IUFM DE BOURGOGNE Comment motiver mes élèves de seconde

IUFM DE BOURGOGNE
Professeur certifié
Comment motiver mes élèves de seconde ?
IBRAL Khalid
Physique-Chimie
2005
Directeur de mémoire: Gérard GOUTHIERE
n° de dossier:04STA00139
Comment motiver mes élèves de seconde ?
Résumé :
Au début de l’année, j’ai constaté que mes élèves étaient peu enthousiasmés par
le cours de sciences physiques. Dans le présent mémoire, je présente et analyse
deux solutions possibles testées dans ma classe dans le but de motiver mes
élèves. Ces deux solutions utilisent respectivement l’histoire des sciences et
l’actualité des sciences.
Mots-clés :
Histoire des sciences /actualité des sciences/mission Cassini-Huygens.
Etablissement de stage en responsabilité :
Lycée Charles de Gaulle
21000 Dijon
Classe de seconde
Tables des matières
Introduction……………………………………………………………………………………………………………………….4
Première partie : Problématique……………………………………………………………………………………5
A) Situation initiale de la classe………………………………………………………………………………………………………………….…5
B) Solutions apportées à la situation rencontrée en classe…………………………………………………………………….5
C) Utilisation de l’histoire des sciences……………………………………………………………………………………………………….5
D) Utilisation de l’actualité des sciences…………………………………………………………………………………………………….7
Seconde partie : Mise en œuvre des deux séquences………………………………………….9
I) Séquence utilisant l’histoire des sciences………………………………………………………………………………………………9
A) Place de cette séquence dans le programme de physique de seconde……………………………………………..9
B) Description des activités proposées au cours de cette séquence…………………………………………………….9
C) Déroulement de la séquence…………………………………………………………………………………………………………………….10
1) Activité utilisant le texte de Galilée…………………………………………………………………………………………………10
a) Résultats de la réflexion personnelle des élèves……………………………………………………………………….10
b) Conclusion sur l’activité portant sur le texte de Galilée………………………………………………………….12
2) Travaux pratiques sur le principe d’inertie utilisant le logiciel Dynamic…………………………………..12
a) Réalisation des travaux pratiques………………………………………………………………………………………………….12
b) Conclusion portant sur la séance de travaux pratiques…………………………………………………………….15
3) Réalisation de l’expérience de pensée de Galilée……………………………………………………………………………16
a) Réalisation de l’expérience……………………………………………………………………………………………………………..16
b) Conclusion à propos de cette expérience………………………………………………………………………………….…19
4) Conclusion sur l’utilisation de l’histoire en classe de seconde pour l’introduction de notions
du programme de sciences physiques de la classe de seconde…………………………………………………….21
II) Séquence utilisant l’actualité des sciences se rapportant à la mission Cassini-Huygens…………23
A) Place de cette séquence dans le programme de physique-chimie de la classe de seconde……….23
B) Description des activités proposées au cours de cette séquence………………………………………………….23
C) Déroulement de la séquence……………………………………………………………………………………………………………………26
1) Présentation assistée par ordinateur : De la Terre à Titan en passant par Saturne…………26
2) Titan : Une Terre primitive au congélateur…………………………………………………………………………………27
3) Conclusion sur la séquence utilisant l’actualité des sciences……………………………………………………28
Conclusion……………………………………………………………………………………………………………………………30
Bibliographie…………………………………………………………………………………………………………………….31
Introduction
Je suis affecté cette année en tant que professeur stagiaire au lycée Charles De
Gaulle à Dijon où je donne des cours à la classe de seconde 12 dont la totalité
des élèves ont choisi l’option S.E.S. (sciences économiques et sociales) et
l’espagnol comme seconde langue vivante.
Au début de l’année, j’ai fais un sondage auprès de mes élèves pour savoir quel
type d’études ils envisagent à la sortie de la classe de seconde et j’ai constaté
que les trois quarts des élèves veulent faire des études scientifiques.
Malgré l’envie d’aller en classe de première S, les élèves ont du mal à se motiver
pour les sciences physiques. En classe les élèves se mettent au travail dès le
début du cours mais j’observe rapidement que le travail est fait sans
enthousiasme et la participation des élèves très faible.
Cette situation ne correspond pas du tout à celle que j’imagine être celle d’une
classe « idéale » dont je rêve et où les élèves seraient heureux de venir et
participeraient aux séances de cours avec beaucoup d’enthousiasme.
Suite à ce constat, je m’interroge : Comment se fait-il que des scientifiques
potentiels ne s’intéressent pas aux sciences physiques en tant que telles mais les
envisagent uniquement comme un passage obligé sur le chemin qui les mènera
vers le métier dont ils rêvent ?
La lecture d’un article de la revue La recherche n° 378 de septembre 2004
portant sur les manuels de sciences de seconde m’amène à envisager deux
solutions possibles. La première solution possible consiste à introduire certaines
notions du programme de seconde en utilisant l’histoire des sciences et la
deuxième solution possible va permettre l’utilisation de l’actualité des sciences
pour illustrer quelques notions de ce programme.
Dans ce mémoire, je présente les activités que j’ai choisi pour intéresser mes
élèves aux sciences physiques et les motiver davantage en classe pour les rendre
plus actifs. Je présente également les raisons qui m’ont amené à choisir ces
activités. A la suite de cela, je décris la réaction des élèves pendant le
déroulement des séances qui leur ont été présentées pour pouvoir juger de
l’utilité du travail réalisé au niveau de la classe.
Première partie : Problématique
A) Situation initiale de la classe
La classe qui m’a été attribuée cette année ne pose pas de problème de
discipline particulier, par contre j’observe rapidement un manque de motivation
et d’enthousiasme de mes élèves pendant les séances de cours. Les élèves
doivent être constamment diriger sans initiative de leur part.
Cette situation ne correspond pas du tout à la séance de cours telle que je
l’envisage où les élèves participent à l’élaboration du cours en prenant autant de
plaisir que possible.
A ce stade, une question s’impose : Comment intéresser mes élèves et les
amener à participer davantage en classe ?
B) Solutions apportées à la situation rencontrée en classe
Comme le dit G. Compayré « La condition essentielle pour que l’instruction soit
féconde, c’est qu’elle excite l’intérêt, l’attrait… »1. Je donc choisi en premier
lieu de leur proposer des activités attrayantes qui peuvent les captiver et les
amener à s’investir suffisamment pour pouvoir en retirer le bénéfice que je
souhaite, c’est-à-dire l’assimilation d’une nouvelle notion du programme ou
l’approfondissement d’une notion vue auparavant.
La lecture d’un article de S. COISNE dans la revue La Recherche de
septembre 2004 m’amène à choisir deux solutions susceptibles d’intéresser les
élèves, à savoir : l’histoire des sciences et l’actualité des sciences.
C) Utilisation de l’histoire des sciences
L’utilisation de l’histoire des sciences pour introduire des notions de sciences
physiques n’est pas nouvelle. En effet, « l’enseignement de l’histoire des sciences
et des techniques est ancien comme le rappelait N. Hulin au colloque 1981 de la
Société française d’histoire des sciences et des techniques en citant
l’instruction de 1890 » où le professeur était invité « à exposer sommairement la
marche qu’a suivi l’esprit humain et les tâtonnements successifs par lesquels il
est passé pour arriver à la découverte de la vérité scientifique »2 .
L’intérêt de l’utilisation de l’histoire des sciences pendant le cours de sciences
physiques est donc reconnu depuis très longtemps. En effet, comme le
dit Nicolas Witkowski, « l’histoire des sciences donne aux élèves une image plus
pittoresque, plus aisément mémorisable et plus réaliste de la science et des
chercheurs »3
1
Cité dans BASSAN V.J., Comment intéresser l’enfant à l’école, 1976, PUF
AUDIGIER F., FILLON P., Enseigner l’histoire des sciences et des techniques, 1991, I.N.R.P.
3
COISNE S., « Que valent les manuels scolaires ? », La Recherche n°378
2
Suite à une journée de formation disciplinaire portant, entre autres, sur
l’apport de l’histoire des sciences dans la réalisation de séquences de cours, j’ai
décidé pour motiver mes élèves d’utiliser, pour introduire le principe d’inertie, un
extrait du texte portant sur cette notion publié par Galilée en 1632 dans
« dialogue sur les deux grands systèmes du monde »
En effet, cela correspond bien aux recommandations du programme de
sciences physiques de seconde qui demande de restituer la partie mouvements et
forces « dans son contexte historique »4.
