Construire le concept d’énergie en classe de première S
par Pascal BALLINI Rectorat et MAFPEN Grenoble Guy ROBARDET et Jean-Michel ROLANDO IUFM et MAFPEN Grenoble
RÉSUMÉ
Dans un ouvrage encore récent, G. LEMEIGNANet A. WEIL-BARAIS[14] analysent les concepts de la mécanique et en particulier celui d’énergie. Ils montrent qu’il s’agit de concepts formels dont on ne peut pas se faire de représentation dans le monde des ob- jets. Ils sont des constructions intellectuelles très élaborées qui, nécessairement, con- duisent à des difficultés importantes lorsqu’il s’agit de les enseigner. Les études didac- tiques que nous avons menées nous conduisent à penser qu’il est illusoire de croire que les élèves vont pouvoir «sentir» ce concept à partir de l’évocation de quelques situa- tions et de la réalisation de quelques expériences. Dans l’approche que nous propo- sons, nous cherchons à faire construire le concept aux élèves et non à leur faire perce- voir de façon plus ou moins intuitive. Nous assignons pour cela un rôle central au principe de conservation. C’est lui qui constitue le «ciment» de cette construction.
Un déroulement tenant compte de ce cadre théorique a été élaboré, soumis à des professeurs volontaires pour le tester dans leur classe1, et évalué. Les séances ont été expérimentées à six occasions au cours des années scolaires 1994-1995 et 1995-1996.
Les réflexions que nous présentons ici sont l’aboutissement de ce travail théorique et empirique.
1. Nous en profitons pour les remercier sincèrement, tant pour leur accueil que pour le travail supplémentaire que cela leur a occasionné. Il s’agit d’Edmée LESPINASSEet d’André MATHIEU, professeurs au lycée Vaugelas de Chambéry (73), d’Annie GUILLOT, professeur au lycée du Granier à La Ravoire (73), de Mireille BARRAL, formatrice à la MAFPEN de Grenoble et de Paulette RAISIN, professeur au lycée Charles Baudelaire de Cran-Gévrier (74).
Nous remercions également Mme GAYet M. BOLLIET, agents techniques respectivement à l’IUFM de Grenoble et au lycée Vaugelas de Chambéry pour leur contribution dans la mise au point du matériel.
Nous ferons le point dans un premier paragraphe sur les connaissances qui nous paraissent essentielles en classe de première. Nous présenterons ensuite rapidement l’approche du concept par le biais des chaînes énergétiques dont nous nous sommes ins- pirés. Nous détaillerons dans le troisième paragraphe la logique qui a guidé nos choix didactiques, et nous verrons immédiatement dans le paragraphe suivant comment nous la concrétisons sur deux exemples précis. Nous serons amenés à donner quelques indi- cations sur l’organisation du travail des élèves (paragraphe 5) de façon à montrer com- ment nous assurons la cohérence entre nos choix didactiques et le déroulement de la classe. S’il est un domaine que tout le monde s’accorde à reconnaître comme difficile, c’est bien celui de la thermodynamique élémentaire (chaleur, température, énergie in- terne, changements d’état...). Nous consacrerons le paragraphe 6 à montrer comment nous appliquons notre démarche à ce champ conceptuel et comment les élèves réagis- sent.
1. LE CONCEPT D’ÉNERGIE AU NIVEAU DE LA CLASSE DE PREMIÈRE
Commençons par un rapide examen des composantes de ce concept telles qu’elles apparaissent au niveau de la classe de première S. Cela nous donnera également l’occa- sion de préciser les notations utilisées.
1.1. Caractéristiques du concept
L’énergie est une grandeur scalaire comportant deux composantes : les formes d’énergie (caractérisant l’état d’un système) et les modes de transfert (caractérisant l’interaction entre systèmes). Pour les formes d’énergie, nous distinguons celles qui re- lèvent du macroscopique et celles qui caractérisent l’état microscopique.
1.1.1. Les formes macroscopiques
Il s’agit des énergies cinétiques de translation (Ekt), de rotation (Ekr), et des éner- gies potentielles :Eppour l’énergie potentielle de pesanteur,Epepour l’énergie poten- tielle élastique.
1.1.2. Les formes microscopiques
Nous distinguons l’énergie d’agitation microscopiqueEit (ou encore énergie in- terne thermique) qui varie avec la température et les énergies potentielles d’interaction entre les particules constitutives de la matière : énergie interne physique (Eip) qui varie lorsqu’il y a changement d’état physique et qui traduit une modification des interac- tions inter-particulaires ; énergie interne chimique (Eic) qui varie lorsqu’il y a réaction chimique et qui marque les modifications des interactions entre atomes ; énergie interne
nucléaire (Ein) qui varie lorsqu’il y a réaction nucléaire et qui s’accompagne d’une mo- dification des interactions entre nucléons2.
