Nous avons formulé nos hypothèses en fonction des objets examinés. Dans cette analyse a priori, nous explicitons pour chaque objet :
les observables retenus et les sites (ie questions) dans le questionnaire dans lesquels les rechercher
les réponses possibles au lycée, recueillies dans les manuels de lycée analysés dans les parties B et C.
II.1. Chaîne énergétique
Nous pouvons examiner cet objet par la question A sur l’organisation des objets énergétiques et l’évocation dans la question suivante B sur les difficultés. Grâce à la réponse à ces questions, on peut reconnaître si cet objet existe ou non. De plus, comme la Chaîne apparaît toujours sous forme de schéma (Chapitre C1), on peut aussi observer son apparition par le type de schéma présenté dans les réponses des enseignants. Si un schéma de type maillons-multiples apparaît, c’est une présentation de la Chaîne énergétique. C’est une réponse possible du programme de 1992 car dans le programme de 2000, le Chaîne n’existe plus.
II.2. Schéma énergétique
Sites du questionnaire où rechercher l’objet - Observables :
Exercice 1 : résolution (question commune 1) de l’exercice et Question commune 2 sur l’exercice. Présence et type des schémas énergétiques.
Exercice 2 : Question commune1- question a) de l’énoncé. Question 2) sur l’exercice. Présence et type des schémas énergétiques.
Question A –organisation des objets. L’enseignant ajoute t’il le Schéma énergétique comme objet à enseigner?
II.2.1 Question 2, Exercice 1 - Pendule
« Pensez-vous qu’un schéma peut aider les élèves à comprendre l’exercice ? Si oui, lequel ? (Le réaliser et l’expliquer si nécessaire) »
Cette question permet de savoir si un schéma énergétique est estimé utile pour étudier la situation d’un pendule simple. Elle permet également de solliciter l’enseignant à ce sujet, s’il n’a pas eu spontanément recours à un schéma dans la résolution de l’exercice (question 1). Un schéma du dispositif mécanique est habituellement présent dans cette situation. Mais comme nous situons notre questionnaire dans le sujet de l’Energie, la question sur le schéma est implicite sur son type, et nous attendons une réponse sur le plan énergétique.
Schémas énergétiques possibles au lycée
Des schémas énergétiques de type Chaîne et/ou Bilan sont préconisés en 1992. Dans les chapitres sur les systèmes mécaniques du manuel, il n’existe aucun schéma de type Chaîne ou Bilan. Pour des situations correspondantes à cet exercice, nous ne disposons donc d’aucune référence pour construire un schéma énergétique.
Figure 1. Schéma énergétique suivant ses règles de construction dans le document COAST-MAFPEN
Figure 2. Schéma énergétique suivant ses règles de
construction dans le document d’accompagnement du programme de 2000
Un schéma possible est celui présenté dans le document COAST-MAFPEN (p.137) (figure 1). Dans les manuels de 1e S du programme de 2000, il n’existe aucun schéma énergétique. Mais, si on suit le Document d’accompagnement du programme de 2000, un schéma énergétique est possible (figure 2)
II.2.2 Exercice 2 - Perceuse
Question a : Faire le bilan énergétique du moteur et le représenter par un schéma.
Dans cette question, le schéma demandé est celui à maillon-unique qui sert à présenter un Bilan énergétique. Nous pouvons identifier le type de schéma utilisé par des enseignants.
Question commune 2 : Pensez-vous qu’un schéma peut aider les élèves à comprendre l’exercice ? Si oui, lequel ? (Le réaliser et l’expliquer si nécessaire)
Cette question permet de savoir si un schéma énergétique est estimé utile pour étudier la situation. En particulier le schéma du circuit électrique de la perceuse peut être jugé utile par les enseignants. Le schéma énergétique étant imposé par l’énoncé, il est intéressant de connaître l’opinion des enseignants.
Schémas énergétiques possibles au lycée
Dans le manuel du programme de 1992, il existe deux schémas énergétiques pour cette situation : Bilan de puissance et Bilan énergétique (figue 4).