J’ai donc préparé une séquence de cours où je présente aux élèves une situation
problème permettant d’arriver à l’énoncé du principe d’inertie par les élèves
seuls en s’aidant d’un texte extrait de l’ouvrage de Galilée.
La réalisation de cette activité par les élèves nécessitait la connaissance par
les élèves de la représentation d’une force et l’influence d’une force sur la
nature du mouvement d’un objet et que les élèves ont vu en classe de troisième.
J’ai donc préparé une activité pour m’assurer de ces pré requis indispensables à
la façon dont je voyais la démarche que devaient effectuer les élèves pour
arriver à l’énoncé du principe d’inertie.
D’emblé s’est posé un problème que je n’avais pas envisagé : les élèves ne savent
pas représenter une force et ne connaissent pas ses caractéristiques de façon
générale. (Deux raisons à cela : soit les élèves ont totalement oublié leur cours
de mécanique de troisième, et pour certains de mes élèves je pense que c’est le
cas, soit ils n’ont pas eu le temps de finir le programme pour une raison ou une
autre)
De toute manière cette activité sur les forces qui devait être une séance de
révision, se transforme donc en séance d’introduction des forces pour la plupart
des élèves qui ne connaissent même pas la direction du poids ou la relation qui lie
le poids à la masse.
Au bout de cinquante minutes, j’arrive à atteindre mes objectifs, à savoir :
connaissance par les élèves de la représentation d’une force et les effets d’une
force sur le mouvement d’un mobile.
Après cette séance qui a lieu un vendredi, la séquence se déroule en trois
étapes :
¾ Première étape : je distribue aux élèves le texte de Galilée avec le
questionnaire qui l’accompagne en leur demandant d’étudier le texte pour
répondre aux questions qui l’accompagnent. J’ai choisi de les laisser
travailler sur le texte à la maison car je pense que des élèves de seconde
auraient du mal à comprendre ce texte si on ne leur laisse pas le temps
nécessaire de réflexion même si j’ai donné à la fin du texte la définition
des mots que je pensais pouvoir poser des problèmes à des élèves de
seconde.
4
B.O. N°6 du 12 août 1999 hors-série
La séance de cours suivante, j’ai corrigé cette activité documentaire sur
le principe d’inertie.
¾ Deuxième étape : En travaux pratiques, les élèves font une simulation
avec le logiciel Dynamic de la situation vue dans le texte de Galilée pour
arriver à l’énoncé du principe d’inertie.
¾ Troisième étape : Réalisation par les élèves de l’expérience de pensée de
Galilée avec lâché de balle sur un plan incliné suivi d’un plan horizontal.
L’acquisition se fait à l’aide d’une webcam et le traitement avec le logiciel
avistep.
D) Utilisation de l’actualité des sciences
L’actualité des sciences est utilisée dans le but de rapprocher ce que les
élèves apprennent en cours avec ce qu’ils peuvent retrouver dans les média qui
sont à leur disposition : télévision, internet, journaux, revues, …
Ce qui permet au professeur de physique-chimie d’ancrer les sciences physiques
dans la vie quotidienne et de montrer aux élèves « ce petit supplément d’âme qui
fait de la science plus qu’un amas de concepts : un sujet passionnant »5.
Le domaine des sciences qui a retenu mon attention est l’astronomie qui est
certainement la discipline qui interpelle le plus les élèves comme d’ailleurs tous
les êtres humains depuis la nuit du temps.
Au mois de décembre, mon choix s’est porté sur la mission Cassini-Huygens
dont le but, après un périple de sept ans, est d’étudier la planète Saturne et son
cortège de satellites, ainsi qu’une plongée du module Huygens dans l’atmosphère
du plus gros satellite de Saturne : Titan.
A la fin du cours le vendredi 14 janvier, jour de l’entrée du module Huygens
dans l’atmosphère de Titan, j’informe les élèves qu’un événement extrêmement
important de l’aventure spatiale se déroule en ce moment. Je les interroge
ensuite pour savoir s’ils sont au courant de cet événement ; je constate avec
plaisir que certains élèves sont au courant de la mission Cassini-Huygens tandis
que d’autres confondent cette mission avec la mission Deep-Impact qui doit
envoyer un projectile sur une comète au mois de juillet 2005.
Je les invite donc à regarder les actualités le soir en rentrant chez eux et de
retenir les informations les plus importantes sur la mission Cassini-Huygens sans
oublier d’aller voir sur internet et particulièrement sur le site de l’agence
5
COISNE S., « Que valent les manuels scolaires ? », La Recherche n°378
spatiale européenne. Par chance, tous les journaux du soir font leur ouverture
sur le succès de la mission sur Titan.
Pour ma séquence sur l’actualité des sciences, je décide de visionner avec mes
élèves une émission télévisée (« Question d’actu » diffusée sur la chaîne LCI)
que j’ai enregistré et qui porte sur cette mission. Cette émission montre
l’immense joie des scientifiques qui ont participé à cette aventure et me permet
de montrer à mes élèves que la Science permet d’avoir des joies aussi intenses
sinon plus que les plus grandes victoires sportives ou autres auxquelles les élèves
sont plus sensibles.
Après discussion avec quelques collègues, je prends conscience d’un problème
que je n’avais pas envisagé : les droits d’auteur de l’émission télévisée. N’ayant ni
autorisation de diffusion publique ni le temps de faire les démarches nécessaires
pour l’obtenir, je décide de ne pas la diffuser à mes élèves.
Par chance, je venais d’avoir, dans le cadre de ma formation à l’Institut
Universitaire de Formation des Maîtres, une initiation à la présentation assistée
par ordinateur utilisant le logiciel PowerPoint®. J’ai donc réalisé une séquence à
l’aide des images publiques de la mission Cassini-Huygens disponibles sur le site
de l’agence spatiale européenne.
Pour que cela ne soit pas uniquement une séance de visionnage, j’ai préparé un
questionnaire pour les élèves dans le but de les rendre actifs pendant la séance
qui s’est déroulée dans une salle possédant un vidéo projecteur et un tableau
blanc interactif.
Après cette séquence, j’ai utilisé un article de la revue Ciel & Espace pour
préparer une séance où les élèves auraient à déterminer les représentations de
Lewis de quelques molécules simples présentes sur Titan et qui correspondent
exactement aux molécules qui figurent au programme des élèves de la classe de
seconde.
Seconde partie : mise en œuvre et analyse des deux séquences
I) Séquence utilisant l’histoire des sciences
A) Place de cette séquence dans le programme de physique de seconde
Cette séquence se situe dans la partie « l’Univers en mouvement et le
temps » juste après le cours sur la relativité du mouvement et les effets
d’une force sur le mouvement d’un corps.
B) Description des activités proposées au cours de cette séquence
¾ Le texte de Galilée permet l’introduction du principe d’inertie à
partir d’une expérience de pensée s’appuyant sur le dialogue entre
Salviati et Simplicio dont voici le texte :
Galilée et l’inertie
Extrait du « dialogue sur les deux grands systèmes du monde » de Galilée (1632). (les mots suivis d’un
astérisque sont définis à la fin du dialogue)
« -Salviati : Donc, dites-moi : si vous aviez une surface plane, polie comme un miroir et d’une matière dure
comme l’agathe, et qui soit, non point parallèle à l’horizon, mais quelque peu inclinée, et que sur cette surface
vous posiez une balle parfaitement sphérique et d’une matière grave* et extrêmement dure comme, par exemple
du bronze, et qu’elle soit lâchée en liberté, que croyez-vous qu’elle fera ? Ne croyez-vous pas (comme je le
crois), qu’elle restera immobile ?
-Simplicio : Si cette surface était inclinée ?
-Salviati : Oui, car c’est ainsi qu’on la suppose être.
-Simplicio : Moi je ne crois pas qu’elle s’arrête aucunement, mais je suis sûr qu’elle se mouvra spontanément
vers l’inclinaison.
-Salviati : Et combien durera le mouvement de cette balle et avec quelle vitesse ? Remarquez bien que j’ai dit
une balle parfaitement ronde et un plan parfaitement lisse...
-Simplicio : Je l’ai très bien compris ; et , à votre question je réponds que cette balle continuera à se mouvoir
« in infinito »* pourvu que le plan s’étende ainsi ; elle aura un mouvement continuellement accéléré.
