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Conceptions en mécanique Niveau collège, lycée, université.

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1 Conceptions en mécanique Niveau collège, lycée, université

2 Le mouvement et les forces T = t 0, lâche la balleT = t 0 +t la balle touche le sol

3 Résultats (Mc Closkey, 1983) Etude auprès de lycéens et détudiants, filières scientifiques… 45% savaient quelle continue davancer pendant sa chute 49% pensaient quelle tombait à la verticale à laplomb de lendroit où on la lâchée 6% croyaient que la balle reculait en tombant impétus

4 Les premières théories: Aristote Aristote (4 siècles avant JC) Les mouvements inanimés ont deux types de mouvement le mouvement naturel: les corps lourds se dirigent vers le centre de la Terre, les corps légers se dirigent vers le haut. Le mouvement violent: Pb: pourquoi un objet lancé continue son mouvement?

5 Limpetus… Avicenne (XIième siècle) Un projectile se déplace en ligne droite dans la direction imprimée au départ jusquà ce que limpetus initialement transmis soit entièrement dépensé ; le projectile marque alors un temps darrêt, puis son poids naturel lui fournit un impetus vertical qui le fait tomber droit vers le sol.

6 Les influences externes Jean Buridan (X ième siècle) Quand une personne met un corps en mouvement, elle lui communique un certain impetus, cest à dire une certaine force le rendant capable de se déplacer dans la direction où la personne la engagé : vers le haut, le bas, sur le côté ou bien en cercle. Cest grâce à cet impétus quune pierre continue à se mouvoir après que le lanceur a cessé de laccompagner.

7 Galilée, De Motu (1590) Pour quun corps pesant puisse se mouvoir vers le haut sous leffet dune force, il faut lui communiquer une force supérieure à son poids résistant ; dans le cas contraire, le poids résistant ne pourrait être surpassé et le corps ne pourrait aller vers le haut. En résumé un corps ne peut monter que si la force motrice imposée est supérieure au poids résistant. Mais comme cette force, nous lavons montré, est constamment affaiblie, elle deviendra trop petite pour dépasser le poids du corps et ne pourra alors mouvoir le corps au delà de ce point. Au-delà, comme la force imposée continue caractéristiquement à décroître, le poids du corps devient prédominant et par conséquent, le corps commence à tomber. Il reste que, au début de la descente, la force qui propulse le corps vers le haut est encore importante, ce qui lui confère de la légèreté, bien que la force ne puisse contrebalancer le poids du corps. Pour cela, le poids essentiel du corps est diminué par de la légèreté et par conséquent, le mouvement est plus lent au début. De plus, comme la force externe continue à diminuer, le poids du corps, combattu par une résistance en voie de diminution, augmente et le corps se déplace de plus en plus vite. Cest ce que je considère la véritable cause de laccélération du mouvement

8 Les lois de la mécanique XVII ième siècle : première formulation du principe dinertie par Descartes en labsence de forces, un corps au repos reste au repos, un corps ayant déjà une vitesse continue sa marche en ligne droite et sa vitesse ni varie ni en direction, ni en sens, ni en valeur 1687: Newton publie les Principia Mathematica (le premier = principe dinertie)

9 Les conceptions sont tenaces… Test avec étudiants, lycéens 51% tracent une trajectoire post-rupture correcte 30% pensent que le mouvement circulaire persiste et que la trajectoire est courbe 19% donnent dautres réponses incorrectes On fait tourner une balle au bout dun fil. On la lâche.

10 En mécanique: la force La force nest pas vue comme une grandeur caractérisant une interaction mais caractérise plutôt lobjet « La force de la masse vers le haut », « la masse a de la force vers le haut, sans ça comment tiendrait-elle en l air en haut de la trajectoire ? » (Viennot, 1989) Ce nest pas la force sur lobjet mais de lobjet

11 Force et mouvement Si un objet est en mouvement, il existe une force qui agit sur lui (ou il a une force), dans le sens du mouvement. Représentation graphique de la force-élan-impétus À une vitesse constante correspond une force constante la vitesse est proportionnelle à la force Laccélération est due à laugmentation de la force

12 Un autre exemple Une pièce de monnaie est lancée à partir d'un point A en ligne droite dans l'air et rattrapée à un point E. Sur la ligne de gauche du dessin, tracer une ou plusieurs flèches montrant la direction de chaque force qui agit sur la pièce quand elle est au point B (trace des flèche plus longues pour des forces plus grandes) J. Clement (cité par L. McDermott ou voir American Journal of Physics (1982, 50, ). Réponse typique: « Quand la pièce monte, la "force de la main" diminue à mesure qu'elle fait déplacer la pièce. Quand la pièce de monnaie monte cette force doit être plus grande que F G, sinon la pièce descendrait. » A E B

13 Conception Si dans la question le mouvement est observé ou présenté sous forme d'un diagramme (directement accessible) deux cas se présentent : il y a compatibilité entre force et vitesse (force et vitesse de même sens ou les deux nulles), alors l'étudiant répond correctement (la force agit sur la masse); il n'y a pas compatibilité, alors l'élève propose une "force de la masse" (et non agissant sur), elle est alors proportionnelle à la vitesse (L. Viennot : "capital force"). Ce capital force est étiqueté de façons très diverses : force-élan-inertie-énergie. Il est la cause du mouvement, stocké dans lobjet en mouvement, et suse en même temps que son effet (le mouvement).