Les modes de transfert sont le travail mécanique (Wm), le travail électrique (We), la chaleur (Q) et le rayonnement (R).
Par ailleurs, la grandeur «énergie» obéit à un principe de conservation et à un prin- cipe de dégradation3.
1.2. Procédures à maîtriser pour pouvoir raisonner
Connaître les formes et les transferts d’énergie ne suffit pas pour mener à bien une analyse énergétique. Il faut en outre savoir définir un système, choisir un instant (dans le cas d’une analyse mettant en jeu des puissances) ou deux instants (dans le cas des bi- lans énergétiques), reconnaître les formes d’énergie que possède le système étudié et leur sens de variation, identifier les transferts, et enfin appliquer qualitativement et quantitativement le principe de conservation.
Pour permettre à l’élève d’accéder à ces connaissances et à ces raisonnements, nous proposons une démarche centrée sur deux points forts. L’introduction de la notion d’énergie se fait par l’analyse de chaînes énergétiques (paragraphe suivant). Mais il ne s’agit que d’une introduction à l’issue de laquelle les concepts sont précisés en s’aidant du principe de conservation. C’est ce qui constitue l’originalité de notre démarche que nous développons dans les paragraphes 3 et suivants.
2. LES CHAÎNES ÉNERGÉTIQUES COMME MOYEN DE FONDER L’IDÉE D’ÉNERGIE Une chaîne énergétique est une représentation symbolique des transformations et des transferts d’énergie qui s’opèrent entre systèmes en interaction. Cette idée a été dé- veloppée par AGABRA, DEMEESTERet LEMEIGNAN[1] à l’occasion de l’introduction d’un enseignement sur l’énergie en classe de troisième, puis reprise dans le contexte de la classe de première [13]. Le travail que nous menons nous-mêmes s’en inspire fortement tout au moins dans la première partie qui fait l’objet de ce paragraphe.
2. Cette liste n’est pas exhaustive, mais correspond aux programmes de première S. Il y au- rait lieu de rajouter l’énergie électrique stockée dans une bobine ou un condensateur (pro- gramme de terminale S), et toutes les énergies mutuelles qui, comme les énergies poten- tielles, caractérisent un système constitué de deux sous-systèmes en interaction.
3. Le programme français n’accorde qu’assez peu d’importance à la dégradation de l’énergie, aussi nous ne discuterons pas de cet aspect.
Au cours d’une séance de TP, différents problèmes expérimentaux sont soumis à la réflexion des élèves. Le but est de les faire réfléchir sur les moyens d’obtenir un effet à partir d’un matériel qui n’y conduit pas directement. Les élèves, par groupes de deux ou trois, doivent imaginer une solution à un ou plusieurs de ces problèmes et expliciter la chaîne des transformations et des transferts qui se produisent. Ils utilisent pour cela une symbolisation qui leur est fournie et qui évolue progressivement jusqu’à devenir, au bout de plusieurs séances, une représentation énergétique. Les lecteurs intéressés se reporteront utilement à deux ouvrages aisément disponibles : [1]4et [14]. Ils y trouve- ront des précisions complémentaires sur les objectifs poursuivis, sur l’esprit des activi- tés ainsi que de nombreux exemples de montages expérimentaux adaptés.
Pour la compréhension de la suite de notre texte, nous présentons ici un exemple sur lequel nous aurons à revenir. L’un des problèmes consiste à allumer une ampoule (montrée aux élèves) à l’aide d’une bouteille de gaz... Parmi les montages possibles, on s’intéresse à celui dans lequel on vaporise de l’eau en la chauffant. La vapeur, dirigée vers une hélice, provoque la rotation d’une génératrice. Cette dernière alimente une am- poule ou une diode électroluminescente selon la qualité des liaisons.
La première symbolisation demandée aux élèves est la suivante.
Figure 1
Leur première production (dont un exemple significatif est fourni ci-dessous) est discutée et améliorée. La flamme n’est pas un objet et ne peut donc pas figurer sous une
«bulle» (consigne initiale non respectée). Par ailleurs différents regroupements d’ob- jets rendent utilement la chaîne plus synthétique. L’évolution se fait ensuite en deux étapes. Dans une production intermédiaire les élèves remplacent le verbe d’action (au- dessus de la flèche) par un terme qui doit être caractéristique de ce qui est transféré. Ils ajoutent dans les «bulles» un terme caractéristique de ce qui est «possédé» par l’objet.
4. Il s’agit du livre de troisième édité par Hachette dans la collection «Libre parcours» cor- respondant aux programmes de 1980. On conseille le «livre du maître» particulièrement intéressant.
Figure 2 : Production initiale.
Figure 3 : Production intermédiaire obtenue à la fin de cette phase.