(…)
-Salviati : Ainsi … vous dites que, sur un plan incliné le mobile grave descend spontanément et va en
s’accélérant constamment… Or dites-moi ce qui arrivera au mobile sur une surface qui ne serait (pas) inclinée
…?
-Simplicio : Ici il faut que je pense un peu à la réponse. La surface n’ayant pas de déclivité* …il me semble
qu’elle devra rester naturellement arrêtée (au repos).
-Salviat : Je le crois aussi lorsqu’on la pose immobile ; mais si un « impetus »* vers quelque côté lui était donné,
que s’ensuivrait-il ?
-Simplicio : Il s’ensuivrait qu’elle se mouvrait vers ce côté.
-Salviati : Mais quel sera ce mouvement ? continuellement accéléré comme sur le plan incliné, ou
successivement retardé comme sur (un plan) ascendant ?
-Simplicio : Je ne vois aucune cause d’accélération ni de retard pour ce qu’il n’y a ni déclivité ni acclivité*.
-Salviati : Sans doute ; mais s’il n’y a pas de cause de retard, bien moins encore doit-il y avoir de cause
d’immobilité ; combien longtemps donc estimez-vous que le mobile continuera à se mouvoir ?
-Simplicio : Aussi longtemps que durera cette surface qui ne s’abaisse ni ne s’élève.
-Salviati : Par conséquent, si la surface était sans terme, le mouvement serait éternel ?
-Simplicio : Il me semble.»
grave : dense
in infinito : indéfiniment
impetus : impulsion
déclivité : descente
acclivité : montée
L’activité support et les questions qui amènent les élèves à l’énoncé du
principe d’inertie sont joints au texte (cf. annexe 1).
¾ Les travaux pratiques permettent à partir de simulations d’énoncer
le principe d’inertie (cf. annexe 2).
¾ Enfin, la réalisation effective de cette expérience de pensée permet
de vérifier le principe d’inertie dans la réalité.
C) Déroulement de la séquence
1) Activité utilisant le texte de Galilée (cf. annexe 1)
Je corrige avec les élèves cette activité qu’ils avaient à faire chez eux.
a) Résultats de la réflexion personnelle des élèves
¾ Question 1 : Pourquoi Salviati fait-il le choix d’un
plan parfaitement lisse et d’une balle parfaitement
ronde ?
Cette question ne pose absolument pas de problème aux élèves qui
expliquent ce choix dans le but de négliger les effets du
frottement entre le plan et la balle ; je n’insiste pas plus sur cette
question.
¾ Question 2 : Quel est le référentiel le plus adapté pour
étudier le mouvement de la bille ?
La très grande majorité des élèves cite un référentiel lié au plan ;
quelques uns parlent de référentiel terrestre. J’en profite pour
leur montrer que dans le cas qui nous intéresse ces deux
référentiels sont identiques.
¾ Question 3 : Dans ce référentiel et en vous aidant du
texte de Galilée, quelle est la nature du mouvement
de la bille sur le plan incliné ?
Les élèves qui ont répondu à cette question, donnent tous la bonne
réponse qui est donnée clairement dans le texte.
¾ Question 4 : Dans ce référentiel et en vous aidant du
texte de Galilée, quelle est la nature du mouvement
de la bille sur le plan horizontal ?
Mis à part quelques uns, les meilleurs par ailleurs, les élèves ont
répondu que le mouvement de la balle est ralenti. Je demande à
Antoine qui a donné la bonne réponse de communiquer sa réponse à
la classe en la justifiant. Je constate avec plaisir qu’il a
parfaitement bien compris la partie du texte correspondant au
mouvement de la balle sur le plan horizontal. Par contre, je ressens
que les élèves ne sont pas convaincus par la réponse de Simplicio
même après une explication de texte. Je leur explique que c’est
normal et que jusqu’à Galilée quelques uns des plus grands savants
de l’histoire humaine pensaient comme eux. Je leur annonce
également qu’aux prochains travaux pratiques de physique ils
simuleront la situation décrite ici.
¾ Question 5 : Dans les deux cas, quelles sont les forces
appliquées à la bille ?
Tous les élèves ont donné la bonne réponse.
¾ Question 6 : Dans quel cas se compensent-elles ?
Sur le plan incliné, aucun élève n’a représenté la réaction du plan
perpendiculaire à celui-ci. Dans les deux cas, les élèves ont
représenté les deux forces avec une direction verticale.
Je leur rappelle donc ce que je leur avais expliqué dans l’activité
préparatoire à cette séquence : lorsqu’il n’y a pas de frottements
la force exercée par le plan est perpendiculaire à celui-ci. Ensuite
un élève passe au tableau et représente cette force. La réponse à
la question leur semble maintenant évidente : les deux forces ne se
compensent pas sur le plan incliné.
¾ Question 7 : Quelle est la nature du mouvement de la
bille dans le cas où les forces appliquées se
compensent ?
Comme les élèves n’ont pas répondu correctement à la question
précédente, je leur demande de chercher la solution maintenant
qu’ils ont la réponse à la question précédente. Ce qui ne leur pose
pas de problème.
¾ Question 8 : Que peut-on dire des forces appliquées à la
bille si elle est au repos sur un plan horizontal ?
Cette question ne pose pas de problèmes aux élèves car ils ont
rencontré cette situation dans l’activité préparatoire à cette
séquence.
¾ Question 9 : A l’aide des réponses données aux deux
dernières questions, dire en une phrase la nature du
mouvement d’un objet lorsque les forces auxquelles
il est soumis se compensent.
La réponse correcte nécessitant une bonne capacité de rédaction
seuls les élèves les plus à l’aise pour rédiger énoncent
correctement ce que je leur présente comme étant le principe
d’inertie.
b) Conclusion sur l’activité portant sur le texte de Galilée
A la fin de cette séance, je constate que les élèves après un travail
personnel et une explication de texte collective ont bien compris le
texte mais ils ne sont pas convaincus de la véracité du principe
d’inertie. Comme je l’ai annoncé aux élèves à ce moment, il est
indispensable que les élèves puissent faire des manipulations
expérimentales qui leur permettront de constater que le principe
d’inertie s’applique bien dans la réalité.
Je décide donc d’utiliser le logiciel de simulation Dynamic qui va
permettre de mettre en œuvre le principe d’inertie (Ce logiciel est
disponible sur le site de l’académie de Nantes).
2) Travaux pratiques sur le principe d’inertie utilisant le logiciel Dynamic
Ces travaux pratiques sont adaptés des travaux pratiques réalisés par
des collègues professeurs de l’académie de Nancy-Metz et dont on peut
trouver l’original de l’énoncé sur le site pédagogique sur les sciences
physiques de l’académie de Nancy-Metz.
Avant de commencer la séance, je signale aux élèves que le logiciel
Dynamic va nous permettre de simuler des situations réelles car il tient
compte de toutes les lois de la physique nécessaires à notre étude.
Cependant, les simulations réalisées ne vérifient pas les lois de la
physique mais permettent de les mettre en œuvre.
a) Réalisation des travaux pratiques (cf. annexe 2)
Après une prise en main du logiciel, la première partie des
travaux pratiques permet aux élèves de simuler des expériences
permettant de déterminer l’influence d’une force sur la nature du
mouvement d’un objet.
Ensuite, ils attaquent la partie la plus importante de la séance :
vérification du principe d’inertie qui se décomposent en trois
cas :
ƒ
Premier cas : un objet est immobile sur une table
Je laisse le temps nécessaire pour que tous les élèves
puissent représenter les deux forces appliquées à l’objet en
rappelant à ceux qui ont du mal à le faire de se souvenir de
ce qu’ils ont vu dans les deux activités précédentes
(représentation d’une force et texte de Galilée).
Il est dit dans l’énoncé que les forces auxquelles est soumis
l’objet se compensent et l’objet étant immobile au départ,
l’objet reste immobile et les élèves en concluent que des
forces qui se compensent n’ont aucune influence sur la
nature du mouvement d’un objet immobile.
Ce cas permet donc d’introduire le cas particulier du
principe d’inertie où la vitesse de l’objet est nulle.
La simulation permet de confirmer l’immobilité de l’objet ce
que tous les élèves arrivent à faire après que j’ai aidé les
élèves à donner aux deux forces des intensités égales ce qui
est tout à fait normal pour des élèves qui manipulent pour la
première fois le logiciel Dynamic.
