Ressources · 6ᵉ · Physique
Lumière : ombres, jour et nuit, saisons
Sources de lumière et objets éclairés ; transparent, translucide, opaque ; ombre propre et ombre portée ; jour et nuit, ombre d’un bâton et phases de la Lune ; saisons : hauteur du Soleil, durée du jour, solstices et équinoxes
Approfondissement Ce chapitre va au-delà du programme officiel de 6ᵉ : utile pour aller plus loin ou anticiper.
À propos de cette page
Sources de lumière et objets éclairés
Une lampe de poche, le Soleil, la Lune, un mur blanc : on voit tous ces objets, mais ils ne jouent pas le même rôle. Certains produisent de la lumière, d’autres ne font que renvoyer celle qu’ils reçoivent.
• Un objet éclairé (ou objet diffusant) ne produit pas de lumière : il renvoie une partie de la lumière qu’il reçoit d’une source. La Lune, les planètes, un mur, un livre, une personne sont des objets éclairés.
• Dans le noir complet, un objet éclairé devient invisible : il n’a plus de lumière à renvoyer.
• Selon la lumière qu’il laisse passer, un objet est transparent (la lumière passe et on voit nettement à travers), translucide (la lumière passe, mais on ne distingue pas les formes) ou opaque (la lumière ne passe pas).
Source de lumière ou objet éclairé ?
| Sources de lumière (produisent la lumière) | Objets éclairés (renvoient la lumière reçue) |
|---|---|
| le Soleil, les étoiles | la Lune, les planètes (Vénus, Mars…) |
| une flamme de bougie, un feu de bois | un mur, une table, une feuille de papier |
| une lampe allumée, un écran allumé | un miroir, un catadioptre de vélo |
| un ver luisant (il produit de la lumière avec son corps) | une personne, un vêtement, un arbre |
Un miroir ou un catadioptre peuvent briller très fort, mais ils ne produisent rien : dans le noir complet, ils ne brillent plus. La Lune brille la nuit parce qu’elle renvoie la lumière du Soleil.
Transparent, translucide ou opaque
| Transparent | Translucide | Opaque |
|---|---|---|
| la lumière passe ; on voit nettement à travers | la lumière passe ; on ne distingue pas les formes | la lumière ne passe pas |
| vitre en verre, air, eau limpide, film alimentaire | verre dépoli, papier calque, papier huilé, cire de bougie | carton, bois, métal, pierre, le corps humain |
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « le papier calque laisse passer la lumière, mais on ne voit pas nettement à travers ». Je teste : dans une salle sombre, je place le papier calque devant une lampe de poche, puis je regarde une affiche à travers. J’observe : le papier calque s’éclaire, mais l’affiche est floue. Je conclus : le papier calque est translucide.
Source ou objet éclairé ? Une guirlande électrique allumée produit sa lumière : c’est une source. Le panneau de signalisation qu’elle éclaire ne fait que renvoyer cette lumière : c’est un objet éclairé.
Planète. Le soir, Vénus brille dans le ciel comme une étoile. Elle ne produit pas de lumière : elle renvoie la lumière du Soleil. C’est un objet éclairé.
Matériau. À travers la porte vitrée de la douche en verre dépoli, on voit de la lumière mais pas les formes : le verre dépoli est translucide.
Réflexe — pour classer un objet, je me demande : « dans le noir complet, brillerait-il encore ? » Oui : c’est une source. Non : c’est un objet éclairé.
Attention — « briller » ne veut pas dire « produire de la lumière » : la Lune, un miroir ou un catadioptre brillent, mais ce ne sont pas des sources. Et translucide ne veut pas dire transparent : à travers un objet translucide, on ne voit pas les formes.
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Ombre propre et ombre portée
Quand un objet opaque est éclairé, une partie de l’objet reste sombre et une zone sombre apparaît derrière lui. Ce sont ses ombres.
• L’ombre propre est la partie de l’objet lui-même qui n’est pas éclairée : la face tournée du côté opposé à la source.
• L’ombre portée est la zone sombre derrière l’objet, sur un écran, un mur ou le sol, là où la lumière de la source n’arrive pas. Sa forme est la silhouette de l’objet.
• Pour obtenir une ombre portée, il faut, dans cet ordre : une source, un objet opaque, un écran. L’ombre portée est toujours du côté opposé à la source.