L’évolution suivante est le fait du professeur qui introduit la notion de système et qui fixe le vocabulaire scientifique lorsqu’il estime que le concept sous-jacent est perçu par les élèves. Cette dernière limitation est importante. Si les élèves perçoivent assez bien les modes de transfert, il n’en va pas de même pour certaines formes d’éner- gie, notamment l’énergie interne chimique du système {gaz, oxygène}. L’esprit du travail que nous proposons est d’accepter, à ce stade, une analyse incomplète : la réflexion sur la forme d’énergie possédée par le gaz fait l’objet d’une séance à part en- tière (§ 4).
Figure 4 : Production obtenue après intervention du professeur.
3. LE PRINCIPE DE CONSERVATION COMME MOYEN DE CONSTRUIRE LE CONCEPT D’ÉNERGIE
3.1. Identification de quelques points d’appui
La séance de TP a été observée dans plusieurs classes. Les productions initiales et intermédiaires des élèves ont été recueillies et systématiquement dépouillées. Nous avons observé comment, et avec quel vocabulaire, les élèves traitaient les situations qu’un physicien interpréterait par un concept énergétique. Cela nous conduit à penser qu’il est possible d’aider les élèves à construire rapidement une première représentation des quatre modes de transfert, de l’énergie cinétique macroscopique et, dans une moin- dre mesure, de l’énergie interne de température (lorsqu’elle caractérise un état visible- ment plus chaud que l’environnement). Nous développons plus en détail ce point dans une autre publication [6]. Précisons simplement ce qu’il en est des concepts de chaleur et d’énergie interne de température.
1. Les élèves ne semblent pas éprouver de difficulté à attribuer de l’énergie aux objets plus chauds que le milieu ambiant. Ils la nomment souvent «chaleur» ou «énergie ther- mique». Outre la question du vocabulaire (on leur demande d’adopter le terme d’éner- gie interne de température), ils devront plus tard généraliser le concept et le discriminer de la chaleur avec lequel la confusion est fréquente.
2. Lorsqu’un transfert s’effectue sous forme de chaleur en s’accompagnant d’une va- riation perceptible de la température d’un système, les élèves produisent aisément une interprétation utilisant le mot «chaleur». Il sont encore bien loin du concept scientifi- que, mais cette aptitude à reconnaître un transfert sous forme de chaleur dans une situa- tion particulière leur servira pour une élaboration plus générale qui sera explicitée et discutée dans le paragraphe 6.
Mais il ne s’agit pas d’aller trop loin... Se fonder sur la seule intuition des élèves ne peut en aucun cas conduire à des élaborations complexes. Nous prétendons notamment, et nous en donnons une justification historique dès le paragraphe suivant, que certaines constructions conceptuelles ne sont pas possibles par cette voie. Il s’agit des énergies potentielles, de la chaleur et de toutes les énergies internes liées aux interactions micro- scopiques entre les particules constitutives de la matière (énergies internes chimique et physique notamment).
3.2. Détour historique
C’est en cherchant à élaborer un édifice cohérent permettant de fournir un cadre théorique unique à des phénomènes issus de champs considérés jusqu’alors distincts que s’est constitué le principe de conservation de l’énergie. Mais simultanément et en interaction avec celui-ci, ont été développés des concepts jouant maintenant un rôle central. La notion d’énergie interne ne s’est jamais imposée antérieurement au principe
de conservation. C’est parce qu’elle était nécessaire pour la cohérence de la théorie que Clausius et Thomson ont introduit cette grandeur. C’est également selon cette même lo- gique que s’est constitué le concept d’énergie potentielle. Bien qu’il ait été pressenti par Helmholtz [9], il semble s’être imposé comme une nécessité au moment où l’on cherchait à étendre le principe de conservation non plus au champ de la thermodynami- que, mais à l’ensemble des phénomènes physiques, notamment ceux de la mécanique [18]. Insistons sur ce point : des esprits brillants comme Descartes (formulation d’un principe d’équivalence entre travail moteur et travail résistant), Leibniz (force vive), Lagrange (élaboration du formalisme de la mécanique analytique) n’ont pas ressenti la nécessité du concept d’énergie potentielle, ce qui nous semble justifier notre affirma- tion selon laquelle les élèves de première ne peuvent pas en avoir une idée intuitive et qui nous conduit à la seule alternative possible : ces concepts doivent être construits.
Nous suivrons une piste analogue à la démarche historique : c’est en demandant aux élèves d’appliquer le principe de conservation dans un champ de plus en plus large, qu’ils parviendront dans les meilleures conditions à construire le concept d’énergie dans tous les aspects correspondant à la classe de première.
3.3. Le rôle du principe de conservation
Le principe de conservation joue donc un rôle central dans la démarche que nous proposons. Il est énoncé sous la forme suivante que l’on ne cherche pas à préciser pour l’instant.
Dans un système quelconque, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite.
Si un système perd ou gagne de l’énergie, elle est obligatoirement prise ou cédée à un autre.
