ENSEIGNER
jeudi 21 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: L’Univers en mouvement et le temps
  -  Seconde (Seconde (prog. 2010) )  -  Physique

Exercice 20: Exercice 20 (DS4)

 
Remplir le tableau suivant :


Un homme pousse une caisse sans que celle-ci ne bouge.

Système à étudier : la caisse
Un homme pousse une caisse et la met en mouvement.

Système à étudier : la caisse
Un camion tire une voiture à vitesse constante sur une route droite.

Système à étudier : la voiture.
Caractérisation du mouvement du système dans le référentiel terrestre immobile
rectiligne uniforme
rectiligne non uniforme
autre (préciser :
..................................)
immobile
rectiligne uniforme
rectiligne non uniforme
autre (préciser :
..................................)
immobile
rectiligne uniforme
rectiligne non uniforme
autre (préciser :
..................................)
Liste des forces qui s'exercent sur le système


Les forces qui s'exercent sur le système se compensent-elles ?


Schéma des forces sur le système




Corrigé: Exercice 20 (DS4)


Un homme pousse une caisse sans que celle-ci ne bouge.

Système à étudier : la caisse
Un homme pousse une caisse et la met en mouvement.

Système à étudier : la caisse
Un camion tire une voiture à vitesse constante sur une route droite.

Système à étudier : la voiture.
Caractérisation du mouvement du système dans le référentiel terrestre immobile
rectiligne non uniforme
(autre : non uniforme)
rectiligne uniforme
Liste des forces qui s'exercent sur le systèmeforces exercées par :
la Terre
le sol
l'homme
forces exercées par :
la Terre
le sol
l'homme
(l'air)
forces exercées par :
la Terre
la route
le camion
(l'air)
Les forces qui s'exercent sur le système se compensent-elles ?oui (car la caisse est immobile)
non (car la caisse a un mouvement non uniforme)
oui (car la voiture a un mouvement rectiligne uniforme)
Schéma des forces sur le système



Comportement des élèves: Exercice 20 (DS4)

De nombreux élèves n'ont pas su réaliser le schéma des forces correctement (cf. "statistiques"). Nous avons notamment observé que la plupart des élèves ne savait pas représenter la compensation des forces dans le schéma.

Nous prenons ici l'exemple d'une élève qui a répondu dans la ligne 3 que les forces se compensaient. Elle avait donné comme liste des forces : force exercée par la Terre, force exercée par le sol et force exercée par l'homme.
Voici le schéma que cette élève a représenté dans la ligne 4 :

Nous voyons donc qu'elle a représenté toutes les forces qu'elle avait listées, qu'elle leur a donné des caractéristiques convenables mais que la somme vectorielle n'est pas nulle.
Nous proposons un extrait vidéo qui permet de mieux comprendre la difficulté de l'élève.

Vidéo

But: Exercice 20 (DS4)

Compétences testées dans les difféentes lignes du tableau (cf. énoncé) :
Ligne 1 : Caractérisation du mouvement du système dans le référentiel terrestre
Compétence : Être capable de décrire le mouvement d’un point dans un référentiel donné en termes de direction, sens et vitesse. Cas particulier des mouvements rectiligne, circulaire et uniforme.
Il s'agit ici de passer de la description d’une situation en langue naturelle (présentée dans l'énoncé) à la description du mouvement du système étudié avec les termes du modèle.

Ligne 2 : Liste des forces qui s'exercent sur le système
Compétence : Faire un inventaire des forces exercées sur un système.
Il s'agit ici de passer de la description d’une situation en langue naturelle (présentée dans l'énoncé) à la liste des forces qui s’exercent sur le système étudié.

Ligne 3 : Les forces qui s'exercent sur le système se compensent-elles ?
Compétence : Connaître et savoir utiliser les quatre énoncés communément admis comme étant le principe d’inertie :
- Si un système est immobile ou s'il est en mouvement rectiligne uniforme (c'est-à-dire si sa vitesse et sa direction ne varient pas), alors les forces qui s'exercent sur le système se compensent.
- Si un système n'est ni immobile ni en mouvement rectiligne uniforme (c'est-à-dire si sa vitesse et/ou sa direction varient), alors les forces qui s'exercent sur le système ne se compensent pas.
Il s'agit ici de passer de la description du mouvement (réponse à la ligne 1) à la compensation / non-compensation des forces sur le système étudié en utilisant les lois de la mécanique.

