les transformations chimiques de la digestion.

5. Connaissances

Les animaux sont obligés de prélever leurs aliments dans leur milieu de vie.

Chaque animal a un régime alimentaire particulier en relation avec les organes dont il dispose et avec son milieu de vie.

Les aliments des animaux sont d'origine animale, végétale et minérale.

Chez l'homme, les aliments sont transformés au cours de leur trajet dans un tube unique, continu (bouche, œsophage, estomac, intestin). La partie non digérée des aliments est rejetée à l'extérieur du corps sous forme d'excréments. La partie digérée des aliments est transformée en petits éléments capables de traverser la paroi de l’intestin pour passer dans le sang. C'est le sang qui distribue les aliments digérés aux organes du corps et qui transporte les déchets produits par les organes.

6. Pour en savoir plus

Le comportement alimentaire met en œuvre les fonctions de nutrition et de relation : recherche, capture, consommation des aliments.

L'alimentation de l'homme doit être variée, certains apports sont indispensables (ex : les vitamines, le calcium).

Souligner l’importance d’une alimentation équilibrée et insister sur les apports (énergétiques, mécaniques ou de catalyseurs minéraux) des aliments

L'urine provient du rein. La sueur est excrétée par la peau.

7. Réinvestissements, notions liées

Les états de la matière (solide - liquide) - Propriétés dissolvantes de l'eau.

Transformations de la matière - L'énergie (énergie des aliments).

Chaînes et réseaux alimentaires – éducation à l’environnement.

Repas et équilibre alimentaire au quotidien – éducation à la santé.

Fiche « connaissances » F12

NUTRITION ANIMALE ET HUMAINE : RESPIRATION ET CIRCULATION

1. Programme

Cycle 2 : Découverte des grandes fonctions du vivant.

Cycle 3 : Première approche des fonctions de nutrition : respiration et circulation Les fonctions de nutrition. Conséquences à court et à long terme de notre hygiène.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

La respiration est assimilée à la vie (le souffle, c'est la vie), respirer est parfois confondu avec sentir.

La respiration ne désigne que la ventilation pulmonaire observable.

Le rôle actif des muscles respiratoires n'est pas perçu : "c'est l'air qui gonfle la poitrine".

Les battements cardiaques ne sont identifiés que lorsqu'il y a changement de rythme : après un effort, une émotion, on a "le cœur qui bat". Les expressions construites avec le mot cœur perturbent les enfants "avoir mal au cœur - avoir le cœur qui tourne - donner son cœur...".

Les vaisseaux sanguins sont souvent désignés par le terme de veines dans le langage courant.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

En dehors de l'alimentation, les élèves se représentent peu les fonctions de nutrition des animaux.

Chez l'Homme, l'intérieur du corps correspond pour les élèves à une sorte de sac "le ventre", où les aliments, l'air, le sang se déplacent dans tous les sens sans être canalisés.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Chez les animaux, les élèves recherchent la présence d'une respiration par la seule observation d'une ventilation pulmonaire. La conscience individuelle des mouvements respiratoires et des mouvements cardiaques n'est pas constante. Les battements cardiaques et le pouls sont confondus au niveau du corps.

La dissolution des gaz est mal appréhendée.

5. Connaissances

La respiration se manifeste par un échange de gaz entre les êtres vivants et leur milieu. La plupart des êtres vivants absorbent l'oxygène : leurs organes en ont besoin. Cet oxygène est contenu dans l'air ou dissous dans l'eau. Ces êtres vivants rejettent de l'air contenant le dioxyde de carbone (gaz carbonique) produit par les organes.

Les échanges de gaz ont souvent lieu au niveau d'organes particuliers : poumons, branchies...

Chez l'homme, l'entrée de l'air lors de mouvements respiratoires (inspiration) et sa sortie (expiration) se font par le nez ou la bouche. Propulsé par le cœur, le sang circule dans les vaisseaux en sens unique ; le sang permet des échanges entre tous les organes : l’oxygène nécessaire à la vie est transporté à partir des poumons jusqu’aux organes et le dioxyde de carbone fabriqué est transporté des organes aux poumons pour être rejeté à l’extérieur.

