Troisième, seconde, la roue tourne…

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AUTOUR D’UN THÈME – AUTOUR D’UN THÈME – AUTOUR D’UN THÈ
Troisième, seconde, la roue tourne…
par l’IUFM du Limousin
Équipe de Recherche et Réflexion
« physique-chimie au collège »
www.limousin.iufm.fr/physch/err-physique/index.htm
RÉSUMÉ
C’est en collège que sont jetées les bases de la mécanique, reprises et approfondies
dans le nouveau programme de seconde. Soucieux d’un enseignement précurseur efficace, nous analysons ici les deux programmes et proposons des séances avec protocole
pour la mécanique de troisième.
Le travail présenté dans l’article est mené par une « équipe de recherche et
réflexion » de l’académie de Limoges, dans le cadre de la formation continue. L’équipe
est constituée d’enseignants de collège et de lycée.
Elle élabore et réalise des séances de mécanique en classe de troisième sur les sujets
suivants : relativité du mouvement, notion de trajectoire, nature du mouvement. L’analyse collective permet de prendre en compte la réaction des élèves et de faire émerger
des difficultés récurrentes en seconde.
1. DE LA NÉCESSITÉ D’UNE ACQUISITION DES APPRENTISSAGES
DE BASE POUR LA MÉCANIQUE EN SECONDE
La relativité du mouvement est étudiée en seconde à propos de la chute libre mais
sans que ce soit imposé dans le programme. La finalité en est l’analyse du mouvement
de la Lune dans le référentiel terrestre. L’approche est souvent historique et l’élève utilisera certainement des logiciels de simulation et de traitement de mouvements préenregistrés. Il sera donc confronté à de nouvelles difficultés très diverses qui pourraient masquer la notion étudiée si elle n’a pas été abordée déjà de façon concrète en troisième. Les
nouveautés sont en effet multiples :
– vocabulaire et expressions employés dans les textes anciens ;
– utilisation de l’ordinateur et des logiciels ;
– absence d’enregistrement réel de chute libre ;
– impossibilité de tenir le système à la main ;
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– une forme de trajectoire qui dépend à la fois des conditions initiales et du référentiel ;
– observation de trajectoires dans deux référentiels différents.
Pour aider l’élève de seconde à tirer profit de cette diversité, il nous a semblé utile
de lui permettre, dès la troisième de concrétiser, de façon simple, les notions de relativité, trajectoire et mouvement : il est important, par exemple, que l’élève de seconde ait
déjà procédé par lui-même à l’enregistrement sur papier des trajectoires d’un point dans
deux référentiels différents et qu’il arrive à utiliser les termes de trajectoire et de mouvement sans les confondre, de manière à pouvoir concentrer ses efforts sur la façon dont
seront réinvesties ses connaissances au lycée.
2. LA DÉMARCHE DE L’ÉQUIPE
2.1. Préparation et évolution des séances
♦
♦
♦
♦
Un membre du groupe élabore une fiche protocole.
L’ensemble des collègues la propose à ses classes.
Le protocole est ensuite modifié en fonction des différentes observations et remarques.
La formulation du protocole est proposée à la lecture critique d’enseignants de français, de mathématiques et de technologie dans un souci d’harmonisation interdisciplinaire.
Seule, la version finale de chaque fiche est présentée ici. Le suivi de notre démarche
et l’évolution des séances de classe, depuis leur conception, peuvent être consultés sur le
site Internet de l’IUFM du Limousin à l’adresse suivante :
www.limousin.iufm.fr/physch/err-physique/index.htm
2.2. L’analyse des activités des élèves
Pendant une séance de travaux pratiques, les activités des élèves sont multiples et
d’ordre très différent (réaliser une expérience, faire des choix, calculer...). C’est pourquoi
nous proposons, pour mieux les caractériser, de les classer en catégories repérables par
des lettres (par exemple R, C ou K). Nous utilisons pour cela une grille de caractérisation élaborée par un groupe de recherche de l’Institut National de Recherche Pédagogique (INRP) : « Conception et analyse d’activités pour la formation scientifique». La
grille a déjà été mise à l’épreuve dans l’analyse des fiches de TP de lycée ; nous l’avons
adaptée à l’analyse des consignes orales et des fiches de TP de collège. Cette dernière
version est communiquée en annexe, avec explicitation de la signification des lettres correspondant aux catégories d’activités.