Ligne 4 : Schéma des forces sur le système
Compétence : Savoir représenter les forces exercées sur un système (Cette connaissance inclut la capacité à tracer les vecteurs correctement lorsqu’on sait que les forces se compensent (ou à l’inverse ne se compensent pas)).
Il s'agit ici de faire le schéma des forces qui s'exercent sur le système étudié en tenant compte des caractéristiques de chaque force et de la compensation / non-compensation des forces.

Savoir: Exercice 20 (DS4)

Cet exercice met en jeu un problème assez classique : à partir d'une situation du champ expérimental, on demande aux élèves de mettre en application les modèles des parties 1, 2 et 3 :
- décrire le mouvement avec les termes du modèle ;
- faire la liste des forces qui s'exercent sur un système donné ;
- utiliser les lois de la mécanique pour dire si les forces qui s'exercent sur le système se compensent.
L'intérêt de l'exercice est de proposer trois situations afin d'observer l'influence de la situation sur les réponses de l'élève.
La première situation est une situation d'immobilité. La principale difficulté est alors de dire que l'homme exerce une force sur la caisse (puisque celle-ci ne bouge pas).
Dans la deuxième situation, la difficulté réside plutôt dans la caractérisation du mouvement. L'élément important de l'énoncé est "se met en mouvement". Cet élément indique que le mouvement est "non uniforme".
La troisième situation permet surtout de vérifier que l'élève sait que les forces se compensent dans le cas d'un mouvement rectiligne uniforme.

Les erreurs peuvent avoir plusieurs sources :
Pour la description du mouvement :
- mauvaise visualisation de la situation ;
- non-connaissance des termes du modèle pour décrire un mouvement.
Pour la liste des forces :
- non-connaissance du modèle des interactions ;
- confusion Terre et sol ;
- utilisation du raisonnement "force implique mouvement donc pas de force exercée par l’homme pour la colonne 1 et éventuellement oubli du sol".
Pour la compensation des forces :
- erreur dans la réponse sur le mouvement ;
- non connaissance des lois de la mécanique ;
- raisonnement de type "nombre de forces impair implique les forces ne peuvent pas se compenser" ;
- raisonnement du type "mouvement donc les forces ne se compensent pas".
Pour le schéma des forces :
- erreur dans la réponse sur la liste des forces ou sur la compensation ;
- non-prise en compte de la compensation ;
- non-prise en compte d’une ou plusieurs forces ;
- non-connaissance des caractéristiques d’une ou plusieurs forces ;
- raisonnement du type "mouvement donc résultante dans le sens du mouvement".

Exercice n° 20: Exercice 20 (DS4)
Schéma des forces

Cet extrait d'entretien individuel (entre un chercheur et une élève de 2nde ayant répondu à l'exercice dans le cadre d'un devoir surveillé) permet d'illustrer la difficulté qu'ont les élèves à faire un schéma des forces où les forces se compensent. On voit par exemple ici un comportement souvent observé : l'élève fait référence à la règle "deux forces de même direction, de même intensité et de sens opposés se compensent" et ne sait pas comment faire dans le cas d'un schéma à trois forces.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

A : bon ben là j’ai mis toutes les forces qu’il y a là et à donc je les ai fait toutes de même euh enfin de même longueur comme euh comme les forces elles se compensent ben (regarde sa feuille) elles devaient être de même longueur mais le problème c’est (regarde sa feuille)
[...]
A : non mais comme là normalement quand euh les forces elles se compensent

I : hm hm
A : elles se compensent avec une autre force qui a de sens opposé et là ben elle en a pas
I :
alors il faut nécessairement deux forces pour qu’elles se compensent
A :
ben
I : ou c’est possible avec trois
A : ben non je pense qu’il en faut deux
I : il en faut deux pour qu’elles se compensent
A : hm hm
I :
si t’en as quatre c’est possible
A :
ben ben oui
I :
et si t’en as cinq
A :
ben non enfin faut que ce soit faut qu’on puisse faire des paires