ƒ
Deuxième cas : un objet posé sur une table avec une vitesse initiale
Pour certains élèves la prévision du mouvement de cet objet
pose des problèmes, ils pensent que l’objet va finir par
s’arrêter. Ou bien l’activité avec le texte de Galilée a été
oubliée ou bien les élèves ont du mal à faire le lien entre
cette situation et l’activité avec le texte de Galilée qui l’a
précédé.
Sans faire de correction, je demande à tous les élèves de
faire la simulation de ce cas et de comparer la trajectoire
obtenue à celle qu’ils avaient prévu.
Le tracé de trajectoire obtenu ils n’ont aucune difficulté à
voir qu’il s’agit d’un mouvement rectiligne uniforme :
La justification pose des problèmes aux élèves. Je demande
donc aux élèves ce qui a changé par rapport au premier cas
et ce qui reste identique.
Cette question permet aux élèves de voir que le seul
changement par rapport au cas précédent est la vitesse de
l’objet qui n’est plus nulle et que les forces appliquées à
l’objet se compensent toujours. Ce qui constitue l’explication
du mouvement rectiligne uniforme de l’objet.
Je suis un peu déçu car certains élèves n’ont pas pu justifier
la mouvement de l’objet sans que je les aide en faisant le lien
avec le cas précédent.
Maintenant, je pense que j’aurais dû ajouter cette question à
l’énoncé en la plaçant avant la question 2-c) et je le ferais si
je devais refaire cette séance avec une classe de seconde.
Après l’étude de ce cas les élèves sont familiarisés avec le
cas général du principe d’inertie.
ƒ
Troisième cas : un objet soumis à aucune force et avec vitesse initiale
Certainement le cas le plus intéressant. Même les élèves qui
avaient fait une bonne prévision dans le cas précédent ont
des difficultés dans le cas où il y a absence de forces
appliquées : ils me répondent que l’objet va finir par
s’arrêter.
Je leur demande alors de faire la simulation comme c’est
indiqué dans l’énoncé des travaux pratiques.
Les élèves semblent complètement surpris de voir que la
trajectoire obtenue se superpose parfaitement avec celle
obtenue dans le cas où les deux forces se compensent.
Ce cas permet donc d’introduire une notion nouvelle pour les
élèves : l’équivalence entre « forces qui se compensent » et
« absence de forces ».
Pour respecter le programme, je n’indique pas aux élèves que
mathématiquement c’est une conclusion évidente sachant que
deux vecteurs opposés ont une somme nulle.
ƒ
Exploitation :
Cette partie permet aux élèves d’énoncer le principe
d’inertie. Les élèves les plus à leur aise en physique n’ont pas
de mal à l’énoncer et à ceux qui n’y arrivent pas je leur
demande de s’aider des justifications données dans les deux
premiers cas étudiés dans la partie précédente pour
répondre à cette question.
En insistant, les élèves finissent par arriver à énoncer le
principe d’inertie.
Ceci montre clairement que certains élèves ont oublié
rapidement l’énoncé du principe d’inertie dans l’activité
utilisant le texte de Galilée.
Les deux questions suivantes ont pour but de montrer si les
élèves ont bien compris les conclusions tirées de la partie
précédente. Même à l’approche de la fin de la séance la
plupart des élèves font l’effort de répondre à ces questions
et j’invite les autres à faire de même pour pouvoir terminer
avant la sonnerie de fin de cours.
J’interroge ensuite les élèves qui ont fourni la bonne
réponse pour la donner à la classe entière.
Pour la dernière question les élèves répondent que pour les
deux premiers cas il est possible de réaliser une expérience
en laboratoire mais pour le dernier cas « ils ne savent pas ».
J’indique aux élèves que le cas où l’objet n’est soumis à
aucune force n’est pas envisageable car dans la réalité aucun
objet n’est dans ce cas. Tout objet situé dans un laboratoire
est soumis au moins à l’action de la Terre, c’est-à-dire à son
poids.
b) Conclusion portant sur la séance de travaux pratiques
Cette séance a permis aux élèves de vérifier le principe d’inertie
et de plus l’utilisation du logiciel leur a permis de voir que
l’application de forces qui se compensent à un objet était
équivalente au fait de ne pas appliquer de forces ce qu’il n’est pas
possible de faire dans la réalité où tout objet est soumis à des
forces.
Après discussion, les élèves font le lien avec le texte de
Galilée (la balle du texte correspondant à l’objet de la simulation
et la table au plan horizontal ; la vitesse initiale de l’objet est
reliée à la vitesse de la balle en bas du plan incliné).
Je constate tout de même que des élèves ont du mal à faire des
prévisions de mouvement correcte dans une situation proche de
celle qu’ils ont rencontré avec le texte de Galilée. Je pense que
c’est dû au fait que leur attention était entièrement accaparée
par le logiciel Dynamic qu’ils utilisaient pour la première et qu’ils
étaient impatients de faire les simulations correspondant à
chaque situation plutôt que de réfléchir suffisamment à chaque
cas.
En conclusion, les élèves ont observé au cours de cette séance
que le mouvement d’un objet soumis à des forces qui se
compensent est rectiligne uniforme même si certains élèves
parlent de mouvement « uniforme » en oubliant de citer la nature
de la trajectoire qui est rectiligne. Je pense cependant que cela
peut se corriger en effectuant des exercices.
A la fin de cette séance, je ne suis pas convaincu d’avoir
totalement persuadé les élèves. Je décide donc de mettre en
pratique ce que j’ai appris au cours de ma formation disciplinaire
à l’Institut Universitaire de Formation des Maîtres sur
l’acquisition et le traitement d’images en réalisant l’expérience de
pensée de Galilée avec les élèves.
3) Réalisation de l’expérience de pensée de Galilée
Le but de cette séance, d’une durée d’une vingtaine de minutes,est de
permettre aux élèves d’observer que le principe d’inertie s’applique bien
dans la réalité. Pour cela, on réalise l’expérience qui a servit de
prétexte à l’introduction du principe d’inertie en utilisant le texte
historique extrait du « dialogue sur les deux grands systèmes du
monde » de Galilée.
L’expérience est filmée à l’aide d’une webcam
a) Réalisation de l’expérience
J’ai réalisé cette expérience avec les élèves au cours de la
séance de cours qui a suivi les travaux pratiques réalisés au cours
de la séance précédente.
Pour réaliser cette expérience, j’ai réalisé un dispositif simple
composé de deux planches correspondant au plan incliné et au
plan horizontal ; après plusieurs essais que j’ai effectué avant
cette séance j’ai choisi d’utiliser une balle de tennis car elle
permet d’avoir un rebond assez faible à la fin du plan incliné par
rapport à une bille métallique plus dense.
Après de nombreux essais, j’ai décidé de régler l’acquisition de la
webcam sur 30 images par seconde pour ne pas avoir un effet de
saut de la balle dû à une perte d’images de la balle.
Cependant avec ce réglage un autre problème apparaît.
Ce problème consiste en l’apparition du logo philips pendant
quelques instants à la place du film de l’expérience qui est en
train de se dérouler. Ce logo disparaît au bout de quelques
instants mais cela empêche l’enregistrement des premiers
instants de l’expérience c’est-à-dire le roulement de la balle sur
le plan incliné. A cet instant de la préparation la séance, je
n’obtiens qu’un film dans lequel on ne voit que le mouvement de la
balle sur le plan horizontal.
Ce problème a été également rencontré par mes collègues
professeurs de sciences physiques sans qu’ils puissent apporter
de solution.
Je n’ai pas non plus trouvé de solution à ce problème mais je l’ai
contourné en ne lâchant la balle qu’après la disparition du logo
philips et en augmentant la durée d’enregistrement.
L’enregistrement se fait sur ordinateur.
Un élève, Matthieu, a accepté de venir au bureau pour effectuer
le lâché de balle pendant que j’effectue l’acquisition et en
donnant à Matthieu le top lui indiquant qu’il faut lâcher la balle
au moment où le logo philips disparaît de l’écran.
J’effectue ensuite l’enregistrement du fichier obtenu en mode
« avi » pour permettre de réaliser son traitement avec le logiciel
avistep. Les deux images ci-dessous correspondent à cet
enregistrement :
Document 1
L’image du document 1 montre la balle sur le plan incliné quelques
instants après que Matthieu a lâché la balle.
