Déplacement des objets sur un plan incliné - Cours

SOMMAIRE
ANNEXE A1: La modélisation et les concepts fondamentaux de mécanique dans
les programmes scolaires français en sciences physiques 6
Résumé 7 Introduction 7
1.1 L'enseignement scientifique à l'école primaire 7
1.1.1 Le modèle et la modélisation dans l'enseignement scientifique à
l'école primaire 9
1.1.2 Le concept d'énergie et de plan incliné dans l'enseignement
scientifique à l'école primaire 9
1.2 L'enseignement des sciences physiques au collège 10
1.2.1 Le modèle et la modélisation dans l'enseignement scientifique au
collège 11
1.2.2 Le concept d'énergie, de vitesse, de force et de plan incliné dans
l'enseignement scientifique au collège 12
1.3 L'enseignement des sciences physiques au Lycée 13
1.3.1 Le modèle et la modélisation dans l'enseignement scientifique au
lycée 15
1.3.2 Le concept d'énergie, de vitesse, de force et de plan incliné
dans l'enseignement scientifique au lycée 16
Conclusion 21 Annexe A2 : Analyse qualitative de déplacement d'objets sur un plan incliné
22
Résumé 23 Introduction 23
2.1 La situation problématique 23
2.2 la représentation mentale du problème construit par les experts et les
novices 24
2.3 Analyse qualitative 27
2.4 Analyse - traitement 29
2.4.1 Stratégie dynamique - cinématique 29
2.4.2 Stratégie énergie-cinématique (le principe de la conservation de
l'énergie mécanique) 31
2.4.3 Théorème de l'énergie cinétique 32
2.4.4 Existence de frottements 33
CONCLUSION 34 ANNEXES A3 : La physique par l'image 36
3.1 Questionnaire avec 'la physique par l'image' 37
3.2 Les grilles d'analyses de 'La Physique par l'image' 39
3.3 Comparaison : expériences réalisées physiquement / expériences
représentées sur l'écran de l'ordinateur 81
ANNEXES A4 : ModelsCreator 83
4.1 Questionnaire avec ModelsCreator 84
4.2 Grilles d'analyses de modelscreator 88
ANNEXES A5 : les figures représentant les interfaces des logiciels en
couleur 105
ANNEXE A1: La modélisation et les concepts fondamentaux de mécanique
dans les programmes scolaires français en sciences physiques RÉSUMÉ
Ce chapitre présente la façon dont sont abordés la modélisation et les
concepts fondamentaux de mécanique concernant la situation du plan incliné
dans les programmes officiels et les manuels scolaires. Cette analyse est
menée sur le programme et les manuels du CE2 (début de l'enseignement
scientifique) jusqu'à la terminale scientifique. L'objectif est de mettre
évidence les différentes étapes de l'apprentissage de la modélisation et de
ces concepts.
Nous avons analysé l'emploi des notions de modèle et modélisation en
étudiant les différentes définitions ainsi que les parties des programmes
et manuels scolaires dans lesquels ces notions apparaissent. Ensuite, les
concepts, principes et lois qui concernent la situation du dépalcement d'un
objet sur un plan incliné (energie, force, lois de Newton, etc.) sont
analysés. Pour ce faire, nous avons procédé à l'étude des définitions, des
parties du programme et des manuels impliquant ces notions, l'analyse de
l'introduction des concepts et des exercices proposés dans les manuels.
Introduction
Nous présentons la modélisation et les concepts fondamentaux de mécanique
dans les programmes scolaires français en sciences physiques pour pouvoir
évaluer les réponses des élèves à nos questions lors de l'expérimentation
au regard des connaissances acquises à l'école. La modélisation peut être
vue (du point de vue cognitif) comme un processus d'élaboration d'une
représentation (explicite, communicable, "calculable") qui ne relève pas
seulement d'activités cognitives individuelles. En effet, les concepts
mobilisés dépendent des connaissances transmises à l'école. Par conséquent,
la modélisation implique nécessairement un rapport de l'individu à la norme
et le partage de savoirs..
Nous discuterons de l'initiation à la modélisation, considérant qu'elle
commence dès l'école primaire dans le but de former les élèves à la
démarche scientifique et technologique.
