A. GIORDAN, J.-L. MARTINAND et D. RAICHVARG, Actes JIES XXV, 2003
UN EXEMPLE D’INTRODUCTION D’ELEMENTS D’HISTOIRE
DES SCIENCES DANS L’ENSEIGNEMENT SECONDAIRE
Muriel GUEDJ, Aurélien PAGES
LIRDEF, IUFM de Montpellier
MOTS-CLES : HISTOIRE DE LA PHYSIQUE
– MECANIQUE – ENSEIGNEMENT –
SECONDERESUME : Cette contribution est une proposition modeste et réaliste d’introduction d’éléments
d’histoire de la physique en classe de Seconde, classe pour laquelle cette introduction vise à améliorer l’apprentissage de la mécanique. La réflexion centrée sur l’exploitation en classe de quelques sources primaires et un contexte didactique visant à développer des capacités de questionnement, constituent le cadre général de cette contribution qui n’abordera ni l’évolution des programmes ni la littérature abondante concernant cette question.
ABSTRACT : This contribution is an unpretentious but realist proposition to the history of physics
to French Seconde pupils in order to improve the learning of mechanics. The reflection, focused on the teacher use of some basic sources and the didactic context to develop questioning abilities are forming the general framework of this contribution that would not deal with neither the evolution of syllabus nor the numerous literature concerning this question.
1. EXPERIMENTATION
Nous avons expérimenté dans quatre classes de seconde et avons choisi le thème de la mécanique. Deux professeurs stagiaires de l’IUFM de Montpellier et un étudiant de troisième cycle ont collaboré à cette recherche.
Le premier exemple consiste en un TP (en demi groupe) pour lequel les élèves découvrent un extrait du très célèbre Dialogue sur les deux systèmes du monde de Galilée (annexe 1).
Après une brève présentation du contexte et une phase de lecture individuelle, le texte est « mis en scène » par les élèves.
Qui a raison ou qui a tort ? Le débat s’engage. Les arguments du type « c’est Simplicio qui a tort à cause de son nom », ou encore « il a tort parce qu’il défend le système de Ptolémée qui est remis en cause… », sont rapidement délaissés et chacun défend son point de vue en s’appropriant les personnages du Dialogue et en imaginant des situations concrètes (anachroniques le plus souvent) « Salviati a tort : si l’on jette une balle en l’air lorsque l’on est dans une voiture qui roule vite, on ne peut la rattraper ».
Finalement, la proportion des partisans de Salviati / Simplicio est à peu près la même dans chaque classe : la moitié des élèves sont partisans de Salviati, l’autre moitié étant donc constituée par des partisans de Simplicio. Principalement les arguments évoqués sont de deux types : « ça chute en arrière du mat parce que durant le temps de chute le bateau a avancé », ou « ça chute au pied du mât car tous les objets chutent selon la verticale, le mât c’est la verticale… ».
Le débat est passionné, le maître distribue la parole, questionne, oriente le débat. Souhaitant que les élèves visualisent la situation précédente, il suggère à chacun d’examiner les deux schémas de l’annexe 2, et de répondre à la place de Salviati ou Simplicio.
Majoritairement, les élèves transfèrent correctement leur analyse du texte au schéma, ainsi, les partisans de Simplicio dans le texte le sont également pour l’expérience avec le poisson « à condition de bien calculer l’emplacement du bocal à l’arrière du bateau… ».
Les élèves ont semblé s’approprier facilement les deux visions proposées, ils disposent d’un certain nombre d’arguments pour critiquer le point de vue qui n’est pas le leur ou défendre le leur. Ainsi, la deuxième étape de ce TP, qui doit les conduire à trancher, est abordée, l’esprit à la polémique… Cette étape consiste à étudier le mouvement d’une balle lâchée par un cycliste en adoptant le point de vue du cycliste ou celui d’un observateur regardant le cycliste passer. Pour cela les élèves utilisent un logiciel qui simule le mouvement de la balle lorsque le vélo avance. La discussion s’engage à propos du mouvement de la balle qui ne semble ni rectiligne ni vertical. Une phase d’institutionalisation permet de conclure relativement au mouvement étudié dans les deux situations
proposées. Un retour sur les arguments développés par les élèves lors du débat opposant Simplicio à Salviati s’avère alors nécessaire pour conclure.
