ARTheque - STEF - ENS Cachan | Sciences Physiques 3e collèges – Livre du professeurCollection Libres Parcours

Collection Libres Parcours

•

sCiences

physiques

3

e

collèges

livre du professeur

Classiques Hachette

Dessins

Société

B.E.E.R.

Photos

P. 255

E.D .F.

P. 256

E.O.F.

P.

266

Brüel

et Kjaer

P.

267 S.N.C.F.

e Hachette,1980.79,bouleva rdSaint-Germain,F75,006Paris. Tousdroitsdetradu ction,dereproduction

etd'adaptationréservéspour touspays. I.S.B.N.2.01.007037.2

Einstein

et l'éducation

« Dansl'enseignement dela physique, les premièresleçon s devraient êtreuniquement expé-rimentaleset intére ssant esà voir. Unebelle expérienceest souvent, enelle-même, plusvalableque vingt formules extraitesdenotre cerveau ;ilest particulièrement important qu'un jeunecerveau qui doit se frayerun chemin dans le monde des phénomènespuisse être protégé totalement des for-mules. En physiqu e, ellesjouent exactement le mêmerôlemagique et effrayant queles chiffres des datesdans l'Histoire Univer-selle. »

(A.E.) Ein stein (Le Livredu centenaire),p.225, Éd.Hierel Demain.

Laloi du Ilmars 1957n'autor isant,auxtermes desalinéa s2et3del'article41,d'unepart,queles«copiesoureproductions strictement réservéesàl'usag eprivéducopisteetnondestinées àuneutilisationcollective»,et,d'autrepar t,queles analyseset les courtescitationsdansun but d'exempleetd'illustration,«toutereprésentation oureproductionintégrale, ou partielle,faite sansle consentement del'auteurou desesayants droit ouayantscause estillicite» (alinéa1er_del'article

40).

Celtereprésenta tionou reproduction,parquelqueprocédéquece soit,constituera itdoncune contrefaçonsanctionnéeparles articles425etsuivantsduCodepénal.

J. AGABRA Professeur à l'école normale

deBonneuil J.-M. BÉRARD I.P.R. A. CARRÉ Maître-assistant, U niversité Paris-VII J. CARRETTO Maître-assistant, E.N.S.Font enay-aux-Roses

A. CHOMAT P.E.G. C. , C.E.S. Alain-Fournier ,Clamart O.OEMEESTER P.E.G.C ., C.E .S. Villeneuve-la-Garenne G.OELACOTE Professeur, UniversitéParis-V II J. GAUTHERIN Professeur àl'E.N.S.E.T.

de Cachan J.-P. LE FALHER Assistan t, U niversitéParis-V II G. LEMEIGNAN Maître-assistant Universit éPierre-et-M arie-C urie,

Paris

M. MESMIN Directeurd'études, Centre deformation deP.E.G.C.,

Paris-Batignolles

Auteurs

J. MESNARD P.E.G.C .,C.E .S.rue Georgette-Agutte, Par is

R.

PEZET P.E.G .C. , C.E.S., Marx-Dormoy,Paris A. TIBERGHIEN ChargéedeRech erche,

C.N.R.S.,Paris

M. VERLHAC Professeuragrégé,Lycée

François-Villon,Paris

R.

VIOVY Professeur, E.N.S.St-Cloud

Nous remercion slesprofesseurs expér imenta teurs des modules ÉnergieetPolymères (expé-rimentation dans le cadredelacommissionLagar rigue) dont le travaila contribué àéclairer

la rédaction

de cet ouvrag

e.

Nousremercions enfin toutspécialement leprofesseurA.GUINIERquia bienvouluassurer la relecture critiquedenombreux manuscrits publiésdans le cadre decettecollection.

Sommaire

Programme et instruc tions .

Sommai re .

Index .

Préface .

INTROD UCTION GÉNÉRAL E .

1. REMARQUES GÉNÉRALES SUR LE PROGRAMME DE TROISIÈME .

II. COMMENTSE SERVIR DU LIVRE DU PROFESSEUR .

III. COMMENT ORGANISERSON ENSEIGNEMENT?LES PROGRESSIONS .

1. Progressions pour l'énergie .

II. Progressions pour la mécanique .

III. Progressions pour la chimie .

IV. Quelques suggestionsdethèmes ' .

COM M EN T SE SERVIR DULIVRE ÉLÈV E .

1. COM M ENT AI RE S SURLESARTICLES DE L'E NCyCLOPÉDI E .

1. Énergie .

II. Mécan iqu e ·: : .

III. Chimie .

II. DOCU MENTS, ACTIV ITÉS DU LIVRE ÉLÈVE, MANIPULATIONSCOMPL

ÉMEN-TAI RES .

1. Énerg ie : .

A. Docum en ts .

B. Activitésetacti vités com plément aires (A.C.) .

1. Rend em ent- Pertes .

2. Puissan ce (A. C.,p.55) .

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5. Machinestherm iqu es (A.C.,p. 76) .

6. Product ion d'énergie électriq ue .

C. Conseil spratiquespour la réalisationde matérielsexpérimentaux .

1. Piles«liq uides» , .

2. Une éolienne .

3. Unecentrale électrique .

4. Cellule solaire .

5. Unecentrale hydraulique .

6. Unaccumu la teurexpérimental .

7. Voituresolaire,bat eau solaire .

8. Pompe solaire .

9. Pile«sèche» type Leclan ché , .

10 . Une voitureélectrique .

II. Chuted'u n corps .

12. Mac hines thermiques .

13. Un réfrigérat eu r expérimen tal .

14

.

Le

vage

d

'un

objet

.

·15. Un chauffe-eau solaire .

16. Le volant d'in ertie .

17. Un flash expérimental . 1àV 4 6

8

9 9 14 14 15 16 18 21

23

24

24

25

29

31

31

31

33

34 45

60

65 67 77

83

83

84

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90

90

91

92

93

97 99 99 101

103

Sommaire

D. Matériel... ... ... ... . . ... . 104 E. Adresses utiles. ... .... ... .... ... . . ... . .... ... . .... ... .... ... ... 104 II. Mécanique... ... ... .. . ... ... .. ... ... . .. . 105 A. Documents 105 B. Activités 110 C. Manipulationcom plémen taire .... ... .. .. .. ... ... . . . ... .. .. ... ... .. .... 140

D. Matériel et bibliographie 142 III. Chimie ;. .... .... ... .... .. ... ... .. . ... . . . .... . 145

A. Documents 145 B. Activités et manipulationscomplémentaires (M.C.) 146 1. Acides et bases;pH (M. C.,p. 148) 146 2. Réactions chimiq ues(M. C.,p. 156) 153 3. Recherche des ions (M. C., p. 171) 169 4. Organisation des molécules (M. C., p.174) 173 5. Matières plastiques (M.C., p. 186) ... ... .. ... .... .. .. .. 185 C. Matériel... ... ... ... .. ... ... .... ... 191 D. Bibliographie 194 CONTRÔLES.. ... . ... ... .. . .. . .. . . .. ... ... .. ... ... 195 1. ÉNERGIE . . . .... . ... ... ... ... ... ... ... ... .. 203 II. MÉCANIQUE ... . ... . .. . ... . ... ... . ... . .. ... .. ... 213 III. CHIMIE ... ... ... 222