La définition des activités proposées aux élèves, la réflexion sur la complexité plus
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ou moins grande de la tâche qui leur est demandée est un élément qui est ensuite pris en
compte dans l’analyse de leurs réactions, difficultés et réussites.
3. LES DOMAINES COMMUNS AU PROGRAMME DE MÉCANIQUE
DE SECONDE ET DE TROISIÈME
Troisième
Seconde
(progression en mécanique)
(points du programme en relation avec ceux de troisième)
Mouvement, trajectoire, référentiels
Mouvement et référentiel
♦ Nécessité d’un référentiel pour définir l’état de mouve- 1) Décrire le mouvement d’un point dans deux référentiels
différents (images vidéo, chronophotographie).
ment.
4-b) Trajectoire d’un projectile et interprétation du mouDescriptif du mouvement
vement de la Lune ; modification selon la direction de lan♦ Trajectoire d’un point ou de plusieurs points d’un mobile
cement et la vitesse initiale.
(translation, rotation...).
♦ Vitesse moyenne, vitesse instantanée, ordres de gran- 5) Temps : années, mois, jours, heures, secondes.
deurs des vitesses (mouvement uniforme, accéléré, Période et fréquence.
ralenti...).
Dispositifs de mesure des durées.
Applications scientifique et citoyenne
♦ Constructions graphiques : d = f(t),
v = f(t), savoir interpréter.
♦ Distances d’arrêt.
Identification des effets d’une force et des systèmes
acteurs et receveurs interagissant.
Caractérisation de la force (direction, sens, valeur, point
d’application pour une force localisée).
Mesure.
Modélisation de la force, grandeur vectorielle.
Étude d’une force particulière : le POIDS.
♦ Relation de proportionnalité entre Masse et valeur du
Poids.
♦ g : intensité de la pesanteur en un lieu donné.
♦ RQ : Le terme « intensité » a ici été conservé alors que
c’est le terme « valeur » qui est utilisé pour les forces.
Équilibre et non équilibre
Cas de deux forces portées par la même droite.
RQ : La vitesse n’est pas au programme de seconde mais
sert à tout moment et depuis le début de l’année. Il faut
connaître les ordres de grandeurs (vitesse de la lumière,
vitesse du son, vitesse d’un système mécanique…).
2) FORCES (même chose qu’en troisième, même
approche). Effets sur le mouvement.
Origine, direction, sens et valeur.
6) La pression : forces et surface.
4-a) La gravitation : chute des corps sur la Terre, mouvement de la Lune observée depuis la Terre, cause du mouvement de la Lune. Forces d’interactions gravitationnelles,
(pas d’expression vectorielle), représentations et calculs.
Référentiels héliocentrique, géocentrique.
Poids et force gravitationnelle. Poids sur la Terre et sur la
Lune.
Pourquoi la Lune ne tombe-t-elle pas ?
3) Le principe de l’inertie : énoncé. Utilise les notions de
« forces qui se compensent » de troisième. Une force n’est
pas nécessaire pour entretenir le mouvement. Savoir que
« aucune force » + « forces qui se compensent ».
Dans la colonne de gauche du tableau, nous avons indiqué, dans l’ordre du programme, les notions de mécanique étudiées en classe de troisième. Dans la colonne de
droite, nous avons mis en parallèle les points du programme de seconde qui utilisent ou
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qui reprennent ces notions en remarquant, s’il y a lieu, celles qui sont particulièrement
importantes et qui ne sont pas redéfinies en seconde. Les numéros figurant dans la
colonne de droite correspondent à l’ordre du programme de seconde. Étant donné que
des notions supplémentaires sont abordées dans cette classe, l’ordre ne correspond pas à
celui de troisième.
Les séances décrites par la suite portent sur les référentiels et les trajectoires. Après
que les notions aient été définies, nous en proposons le réinvestissement dans des activités expérimentales.
4. LES PRODUCTIONS DE L’ÉQUIPE
4.1. Trajectoire et référentiel
« La trajectoire d’un point mobile dépend-elle d’un référentiel ? »
Pour conduire les élèves à répondre à cette question, deux fiches ont été élaborées
et mises en œuvre dans deux classes différentes. L’objectif est de faire réinvestir aux
élèves les connaissances sur trajectoire et référentiel, introduites précédemment de façon
formelle, et d’illustrer (dans un cas particulier très concret) la notion de trajectoire d’un
point par rapport à un référentiel.