Son statut de principe est clairement affirmé : il s’agit d’une hypothèse, imaginée par les physiciens, qui n’est pas démontrable, mais qui constitue l’un des fondements de la discipline5. Nier un principe, et notamment celui de la conservation de l’énergie, est impossible sans révolutionner toutes les sciences physiques.
5. On explique souvent aux élèves qu’un principe est une affirmation non démontrable, mais qui n’a jamais été mise en défaut. Cette affirmation est, de notre point de vue, insuffisante car trop faible. Un principe n’a pas vocation à être mis à l’épreuve. Lorsqu’une contradic- tion apparente se présente, l’activité scientifique s’oriente vers la recherche de ce qui per- mettra de «sauver le principe». Cette démarche est typique en physique des particules.
Lorsque l’analyse d’un cliché semble mettre en défaut l’un des principes fondateurs du do- maine, les scientifiques imaginent l’existence d’une nouvelle particule à laquelle ils attri- buent toutes les caractéristiques ad-hoc de façon à assurer l’ensemble des principes de conservation. L’histoire montre que l’abandon d’un principe constitue une véritable révo- lution scientifique, au sens donné par KUHN[11].
Au moment où il est énoncé, les élèves disposent donc des quelques points de re- pères intuitifs (qui ont fait l’objet de la discussion du paragraphe 3.1.), mais seulement de ceux-ci. Ils ont progressivement appris à définir un système qui représente pour eux un objet, un groupe d’objets ou encore une partie d’objet.
La démarche que nous proposons et qui constitue l’originalité de notre travail con- siste à examiner tout un ensemble de situations, éventuellement surprenantes ou énig- matiques, à la lumière du principe de conservation, pour continuer à identifier et à pré- ciser les différentes manifestations de l’énergie. C’est la logique du principe de conserva- tion qui conduit à de nouvelles conceptualisations. Le fil directeur est la cohérence théorique de l’édifice.
Le cheminement intellectuel souhaité chez les élèves est donc le suivant :
«Telle manifestation de l’énergie n’est pas intuitive, elle est toutefois nécessaire pour ne pas contredire le principe de conservation».
Ce choix didactique s’oppose à ceux qui visent à «faire sentir» toutes les formes d’énergie aux élèves, puis à les utiliser quantitativement à l’aide du principe de conser- vation. Par exemple, on «fait sentir» énergie cinétique et énergie potentielle de pesan- teur, puis on applique le principe de conservation pour déduire la relation classique de la chute des corps. Ou encore, après avoir «fait sentir» l’idée d’énergie chimique, on ap- prend à mesurer une chaleur de réaction. En prenant ainsi appui sur des idées peu dispo- nibles chez les élèves, on ne provoque pas d’acquisitions durables.
L’esprit des activités que nous avons élaborées ayant été détaillé, les paragraphes suivants donnent des indications sur les situations choisies et sur la manière dont nous les conduisons.
4. DU PRINCIPE DE CONSERVATION AUX CONCEPTS D’ÉNERGIE INTERNE CHIMIQUE ET D’ÉNERGIE POTENTIELLE
4.1. Situations utilisées et raisonnements attendus
4.1.1. L’énergie interne chimique est introduite à partir de la situation énig- matique suivante, que nous présentons telle qu’elle est donnée aux élèves.
Lors de la première séance, on a réussi à allumer une ampoule à l’aide d’un autocui- seur chauffé à partir d’une bouteille de gaz. Interpréter cette situation à l’aide du prin- cipe de conservation de l’énergie.
À ce stade, les élèves sont parvenus à une schématisation telle que la suivante (voir fin du § 2).
Figure 5
L’objectif est de les amener à mettre en œuvre un raisonnement dans lequel ils comprennent :
– qu’une forme d’énergie doit nécessairement être affectée en début de chaîne (faute de quoi le principe ne serait pas respecté) ;
– que celle-ci est localisée dans le gaz6; – qu’elle est de nature chimique ;
– que cette énergie chimique doit être attribuée au gaz même s’il n’est pas en train de brûler (car sinon le principe serait en défaut).
4.1.2. L’énergie potentielle de pesanteur, s’élabore à l’issue de l’analyse d’une chute.
Un jongleur tient une balle dans sa main, puis la lâche. Interpréter cette situation à l’aide du principe de conservation de l’énergie.
De même que dans le cas de l’énergie chimique, les élèves doivent aboutir au con- cept d’énergie potentielle de pesanteur, à partir d’arguments fondés sur la non-contra- diction du principe de conservation de l’énergie :
– une forme d’énergie doit être affectée à la balle ; – elle dépend de son altitude ;
– elle doit lui être attribuée même si elle est immobile.
