Relevés et exploitations de données météo Étude des paramètres

Relevés et exploitations
de données météo
Étude des paramètres
ayant une influence sur
les relevés de
températures
Classe de CM1/CM2
École primaire publique de Précey (50)
année scolaire 2010/2011
-2-
Table des matières
I.Introduction........................................................................................................................................3
II.Notre station météo...........................................................................................................................3
III.Relevés et exploitations des données..............................................................................................5
III.1.Comment sont effectués les relevés?.......................................................................................5
III.2.Quelles données ont été exploitées?........................................................................................5
III.3.L'exploitation des données.......................................................................................................5
III.3.1 Comprendre les nombres décimaux................................................................................5
III.3.2 Réaliser un graphique......................................................................................................5
III.3.3 Observer les températures dans le monde.......................................................................7
IV.Quelques notions scientifiques........................................................................................................8
IV.1.La construction de l'abri météorologie.....................................................................................8
IV.1.1 Pourquoi le thermomètre est-il en hauteur?..................................................................10
IV.1.1.1 Le dispositif expérimental.....................................................................................10
IV.1.1.2 Nos résultats...........................................................................................................11
IV.1.1.3 L'interprétation des résultats..................................................................................11
IV.1.2 Pourquoi le thermomètre est-il sous abri?.....................................................................12
IV.1.3 L'influence du vent........................................................................................................12
IV.1.4 Pourquoi l'abri est-il loin d'un mur?..............................................................................13
IV.1.5 Pourquoi l'abri est-il blanc?...........................................................................................13
IV.1.6 Pourquoi l'abri est-il installé sur de l'herbe?..................................................................14
IV.1.7 Conclusion.....................................................................................................................15
IV.2.La notion de pression atmosphérique.....................................................................................16
IV.2.1.1 Comment montrer le caractère pesant de l'air?......................................................16
IV.2.1.2 Qu'est ce que la pression atmosphérique?.............................................................17
V.Conclusion et perspectives..............................................................................................................17
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I. Introduction
En début d'année scolaire, l'enseignant a construit un abri météorologique et a installé une
station météo à l'école. Cette installation visait à atteindre trois objectifs prioritaires:
➢ Relever et exploiter des données numériques,
➢ Comprendre quelques notions en météorologie,
➢ Émettre et vérifier des hypothèses quant au pourquoi d'un tel abri pour les relevés de
températures.
II. Notre station météo
Pour faire nos relevés, nous avons :
➢ une station qui permet de lire et enregistrer les données mesurées,
➢ des capteurs.
La station mesure la température intérieure et la pression
Les capteurs extérieurs mesurent la température extérieure, la vitesse et la direction du vent, la
pluviométrie.
L'anémomètre et la girouette
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L'abri des thermomètres
Les pluviomètres
III. Relevés et exploitations des données
III.1. Comment sont effectués les relevés?
Étant inscrit au projet « météo des écoles », nous rentrons deux fois par jour nos relevés, à
9h00 et au midi solaire. Tout au long de l'année, les élèves se relaient pour effectuer ces relevés.
III.2. Quelles données ont été exploitées?
Nous nous sommes intéressés essentiellement à la température extérieure et à la pression. Les
faibles précipitations et un problème de capteur ont rendu difficilement exploitables les données
-5relatives à la pluviométrie.
III.3. L'exploitation des données
III.3.1 Comprendre les nombres décimaux
Notre station donne des mesures au 10ème de degré et au 10ème de hPa. Les relevés de ces
mesures sont donc une entrée concrète pour aborder les nombres décimaux avec les CM1 et
approfondir la notion avec les CM2.
De plus, lorsque les élèves entrent leurs mesures dans le site « météo des écoles », ils doivent
entrer des nombres entiers. Ils travaillent donc, tout au long de l'année scolaire la notion d'arrondi,
de valeur approchée par excès et par défaut.
Lors de calculs de températures moyennes, les élèves utilisent les additions de nombres
décimaux et les divisions d'un nombre décimal par un entier. Nous avons calculé les températures
moyennes mensuelles à 9h00 et au midi solaire. Les élèves ont fait les calculs à la main puis ont
appris à utiliser un tableur ( OpenOffice Calc) pour effectuer les mêmes calculs.
III.3.2 Réaliser un graphique
Les élèves ont réalisé des graphiques des relevés de températures mensuelles. Pour cela, de
nombreuses notions ont été abordées :
➢ Comprendre un graphique,
➢ Choisir une échelle en fonction des données,
➢ Utilisation des TIC pour réaliser un graphique (OpenOffice Calc).