Les deux fiches partent de la même référence quotidienne : la valve d’une roue de
vélo dont la trajectoire est repérée, soit par rapport à la route, soit par rapport au vélo
lui-même. Une analogie est faite entre la roue de vélo et un disque (cédérom par
exemple), ce qui permet aux élèves de manipuler par groupes sur une maquette puis de
transférer les résultats au vélo et à des références quotidiennes. A partir de cet objectif
commun, chaque fiche est ensuite conçue avec sa spécificité.
Un des objectifs est d’amener les
élèves à faire des prévisions à partir des
connaissances acquises. On les guide
toutefois en limitant les réponses possibles. Ils confrontent ensuite leurs prévisions avec les résultats expérimentaux
obtenus sur la maquette. Cette dernière
est très figurative et permet aux élèves
de faire sans peine le transfert à une
situation quotidienne (1).
(1)
On peut se procurer la maquette du vélo en s’adressant au CRDP du Limousin :
39 F, rue Camille Guerin - 87036 LIMOGES CEDEX - Tél. Atelier : 05 55 43 56 78 - Fax : 05 55 43 56 51.
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Fiche 1 : la maquette du vélo
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Fiche 2 : la roue du vélo
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Le dispositif ainsi conçu permet d’enregistrer simultanément les deux trajectoires
dans deux référentiels différents.
D’après notre grille de référence, les activités demandées aux élèves sont successivement :
– C1 : faire une prédiction ;
– R2 : exécuter une suite d’actions spécifiées ;
– F1 : reconnaître un résultat.
Pendant la réalisation de la séance, on constate que les élèves font des prévisions
correctes, mais on a peu d’informations sur les raisons de leurs choix. Et le fait de les
guider dans les réponses possibles ne permet pas de repérer les éventuelles confusions
entre « trajectoire » et « mouvement ».
Dans la réalisation d’activités assez simples, les élèves ne rencontrent pas de difficulté. Pour l’exploitation des piquages, si les trous sont très proches ils obtiennent bien
un tracé de la trajectoire en reliant les trous entre eux. Là où se pose le problème, c’est
lorsque les trous sont éloignés les uns des autres : les élèves tracent alors une ligne brisée. Si on désire éliminer cette difficulté, on peut rajouter la consigne « piquages serrés ».
Si le professeur désire aborder l’idée de continuité de la trajectoire, il peut ne pas modifier la consigne et discuter par la suite avec les élèves sur les conditions de la bonne qualité de réalisation d’une expérience.
A la fin de la séance, les élèves, qui ont apprécié le caractère ludique de la manipulation, semblent avoir bien assimilé la notion de référentiel.
Le référentiel en déplacement n’est plus présenté comme étant le cadre du vélo,
mais comme lié au centre de la roue. Ce travail permet de présenter le mouvement de la
valve par rapport à la route comme la composition de deux mouvements : une rotation
autour de l’axe de la roue et une translation par rapport à la route.
D’après notre grille de référence, les activités demandées aux élèves sont successivement :
– R2 : exécuter une suite d’actions simples spécifiées ;
– F1 : reconnaître un résultat.
et ceci pour chacune des deux parties.
Il semble que les élèves n’éprouvent pas de difficulté particulière à réaliser les
actions simples. Ils rédigent eux-mêmes la phrase de conclusion, en se reportant à la
question initiale : c’est l’occasion d’un exercice de formulation, en travaillant le passage
de la forme interrogative à la forme affirmative.
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4.2. Trajectoire et mouvement
Le travail mené dans cette séance de travaux pratiques permet une première approche
de deux catégories de mouvement d’un solide : la translation et la rotation. L’objectif de
la séance est que les élèves, à partir de cas particuliers, élaborent et repèrent les différentes caractéristiques d’un mouvement de translation et d’un mouvement de rotation, en
étant capables de différencier les deux. Ils doivent agir à partir de consignes et formuler
leurs résultats. Le bilan de leurs conclusions sera fait avec le professeur à la séance suivante où les connaissances sur les caractéristiques des mouvements seront alors institutionnalisées.
En classe de seconde, aucune partie du programme ne reprend explicitement les
notions de translation et de rotation d’un solide : le programme est centré sur la mécanique du point.