La position et la taille de l’ombre portée
| Ce que je change | Ce que devient l’ombre portée |
|---|---|
| je déplace la lampe vers la gauche | l’ombre se déplace vers la droite : elle reste à l’opposé de la source |
| je rapproche la lampe de l’objet | l’ombre portée sur l’écran grandit |
| j’éloigne l’écran de l’objet (avec une lampe) | l’ombre portée grandit |
| la source est basse (Soleil du matin ou du soir) | l’ombre portée sur le sol est longue |
| la source est haute (Soleil de midi) | l’ombre portée sur le sol est courte |
| je remplace l’objet opaque par un objet translucide | l’ombre est pâle : une partie de la lumière passe |
Un objet transparent ne donne presque pas d’ombre : il laisse passer la lumière. Par temps très couvert, la lumière arrive de tout le ciel à la fois : les ombres disparaissent presque.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « si j’approche la lampe de la figurine, son ombre sur le mur sera plus grande ». Je teste en avançant la lampe. J’observe : l’ombre grandit. Je conclus : plus la source est proche de l’objet, plus l’ombre portée est grande (c’est le principe du théâtre d’ombres).
Où est l’ombre ? Une lampe éclaire un vase par la droite. L’ombre propre est sur la face gauche du vase ; l’ombre portée est à gauche du vase, sur le mur ou sur la table.
Taille. Au théâtre d’ombres, la marionnette est tenue entre la lampe et le drap. Pour que son ombre devienne géante, on l’approche de la lampe.
Longueur. À 8 h du matin, le Soleil est bas : l’ombre d’un lampadaire est très longue. Vers midi, le Soleil est haut : l’ombre est courte.
Réflexe — pour trouver une ombre, je trace en pensée les rayons qui partent de la source en ligne droite et frôlent les bords de l’objet : l’ombre portée est derrière l’objet, entre ces deux rayons.
Attention — l’ombre propre est sur l’objet, l’ombre portée est derrière l’objet. Et une ombre n’est pas « noire par nature » : c’est seulement une zone où la lumière de la source n’arrive pas.
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Le jour, la nuit et les phases de la Lune
Pourquoi fait-il jour, puis nuit ? Pourquoi la Lune change-t-elle de forme ? On l’explique avec un modèle : une lampe pour le Soleil, un globe pour la Terre, une balle pour la Lune.
• La Terre tourne sur elle-même autour de l’axe des pôles, d’ouest en est, en 24 heures environ : chaque lieu passe tour à tour dans la moitié éclairée (le jour) puis dans la moitié sombre (la nuit).
• Vu de France, le Soleil semble se lever vers l’est, monter au plus haut vers le sud à midi solaire, puis se coucher vers l’ouest. Ce n’est pas le Soleil qui tourne autour de nous : c’est la Terre qui tourne sur elle-même.
• La Lune est un objet éclairé : le Soleil en éclaire toujours une moitié. En tournant autour de la Terre, elle nous montre une partie plus ou moins grande de cette moitié : ce sont les phases de la Lune, qui se répètent environ tous les 29,5 jours.
Le jour et la nuit : le modèle de la lampe et du globe
Dans une salle sombre, une lampe éclaire un globe : une moitié du globe est éclairée, l’autre est dans le noir. En faisant tourner le globe sur son axe, on voit un pays passer de la moitié sombre à la moitié éclairée (le Soleil « se lève »), puis repasser dans la moitié sombre (le Soleil « se couche »). La durée du jour et la rotation de la Terre sont détaillées dans le chapitre « Mouvements : trajectoire, vitesse, jour et année ».
L’ombre d’un bâton au cours d’une journée
Un bâton planté bien droit dans le sol s’appelle un gnomon. Son ombre est toujours à l’opposé du Soleil.
| Moment | Position du Soleil | Ombre du bâton |
|---|---|---|
| le matin | bas, vers l’est | longue, dirigée vers l’ouest |
| à midi solaire | au plus haut, vers le sud | la plus courte, dirigée vers le nord |
| le soir | bas, vers l’ouest | longue, dirigée vers l’est |
Le midi solaire est l’instant où le Soleil est au plus haut dans le ciel. Il ne tombe pas à 12 h aux horloges : en France, il a lieu vers 13 h en hiver et vers 14 h en été (heure d’été).