4.2. Le cœur du débat
Les élèves, au début de ce travail, fixent spontanément leur attention sur l’action qui se déroule devant leurs yeux (le gaz brûle, donc il chauffe l’eau de l’autocuiseur ; la 6. Le professeur attend la synthèse pour préciser que c’est le système gaz-oxygène qui doit
être considéré.
balle, dès qu’elle est lâchée se met en mouvement donc acquiert de l’énergie) sans cher- cher à concevoir ce qui, en amont, constitue l’état initial du système (indépendamment de toute combustion, le système gaz-oxygène possède de l’énergie ; indépendamment de tout mouvement, le système Terre-balle possède de l’énergie). La traduction énergé- tique de ces situations conduit, en fin de compte aux interrogations suivantes : – première situation :
– «doit-on attribuer de l’énergie au gaz avant qu’il s’enflamme ?»
– deuxième situation :
– «doit-on attribuer de l’énergie à la balle avant qu’elle soit lâchée ?»
Les séances observées montrent qu’il est possible d’amener une classe à débattre de ces questions centrales. Cela conduit à des échanges souvent passionnés entre les élèves reconnaissant qu’il est nécessaire, pour la cohérence du principe, de répondre par l’affirmative à ces questions, et ceux qui ne parviennent pas à dépasser le stade de l’intuition réaliste : «puisqu’il ne se passe rien, il ne peut pas y avoir d’énergie».
4.3. L’enjeu de l’activité
Au moment de la synthèse, le professeur tranche éventuellement les débats et fixe le vocabulaire. Mais son rôle premier est d’aider à cette conceptualisation. Le gaz, tout comme l’objet, ne possède rien au sens réaliste du terme «posséder». Pourtant, la cohérence du système théorique impose de leur attribuer cette «entité abstraite» qu’on appelle «énergie». Celle-ci est bien une production intellectuelle et non une donnée sensible.
Au-delà du concept d’énergie, cette démarche nous paraît essentielle dans l’ap- prentissage des sciences physiques. Les élèves doivent progressivement passer d’une pensée guidée par l’intuition réaliste, à un raisonnement auto-contrôlé par le souci de la cohérence. C’est sans doute un obstacle majeur car la pensée scientifique se cons- titue bien souvent contre l’intuition [3, 4]. Mais son dépassement représente bien l’ob- jectif essentiel de notre travail. On peut, par cette voie, espérer que les élèves vont par- venir à construire des concepts devenant de véritables outils et non seulement de simples objets d’enseignement. C’est à terme l’autonomie intellectuelle des élèves qui est visée, et leur aptitude à apprécier eux-mêmes la cohérence des raisonnements qu’ils mènent.
Les grandes lignes de nos propositions ayant été détaillées sur les deux exemples ci-dessus, il convient d’apporter quelques précisions quant au déroulement concret des activités, ce qui constitue l’objet du paragraphe suivant.
5. ORGANISATION DES ACTIVITÉS 5.1. Indications sur le déroulement
Chaque séance se déroule selon la même chronologie :
• Les élèves sont répartis par groupes de trois ou quatre. Chaque groupe réfléchit pen- dant cinq à dix minutes à la traduction énergétique d’une ou deux situations. Il explique par écrit comment s’applique le principe de conservation. Les tâtonnements et les er- reurs des élèves, inévitables pendant cette phase, ne sont pas une perte de temps, mais l’assurance que ceux-ci sont véritablement «entrés» dans les difficultés. S’ils résolvent seuls la situation, cela contribue à les conforter dans leur autonomie et constitue pour eux un progrès notable. Leurs connaissances et leur manière de raisonner sont ainsi consolidées. S’ils échouent, les explications ultérieures interviendront en réponse à leurs difficultés. Ils seront donc réceptifs tant aux arguments de leurs pairs qu’à la syn- thèse du professeur.
• Une mise en commun et un débat interviennent ensuite (dix à quinze minutes). Au cours de ce moment, le professeur met en évidence les différents raisonnements en s’ef- forçant à chaque fois de recentrer le problème : «Comment peut-on expliquer cette si- tuation en appliquant le principe de conservation ? Telle proposition de tel groupe le respecte-t-elle ? Pourquoi ?». Il ne donne encore aucune indication sur le raisonne- ment qui devra être assimilé.
Il est indispensable, durant ces deux moments, que le professeur sache s’effacer en privilégiant le débat entre élèves devant ses propres interventions.
• Enfin intervient la synthèse du professeur. Elle est l’occasion d’un apport théorique, mais aussi d’une aide aux élèves pour ordonner leur pensée et mettre en cohérence l’en- semble complexe des informations qu’ils reçoivent. Sans les moments de recherche et de débat préalables, le discours de l’enseignant reste trop souvent sans écho et la con- naissance qui en résulte est locale, ponctuelle et (hélas) volatile.
5.2. Outils fournis aux élèves pour appliquer le principe
Nous avons profité du premier paragraphe pour rappeler que la maîtrise des con- cepts passe par celle des raisonnements qui les rendent efficaces. C’est pourquoi nous im- posons une symbolisation rigoureuse dont le but est d’aider à rendre le principe de con- servation opérationnel. Son caractère contraignant interdit de «noyer le poisson» dans des formules sibyllines trop souvent employées à mauvais escient dans les manuels de
1988 [17] telles que «transformation de travail en chaleur»7ou encore «chaleur dégagée par une réaction chimique élevant la température du calorimètre et de son contenu»8.