COMPLÉMENTS D'INFORMATION SCIENTIFIQUE ..... . ... . ... .. ... .. . .. ... ... ... ........ 229

1. ÉNERGIE... ... . . ... ... .. .... ... .. ... 230 1. Formes d'énergie et transfert d'énergi e ... .. . . ... ... ... ... .. ... . .. 230

II. Rendem ent - Pertes . . . .. .. ... .. ... ... ... . ... . .... . . ... . . 237

III. Dégradation de l'énergie . .. . .. . ... . .. . . ... .. .... .. . . ... .... . .. ... . 241

IV. D~ l'~nerg~e.au mouve~ent.... . . ... ... .. ... ... ... . . . . ... .... .. .... 245

V. Cout energetIque dela vitesse 249 VI. Les machines thermiques .. ... ... ... . .... ... . . ... . ... .... . ... .. ... ... 251

VII. Productiond'énergieélectrique. .. ... ... ... .. ... .. .. ... .. .. . ... 254

II. MÉCANIQUE ... ... ... . ... .. .... ... . . . .... .... .... .. .. ... 256

1. Interactionset mouvements '.'. ... 256

II. Quelques remarquesà propos du mouvement... . .. . ... . ... . . . .... . ... .. .... 259

III. Quelques remarquesà propos desforces 261 IV. Dynamomètresspéciaux 263 V. Le frottement... . . .. ... ... ... . . .. . . ... .... ... ... .... . 268

VI. Quelquesaspects de l'évolutionhistorique des concepts de force et d'énergie 271 III. CHIMIE 277 1. États de la matière ... .... ... .. . .. ... ... . ... . .... . .... 277

II. La liaisonchimiq ue .. . .. .... .... ... ... ... ... . ... 283

III. L~s ~odèle~d:atomes: : : " '.' ... . ... . . 286

IV. Réaction chimique et energie ... ... . ... ... . ... ... ... .. . 290

V. LepH et les indicateurs colorés. . . .. .. ... .. . ... . . ... ... ... . 293

Index

(Chiffres en gras: explication ou définition du terme.)

A

acides et bases 30, 146, 149, 296. actions réciproques 257. aluminothermie 165. analyse de l'eau 159. assemblages d'atomes 287. atomes 277.

B

bilan (des forces appliquées à ...) 258,260. butane 167, 181.

c

carbone 162. catalyse 292. Cavendish 145, 158. chaînes énergétiques 31, 235. contact (interactions de) 257. corps purs 277.

corps simples et corps composés 145. coût énergétique 32, 66, 249. cristaux 278. cristaux liquides 283.

D

déformation 106. dégradation de l'énergie 241. dépolym érisation189. distance (interaction à)257. dynamomètre 107, 120, 263.

E

ébullition 280. électrolyse de l'eau 29, 160. énergie chimique 290. énergie de liaison 286. équations-bilans 29.

espace vectoriel des forces 261. espèce chimique 278.

état (d'un objet) 257. état gazeux 174, 281. état liquide 182, 282. état de la matière 145, 277. état solide cristallisé 281. évaporation 280, 282.

F

fer 164.

force (évolution du concept de) 271.

forces 108, 257, 268.

formes d'énergie 203, 204, 230. formes de transfert d'énergie 203,

204,230. frottement 268. fusion 280.

H

hydrocarbures 29, 145, 166.

1

indicateurs colorés 150, 151,293, 299. interactions 129, 256, 260. interactions entre particules 278. ion carbonate 172. ion chlorure 171. ions 30,146,169,277. ions sulfate 171.

J

jauge de déformation 264.

L

liaison chimique 277, 283.

M

machines thermiques 32, 68, 205, 206,250. masse 134. matières plastiques 29, 145, 146, 185, 302. mélanges 30. mélange tonnant 157. méthane 166. modèles d'atomes 286. modèles moléculaires 169, 288. molécules 30, 173,277. mouvements 106, 113, 116, 125, 140, 256, 259.

N

neutralité de l'eau 294. Newton (lois de)258.

o

objectifs énergie 33, 34. oxyde de cuivre 163.

p

pertes (voir rendement). pétrole 145.

pH

30, 146, 150,293. piézo-électrique (dynamomètre) 266. poids 134. polyaddition 302, 312. polycondensation 302,311. polymères 302. polymérisation 187. poulie 108, 123, 137.

production d'énergie

électrique 32,

77.

puissance 45, 206, 207, 208, 210, 212.

R

réaction (p ro p ulsion par) 108. réactionschimiques 30, 146, 153,

290. référentiel259.

rendement, pertes32,34,206,237. repère d'espace259.

résultante (de forces)260.

s

solide amorphe 283. solutions salines 298. soufre 163.

stockage 32,60, 204,205. sublimat ion 180, 280.

synthèsede l'eau 29, 145, 156, 159.

T

transmission (de mouvement) 123, 137.

Index

u

uniforme (mouvement) 258; 260.

v

vaporisation 178.

Préface

A

vec

cet ouvrage s

'achève

la

c

ollection

«

Libr

es

Par

cours

»

qui

co

uvre

l

'ensemble

d

es s

ciencesphysiques dansl

es

collège

s

d

e

la

6e

à la

3e.

L

e

programm

e

d

e ce

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ère

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est ce

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s

l

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relativ

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onnue, mai

s

il

y

a surtout l

es

parti

es c

onsacrées au

x

int

eractions

et

à l'én

ergie.

L'

étude

d

es

notion

s

d

eforce,

d

'énergie,

d

e t

ravail, d

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chal

eur e

st en eff

et

a

ssez

abstrait

e, e

t il convenait

à la foi

s

d

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dispo

ser

d

'un

sa

voir

th

éorique s

imple et corre

ct

e

t

d

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fourn

ir

l

e

ma

ximum

d

'indications

pour

un

e

appro

che

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xpérimentale, et s

i po

ssible

attrayant

e,

d

e c

es notions: c

'est

pourquoi la notion d

eforce

néc

essite

qu

e

l'on

s'

appuie

s

ur

ce

lle, plus

gé

nérale,

d

'interaction

.

Et la not

ion

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t introduite

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n relation a

vec

la n

otion

d

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c

haîne én

ergétique

l

e

long d

e

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elle

l

'énergie

«s'écoule»

e

t pr

end

d

esf

ormes

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entes

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Ce

tte mani

ère

un p

eu

inhabitu

elle -

pour l

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phy

siciens

-

d

e

pr

ésenter

l'

énergie

permet d

e

mieu

x co

mprendre l

es

probl

èmes

li

é

s à l

'énergie

dans l'envir

onnement

d

e

l

'élève.

Pendant c

es

quatr

e

ann

ées (

de l

a

6e

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3e)

nou

s s

ommes r

estés

fid

èles

à

un

e

form

e

d'ouvrag

e

pourl

'élève as

sez peu habitu

elle,

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s

tructuration d

e

l

'informa-tion apporté

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à

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étant

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us la form

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d

'une

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ncyclopédie ; la pr

ésence

d

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inde

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nou

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a paru donn

er

d

es é

léments utili

sables

ultérieur

ement

par l

es

él

èves,

lorsque ceux-ci ne dispos

eront

qu

e

d

'encyclopédies

pour

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inf ormer.