6. Pour en savoir plus

Oxygène et gaz carbonique sont les noms d'usage courant. La nomenclature chimique utilise les termes de dioxygène et dioxyde de carbone.

Les fonctions de nutrition s'adaptent aux besoins de l'organisme lors des exercices physiques

Les principes simples de secourisme prennent en compte l'anatomie et la physiologie de l'appareil respiratoire et de l'appareil circulatoire.

7. Réinvestissements, notions liées

Composition de l'air - Propriétés dissolvantes de l'eau - Mélanges - Mesure des volumes - Notion de rythme – éducation à la santé.

Fiche "connaissances" F13

ÉNERGIE

1. Programme

Cycle 3

- Exemples simples de sources d'énergie utilisables.

- Consommation et économie d'énergie. Rôle de l'isolation.

- Notions sur le chauffage solaire : influence de la couleur, de l'orientation, de l'isolation.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

L'emploi dans le langage courant du mot "énergie", ou de l'adjectif "énergique" se rapporte souvent au comportement humain et évoque plutôt une idée de grande puissance et de rapidité de l'action : "l'énergie du désespoir", "un individu énergique", etc. Ceci fait que les élèves comprennent difficilement que les transferts d'énergie peuvent se manifester par des effets faibles : entretien du mouvement d'une montre par une pile, par exemple.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

L'élaboration du concept d'énergie nécessite l'analyse d'une certaine diversité de situations et de phénomènes, sur lesquels les idées préalables des élèves sont souvent inexactes.

C'est le cas en particulier pour le courant électrique dont les élèves pensent qu'il peut être produit sans rien consommer : caractère mystérieux et magique des centrales nucléaires, eau se "transformant" en courant électrique dans les centrales hydrauliques, prises de courant "donnant du courant" dès qu'elles sont installées dans une pièce, sans même être reliées au réseau EDF ...

De même, la lumière est plutôt conçue par les élèves de façon statique, comme un état de l'espace s'opposant à l'obscurité. L'absence de l'idée d'une émission en continu et d'une propagation constitue un obstacle pour la mise en relation de la lumière avec la notion d'énergie.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Lors de l'étude expérimentale ou documentaire de diverses situations d'utilisation d'une source d'énergie, il serait illusoire de vouloir faire raisonner les élèves de l'école primaire en termes de transferts d'énergie, et encore plus en termes de transformation d'une forme d'énergie en une autre forme. En effet, ce niveau de raisonnement n'a de pertinence que dans le cadre du principe physique fondamental de conservation de l'énergie, qui impliquerait un traitement quantitatif et une compréhension de la diversité des formes et modes de transfert de l'énergie avec le vocabulaire pléthorique associé (énergie cinétique, mécanique, potentielle, chimique, nucléaire, etc...). L'emploi de ce vocabulaire et l'étude des notions sous-jacentes sont de toute évidence hors du champ accessible à l'école primaire. Les chaînes de transformation que l'on est amené à aborder (des muscles du cycliste à la lumière des "feux" de la bicyclette, du fioul de la centrale électrique à l'éclairage de l'appartement...) sont donc abordées de façon purement causale et qualitative, sans introduction d'un vocabulaire formalisé relatif à l'énergie.

5. Connaissances

5.1. Être capable de citer différentes sources d'énergie utilisables (le pétrole, le charbon, l'uranium, le Soleil, le vent, ...) et comprendre leur nécessité pour chauffer, éclairer, mettre en mouvement

L'utilisation d'une source d'énergie est nécessaire pour chauffer, éclairer, mettre en mouvement. C'est dans cette partie que peuvent être abordées quelques chaînes causales.À l'échelle d'une génération humaine, certaines sources se renouvellent (énergies solaire, éolienne, hydroélectrique, marémotrice). Tel n'est pas le cas pour les autres (énergies fossiles, nucléaires, biomasse,...).

La mesure d'une température se fait obligatoirement à l'ombre. L'indication d'un thermomètre placé au Soleil dépend essentiellement de sa capacité à absorber le rayonnement solaire : deux thermomètres différents placés côte à côte au Soleil ne donneront pas nécessairement la même indication. Pour mener à bien les expériences suggérées dans ce paragraphe, il faut donc mesurer la température d'objets placés au Soleil tout en maintenant les thermomètres à l'ombre. On peut glisser ces derniers dans des petites enveloppes en papier (de dimensions identiques), lesquelles s'échaufferont plus ou moins selon la couleur du papier, la nature du support (plus ou moins isolant) et leur orientation par rapport au Soleil.