Un autre schéma possible est celui du document COAST-MAFPEN (figure 5).
En suivant les règles de construction d’un schéma énergétique dans le Document d’accompagnement du programme de 2000, un autre schéma est aussi possible.
Figure 4. Schémas énergétiques possibles pour le Bilan énergétique dans le manuel Hachette (1994)
Figure 5. Schémas énergétiques possible pour un
Bilan énergétique suivant les règles de construction dans le document COAST-MAFPEN
Figure 6. Schémas énergétiques possible pour un
Bilan énergétique suivant les règles de construction dans le document d’accompagnement du programme de 2000.
II.3. Bilan énergétique
II.3.1. Observables
Sites du questionnaire où rechercher l’objet - Observables :
Question A–organisation et question B-difficultés : l’objet est-il sélectionné ? (ie
Exercice 1. Le bilan n’est pas demandé. On recherche donc des expressions spontanées des enseignants. Les observables les sites sont similaires à ceux de l’exercice 1.
Exercice 2. La question a : Faire le bilan énergétique du moteur et le représenter par
un schéma porte directement sur l’objet Bilan et nous permet de le caractériser dans le
rapport personnel de l’enseignant. Les observables retenus et leurs sites sont listés ci-dessous.
Observables et sites pour caractériser la vie du Bilan dans les exercices :
- Usage du mot «Bilan». Sites : résolution de chaque exercice (question 1) et explications (questions 3 et 4) sur les difficultés des élèves et les modifications de l’énoncé.
- Existence et type de schéma énergétique utilisé dans chaque exercice. Nombre des O(e) intervenant dans le schéma.
- Combien d’O(e) interviennent dans la réponse à la question a) de l’exercice 2 sur le Bilan. Quels sont ces O(e)? (la question sur le bilan étant la première, il n’y a pas d’interférences possibles avec les autres questions). Nombre de relations entre les O(e).
II.3.2. Réponses possibles au lycée
Dans le manuel Hachette (1994), seuls 2 exercices posant la question sur le bilan sont résolus en calculant des puissances. Dans le cours sur cette situation « La puissance électrique reçue
est PE = UI. La puissance mécanique utile est Pu = 0. La puissance Joule est PJ = rI2. Aucune puissance utile disponible et pourtant le moteur reçoit une puissance électrique non nulle PE. Une partie de PE est dissipée en chaleur par effet Joule, PJ. L’autre partie, Pp, correspond aux pertes électromécaniques. A vide en régime permanent : PE = PJ + Pp. A la vitesse de rotation 102 tr/s, les pertes électromécanique est Pp = PE - PJ » (p.233)
Aucun exercice sur le Bilan n’est résolu dans les manuels étudiés pour le programme de 2000 (Hachette et Bréal, 2001). En nous appuyant sur le cours dans le manuel Hachette (2001, chapitre «Transfert d’énergie dans un circuit électrique ») et sur les bilans existant (p.166, p168) nous construisons une réponse possible : « Le générateur fournit la puissance
électrique PE au moteur. Une partie de cette puissance électrique est convertie en puissance sous forme mécanique utile PU ; l’autre partie est dissipée par effet Joule PJ sous forme de chaleur à cause de la résistance interne. Le principe de conservation de l’énergie s’écrit : PE = PU + PJ. ».
En résumé, les objets énergétiques peuvent apparaître dans un bilan énergétique pour la réponse du lycée sont au nombre de 5 : Puissance ; Transfert d’énergie, modes de transfert ; Transformation de l’énergie ; Conservation de l’énergie.
II.4. Principe de conservation de l’énergie (PCE)
Sites du questionnaire où rechercher l’objet - Observables :
Question A–organisation et question B-difficultés - Comme l’objet est-il considéré
comme un objet à enseigner? Une de ses formes particulières est elle ajoutée à la liste?
Exercice 1, questions a et b - Présence du PCE général, de la conservation de l’énergie mécanique, du Théorème de l’énergie cinétique.
L’exercice 2, question a. Présence du PCE, écriture en puissance ou en énergie.
