ARTheque - STEF - ENS Cachan | La réforme des programmes

-31-lA DES PROGRAMMES

La commission de rénovation des programmes de physique et de tech-nologie a repris ses travaux. Elle s'est préoccupéeau cours de sa première réunion des problèmes posés par l'expérimentation qui sera mise en route au cours du second semestre dans 80 classes sur les thèmes que nous avons indi-qués dans notre bulletin nO 14. L'expérimentation sur d'autres thèmes est en-visagée pour la suite.

A la demande de Monsieur Harsany nous publions ci-après un document présenté à cette commission. par Nonsieur Gatecel de l'Union des Physiciens de la région parisienne. Ce document expose trois projets de modules d'un contenu plus rêaliste et mieux adapté aux possibilités et aux intérêts des élè-ves que ceux dont on nous a entretenus jusque là.

Le thème sur l'appareil photographique choisi naguère par certains collègues comme sujet de Travaux Scientifiques Expérimentaux ne manque pas d'intérêt.

Le thème sur le gaz carbonique trouverait sans doute sa place dans le cadre d'un enseignement élargi à la classe de Se où il pourrait se dérou'-1er en liaison aVec le cours de géologie. De toute manière il nous paraît trp.s souhaitable que tout projet sur le gaz carbonique ne soit pas établi par les physiciens seuls mais en accord avec les naturalistes de façon à définir sérieusement le contenu que chacun apporterait et le moment le plus opportun pour le faire.

Le thème sur les mécanismes qui tient compte de l'expérience d'un enseignement de technologie est beaucoup plus proche de nos préoccupations passées et actuelles. Bien que toutes les conclusions ne paraissent pas ti-rées d'une enquête très large et approfondie et que le choix des objets rete-nus ne soit pas totalement nouveau ••• nous pensons que pour l'essentiel les idées exprimées rejoindront celles de beaucoup de nos collègues.

La réforme des programmes de Technologie nous concerne au premier chef et le cadre de notre Association permet, à chacun de nous, de faire part à ses collègues de sa propre expérience, expérience déjà longue pour la plupart d'entre nous. Notre Asoemblée Générale de Novembre donnera l'occa-sion d'une confrontation sur ce problème mais le débat ne pourra évidemment être clos. Nous demandons à tous nos adhérents de nous écrire pour faire connaître leur point de vue et leurs suggestions (simple lettre s'ils n'ont pas le temps de rédiger un article) et aux responsables des sections régionales de nous faire parvenir la synthèse de leurs débats sur ce problème pour publication dans nos prochains bulletins.

-)7.-L'APPAREIL PHOTOGRAPHIQUE. Intentions

A partir d'un appareil photographique simple et démontable que des élèves de quatrième ont déjà utilisé ou ont envie d'utiliser, les amener à dé-couvrir quelques principes de base de l'optique géométrique, mais également à observer des phénomènes chimiques.

I - Analyse de fonctionnement.

a) démontage, nomenclature, description des pièces, petit sché-ma pour les situer.

- chambre noire - lentille - pellicule - diaphragme - obturateur - viseur

b) utilisation: les 3 phases de l'acte photogra?hique.

- observation de l'image. Remplacer la pellicule par du pa-pier sulfurisé - placer un objet lumineux devant l'appareil.

- observation d'un négatif (obtenu par développement). - observation du positif (obtenu par tirage).

Au cours de ces observations à partir de l'objet lumineux, voir ce que deviennent les parties éclairées et les parties sombres.

II - Rôle des différentes pièces. 1) La chambre noire.

A partir d'un objet lumineux, la chambre noire permet d'ob-tenir sur un écran dépoli, une tache lumineuse qui ressemble à l'objet.

- principe de la propagation rectiligne miS en place par différentes expériences quantitatives (utilisant les trian-gles semblables 1)

- rayons et faisceau lumineux, réalisation et matérialisation. - conditions d'utilisation optimale de la chambre noire:

• position de l'objet par rapport au trou. • diamètre du trou.

impossibilité d'avoir une tache nette. Comment, à un point lumineux de l'objet, faire correspondre un point lumineux sur le dépoli? Il faut avoir un faisceau convergent.

2) L'objectif .• (On se limite au cas d'objets réels). a) différents types de lentilles.

- distinction à partir du disque optique. - élimination des divergentes.

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- 33.,.

b) étude des foyers des lentilles convergentes .. foyer image et distance focale - foyer objet (- principe du retour

inverse de la lumière) c) formation d'images (réelles).

- réalisation d'images nettes.

(objet à l'infini et diaphragme de

plus en plus petit devant la lentille). (en faisant varier la distance objet

lentille diaphragmée, chercher ex-périmentalement la profondeur de champ).