-6-
Température janvier 2011
14
Température en °C
9
Température 9H00
Température 12H00
4
-1
-6
1
6
11
16
Jours
21
26
31
-7III.3.3 Observer les températures dans le monde
Lors de la saisie quotidienne des relevés sur le site « météo des écoles », les élèves
observaient les relevés de températures effectués par d'autres écoles en France mais aussi dans le
monde.
Copie d'une page du site « météo des écoles »
Cette activité a permis de :
➢ Renforcer les connaissances acquises en géographie physique ( océans, continents, …),
➢ Renforcer les connaissances acquises sur les différents climats dans le monde,
➢ Rappeler les mouvements de rotation de la Terre. En effet, lors de l'observation des
cartes, il était fréquent de voir dès le matin les valeurs de la température au Japon, au
midi solaire. Par contre, à midi, il n'y avait toujours pas les valeurs sur le continent
américain. Nous avons revu le mouvement de rotation de la Terre pour expliquer ces
décalages.
-8-
IV. Quelques notions scientifiques
IV.1. La construction de l'abri météorologie
Lorsque le projet a débuté avec les élèves, la station météorologique était installée. Le choix a
été fait de partir de cette station pour soumettre des questions aux élèves. Le questionnement porte
uniquement sur l'abri protégeant le thermomètre.
Copie du TBI de la classe
-9Voici la synthèse des réponses apportées par les élèves
-10Les élèves n'ont pas formulé d'hypothèses concernant la couleur blanche de l'abri.
IV.1.1 Pourquoi le thermomètre est-il en hauteur?
IV.1.1.1 Le dispositif expérimental
Le dispositif expérimental a été réalisé à partir d'un schéma élaboré en classe avec les élèves.
Dispositif de mesure des températures à différentes distances du sol
-11Lors de la mise en place de l'expérience dans la cour de l'école, les élèves n'étaient pas tous
d'accord sur l'endroit où installer le dispositif expérimental. Certains voulaient le placer à l'ombre,
d'autre au soleil.
Nous avons repris les différentes hypothèses émises en classe quant au pourquoi d'un tel abri.
D'après les hypothèses, deux paramètres pouvaient avoir une influence sur la mesure de la
température :
➢ le soleil,
➢ le vent.
Nous avons fabriqué un deuxième dispositif expérimental et avons placé le premier au soleil
et le second à l'ombre en nous assurant que les deux montages étaient à l'abri du vent. Nous
pouvions de ce fait étudier deux paramètres simultanément :
➢ l'influence de la distance du thermomètre par rapport au sol,
➢ l'influence du Soleil.
IV.1.1.2 Nos résultats
5cm
40cm
80cm
120cm
Relevés à l'ombre
(en °C)
24
23
23
22
Relevés au soleil
(en °C)
30
26
25
24
IV.1.1.3 L'interprétation des résultats.
Ce tableau a permis de faire comprendre aux élèves l'importance du dispositif expérimental et
l'interprétation des résultats au travers d'un questionnement :
➢ Que cherchons nous à savoir?
➢ Comment doit-on lire nos résultats pour vérifier notre hypothèse?
➢ Peut-on comparer la valeur de 24°C à l'ombre à la hauteur de 5cm avec le 24°C relevé
au soleil à la hauteur de 120cm?
➢ ...
-12Au cours de la discussion, les élèves se sont mis d'accord sur le fait qu'il ne fallait modifier
qu'un paramètre à la fois. Dans notre cas, c'est le paramètre « hauteur » qui nous intéresse donc il
faut analyser séparément les résultats obtenus à l'ombre et ceux obtenus au soleil.
L'interprétation des relevés au soleil a permis de comprendre que la distance du thermomètre
au sol influe sur les relevés de températures. En touchant le sol, les élèves ont compris que le sol
réchauffe davantage le thermomètre le plus bas.
L'expérience réalisée à l'ombre est moins concluante du fait du manque de précision des
thermomètres.
Nous avons, à l'aide de notre expérience valider l'hypothèse émise par les élèves, à savoir, que
la distance thermomètre-sol influe sur le relevé de températures.
IV.1.2 Pourquoi le thermomètre est-il sous abri?
Les relevés faits précédemment permettent de valider l'hypothèse émise en classe.
5cm
40cm
80cm
120cm
Relevés à l'ombre
(en °C)
24
23
23
22
Relevés au soleil
(en °C)
30
26
25
24
Cette fois ci nous nous sommes intéressés à l'influence du soleil sur les relevés de
température. L'analyse s'est donc effectuée hauteur par hauteur.
L'hypothèse selon laquelle le rayonnement du soleil modifie les valeurs mesurées est validée.
