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Version du 5 octobre 2020 à 12:02
La lumière du soleil chauffe, mais toutes les surfaces chauffent-elles autant ?
Difficulté
Facile
Durée
30 minute(s)
Disciplines scientifiques
Science de la terre, Optique
Introduction
Avec le réchauffement climatique, les épisodes de canicule sont de plus en plus fréquents et affectent les populations, en particulier dans les villes. Pourquoi les couleurs et les matériaux utilisés dans la construction sont-ils essentiels pour comprendre et pour limiter l'augmentation de chaleur dans les habitations ?
- Matériel et outils
Papier 
Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de base dans les domaines de l’écriture, du dessin, de l’impression, de l’emballage et de la peinture. Il est également utilisé dans la fabrication de composants divers, comme les filtres.
L’histoire du papier remonte à l’Antiquité. Le papier porteur d’un message le plus ancien connu à ce jour date de l’an 8 av. J.-C. et a été trouvé en Chine.
Aluminium 
Rouleau d'aluminium
Feutre de couleur 
Sert a colorier
Ruban adhésif 
Un ruban adhésif ou papier collant (Belgique) est un ruban recouvert de substance adhésive. Il se présente généralement sous la forme d'un rouleau dont la face externe est non adhésive. Il est utilisé notamment pour lier des objets entre eux ou simplement pour recouvrir un objet d'un film protecteur.
Ciseaux 
Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.
Carton 
Le terme carton désigne certains types de papiers généralement caractérisés par une rigidité, une épaisseur et/ou un grammage relativement élevés ; cependant, la distinction peut être faite en fonction des caractéristiques et de l’emploi. Par exemple, certains matériaux cannelés légers sont considérés comme des cartons alors que les feuilles de papier buvard ou certains supports artistiques à fort grammage sont considérés comme des papiers.
Projecteur 
Un projecteur est un système d'éclairage portatif puissant, qui produit de la lumière et de la chaleur.
Étape 1 - Réunir le matériel
- un projecteur (spot) ou une journée ensoleillée
- une plaque de carton
- du papier blanc
- du papier aluminium
- un feutre noir
- une paire de ciseaux
- du ruban adhésif
- option : un thermomètre
Étape 2 - Préparer le matériel
- Découper deux bandes de papier blanc et deux bandes de papier aluminium de même taille (par exemple 15cm x 3 cm)
- A l’aide du marqueur, colorier en noir l’une des bandes de papier blanc et l’une des bandes d’aluminium (sur une seule face)
- Avec l’adhésif, coller les quatre bandes de papier côte à côte sur une plaque de carton sans qu’elles se touchent, en plaçant les faces coloriées en noir vers le haut
Étape 3 - Lancer l'expérience
- Placer la plaque de carton sous le projecteur allumé ou au soleil
- Attendre au moins 15 minutes, puis mesurer la température des bandes à l’aide du thermomètre ou en les touchant du bout du doigt et comparer.
Remarque : l'expérience peut être poursuivie plus longtemps, en contrôlant régulièrement la température, les résultats seront encore plus nets. On peut aussi tester d'autres matériaux, comme la terre, la pierre, le tissu, le carton, le bois, le plastique et d'autres matériaux, et différentes couleurs claires ou sombres.
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
Après plusieurs minutes d’exposition aux rayons lumineux, les différentes bandes de papier et d’aluminium n’ont pas la même température. L’aluminium est devenu plus chaud que le papier, et les bandes coloriées en noir sont plus chaudes que celles de couleur claire.
Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?
Cette expérience ne peut pas fonctionner avec des lumières dites « froides », comme les lampes à LED ou les néons, dont la lumière ne dégage que très peu de chaleur.
Explications
Les couleurs sombres absorbent plus la lumière, elles chauffent donc plus rapidement que les couleurs claires. Certains matériaux capturent et conservent mieux la chaleur que d’autres. Le métal, comme ici l’aluminium, absorbe mieux la chaleur que le papier, il chauffe donc plus vite et reste chaud plus longtemps lorsqu’il est placé au soleil.
Plus d'explications
Lorsqu’une surface est exposée à la lumière du soleil ou à autre une source lumineuse chaude, sa température augmente car elle absorbe une partie de la chaleur contenue dans les rayons lumineux, et en renvoie une partie. On dit qu’elle réfléchit une partie de la lumière. Cette augmentation de température sera plus ou moins importante selon la couleur et la matière de la surface éclairée. Les surfaces de couleur claire réfléchissent plus la lumière, et donc accumulent moins vite la chaleur que les surfaces sombres. Ce phénomène est appelé « albédo ».
Certains matériaux, comme le métal, la pierre ou le bitume qui recouvre les routes, absorbent et conservent plus longtemps la chaleur que d’autres matériaux comme le papier, le tissu ou le bois.
Applications : dans la vie de tous les jours
Les bâtiments et les toitures de couleur sombre emmagasinent plus de chaleur que ceux de couleur claire. C’est pour cette raison que les habitations sont souvent de couleur claire dans les régions très exposées au soleil et à la canicule, comme c’est le cas en Grèce par exemple.
Au contraire, on utilisera plutôt des couleurs sombres et des matériaux qui accumulent mieux la chaleur dans les équipements qui utilisent l’énergie solaire pour produire de la chaleur, tels que les chauffe-eau solaires et les fours solaires.
Dans les villes, les grandes étendues de béton ou de goudron, comme les routes, les parkings, certaines cours d’école, les grandes places et les grands ensembles d’immeubles, deviennent des îlots de chaleur urbains (ICU). Ces zones forment des « bulles de chaleur », où il peut être très pénible de vivre, car la nuit elles libèrent la chaleur accumulée durant la journée, et ne se rafraîchissent pas suffisamment. Ce phénomène devient de plus en plus problématique avec l’augmentation des températures causée par le réchauffement climatique. *
Pour limiter les îlots de chaleur dans les villes, il existe différentes techniques. Le plus efficace est de conserver ou de créer des points d’eau et des zones boisées ou végétalisées (pelouses, toitures végétales), de favoriser une bonne circulation naturelle de l’air, et d’utiliser pour les constructions des matériaux qui réfléchissent beaucoup les rayons du soleil.
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Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
- Montrer que les surfaces exposées au soleil ne se réchauffent pas de la même manière en fonction de leur couleur et de leur matériau
- Aborder les notions de lumière réfléchie et absorbée
- Comprendre le lien entre l’absorption de l’énergie lumineuse et l’augmentation de chaleur
- Faire le lien avec les problématiques liées au réchauffement climatique, la fonte des glaces, la construction et les îlots de chaleur urbains, les équipements à énergie solaire thermique.
Pistes pour animer l'expérience
Il est intéressant de proposer cette expérience dans le cadre d’animations consacrées au réchauffement climatique et à ses enjeux, à l’écoconstruction, aux énergies renouvelables ou encore à l’aménagement des villes.
L’expérience peut servir d’introduction à un défi-climat, où les participants devront formuler des propositions pour limiter l’augmentation de température dans un environnement urbain.
Dernière modification 21/11/2021 par user:Maud M..
Published