ARTheque - STEF - ENS Cachan | L'imaginaire dans la représentation de la matière

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L'IMAGINAIRE DANS LA REPRESENTATION

DE LA MATIERE

Alain CHOMAT, Claudine LARCHER

L.I.R.E.S.T., Université PARIS 7- Université PARIS 11, LN.R.P.

MOTS-CLES GERME DE MODELE REPRESENTATIONS PARTICULE -CONTRAINTES.

RESUME : En prenant comme hypothèse de départ "on peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules insécables et indéformables" des élèves de 4ème ont produit des représentations de gaz dans différentes situations physiques. Leur imagination leur a-t-elle permis de construire un modèle évolutifàpartir du germe proposé? Comment ont-ils géré les contradictions perçues? La diversité des productions a fait naître des discussions dans les classes sur les aspects signifiants ou non signifiants des représentations, ce qui a permis d'éviter une normalisation des productions.

SUMMARY : Considering " agas can be represented like a group of indivisible and indeformable particles" as the starting hypothesis, thirteen year-old pupils have produced gas representations in several physical situations. This hypothesis allowed an entire freedom of representation but could be perceived as inconsistent with their conception of the material Did their imaginations allow them to build, from this pattern"germ", a model that can develop ? How did they manage the perceived inconsistencies ? The variety of the productions has raised debates among the classes on the meaningful or non-meaningful aspects of the representations, thanks to which a norma1ization of the representations has been avoided.

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1. INTRODUCTION

Dans la scolarité actuelle, la structure particulaire de la matièreàl'état gazeux est présentée aux élèves de 5ème en référenceàdes phénomènes de compression. En 4 ème on introduit différentes particules -ion, noyau, électron- en proposant des représentations variées dont on ne discute pas les caractères pertinents par rapportàun phénomène donné. D'autre part l'absence de distinction nette entre description macroscopique et description à l'aide des particules leur confère un caractère de réalité incompatible avec l'idée de modélisation.

Pour qu'une description particulaire de la matière acquiert un statut de modèle, avec en particulier un caractère "évoluable", nous avons choisi(BARBOUXet col., 1987 ;CHOMATet col, 1988;LARCHERet col,àparaître) d'en faire construire un progressivement, par des élèves de 12-13 ans, en référence à une succession de situations physiques mettant en jeu les différents états de la matière. Cette construction est rendue possible par une proposition axiomatique qui va servir de genne de modèle; elle affm:ne des caractères d'invariance des particules (insécabilité, indéformabilité, constance de la masse) sans lesquels les élèves ne font que transférer aux particules les propriétés de la matière (PFUNDT,1981 ;MEHEUT,1982;BROOK, 1984). Cette contrainte nécessite d'inventer autre chose qu'un simple glissement de vocabulaire. Nous nous proposons ici de montrer quelle imagination les élèves ont su mettre en oeuvre et comment les discussions sur leurs productions leur ont permis de percevoir le statut d'un modèle.

2. COMMENT REPRESENTER LE TASSEMENT D'UN GAZ? PASSER D'UN MOT A UN DESSIN

La première situation physique qui leur est proposée est celle de la compression d'un gaz coloré dans une seringue. Une description phénoménologique -ce qui a changé, ce qui n'a pas changé entre deux états de compression différents- est demandée aux élèves puis discutée. Un accord est obtenu surladescription suivante:

Dans les deux états c'est le même gaz, c'est la même quantité de gaz Dans le deuxième état le volume du gaz est plus petit

- le gaz est tassé

• le gaz peut encore se tasser.

Les élèves sont alors invités à remplir individuellement la fiche présentée figure1.Sur cette fiche deux espaces de représentation de tailles différentes leur sont proposés, ils n'ont donc pas à gérer la variation de volume.

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s'agit pour eux de passer d'un motàun dessin, d'imaginer des représentations du gaz dans les deux états pour rendre compte de la description phénoménologique tout en respectant l'axiome de départ. Cette étape confronte immédiatement l'élève au problème de la discontinuité de la matière ; elle lui sera d'autant plus difficile qu'il a du mal à s'affranchir de sa perception de continuité.