IV.1.3 L'influence du vent
Pour vérifier l'influence du vent sur les mesures de températures relevées, nous avons placé
des thermomètres à l'ombre, à l'abri du vent et des thermomètres à l'ombre en présence de vent.
Relevés sans vent
(en °C)
Relevés avec vent
(en °C)
40cm
120cm
23
22
22
21
-13Nous constatons une baisse de température de 1°C en présence de vent. Ce résultat justifie
l'utilisation d'un abri pour protéger le thermomètre.
IV.1.4 Pourquoi l'abri est-il loin d'un mur?
Lors de relevés, un élève a dit que le thermomètre était mal étalonné. Au mois de décembre,
un papa, qui dispose d'une station météo, relevait des températures plus élevées de quelques degrés.
Il en est arrivé à la conclusion que le thermomètre de l'école était mal étalonné.
Après questionnement, l'élève a expliqué que le thermomètre extérieur était placé entre la
fenêtre et le volet de la maison.
Nous avons donc cherché à savoir si la distance entre le mur d'un bâtiment et le thermomètre
avait une influence sur la mesure de la température.
Pour cela, nous avons utilisé les dispositifs expérimentaux présentés précédemment. Un des
dispositif a été placé près du mur de l'école, le second au milieu de la cour.
40cm
80cm
Relevés loin du mur
(en °C)
26
25
Relevés près du mur
(en °C)
28
28
Comme pour le sol, le mur est chaud, donc un thermomètre placé à proximité reçoit de la
chaleur émise par le mur. La distance mur-thermomètre influe donc sur la température mesurée.
Nous relevons des températures identiques à 40cm et 80cm pour le thermomètre placé à 10cm
du mur. Outre le manque de précision des thermomètres, les élèves expliquent ce résultat par le fait
que la distance mur-thermomètre qui est de 10cm a une plus grande importance sur la température
que les distances sol-thermomètre qui sont plus grandes.
IV.1.5 Pourquoi l'abri est-il blanc?
La plupart des hypothèses émises par le élèves était d'ordre esthétique. Le maître a du orienter
la discussion pour que les hypothèses soient centrées sur l'influence de la couleur de l'abri sur les
mesures effectuées.
Les élèves ont affirmé qu'il faut s'habiller en blanc l'été pour avoir moins chaud sans être
-14capable de fournir une explication rationnelle à leur affirmation.
Nous avons donc réalisé une expérience avec des thermomètres enroulés dans des tissus de
différentes couleurs. Les thermomètres posés sur une plaque de styrodur afin d'éviter le contact
direct avec le sol ont été placés au soleil.
Voici nos relevé après une heure d'exposition.
Température
(en °C)
Blanc
Noir
Brique
Parme
Rouge
38
45
41
39
40
Cette expérience montre l'influence de la couleur du tissu sur la mesure de la température. Le
tissus noir absorbe davantage les rayons lumineux que le tissu blanc.
Pour que les élèves comprennent bien le phénomène, des feuilles blanches et des feuilles
noires ont été placées sur le sol. Ils ont été éblouis en regardant les feuilles blanches mais pas en
regardant les feuilles noires.
IV.1.6 Pourquoi l'abri est-il installé sur de l'herbe?
Nous avons relevé les températures sur deux surfaces proches mais de nature différente. La
première surface était de l'herbe, la deuxième du béton. Les thermomètres étaient placés à 40 cm du
sol.
Voici nos résultats
Température (en °C)
Herbe
Béton
29
30
-15La surface sur laquelle est prise la température a donc une influence sur la valeur de la
température mesurée.
La notion d'albédo est abordée en expliquant que c'est la quantité d'énergie renvoyée par la
surface par rapport à la quantité d'énergie reçue. Pour simplifier, plus la surface regardée nous
éblouit plus l'albédo est importante.
Nous avons pris l'exemple de nos feuilles blanches et noires. L'albédo de la feuille blanche est
supérieure à l'albédo de la feuille noire.
Puisque la température sur le béton est supérieure à la température mesurée sur l'herbe, nous
pouvons en déduire que l'albédo du béton est supérieur à l'albédo de l'herbe.
Nous avons observé notre environnement et avons conclu que notre école était
majoritairement entourée de prés. C'est la raison pour laquelle la station a été implantée sur de
l'herbe.
IV.1.7 Conclusion
La valeur mesurée dépend de plusieurs paramètres :
➢ L'exposition du thermomètre ou pas aux rayons du Soleil,
➢ La hauteur du thermomètre par rapport au sol,
➢ La surface au sol,
➢ La présence ou pas de vent,
➢ La couleur de l'abri.
