ENSEIGNER
lundi 25 septembre 2017
icar Vesion anglaise

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

But: Décrire un mouvement avec un modèle

Cette partie concerne les mouvements en se centrant sur leur modélisation en termes de point, trajectoire, vitesse, et référentiel.

Elle a été conçue pour aider l'élève à s'approprier un modèle cinématique sans qu'il l'identifie aux objets matériels qu'il étudie

Préparation: Décrire un mouvement avec un modèle

Cette partie est constituée d’un texte avec le modèle du mouvement et d’une succession d’activités. Ainsi, alors que le modèle se présente en un texte unique, il est préférable que l’élève l’aborde petit à petit, chaque fois qu’il en aura besoin (juste avant ou juste après une activité, selon la situation).
Il nous paraît néanmoins important que le modèle soit regroupé en fin de séance dans un même document pour les raisons suivantes :
- cela aidera l’élève à faire la distinction entre ce qui relève du modèle et ce qui relève des événements ;
- il sera plus facile, dans la suite de l’enseignement, de se référer à un texte unique (ce qui lui sera systématiquement demandé), plutôt qu’à des “ bouts ” de modèle, qui seraient disséminés parmi les activités

Savoir: Décrire un mouvement avec un modèle

Le premier point des “ contenus ” du programme s’intitule “ 1.1. Relativité du mouvement ”. La colonne “ exemples d’activités ” commence par la question “ la trajectoire d’un corps qui tombe est-elle la même pour tous les observateurs ? ” et la colonne “ connaissance exigible ” par “ décrire le mouvement d’un point dans deux référentiels différents ”. Pour des physiciens, il va de soi que l’étude du mouvement d’un corps peut se ramener à l’étude du mouvement de l’un de ses points. Pour l’élève, ceci mérite de notre point de vue une activité à part entière (activité 1).
Nous ne faisons pas intervenir la notion de point matériel, qui , en toute rigueur, sous-entend une comparaison entre les dimensions de l’objet et les dimensions pertinentes pour la modélisation. Le modèle présenté aux élèves n’est qu’une conséquence implicite du théorème du centre d’inertie et il n’est pas nécessaire de faire des considérations de dimensions sur l’objet étudié. Ce choix permet d’étudier le mouvement d’un objet sans avoir à se restreindre à des cas particuliers.On rend également explicite qu’on n’explique pas le mouvement mais qu’on se donne les moyens de le décrire c’est-à-dire d’en construire un modèle (pour le physicien on est dans la cinématique). Ce modèle vise à rendre compte de la position et du changement de position d’un système dans le temps et l’espace.
Les deux extraits ci-dessous permettent de d’illustrer ces aspects.Luc Valentin “ L’univers mécanique ” (1983) Hermann“ Au début nous nous limiterons à la “mécanique du point matériel”: le mot objet sera à prendre au sens d’objet ponctuel à l’échelle des problèmes posés. On dit encore, après Newton, “ point matériel ”. Par exemple, une pierre en chute libre au voisinage du sol peut être considérée comme un point matériel à l’échelle de la terre. Il en est de même de la terre à l’échelle de son mouvement autour du soleil, mais il faut la traiter comme un système quant on cherche à décrire les effets de sa rotation diurne. Bref, la notion de point matériel que nous utiliserons souvent par la suite, est une idéalisation par approximation, à justifier selon les problèmes étudiés. ” (p.23)
[on rejoint ici la notion d’ordre de grandeur traitée dans la première partie du programme].
“ L’objet de la cinématique est de décrire les mouvements (ici les points matériels) sans chercher à les interpréter. Si l’on ne se contente pas de vagues impressions, ceci suppose que l’on effectue localement des mesures avec son “mètre” et son “chronomètre” en précisant son système de référence. [...] Mais il appartiendra au physicien d’observer si bien les conditions du mouvement qu’il puisse le reproduire en adoptant pour credo que les mêmes conditions produisent les mêmes phénomènes. ” (p.25)
Joseph Pérès (1953) Mécanique générale Masson et Cie Éditeurs“ ... adoptons la définition suivante : un point matériel est un corps dont les dimensions sont négligeables à l’échelle des observations et dont le mouvement peut, à chaque instant, être assimilé à une translation, en ce qui concerne les vitesse et les accélérations. ” (p.3).
“ ....l’expérience la plus courante nous amène d’autre part à concevoir le lien entre les mouvements et les efforts, ou force, qui agissent sur les corps mobiles. Le but de la Mécanique est de préciser cette conception vague, d’établir, pour représenter les forces en jeu dans un système matériel, des schémas convenables, et d’obtenir enfin des relations mathématiques permettant de traiter les deux problèmes complémentaires suivants :
a) Connaissant le mouvement d’un système matériel, analyser les forces qui sont en jeu ;
b) Connaissant les forces prévoir le mouvement du système.
C’est le second problème, plus difficile et plus important, qui nous occupera essentiellement dans la suite. ” (p. 1).