• Les systèmes sont représentés par des «bulles» en traits pleins pour celui qui est étu- dié, en pointillés pour ceux qui sont en interaction avec lui.
• Les transferts sont représentés par des flèches indiquant leur sens.
• Les formes d’énergie sont représentées par des rectangles (en pratique on ne repré- sente que celles qui varient) qui obéissent aux règles suivantes : ils sont positionnés en haut pour l’instant 1, en bas pour l’instant 2 ; leur surface varie dans le même sens que la valeur de l’énergie qu’elle représente.
Exemple
Figure 6
L’application du principe de conservation s’écrit9:
(Eit1+Ek1) + (Wr+ Qr+ Rr) = (Eit2+Ek2) + (Wc+ Qc+ Rc)
7. Des formulations comme celle-ci doivent bien sûr être examinées à la lumière des systè- mes choisis. Ceux-ci sont le plus souvent mal définis, mais, dans de nombreux cas, l’ana- lyse serait plus convaincante en terme de travail reçu par un système et d’augmentation de son énergie interne. Une augmentation de la température d’un corps est trop souvent inter- prétée en utilisant (parfois à tort) le terme de chaleur.
8. Si l’on veut faire admettre aux élèves que la chaleur est un mode de transfert de l’énergie, il faut proscrire l’usage de ce terme lorsqu’un seul système est en jeu (cas du calorimètre isolé).
9. Nous donnons aux élèves une formulation arithmétique de la conservation : «énergie ini- tiale + transfert reçu = énergie finale + transfert cédé».
Pour aider les élèves à mettre en œuvre leurs raisonnements, à utiliser le symbo- lisme qui leur est fourni et à s’auto-évaluer, une «fiche-méthode» peut être élaborée avec eux10. Elle se présente sous la forme d’une succession de questions qu’ils doivent avoir en permanence à l’esprit.
1. Le système est-il bien défini ? Est-ce bien toujours le même aux différents instants de l’analyse ?
2. Les instants entre lesquels s’effectuent le bilan sont-ils bien précisés ?
3. Pour chaque système étudié a-t-on bien indiqué toutes les formes d’énergie possé- dées et leur sens de variation ? A-t-on donné les raisons qui permettent de prévoir le sens de la variation ? A-t-on été attentif à employer le bon vocabulaire ?
4. Pour chaque système étudié, a-t-on précisé les transferts (cédés ou reçus) avec d’au- tres systèmes ? A-t-on été attentif à employer le bon vocabulaire ?
5. N’a-t-on rien oublié dans l’écriture du principe de conservation ?
Muni du principe de conservation et des outils qui permettent de l’appliquer, habitué peu à peu à la démarche, l’élève progresse ainsi dans l’élaboration du concept d’énergie.
Avant de conclure, nous allons montrer dans un dernier paragraphe comment peut se construire le difficile concept de chaleur.
6. DU PRINCIPE DE CONSERVATION AU CONCEPT DE CHALEUR
Avant même de venir en classe de physique, les élèves ont une idée de ce qu’est la chaleur. Celle-ci est très frustre et fortement attachée à la notion de température. Elle comporte des aspects corrects (lorsqu’un corps chaud est au voisinage immédiat d’un corps plus froid, il lui cède de la chaleur), mais également des associations erronées (si la température d’un système augmente, c’est qu’il a reçu de la chaleur ; si un système reçoit de la chaleur, sa température augmente nécessairement). Nous avons choisi de nous appuyer sur ces idées pour les faire évoluer vers le concept scientifique tel qu’il doit être compris en classe de première S. Durant les premières séances, nous avons de- mandé aux élèves de s’astreindre à une rigueur de vocabulaire en désignant par des ter- mes spécifiques la grandeur énergétique associée à la température d’un système (appe- lée «énergie interne de température») et la grandeur représentant le transfert (appelée
“chaleur”). À ce stade, la distinction est très formelle et ne résulte pas d’une différen- ciation des deux concepts. C’est encore une fois en analysant à la lumière du principe de conservation quelques situations judicieusement choisies que va s’opérer l’évolu- tion.
10. À défaut, la liste proposée peut servir de points de repère au professeur pour guider les élèves sans leur fournir la solution.
6.1. Chaleur, température et énergie chimique
Diverses situations peuvent être exploitées. Nous avons travaillé sur les deux sui- vantes :
1. Dans un calorimètre, on verse une solution de sulfate de cuivre (II) et de la poudre de zinc. Le calorimètre est fermé immédiatement. On constate une élévation de tempé- rature. Utiliser le principe de conservation de l’énergie pour interpréter cette consta- tation.