14 Changement conceptuel - Dykstra (1992) Sens commun Mouvement Repos Principe dinertie Mouvement rectiligne uniforme Mouvement accéléré Changement des catégories de base pour interpréter le mouvement

15 Intérêt des conceptions Cest une recontruction du chercheur Cest un outil danalyse statistique des erreurs des élèves Il ne sagit pas de prévoir des réponses précises pour un élève donné Cest souvent à travers leurs conceptions que les élèves interprètent les situations proposées par lenseignant.

16 Conceptions en électrocinétique Niveau collège, lycée, université

17 Exemple de situation A B

18 Questions adressées aux élèves Laquelle des deux ampoules A et B brillera le plus? Ou brilleront-elles pareil? Expliquez votre réponse

19 Une autre situation

20 Analyse des réponses (15 ans) Total n=303Sciences n = 125 non sciences n = 178 Pareil (2)62%63%61% Pareil (5)27%34%21% De – en – de 1 à 5 26%21%30%

21 Interprétation du didacticien JL Closset : « Tout se passe comme si la pile constituait une réserve de quelque chose de matériel (nommée : courant, électricité, électrons) qu'elle fournit au circuit à débit constant. Le raisonnement se fait en terme d'une notion unique le "courant" qui est fourni par la pile et qui se déplace dans le circuit sans influence de l'aval sur l'amont »

22 Explications des élèves Causalité linéaire La pile (cause) : - donne de l'électricité"; ce débit est une caractéristique de la pile; - est usée après un certain temps. L'ampoule (effet) : - utilise l'"électricité", ou encore consomme cette "électricité"; - donne de la lumière; - peut chauffer (dans certains cas). Le "courant" (médiateur): - se déplace à partir de la pile vers l'ampoule. L'interprétation et la prédiction sont basées sur une relation causale liée à l'action d'allumer

23 Savoir physique / de lélève pour lélève: la pile est un réservoir de courant, qui donne du courant à lampoule, elle-même consommatrice de courant. pour le physicien: la pile est un réservoir dénergie, caractérisé par une potentialité et une tension, qui fournit de lénergie sous forme de courant de charges à une ampoule qui est un transformateur dénergie se laissant traverser plus ou moins facilement par le courant du fait de sa caractéristique nommée résistance

24 Principales conceptions Les concepts de courant, d'énergie, d'électricité et de tension sont utilisés de manière interchangeable. À la sortie d'un composant du circuit, la quantité de courant est moindre qu'à lentrée (modèle d'usure). le courant électrique = le voyage de quelque chose (électrons par exemple) le long du circuit ; cette entité mal définie, au cours de son voyage, subit une série d'aventures locales et sans rétroaction de l'aval sur l'amont (raisonnement séquentiel). Le générateur est la source du courant. Le reste du circuit est au départ vide de lentité qui y circulera. Pour un générateur donné, le courant qui en sort est toujours le même peu importent les composants du circuit (raisonnement en courant constant).

25 récapitulatif

26 Conceptions sur les ombres et la lumière Niveau Primaire et plus…

27 Exemple de situation

28 Réponses délèves CP: les élèves ne choisissent que la forme identique Peu à peu, les autres formes (sauf 0) sont choisies, avec une préférence pour les formes conservant la propriété « parallèle » « la forme de lombre doit conserver la forme de lobjet initial »

29 Interprétation: causalité formelle lombre est réifiée, indéformable, elle est identique à lobjet qui la créée

30 Les 4 causalités dAristote la causalité efficiente Utilisée quand on peut mettre en jeu une explication qui a deux propriétés essentielles: elle sexerce tant que leffet a lieu. elle sexerce toujours au contact de deux objets et produit des effets là où elle sexerce. Elle est souvent utilisée quand il y a un changement brusque : allumage ou extinction dune ampoule, mise en mouvement dun objet immobile. Exemple: Cest parce que je pousse le landau quil avance, il sarrête quand je ne pousse plus.

31 Les 4 causalités dAristote la causalité formelle elle permet dexpliquer en quoi la matière peut induire la forme des objets qui en seraient constitués et issus Exemple 1: il est normal que la descendance dun animal présente les mêmes caractéristiques que ses géniteurs. Exemple 2: les dimensions de lombre sont identiques à celles de lobjet (cf dessin denfant CP-CM2).

32 Les 4 causalités dAristote la causalité finale selon Aristote, la cause signifie la fin Elle est utilisée lorsque lexistence dun objet est justifiée de par sa fonction présente ou future. Elle est souvent utilisée avec la causalité formelle. Exemple : la bouteille thermos garde la chaleur parce quelle est faite pour ça.

33 Les 4 causalités dAristote la causalité matérielle le comportement dun objet est lié à son essence, à la nature des matériaux qui le constituent. Exemples : un bonbon na pas dombre, car on le mange la terre na pas dombre car elle est trop grande quand un homme marche au soleil il a une ombre, la moto na pas dombre car elle va trop vite loiseau na pas dombre car il nest pas debout la lune na pas dombre parce quelle est jaune être chaud est une propriété de la laine, être froid est une propriété du fer.


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