- application de ceci à la construction de l'appareil simple de photographie -possibilité de perfectionnement sur un appareil moderne.

III - Deux prolongements possibles. 1) Le rôle de la pellicule

- principe des réactions photochimiques. - deux facteurs importants

le temps d'exposition (présence de l'ob-turateur)

l'éclairement (présence du diaphragme) 2) Le projecteur à diapositives

- fonction de l'objet : projeter une diaposi-tive sur un écran. La distance de l'écran au projecteur étant variable» nécessité de régler la position de l'objectif par rapport à la dia-positive.

- étude du grandissement de l'objectif.

CENTRE D'INTERET LE GAZ CARBONIQUE .• l - Hode de formation.

On constate, dans de nombreuses circonstances, la présence ou bien le dégagement d'un gaz dont un ensemble de propriétés permet de re-connaître qu'il s'agit d'un même corps. Ces propriétés sont:

gaz incolore et inodore action sur l'eau de chaux

action sur les indicateurs colorés

- produit par des fermentations levure de boulanger bière

champagne

- produit par le chauffage de la levure alsacienne ou du bicarbonate,

- produit par chauffage du calcaire _)craie )marbre )bicarbonate - produit par réaction du vinaigre sur

produit par les comprimés effervescents produit par les cumbustions du charbon

du gaz naturel du propane ou du butane de l'essence de l'alcool d'une bougie. II - Propriétés.

J) Densité on montrera d'abord que l'air est pesant (avec ballon sur balance) puis que le gaz carbonique est plus pesant que l'air à vo-lume égal.

Conséquence : peut être conservé ou recueilli dans un récipient ouvert si l'ouverture est en haut.

2) Solubilité: envoyer le gaz dans de l'eau froide, montrer le dégagement de bulles quand elle

se réchauffe.

Importance : les eaux naturelles contien-nent du gaz carbonique, dissous.

3) Neige carbonique. III - Combustions.

Comparer les combustions dans l'air, l'oxygène et le gaz carbonique des corps suivants :

- allumette, bougie - fusain - soufre - magnésium - fer - cuivre - aluminium

l'augmentation de masse du magnésium montre, lors de la combustion .. dans l'oxygène, qu'il fixe cet oxygène,

- dans l'air, qu'il fixe un constituant de l'air.

(il peut être nécessaire ici, de montrer que l'air est un mélange).

-35-Conclusions

1) On admet, en généralisant, que toute combustion dans l'oxy-gène est une fixation d'oxyl'oxy-gène et que les combustions dans l'air sont pres-que toutes des fixations d'oxygène.

2) Beaucoup de corps brûlent dans l'oxygène et dans l'air, mais pas le gaz carbonique ; certains brûlent aussi dans le gaz carbonique.

De même, le gaz carbonique n'entretient pas la respiration (pollution de l'air).

IV - Constitution du gaz carbonique. a) Notion d'é12ment carbone.

On part des combustions déjà observées et on complète par de nouvelles expériences. - Combustion du charbon du gaz naturel de la bougie du propane de l'essence du benzène de la naphtaline On voit alors apparaître du charbon et du gaz carbonique suivant le cas.

Conclusions: tojs les corps cités ont en commun l'é-lément carbone.

le gaz carbonique contient du carbone. b) Le gaz carbonique contient de l'oxygène.

Conclusion

1-- application de la conclusion III au corps

obte-tu par combustion du charbon dans l'oxygène cette combustion est une fixation d'oxygène par

le charbon.

2- chauffage d'un mélange carbone"oxyde cuivrique, l'oxyde cuivrique étant le même corps que celui qu'a produit la combustion du cuivre dans l'oxy-gène.

le gaz carbonique contient l'élément oxygène et l'élément carbone,

on l'appelle dioxyde de carbone

application au phénomène de la respiration. V - Réaction avec les bases.

Comment se débarrasser du dioxyde de carbone formé par la res-piration dans les sous"1marins et les vaisseaux cosmiques ?

- réaction avec la il s'est formé un nouveau corps appelé carbonate. rappel des préparations déjà vues utilisant le bicarbonate.

Analogie :

- réaction avec la chaux

rappel de la preparation par chauffage du calcaire

"

Il y a deux sortes de carbonates : expérience dissolution du car-bonate de calcium par excès de dioxyde de carbone.

Applications entartrage des chaudières

rappel du cours de géologie action des eaux chargées de gaz carbonique sur le calcaire.

formation des stalactites.

LES MECANIS1:1ES. 1) Intentions.

1 - 1. - Initiation à la technologie.