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l

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lèves au mani

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Sans

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înement

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xplicite qui peut

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n d

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e

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d

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e

da

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ncore d

e

l

eur

point d

e v

ue.

G.

DELAC6TE

Professeuràl' Uni versitéParis-Vll Directeurdu LIRESPT

Introduction

générale

1.

R

EMARQUES

GÉ

NÉRAL ES

SUR L

E

PROGRAMME DE TROISIÈME

1.

Énergie

Nou s avonscho isi d'abor derdirect em entl'énergie com meconce p t debase sansse restre ind reàuneprésentation«mécanique»de cethème.L'én er gie

apparaîtdon c, sous des formesdiverses, com me une grandeur commune, caracté ristiq ue de«réser voirs»trèsvariés.

Dès le début de cet ap p ren tissage de l'én ergie , tous les domaines des sciencesexpé r ime n ta lesson tabordé s:ledom ain edelalumière,lachim ie, l'élect ricité,laméca nique, sansoub lier lesfrottementspartout présents,la

physiquenucléaire, lemondedu viva n t, etc.

Cetteprésentationduconce p téne rgie permetdefaireunedistinction claire en tre l'én er gie,qui décritl'état d'unsyst èm e, et le transfert d'énergie,qui tradui tles échangesen tre systèm es.Delà,notre insista nce sur lecaractère «interne»del'én ergie ;delàaussi,la descriptiondesformesdetransfert d'én ergie:chaleur,rayon ne ment, travail. Letravail apparaît alors com m e uneforme,parmi d'autr es,detransfertd'én ergie.

La ch aleur est aussiuneformedetransfertd'én ergie,maiselle nel'est, aux

yeux des en fan ts, qu'après avoir été utilisée pour faireautre cho se que cha u ffer.Celanécess itetineapproch e expé rime n ta le desmachinesth

ermi-ques, ap p roc he trèsmod est e,réalisable avecdes dispositifs qui permettent

aux élèves d'avoir un rôletrès actif. De cette étudedes machines th

ermi-ques,découlelanotiondedégrad ationdel'énergie :l'énergieperd in exora-bleme n tsa qualitéd'êt re transformable. .

Laconse rva tio n del'én ergie est poséecommeun principequi régit tousles

bilan s éne rgé tiq ues dan squelquessituationsquece soit ;elle nedécoule

d' au cuneconsidé ra tion,elleest donnée enelle- même. Elle impose, en tre

aut res cho ses, que l'én ergie ne peut être créée ou «produite», d'où le

carac tère«naturel»detouteress ource éne rgét iq ue,

La puissa nce est un conce p t proch ede celui d'énergie,mais cepe nd an t tot al ementdiffér en t.L'expérimen ta tion menée avecdesélèves de troisième

a mon tré quel'introdu cti ondela puissance est particuli èr ement efficaceen

opéran t par analogie avec une quantité de matière et ledébit de cette quantitédematièr e,par exem ple l'eau.La puissance est doncintroduite com meun débitd'én ergie.

L'ét-udedu rendem ent et despertesnese con çoit qu'à partir de la notion de

chaîn

e é

nergétique: chaîne d

'interactions

comprenant une succession

orientéede sys tème s, mett ant en jeudescontenusd'énergieet des transferts d'én er gie.Lespert es carac té risen t les quantitésd'énergienon utilisées;le

rendemen t prend en compteles quantitésd'énergie utilisées.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Le rendementest défini, dans toute sa généralité,commerapport de quan-tités d'én ergi e- particulièrement dans toute chaîneénergétique discon-tinueavecstockages intermédiaires - ou commerapport de puissan ces-dans toute chaîne énergétiquecontinue.

Comme le programmey invite, nous proposons uneapproche trèsmodeste des aspects sociaux ou économiques de l'énergie sous la forme du coût énergé tiq ue d'uneproductionindustrielleou agricole,du coût économique de l'énergie,dela pollution inhérenteà toute«productionénergétique", et du lien en tre utilisation del'én ergi e et niveaude vie.

2. Mécanique

Tout d'abord,ilest bien clair qu'ondevrapartir des con na issa nce set de l'exp éri en ce en mécaniquedes élèves afin de constru ire lesconcepts du programme. On conçoit alors immédiatement que tout enseignement, cou pé du cad re deviehabituel,neréponden aucunefaçon à cet impératif. Certes, les expériences«simples et bien choisies», utilisant un matéri el aussi peuspécialiséquepossible,seront utilespour préciserlesnotions à acquérir;mais l'essentieldevra partir de situations courantes,nombreus es etva riées. Du point de vuenotionnel,quatrepoints clés cara ctérisen tce programme: mouv em ents, déformations, interactions, for ces. Voilà un domain equi peutsembler trèsvaste à premièrevue,mais quiest heureus e-ment restreint par des contraintes, explicit esou non, contenuesdans le programmeet les instruction s.

- Lemouvement est limitéaux translations.

Bienqu'ondemandede réfléchiraux modificationsdela vitesseen grandeur et en orientation, le termed'a ccélération n'est utiliséà aucunmoment; il nous semblequecette limitation soit unesageprécautionvis-à-visd'une notion d'unabord difficile.Ilest d'ailleurspossibledes'en passer, par le biais de la vitesse moyenned'un objet, ou par la com para ison en t re les temps mis pour parcourir une distance constante, à partir d'une vitesse initiale nulle;c' est ce quefont les constru cteur s d'automobilesquand ils précisentquetel modèle met«31,6 saux 1 000 m, départarrêt é», plutôt qued'annoncer uneaccélération moyenne de2m.s- 2 (dans les mêmes conditions).

Aucuneloi relativeauxforcesne sera mentionnée. Donc,pas decomposition de forces concou ra n tesou parallèles;à plus forteraison,il ne sera en aucun cas questionde

--> -->

F=m.y.

Il n'estfait mentiondelanotiond'in erti enidansleprogramme, ni dans lesinstructions.A propos du mouvement,on peut être tenté d'introduire ce concept; cependant,il n'apporteici rien de plus quela notion de masse puisquenous ne considéronsquelestranslations;il nous paraît donc très sage dene pas l'introduire.

- Par contre, le frottementn'est pas mentionné explicitemen t dans les programmes ;maiscomment«l'escamoter "alors qu'il fait partiedenotre univers ,qu'il intervient dans les mouvements ?