II.4.1. Exercice 1- pendule : réponses possibles au lycée
La relation entre le PCE et ses formes particulières (question a : L’énergie
mécanique de S est constante ? Pourquoi ? ).
La forme utilisée pour résoudre l’exercice (question b : Calculer la vitesse de S
lorsqu’elle passe par sa position d’équilibre.)
Dans le manuel Hachette (1994), la correction de l’exercice de référence, n’est pas donnée totalement. Dans le cours, la Conservation de l’énergie mécanique est ainsi énoncée : « Pour
un système isolé dans lequel il n’y a ni frottement, ni réactions chimiques : l’énergie mécanique est constante ; l’énergie microscopique est constante ; la variation d’énergie cinétique est égale à l’opposé de la variation d’énergie potentielle. » (Hachette, p.169). La
vitesse est calculée en utilisant l’équation de Conservation de l’énergie mécanique (Hachette, Application 1, p.169).
Dans le manuel Hachette (2001), une résolution suscincte est proposée à la fin du manuel (ces notes très courtes ne comportent jamais de schémas) : « La tension Tr
reste perpendiculaire au déplacement à chaque instant ; elle ne travaille pas. Seul le poids travaille. Si on néglige les forces de frottement de l’air, l’énergie mécanique se conserve.» (p.312). La vitesse est aussi
calculée en utilisation l’équation de Conservation de l’énergie mécanique. Dans le cours, le Théorème de l’énergie cinétique est aussi utilisé pour calculer la vitesse (p.132).
En résumé, dans le programme de 1992, la Conservation de l’énergie est donc formulée en relation avec l’idée de système isolé {S- Terre} dans des conditions idéales sans frottement (ce qui est le cas implicitement pour cet exercice). C’est l’équation de Conservation de l’énergie mécanique qui est utilisée pour calculer la vitesse. Dans le programme de 2000, la Conservation de l’énergie est formulée en relation avec l’analyse du travail des forces : seul le poids travaille, l’énergie mécanique est donc constante pour un système conservatif. Il y a donc deux possibilités pour calculer la vitesse en appliquant le Théorème de l’énergie cinétique ou la Conservation de l’énergie mécanique.
II.4.2. Exercice 2 -perceuse : observables retenus
Cet exercice nous permet d’examiner l’usage du PCE pour faire un Bilan énergétique (question a) : voir le paragraphe sur le Bilan énergétique.
II.5. Transfert d’énergie
Sites du questionnaire où rechercher l’objet - Observables :
Question A–organisation et question B-difficultés - Cet objet est-il considéré comme
un objet à enseigner? Les modes de transfert sont ils aussi sélectionnés?
Exercice 1. Exercice 2.
II.5.1. Exercice 1- pendule : observables retenus
Cet exercice nous permet d’examiner l’usage du Transfert et de ses modes pour expliquer la Conservation de l’énergie ainsi pour calculer la vitesse. De plus, en observant le schéma proposé pour la question 2 sur cet exercice, nous pouvons voir comment ces objets
apparaissent dans un schéma énergétique éventuel.
II.5.2. Exercice 2- perceuse : observables et réponses possibles au lycée
Evocation des phénomènes de Transfert d’énergie et caractérisation par le mode de transfert lors de la réalisation d’un Bilan énergétique (question a)
Présence de ces objets dans le schéma énergétique (question a).
Identification des Transferts d’énergie et des modes de transfert (question b). Question b : « Quels sont les différents transferts énergétiques. Par quels modes de transfert se font chacun d’eux ? »
Dans les deux programmes, la vie des objets Transfert d’énergie et les modes de transfert sont à peu près la même.
En nous appuyant sur le cours dans le manuel Hachette (1994, chapitre « Transfert d’énergie «), nous construisons une réponse possible : « La perceuse est alimentée par le générateur ;
l’énergie est transférée du générateur à la perceuse sous forme du travail électrique. Le moteur tourne à vide, il transfère l’énergie à l’environnement sous forme de travail mécanique et aussi sous forme de chaleur à cause de l’effet Joule. ».