Le second exemple, décrit ici plus brièvement, consiste en une approche du phénomène de la gravitation à partir d’extraits de textes de Newton (annexe 3).
A partir de ces extraits, il s’agit de repérer les informations concernant la force d’interaction gravitationnelle, de faire un lien entre le principe de l’inertie (étudié lors d’une précédente séance) et cette force, puis d’établir cette force.
Le travail s’effectue par binôme, l’enseignant circule et constate que le débat est engagé : « c’est du vieux français ». Puis les élèves se prennent au jeu de la « traduction » : c’est « comme un code… ».
Les principales difficultés rencontrées sont liées à la proportionnalité (la force est proportionnelle à d, à d2ou à
2 1
d ;les relations d’ordre entre d12 et d2ne sont pas établies : comment établir la
relation entre la force et la quantité de matière ?…) ainsi qu’à l’utilisation d’unités complexes (le newton s’exprime également en kg.m.s!2). Par ailleurs, si les élèves admettent facilement
l’existence d’une interaction entre la Lune et la Terre, ils ont des difficultés à admettre l’égalité entre ces deux forces.
Pour certains il faut que la force s’exerçant entre la Terre et la Lune soit à la fois attractive et répulsive (référence à l’aimantation ou à l’électricité ) : « La Lune est attirée par la Terre, sinon elle irait tout droit, mais en même temps il faut quelque chose qui la repousse sinon la Lune s’écraserait sur la Terre ».
A la fin du TP (après la phase de mise en commun et travail de structuration), plusieurs élèves indiquent que « c’est parce qu’elle a une certaine vitesse que la Lune ne s’écrase pas », mettant ainsi en évidence la différence entre les concepts de force et de vitesse.
2. EVALUATION
Une évaluation (annexe 4) a été réalisée à la suite de la séquence d’apprentissage. Les trois premières questions mettent en jeu respectivement la notion de référentiel et la capacité à en changer, la capacité à appliquer la principe de l’inertie dans des situations nouvelles et la connaissance de l’expression ainsi que l’écriture correcte de son unité. Les questions suivantes sortent un peu du cadre scolaire habituel, elle nécessitent une certaine prise de recul sur les enseignements dispensés et renseignent l’apport culturel.
Les résultats concernant les trois premières questions sont très corrects. Ainsi la notion de référentiel est mobilisée et l’expression de la force d’interaction gravitationnelle correcte (peu d’erreurs sur les unités, pas de confusion entre la masse et le poids). En revanche, si le principe de l’inertie est correctement utilisé lors de l’absence de force ou lorsque celles-ci se compensent, il est plus difficile à utiliser pour mettre en évidence des forces qui ne se compensent pas. Si la question 4 est bien traitée, il convient de souligner l’absence du terme de « référentiel ». Newton et Galilée (au même titre pour ce dernier qu’Einstein et Descartes) sont les plus largement cités pour la question 5, certains élèves font références aux savants Salviati et Simplicio… En revanche, les contributions de ces auteurs ne sont que très rarement indiquées.
Un professeur titulaire s’est porté volontaire pour tester le questionnaire. Il avait traité les mêmes questions dans le même temps sans introduction historique. Il est évident que les éléments de comparaison sont difficilement interprétables et que cette comparaison n’a qu’une valeur toute relative.
Globalement les résultats sont moins bons, notamment en ce qui concerne le réinvestissement du principe de l’inertie (il s’agit d’une situation nouvelle) et l’expression de la force d’interaction gravitationnelle (problème lié à la proportionnalité de la force, confusion poids et masse, erreur avec les unités). Concernant la question 5, Newton est cité puis Galilée. Il existe ici un savant… Inertie. L’absence de réponses apportées aux questions 4 et 6 ne permet pas d’exploiter ces dernières.
3. CONCLUSION
Il est évidemment impossible d’établir un bilan sans tenir compte du dynamisme et de l’investissement des deux professeurs stagiaires, de leur compétence à mener un débat. Compte tenu de cela une question se pose : dans quelle mesure le fait d’avoir instauré un débat dans la classe a-t-il participé à la construction du savoir ? Il nous semble que ce débat a pris du sens pour les élèves grâce à la recontextualisation historique et a donné du sens aux enseignements qui ont suivi.