Voyonsmaintenant quelques particularités concern an tces notions, et de quellefaçon on peutlesrelier entre elles. Toutd'abord, définirlemouv e-mentd'un objet n'a de sens que par rapport à un autreobjet considé ré comme référentiel ;on le précise rarementdansla viecourante; aussi des activités devrontamenerlesélèves à prendreconscience de cette relativit é du mouvement. Au niveau de la classe de troisième , on se bornera à reconnaîtresi un mouvementdetranslation rectiligneest uniforme ou non uniforme,sans chercherà le caractériserplus précisémentdans ce dernier

cas. Cette distinction étant faite, on pourra alors rechercher avec quels

objet sle mobile étud ié est en interaction;à chaque interaction entredeux objets corre spo nd en t deux forces,et la nature du mouvement,uniformeou non, permet de conclu re quant à l'intensité de la résultante des forces

agissa n tsur l'obj et. Lano tion de résultan teéta n t hor sprogram m e,nous avons rete n u desactivit és se rame n an t engénéral au cas dedeux forces opposées agissa n tsurl'obj et;dans cesconditions,si l'obj etestani mé d'un mouvement detranslation rectilign e uniforme,onpeut alorsaffirm er que les deux for ces agissant sur lui ont mêm eintensité.

L'élaboration du conce p t de for ce ne pourra se réaliser qu'à partir de situations simples et nombreu ses, abo u ti ssa n t à la définition opé ra toir e d'une notio n quiest lamodélisati onmathém atiqued'uneréalitéphysique : l'un desdeu xtermesdel'int er action en tredeux obje ts. On insistera sur quelquesidéesfond am entales,parfoisdifficiles à ad me ttre:

- un objet n'apa sdeforce en lui-mêm e ;

- il fautuneinteractionméca nique ent redeu x obje tspour quelesforces (deux) existen t ;

- notremouve me nt deréfér ence étan t lemou vem entdetranslation re cti-ligne uniforme,toutemodifi ca tiondc ce mou vement a pour origineune for ce.

Ilsem bleque lesdifficultésmajeuresdu program mede mécanique soien t conce n trées danstou te scesnotions,miseàpa rtladisti ncti on entrepoidset masse à propo s de laq ue lle il ne paraîtpasfon d am entalde s'astreind reàune rigueur excess ive dans les situ ati on s couran tes.

Encequiconce rn e lepa ragrapheTransmissionsdemouvement,ilconvien dra de nepas perdredevue l'aspec t pra tiquetouj ou rsindispensabl e, maissans tomberdansune étu de tech nologiq u epou ssée qui n'a aucunera isond'êt re ici.Et lapropulsiondesfuséesdans tou tcela?Nous nedisposon spa sdela noti on de qua n tité demouvement,etilnepar aîtpa s raisonnab le detraiter celaun iq ue me nten termesdefor ces.Ilseradon cpruden t de selim iterà un cons ta t de foncti onnem en t : le véhicu le est misen mou vem ent en sens opposé ausens d'éj ectionduflu idede propu lsion,etcefluid e neprend pas appuisu r l'air.

3. Chimie

Dans lescha pitres correspond an ts du livre professeur desclasses précé-den tes,nous avons déjà indiqué quele programme dechim iereposaitsur des noti ons de plus en plus abs traites .La pro gression vers l'abstraction présen telemod èle atom iq ueen 4<etsepoursu it en 3<pa r l'in tro ductiondu modèle moléc ula ireet del'écri t ur e symboliq uedes réactionsquifontap pa -raîtreles premiers aspects structur au x dela matière .

Le programme viseauss i des objectifs de con na issa nce schimiq ues, plus limités,qui poseron t sans.do u te desproblèmes com mela notion opération-nelle de pH,mais l'objectif cen tral leplus délicatà atteind reestcer ta ine-men t l'acqui sition des modè lesmicro scop iq ues.

Il nous a donc paru utile de faire un inventaire des modèles généra ux int rodui tsdan s l'ensemb le dupremi ercyclepour insister,etéventuellemen t reveni r sur les objectifs fond a men taux explicites ou implicit es du pro-gramme, da ns ledoma inede la str uc ture delamati ère et delaréaction chimi q ue.

Modèles dé la structure de la matière

Dans lelivrede4<, nou s avons présentéun schéma ind iq ua n t les diver s plans sur lesqu els seplacen tles différe ntsmodèles. La constructio nde ces modèlesa nécessité l' in tégration denom breux fait s expér imentaux, non seul ementde ch imiemaisaussidephysique:électricité, optique, tran sfor-ma tion s physiques. Lenom bredefait sconnus ouacquis parles élèvesétan t forcém en ttrèsréduit, celaau radesconséq uencessu r lesméthodes pédago-giqu es à employer,com me nousleverronsparlasuite.Cepen dan t, ilest indisp ensable depen ser àla nécessit éd'u n eliai son consta n teent re les faits

et l

a t

héorie

.

Nous avon s indiquésur leschéma ci-ap rès la progression suivie exp lici-tem en tparle programme,ains iquelesliai son slesplus im portantesavecles fai ts ren contrés dans ceprogram me.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

1Faits expérimentaux 1

Propriét ésphysiqu es ~---iTransformations physiques

Discon tinu ité Dispersi on Cristaux Fait schimiques Comb ustio ns Cycles deréactions Énergie Lumière Électricité- - - . . , Modèles microscopiques 1Modèles macroscopiques 1

Mélan ges-C orpspurs _ - - -....

Réacti on s chimiques

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Conse rvation dela masse ~---'

Élém ents

'---'~r--+--Modèleatomique

t

L..----~~r---;~-Ions- Électr on s

t

Molécules

Modèles structurau x (Liaisons-1nter actions )

1 Modèles intégrateurs 1

Stœchiométrie

Lois pondérales

Moles

Objectifsdu programme

Le progr amme de chimie, au cour s desqua tre années de Collège, doi t condu irelesélèves à acq uérir,en dehorsdefaits chimiq ue s pon ctu els(mais

importants),la noti on de modèles atomiques et moléculairespour int

er-prét er les réactions chim iq ueset lespropriétés physiq ues de la matièr e.

Dansleschémaci-avan t, nous avonsindiqu épar desflècheslaprogression suiviepar leprogram me.Pou rquoiunetelleprogression ?L'introduction

d'un mod èle aussi abstrait que le modèle molécul a ire ne va pa s sans difficulté.Ce qui est certain,c'estque plus on l'introduittôt,plusilfaut

detempspour l'acquérir.Eneffet,tan t que l'enfantn'apasl'h abi tud ede

manipulerdes conceptsformels,ilest nécessair ed'accumulerdesfaits pour

qu'il sen tedelui-mêmelanécessitéd'unmod èle explica tiflui permettantde coordon ne r ses acq uisitio ns. Dan s les conditions réellesd'application et pourquelamajori tédes enfan ts puisseutiliser lesmodèles ,laprogression suivante a étéutilisée(elleest très voisine du développementhistoriquedu

concept):

- acquisition de faits dégageant la notion de transfor ma tion chimiq ue opposée aux transforma tions physiques(6");

- introductiond'un modè leabstrait macroscopique, assez facilementmis

en relation avec les faitsconcrets:c'est lanoti on d'élément (5"); - introduction d'un modèlemicrosco piqueexplicatifde propriétésphysi

-ques (mé tauxet courant électrique ) etde certaines propriétés chimiq ues

(électro lyse, piles, échanges d'électrons, c'est-à -d ire les réaction ssimples

d'oxydor éduction)[4"];

- introduction dumodèlemoléc ulaireexplica tif d' autrespropriétésph y-siq ues (propriétésdesgaz)et des autresréactionschim iq ues (transforma -tions des molécules)[3"].