L’image du document 2 montre la balle sur le plan horizontal.
Document 2
Je propose aux élèves que l’un d’eux vienne faire le pointage du
centre de la balle au cours de son mouvement sur les deux plans.
Lucille se propose pour faire le pointage, ce qu’elle n’a aucun mal à
faire car tous les élèves ont déjà effectué des pointage lors de
l’étude du mouvement d’objets à l’aide du logiciel CD-MOVIE.
Lorsqu’elle a fini de faire le pointage, je masque l’image pour ne
conserver que la trajectoire de la balle sur un fond blanc qui
permet aux élèves de mieux voir la nature du mouvement de la
balle sur les deux plans.
L’image ci-dessous a été réalisée après traitement avec le
logiciel avistep :
Les élèves voient très bien à ce moment et sans aucun doute que
la balle a un mouvement rectiligne accéléré sur le plan incliné et
un mouvement rectiligne uniforme sur le plan horizontal.
Je fais remarquer aux élèves que la déformation de la
trajectoire de la balle au début du plan horizontal est dû au
rebond de la balle lorsqu’elle passe du plan incliné au plan
horizontal.
b) Conclusion à propos de cette expérience
Cette expérience a constitué la conclusion de toute la séquence
basée sur l’histoire des sciences.
J’aurais pu traiter cet enregistrement en utilisant le logiciel
virtualdub pour le couper en conservant uniquement la partie qui
correspond au roulement de la balle sur le plan incliné et le plan
horizontal. Mais cette étape prend un certain temps qui me
manquait, j’ai donc décidé d’utiliser l’enregistrement tel qu’il est.
La salle multimédia étant occupée par des travaux pratiques de
l’option Mesures Physiques et Informatique (M.P.I.) cette
expérience a été réalisée dans une classe sans équipement
informatique ; j’ai donc utilisé le seul ordinateur mobile de mon
établissement ce qui m’a empêché de réaliser l’acquisition de
l’expérience au bureau et un traitement de l’enregistrement par
les élèves en groupes.
L’écran de l’ordinateur étant bien sûr trop petit pour que
l’enregistrement soit visible par tous les élèves dans la salle, j’ai
relié l’ordinateur à une télévision par l’intermédiaire d’un
adaptateur pour que tous les élèves puissent voir
l’enregistrement dans de bonnes conditions.
La qualité de l’enregistrement n’est pas très bonne mais elle
suffit amplement pour un traitement à l’aide du logiciel avistep.
Cette expérience a permis aux élèves de constater de visu que le
principe d’inertie s’applique bien dans la réalité dans le cas où les
forces appliquées au mobile se compensent. Alors qu’après l’étude
du texte historique de Galilée, le principe d’inertie était une
notion abstraite admise après la lecture du texte. De plus au
cours de cette séance, les élèves ont été bien plus attentifs que
d’habitude.
Au cours du devoir surveillé qui a porté sur l’application du
principe d’inertie, les élèves ont eu à résoudre un exercice où la
situation était analogue à celle étudiée ici (cf. annexe 3) .
Pendant cette évaluation, les élèves ont eu à réinvestir toutes les
notions vues pendant la séquence décrite ici.
Les résultats de la classe furent bons. Sur les 27 élèves présents
( deux élèves étant absents ce jour-là), une élève a eu note de
9,5 sur 20, 33 % des élèves ont eu une note entre 10 et 14 et
63% des élèves ont eu une note supérieure à 14.
4) Conclusion sur l’utilisation de l’histoire en classe de seconde pour
l’introduction de notions du programme de sciences physiques de la
classe de seconde
Il est intéressant d’utiliser l’histoire des sciences pour introduire des
notions de sciences physiques pour permettre aux élèves d’avoir une idée de
l’évolution des idées en physique et en chimie.
Par contre les difficultés de compréhension rencontrées par certains élèves lors
de l’étude du texte historique de Galilée m’imposent dans le cas d’une future
utilisation de ce texte à ce niveau de le réadapter complètement à un public de
jeunes élèves de classe de seconde pas forcément intéressés par la lecture d’un
texte historique donné tel quel. Cette réécriture en langage d’aujourd’hui
permettrait d’éviter de masquer le raisonnement physique par une formulation
qui peut paraître obscure à des élèves de niveau seconde.
Je ne considère donc pas l’utilisation du texte extrait « du dialogue sur les deux
grands systèmes du monde » que j’ai réalisé comme une réussite du fait qu’il a
posé des difficultés à certains élèves car il n’était pas adapté du point de vue du
vocabulaire à des élèves de seconde.
Je n’ai pas abandonné pour autant l’idée d’utiliser l’histoire des sciences comme
moyen d’introduire quelques notions du programme de seconde. En effet, juste
après cette séquence, j’ai étudié avec mes élèves la classification périodique des
éléments qui est peut être le cas idéal où l’utilisation de l’histoire des sciences
s’impose d’elle-même.
J’ai en effet adapté des travaux pratiques utilisant des cartes avec quelques
propriétés des premiers éléments de la classification périodique grâce
auxquelles les élèves, en reprenant la démarche de Mendeleïev, ont classé les
éléments suivants l’ordre croissant des masses atomiques.
Ces travaux pratiques ont été vécus par les élèves comme un jeu ce qui a facilité
l’introduction de la méthode moderne de classification périodique des éléments
suivant l’ordre croissant du numéro atomique. Ceci montre bien qu’une utilisation
efficace de l’histoire des sciences peut rendre une séquence de cours
extrêmement intéressante pour les élèves et par la même les motiver davantage
à travailler en classe ce qui ne peut qu’être bénéfique pour le déroulement et la
compréhension d’une séquence de cours.
L’histoire des sciences a ici une « utilité culturelle permettant de montrer que la
science se construit »6 au cours de l’histoire humaine et permet de mettre en
6
AUDIGIER F., FILLON P., Enseigner l’histoire des sciences et des techniques, 1991, I.N.R.P.
évidence les différents acteurs qui ont eu un rôle dans cette construction. La
science est ainsi liée aux autres activités humaines, ce qui la rend d’une certaine
façon plus proche des élèves, et plus seulement une discipline aseptisée
constituée uniquement de principes et d’équations sans liens avec la réalité
proche des élèves.
Si je devais donc refaire une séquence pour introduire le principe d’inertie, je
présenterais d’abord aux élèves la situation à la base de l’activité utilisant le
texte de Galilée et représentée ci-dessous :
Je demanderais ensuite aux élèves de déterminer la nature du mouvement de la
balle sur le plan incliné et sur le plan horizontal et de préciser le référentiel
adapté à l’étude de son mouvement. Ceci dans le but «de confronter les
représentations ou connaissances des élèves aux informations du texte » de
Galilée qui leur sera distribué après qu’ils ont répondu aux questions ci-dessus
dans le but « de créer un conflit cognitif »7.
Ce n’est qu’après avoir créé ce conflit, que je demanderais aux élèves de
déterminer et représenter les forces appliquées à la balle dans les deux cas. Je
terminerais ensuite en leur demandant la nature du mouvement d’un objet
lorsque les forces qui lui sont appliquées se compensent.
Les travaux pratiques seraient ensuite effectués par les élèves comme lors de la
séance que j’ai réalisé cette année mis à part les changements dans l’énoncé que
j’ai signalé dans la partie correspondant aux travaux pratiques sur le principe
d’inertie.
Quant à la séance pendant laquelle l’expérience de pensée de Galilée est réalisée,
elle dépendra du matériel présent dans l’établissement où j’exercerai.
II) Séquence utilisant l’actualité des sciences se rapportant à la mission
Cassini-Huygens
7
AUDIGIER F., FILLON P., Enseigner l’histoire des sciences et des techniques, 1991, I.N.R.P.
Cette séquence a pour but principal de changer le regard porté par les élèves
sur les sciences physiques en leur montrant que ce sont des sciences vivantes
totalement intégrées dans notre vie et qu’ils permettent à l’homme d’explorer le
monde qui l’entoure. Cette séance doit aussi me permettre d’évoquer les
sentiments ressentis par les élèves
A) Place de cette séquence dans le programme de physique de seconde
Cette séquence se compose de deux parties distinctes ; chacune étant
réalisée pendant une séance de cinquante minutes.