Annexe 1
Extrait du Dialogue sur les deux plus grands systèmes du Monde de Galiléo Galiléi
« Simplicio : il y a par ailleurs l’expérience si caractéristique de la pierre qu’on lance du haut d’un
mât du navire : quand le navire est au repos, elle tombe au pied du mât ; quand le navire est en route, elle tombe à une distance égale à celle dont le navire a avancé pendant le temps de la chute de la pierre ; et cela fait un bon nombre de coudées quand la course du navire est rapide. […]
Salviati : […] Vous dites : quand le navire est à l’arrêt, la pierre tombe au pied du mât et quand le
navire est en mouvement, elle tombe loin du pied ; inversement donc, quand la pierre tombe au pied du mât ; on en conclut que le navire est à l’arrêt, et quand elle tombe loin du mât, on en conclut que le navire est en mouvement ; comme ce qui arrive sur le navire doit également arriver sur la Terre, dès lors qu’une pierre tombe au pied d’une tour, on en conclut nécessairement que le globe terrestre est immobile. […] Avez-vous jamais fait l’expérience du navire ?
Simplicio : Je ne l’ai pas faite mais je crois vraiment que les auteurs qui la présentent en ont
soigneusement fait l’observation […]
Salviati : […] et il trouvera en effet que l’expérience montre le contraire de ce qui est écrit. La
pierre tombe au même endroit du navire que celui-ci soit à l’arrêt ou avance à n’importe qu’elle vitesse. »
Annexe 2
Attribuez à chaque interlocuteur la situation pour laquelle le poisson tombe dans l’aquarium. Dessinez la chute du poisson dans chaque cas.
Annexe 3
Extraits des Principes mathématiques de la philosophie naturelle de Newton
« La Lune gravite vers la Terre, et par la force de gravité est continuellement retirée du mouvement rectiligne et retenue dans son orbite […].
La force qui retient la Lune sur son orbite tend vers la Terre, et en raison réciproque du carré de la distance des lieux de la Lune au centre de la Terre […].
La gravité appartient à tous les corps, et elle est proportionnelle à la quantité de matière que chaque corps contient … ».
Extraits librement interprétés De la gravitation de Newton
« Plus la pierre sera projetée avec une grande vitesse, elle ira loin avant de retomber sur la Terre. Nous pouvons donc en déduire qu’en augmentant sa vitesse initiale, elle pourra parcourir des distances de 1, 2, 5, 100, 1000 milles avant de retomber sur la Terre, elle poursuivra son parcours dans l’espace sans avoir touché le sol. »
Annexe 4 Evaluation
Question 1 : Un enfant demeurant au deuxième étage rapporte chez lui un vieux tourne-disque que son grand-père
(habitant le 18e étage) vient de lui donner. Il prend l’ascenseur tout en s’amusant à faire tourner la plateau régulièrement. Il regarde le mouvement d’un autocollant collé sur le bord du plateau.
a) Quel est le mouvement de l’autocollant assimilé à un point, par rapport au plancher de l’ascenseur ? b) Quel est le mouvement du centre du plateau par rapport à l’immeuble ?
c) Quelle est la trajectoire de l’autocollant par rapport à l’immeuble ? Faire un dessin.
Question 2 : Un vaisseau spatial navigue dans le vide interplanétaire : il n’est soumis à aucune force.
a) Quelle est la nature de son mouvement ?
b) A-t-il besoin d’un système de propulsion pour maintenir sa vitesse constante ?
c) Le vaisseau approche d’une planète et se place en orbite circulaire autour d’elle. Les forces qui s’exercent sur l’appareil se compensent-elles ? Justifier la réponse.
Question 3 :
a) Ecrire l’expression de la force d’interaction F qui s’exerce entre deux corps de masse m1 et m2 et dont les centres sont distants de la longueur d. Quelle est l’unité de F ?
b) Ecrire l’expression du poids d’un objet de masse m à la surface de la Terre. Quelle est l’unité de P ?
Question 4 : Quelles notions relatives à ce que vous avez appris en mécanique sont abordées dans chacune des trois
questions précédentes ?
Question 5 : Citer trois ou quatre noms de physiciens ou chimistes. Sur quoi ont-ils travaillé ? Question 6 : Vous devez résoudre un exercice de mécanique, il y a trois étapes :
1. ………
2. ………
3. ………
En vous aidant des mots suivants, faire des phrases et compléter les trois étapes : Repère, forces, vitesse, référentiel, trajectoire, mouvement.