6. Pour en savoir plus

Quand une source d'énergie est utilisée pour produire un effet quelconque, son "capital" d'énergie diminue. L'obtention d'un effet, même minime, nécessite la consommation d'une certaine quantité d'énergie ("on n'a rien sans rien...").

Au cours de ses transformations, l'énergie se conserve. Les "pertes" d'énergie correspondent donc aussi à des transformations, et pas à des disparitions d'énergie.

Malheureusement, la « qualité » de l'énergie tend à se dégrader. En se réchauffant, la Terre stocke une grande quantité d'énergie supplémentaire. Hélas, cette énergie n'est guère utilisable. Ainsi, en quantité, l'énergie ne se perd pas mais se dégrade en qualité.

Indications techniques et économiques : il existe un nombre limité de sources d'énergie naturelles. En France, on utilise trois principaux types de centrales électriques : les centrales hydrauliques utilisant l'eau des rivières, les centrales thermiques à flamme utilisant le charbon, le fioul ou le gaz naturel, les centrales thermiques nucléaires utilisant l'uranium. Quelle que soit la méthode choisie, la production d'énergie présente des inconvénients pour l'environnement, inconvénients qu'il faut analyser pour prendre des décisions rationnelles.

7. Réinvestissements, notions liées

Voir fiches F14 "Lumière", F20 "Électricité" et F6"Les besoins des végétaux".

En histoire : la révolution industrielle.

Fiche "connaissances" F14

LUMIÈRE ET OMBRES

1. Programme

Cycle 2

Caractère opaque, transparent ou réfléchissant d’un matériau. Les ombres, observation de leurs caractéristiques.

Cycle 3

La lumière et les ombres : ombre propre et ombre portée ; occultation d'une source lumineuse par un objet opaque.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

Le mot lumière désigne très souvent l'éclairage électrique.

Le mot "ombre" désigne en général l'ombre portée sur le sol, sur un mur, sur un écran, sur un objet mais plus rarement le volume situé derrière l'objet éclairé.

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les élèves n'ont pas l'idée de la propagation de la lumière : la clarté ou l'obscurité sont plutôt considérées comme un "état" du lieu qui ne nécessite même pas toujours la présence d'une lampe ou du soleil. "Il y a de la lumière dans la pièce".

Les élèves ne conçoivent pas qu'un objet quelconque peut envoyer de la lumière vers nos yeux ; cela ne leur apparaît que s'il s'agit d'une source lumineuse reconnue : lampe, Soleil. La présence de lumière n'est reconnue par les élèves que "sur" une source intense, ou "sur" une zone très éclairée (zone directement éclairée par le soleil par exemple).

Le mécanisme de la vision des objets est souvent conçu suivant le modèle erroné du "rayon visuel" partant de l'œil pour aller capter l'image de l'objet.

Beaucoup d'élèves pensent qu'ils peuvent voir la lumière "de côté", (c'est à dire qui passe devant leurs yeux) sans que cette lumière entre dans leurs yeux.

Pour certains élèves, l'ombre a les propriétés d'un objet matériel. Ils ne se rendent pas nécessairement compte du rôle de la source lumineuse. Ils attribuent à l'ombre les mêmes propriétés que l'objet qui la produit et ne se rendent pas compte qu'elle dépend en plus de la source.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

L'affirmation "l'ombre est la zone qui ne reçoit pas de lumière" est en général incorrecte car imprécise. En effet, l'ombre d'un objet par rapport à une source déterminée est une zone qui ne reçoit pas de lumière provenant de cette source, mais elle reçoit en général la lumière émise ou diffusée (renvoyée) par les autres objets environnants. De même, un objet éclairé par plusieurs sources de lumière a autant d'ombres qu'il y a de sources.