ƒ Première partie : Cette séance permet de présenter la mission
Cassini-Huygens dans un but culturel et d’appliquer les résultats
obtenus dans les séquences précédentes (relativité du mouvement,
effets d’une force sur le mouvement d’un mobile et principe
d’inertie)
ƒ Deuxième partie : Cette séance permet aux élèves de réinvestir les
notions vues en cours sur les édifices chimiques ( règles du duet et
de l’octet, représentations de Lewis d’une molécule) ainsi que
d’introduire la notion d’isomérie à partir de la molécule de butane.
B) Description des activités proposées au cours de cette séquence
¾ L’activité décrivant la mission Cassini-Huygens (cf.
Document powerpoint dans le CD-ROM joint au mémoire) a
été réalisée à l’aide du logiciel powerpoint. Ceci a remplacé
l’émission « Question d’actu » de la chaîne L.C.I. que je n’ai
pas pu montrer aux élèves du fait d’un problème de droit
d’auteur.
J’ai donc été obligé de réaliser une présentation qui puisse
être attrayante pour les élèves tout en exigeant de leur
part une participation active à la séance.
Cette séance est constituée d’une série de diapositives
composées de photos de la mission Cassini-Huygens et de
textes décrivant les différentes étapes de la mission.
La participation des élèves est garantie par un
questionnaire qui leur a été distribué en début de séance
et dont voici le texte accompagné de la trajectoire de la
sonde dans son périple dans le Système Solaire ainsi que la
courbe représentant la vitesse de la sonde au cours du
temps :
De la Terre à Titan en passant par Saturne
1) Quel est le référentiel le plus adapté dans lequel est étudié le mouvement de la fusée Titan IV pendant
la phase de décollage ?
2) Quel est le référentiel le plus adapté dans lequel est étudié le mouvement de la sonde Cassini-Huygens
pendant chacune des phases suivantes ? :
a) sur le trajet qui la mène de l’orbite terrestre à l’orbite autour de Saturne.
b) lorsqu’elle est en orbite autour de Saturne ?
3) Quelle est la nature de la trajectoire qui mène la sonde de la Terre à son orbite sur Titan sur le document
1?
4) En utilisant le principe d’inertie, que pouvez-vous dire des forces qui s’appliquent à la sonde ?
5) Que constatez-vous sur la première partie du document 2 ?
6) Dire, en utilisant le document 1, quelles peuvent être les causes des changements remarqués à la
question précédente.
7) Quel est le référentiel dans lequel est déterminée la vitesse de la sonde Cassini-Huygens ?
8) Les informations recueillies par la sonde sont envoyées sur Terre sous forme d’ondes radios. Sachant
que les ondes radios se déplacent à la vitesse de la lumière et que Saturne est située a une distance d’un
milliard et deux cents millions de kilomètres de la Terre , quel est le temps mis par les ondes radios pour
parvenir sur Terre ? Sachant cela, pensez-vous qu’en cas de problèmes les scientifiques sur Terre
peuvent agir immédiatement sur le comportement de la sonde ? Conclusion.
9) Sur la photo en fausses couleurs , à quoi correspond d’après-vous la partie de couleur bleue ?
10) Quel est le rôle du bouclier thermique du module Huygens lors de sa descente sur Titan ?
11) Sachant que la température au sol est de –180 °C, est-ce que les fleuves et la mer observés sur Titan
sont constitués d’eau ?
12) Qu’observez-vous sur le sol de Titan ?
13) A quoi vous fait penser la surface de Titan ?
14) A quoi est due, d’après-vous, la forme des rochers ?
Vitesse de la sonde Cassini par rapport au Soleil
Doc. 1
Doc. 2
¾ La deuxième séance se situe après des travaux pratiques
sur la structure spatiale de quelques molécules simples
utilisant le logiciel chemsketch et une séance de cours où
les élèves ont été amenés à découvrir le lien entre le
nombre de liaisons réalisées par un atome et le nombre
d’électrons qui lui manquent pour avoir une structure
électronique stable (c’est-à-dire les règles du duet et de
l’octet). De plus les élèves ont déterminé la représentation
de Lewis de quelques molécules en utilisant la méthode
donnée dans le document d’accompagnement du programme
de seconde et qui est donnée ci-dessous :
Méthode pour déterminer la formule de Lewis d’une molécule :
™ Ecrire le nom et la formule brute de la molécule.
™ Ecrire la configuration électronique en différentes couches de chaque
atome.
™ Trouver le nombre d’électrons ne de la couche externe de chaque atome.
™ Trouver le nombre total nt d’électrons externes intervenant dans la molécule
en faisant la somme des différents ne.
™ Trouver le nombre total nd de doublets liants et non liants en divisant par 2
le nombre total d’électrons externes nt .
™ Répartir les doublets de la molécule en doublets liants (liaisons covalentes)
ou en doublets non liants en respectant :
ƒ La règle du « duet » pour l'atome d'hydrogène.
ƒ La règle de l'octet pour les autres atomes.
J’ai donc distribué aux élèves le document donné ci-dessous
et que j’ai adapté d’un article de la revue Ciel et Espace
avec pour instructions de lire le texte et de répondre aux
questions jointes:
Titan :une Terre primitive au congélateur
« La quête de nos origines passe par Titan. Seul satellite du Système solaire à
posséder une atmosphère, il est le siège d’une chimie complexe qui s’est
peut-être avancée sur le chemin de la vie.
L’atmosphère de
Titan
Comme la Terre son atmosphère est essentiellement composée de diazote.
Son atmosphère quatre fois plus épaisse que celle de la Terre est riche en
méthane comme l’était celle de la planète bleue avant l’apparition de la vie et
surtout elle est chimiquement active. Sur Terre cette chimie prébiotique
aurait joué un rôle essentiel dans l’apparition de la vie… Avant de s’effacer
complètement devant la biochimie, qui a depuis complètement modifié
l’atmosphère de notre planète ! Titan est ainsi proche de la Terre primitive à
ceci près que sa température au sol est d’environ –180 °C.
Cette température empêche bien sûr un développement de la vie similaire à
ce que la Terre a connu du fait de l’absence d’eau liquide remplacée par du
méthane liquide. Cependant une vingtaine de composés organiques ont déjà
été détectés sur Titan. Le méthane bien sûr mais aussi l’eau à l’état solide,
l’ammoniac, l’éthane, l’acétylène (C2H2) , le propane (C3H8), du butane
(C4H10)… et le fameux acide cyanhydrique (HCN), la molécule magique de
la chimie prébiotique qui plongée dans l’eau peut fabriquer de l’adénine, une
des quatre bases de notre ADN. »
D’après Ciel et Espace, n°416, dossier plongée sur Titan réalisé par David Fossé.
Rivières de
méthane
Questions :
1) Quel est le composant essentiel de l’atmosphère de Titan ?
Blocs d’eau solide
2) Pourquoi dit-on à propos de Titan qu’il s’agit d’une Terre au
congélateur ?
3) Qu’est ce qui empêche un développement de la vie sur Titan similaire à
ce que la Terre a connu ?
4) Comment nomme-t-on l’eau à l’état solide ?
5) Pourquoi parle-t-on de molécule magique à propos de l’acide
cyanhydrique ?
6) Quelles sont les molécules présentes sur Titan ?
7) Donner, lorsque ce n’est pas indiqué dans le texte, leur formule
chimique (formule brute) .
8) En vous aidant de la méthode donnée en cours, déterminer la
représentation de Lewis de toutes les molécules citées dans le texte.
9) Que constatez-vous pour la molécule de butane ?
C) Déroulement de la séquence
1) Présentation assistée par ordinateur : De la Terre à Titan en passant
par Saturne
Cette séance d’une durée de cinquante minutes se déroule dans une
salle équipée d’un vidéo projecteur et d’un tableau blanc interactif.
Au début de cette séance, je questionne les élèves à propos de ce qu’ils
ont retenu de la mission Cassini-Huygens qu’ils ont vu à la télévision et
sur internet pour certains. J’apprends au cours de cette discussion que
les élèves se sont renseignés sur la mission en regardant les journaux
télévisés ou les sites internet que je leur avaient conseillé ( site de la
NASA et le site l’ESA).
Je les informe ensuite que la séance d’aujourd’hui va consister à
appliquer ce que nous avons étudié jusqu’à maintenant en physique.