Rappel : les phases de la Lune
À la nouvelle lune, la Lune est entre la Terre et le Soleil : elle nous tourne sa moitié sombre, on ne la voit pas. À la pleine lune, la Terre est entre le Soleil et la Lune : on voit toute sa moitié éclairée. Entre les deux, on voit un croissant, un quartier (une demi-Lune) ou une Lune gibbeuse (plus qu’à moitié éclairée).
Vue de France, la Lune croissante est éclairée à droite (au premier quartier, elle a la forme d’un D) ; la Lune décroissante est éclairée à gauche (au dernier quartier, elle a la forme d’un C).
Jour ou nuit ? Quand il est midi solaire en France, la France est au milieu de la moitié éclairée. De l’autre côté de la Terre, il fait nuit.
Orientation. À midi solaire, l’ombre d’un poteau est la plus courte de la journée et indique le nord : le Soleil est au sud.
Lune. Ce soir, la Lune est une demi-Lune éclairée à droite, en forme de D : c’est le premier quartier. Dans une semaine environ, ce sera la pleine lune.
Réflexe — pour savoir s’il fait jour en un lieu, je regarde s’il est dans la moitié de la Terre tournée vers le Soleil. Pour l’ombre d’un bâton, je cherche d’abord où est le Soleil : l’ombre part à l’opposé.
Attention — les phases de la Lune ne sont pas causées par l’ombre de la Terre : la Lune est toujours à moitié éclairée par le Soleil, c’est notre point de vue sur cette moitié qui change.
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Les saisons
En France, il fait plus chaud en juillet qu’en janvier, et les journées sont bien plus longues. Pour un observateur sur Terre, deux choses changent au fil de l’année : la hauteur du Soleil dans le ciel et la durée du jour.
• Au solstice de décembre (vers le 21 décembre), le Soleil de midi est le plus bas et le jour est le plus court : c’est le début de l’hiver.
• Aux équinoxes (le 20 ou le 21 mars, le 22 ou le 23 septembre), le jour et la nuit durent chacun environ 12 heures partout sur Terre : c’est le début du printemps et de l’automne.
• Les saisons viennent de l’inclinaison de l’axe de la Terre, qui garde toujours la même direction pendant que la Terre tourne autour du Soleil en un an. Elles sont inversées entre l’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud.
La hauteur du Soleil et la durée du jour à Paris
| Date | Hauteur du Soleil à midi solaire | Durée du jour | Ombre de midi d’un bâton |
|---|---|---|---|
| solstice de juin (vers le 21 juin) | environ 65°, la plus grande | environ 16 h, la plus longue | la plus courte de l’année |
| équinoxes (mars et septembre) | environ 41° | environ 12 h | moyenne |
| solstice de décembre (vers le 21 décembre) | environ 18°, la plus petite | environ 8 h, la plus courte | la plus longue de l’année |
En suivant chaque jour l’ombre de midi d’un même bâton, on voit donc les saisons : l’ombre raccourcit de décembre à juin, puis rallonge de juin à décembre. En France, le Soleil n’est jamais exactement à la verticale (au zénith), même en juin : il y a toujours une ombre à midi.
Pourquoi fait-il plus chaud en été ?
L’axe des pôles est incliné d’environ 23° et reste tourné du même côté. En juin, l’hémisphère Nord est penché vers le Soleil : le Soleil y monte haut et les jours sont longs. En décembre, il est penché à l’opposé : le Soleil reste bas et les jours sont courts. Quand le Soleil est haut, ses rayons arrivent plus droit et chauffent davantage le sol ; quand les jours sont longs, ils chauffent plus longtemps.
Ce n’est pas la distance au Soleil : la Terre est au plus près du Soleil vers le 4 janvier, en plein hiver pour la France. Et au même moment, c’est l’été dans l’hémisphère Sud : quand il fait froid à Paris en janvier, c’est l’été en Australie, en Argentine ou en Afrique du Sud.
Ombre de midi. Le 21 juin, à midi solaire, à Paris, l’ombre d’un bâton de 1 m mesure environ 0,48 m ; le 21 décembre, environ 3,13 m. L’ombre la plus longue correspond au Soleil le plus bas : décembre.
Durée du jour. Le jour de l’équinoxe de septembre, il fait jour environ 12 h à Lille comme à Nice, et partout ailleurs sur Terre.
Hémisphères. À Noël, c’est le début de l’été à Sydney, en Australie, dans l’hémisphère Sud.
