ENSEIGNER
jeudi 21 septembre 2017
icar Vesion anglaise

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

Activité 1: Aristote ou Galilée

 

Dans cette activité, on envisage différentes situations pour lesquelles on propose deux représentations de forces et à chaque fois :
-  l'une est correcte du point de vue du modèle "actuel" des lois de la mécanique (initié par Galilée) ;
- l'autre correspond à une analyse intuitive de la situation : selon ce point de vue (proche de celui d’Aristote), il y a toujours une force dans la direction et le sens du mouvement. Cette affirmation est fausse du point vue du modèle actuel des lois de la mécanique.

Partie A
Dans cette partie, on étudie la situation de la partie 2 concernant le lancer vertical d'un médecine-ball. On ne s'intéresse qu'à la phase de "montée" (les mains du lanceur ne sont plus en contact avec le MB).
1- Représenter le diagramme MB-interactions lors de la phase de montée.
2- On se propose d'analyser les différentes réponses des élèves d'une classe de seconde à la question "Représenter les forces qui s'exercent (pendant la phase de montée) sur le médecine-ball (représenté par un point et noté M-B)". On distingue deux types de réponses :

A l'aide des informations fournies au début de l’activité, identifier lequel des deux groupes d’élèves a effectué une analyse intuitive de cette situation.
3-
a- Identifier alors les systèmes 1 et 2 (présents dans les deux représentations) qui agissent sur le système MB. A votre avis, pour le groupe d'élève A, que représente la force ? Pourquoi ont-ils éprouvé le besoin de représenter cette force ?
b- A l'aide du modèle des interactions, justifier le fait que cette force ne modélise aucune action exercée sur le MB pendant la montée.

Partie B
Dans cette partie, on s'intéresse au mouvement d'un palet de hockey lancé sur une patinoire supposée parfaitement lisse. Son mouvement est considéré comme rectiligne et uniforme (sur quelques mètres): l'action de l'air est négligée.
1- Représenter le diagramme palet-interactions.
2- A la question "Représenter les forces qui s'exercent sur le palet de hockey (représenté par un point) au cours de son mouvement rectiligne et uniforme" on distingue deux types de répones:

A l'aide des informations ci-dessus, identifier la représentation correspondant à une analyse intuitive de cette situation.
3- Identifier alors les systèmes 1 et 2 (présents dans les deux représentations) qui agissent sur le système palet.
4-
a- Le mouvement du palet étant considéré rectiligne et uniforme, d'après le principe de l'inertie, quelle particularité présentent les forces qui s'exercent sur le palet ?
b- À l'aide de la représentation des forces du groupe d'élèves A, que pouvez-vous dire de la direction, du sens et de la valeur de deux forces qui se compensent ?
5- D'après le principe de l'inertie, que pouvez-vous dire du mouvement qui correspondrait à la représentation des forces du groupe d'élèves B ?


But: Aristote ou Galilée

Cette activité a pour but :
- de réfléchir à l'opération de modélisation ;
- d'expliciter les choix faits par les physiciens qui ont contribué à l'élaboration des modèles de la mécanique et en particulier les choix effectués par Galilée puis par Newton ;
- de faire prendre consciences aux élèves de l'erreur classique consistant à penser qu'une force dirigée et orientée selon le mouvement est toujours nécessaire à ce mouvement. Cette erreur persiste encore à l'Université et mérite donc qu'on s'y attarde;
- d'introduire le principe de l'inertie.

Préparation: Aristote ou Galilée

On prend comme exemples le mouvement d'un MB lancé à la verticale puis celui d'un palet sur une patinoire. Pour chaque situation, les élèves disposent de deux représentations des forces s'exerçant sur les systèmes :
- l'une qualifiée d'intuitive, proche d'une conception aristotélicienne et encore très répandue ;
- l'autre cohérente avec le point de vue de Galilée et donc avec le modèle de la mécanique de Newton enseigné en classe de Seconde.
Les élèves doivent avoir sous les yeux le modèle des interactions (1re et 2ième parties).