Les premières diapositives de la présentation assisté par ordinateur ont
pour but de donner une description de la mission Cassini-Huygens :
• Description de la sonde et du module d’entrée dans l’atmosphère
de Titan
• Description du lancement de la mission
• Justification des noms de la sonde et du module (brève
description des découvertes des astronomes Jean-Dominique
CASSINI et Christiaan HUYGENS)
Les deux premières questions ont pour but de déterminer les
référentiels utilisés pour étudier le mouvement de la sonde au cours de
son périple dans le système solaire. Le référentiel héliocentrique, que
j’ai rapidement évoqué en cours, a bien été cité comme référentiel
adapté à l’étude du mouvement de la sonde dans le système solaire. J’ai
aussi apprécié le fait que les élèves citent le référentiel lié au centre
de la planète Saturne pour l’étude du mouvement de la sonde dans le
système saturnien.
Les élèves ont ensuite utilisé le principe d’inertie pour justifier le fait
que les forces appliquées à la sonde ne se compensent pas car la
trajectoire de la sonde n’est pas rectiligne et le mouvement non
uniforme en utilisant les deux documents joints au questionnaire
intitulé « De la Terre à Titan en passant par Saturne ». L’accélération
de la sonde a été bien justifiée par la proximité des planètes Vénus ou
Jupiter suivant le cas en observant la trajectoire de la sonde.
Par contre, la durée mise par les ondes pour parvenir sur Terre a posé
des problèmes à certains élèves qui ont encore du mal à calculer une
durée à partir de la donnée de la vitesse et de la distance.
Les autres questions n’ont pas posé de problème particulier aux élèves
mis à part la justification de la forme des rochers due à l’érosion.
Cette séance a été sans aucun doute celle au cours de laquelle les
élèves ont été le plus intéressés depuis le début de l’année scolaire ;
pour preuve même après la sonnerie de fin de cours les élèves n’ont pas
bougé de leurs chaises.
En effet, en plus de l’utilisation de cette séquence comme moyen de
réinvestissement de notions étudiées précédemment, j’en ai profité
pour évoquer avec mes élèves les applications de la science dans le
domaine spatial ainsi que la science en marche. J’ai également insisté
sur l’aspect historique de cette mission ainsi que sur les prouesses
techniques mises en œuvre pour la réussite de la mission CassiniHuygens.
2) Titan : une Terre primitive au congélateur
Au cours de cette séance, les premières questions qui portent sur la
compréhension du texte ne posent pas de problèmes particuliers à mes
élèves qui sont intéressés par cette activité. Je suis persuadé de leur
intérêt par le fait qu’ils répondent rapidement aux questions alors que
cette séance se déroule en fin de journée le vendredi de la veille des
vacances de février.
Ces premières questions jouent bien le rôle que j’avais envisagé en
préparant cette activité, à savoir intéresser les élèves au travail qu’ils
ont à effectuer. Après cette partie, les élèves sont prêts à attaquer la
partie essentielle de cette activité qui va les amener à déterminer les
représentations de Lewis des molécules et introduire la notion
d’isomérie.
Les élèves citent ensuit les molécules présentes dans l’atmosphère de
Titan.
La détermination des formules chimiques (formules brutes) de
certaines de ces molécules ne leur posent pas de problèmes car nous les
avions déterminé au cours de la séance de travaux pratiques utilisant le
logiciel chemsketch ( ce logiciel est inclus dans le CD-Rom joint).
Pour terminer, les élèves déterminent, en utilisant la méthode déjà vue,
les représentations de Lewis de toutes ces molécules. Je remarque avec
cette question que certains élèves, pas nombreux bien sûr, ont très bien
compris la méthode qu’ils avaient vue en cours. Mais la majorité des
élèves a encore besoin d’aide pour retrouver les représentations de
Lewis des Molécules.
Pour la dernière question, les élèves ne remarquent pas que la molécule
de butane possède deux représentations de Lewis possibles.
Je pense que j’aurais dû formuler ma question autrement. J’aurais dû
demander aux élèves de déterminer les deux représentations de Lewis
possibles pour cette molécule. Ensuite, j’aurais pu demander aux élèves
ce qu’ils pouvaient en conclure ; c’est-à-dire que certaines molécules ont
plusieurs représentations de Lewis possibles. Ce qui me permettaient de
faire découvrir la notion d’isomérie par les élèves.
3) Conclusion sur la séquence utilisant l’actualité des sciences
Pour motiver les élèves, j’ai essayé à la fin de la séquence de montrer
aux élèves qu’ils pouvaient avoir un rôle à jouer dans des missions de ce type car
elles proposent des opportunités de travail dans d’innombrables domaines que ce
soit la physique, la chimie, l’informatique, la biologie, l’astronomie…
Lorsque je demande aux élèves si un travail dans le domaine de l’aérospatiale les
intéresserait, ils paraissent gêner d’avouer un intérêt pour ce type d’expériences
qui leur semblent réservés à une élite de surhomme ou génie de la science.
J’insiste en leur disant que c’est accessible mais que cela nécessite uniquement
beaucoup de travail et qu’il n’est pas besoin d’être un génie pour travailler dans
des domaines aussi pointus de la science.
Ces questions ne font bien sûr pas partie du programme mais je pense que le rôle
d’un professeur, en plus d’enseigner sa discipline, est de donner envie à ses
élèves l’envie d’approfondir leurs connaissances et leur maîtrise de cette
discipline. Dans mon cas je pense que je serais fier si je pouvais de donner à
quelques élèves l’envie de faire de la physique ou de la chimie dans leur futur
métier ; surtout dans la période actuelle où on observe une désaffection des
élèves pour les métiers scientifiques.
A la fin de la séquence certains élèves, dont bien sûr Clément, le passionné
d’astronomie, semblent être en accord avec ce que je viens de leur dire mais il
est difficile changer les croyances des élèves qui pensent à tort qu’il faut des
compétences extraordinaires pour exercer des métiers de ce type.
Je pense que cette séquence a été réussie du fait de l’intérêt certain que les
élèves ont montré tout au long de son déroulement. Le plaisir que j’ai ressenti a
été j’en suis sûr partagé avec les élèves qui m’en ont parlé à la fin de la séquence
où j’ai constaté que quelques uns d’entre eux avaient acheté le dernier numéro de
la revue Ciel et Espace où ils m’ont montré les photos obtenues par la
sonde Huygens au cours de sa descente dans l’atmosphère de Titan. Ce qui
prouve qu’au moins certains élèves ont réfléchi à cette séquence en dehors des
heures de cours.
Cette séquence me conduit à penser que lorsqu’on veut motiver des élèves, il faut
leur fournir des activités liées à la vie quotidienne.
Conclusion
L’utilisation de la séquence que j’ai préparée sur l’histoire des sciences a
montré que les élèves ont un intérêt peu prononcé pour les textes
historiques non adaptés à leur niveau.
Je pense que c’est dû à la façon dont je l’ai présenté aux élèves. C’est
d’ailleurs pour cela que je ferais des changements, que j’ai mentionné dans
la partie correspondante de mon mémoire, si je devais refaire cette
séquence les années qui viennent.
L’exemple type d’activité que je referais certainement de façon beaucoup
plus approfondie est celui de la classification périodique des éléments
introduite de façon ludique en suivant la démarche de Mendeleïev et en
utilisant des cartes. La gravitation peut aussi être introduite suivant une
démarche historique utilisant un texte adapté de celui que Newton a publié
dans ses « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » étudiant le
mouvement de la Lune et donnant la loi de la gravitation universelle.
L’actualité des sciences a par contre beaucoup enrichi mes séances de cours
qui ont été beaucoup plus vivantes que les séances précédentes. En effet,
au cours de cette séquence les élèves se sont beaucoup investis. C’est donc
une expérience que je retenterais avec plaisir surtout avec des activités
dans le domaine aérospatiale qui est un domaine qui m’est très cher et qui
d’ailleurs m’a amené à faire des études scientifiques. En effet, le spatial et
l’astronomie ne laissent généralement personne indifférent car il suscite
une « curiosité, nourrie par un imaginaire ancien », et qui est « le moteur de
l’intérêt du public ». En effet, « le consensus sur le spatial est général »8.