En classe de troisième, en partant d’un objet concret (le solide), les élèves travaillent
sur le mouvement de l’objet, qui leur est plus accessible. C’est une première approche
de la trajectoire des différents points d’un objet. Elle permettra ensuite de passer à la trajectoire d’un objet ponctuel puis d’un point. On prépare ici l’apprentissage de seconde,
en travaillant sur des trajectoires de points associés au mouvement du solide auquel ils
appartiennent. On espère ainsi aider les élèves à différencier trajectoire et mouvement,
principal écueil qui se retrouve souvent en seconde.
Les activités demandées sont du type « exécuter des actions simples » en réponse à
des consignes, ou « faire des mesures » qui ne nécessitent pas de savoir-faire très spécialisé. Les élèves, de ce point de vue, n’ont eu aucune difficulté.
Le texte, par sa forme, ressemble à un énoncé de mathématiques. Il a été soumis à
divers enseignants de cette discipline qui ont proposé essentiellement des harmonisations
de vocabulaire, à propos de « droite » ou « segment », par exemple et quelques précisions
concrètes pour la réalisation des tâches. Nous avons également comparé la façon d’aborder la notion de translation dans nos deux disciplines:
♦ en mathématiques, elle est liée à la construction d’un parallélogramme qui visualise
la transformation d’un point de l’objet en un point image, le vecteur translation est utilisé en classe de troisième, il n’est pas question de trajectoire ;
♦ en physique, on s’intéresse au mouvement de l’objet ; on a des représentations du
même objet à des instants différents qui se succèdent de façon continue, sa position finale
n’étant pas présentée comme une image de l’objet.
En abordant avec nos collègues de technologie ce même sujet, nous avons constaté
que certains enseignants (en option techno) font mention de trajectoire d’un mobile dans
son ensemble, et non de trajectoire de point. De plus, tout mouvement étudié dans ce cadre
est considéré comme l’association de translations rectilignes et de rotations autour d’axes.
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Fiche 3 : analyse de quelques mouvements simples
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Ce même texte a été soumis à des professeurs de français. Ce qui nous a surpris au
départ, c’est qu’ils n’aient pas demandé plus de précisions pour réaliser les tâches : l’implicite de certaines consignes ne semblait pas les gêner. Ils ont demandé, par contre, plus
de références concrètes sur les mouvements, sous forme d’anecdotes par exemple. Une
introduction orale du professeur, pour aider l’élève à rentrer dans le travail demandé leur
a semblé importante.
Nous espérons pouvoir bientôt produire notre prochain travail sur la notion de force,
en mettant l’accent sur les activités de choix et de prévisions dans la formulation des
fiches d’activités expérimentales. On peut aussi trouver sur le site des fiches d’électricité
et de chimie, accompagnées de commentaires sur leur réalisation, ainsi que de compléments didactiques.
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Annexe
Description et codage des activités des élèves
E. Exploiter de l’information dans un texte, un tableau, etc.
O. Observer, avec ou sans manipulation.
C. Choisir, imaginer
1. Formuler une hypothèse.
2. Choisir un appareil, un graphique, une méthode, etc.
3. Proposer un modèle, une relation mathématique, une explication.
R. Réaliser, conduire une manipulation sur des objets ou des instruments.
1. Dire (écrire) le rôle ou la fonction d’un appareil, d’un protocole.
2. Exécuter des actions simples ou une suite d’actions simplifiées.
3. Réaliser un montage, conduire un protocole.
4. Utiliser, mettre en oeuvre un instrument pour un réglage, un mesurage.
5. Tenir compte d’une consigne de sécurité.
K. Calculer, représenter, analyser.
1. Énoncer une définition, un théorème, etc.
2. Schématiser un montage, un dispositif, des grandeurs, etc.
3. Effectuer des calculs mathématiques sur des mesures, sur une fonction mathématique, par application d’une relation, etc.
4. Obtenir une représentation graphique à partir d’une série de valeurs.
5. Déterminer des valeurs de grandeurs physiques ou de paramètre à partir d’une
mesure ou d’une série de mesures.
6. Prendre en compte des incertitudes.
F. Fournir une réponse, donner un résultat.
1. Reconnaître un résultat.
2. Repérer une ressemblance, similitude, identité entre deux phénomènes, deux objets,
deux valeurs, etc.
J. Juger de la qualité, validité...
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