PEUT-ON ET FAUT-IL ENSEIGNER LE CONCEPT DE L'ENERGIE ET DE SA CONSERVATION QUALITATIVEMENT ET PREALABLEMENT A TOUTE APPROCHE QUANTITATIVE ?

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1 PEUT-ON ET FAUT-IL ENSEIGNER LE CONCEPT DE L'ENERGIE ET DE SA CONSERVATION QUALITATIVEMENT ET PREALABLEMENT A TOUTE APPROCHE QUANTITATIVE ?

2 Le programme 2001 portant sur l'enseignement de l'énergie en 1ère S dans la partie « Physique » introduit dans l’ordre: le travail d'une force en mécanique, l'énergie cinétique et son théorème « restreint » l'énergie potentielle de pesanteur puis l'énergie interne. Ce n'est qu'à l'issue de ce dernier chapitre que le principe de conservation de l'énergie est énoncé.

3 L'objet de ce mémoire est de s'interroger sur la possibilité et sur l'utilité de commencer l'enseignement de l'énergie de façon qualitative et comme un préalable à toutes notions quantitatives.

4 Autrement dit, on se propose d'inverser en partie l'ordre du programme en commençant par aborder:
le concept d'énergie son principe de conservation et ensuite seulement on aborde les aspects quantitatifs : travail d'une force, l'énergie cinétique, l'énergie potentielle de pesanteur et l'énergie interne.

5 Par « possibilité », j'entends :
Est-ce que enseigner ce concept d'énergie et son principe de conservation est faisable et recevable par les élèves ? . Peut-on mettre en œuvre une méthode d'enseignement qui amène les élèves à construire et à apprendre la conservation de l'énergie et à intégrer ce concept créé par l'Homme qu'est l'énergie ?.

6 Par « utilité », j'entends plusieurs choses:
est-ce que enseigner ce concept d'énergie et son principe de conservation est utile aux élèves : Pour leur compréhension future des aspects quantitatifs ? Pour l'utilisation de ce concept dans la résolution de situations problèmes qu'ils rencontreront dans leurs études? Pour établir un lien, une cohérence entre les différentes disciplines de la physique et de la chimie ? Pour élargir cet apprentissage à d'autres chapitres que la mécanique qui sont également abordés sous l'angle énergétique: L'électrodynamique, la chimie...etc ? Parce que le thème de l'énergie est devenu un thème « citoyen » au 21ème siècle et qu'il fait partie d'ailleurs des thèmes transversaux enseignés au collège ?

7 Travaux existants utilisés
Méthode d’enseignement basée sur les chaînes d’énergies qui attribue un rôle central au principe de conservation de l'énergie. (G.LEMEIGNAN et A.WEIL-BARAIS // Pascal BALLINI, Guy ROBARDET, Jean-Michel ROLANDO // TIBERGHIEN A. et MEGALAKAKI )

8 Travaux existants utilisés
Le « raisonnement linéaire causale » très souvent identifié chez les élèves de physique est habituellement un obstacle à l'apprentissage. (VIENNOT // TIBERGHIEN)

9 Le raisonnement linéaire causale opère une double simplification abusive:
Transformation en une succession linéaire (éventuellement chronologique) de ce qui relève d'un raisonnement systémique. Le raisonnement est essentiellement local en ce sens qu'il ne prend pas comme objet d'étude un système caractérisé par son état et ses interactions, mais une entité (énergie par exemple !) qui subit en général un déplacement ou des transformations successives, et qui rencontre des obstacles en cours de route.

10 Réduction de la complexité fonctionnelle: Lorsqu'une grandeur macroscopique dépend de plusieurs variables ou de plusieurs paramètres, les étudiants ont tendance soit à faire intervenir ces variables ou paramètres séparément et non simultanément, soit à les associer ou à les confondre de manière illégitime . Cette tendance apparaît dans le raisonnement spontané des élèves de 1ère mais aussi des étudiants et même des enseignants.

11 des enchaînements reliés par une causalité simple,
En résumé le raisonnement linéaire causal est caractérisé par: des enchaînements reliés par une causalité simple, une réduction de la complexité fonctionnelle, des associations privilégiées entre certaines grandeurs, un traitement local et non au niveau du système de la situation physique.

12 En ce qui concerne les chaînes d'énergie, il peut être au contraire un élément facilitateur car cette méthode s'appuie sur ce schème. Les élèves ont en effet une prédisposition à raisonner en termes de « posséder, donner, recevoir », qui s'appliquera bien aux chaînes d'énergie.

13 CHAINES D’ENERGIE En résumé !

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15 Trouver la chaîne: Partez de l’objet « Ventilateur alimenté ».