Il est possible de commencer de premières schématisations en utilisant une source de petite dimension (une ampoule de lampe de poche) qui pourra être assimilée à une source ponctuelle. La forme de l'ombre peut ainsi être interprétée en traçant un trait reliant ce point aux contours de l'objet. Toutefois, dans les figures réalisées, il s'agit pour l'élève de ne pas confondre deux composantes du schéma : d'une part les objets réels et observables (la source, l'objet, l'œil) et d'autre part les entités abstraites représentant le trajet, invisible, de la lumière (première idée de rayon lumineux). Il est souhaitable de réfléchir avec eux à une convention appropriée. On peut à titre d'exemple représenter systématiquement les rayons lumineux [IM1] dans une couleur précise.

L'utilisation d'une source étendue engendre des ombres aux contours difficiles à interpréter. Le tracé des rayons lumineux dans ce cas n'est pas au programme.

5. Connaissances

Une ombre nécessite une source de lumière. Sa forme dépend de la forme de l'objet et de sa position par rapport à la source.

Un objet opaque éclairé par une source de lumière, présente sur sa surface deux parties nettement visibles : une partie éclairée et une partie à l'ombre qui se présentent sous différentes formes en fonction de la perspective sous laquelle elles sont observées.

Une source lumineuse ponctuelle et un objet opaque déterminent deux régions de l'espace : un observateur qui s'y déplace voit la source s'il se trouve dans la région éclairée ; il ne la voit pas s'il se trouve dans la région à l'ombre.

Lorsque la source lumineuse est étendue, il faut en plus considérer une zone intermédiaire dans laquelle l'observateur ne voit qu'une partie de la source.

6. Pour en savoir plus

Les sources de lumière usuelles sont toujours étendues (ampoule, lampe de poche, Soleil). Elles engendrent des ombres aux contours difficiles à interpréter (ombre, pénombre...). C'est pourquoi le programme préconise de ne pas chercher à construire les contours de ces zones, mais simplement de réfléchir à ce que voit un observateur qui s'y déplace.

La rencontre entre lumière et matière peut donner lieu à différents phénomènes. La réflexion (la lumière est renvoyée dans une direction bien définie), la diffusion (la lumière est renvoyée dans toutes les directions), l'absorption (la lumière est absorbée par la matière qui, alors, s'échauffe ; voir à ce propos la fiche connaissance F13 consacrée à l'énergie), la transmission (la lumière traverse la matière). Tous ces phénomènes coexistent en général dans des proportions variables. Les objets transparents sont ceux pour lesquels la transmission est prépondérante à l'inverse des objets opaques pour lesquels elle est négligeable ou inexistante.

Pour qu'un objet soit vu, il faut que la lumière issue de cet objet entre dans l'œil.

La lumière issue d'une source lumineuse se déplace en suivant un chemin rectiligne.

La lumière ne se propage en ligne droite que dans un milieu qui a partout les mêmes propriétés. Il n'y a donc pas propagation rectiligne si la lumière rencontre un corps opaque, ni lors du passage d'un milieu à un autre (eau/air ...) ou dans une situation telle que le phénomène de mirage, dû aux variations de température de l'air.

La lumière se déplace à une grande vitesse (environ 300 000 kilomètres par seconde). Elle met environ 8 minutes pour venir du Soleil et de quelques années à quelques milliers d'années pour venir des différentes étoiles visibles à l'œil nu !

7. Réinvestissements, notions liées

Lien avec l'énergie (voir fiche n° 13) : la production de lumière nécessite l'utilisation d'une source d'énergie ; la lumière transporte de l'énergie et, en particulier, le rayonnement solaire transfère de l'énergie, dont le Soleil est la source, aux matériaux qui l'absorbent ; cette énergie est essentielle pour la vie sur Terre.

Liens avec les mathématiques.

Comment mesurer la hauteur d'un poteau à partir de la longueur de son ombre ? Comment mesurer la largeur d'une rivière sans la moindre possibilité de la traverser ? (La situation est bien sûr simulée dans la cour de récréation).

[IM1] Risque de confusion ultérieure, au collège, avec la convention pour les trajets virtuels ?

Fiche "connaissances" F15

POINTS CARDINAUX ET BOUSSOLE

1. Programme

Cycle 3. Les points cardinaux et la boussole.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant ou scientifique

- Nord est utilisé pour indiquer le pôle nord ou le point cardinal, mais on dit aussi que l’on peut perdre le nord ou être déboussolé

- Voir la fiche F17 au sujet de la rotation de la terre d’ouest en est et de la possible confusion.