Remarquessur les modèles

Enchimie, ilexisteunegra ndeunit é desphén omèn es, et dèsquel'on veut formali ser,ilest nécessaire dedécrire un modèle'trèsgénéral.

L'i ntroduction en 5" de la notion d'élém ent se conse rva nt à travers les

réactions chimiques est difficile à relier à unepetite série d'expériences.

L'étudedel'histoir edes scien cesmontrequela noti on s'est dégagée àpartir

d'un grand nombredefaitsexpérimenta ux.

Le modèle atom iq ueest très séd uisan tcomme modèle explicat if, maisson em ploicond uitàunedifficulté : c'est un mod èlemicros copiquequiexplique

desdonnéesmacroscopiques.Lelien entre les faitsexpé rime nta ux concret s et le modèle devient difficile à réaliser. On risque d'am en er l'enfant à considére rcemodèlecommeun jeudeconstruc tion abstra it, cert ain em ent attractif(d 'auta nt plusqu'ilsera ressenticomme voisin d'un certain forma

-lism e utilisé en mathé ma tique), mais coupé de la réalité physique ou

chimique.

Très souve nt, dan sdes textespéd agogiques,on confondlemodèle etl'imag e

utilisée pour en donner une représent ation. Théoriquem ent ,le modèle

devr ait pouvo ir sepasser d'image, etc'est ainsiqu'ilfonctionne chez le spéc ialiste.Chez l'enfant, il pa raît très utile de donner des moyen s de représentati on concrète du mod èle.C'estainsi que,dèsla 5", nous avon s conseillé une représentation imagéede la notio nd'éléme nt.

En 4",nous avonsdonné une desreprésentati on sdu coura nt électr iq ueet

des réseauxcrista llins .

En3",avecl'écrituredes réac tionset l'introductiondes«modèlesmol

écu-laires»,la sym bolisa tion devientplusprécise.Maisévidemment,ledan ger devientplusgranddeconfondreimag e et modèle.C'est pourcett e raison que nousprésentonsdanslescom plémen ts scien tifiq ues deuxarticlessur les

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est indisp ensable de varier les images, d'abord pour que l'image ne se

confonde pas avec le modèle, et ens uite pour bien montrer que chaque

imagea un domai neparticu lier d'application.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Conséquences sur la pédagogie

Les remarquesprécédentesmontrent que l'utilisation systématique de la méthode de découverte - qui reste possible dans d'autres domaines - est très difficile à utiliser pour l'introduction des modèles. Cependant une démarche d'exposition, comme nous l'avons déjà signalé en 5"dérape si chaque enfant ne comprend pas, ne fait pas sien le problème scientifique que lui imposelemaître en exposant sa théorie. C'est finalement le point décisif: faire attention auxenfants,c'est faire en sorte que chaque interrogation person-nelle convergevers le problème, s'y maintienne pour atteindre la solution. On retrouve ainsi, dans le cadre de la démarche d'exposition, une phase fondamentale de la démarche de découverte: la formulation du problème. Même si les caractéristiques du contenu conduisent à des démarches péda-gogiques différentes,il apparaît un-aspect invariant et essentiel, condition même de l'éducation scientifique: une connaissance nouvelle est la réponse à un problème.

Il sera très important de vérifier que l'enfant ne répète pas des mots abstraits correspondant à une certaine logique, mais vides de tout sens physique ou chimique. Pour cela, des contrôles de typetransfertappliquant des notions bien détaillées en classe à des problèmes étudiés, mais moins détaillés,par exemple des problèmes marginaux du programme (signalés comme ne devant pas faire l'objetde développements) ou de problèmes nés de remarques d'élèves (par exemple lors de l'enquête) ou enfin des pro-blèmes vus les années précédentes, mais qui peuvent être éclairés d'un jour nouveau par l'acquisition du modèle atomique et moléculaire.

II.

COMMENT SE SERVIR

DU LIVRE DU PROFESSEUR

Celui-ci comporte quatre grandes parties

• La première permet de situer le programme dans son ensemble, son esprit, ses difficultés. Elle donne aussi des exemples de progression sur plusieurs séances, en relation avec une ou plusieurs parties du programme. • La deuxième, la plus importante pour le travail quotidien, commente le livre élève et suggère divers modesd'organisation de séances d 'enseigne-ment. Les trois parties du livre élève y sont commentées: l'encyclopédie en premier lieu dans sa totalité, puis les documents et les activités avec des manipulations complémentaires, tout cela nécessitant du matériel. • La troisièmeprésente des exemples de contrôle utilisable sous cette forme ou sous une forme plus simplifiée.

• La quatrième donne des compléments d'information scientifique très développés sur chacune des parties du programme.

III.

COMMENT ORGANISER

SON ENSEIGNEMENT. LES PROGRESSIONS

Nous présentons dans la suite des exemples de progression en référence à différentes parties du programme. Ce sont des modes d'organisation pos-sible d'un enseignement; il en existe, bien entendu, beaucoup d'autres.

Comment organis

er

son enseignement : les progression

s

I. PROGRESSION POUR L'ÉNERGIE

Plutôt qu'uneprogression thématique ou notionnelleproprementdite,nous

préféronsprésenterun organigrammesimplifié denotionsdu programme.

L'expérimentation menéeavec desélèves de troisième conduità distinguer

trois étapes dans l'apprentissage.Bienévidemmentaucun apprentissagede l'énergiene peut sesatisfaire d'une organisation aussi simpliste.Lesva-

et-vient sont nombreux d'unenotionàl'autre,lesreditssont indispensables :

ils complètent peu à peu, par des éclairages différents, l'approch e d'un

conceptou d'une notion.Cependant,si une lignedirectrice est désirée,la

suivantenousparaît favorableàun bonapprentissagedel'énergi epardes élèves de14à 16 ans.

1/ Observ er et analysertoutessortesdetransformationsen term esd'

évé-nem ents, puis en termes d'énergie.Élaborer un symbolismecapablede

représent er leschaînes d'énergie. Faire la distinction qualit ative en tre contenuet transfert. Dèsqu'il apparaît nécessair e,introduirela conser-vation de l'én ergie.

2/ (Sans ordrepréfér enti el.)

- Montrerqueles effets produitsdépend entdudébit d'énergieen puis

-sance.

- Aprèsavoirobservél'exist en cemultipledespertes,introduirelerend

e-ment comme mesuredel'efficacitéd'une transformati ond'én ergie.

- L'énergien'estpas crééepuisqu'elle estconservée. Il fautdoncs

'inter-roger sur les ressources énergétiq ueset sur lescoûts énergétiq ues. - La chaleur permet defaireautrechoseque cha uffer. D' oùl'étudedes

machinesthermiques.

3/ L'én ergie est conservée,mais, après utilisation, elle perd saqualitéde

pouvoir être transformée:dégrad ati ondel'én ergie.D'oùl'org anigramme

suivant: Énergie • contenu • transfert • conservation Débitd'énergi e

-Pertes et rend em ent 1

Ressources et coût énergétiq ue

Conseil pratique

1Machin esthermiques

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Dégradati on 1

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Lesdeuxthèmesqui, dansl'ensembl e,intéressenten premierles élèvessont l'énergie électriq ueet l'énergiesolaire.On peutdonc commence r l

'appren-tissagepar les manipulation snOS41, 42et 43 et lesactivit és compléme n-taires: centra le thermique et éolienne avec une consigne d'action très

simplecomme: allumez unelampeavec... L'accentpeut êtremis alorssur

transformationd'énergi e, chaîne d'én ergie,contenu et transfertd'én ergie.