Réflexe — Soleil haut à midi, jour long, ombre courte : c’est l’été (pour l’hémisphère où l’on se trouve). Soleil bas, jour court, ombre longue : c’est l’hiver.
Attention — les saisons ne viennent pas de la distance entre la Terre et le Soleil, mais de l’inclinaison de l’axe de la Terre. Et elles sont inversées dans l’autre hémisphère : en juillet, c’est l’hiver en Argentine.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou se verront plus tard.
- Propagation de la lumière et vision. Pour voir un objet, il faut que de la lumière venant de cet objet entre dans l’œil ; la lumière se propage en ligne droite dans l’air, l’eau ou le vide, et on la représente par des rayons. La lumière va très vite : environ 300 000 km/s dans le vide, si bien que la lumière du Soleil met environ 8 min 20 s pour nous parvenir. Tout cela est étudié en 5ᵉ, dans le chapitre « Lumière : sources, propagation et vitesse ».
- Pénombre et éclipses. Avec une source large (une grosse lampe, le Soleil), une zone partiellement éclairée, la pénombre, entoure l’ombre. Lors d’une éclipse de Soleil, la Lune passe entre le Soleil et la Terre ; lors d’une éclipse de Lune, la Lune passe dans l’ombre de la Terre et devient sombre et rougeâtre. Voir le même chapitre de 5ᵉ.
- Rotation et révolution de la Terre. La Terre fait un tour sur elle-même en un jour et un tour autour du Soleil en un an : chapitre « Mouvements : trajectoire, vitesse, jour et année ».
- Une source de lumière produit sa lumière (Soleil, étoiles, flamme, lampe allumée) ; un objet éclairé renvoie la lumière qu’il reçoit (Lune, planètes, mur, miroir).
- Transparent : on voit nettement à travers ; translucide : la lumière passe sans qu’on distingue les formes ; opaque : la lumière ne passe pas.
- Ombre propre : sur l’objet, du côté opposé à la source ; ombre portée : derrière l’objet, sur l’écran ou le sol. Source proche ou basse : ombre plus grande ou plus longue.
- Le Soleil éclaire une moitié de la Terre (le jour) ; la Terre tourne sur elle-même en 24 h environ. À midi solaire, l’ombre d’un bâton est la plus courte et indique le nord.
- La Lune, toujours à moitié éclairée, change de phase environ tous les 29,5 jours : nouvelle lune, premier quartier, pleine lune, dernier quartier.
- Été : Soleil haut à midi, jours longs (solstice de juin) ; hiver : Soleil bas, jours courts (solstice de décembre) ; équinoxes : 12 h de jour. Cause : l’axe incliné de la Terre ; saisons inversées dans l’hémisphère Sud.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une source de lumière et un objet éclairé ?
Une source de lumière produit sa propre lumière (le Soleil, une flamme, une lampe allumée). Un objet éclairé ne fait que renvoyer la lumière qu’il reçoit : la Lune, les planètes, un mur ou un miroir. Dans le noir complet, un objet éclairé devient invisible.
Quelle est la différence entre ombre propre et ombre portée ?
L’ombre propre est la partie de l’objet lui-même qui n’est pas éclairée, du côté opposé à la source. L’ombre portée est la zone sombre derrière l’objet, sur un écran, un mur ou le sol, là où la lumière n’arrive pas.
Pourquoi y a-t-il le jour et la nuit ?
Le Soleil éclaire toujours une moitié de la Terre. Comme la Terre tourne sur elle-même en 24 heures environ, chaque lieu passe tour à tour dans la moitié éclairée (le jour) puis dans la moitié sombre (la nuit).
Pourquoi la Lune change-t-elle de forme ?
La Lune ne produit pas de lumière : le Soleil en éclaire toujours une moitié. En tournant autour de la Terre, elle nous montre une partie plus ou moins grande de cette moitié : ce sont les phases (nouvelle lune, premier quartier, pleine lune, dernier quartier), qui reviennent environ tous les 29,5 jours.
Pourquoi y a-t-il des saisons ?
L’axe de la Terre est incliné et garde la même direction pendant qu’elle tourne autour du Soleil. En été, le Soleil de midi monte plus haut et les jours sont plus longs (solstice de juin) ; en hiver, il reste bas et les jours sont courts (solstice de décembre). Ce n’est pas la distance au Soleil, et les saisons sont inversées dans l’hémisphère Sud.
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