Comment se forme un arc-en-ciel?

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Être enseignant, c'est être la personne référence principale de ses élèves. C'est être la première personne qu'ils consultent lorsqu'ils ont des interrogations ou des questions. C'est la première personne qu'ils choisissent, car ils la considèrent comme celle qui est censée détenir tous les savoirs. Évidemment, on sait tous qu'il est impossible que les enseignants sachent tout et normal qu'ils ne sachent pas tout. Il arrive même qu'ils soient surpris par les questions des élèves, des questions auxquelles ils ne s'attendaient pas et auxquelles ils n'ont aucune réponse à donner. Cette situation arrive fréquemment en sciences, car les enfants observent beaucoup ce qui les entoure ce qui les amène à se questionner sur les phénomènes scientifiques qu'ils ne peuvent expliquer. Ils veulent trouver des réponses à leurs observations et comprendre pour quelles raisons ce phénomène a lieu. Afin d'aider les enseignants à être mieux préparés aux diverses interrogations des élèves, ce présent document a été préparé afin de répondre à une question d'enfant bien précise. Cette question est en lien avec le phénomène naturel qui s'observe lorsqu'il y a du soleil et de la pluie : un arc-en-ciel. Bien des enfants se demanderont comment se forme un arc-en-ciel et c'est à cette question que nous répondrons dans ce présent document.

Pour répondre à cette question, j'utiliserai les concepts scientifiques en lien avec les notions présentées dans le Programme de formation de l'école québécoise. Les connaissances que nous exploiterons pour cette question concernent la section Terre et Monde1 des savoirs essentiels. Nous explorerons le sujet de transformation de la matière, principalement en parlant du phénomène naturel qu'est l'arc-en-ciel.

Définitions Commençons par définir ce qu'est un arc-en-ciel. Un arc-en-ciel est, comme son nom l'indique, un arc, dans lequel se trouvent les sept couleurs fondamentales de la lumière. Selon le Larousse, c'est un « météore en forme d'arc, présentant les couleurs du spectre, de la réfraction et de la réflexion des rayons du soleil dans certains nuages. »2 Un arc-en-ciel, c'est un phénomène optique et météorologique qui rend visible la lumière du ciel quand le soleil brille pendant la pluie. C'est un arc coloré avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur.3 C'est également un arc formé de sept couleurs distinctes : le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo (bleu foncé) et le violet.

Couleurs de l'arc-en-ciel L'arc-en-ciel, comme on le connait aujourd'hui, possède 7 couleurs distinctes. Cependant, cela n'a pas toujours été ainsi. En fait, au départ, Aristote* discernait trois couleurs. Puis, Plutarque* en mentionnait quatre : rouge, jaune, bleu, vert. Aujourd'hui, on compte généralement sept couleurs qui ont été fixées par Isaac Newton*. Il s'agit du rouge, de l’orange, du jaune, du vert, du bleu, de l'indigo et du violet. Newton a choisi de sélectionner ces sept couleurs, malgré le fait qu'il y a plusieurs dérivés de couleurs dans l'arc-en-ciel, car il correspond approximativement au nombre de couleurs qu'un individu moyen peut percevoir dans l'arc lumineux.4

Brèves descriptions des personnages énumérés plus haut

  • Aristote : C'est un philosophe grec qui a écrit sur plusieurs sujets tels que la logique, la métaphysique, la nature, la biologie et sur la morale et la politique.5
  • Plutarque : C'est un écrivain grec, né 50 ans après J.-C. 6
  • Newton : C'est la figure emblématique des sciences. C'est un philosophe, un mathématicien, un physicien, un alchimiste, un astronome et un théologien anglais.7

Formation de l'arc-en-ciel Pour qu'il y ait la formation d'un arc-en-ciel, il est important et primordial qu'il y ait de la lumière du soleil et des gouttes d'eau. Ce sont les éléments-clés. En fait, lorsque le faisceau lumineux (le rayon) émis par le soleil va rencontrer la goutte d'eau en suspension dans l'air, le faisceau « va être réfracté lors de sa pénétration, réfléchi en partie sur l'arrière de la goutte et réfracté à nouveau lors de la sortie de la goutte. »8 La réfraction de la lumière, c'est lorsque la lumière traverse les gouttelettes d'eau et qu'elle est déviée en plusieurs couleurs. La déviation des rayons solaires lors de la réfraction se produit sous des angles de 40-42 degrés. Le phénomène ne peut donc pas être observé lorsque le Soleil est trop élevé dans le ciel. Lorsque les rayons du soleil se dispersent dans la goutte d'eau, ils le font à différents endroits. Les gouttes d'eau haute sont responsables de la lumière rouge et les gouttes d'eau basses sont responsables de la lumière bleue. Dépendamment où le rayon arrive sur la goutte d'eau, la couleur qui en résultera sera différente.