Dans un contexte de manipulations

,

ces notions suscitent d

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interrogationschezles élèvesen entretenantun intérêtsoutenu .La suitede

l'apprentissage peut être trèsdiverseen suivant l'organisati on conçue c i-dessu s.

INTROD UCTION GÉNÉRAL E

II.

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ÉCANI QUE

Le programme de mécaniquepart de faits de la viede tous les jours: mouvement , vitesse, déform ati on,poids d'un objet,trans mission dem ou-veme nts, pour construire des conce pts souve nt difficilesàappré hen de r: force, poidset masse. Deplus,la confusion danslelangage coura nt ent re certains de ces concep tsnefacilitepasdu tout ces acq uisitions : il s' agitbien sûrde «poids » et «ma sse »,sans oublier l'emploidu verbe«peser», Ceprogram meprévoit l'emploi dudyna momètre,donc lamesurede l' inten-sitédesforces ; on noter a que lepoidsd'un corps n'est, à cesujet ,qu'une for ceparmi tant d'autres,qu'ils'a gissedu poid ssur Terre ou du poids sur la Lune.

Ten ant comp te de ces impér atifs : acquisitions deconnaissan ces et d éve-loppement de savoir-faire spécifiq ues, il nous sembl e indi spens able de consacrer unepartieimpor tantedes séancesréservée sàlamécaniqueà des activités élémen tai res tellesque:

- mettre en mou vem en tdes objets ; décrire les mouvem ent s ;

modifier cesmou vem ent s ; produiredesdéform ati on s ;

mesurer l'intensitédes forces appliquées ; mesur er despoids ;

- mesurerdesmasses, etc. Toutes ces actions doiventperm ettre auxélèves deprendre conscience delanotiond'in teraction entreobjets, puisde celle de forceexercée sur un objet. Deplus,lesmesuresd' intensitédeforces, aussi nombreuses etdiversesquepossibl e,doiventleurfournirdes ordres de grandeur.

C' estseulementaprès cette« prisede con tac t physique»,concrète, avecla mécaniquequel' on peut passer à desmanipulations plus élabo rées p er-mettan t la cons truc tion desnotions du progr amme. Ces manipulations peuvent êtrechoisies parmilessept thèmes proposésdans lelivredel'élève (nOS1à 7) ; on peut également retenir la manipulation compléme n ta ire : Garedetriage. Elles seron t complétées parles activités derecherche, et ce, avec une souplesse aussi lar geque possibl e, en utilisant ces recherches tan tôtpour poser un probl èm einitial, tantôtenapplica tion desrésultats d'une manipulation, tan tôt encore comme con trôle d' acquisition s, de savoir-faire, ou deméth od es.

Une caractér istiq ue fond amentaledu programmede mécanique est qu'il semble totalem ent exclu de prétendre atteindre l'un des obje ctifs de connaissa ncesaucours d'uneuniqu e séq uence.Cefaitn' estd'ailleurspas nouveau:leprogramm ed'électri cité, ensixièm eparexemple, présen tele mêmecarac tère; lesnotion sde courantélectriq ue, bipolaritédela pile etde l' ampoule, cond uc teur, isolant, effetther m ique, seconstruisentpr ogressi-veme nt au cours desdifférentes séquences, par retoursenarriè re,rappels, réinvesti ssem entssuccessifs.Nousprocéderonsdemêmepour l'a cquisition desnotions concerna nt les :

- mou vement s ; - formes ; - interaction s ; - forces.

Lechoix des manipulations et des activités de recherch e devra donc s'effectueràpartirdutableau des objectifs(cf. p.III du présent ouvrage) demani ère à couvrir autant que possible tous les objectifs du pro-gramme. On remarquera que les manipulati ons nO' 1à 7 du livre de l'élèveperm ettentdemettre enœuv re tousles obje ctifs deceprogrammeà l'exception des transmis sion s de mouvem ent par poulies et courroies (n" 13).Les objectifsessentiels son taccessiblesàpartirdetoutes ces mani-pulations .Quan tàlaman ipulation compléme ntaireGarede triage,onnotera

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INTROD UCTION GÉNÉRAL E

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Le programme de mécaniquepart de faits de la viede tous les jours: mouvement , vitesse, déform ati on ,poids d'un objet,trans mission dem ou-veme nts, pour construire des conce pts souvent difficilesàappré hen de r: force, poidset masse. Deplus,la confusion danslelangage coura ntent re certains de ces concep tsnefacilitepasdu tout ces acq uisitions : il s' agitbien sûr de«poids » et «ma sse »,sans oublier l'emploidu verbe«peser». Ceprogram meprévoit l'emploi dudyna momètre, donc lamesurede l' inten-sité desforces ; on not era que lepoidsd'un corps n'est, à cesuj et ,qu'une for ceparmi tant d'autres, qu'il s'a gissedu poid ssur Terre ou du poids sur la Lune.

Ten ant comp te de ces impér atifs : acquisitions deconnaissan ces et d éve-loppement de savoir-faire spécifiques, il nous sembl e indispens able de consacrer unepartieimpor tantedes séancesréservée sàlamécaniqueà des activités élémen taires tellesque:

- mettre en mou vem en tdes objets; décrire les mouvem ent s ; modifier cesmou vem ent s ; produiredesdéformation s ;

mesurer l'intensitédes forces appliquées ; mesur er despoids ;

- mesurerdesmasses, etc. Toutes ces actions doiventperm ettre auxélèves deprendre conscience dela notion d' in teraction ent reobje ts, puisde celle de forceexercée sur un objet. Deplus,lesmesuresd' intensitédeforces,

aussinombreuses etdiversesque possible, doiventleurfournirdes ordres de grandeur.

C' estseulementaprès cette« prisede con tac t physique»,concrète,avecla mécaniquequel' on peut passerà desmanipulations plus élabo rées p er-mettan t la cons truc tion desnotions du progr amme. Ces manipulations peuvent êtrechoisies parmilessept thèmes proposésdan slelivredel'élève (nOS 1à 7) ; on peut également retenir la manipulat ion compléme n ta ire : Gare detriage. Elles seron t complétées parles activités de recherche, etce, avec une souplesse aussi lar ge que possibl e, en utilisant ces recherches tantôtpour poser un probl èm einitial, tantô tenapplica tion desrésultats d'une manipulation, tantôt encore comme con trôle d' acquisition s, de savoir-fair e, ou deméth od es.