La réponse proposée par le manuel Bréal (2001) : « Quand le moteur fonctionne, il gagne de
l’énergie électrique. Ce transfert d’énergie s’effectue grâce au travail. En même temps, le moteur perd son énergie électrique qui est transférée à la mèche par le travail et à l’environnement par le transfert thermique. » (p.125)
Le phénomène de Transfert d’énergie est donc toujours décrit en précisant le mode.
II.6. Transformation de l’énergie
Sites du questionnaire où rechercher l’objet - Observables :
Question A – organisation et question B - difficultés : Cet objet est il considéré
comme un objet à enseigner?
Exercice 1. Exercice 2.
Dans les deux exercices, nous voulons examiner l’usage de la Transformation de l’énergie ainsi que sa confusion possible avec le Transfert d’énergie et sa présence dans le schéma
énergétique.
Question c : Quelles transformations d’énergie se produisent lors du fonctionnement de la perceuse ?
La vie de la Transformation ne change pas entre deux programmes, et des confusions entre Transformation et Transfert d’énergie existe dans ces deux programmes (chap.B4).
En nous appuyant sur le cours du manuel Hachette (1994, chapitre « Conservation de l’énergie ») nous construisons une réponse possible : « L’énergie électrique du moteur est
convertie en énergie cinétique. » (p.129)
D’autre réponses sont proposées par le manuel de 2001 : « Eélec → Ec ». (Hachette, 2001, p.192) ; En nous appuyant sur un exercice résolu (Bréal, 2001, p.125), nous construisons une réponse possible plus détaillée : « Le moteur a emmagasiné de l’énergie électrique. Cette
énergie est intégralement transmise à la mèche sous la forme d’énergie cinétique par l’intermédiaire du travail. »
En résumé, la Transformation est un événement entre deux formes d’énergie : l’énergie électrique se transforme à l’énergie mécanique. Nous avons noté dans le chapitre C2 une confusion possible entre la Transformation et le Transfert d’énergie. Par exemple on pourrait trouver pour l’exercice 2 : Le moteur permet de transformer le travail électrique fourni par le
II.7. Approche universelle (AU)
Les sites où l’on peut examiner cet objet : Question A–organisation.
« Dans la liste suivante, quelles sont les notions que vous introduisez dans votre
enseignement sur l’énergie en 1ère S (que vous introduiriez si vous n’enseignez pas en 1ère S). »
L’ordre des objets choisis dans la réponse à cette question peut permettre de caractériser
l’approche de l’Energie utilisée. Réponses possibles au lycée
Proposer un ordre représentatif d’une approche est difficile car en fait cet ordre est très relatif. Nous dégageons donc les différences principales entre ces deux approches à partir des deux programmes du lycée. Celui de 1992 est emblématique à l’AU et celui de 2001 plus proche l’AP.
Programme de 1992 – emblématique de l’AU : - la Chaîne énergétique est en première position.
- le PCE est au début. Cette position et celle de la Chaîne sont emblématiques de l’AU dans la réforme de 1992.
- le Travail est présenté simultanément avec le Transfert d’énergie et les autres modes de transfert : Chaleur, Rayonnement.
- la Chaleur est un mode de transfert.
Dans le programme de 2001 – emblématique à l’AP : - la Chaîne énergétique est absente.
- le PCE est à la fin avant le Bilan.
- le Travail est en première position. Il éloigné du Transfert d’énergie et des autres modes de transfert (Transfert thermique et Rayonnement), car le Travail a une vie indépendante du Transfert d’énergie.
- Chaleur est remplacé par « Transfert thermique » et «énergie thermique».
III. Conclusion
L’analyse ci-dessus a dégagé les observables que nous pouvons retenir dans notre expérimentation à travers notre questionnaire. Nous avons aussi montré les réponses possibles au lycée comme une référence à comparer dans notre analyse des recueilles. Dans les chapitres suivants, nous allons analyser les réponses des enseignants pour étudier les effets des rapports institutionnels du lycée et de l’université sur leur rapport personnel à l’Energie.