Nous souhaitons habituer les élèves à la démarche suivante - un objet technique a été construit pour satisfaire un

besoin précis

- pour arriver à cette fin, quels ont été les moyens mis en oeuvre :

analyse des différentes solutions possibles. justifica-tion des choix faits dans le cas des objets observes. - counnent peut'-on passer de la conception d'un objet à sa

fabrication? Il faut trouver un moyen pour transcrire, avec précision, les intentions et les solutions choi--sies. Ceci mène à une initiation au dessin technique • . - 2.- Initiation à la cinématique.

L'étude des mécanismes doit pouvoir conduite, d'une ma-n1ere très expérimentale, à la notion de mouvement relatif et à la nécessité du choix d'un repère. La complexité des mouvements que l'on peut observer dans un objet technique permettra de justifier la décomposition du mouvement d'un solide: en mouvements élémentai·-res : les six degrés de liberté d'un solide.

Une étude plus· complète sera limitée à des cas particu-liers simples

- un seul degré de translation, - un seul degré de rotation.

- 3 • . EntraLnement au choix d'un modèle.

L'observation des différentes pièces d'un mécanisme fait apparaLtre une première distinction :

- certaines pièces semblent conserver leurs formes mal-gré les actions qu'elles subissent

-37--Pour étudier le mouvement des premières, il sera possible de raisonner sur le modèle du "solidetl

(système parfaitement indéformable). Une observation plus attentive montrera cependant qu'il n'existe pas de

système parfaitement indéformable, le modèle ne représente la réalité qu'en première approximation.

Pour limiter les degrés de liberté d'un solide, on utilise des dispositifs de guidage. Un solide de forme prismatique pourra, par

assurer le guidage en translation rectiligne d'un autre solide. Cependant, pour assurer le mouvement, il faudra ménager un certain jeu entre les piè-ces en mouvement relatif. L'existence du jeu ne permettra de définir le mouvement qu'en première approximation. Le mouvement de translation rec ··

ti1igne sera alors considéré comme le modèle. Suivant la fonction de l'ob-jet. le mouvement réel devra s'approcher plus ou moins du modèle? d'où les dispositifs de rattrapage de jeu, ressorts, ••• etc.

1 - Initiation à la mécanique.

Les diverses p1eces d'un mécanisme sont en interaction. Ces interactions sont, le plus souvent, des interactions de contact. Les ob-servations pourraient, progressivement, conduire les élèves à acquérir les notions suivantes :

- quand une pièce exerce une action sur une autre, il y a éga-lement action réciproque ;

il importe de distinguer les actions qu'exerce une p1ece de celles qu'elle subit ; il faut définir avec précision le système étudié.

Nous ne pensons pas qu'il soit possible, dans le premier cycle, de développer l'étude de ces interactions.

Une expérience pourrait être tentée, dans une autre voie, se-lon le schéma suivant :

dans le cas général, une p1ece soumise à déS actions exté-est mise en mouvement.

dans certains cas, cependant, soumise à des actions exté-rieures, la pièce reste au repos. Avant que l'équilibre s'établisse, la pièce subit une déformation plus ou moins sensible.

- ces déformations Xiiont complexes dans le cas général, mais on peut se limiter à l'étude de deux cas particuliers:

- allonge:ment, - torsion.

- tant que les actions exercées restent inférieures à une certaine limite, la pièce reprend sa forme initiale dès que les actions extérieures cessent limite d'élasticité.

- dans le domaine d'élasticité de l'objet, on peut établir une relation entre déformation et actions extérieures :

- ressorts étalonnés,

2) La méthode.

2 - 1. - Choix des objets.

Les expériences menées actl..'.ellement en 4e et en 3e semblent mon-trer qu'il n'est pas souhaitable de choisir chaque objet dans l'intention d'introduire une notion très précise.

Exemples :- un objet pour étudier la translation rectiligne,

- un objet pour étudier la rotation autour d'un axe fixe, - un objet pour étudier les systèmes déformables, etc ••• Le premier objet étudié devra déjà présenter une certaine com-plexité, de telle sorte que la schématisation, l'introduction de modèles, ap-paraissent nécessaires à une meilleure compréhension du mécanisme. On

rait choisir des objets tels que : - une agrafeuse,

- un verrou,

- une serrure de voiture.

Il serait possible, sans doute, en faisant une étude complète de ces objets, de faire découvrir beaucoup de choses aux élèves, pratiquement tout ce que l'on peut aborder avec eux dans ces classes. 11ais, pour éviter de lasser les il est préférable de varier les objets,

et de n'étudier, à chaque fois, qu'une partie de ces objets d'une manière approfondie. Il n'est pas nécessaire de limiter l'étude aux objets disponibles dans la classe, il est possible de demander aux élèves de faire des observations en dehors de l'école et de rechercher les diverses solutions techniques adoptées pour assurer une même fonction. Chl peut, par exemple, com-parer les dispositifs de guidage en translation sur des objets aussi divers que :

.- une machine à écrire .- une machine à coudre _. une machine à tricoter. 2 ,- 2. - Démarche pédagogique.