Une caractér istiq ue fond amentaledu programmede mécanique est qu'il semble totalem ent exclu de prétendre atteindre l'un des obje ctifs de connaissa ncesaucours d'uneuniqu e séq uence. Cefaitn'estd'ailleu rspas nouveau:leprogramm ed'électri cité, en sixièm eparexemple, présen tele mêmecarac tère; lesnotion sde courantélectriq ue, bipolaritédela pile etde l' ampoule, cond uc teur, isolant, effettherm ique, seconstruisentpr ogressi-vement au cours desdifférentes séquences, par retoursenarrière,rappels, réinvesti ssem entssuccessifs.Nou sprocéderonsdemêmepour l'a cquisition desnotions concerna nt les :

- mou vement s ; - formes ; - interaction s ; - forces.

Lechoix des manipulations et des activités de recherch e devra donc s'effectueràpartirdutableau des objectifs(cf. p.III du présent ouvrage) demani ère à couvrir autant que possible tous les objectifs du pro-gramme. On remarquera que les manipulati ons nO' 1à 7 du livre de l'élèveperm ettentdemettre enœuv re tousles obje ctifs de ceprogrammeà l'exception des transmis sion s de mouvement par poulies et cou rr oies (n" 13).Les objectifsessentiels son taccessiblesàpartirdetoutes cesman i-pulations .Quan tà laman ipulation compléme ntaireGarede triage,on notera

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- lesthèmesretenusdevront êtrevariés (éviter dechoisir les manipula-tion s 3 et 7 : elles utili sent toutesdeu xdespoulies ) ;

- tousles objec tifs devront êtreabordés (sauf len" 13 évide m me n t); - lamanipula tionn? 6,Archimède,devra à peu près obliga toire me n têtre rete nue:c'est laseul equi utilisela forceexercée par un fluidesur un solid e; - les objectifs non abordés (ou insuffisamment couve rts) à l'aid e des manipulation s chois ies entraîneront la sélectio n d'activités de rech erch e que l'on s'efforcera de trait er aussi à fond que possibl e, dan s le style

manipulation, chaque foisquele thème leperm ett ra ;

- bien qu'au cun classeme nt n'ait été effectuéentre ces sept manipul a-tion s, on rema rq ue ra que les trois premières sont centrées autou r des objectifs conce rnant le mouvemen t d'un obje t, tandis que les suivantes introduisent la mesure desfor ces.

A titre indicatif, nous allons maintena nt présenter trois proposition s de progr ession s, surto ut afin de montrer comme ntappliq uer les rem a rques ci-dessu s, eten recomm andant plutôt à chaque professeu r d'ét ablir lui -mêm ela prog ression qu'iljugera la meilleure. Il reste en tend u quedans chaque casonabo rde ra la partiemécan iqu epardesactivitésde manipul a-tionséléme nta ires qui nefigurentpasdans lesprogressionsproposées ;une séquen ce entière peut être consacrée à ces acti vit és.Lesrech erchesalt er-nen t avec les manipulations et viennent ainsi les compléter; certaines peu vent évide mme nt tenirlieu de contrôles: nous nelesavonspasd istin-guéesdes autres dan s lesprogressions.

Recherches sur...

Manipulations Attention!

Mouvement Interacti on s Poids- mass e Poulies- mystère! cou rroies

Progression n°1

1. Avecdesressorts 8-9-10-24 26-27-33-29-34-35

s

.

Avecdesdynamomètres 16-1 7- 18-22 37-26 51-52-53

3. Mett re en mouvement

plusou moins vite 42-43-44 47-48-49-50

6. Archimèd e 23-14 30-4 1 54

Progression n°2

2. Interactionet chute

descorps 13-8-12 26-28-34 55

3. Mett re en mouveme nt plus

ou moins vite 21-19- 11 39 42-44 52

6. Archimède 15-22 36-37-22-30-4 1 47-48-49-50

4. Un clou peut-il exercer une

actionmécanique? 23 45-46 53-54

Progression n° 3

1. Avecdesressorts 8-9-11-18-20 26-35-29-38 52

7. Avec des poulies 22 30-4 1 4-7-48-49-50 51-55

Comment

org

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enseignement: les

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gress

ions

Formules,modèles

- Éléme nt. - Molécule.

Réactions chimiques et équations Eau.

Hydrocarbures.

Solides.

Matièresplastiques.

3. Progression

à

partir de l'espèce chimique eau

- Cha nge ments d'état del'eau: • lamême espèce chimiq ue; • forméedeparti cul es ; • structure des tro iséta ts. - L' air.

• mélan ge.

- Réactions chimiquesavec l'eau : • ana lyse (d ifféren ts procédés) ; • synthèse;

• la rouille.

- Les solutions aqueuses: • testdu pH ;

• test des anio ns.

- Écriture symboliquepourtraduirelesréactions chimiq uesavecl'eau. - Applica tion de la théor ie à d'a ut res réactions prises dan s les pro -gra mmes des classesprécéd ent es.

- Autres réactions etécriture de leurséquations: • hydroca rbures ;

• alumi no-thermie; • mati èresplastiq ues ;

• réductiondel'oxyd ede cuivre.

Tableau des objectifs en relation avec les manipulations et les activités

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Réactions avec :::II

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Hydrocarbures ii

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•

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+++

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Acides,bases,pH

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Matièresplastiques

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Identifier un a:az

++

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matériel courant

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Classeret C0

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-Faire brûler

•

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Monter une électrolyse

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Observation

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Émission etvéri

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Recherched'un

•

mode opératoire

5f

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E_{de g}valua tion_randeurd'unordre

8.

•

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+

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Identification et

séparat ion des vari ables

+

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Patience

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+

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R_(sécuespect_rité)des consignes

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Espritcritique cQ. Intérêt pour

•

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s:

~

Comment organiser son enseignement

:

les progre

ssions

1.\-

_Activité, - ReCherChe_\S - Manipu-lation s - Contrôles

Connaissances Savolr.falre Méthode Attitude

54 55 56 57 58 59 60 61

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

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+ + +

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+

+

+

+

+ +

of: +

IV

.

QUELQUES SUGGESTIONS DE THÈMES

En plus des progr ession sspécifiqu esàchacunedesparties (méc aniq ueou

chimie ), ilsem ble intéressant deproposer un certain nombrede .thèmes

généraux divisés eux-m êmes en thèm es plus restreints. En effet, il est

possibled'aborder , à partirde ceux-ci, un nombreimportantde co

nnais-sancesdestroispartiesdu progr amme.On n'a volon ta ireme nt retenuque

les connaissa nce s interv en ant «àpart en tière» dans cesthèm es. C'e stainsi,

parexe m ple, quelesdéformati on s, comme lesfrottem entsqui interviennent

danslesthèm esFuséeetÉnergie électriqued'originehydraulique,mai sindi

recte-ment ou demanièr elimitée,n'ontpas étérete nus . Pour lethèm edu Train

enco re, on n'apas retenuL'eaudela partiechimie,bienqu' elleintervienne

comme produit de com bustio n dan sun moteur Dieseldetracti on.

Ces thèmes peuv ent d'autrepart faire l'objet d'enquêtes men ées par les élèves auprès d'organismes officielsou privés, les exemplesconcrets et

chiffresproposésdanslesdocu mentsfournis s'inséra nt logiquem en t dans

l'enseign em en t.

INFORMATION GÉNÉRALE

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L'air (agen t de combus tion ) X X X X X X X L'eau (espèce chimique)

X X X X X X X Les hydrocarbures

Q Lesmatièresplastiques ::r

X X X X

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..

