L'ÉNERGIE À L'ÉCOLE ÉLÉMENTAffiE
Pierluigi RIANI
DipartimentodiChimica e aÜmica Industriale - Pisa, Italie
MOTS CLÉS: ÉCOLE ÉLÉMENTAIRE· ÉNERGIE - CHALEUR· TRANSFORMATION
RÉSUMÉ: On présente une section d'un projet pour l'introduction du concept de J'énergie dans J'école élémentaire; cette section est limitéeà quelques aspects physiques. On attribue une grande importanceàla transformation, par laquelle on peut arriveràune première acquisition du concept de conservation de l'énergie.
SUMMARY: A section of a project for introducing the concept of energy in the elementary school is presented; this section islimitedto sorne physical contents. Agrea[importance is attributed to Ùle transformation, by which pupils can obtain a fus! acquisition of the concept of the energy conservation.
A. GIORDAN, J.-L. MARTINAND et D. RAICHVARG, Actes JIES XIV, 1992
1. INTRODUCTION
Le problème de l'énergie est un problème dont on parle très souvent, soit dans l'école, soit dans la vie quotidienne. On parle des réserves d'énergie, des guerres pour le pétrole, du danger nucléaire etc. Mais qu'est-ce que l'énergie? Peut-on introduire ce concept dans J'école élémentaire d'un point de vue scientifique?Laquestion n'est pas traitée d'une façon satisfaisante dans les manuels. On ne parle presque jamais des aspects physiques fondamentaux; on souligne toujours seulement les aspects biologiques et l'équivalence chaleur-énergie, et tout cela sans aucune explication véritable. Deux exemples:
• Les plantes capturent l'énergie du Soleil et l'emmagasinem dans les sucres; - Lachaleur est une fonne d'énergie.
On peut penser, d'après la première affinnation, que J'énergie est une substance. Pour la deuxième, l'enfant ne connait ni l'énergie. ni la chaleur. On a donc pensé de commencer une recherche en vue d'une façon possible d'introduire le concept physique d'énergie dans l'école élémentaire. La recherche està présent dans une phase assez avancée; on travaille avec deux écoles de Lucca, ville moyenne près de Pisa.
2. ANALYSE DE LA SITUATION
On a procédé à des discussions de groupe avec les élèves. L'échantillon n'a pas été nombreux: 30 enfants pour le premier cycle (classes 1 et 2, 6à 8 ans), 40 enfants pour le deuxième cycle (classes 3, 4 et 5, 8àIl ans) ; les groupes de discussion étaient de 10 enfants. On est arrivé aux résultats suivants:
1) Quand on parle d'énergie on pense toujours à un effort: courir, soulever un poids, lancer un objet; 2) En se limitantàquelques uns des enfants les plus agés. on pense aussi àcertains aspects économiques et sociaux du problème: économie d'énergie, réserves d'énergie, coût de l'énergie (électrique, sunout) ;
3) Il Ya aussi des informations concernant l'alimentation (messages publicitaires) ;
4) Il n'y a aucune connaissance concernant les rapports physiques énergie d'un objet· mouvement (ou d'autres caracteristiques) de cet objet.
3. PROJET DIDACTIQUE. ÉNERGIE MÉCANIQUE
On commence avec un travail qui porte sur les relations ordinales fondées sur une évaluation de J'effort :
a) Il faut lancer le même objet (un ballon de poids 1 kg) avec des vitesses différentes;
b) Il faut lancer des objets de poids différent avec la même vitesse (ce n'es! pas simple; toutefois il y a sûrement la sensation que pour lancer un objet plus lourd un effort plus grand est nécessaire).
Ce travail est possible avec touS les enfants; avec les élèves les plus âgés (deuxième cycle) on peut aussi procéderàunexamen des effets possibles d'un effon :
Situation de départ A Effort -> Etat final B
On doit souligner le procédé de comparaison, qui poneàl'identification des transfonnations entre A et B. Avec la même situation initiale, onpeutavoir une transfonnation différente:
Situation de départ A Effort .> Etat final C Une comparaison entre les états B et C est donc nécessaire.