Les deux séquences que j’ai réalisé et qui sont décrites dans ce mémoire
ainsi que ce que j’ai pu faire après m’ont amené à la conclusion suivante :
pour intéresser et motiver des élèves, il faut leur proposer des activités
originales et variées qui peuvent utiliser l’histoire des sciences, l’actualité
des sciences, l’outil informatique … le tout sous forme ludique si possible.
8
BOULANGER P., La conquête de Mars, Pour La Science, n°271, mai 2000
BIBLIOGRAPHIE
AUDIGIER F., FILLON P., « Enseigner l’histoire des sciences et des
Techniques. Une approche pluridisciplinaire », 1991, I.N.R.P.
BASSAN V.J., « Comment intéresser l’enfant à l’école », 1976, PUF
BOULANGER P., « La conquête de Mars », Pour La Science n°271
COISNE S.,« Que valent les manuels scolaires ? », La Recherche n°378
COLL P., « Mars et Titan : sur les traces de la vie », Pour La Science n°327
FOSSE D., « Une Terre primitive au congélateur », Ciel & Espace n°416
LUNINE J., « Saturne, enfin ! », Pour La Science n°321.
B.O. N°6 du 12 août 1999 hors-série
Document d’accompagnement du programme de sciences physiques de
seconde, G.T.D. de physique-chimie
Sites internet :
¾ http://www.esa.int/SPECIALS/Cassini-Huygens
¾ http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/index.html
¾ http://www.ac-nancy-metz.fr
¾ http://www.ac-nantes.fr
Annexe 1
Mouvement d’une bille sur un plan incliné et sur un plan horizontal
Objectif : Enoncé du principe d’inertie à partir d’une démarche historique.
Pré-requis :
• Représentation des forces
• Relativité du mouvement
Dans cette activité, on se propose, en s’aidant du texte de Galilée ci-joint, de déterminer la
nature du mouvement d’une bille abandonnée sans vitesse sur un plan incliné comme dans le
schéma ci-dessous :
1) Pourquoi Salviati fait-il le choix d’un plan parfaitement
lisse et d’une balle parfaitement ronde ?
2) Quel est le référentiel le plus adapté pour étudier le
mouvement de la bille ?
3) Dans ce référentiel et en vous aidant du texte de
Galilée, quelle est la nature du mouvement de la bille
sur le plan incliné ?
4) Dans ce référentiel et en vous aidant du texte de
Galilée, quelle est la nature du mouvement de la bille
sur le plan horizontal ?
5) Dans les deux cas, quelles sont les forces appliquées à
la bille ?
6) Dans quel cas se compensent-elles ?
7) Quelle est la nature du mouvement de la bille dans le cas
où les forces appliquées se compensent ?
8) Que peut-on dire des forces appliquées à la bille si elle
est au repos sur un plan horizontal ?
9) A l’aide des réponses données aux deux dernières
questions, dire en une phrase la nature du mouvement d’un
objet lorsque les forces auxquelles il est soumis se
compensent.
Annexe 2
Principe d’inertie avec le logiciel Dynamic
But : Au cours de ce T.P. nous allons :
- déterminer les effets d’une force sur le mouvement d’un corps ;
- envisager un certain nombre de situations relatives au comportement d’un corps ;
- émettre des hypothèses sur le mouvement possible du corps ;
- vérifier nos hypothèses par simulation à l’aide du logiciel Dynamic.
I) Influence d’une force sur le mouvement d’un corps
1) Corps au repos
Un corps est au repos sur un plan horizontal .
Placer G à gauche de l’espace de travail. Appliquer à G une force horizontal de 5 N dirigée vers la droite.
Tracer la trajectoire.
Quelle est l’influence d’une force sur la nature du mouvement d’un corps au repos ?
Modifier la masse du corps (5 kg) : Menu initialiser > Paramètres > m
Modifier la couleur du tracé avec l’icône
Que constatez-vous ?
2) Corps en mouvement
a) Influence sur la trajectoire
Un corps en mouvement rectiligne uniforme et ayant une vitesse, horizontale et dirigée vers la droite,
égale 5 m.s-1.
Placer G à gauche du plan de travail. Définir une vitesse initiale égale à 5 m.s-1.
Appliquer à G une force dirigée vers le bas et ayant une intensité de 1 N.
Tracer la trajectoire.
Que constatez-vous ?
Modifier la masse du corps et la couleur du tracé.
Que constatez-vous ?
b) Influence sur la vitesse
Un corps en mouvement rectiligne uniforme et ayant une vitesse, horizontale et dirigée vers la droite,
égale à 10 m.s-1.
Placer G à Quelques centimètres du bord gauche du plan de travail. Définir une vitesse initiale égale 10
m.s-1.
Appliquer à G une force dirigée vers la gauche et ayant une intensité de 3 N.
Quelle est l’influence d’une force sur la nature du mouvement de ce corps ?
Conclusion : A partir des simulations que vous avez réalisé, indiquer les effets d’une force sur le
mouvement d’un corps. Ces effets dépendent-ils de la masse du corps ?
II) Principe de l’inertie
Dans chaque cas, vous indiquerez vos observations, puis vous effectuerez une vérification avec le logiciel.
Pour décrire le mouvement de l’objet utiliser 2 des termes rectiligne, non rectiligne, uniforme, non uniforme.
Les enregistrements successifs ne seront pas effacés.
1) Cas d’un objet posé sur la table sans vitesse initiale
a) Quelles sont les forces qui s’exercent sur l’objet ?
b)
Représenter ces forces sur le schéma ci-dessous :
c)
Quel sera le mouvement de l'objet? Les forces précédentes sont des forces qui se compensent. Quel est
l’effet de forces qui se compensent sur un objet immobile ?
d) Simulation de la situation :
On suppose que le poids de l’objet vaut 1 N. Placer G au bord gauche de l’espace de travail.
Appliquer le poids nommé P tel que Fy = -1 N (force verticale orientée de haut en bas).
Appliquer la réaction de la table nommée R telle que Fy = 1 N (force verticale orientée de bas en
haut).
On peut dessiner sous le solide un plan horizontal qui symbolise la table avec l’icône « Dessin ligne »
Tracer la trajectoire.
e) Le tracé obtenu confirme-t-il les hypothèses faites en c)
2) Cas d’un objet posé sur une table lancé avec une vitesse initiale de 10 m . s-1
a) Prévoir et justifier le mouvement de l’objet dans le cas où il n’y a pas de frottements entre l’objet et la
table.
b) Simuler le mouvement de l'objet à l’aide du logiciel.
Imposer une vitesse initiale au solide précédent en utilisant l’icône
puis tracer la trajectoire
c) Comparer le tracé obtenu avec vos prévisions faites en a). Si le tracé n'est pas celui prévu, essayer de
formuler une explication.
3) Cas d’un objet qui n’est soumis à aucune force, lancé avec une vitesse initiale de 10 m . s-1
a) Prévoir le mouvement de l’objet
b) Simuler le mouvement de l'objet à l’aide du logiciel.
On garde la vitesse initiale mais on supprime le poids et la réaction du support :
Menu Force > Supprimer > R
Menu Force > Supprimer > P
Modifier la couleur du tracé avec l’icône
Tracer la trajectoire
c) Comparer le tracé obtenu avec vos prévisions faites en a). Si le tracé n'est pas celui prévu, essayer de
formuler une explication.
III) Exploitation
1) A l’aide des simulations effectuées dans la partie précédente, dire en une phrase la nature du
mouvement d’un corps soumis à des forces qui se compensent.
2) Dans le cas de la simulation représentée ci-dessous, quelle est la nature du mouvement du mobile?
Pouvez-vous dire s'il est soumis à des forces qui se compensent ou s’il n’est soumis à aucune force ?
Justifiez votre réponse.
3) Une force est-elle nécessaire pour entretenir un mouvement ? Justifiez votre réponse.
4)
Peut-on réaliser une expérience en laboratoire qui corresponde à chaque simulation effectuée ?
Annexe 3
On a réalisé une chronophotographie du mouvement d’une balle sur un plan incliné
raccordé à un plan horizontal.
1) Quelle est la nature du mouvement de la balle au cours des deux phases de
son mouvement ?
2) Quelles sont les forces qui s’exercent sur la balle pour chaque phase du
mouvement ?
3) Que peut-on dire des forces exercées sur la balle lors de son mouvement
sur le plan incliné ? Justifier votre réponse.
4) Que peut-on dire des forces exercées sur la balle lors de son mouvement
sur le plan horizontal ? Justifier votre réponse.