- L’expression consacrée « points cardinaux » peut prêter à confusion dans la mesure où il s’agit en fait de directions (V. 6. ci-dessous).

- Le phénomène physique appelé magnétisme n’est pas à confondre avec le magnétisme d’une personne et de supposées “ sciences occultes ”.

-

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

- Sur une girouette (ou une carte) sont indiqués les quatre “ points ” cardinaux, ce qui peut laisser penser que les points est et ouest sont des pôles comme le sont le nord et le sud, ce qui n’est pas le cas.

- L’aiguille d’une boussole n’est pas attirée vers le nord à cause du froid, de la température ou du vent.

- Une boussole indique uniquement une direction et ne permet pas de connaître sa position et encore moins de la retrouver lorsqu’on est perdu. La combinaison boussole-carte permet en revanche de se positionner.

- Les élèves, jusqu'en cycle 3, éprouvent des difficultés à utiliser d'autres repères que leurs « repères égocentriques » (devant, derrière, à droite, à gauche). Ils cherchent souvent à mémoriser la direction des points cardinaux par rapport à ceux-ci ("le nord est devant ou en haut", "l'ouest à gauche", etc.).

- Lorsqu'ils y parviennent, ils ont tendance à accorder aux points cardinaux un caractère absolu sans se rendre compte que le repérage d'un lieu ne peut être indiqué que par rapport à un autre. Par exemple, ils ont tendance à affirmer que "tel lieu est au nord" au lieu de "tel lieu est au nord de tel autre". De même, ils éprouvent des difficultés à comprendre que tel lieu, situé par exemple au nord de tel autre, peut en même temps être à l'ouest d'un troisième et au sud d'un quatrième…

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

- Il faut attirer l’attention des élèves sur le fait que les points cardinaux permettent de s’orienter et de se repérer sur Terre et non de se repérer dans l’espace interplanétaire.

- La notion de points cardinaux peut en revanche être étendue à d’autres astres, tels les planètes et la Lune, qui possèdent un axe de rotation (V. pour en savoir plus).

- Il est indispensable, pour trouver le nord, d’utiliser une boussole loin de tout matériau magnétique susceptible d’interagir avec elle et de la maintenir horizontale afin que l’aiguille puisse conserver toute sa liberté de rotation.

5. Connaissances

L’aiguille aimantée d’une boussole (éloignée de toute substance magnétique) s’oriente approximativement selon une direction nord-sud, le nord étant en général indiqué par la partie colorée de l’aiguille. La propriété fondamentale de la boussole est que l'aiguille garde une même direction lorsqu'on tourne son boîtier.

La boussole permet de s’orienter même en présence de brouillard. Elle est en revanche perturbée par la proximité d'un orage.

Il existe à la surface de la terre deux pôles (nord et sud) et l’axe de rotation de la terre passe par ces deux pôles. Il n’y a pas de “ pôles ” est et ouest.

6. Pour en savoir plus

Le mot « boussole » vient de « petite boîte ». La boussole est une découverte de la Chine (vers 1050).

La définition des points cardinaux (du mot latin cardo signifiant « pivot ») part d’une sphère (approximative) et d’un axe de rotation. Toute situation semblable permet de définir un N. et un S. , puis un E. et un W., et de construire des cartes semblables aux cartes terrestres : ainsi des cartes de la Lune, de Vénus, de Mars. Le fonctionnement d’une boussole sur ces planètes dépend de l’existence, ou non, d’un champ magnétique (absent sur la Lune, absent ou très faible sur Vénus et Mars).

Lorsqu’en un point de la Terre, grâce à une boussole, le nord et le sud ont été déterminés, il est possible de définir l’est et l’ouest et toute direction comme le sud-est, ce qui permet de construire une rose des vents, de se repérer et de s’orienter.

La construction des méridiens et des parallèles sur une sphère (mappemonde) découle immédiatement des observations précédentes. et permet d’objectiver les points cardinaux en sortant du « repère égocentrique ».