16 alimente entraîne entraîne éclaire chauffe agent patient

17 AUTRE EXEMPLE entraîne entraîne chauffe alimente charge alimente entraîne

18 ce qui arrive à l’objet:
alimente entraîne entraîne éclaire chauffe

19 Tourne, prend de la vitesse Tourne, prend de la vitesse
Brille, s’échauffe alimente entraîne entraîne éclaire chauffe Tourne, prend de la vitesse Tourne, prend de la vitesse Tourne, prend de la vitesse S’éclaire, s’échauffe

20 Tourne, prend de la vitesse
AUTRE EXEMPLE Tourne, prend de la vitesse entraîne entraîne chauffe Tourne, prend de la vitesse alimente brûle, « s’use » S’échauffe charge se recharge s’échauffe alimente entraîne se décharge Tourne, prend de la vitesse avance, prend de la vitesse

21 Introduction de l’énergie et du principe de conservation
Les situations différentes précédentes montrent que des objets différents peuvent se transmettre une grandeur physique qui peut prendre différentes formes et qui peut conduire à des effets similaires en suivant différents chemins ou au contraire à des effets différents en partant de points de départs similaires. Cette grandeur physique se transfère donc d’objets en objets en changeant « d’apparence ». La science interprète tous les phénomènes physico-chimiques en faisant appel à une grandeur qu’elle nomme « Energie » qui peut prendre plusieurs « visages » et qui obéit au principe de conservation suivant :

22 L'énergie ne peut être ni créée ni détruite : si un objet gagne ou perd de l'énergie, c’est qu’un ou plusieurs autres objets lui ont cédé ou lui ont pris cette énergie. Autrement dit l’énergie à un instant t2 d’un système (= ensemble d’objets ) bien défini est égale à l’énergie qu’il avait à l’instant t1 augmentée de l’énergie qu’il a reçu de l’extérieur et diminuée de l’énergie qu’il a cédé à l’extérieur entre t1 et t2.

23 4 modes de transferts sont énoncés.
Les modes de stockage ou d’accumulation sont introduits au fur et à mesure en mettant en défaut le principe de conservation lorsque l’énergie ne peut être intuitée par l’élève.

24 Outil diagramme d’énergie
EC,r(t2) rechargeable mini voiture We Wm Moteur électrique PUIS BILAN MATHEMATIQUE SUR LE SYSTEME

25 Les modes de transfert d’énergie entre systèmes
Les formes d’énergies stockées ou accumulables dans un système notation Les modes de transfert d’énergie entre systèmes Energie cinétique de translation EC,t Le travail mécanique Wm Energie cinétique de rotation EC,r Le travail électrique We Energie potentielle de pesanteur (liée au poids des objets sur Terre) Epp Le transfert thermique Q Energie interne d’agitation (reliée à la température d’un corps) Ua Le rayonnement électromagnétique R Energie interne chimique Uc Energie interne nucléaire Un Energie interne physique (liée aux changements d’états) Up Energie interne mécanique Um

26 EC,r Wm Wm Q We Ua + Uc Ua + Up EC,r We Uc Ua We Wm Uc EC,r EC,t

27 Les modes de transfert d’énergie entre systèmes
EN PREMIERE S Les formes d’énergies stockées ou accumulables dans un système notation Les modes de transfert d’énergie entre systèmes Energie cinétique de translation EC Le travail mécanique Wm Energie potentielle de pesanteur (liée au poids des objets sur Terre) Epp Le travail électrique We Energie interne U Le transfert thermique Q Le rayonnement électromagnétique R

28 Le raisonnement linéaire causale naturellement présent dans les réponses à un exercice
Expliquez la problématique posée par le texte suivant: «  On entend ou on lit souvent dans les médias que les réserves d'énergie sur Terre s'épuisent de plus en plus vite en raison d'une consommation croissante sur la planète notamment dans les pays émergents qui se développent rapidement. En physique on dit pourtant que '' l'énergie se conserve ''. »

29 Transformation en une succession linéaire (éventuellement chronologique) de ce qui relève d'un raisonnement systémique. Le raisonnement est essentiellement local en ce sens qu'il ne prend pas comme objet d'étude un système caractérisé par son état et ses interactions, mais une entité (énergie par exemple !) qui subit en général un déplacement ou des transformations successives, et qui rencontre des obstacles en cours de route.

30 => Dans le cas de l’exercice proposé, on constate que l’élève ne prend pas en compte le système TERRE dans son ensemble mais va considérer l’énergie comme une entité qui subit des transformations successives…

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32 CONCLUSION le principe de conservation n'est pas assez mis en avant dans le programme ce principe ne peut être induit chez les élèves mais au contraire doit être enseigné comme un préalable. (avis des spécialistes de didactique) éclairage sur mes acquis scolaires résolution des problèmes quantitatifs et cohérence de l'ensemble d'un point de vue énergétique.... Ce mémoire m'a permis de prendre le recul nécessaire pour pallier ce déficit.