Sur l'image de droite, on y voit clairement ce qu'est la réfraction de la lumière du soleil dans une goutte d'eau. Lors de chaque réfraction entre les différents milieux (lumière et eau), un effet de décomposition de la lumière est réalisé. Cependant, le phénomène de l'arc-en-ciel ne peut s'observer que lorsqu'un nuage se dissipe en pluie dans la partie du ciel opposée au Soleil. En d'autres cas, il serait impossible qu'un arc-en-ciel apparaisse puisqu'en étant le principal acteur de la formation, le soleil doit être placé;à l'opposé de la goutte d'eau afin qu'il puisse y avoir réfraction. Sans réfraction, la lumière ne peut être réfléchie et disperser dans la goutte d'eau ce qui n'engendre pas d'arc-en-ciel.

Il arrive quelquefois que l'on puisse apercevoir deux arcs-en-ciel l'un en dessous de l'autre. C'est un phénomène normal et habituel. On appelle arc primaire, l'arc le plus lumineux, c'est-à-dire celui qu'on aperçoit le plus. Dans cet arc, le violet est à l'intérieur et le rouge à l'extérieur. L'autre arc, le moins visible, est appelé arc secondaire. Dans celui-ci, l'ordre des couleurs est inversé : le rouge est à l'intérieur et le violet à l'extérieur. 9L'arc secondaire est créé par la double réflexion de la lumière du soleil à l'intérieur des gouttes de pluie, à un angle de 50-53° environ, toujours dans la direction opposée au Soleil.10 Dans l'image de droite, on aperçoit bien le deuxième arc, soit l'arc secondaire. On y remarque également que les couleurs sont inversées et beaucoup plus pâles que celles de l'arc primaire. La bande sombre entre les deux arcs correspond à la zone où il y a déficit de lumière. On appelle cette bande « La bande sombre d'Alexandre » en l'honneur de celui qui l'a découverte.

Ce qui est intéressant à savoir, c'est qu'un arc-en-ciel n'a pas réellement d'existence physique. Il s'agit plutôt d'une illusion d'optique dont la position dépend tout simplement de la position de l'observateur et de celle du Soleil.11 De plus, ce ne sont pas toutes les gouttes de pluie qui réfractent et reflètent la lumière du soleil de la même manière et c'est seulement la lumière d'une petite partie de ces gouttes de pluie qui atteint l'œil de l'observateur.

Approfondissement des apprentissages

Symboliques et croyances en lien avec l'arc-en-ciel Dans la mythologie grecque, l'arc-en-ciel représente ce chemin entre le ciel et la terre. Pour les Irlandais, à l'extrémité de l'arc-en-ciel se cache la cachette secrète de l'or du leprechaun irlandais (l'elfe irlandais). Pour les bouddhistes, l'arc-en-ciel rappelle l'illumination de Bouddha, qui redescend du ciel. On dit que l'arc-en-ciel est un escalier aux 7 couleurs qui a des rampes faites de 2 serpents Pour les Tibétains (Tibet), l'arc-en-ciel ne représente pas un pont, mais plutôt, les âmes des souverains qui rejoignent le ciel. Dans les religions juives et chrétiennes, l'arc-en-ciel est le signe de l'alliance de Dieu avec les hommes. Dans la symbolique occidentale, l'arc-en-ciel est souvent associé à la joie et la gaieté ou au renouvellement, car il annonce le beau temps après la pluie. Démonstration à faire avec les élèves13 Titre : Un arc-en-ciel à la maison

HYPOTHÈSES : Laissez les enfants discuter et émettre leurs idées. Leur esprit imaginatif donne naissance à des réponses farfelues, notez-les! N’oubliez pas qu’il n’y a pas de mauvaises réponses, l’objectif est l’observation et non la compréhension! MATÉRIEL : Un bac rempli d’eau Un miroir Rayon du soleil ou lampe de poche Feuille blanche ou mur blanc

MANIPULATIONS : 1. Placer le bac d’eau près d’une fenêtre d’où entrent des rayons de soleil (si les rayons du soleil ne sont pas assez forts, tu peux utiliser une lampe de poche, cela fonctionne aussi!) 2. Éteindre les lumières dans la pièce. 3. Placer le miroir dans l’eau en prenant soin de ne faire aucune vague. 4. Faire refléter la lumière du soleil (ou de la lampe) sur le mur ou le plafond blanc. 5. Observer l’arc-en-ciel créé. 6. Interroger les élèves sur les couleurs qu'ils voient, sur ce qu'ils observent.

