Conceptions en mécanique

1. Conceptions en mécanique Niveau collège, lycée, université

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

3. 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

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. 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.

6. 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 ”.

7. 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 ”

8. 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)

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

10. 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

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 • L’accélération est due à l’augmentation 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, 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

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

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

15. 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.

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 2 1 3 4 5

20. Analyse des réponses (15 ans)

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 l’élève • pour l’élève: la pile est un réservoir de courant, qui donne du courant à l’ampoule, elle-même consommatrice de courant. • pour le physicien: la pile est un réservoir d’énergie, caractérisé par une potentialité et une tension, qui fournit de l’énergie sous forme de courant de charges à une ampoule qui est un transformateur d’énergie 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 l’entrée (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 l’entité 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 d’élèves • 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 l’ombre doit conserver la forme de l’objet initial »

29. Interprétation: causalité formelle l’ombre est réifiée, indéformable, elle est identique à l’objet qui l’a créée

30. Les 4 causalités d’Aristote • la causalité efficiente Utilisée quand on peut mettre en jeu une explication qui a deux propriétés essentielles: • elle s’exerce tant que l’effet a lieu. • elle s’exerce toujours au contact de deux objets et produit des effets là où elle s’exerce. Elle est souvent utilisée quand il y a un changement brusque : allumage ou extinction d’une ampoule, mise en mouvement d’un objet immobile. Exemple: C’est parce que je pousse le landau qu’il avance, il s’arrête quand je ne pousse plus.

31. Les 4 causalités d’Aristote • la causalité formelle  elle permet d’expliquer en quoi la matière peut induire la forme des objets qui en seraient constitués et issus Exemple 1: il est normal que la descendance d’un animal présente les mêmes caractéristiques que ses géniteurs. Exemple 2: les dimensions de l’ombre sont identiques à celles de l’objet (cf dessin d’enfant CP-CM2).

32. Les 4 causalités d’Aristote • la causalité finale  selon Aristote, “ la cause signifie la fin ” Elle est utilisée lorsque l’existence d’un 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 qu’elle est faite pour ça.

33. Les 4 causalités d’Aristote • la causalité matérielle le comportement d’un objet est lié à son essence, à la nature des matériaux qui le constituent. Exemples : un bonbon n’a pas d’ombre, car on le mange la terre n’a pas d’ombre car elle est trop grande quand un homme marche au soleil il a une ombre, la moto n’a pas d’ombre car elle va trop vite l’oiseau n’a pas d’ombre car il n’est pas debout la lune n’a pas d’ombre parce qu’elle est jaune être chaud est une propriété de la laine, être froid est une propriété du fer.