2. La même expérience est réalisée dans un récipient non isolé et ouvert. La poudre de zinc est introduite par petites quantités successives en agitant régulièrement. Lorsque tout est terminé, on ne constate pas de variation de température notable.
La première expérience dérange l’intuition des élèves (même s’ils ont déjà rencon- tré des réactions exothermiques). En effet ils ne parviennent pas immédiatement à con- cilier le principe de conservation de l’énergie avec l’effet thermique. Si la température augmente, c’est que l’énergie interne de température augmente. Or le calorimètre ne permet pas de transfert avec l’extérieur, donc le principe de conservation de l’énergie paraît en défaut... (!) C’est cette contradiction apparente qu’ils doivent dépasser en ad- mettant qu’une autre forme d’énergie du système {calorimètre, milieu réactionnel} a diminué. Devant cette énigme, nous avons constaté que de nombreux élèves réinvestis- sent judicieusement le concept d’énergie interne chimique. Puisqu’il y a eu réaction, cette dernière a varié. Dans l’exemple évoqué, il ne peut s’agir que d’une diminution.
Avec la symbolisation que nous avons adoptée, la schématisation est la suivante.
Figure 7
Cette interprétation, si elle est correctement construite par les élèves, représente un progrès significatif : une variation de température n’est pas expliquée en faisant référence à la chaleur.
Dans la deuxième expérience, l’énergie interne de température n’a pas varié, mais l’énergie interne chimique a diminué, puisque la réaction s’est effectuée. Les élèves in- terprètent sans difficulté cette diminution de l’énergie interne totale par un transfert vers l’extérieur.
Figure 8
6.2. Transferts d’énergie à l’environnement
La situation concerne l’arrêt d’une automobile sous l’action du freinage. Une élé- vation de température notable a lieu au niveau des freins. Ceux-ci se trouvent alors, temporairement, à une température supérieure à celle de l’environnement. Les élèves sont devant une situation qui leur est familière et qu’ils traitent relativement bien. Gui- dés par leur «fiche-méthode», à laquelle il convient de les renvoyer chaque fois qu’une difficulté intervient, ils parviennent à un niveau de formulation satisfaisant. Cet exem- ple présente en outre l’intérêt de montrer que l’analyse (et donc la schématisation qui en résulte) dépend du choix des instants. En utilisant notre symbolisation, cette situation se présente de l’une des façons suivantes.
L’énergie interne de température du milieu réactionnel n’a pas été re- présentée dans ce schéma parce qu’elle est identique aux deux ins- tants considérés.
Figure 9
Lorsque les instants 1 et 2 sont rapprochés, on est dans un cas similaire à celui qui a été détaillé dans le paragraphe 6.2. précédent : la variation de température d’un sys- tème s’interprète sans référence à la chaleur.
6.3. Chaleur, température et changement d’état physique
Les objectifs visés dans ce dernier volet sont du même ordre que dans les paragra- phes précédents en ce qui concerne les relations et les différences entre chaleur et tem- pérature. Ce faisant, c’est aussi l’occasion d’introduire une forme d’énergie nouvelle (énergie interne physique) par le même processus : la logique du principe de conserva- tion. La situation classique d’ébullition se prête tout à fait bien à cette analyse à condi- tion qu’elle soit présentée comme une énigme à résoudre : comment expliquer par le principe de conservation que la température de l’eau n’augmente pas alors qu’elle re- çoit en permanence de la chaleur ?
Nous avons également exploité une autre situation que nous proposons ci-des- sous : la soupe de Toto...
Pour refroidir son assiette de soupe trop chaude, Toto met un peu de beurre. Son frère, dont l’assiette contient la même quantité de soupe à la même température, préfère met- tre un peu de lait. Au bout de quelques instants, la soupe de Toto a bien refroidi alors que celle de son frère est encore trop chaude. Pourtant, le beurre et le lait étaient à la même température et ont été utilisés en même quantité. Interpréter cette situation...
Les instants 1 et 2 sont large- ment espacés. Les freins sont revenus à la température ini- tiale, c’est la raison pour la- quelle l’énergie interne de tem- pérature n’a pas été représentée.
Les instants 1 et 2 sont plus éloi- gnés. La voiture est arrêtée mais les freins sont encore chauds.
Les instants 1 et 2 sont très rap- prochés (freinage suffisamment brusque pour qu’on puisse négli- ger le transfert de chaleur à l’en- vironnement) et la voiture ne dé- rape pas.
Par rapport à l’ébullition de l’eau, cette situation est complexe. Nous plaidons d’ailleurs pour que les élèves en rencontrent fréquemment. Dans les expérimentations réalisées, nous avons constaté que la grande majorité des élèves attribuait cet écart au changement d’état du beurre. En revanche, sauf cas exceptionnel, ils ne parviennent pas d’emblée à formaliser rigoureusement l’interprétation qu’ils fournissent. Là encore, le rôle du professeur est de les aider à définir précisément le système d’étude et à s’y tenir, ce qui est la difficulté essentielle.