- fonction de l'objet: quel besoin doit-il satisfaire, dans quelles conditions ?

étude de l'agencement de l'objet, schématisation de son organi-sation logique ;

- étude plus approfondie d'une partie de l'objet - étude cinématique (§

réalisation d'une maquette mpour mieux comprendre le fonctionnement, la maquette permet de favoriser le passage de la réalité au modèle (§ 1-3)

- interactions mécaniques entre -les pièces (§ 1,,4) - pourrai t··on imaginer d'autres solutions techniques au problème

résolu dans l'objet étudié? Il est possible de faire appel à l'imagination des élèves et à leur sens d'observation qui doit s'exercer, non seulement en classe, mais en dehors de l'école

(§ 2-1).

-39-- quand une solution technique est choisie, comment en assurer

3) Les moyens.

la réalisation? Il n'est pas possible d'aborder ici tous les problèmes posés par la fabrication, mais il importe que les élèves soient informés de l'existence de ces problèmes et con--vaincus de leur importance. On pourrait se limiter aux deux as· pects suivants :

comment décrire, avec précision, en vue de sa fa-brication, un objet qui n'existe pas?

Inkiation au dessin technique - représentation par vues - les coupes.

- comment choisir les cotes qui devront figurer sur ce dessin ?

Existence des tolérances de fabrication. Il ne s'agit pas ici de faire apprendre des codes conven-tionnels mais de mettre en évidence le fait suivant imposer une surabondance de cotes conduit à des dif-ficultés inutiles de fabrication.

3 - 1.- Information des professeurs(Z)

Ceux-ci devraient être bien informés des intentions pédago-giques de cet enseignement pour éviter toute déviation

.- déviation vers un formalisme excessif (voir instructions ac-tuelles relatives à l'enseignement de la technologie). Il s'agit de faire acquérir une méthode, d'habituer à une démar-che, non de faire apprendre un vocabulaire, vocabulaire sans doute nécessaire dans un enseignement plus approfondi de la technologie.

déviation vers un cours de mécanique classique : tendance à la généralisation trop rapide des phénomènes observés et à la conceptualisation (voir les développements sur la notion de force et la composition des forces en classe de 4e). - déviation vers une vulgarisation pure et simple. Seul

l'agen-des organes d'un ensemble complexe serait alors étu-dié. Chaque organe étant une "boîte noire" dont on n'étudie ni le principe de fonctionnement ni les problèmes posés par sa fabrication. Si l'organe est complexe, il faut garder des "boîtes noirestl

, mais une d'entre au moins, doit être

ouverte.

3- 2. - Le matériel.

.. Il n'est pas concevable d'aborder l'étude de ce "thème" dans le premier cycle sans que chaque C.E.S. possède un atelier

<*>

formation. S'il est admis que les professeurs de sciences physiques doivent initier les élèves aux sciences et techniques, il faut qu'ils aient reçu, eux-mêmes, une formation scientifique et technique.

-40--et au moins un aide de laboratoire ayant une formation technique. - L'outillage, les instruments de mesures devraient être fournis

par le CEl1ES ou l'UGAP •

.. Les achats groupés sont moins souhaitables pour les objets tech-niques étudiés. Les professeurs et leurs élèves devraient gar-der une certaine liberté de choix.

Un matériel d'utilisation très souple (type Fischer"Teknic) pour-' rait être utilisé pour réaliser des maquettes.

3 - 3.-· Films.

- Une série de films permettrait d'informer les élèves sur les procédés de fabrication et pourrait les rendre plus sensibles aux problèmes ainsi posés.

- On pourrait également réaliser une série de films de vulgarisa-tion sur des objets techniques complexes qu'il est difficile d'observer en classe.

3- Documents.

Pour aider les professeurs, il faudrait leur fournir des docu-ments dans lesquels ils trouveraient des exemples d'études d'objets tech-niques selon la méthode proposée . Il faudrait même prévoir une grande varié--té de documents , de telle sorte que la libervarié--té de choix des objets, en fonc-tion de l'intérêt des élèves et des possibilités locales d'achat, soit con-servée.

Pour exercer les élèves à la lecture du dessin, il faudrait d'au-tre part réaliser des dessins d'une partie des objets étudiés. L'industrie

ne fournit en général que des dessius beaucoup trop complexes

pour qu'ils puissent faire l'objet d'exercices au cours de ces leçons d'ini-tiation.