.

Acidité-Basicité III

X _X

X _{X Test desions}

X _{X Réactions avecdessolid es}

X X X X X X X X X X X X X X X X X X. X _Transfert X X X X X X X X X X X X X X X X X X X _Conservation X X X X X X X X X X X X X X _{Rendem ent} t'1-Dégradati on

=

1

X X X X X X X X X X X X X III '1 CJ,3. X X X X X X X X X X X X X X X X X _Débit III

X X X X X X X X X X X X _{Énergiecinétique}

X X X X X X X X X X Énergiedeniveau X X X X X X X X X X X X X Mouvem ent X X X X X X X X X _{Déformations} X X X X X X X X X X X X X _{Interactions-Forces ~} Ill, l'l

X X X X X X X X X _{Frottem ent} III

=

X X X X X X X X X X X Poids-Masse

i

_III

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X _{X X X Poulies}

X X · X X Propulsion des fusées

Comment se servir

du livre élève

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OMMENT

S

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SERV

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U

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VRE É

LÈVE

1.

COMMENTAI

RES

SUR LES A

RT ICLES

D

E L'

ENCYCLO PÉ DIE

I

. É

NERG

IE

P

.

102 :

Énergie

Les dessins :ch a t, chien, etc.d'unepart et mammi-fèresd'autrepartvon tsur prend re lesélèves. Ces deu x

dessins veu len t seuleme n t suggérer qu'on peut s'approch er du concep t d'én ergi epar unedémarch e

mentale partiellement semblable à celle qui permet

d'accéderau concep t demammifère.

Bien quediffér entsdansleurcou leur,leurforme,leur

dimension,leur modede vie, etc., lesanimauxrepr

é-sentéssur lepremier dessin peuvent êtreregroupés,

dan s une même classe, celle des mammifères parce

qu'ils possèd entun ensem bledecarac tèrescom m uns qui définissentcetteclasse.

Il en est demêm e pour les réservoirsqui servent à allumer une lam pe. Bien que différ ents dans leu r forme,leurdimension,leurmod edefon ctionnem ent,

etc., ils on t cette propriété com m une de pou voir allumerunelampeou,plusgénéralement,depou voir faire quelque chose. L'hypothèse proposée est donc

l'existence dequelquechosede com m un contenu dans

ces réservoirs,maiscequelquechose est trèsvague ;il rest eàdéfinir.Cesera l'obj etdela suitedel' ap p ren tis -sage ave c les notion s de formes, transfert, débi t,

con se rva tionet dégradationdel'énergie.

L'analogie en t re cette présen ta tion desmammifèreset celle de l'én ergie porte don c essen tielleme nt sur la natured'un concept,qui traduit le com mun sous la diversitéet non sur lanaturede l'éne rgie .

P

. 103 :

Formes d'énerg ie

Le dessin en marge du texte suggère une nou velle

analogie, cette fois en tre la fortuneet l'én ergie. De

mêmequela fortune,posséd éepa r unepersonn epeut être con sti tuée d'élément s très divers - châtea ux, bijou x,voit ures, etc.- demêmel'énergie est prés ente

sousdiverses for mes- ch imiq ue, nucléaire,etc.

Nous avons insisté su r le caractère «interne» de

l'én ergi e en lui faisant subir ainsi une en torse non négligeab le: celledel'énergiecinétique.Les én ergies chimique,nucléaire,de«niveau» - oucelled'ungaz liée àsa température- figurent com medesformes

d'énergieinterneauxyeuxdesphysiciens; cen'estpa s leca s, àj ustetitre,del'én ergie cinétiq ue,car il ne s'agit pasd'une énergie liéeàla str uc tu redusystème,mai s à son mouvem entparrapportàun repère.

P

.

104:

Transfert d'énergie

Ledessin représenta ntl'échan ged'informations t

élé-phoniques en tre banquiers suggère que le transfert

d

'

énergie

(

fo

r

t

u

ne

jse

fait s

ouvent

s

ans é

change mat

é

-riel (m on naie); une simple information suffit. L'un

descom p tesbancaires est débitéd'unecert a inesomme

d'argent pendant quel'a u treest créd itéde lamême

somme;lamesuredece transfertsefait parlamesure

de la va ria tion du montan t de chacu n des comptes.

Maisil nefautpaspoursuivrel'analogietroploin ,elle

serévélerait boiteuse.

Un pointest particulièrementdélicat: celuidu tran

s-fertd'énergi elorsq u'u n phénomènedefrottement est en jeu. Dire, dans cecas,qu'il s'agit d'un tran sfert

d'én ergiepartravailou parch a leu r n'est pa ssati sfai -sant.Direqu'il s' agit d' u n travail parce quetou t se

pas se com mesi une«for ceunique»defrottemen test en jeu, ne convien t pas; cette suggestion de«for ce

unique» marche bien pour étud ier le mou vement,

maisnon pourle transfertd'énergie:en effet ,lanotion de travail fourni à un système sous-ten d l'idée de

déplacementordo n nédel'ensembledespa rticulesdu

systè me (if. Dégradationdel'Energie,p. 241).Direqu'il s'agitdechaleur n'estpasplussatisfai sant;le résulta t dufrottemen test bien uneaugmen ta tio n del' énergie

d'agitationdésordon néedespart icu les dusystèmequi reçoitl'énergie,c'est-à-direuneaug menta t iondete m-pér ature, mais il n' y a pa s à proprem ent parler de

tran sfert d'agitation désordonnée. Don c, ni le mot

chale ur,ni lemot travail ne conv ien ne nt.

Mai s il nefaut pas s'acc roc her tro p rigidem en t aux mot s. Ilest beaucoup plus raisonnable à prop osdes

pertes de ne pa s cherche r à en désigner la for me,

com mecelaa étésuggé rédansleL.E. Par cont re, ence

quiconcerne lachaî ne d'én ergieutile,lachaîne prin

-cipale, les motschaleu ret travailconviennent assez

bien,eton peutles conserver.

P

.

10

8

:

Débitd'éner gie

Danslesdeuxpetitsdessins,les deux tas d'herbe sont strictement identiques. Cela suggèrequelaqua ntité

d'én ergie chimiq uedispo n ib ledanslesdeuxca sest la

même.Maisla vache,ou lebœuf(pe nserauxanciens attelages de bœufs), en consom me davan ta ge que

l'escargot pendant le mêm e temps; cela permet au bœufde fournirune puissan ce su périe ur eà cellede

l'escargo t.Les élèves font facil em entladifférenceent re lesconcep ts d'éner gie et depuissa nce à cond itiondeles

juxtaposer en notantleurdifférence.Lescas,les plus

favorables, sont ceux pour lesquels les qua n tités d'énergie, par exem ple, sont les mêmes et les pui

s-sancesdifférentes ou inversement.

P.

III

:

Dégradationde l'énerg ie

Ledessindu tailleurproposeuneanalogieen tre J' étoffe

e

t l'

énergi

e

.

D

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e

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énergie

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i

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devientinutilisable,l'étofferest eétoffe,maislesno m-breusespetites ch u tesd'étoffedevienn ent inut ilisables