But: Interaction et force.

Dans la première sous-partie (paragraphe I), par l’intermédiaire de quatre activités, nous introduisons les concepts de système et d’interaction et une première approche du principe des actions réciproques :1. Introduction de la notion d’action suivie de l’introduction de la première partie du modèle qui permettra à l’élève de faire l'inventaire des interactions dans lesquelles est impliqué un système.2. Première mise en œuvre du modèle des interactions.3. Différentes situations d’interactions pour un système choisi.4. Recherche de situations correspondant à un diagramme donné.Dans la seconde sous-partie (paragraphe II), nous introduisons, grâce à trois activités, le concept de force et sa représentation vectorielle :1. Exercice physique permettant aux élèves d'effectuer par eux-mêmes des actions sur un médecine-ball et de décomposer le mouvement en différentes phases.2. Analyse des interactions lors du mouvement du médecine-ball suivie de l’introduction de la 2ème partie du modèle (force).3. Utilisation du modèle conduisant à analyser les situations en terme de variation de la vitesse.Nous reprenons la progression proposée par J.C. Guillaud (thèse de didactique : 'Enseignement et apprentissage du concept de force en classe de troisième' soutenue en 1998 à l'université Joseph Fourier (Grenoble)).

Préparation: Interaction et force.

La 1ère partie du modèle des interactions est distribuée après la 1ère activité. La 2e partie du modèle est distribuée après les 2 premières activités du II, qui visent à illustrer sur une situation particulière (lancer et réception d’un médecine-ball) l’insuffisance de la première partie du modèle.Il est indispensable de respecter cette chronologie dans l’utilisation des modèles.

Savoir: Interaction et force.

Le modèle des interactions est introduit en deux parties bien que ce ne soit que dans sa totalité qu’il puisse prendre toute sa signification pour l’élève. On comprend bien la notion d’interaction (première partie) quand on peut lui associer une représentation (seconde partie).Luc Valentin propose dans ´ L’univers mécanique (1983, seconde édition 1995 Hermann) une réflexion analogue sur les lois de la mécanique :“ Après avoir décrit les mouvements sans souci de ce qui les produit, nous allons maintenant chercher à les interpréter. L’objet de la dynamique est, en effet, de trouver, sinon les causes des mouvements, du moins le “ je ne sais quoi ” qui les régit. Il existe plusieurs façons d’atteindre ce but. Ici, j’exposerai uniquement la démarche, introduite par Galilée et formalisée par Newton, qui consiste à invoquer des forces dès qu’un objet change de vitesse.Plus précisément, Newton fonda la mécanique sur trois lois couplées entre elles : la loi d’inertie, la loi des forces en action et la loi des actions réciproques. Ce sont ces lois qu’on préfère appeler aujourd’hui le principe d’inertie, le principe fondamental de la dynamique et le principe de l’action et la réaction”.La première partie, strictement sur les interactions, occupe ici davantage de place que celle que lui réserve le programme. L’utilisation des diagrammes système-interactions, à laquelle nous réservons une large place, ne figure pas dans le programme. Cette étape nous paraît cependant indispensable à une bonne compréhension du concept de force. La recherche d’un tel diagramme contraint l’élève à se centrer sur l’étude d’un système choisi, en interaction avec d’autres systèmes ; le concept de force est alors un élément du modèle de la physique pour rendre compte au mieux des actions exercées sur ce système.

