Conceptions en mécanique

Le mouvement et les forces T = t0, lâche la balle T = t0+t la balle touche le sol

Résultats (Mc Closkey, 1983) Etude auprès de lycéens et d’étudiants, filières scientifiques… 45% savaient qu’elle continue d’avancer pendant sa chute 49% pensaient qu’elle tombait à la verticale à l’aplomb de l’endroit où on l’a lâchée 6% croyaient que la balle reculait en tombant impétus

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?

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

Les influences externes Jean Buridan (Xième siècle) “ Quand une personne met un corps en mouvement, elle lui communique un certain impetus, c’est à dire une certaine force le rendant capable de se déplacer dans la direction où la personne l’a engagé : vers le haut, le bas, sur le côté ou bien en cercle. C’est grâce à cet impétus qu’une pierre continue à se mouvoir après que le lanceur a cessé de l’accompagner ”.

Galilée, De Motu (1590) “ Pour qu’un corps pesant puisse se mouvoir vers le haut sous l’effet d’une 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 l’avons 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. C’est ce que je considère la véritable cause de l’accélération du mouvement ”

Les lois de la mécanique XVII ième siècle : première formulation du principe d’inertie par Descartes en l’absence 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 d’inertie)

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 d’autres réponses incorrectes On fait tourner une balle au bout d’un fil. On la lâche.

Ce n’est pas la force sur l’objet mais de l’objet En mécanique: la force La force n’est pas vue comme une grandeur caractérisant une interaction mais caractérise plutôt l’objet « 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 n’est pas la force sur l’objet mais de l’objet

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 L’accélération est due à l’augmentation de la force

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, 66 - 71). 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 FG , sinon la pièce descendrait. » B A E

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 l’objet en mouvement, et s’use en même temps que son effet (le mouvement).

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

Intérêt des conceptions C’est une recontruction du chercheur C’est un outil d’analyse statistique des erreurs des élèves Il ne s’agit pas de prévoir des réponses précises pour un élève donné C’est souvent à travers leurs conceptions que les élèves interprètent les situations proposées par l’enseignant.