1.1 L'enseignement scientifique à l'école primaire
L'enseignement des sciences débute en CE2. D'après les programmes
officiels, « l'enfant doit acquérir les connaissances et les compétences
fondamentales qui lui permettront d'accéder à la maîtrise intellectuelle et
pratique du monde. Cet enseignement a pour objectif de faire acquérir les
méthodes propres à la démarche scientifique (observer, analyser,
expérimenter, puis représenter) et technologique (concevoir, fabriquer,
transformer). Il vise également à développer les qualités correspondantes :
objectivité, sens de la preuve et du projet, ... » (ministère de
l'éducation nationale de la recherche et de la technologie: www.education-
gouv.fr). Les instructions officielles précisent que « l'élève doit
apprendre à construire des problèmes, à formuler des hypothèses, à
expérimenter et à raisonner à partir d'observations pour parvenir aux
solutions » (Guichard J. & Zana B., 1999). Les élèves apprenrennent à poser
des questions, chercher des réponses et conduire leurs actions, à en
prévoir les résultats, à anticiper les événements et à les expliquer par la
parole ou par un codage. Les fonctions cognitives des modèles sont diverses
(représenter, expliquer, communiquer, convaincre, prévoir, etc.) (Weil-
Barais, 2002). Les élèves sont initiés dès l'école primaire à la
modélisation.
A la fin du cycle III, l'enfant doit être capable de :
- faire des observations à partir de dispositifs construits en
classe ;
- utiliser des objets techniques ;
- isoler une variable et mettre en place des expériences pertinentes ;
- faire des mesures des phénomènes étudiés ;
- présenter les résultats à l'aide de graphiques, de courbes et de
schémas ;
-interpréter, argumenter et discuter une preuve.
L'élève apprend en s'appuyant sur des images ou sur des situations qui lui
sont familières, et en utilisant des objets techniques usuels. Il observe,
manipule, compare, classe et construit. Peu à peu, il acquiert un
vocabulaire et une syntaxe scientifique. Nous savons que les expériences
réalisées par les élèves dans le monde réel, la manipulation des objets et
les actions sur les objets, jouent un rôle fondamental. A partir de leurs
activités et des connaissances dont ils disposent, les enfants construisent
des représentations mentales pour rendre compte de régularités (les
schèmes) (Vergnaud, 1987, 1993). A partir du monde réel, ils apprennent peu
un peu la méthode scientifique et l'utilisation d'un langage spécifique.
1.1.1 Le modèle et la modélisation dans l'enseignement scientifique à
l'école primaire
Un savoir scientifique correspond à des connaissances construites à partir
de l'observation de ce qui nous entoure, et de la réflexion qui en découle,
complétée par des nouvelles investigations qui peuvent prendre des formes
différentes : observation, expérimentation, élaboration des modèles,
recherche documentaire (cf. J. Guichard, 1998). Il est important de mettre
les élèves en situation de recherche car cela leur permet d'apprendre à
observer, à expérimenter, à modéliser, à construire.
Certains ouvrages destinés aux enseignants présentent les modèles en
précisant qu'ils peuvent être de différentes natures et avoir des fonctions
différentes. Les modèles peuvent être des objets de type maquette ou modèle
réduit, des schémas figurant les relations entre éléments d'un corps ou
paramètres d'une situation, des analogies ou des structures abstraites dont
certaines sont mathématiques. Les modèlent permettent de décrire,
d'expliquer ou de prévoir. C'est une construction de l'esprit qui
ambitionne, en se substituant à la réalité, d'en expliquer certains
aspects. De plus, ils ont une utilité heuristique (promouvoir de nouvelles
recherches) et une utilité didactique (faire comprendre).
Le terme modèle ne figure pas dans les manuels scolaires des élèves (partie
« cours »). Par contre, dans les fiches d'activités que l'enseignant donne
aux enfants, on rencontre les termes modèles, schémas, schématisation,
montage et dispositifs.
Même si le terme de modèle n'a pas encore été définit, l'élève le rencontre
à partir du CE2. Les modèles qu'ils rencontrent font plutôt référence aux
maquettes. Les fonctions du modèle apparaissent aussi de façon implicite :
il sert à décrire (système solaire), à expliquer et à prédire (les élèves
utilisent les modèles pour tester leurs hypothèses). Soulignons que l'élève
est initié à la manipulation de nombreux systèmes symboliques comme les
dessins, les schémas, les courbes et les graphiques. Un savoir scientifique
correspond à des connaissances construites à partir de l'observation du
monde qui nous entoure.
1.1.2 Le concept d'énergie et de plan incliné dans l'enseignement
scientifique à l'école primaire
L'énergie est un concept difficile à construire parce que ce terme est
employé dans divers domaines : économique, écologique, dans le langage
quotidien, etc. Ils existent donc différentes acceptions au mot énergie. La
compérehension du terme énergie pour les élèves est souvent influencée par
le langage courant.
Le concept d'énergie est introduit en CE2. L'élève doit prendre conscience
qu'on a besoin d'énergie pour vivre, pour s'alimenter, etc. Selon le
programme scolaire, les objectifs notionnels sont :
. L'utilisation d'une source d'énergie est nécessaire pour chauffer,
éclairer, mettre en mouvement.
. Le