Expérience à suggérer aux élèves

Un arc-en-ciel sur les gouttes d'eau Tu as besoin : D'un boyau d'arrosage De la lumière du soleil Suis bien les consignes suivantes si tu veux voir apparaître un bel arc-en-ciel : 1. Place-toi dos au soleil avec le boyau que tes parents auront réglé au mode qui ressemble à une fine pluie. 2. Arrose dans les airs devant toi. 3. Observe ton arc-en-ciel sur l'écran de gouttelettes d'eau!

Résumé d'article ou de chapitre

Le résumé que je vais vous faire est basé sur un des chapitres de l'Abrégé de sciences et de géographie : à l'usage des enfants des deux sexes de Laurent Aubanel14 qui se base directement sur les conceptions initiales des enfants. Le chapitre résumé est celui intitulé la lumière.

Ce chapitre est un dialogue entre un adulte et un enfant. L'adulte pose différentes questions à l'enfant qui se rapporte au phénomène de la lumière. Plus le dialogue avance, plus cela les amène à discuter de l'arc-en-ciel.

Au tout début, l'adulte demande à l'enfant de lui définir ce qu'est la lumière. Selon ses conceptions initiales, l'élève répond que «la lumière est ce qui est pour nous la clarté et ce qui nous fait voir la couleur des objets.» À la suite de sa réponse, l'adulte enchaine en lui demandant ce qui produit les couleurs. L'enfant répond aussitôt que c'est la lumière qui produit les couleurs. Cette réponse entraine une question sous-jacente qui est «Combien y a-t-il de couleurs?». L'élève croit qu'il ya a 7 couleurs principales (rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet) et que toutes les autres couleurs sont des mélanges de celles-ci. Il ne considère pas le noir et le blanc comme des couleurs, car il dit que le noir représente l'absence des couleurs et le blanc, la réunion de toutes les couleurs. C'est à partir de ce moment que l'attention se tourne vers le phénomène qu'est l'arc-en-ciel. L'adulte demande directement à l'enfant de lui définir ce qu'est un arc-en-ciel. Toujours selon ses conceptions initiales, l'élève croit qu'il s'agit de l'arc lumineux qui possède les sept couleurs principales et que l'on voit souvent par temps pluvieux lorsqu'il fait également soleil. Cet arc est formé par les gouttes de pluie qui croisent les rayons du soleil. Les conceptions initiales de l'enfant sont très importantes, car c'est à partir de celles-ci que l'adulte aide l'enfant à faire ses apprentissages. En partant des conceptions initiales de l'enfant, l'enfant est en mesure de faire évoluer l'élève et de lui faire apprendre de nouvelles choses à partir de ce qu'il sait déjà. C'est ce qu'on pourrait appeler du réinvestissement des apprentissages.

C'est un texte très intéressant, car malgré le fait qu'il a été écrit il y a plus de 150 ans, les conceptions initiales des enfants restent sensiblement les mêmes.

Texte à vulgarisation scientifique Les arcs-en-ciel

Qu'est-ce qu'un arc-en-ciel Un arc-en-ciel, c'est un phénomène optique* et météorologique* qui rend visible la lumière du ciel quand le soleil brille pendant la pluie. C'est un arc coloré avec le rouge à l'extérieur et le violet à l'intérieur.15 Couleurs

C'est Isaac Newton* qui a établi qu'un arc-en-ciel possédait 7 couleurs distinctes : - le rouge, - l'orange, - le jaune, - le vert, - le bleu, - l'indigo (bleu foncé) et - le violet. Voilà autant de couleurs que tu peux voir dans un arc-en-ciel.

Comment se forme un arc-en-ciel? C'est bien beau un arc-en-ciel avec toutes ses couleurs, mais comment se forme-t-il? Quels en sont les principaux ingrédients? En fait, pour faire un arc-en-ciel, on a besoin de deux ingrédients principaux : la lumière blanche du soleil et les gouttelettes d'eau présentes dans l'atmosphère. Un arc-en-ciel se produit quand la lumière blanche du soleil traverse les gouttelettes d’eau présentes dans l’atmosphère (par exemple, lorsqu'il a plu). Lorsque la lumière traverse les gouttelettes d'eau, elle est déviée en plusieurs couleurs. C'est ce qu'on appelle le phénomène de réfraction.