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Pour certains, la perception est trop prégnante - figure 1 ( le fond continu ne pouvant être rendu par la reprographie, nous l'avons signalé sur la figure) ; d'autres essaient de concilier les particules du professeur et leur idée personnelle de continuité en proposant soit des hachures (figure 2) soit des "particules" sur un fond continu (figure 3) soit des particules jointives constituant un quadrillage (figure 4) ou bien encore en imaginant l'espace de représentation en trois dimensions pour y entasser des particules (figure 5)_ Mais en majorité les dessins présentent des particules et des espaces sans particules -figure 6 à 10- qu'il leur a fallu introduire pour concilier l'axiome de départ et le phénomène observé. Dliférentes formes ont été proposées par les élèves pour ces particules: triangles, carrés, ronds, rectangles, ovales, mais aussi animalcules (figure 3) ; des couleurs variées ont aussi été utilisées; mais l'idée un gaz-un type de particule s'est imposée majoritairement.

En ce qui concerne la différence de tassement entre les deux états on trouve un fond plus sombre (figure 1 et 3), des hachures plus serrées et plus épaisses (figure 2) des particules qui " vont les unes dans les autres" (figure 4), qui viennent en contact (figure 7), qui se regroupent (figure 9), qui s'ovalisent (figure 10), se rapprochent (figure 6 et 8).

Ces représentations ont alors été soumisesàdiscussion pour juger de leur validité ; seront considérées comme valides celles qui respectent l'axiome de départ et qui sont compatibles avec la description phénoménologique. Apparaît ainsi l'idée d'un "modèle suffisant pour ".Ladiversité des dessins compatibles a permis de poser le problème des aspects signifiants et non-signifiants de ces représentations; ce problème est parfois délicat, le nombre est signifiant mais la conservation du nombre traduit la conservation de la quantité de matière. Des discussions ont pu avoir lieu concernant l'espace interparticulaire.

3. COMMENT REPRESENTER UN MELANGE DE PLUSIEURS GAZ ?

INVENTER PLUSIEURS TYPES DE PARTICULES

Leréférent est un échantillon d'air; sa composition est rappelée par les élèves (l/5 d'oxygène et

4/5d'azote).

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s'agit donc de représenter le mélange de ces deux gaz.

Sur les dessins proposés on retrouve parfois, malgré les discussions de la phase précédente, une persistance de la continuité mais elle est maintenant accompagnée de particules. Ainsi figure Il si l'azote est représenté de façon continue, l'oxygène peut être considéré comme représenté par des particules jointives superposées au fond continu; sur la figure 12, les particules d'azote flottent dans un continuum d'oxygène; les gaz rares peuvent aussi pennettre de combler les vides entre particules d'azote et d'oxygène représentées différemment (figure 13).

La majorité des élèves envisage un codage différent pour représenter des particules de gaz différents; mais plusieurs répartitions et plusieurs façons de tenir compte des proportions sont imaginées par les élèves.Lareprésentation des proportions s'est parfois faite au détriment de l'aspect mélange (figure 14) alors que certains n'en rendent pas compte (figure 13).

En ce qui concerne la répartition, chacun des deux types de particules est réparti sur toute la case indépendamment de l'autre type de particules (figure 15 et 16), ou bien on observe des

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groupements des particules d'oxygène et d'azote respectant ou non les proportions et plus ou moins regroupées (figure 17, 18 et 19) ; un élève envisage même les deux représentations, globale ou locale, du mélange (figure 20).

Cette notion de mélange homogène de gaz qui fonctionne à l'échelle macroscopique (propriétés identiques quel que soit l'échantillon) n'a plus de sens à l'échelle d'une particule. Certains élèves juxtaposent donc des "unités" d'air. Plus nombreux sont ceux qui proposent une représentation globale de l'air présentant des échantillons où il n'y a que de l'azote ou que de l'oxygène (figure 15-16). Cette représentation est valable si l'on introduit le mouvement aléatoire des particules, l'échantillon étant alors perçu de façon non pas instantanée, mais intégrant différentes représentations dans le temps.