On peut maintenant arriveràl'identification d'un procédé pour passer de l'étatBàl'étatCet vice-versa.Une"emple:
a) On lance une boule. Boule en reposàun certain niveau -> Effort-> Boule en mouvement au même niveau (État1). b) On soulève une boule et on l'appuie
surun planàunniveau plus élevé. c)La boule en mouvement monte sur
unplan incliné ets'arrête à un niveau plus élevé.
d) Laboulesur le pJan plus élevé est
ap-puyéesur un planincliné etsemet en mouvement
Boule en reposàun cenain niveau
->
Effort-> boule en reposàun niveau plus élevé (État 2). On passe de l'état 1àl'état 2 sans aucun effort.On passe de l'état 2àl'état 1 sans aucun effort.
On peut donc arriveràquelques conclusions:
1) Un effort peut produire du mouvement, un corps en mouvement a de l'énergie. Donc un effort peut produire de l'énergie. C'est évident qu'il n'y a pas de définition; d'ailleurs une définition de la grandeur énergie n'est pas possible.
2) On peut déduire, d'après les premières expériences, que l'énergie est liéeàla vitesse et au poids (ce serait la masse, mais c'est difficile de parler de masse avec des enfants de l'école élémentaire). 3)Uneffort peut produire un résultat différent: le corps ne change pas de vitesse. Pourtant quelque chose se passe, car on peut obtenir un changement de vitesse après, sans d'autres efforts.
Un effortpeU!donc avoir deux effets différents, mais ces effets peuventêtrechangés l'un avec l'autre. IIya un effet parfaitement visible, le mouvement;àcet effet est liée l'énergie cinétique. Ilya un effet moins visible, le changement de niveau. qui constitue une espèce de réserve d'énergie;àcet effet estliéel'énergie potentielle.
L'identification de l'existence de deux espèces d'énergie est très importante pour l'introduction du concept principal, celui de la conservation. Il s'agit d'une acquisition partielle de ce concept, d'une façon qualitative; il est toutefois important de voir comment on peut passerd'uneforme à l'autre.
L'énergie potentielle est une "réserve" d'énergie; la séquence temporelle peut rendre évident cela:
- Travail (effon) ; l'objet acquiert de l'énergie potentielle; - L'énergie potentielle peut être gardée longtemps;
- Après n'importe quel temps, on peut récuperer l'énergie. sous fonne d'énergie cinétique.
Le concept d'énergie potentielle peut être renforcé avec l'énergie potentielle élastique; c'est avec les phénomènes de l'élasticité qu'on peut comparer l'énergie potentielle au remontage d'une montre. Le jouet de la catapulte, qui est assez facileà consrruire, est très amusant et très intéressant; on a employé une catapulte comme celle representée en fig. 1.Avec enfants âgés de 9à II ans, la compréhension des aspects de cette expérience est complète; la plupart identifient dans les élastiques de la catapulte remontée le siège de l'énergie potentielle.
4. PROJET DIDACTIQUE: CHALEUR ET ÉNERGIE
La première question est la distinction entre chaleureltempérature; malheureusement il s'agit d'une distinction qui n'est pas possible au niveau de l'école élémentaire. En effet un échange de chaleur entraîne presque toujours une variation de température, avec l'exception des situations de changement d'état physique.
Toutefois dans notre travail on a expérimenté des transfonnations énergie cinétique
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chaleur et on a parlé de la grandeur physique "chaleur", même si la seule grandeur physique qu'on peut observer et mesurer est la température. Panni les nombreuses expériences qui sont possibles, celle de la bicyclette est peut être la plus utile: la variation de température des freins et des bandes des roues est évidente.Les résultats ont démontré que la confusÎon entre les concepts de chaleur et de température n'est pas surmOntée, mais quel'emploi des tennes progresse dans la direction correcte. On peut toutefois relever qu'il s'agit presque sûrement d'une question linguistique; les enfants préfèrent le mot "chaleur" d'un point de vue qualitatif, le mot "température" d'un point de vue quantitatif (mesure). Ainsi, siOR fait une expérience (la bicyclette, par exemple) sans mesure, les élèves parlent de
transformation énergie cinétique -> chaleur; si on fait la même expérience avec mesurage. ils parlent de transfonnation énergie cinétique
->
température.On esten train de continuer le travail avec l'introduction d'autres formes de l'énergie, toujours en employantle procédé decomparaisonJX)UTarriveràidentifier lestransformations.