Lorsque la lumière traverse les gouttelettes d'eau, elle est déviée en plusieurs couleurs. Plus les gouttes sont nombreuses, plus les couleurs de l’arc-en-ciel sont intenses! Il arrive quelquefois que l'on puisse apercevoir deux arcs-en-ciel l'un en dessous de l'autre. C'est un phénomène normal et habituel. On appelle arc primaire, l'arc le plus lumineux, c'est-à-dire celui qu'on aperçoit le plus. L'autre arc, le moins visible, est appelé arc secondaire. Dans celui-ci, l'ordre des couleurs est inversé : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange, rouge.

En plus, savais-tu que personne ne voit le même arc-en-ciel? C’est parce que personne ne voit le même ensemble de gouttes de pluie : en effet, il est impossible que deux personnes se trouvent exactement au même endroit au même moment. Et si tu te déplaces, l’arc-en-ciel se déplace aussi... On ne peut donc jamais l’atteindre!

Mots difficiles

  • optiques : partie de la physique qui traite des lois de la lumière et de la vision.17
  • météorologique : science qui étudie la météo18
  • Newton : C'est la figure emblématique des sciences. C'est un philosophe, un mathématicien, un physicien, un alchimiste, un astronome et un théologien anglais.

Expériences Voici trois expériences que tu peux facilement réaliser à la maison et qui te permettront d'observer le merveilleux phénomène de l'arc-en-ciel dans ta maison. La première expérience te permet de faire apparaître un arc-en-ciel sur le mur de ta maison et la deuxième te permet d'en créer à l'extérieur. Pour l'expérience #1 et pour l'expérience #2, tu auras besoin de la lumière du soleil alors tu devras t’assurer de faire les expériences qui suivent par une belle journée ensoleillée.









EXPLICATIONS : Est-ce que tu as vu les 7 couleurs de l'arc-en-ciel? Oui? Savais-tu que c'est grâce à la lumière blanche du soleil que sont composées les couleurs de l’arc-en-ciel. Les rayons de lumière blanche du soleil changent de direction et se séparent quand elles entrent en contact avec l’eau. C’est pour cette raison que tu peux voir 7 couleurs sur le mur  : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo (bleu foncé) et violet. Bibliographie

Articles scientifiques AUBANEL L.(1826). Abrégé de sciences et de géographie : à l'usage des enfants des deux sexes. Nouvelle édition. Avignon. Imprimeur-Libraire de l'Archeveché et du College Royal. Version en ligne : http://books.google.ca/books?id=aQqkWWeguJwC&printsec=front cover&hl=fr&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false [page consultée le 2 novembre 2012]

Encyclopédies Larousse en ligne. «Arc-en-ciel». http://www.larousse.fr/encyclopedie/personnage /Aristote/98715 [page consultée le 2 novembre 2012]. Larousse en ligne. «Météorologique». http://www.larousse.fr/encyclopedie/personnage /meteorologique/98715 [page consultée le 2 novembre 2012]. Larousse en ligne. «Optique». http://www.larousse.fr/encyclopedie/personnage /Optique/98715 [page consultée le 2 novembre 2012]. Larousse en ligne. «Plutarque» http://www.larousse.fr/encyclopedie/personnage/ Plutarque/138502 [page consultée le 2 novembre 2012]

Ouvrages PLUTARQUE. «Chapitre IV : De l'arc en ciel». Des opinions des philosophes : livre III. http://www.cartage.org.lb/fr/themes/livreBiblioteques/Livres/Biblio(fr)/P/Plut/livre3.htm. [page consultée le 2 novembre 2012]. Programme de formation de l'école québécoise. TRÉMEAU, A.(avril 2004). Le problème des seuils de discrimination de couleurs : Application aux modèles d’apparence colorée. Lab. LIGIV – Univ. Saint Etienne – France. Bernard Maitte, Histoire de l'arc-en-ciel, Seuil, coll. « Science ouverte », 310 pages, avril 2005.

Michel Blay, Les figures de l'arc-en-ciel, Belin, coll. « Bibliothèque scientifique », 111 pages, mai 2005.

Sites internet ÉDUCATOUT. «Expérience sciences : Arc-en-ciel». http://www.educatout.com/activites/ sciences/un-arc-en-ciel-dans-la-maison.htm. [page consultée le 2 novembre 2012]. Gouvernement du Québec. (2002). «Les arcs-en-ciel». Le coin de Rafale:section jeunesse. Développement durable, Environnement, Faune et Parcs. http://www.mddep.gouv.qc.ca/ jeunesse/sais_tu_que/2005/0509-arcenciel.htm [page consultée le 2 novembre 2012]. Wikipedia.« Arc-en-ciel» http://fr.wikipedia.org/wiki/Arc-en-ciel#Couleurs_pr.C3.A9sentes, [page consultée le 2 novembre]. WIKIPEDIA. Isaac Newton. http://fr.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton. [page consulté 2 novembre2012].

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