Pour pouvoir comparer les températures en différents lieux, il est nécessaire d'avoir des
conditions de relevés identiques. C'est pourquoi la construction d'un abri météo doit respecter des
normes de construction.
Le document suivant a été distribué aux élèves
L'OMM (l'organisation mondiale de la météorologie) a défini les normes de mesures
permettant de comparer et exploiter l'ensemble des relevés effectués sur toute la planète.
Les mesures s'effectuent dans l'abri météorologique à 1,50m du sol. Le sol est horizontal,
occupé par une végétation ou un matériau représentatif de l'albédo de la zone. Le point de
mesure doit être éloigné de 4 fois la hauteur des obstacles alentour.
Extrait de Météorologie, 100 expériences pour comprendre les phénomènes météo
de Yves Corboz, éditions Belin
-16IV.2. La notion de pression atmosphérique
Au travers de cette notion, ce qui intéressant au cycle 3, c'est de découvrir le caractère pesant
de l'air.
Tous les élèves sont d'accord sur le fait que la classe n'est pas vide mais qu'elle contient de
l'air. Par contre à la question « l'air pèse t-il? », les avis sont partagés. Les élèves qui pensent que
l'air ne pèse pas argumentent :
➢ Si l'air pesait, on ne pourrait pas lever les bras,
➢ Si l'air pesait, on serait écrasé,
➢ Quand on allume une balance électronique, elle indique 0.
IV.2.1.1 Comment montrer le caractère pesant de l'air?
Pour montrer si l'air pèse ou ne pèse pas, nous avons donc décidé de peser de l'air. Nous avons
d'abord pesé un ballon de football dégonflé, puis nous l'avons à nouveau pesé après l'avoir gonflé.
Pour cette expérience, nous avons utilisé un seul ballon. Nous nous sommes posés la question
de savoir si nous pourrions faire cette expérience avec 2 ballons identiques.
Nous sommes arrivés à la conclusion que dans ce cas nous modifions 2 paramètres
simultanément, l'ajout d'air et la masse du ballon, car 2 ballons d'aspect identiques n'ont pas
nécessairement la même masse.
Notre expérience :
Lorsque le ballon est gonflé, la balance penche du côté du ballon. La différence de masse est
due à l'air introduit dans le ballon.
Donc, l'air pèse.
-17IV.2.1.2 Qu'est ce que la pression atmosphérique?
Ayant démontré le caractère pesant de l'air, les élèves comprennent facilement que l'air
présent dans l'atmosphère nous appuie dessus. On peut donc leur dire que la pression atmosphérique
c'est la force exercée par l'air qui nous entoure.
L'exemple de la piscine aide à mieux comprendre cette notion. Au cours de leur scolarité, tous
les enfants ont été amenés à récupérer un objet au fond de la piscine. Ils ont souvent ressenti une
gène au niveau des oreilles.
En leur faisant remarquer que plus ils descendent, plus ils ont d'eau au-dessus de leur tête, ils
comprennent qu'il y a plus d'eau à appuyer sur leur corps. Le corps est soumis à la pression de l'eau.
De la même manière, le corps est soumis à la pression de l'air, mais l'air étant plus léger que
l'eau, on ne ressent pas cette pression.
V. Conclusion et perspectives
Outre la sensibilisation des élèves à la météorologie, ce projet avait pour objectifs l'étude de
nombreuses notions relevant des domaines mathématiques et scientifiques et fait appel à des notions
en géographie et en informatique.
Ce projet a été l'occasion de mettre en place une démarche scientifique pour répondre à de
nombreuses interrogations quant à la disposition de la station météo. Il a également été un support,
en mathématiques, par les relevés des données numériques.
Ce dossier ne reflète qu'une part du travail réalisé en classe. Il est difficile de montrer
l'ensemble du travail réalisé pour arriver à la construction des graphiques, le travail de la langue
pour réaliser nos comptes rendus présents sur le site de l'école.
L'analyse des courbes des températures relevées n'est actuellement que partiellement réalisée.
Il apparaît intéressant de la faire sur les relevés de l'année scolaire pour voir l'évolution de la
température au cours de l'année.
Il apparaît intéressant de prolonger ce projet sur plusieurs années, d'une part pour pouvoir
comparer les températures sur plusieurs années, mais aussi pour envisager de nouveaux projets
autour de cette station météo (construction individuelle d'objet de mesure, étude autour de la
pluviométrie et observation des nuages, travail sur le réchauffement climatique...), pour exploiter
des données peu exploitées au cours de l'année telles que la direction du vent et la pluviométrie.
La curiosité des élèves des autres classes de l'école lors de nos relevés et de la réalisation de
nos expériences laisse à penser que leur motivation pour poursuivre ce projet sera grande.