Si on marche toujours vers le nord (ou le sud), on suit un méridien. Quand on arrive au pôle nord, il n’y a plus de nord et pour aller vers le sud, on peut choisir une infinité de chemins, chacun correspondant à un méridien. Il est possible aussi de s’orienter, dans l’hémisphère nord, à l’aide de l’étoile polaire, cette dernière se trouvant presque sur le prolongement de l’axe de rotation de la terre. Ceci permet de noter et vérifier que l’axe de la terre reste parallèle à lui-même dans l’espace au cours du mouvement annuel de la terre autour du Soleil.

La navigation interplanétaire, souvent familière aux élèves à travers les œuvres de fiction, est intéressante à analyser car on quitte un espace à deux dimensions (la surface terrestre), donc à deux degrés de liberté pour le déplacement, pour un espace à trois dimensions.

Il n’est pas inexact de dire que “ la Terre se comporte comme un énorme aimant ”, mais on se gardera de déduire de cet énoncé des prédictions sur le comportement de la boussole : celle-ci n’est pas “ attirée par un pôle de l’aimant terrestre ”, elle s’oriente parallèlement à la composante horizontale du champ magnétique créé par la Terre, ce qui ne saurait être expliqué aux élèves. En poursuivant une tentative d’explication par une attraction entre pôles, on irait de plus au devant d’une grave contradiction si l’on imaginait au voisinage du pôle (géographique) nord de la Terre un pôle d’aimant “ nord ”, puisque deux pôles de même nom se repoussent !

L’usage de la boussole peut susciter des curiosités sur le magnétisme, mais il faudra être prudent dans les explications et se contenter d’un petit nombre de constatations dans ce domaine complexe. Les aimants les plus simples (barreau, aimant en U, pastille), comportent un pôle nord et un pôle sud (l’usage du mot « pôle » est ici une extension par analogie avec la Terre). Certains aimants (ceux des alternateurs par exemple) comportent plusieurs paires de pôles. Deux aimants peuvent s’attirer ou se repousser selon les positions relatives des pôles. Des objets en fer non aimantés s’aimantent à l’approche d’un aimant (exemple des épingles ou des clous). Certaines pièces de monnaie en circulation encore en 2001 contiennent du nickel et sont ferromagnétiques. Il existe aussi des électro-aimants ; une bobine de fil électrique conducteur se comporte comme un aimant lorsqu'elle est parcourue par un courant.

La direction donnée par la boussole, appelée nord magnétique n’est pas exactement celle du nord géographique. L’angle entre ces deux directions, appelé déclinaison magnétique, dépend du lieu et varie lentement dans le temps. En France, il est actuellement voisin de 5° vers l’ouest. Cet écart est toujours indiqué sur les cartes, il faut absolument en tenir compte par exemple en naviguant à la voile, même sur de petites distances.

On constatera sur les atlas que les pôles magnétiques, bien que situés respectivement dans le grand nord canadien et en Antarctique, ne sont pas confondus avec les pôles géographiques. De même que la déclinaison varie, les pôles magnétiques se déplacent lentement au cours du temps. La coïncidence approximative du pôle N géographique (rotation de la Terre) et du pôle N magnétique (« terre aimant ») n’est pas le fait du hasard, l’aimantation terrestre étant créée par la rotation.

7. Réinvestissements, notions liées

L’étude des points cardinaux peut être menée en relation avec l'étude du mouvement apparent du Soleil et la formation des ombres. Ce peut être l’occasion de rappeler que, dans l’hémisphère nord, la position du soleil au midi solaire indique le sud et que l’ombre d’un gnomon à cette même heure indique le nord (c’est le contraire dans l’hémisphère sud). Toujours à midi solaire, il est utile de savoir que si l’on regarde dans la direction du soleil, l’ouest est indiqué par notre bras droit et l’est par notre bras gauche. L’étude des points cardinaux et de la boussole est l’occasion d’apprendre aux élèves à s’orienter, à se diriger et à lire une carte. C’est un travail qui peut être mené en liaison avec la géographie et l’EPS.

Fiche "connaissances" F16

MOUVEMENT APPARENT DU SOLEIL

1. Programme

Cycle 3

- Le mouvement apparent du Soleil et ses variations au cours des saisons.