Pour ces élèves qui n'ont travaillé que sur des représentations statiques, une telle proposition traduit plutôt l'absence de prise en compte de l'homogénéité du mélange. Leurs arguments seront étudiés ultérieurement.

4. COMMENT RENDRE COMPTE D'UNE DIFFUSION GAZEUSE? ATTRIBUER UN MOUVEMENT AUX PARTICULES

Le professeur présente deux flacons, ouverture contre ouverture, séparés par une plaque de verre, le flacon inférieur contenant un gaz coloré (non précisé) et l'autre de l'air. La plaque est enlevée et les élèves observent.Ladescription phénoménologique retenue est:

- au début il y a des gaz différents en bas et en haut, - àla fm, gaz roux et air sont mélangés dans les deux flacons.

La fiche de travail est distribuée et remplie individuellement. Il s'agit pour les élèves non seulement de représenter des états (avec l'aspect de conservation) des gaz qui ont été précédemment modélisés, mais aussi d'imaginer comment la diffusion a pu se faire.

Onytrouve encore quelques fonds continus (figure 21) pour représenter le gaz coloré. Certains ne prennent pas en compte tous les éléments de la description phénoménologique et ne représentent que la diffusion du gaz roux (figure 22) ; un grand nombre d'élèves tiennent compte de la composition de l'air (figure 23) ,certains proposent une représentation locale de l'air (figure 24).

En plus des dessins,lafiche comporte la question suivante: " Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui s'est passé ?"

Là encore leur imagination n'est pas sollicitée en vain. On trouve des particules qui "se déplacent", "se déplacent toutes seules", "sont mobiles", "ne restent pas sur place", "se promènent", "se propagent", "se déplacent au contact de l'air", mais aussi "peuvent se mélanger", "s'attirent", "attaquent", "sont plus fortes que l'air", "éliminent l'air".

Ainsi cette situation pennet

à

certains élèves d'imaginer le mouvement spontané des particules, d'autres ne faisant que transférer aux particules la propriété de "se mélanger" attribuée précédemment aux gaz ; pour certains élèves ce mouvement doit avoir une cause "contact de l'air", ou plus précisément interaction ou combat avec l'air.

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5. DISCUSSION

Le premier point a été la critique concernant les espaces de représentations imposés sur la fiche 1. Si nous avons imposé ces cases, c'est pour éviter que les élèves superposent sur un même dessin la description macroscopique et la description à l'aide du modèle.

Un autre point de la discussion a porté sur les notes attribuées dans certaines classes aux productions des élèves et qui apparaissaient sur les diapositives présentées (cf. figure 17 par exemple). Pour certains élèves le travail demandé ne sera pris au sérieux que s'il est noté. Peut-on noter de telles productions dans lesquelles on demande aux élèves un effort d'imagination ? Quels objectifs évaluer? Doit-on se limiter aux connaissances déjà institutionnalisées? Mais tout objectif non évalué risque de ne pas être pris en considération, et l'imagination est justementundes objectifs visés.Ledébat reste ouvert...

6. BIBLIOGRAPHIE

BARBOUX (M.), CHOMAT (A.), LARCHER (C.), MEHEUT (M.), 1987. -Rapportde fin de recherche. Ed. INRP DPl-LIREST, 1.09.84.87.

BROOK (A.), BRIGGS(H.),DRIVER (R.),1984. -Aspects of secondary Student's Understanding ofthe paniculate nature .ofmatter. Ed. The University of Leeds.

CHOMAT (A.), LARCHER (C.), MEHEUT (M.), 1988. InAster, 7,143-184.

LARCHER(C,),MEHEUT(M.),CHOMAT (A.). -àparaîtrein"Revue Françaisede Pédagogie" .

MEHEUT (M.), 1982. -Thèse de 3ème cycle, Université Paris 7.

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On peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules trop petites pour être visibles et ayant les propriétés suivantes : une particule ne se déforme pas, une particule garde les mêmes dimensions, une particule garde la même masse, une particule ne se coupe pas.

Représentez le gaz dans les situations 1 et 2 pour rendre compte de ce qui a été constaté. ~ond c.ollhnv c.Ill'''' ~o"

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