CONCLUSION
La démarche que nous avons poursuivie n’est pas nouvelle et a été abondamment décrite dans la littérature didactique11. Elle consiste à s’appuyer sur le sens que les élè- ves donnent aux situations pour construire un sens plus élaboré sur le plan des sciences physiques. Pour cela nous donnons aux connaissances initiales des élèves le statut de pré-modèle [10] et nous nous attachons à les faire évoluer. Mais c’est à l’élève lui- même de contrôler sa connaissance, c’est-à-dire d’apprécier si elle est suffisante ou si elle doit évoluer. Le plus souvent, la procédure de contrôle dont il dispose est une con- frontation à une ou plusieurs expériences qui ont valeur de test. Mais à l’inverse de nombreux domaines des sciences physiques, celui que nous abordons ne permet pas de validation expérimentale. Il nous faut donc compter sur une autre procédure de contrôle de la pensée : la cohérence théorique. Nous fournissons donc aux élèves le principe de conservation, faute de quoi nous ne voyons pas comment leurs connaissances initiales pourraient évoluer. Nous leur demandons ensuite d’appliquer l’ensemble avec rigueur et d’en contrôler en permanence la cohérence.
La présentation que nous avons faite ici s’est limitée à la construction qualitative de quelques concepts. Dans une publication plus conséquente [5], nous proposons un déroulement qui couvre l’ensemble de la partie du programme de physique de première S consacrée à l’énergie. La même logique est systématiquement mise en œu- vre pour construire la totalité des formes d’énergie et des modes de transfert. Nos pro- positions concernent non seulement la construction qualitative des différents concepts (cet article en donne un aperçu), mais aussi l’établissement des relations fonctionnelles (les formules) qui permettent d’exprimer de manière quantitative les différentes formes d’énergie et les modes de transfert (Ec= 1/2 m.v2, We= U.I.t, Q = m.c.Dq, etc.).
11. Voir par exemple [2], [7], [8], [16]... pour ne citer que quelques références...
BIBLIOGRAPHIE
[1] J. AGABRA, D. DEMEESTERet G. LEMEIGNAN G. : «Documents et activités de l’é- lève : l’énergie & Compléments d’information : l’énergie» - in Sciences physi- ques, livre du professeur, Hachette, Coll. Libre Parcours (1980).
[2] J.-P. ASTOLFI: «L’école pour apprendre» - ESF (1992).
[3] G. BACHELARD: «La formation de l’esprit scientifique» - VRIN (1938).
[4] G. BACHELARD: «Le rationalisme appliqué» - Paris, P.U.F (1949).
[5] P. BALLINI, G. ROBARDETet J.-M. ROLANDO: «Un enseignement de l’énergie au ly- cée» - CRDP de Grenoble (à paraître).
[6] P. BALLINI, G. ROBARDETet J.-M. ROLANDO: «L’intuition, obstacle à l’acquisition de concepts scientifiques» - in ASTER n° 24 (1997).
[7] M. DEVELAY: «De l’apprentissage à l’enseignement» - ESF, collection pédago- gies (1992).
[8] A. GIORDANet G.DEVECCHI: «Les origines du savoir» - Delachaux Niestlé (1987).
[9] F. HALBWACHS : «Histoire de l’énergie» - CUIDE n° 18, Université Paris VII (1981).
[10] S. JOHSUAet J.-J. DUPIN: Représentations et modélisations : «Le débat scientifi- que dans la classe et l’apprentissage de la physique» - Berne, Peter Lang (1989).
[11] T.S. KUHN: «La structure des révolutions scientifiques» - Seconde édition, Flam- marion (1983 pour l’édition française) (1970).
[12] T.S. KUHN: «Un exemple de découverte simultanée : la conservation de l’éner- gie» - in T.S. Kuhn «La tension essentielle», Gallimard, nrf (1959 pour la version originale) (1990).
[13] G. LEMEIGNAN et A. WEIL-BARAIS : «L’apprentissage de la modélisation dans l’enseignement de l’énergie» - Rapport de fin de contrat, Paris, LIRESPT, INRP (1990).
[14] G. LEMEIGNANet A. WEIL-BARAIS: «Construire des concepts en physique» - Ha- chette, coll. didactiques (1993).
[15] J. MERLEAU-PONTY: «La découverte des principes de l’énergie : l’itinéraire de Joule» - Revue d’histoire des sciences, XXXII/4 (1979).
[16] G. ROBARDET et J.-C. GUILLAUD: «Éléments de didactique des sciences physi- ques» - P.U.F (1997).
[17] J.-M. ROLANDO: «Le concept de chaleur et sa transposition didactique dans l’en- seignement secondaire scientifique français» - Université de Genève (1993).
[18] R. TATON: «Histoire générale des sciences» - Tome 3, volume 1 (1961).