- La durée du jour et son évolution au cours des saisons : notions de solstices et d'équinoxes.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant ou scientifique

- Le fait de dire que le Soleil "se lève" et "se couche" correspond à une conception anthropomorphique du Soleil.

- Dans le langage courant, le mot jour signifie aussi bien clarté, jour de la semaine, durée de 24 heures, période pendant laquelle il fait "jour" (et pas nuit). Dans le contexte astronomique, un jour correspond à la durée séparant, en un lieu donné, deux culminations successives du Soleil. Cette durée varie un peu au cours de l'année, sa valeur moyenne est de 24 heures. La période pendant laquelle le Soleil reste au-dessus de l'horizon, c'est-à-dire, pratiquement, pendant laquelle il "fait jour" est appelée journée.

- Dans le langage courant, le mot "hauteur" désigne une longueur. En revanche, dans le contexte de l'astronomie, la "hauteur" du Soleil (ou d'un autre astre) désigne l'angle que font la direction dans laquelle on peut l'observer à un instant donné d'une part, et le plan horizontal d'autre part. Cela conduit à des expressions comme "le Soleil est haut (ou bas) dans le ciel" dans lesquelles les termes "haut" et "bas" ne désignent pas des longueurs mais des angles. Si l'on n'y prend pas garde, les élèves peuvent assimiler, à tort, "haut" à "loin" et "bas" à "proche".

- Le mouvement observé du Soleil dans le ciel est qualifié d'apparent, ce qui ne signifie pas qu'il s'agit d'une illusion. Il est tout à fait correct, avec les élèves, d'employer des expressions comme "mouvement du Soleil par rapport à l'horizon".

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

Les plus jeunes élèves (essentiellement au cycle 1) se représentent le Soleil comme un être vivant, qui agit (se déplace, éclaire) volontairement.

Au cycle 3, de nombreux élèves pensent que la durée du jour (et pas seulement celle de la journée) allonge en été et diminue en hiver.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

L'étude du mouvement apparent du Soleil nécessite une certaine maîtrise des points cardinaux et de leur repérage à l'aide de la boussole, ainsi que des caractéristiques essentielles de la formation d'une ombre. Cette étude est étroitement liée au repérage dans le temps grâce au cadran solaire.

Attention : l'observation directe du Soleil, même à travers des verres teintés, présente des risques graves pour les yeux.

5. Connaissances

Chaque jour, les habitants de la Terre constatent que le Soleil apparaît vers l'est, monte dans le ciel, culmine (est au plus haut au-dessus de l'horizon) en passant au-dessus du sud (dans l'hémisphère nord), redescend et disparaît vers l'ouest (cette affirmation n'est pas vraie dans les régions polaires). Dans l'hémisphère Nord, la trajectoire du Soleil est parcourue de gauche à droite pour un observateur situé face à lui.

La trajectoire apparente du Soleil dans le ciel se modifie au cours des saisons. Aux latitudes de l’Europe, elle est la plus courte au solstice d'hiver (le Soleil se lève alors pratiquement au sud-est et se couche pratiquement au sud-ouest) et la plus longue au solstice d'été (le Soleil se lève pratiquement au nord-est et se couche pratiquement au nord-ouest). Ce n’est qu’aux équinoxes de printemps et d’automne que le Soleil se lève exactement à l’est et se couche exactement à l’ouest (sur un horizon parfaitement horizontal).

Quand il reste longtemps levé et culmine haut dans le ciel, le Soleil chauffe davantage le sol : c'est la saison chaude. À l'inverse, quand les journées sont courtes et que le Soleil reste assez bas, c'est la saison froide. La durée de la journée évolue au fil de l'année. Dans les régions tempérées, elle est la plus courte à la date du solstice d'hiver et la plus longue à la date du solstice d'été. À la date des équinoxes, la durée de la journée (mesurée entre le coucher et le lever du Soleil sur un horizon fictif parfaitement horizontal) est pratiquement égale à 12 h. Il y a alors égalité entre la durée de la journée et celle de la nuit, c’est l’origine du mot “ équinoxe ”.

Les dates des solstices et des équinoxes changent légèrement d'une année à l'autre. Dans l'hémisphère nord, elles se situent autour des dates suivantes : 21 septembre (équinoxe d'automne) ; 21 décembre (solstice d'hiver) ; 21 mars (équinoxe de printemps) ; 21 juin (solstice d'été).