Savoir: Aristote ou Galilée

On peut s'attendre à ce que beaucoup d'élèves considèrent qu'une force (l'élan, impetus, etc.) permet au MB de s'élever, qu'éventuellement elle diminue. Cela explique que le MB finisse par retomber. Selon ce point de vue, une force orientée dans le sens du mouvement est nécessaire. Nous renonçons à trouver une situation convainquant les élèves que cette force n'est pas nécessaire au mouvement. Il faut se contenter de les convaincre d'un argument du type: il n'y a pas de force dans le sens du mouvement car il n'existe pas de système qui l'exerce. De cette manière, on use d'un argument issu du modèle enseigné pour combattre la représentation intuitive. La méthode est critiquable. On peut espérer convaincre les élèves que le point de vue de la physique (et donc de Galilée) permet d'interpréter la situation de façon satisfaisante. Cette activité n'a pas d'autre ambition. Nous n'avons pas cherché à mettre en confrontation le point de vue de Galilée à celui d'Aristote, ce dernier étant bien plus riche que le résumé que l'on peut en faire à ce niveau. Nous nous contentons de faire prendre conscience aux élèves de l'une de leurs erreurs classiques. Signalons que cette erreur persistera malgré tout chez certains.
Le professeur doit veiller à ne pas laisser croire qu’il n’y a jamais de force dans la direction et le sens du mouvement. D’ailleurs, la situation 2 de l’activité 2 fait justement intervenir une telle force.
Ici, l’action de l’air est négligée de façon à pouvoir se ramener à deux forces.

Comportement des élèves: Aristote ou Galilée

La partie A de cette activité ne pose pas de difficultés majeures car la situation du médecine-ball est familière. Dans la partie B :
- on néglige l’action de l’air devant les autres. Cela déroute les élèves. Il faut donc leur expliquer dans quelles conditions cette simplification est légitime ;
- la question 3 permet de préciser les caractéristiques de deux forces qui se compensent. C’est la première fois que les élèves sont confrontés à cette question et nous avons constaté que la notion de forces qui se compensent pose problème. En effet, lorsqu’ils ont affaire par exemple à deux forces de même valeur qui ne sont pas colinéaires, les élèves considèrent souvent qu’elles se compensent ;
- la question 4 donne l’occasion de faire fonctionner le principe de l’inertie à partir d’une représentation de forces pour en déduire des informations sur le mouvement ce qui est rarement le cas.

Corrigé: Aristote ou Galilée

Partie A
1- Diagramme MB-interaction :

2- Le groupe d’élève A a effectué une analyse intuitive de cette situation car il a représenté une force dans la direction et le sens du mouvement.

3- 

a- Le système 1 représente le système Terre et le système 2 représente le système air. Pour le groupe d’élève A, le système 3 peut représenter soit « la force de la main » (hors celle-ci n’est pas en contact avec le MB), soit la « force de l’élan », « de la vitesse », etc.

b- D’après le diagramme MB-interaction, seul deux systèmes sont en interaction avec le système MB : le système Terre et le système air. La force étant la modélisation de l’interaction, il y aura deux forces qui s’exerceront sur le système MB :

 la force exercée par la Terre , de direction verticale, orientée vers le bas ;

 la force exercée par l’air , de direction verticale, orientée vers le haut.

Partie B

1- Diagramme palet-interaction :

2- Le groupe d’élève B a effectué une analyse intuitive de cette situation car il a représenté une force dans la direction et le sens du mouvement.

3- Le système 1 représente le système Terre et le système 2 représente le système glace.

4- 

a- D'après le principe de l'inertie (énoncé A1), le mouvement du palet étant considéré rectiligne et uniforme, on peut affirmer que les forces qui s’exercent sur le palet se compensent.

b- D’après la représentation du groupe d’élèves A, deux forces se compensent si et seulement si, ces deux forces ont :

 même direction,

 des sens opposés,

 même valeur (même longueur pour les vecteurs).

5- Pour la représentation du groupe d’élèves B, les forces exercées sur le palet ne se compensent pas ; on peut alors affirmer en utilisant l’énoncé B2 du principe de l’inertie que le mouvement du palet ni rectiligne et uniforme, ni immobile.