But: Principe d'inertie et autres lois de la mécanique

Cette partie vise à :
- introduire le principe d'inertie ainsi que la deuxième loi de Newton (sans la nommer) en terme de variation de vitesse et non d'accélération ;
- introduire le vecteur vitesse et sa décomposition selon deux directions perpendiculaires dans le but d’étendre l’application du principe de l’inertie à ces deux directions ;
- étudier l'influence de la masse sur le mouvement ;
- mettre en œuvre le principe d'inertie sur des situations avec frottements pour modéliser ces frottements.

Préparation: Principe d'inertie et autres lois de la mécanique

Temps estimé pour la partie : au moins 3h pour les 5 premières activités, l’activité 6 est facultative.
Les élèves disposent des deux modèles précédents (modèle du mouvement et modèle complet des interactions), ainsi que du modèle des lois de la mécanique qui leur est distribué dès le début de la séance.
Au cours de cette partie, les élèves vont :
- réaliser des « expériences simples »
- reprendre l’activité 5 de la partie I
- utiliser le logiciel « Interactive Physique » (le fichier utilisé dans l'activité 4 est téléchargeable sur le site académique).

Savoir: Principe d'inertie et autres lois de la mécanique

Le programme impose de réserver le nom « principe d’inertie » à l’énoncé « Si les forces qui s'exercent sur un système se compensent, alors la vitesse du système et la direction du mouvement ne varient pas » pour des raisons historiques. Nous avons respecté ce choix dans le modèle même si ceci nous paraît n’avoir que peu d’intérêt (autre qu’historique). En effet, en physique, le principe d’inertie est aujourd’hui formulé comme une équivalence, ce qui sera le cas dès la 1ère S.
Dans ce chapitre, nous avons choisi des exemples variés pour lesquels les forces se compensent ou ne se compensent pas. Nos expérimentations nous suggèrent qu’il est nécessaire de donner aux élèves des critères facilement utilisables pour identifier et distinguer ces différents types de situations.
On peut par exemple proposer aux élèves de terminer le chapitre par un bilan leur donnant des critères simples tels que ceux ci-dessous:
 Aucune force ne s'exerce sur le système : on considère que « les » forces se compensent ;
 Une seule force s'exerce sur le système : « les » forces ne se compensent pas ;
 Deux forces s'exercent sur le système :
o si les forces ont même valeur, même direction et sont de sens opposé alors elles se compensent ;
o dans tous les autres cas (prendre le temps d’expliciter les différents cas, schémas à l’appui, en particulier si les directions sont différentes), les forces ne se compensent pas.
 Trois forces ou plus s'exercent sur le système. On se limite au seul cas de forces ayant une direction commune :
o si la somme des valeurs des forces qui s’exercent dans un sens est égale à la somme des forces qui s’exercent dans l’autre, alors les forces se compensent ;
o sinon, elles ne se compensent pas.

But: La gravitation universelle

 

Le but de cette partie est de faire prendre conscience qu’un objet en mouvement circulaire est soumis à une force ou une résultante de forces (puisque son mouvement n’est pas rectiligne), cette force étant souvent centripète.
Comme le demande le programme, du point de vue du champ expérimental, les élèves sont amenés à interpréter à la fois des mouvements dans notre environnement usuel à “portée de main” et le mouvement des astres en utilisant la loi de l’interaction gravitationnelle.

Préparation: La gravitation universelle

Le modèle doit être distribué et commenté après l’activité 1 et avant l’activité 2
Pour en savoir plus sur le mode de fonctionnement conseillé pour l'utilisation des activités proposées, consulter l'
axe 1 de la rubrique se former.

Parties et activités du thème

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