6. Pour en savoir plus

La hauteur du Soleil lors de sa culmination et la variation de cette hauteur en différents points d’un même méridien est à l'origine de la première mesure du rayon de la Terre par Ératosthène environ (3^ème siècle avant J.C.).

7. Réinvestissements, notions liées

- L'étude du mouvement apparent du Soleil est à mener en relation avec les points cardinaux et la formation des ombres. Elle permet de s’orienter, au moins sommairement : en milieu de journée, la direction du Soleil indique approximativement le sud.

- Le gnomon, bâton planté verticalement dans le sol, est l'ancêtre du cadran solaire. C’est un outil précieux (cour d’école) pour analyser le mouvement apparent du Soleil.

- L'élaboration d'un calendrier fiable est devenu nécessaire à l'époque où les Hommes se sont sédentarisés et ont dû prévoir correctement le retour des saisons pour semer aux bonnes périodes. Plusieurs calendriers encore en usage sont fondés sur le cycle de la Lune. C'est le mouvement apparent du Soleil, et son évolution au cours de l'année, qui constitue la base du calendrier légal. C’est également du mouvement apparent du Soleil que dérivent les unités usuelles de mesure des durées (le jour, l'année).

Fiche "connaissances" F17

ROTATION DE LA TERRE SUR ELLE-MEME

1. Programme

Cycle 3

La rotation de la Terre sur elle-même et ses conséquences : alternance des jours et des nuits ; approche des fuseaux horaires.

2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

- Certains ouvrages expliquent que "la rotation de la Terre s'effectue d'ouest en est". Ainsi formulée, cette phrase ne permet pas de préciser le sens de rotation : on peut en effet tourner de l'ouest vers l'est en passant face au sud ou en passant face au nord. De plus, l'expression laisse croire que les points cardinaux permettent de repérer des positions et des mouvements dans l'espace alors qu'ils sont exclusivement des repères terrestres destinés à repérer des positions et des déplacements sur Terre.

- Le mot « heure » est utilisé à la fois pour désigner un moment du temps (« quelle heure est-il ? ») et également une unité de durée (1/24 du jour). Il désigne aussi, de façon plus savante, une règle fixant l’écart entre le réglage des horloges et la position du Soleil (heure légale, heure d’été…).

3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

- Certains élèves se représentent le monde suivant le modèle géocentrique, selon lequel la Terre est immobile, le Soleil, et éventuellement les étoiles, tournant autour d'elle en un jour.

- D'autres élèves, qui ont eu l'occasion de remettre en cause cette dernière idée, expliquent alors le jour et la nuit par le fait que la Terre "tourne autour du Soleil" (au lieu de "tourne sur elle-même").

- Beaucoup d'élèves croient que le phénomène des saisons est dû au fait que la distance Terre-Soleil varie au cours de l'année (explication incompatible avec l'inversion des saisons entre l'hémisphère nord et l'hémisphère sud), alors que l'explication (qui sort du cadre du programme) réside dans le fait que l'axe de rotation de la Terre est "penché", "incliné" (non perpendiculaire) par rapport au plan contenant sa trajectoire autour du Soleil.

4. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

- Lors de la réalisation ou de l'utilisation d'une maquette du système Soleil-Terre, il convient d'insister sur le fait que les proportions ne sont pas respectées et que la maquette ne représente pas une réduction de la réalité à l'échelle.

- De même, l'utilisation presque inévitable d'une source lumineuse directive (projecteur, spot...) pour représenter le Soleil ne doit pas faire perdre de vue aux élèves que celui-ci rayonne également dans toutes les directions.

5. Connaissances

L'alternance du jour et de la nuit en un lieu de la Terre correspond au passage de ce lieu successivement dans la zone de l'espace éclairée par le Soleil et dans la zone d'ombre portée par la Terre.

La trajectoire « apparente » du Soleil s'effectue de la gauche vers la droite pour un observateur situé face à celui-ci, la rotation de la Terre sur elle-même s'effectue donc de la droite vers la gauche, c'est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre si on la regarde depuis l’espace en un point situé au dessus du pôle Nord. Une représentation simplifiée telle que la suivante.