X.3.2.2 Modèle particulaire de la propagation du son

La littérature sur les modèles particulaires utilisés dans l'enseignement est maintenant relativement abondante (par exemple Méheut, 1996 ; Chomat et al., 1988 ; Chomat et al, 1992). Si les réflexions issues des recherches sur les modèles particulaires nous ont bien sûr inspirés pour l'élaboration de simulaSON, nous ne détaillons pas ces modèles dans la mesure où ils visent d'abord à fournir des interprétations de la structure de la matière, des concepts de pression, dilatation et compression, température ou encore des effets d'un milieu fluide donné sur des parois matérielles.

Ces travaux ont nécessité des recherches préalables sur les conceptions des élèves, consistant en particulier à attribuer des propriétés phénoménologiques aux particules, par transfert de comportement macroscopique de la matière considérée. Ainsi, les particules pourraient fondre, se dilater, se casser, se contracter, se colorier d'une certaine façon, etc. Sans avoir mené d'expériences à ce sujet nous donnons dans le tableau X.3-1 une synthèse de l'analyse a priori que nous avons faite à ce sujet, dans le cas du son. Nous pouvons d'une part rappeler les transferts éventuellement réalisés entre particule et milieu (gazeux pour ce qui concerne le tableau), d'autre part envisager les transferts possibles entre milieu ou particules et son. Certains transferts peuvent paraître "exotiques". Ceci est normal, nous avons cherché le maximum d'associations possibles a priori. Certaines conceptions décrites dans le chapitre III sont d'ailleurs cohérentes avec quelques-unes des possibilités que nous détaillons. Nous ne préjugeons pas forcément dans ce tableau du sens des liens possibles (sauf lorsqu'il est précisé explicitement). Notons enfin que quasiment tous ces transferts peuvent être faits potentiellement par les élèves avant enseignement (transferts assez proches du sens commun). Cependant, les transferts sur fond gris résulteraient plutôt d'une interprétation (plus ou moins valable) d'un modèle particulaire de la propagation du son.

Tableau X.3-1 : transferts possibles a priori entre les trois entités particule, gaz et son (les tranferts sur fond gris résulteraient plutôt d'une interprétation du modèle particulaire de la propagation du son).
PARTICULE GAZ (air par ex.) SON
lourde lourd
légère <-------------------- ------------------------------ léger
incompressible ---------> incompressible
bouge (vite) bouge(vite) bouge(vite)
bouge bouge
est émis <----------------- est émis
ne rentre pas dans ce qui est dur --------------------------> ne rentre pas dans ce qui est dur
peut être un obstacle peut être un obstacle
localisée <----------------- ------------------------------ localisé
reste dans un milieu donné reste dans un milieu donné
vitesse élevée ------------ ----------------------------> vitesse élevée
vibre ---------------------> Vibre
reste globalement à la même place ----------------------------> reste globalement à la même place

L'utilisation d'un modèle particulaire pour comprendre la structure de la matière et ses modifications est explicitement mentionnée dans les textes officiels du collège (pas seulement en France). Ces modèles sont souvent accompagnés de simulation qui permettent d'introduire des aspects cinétiques et dynamiques et qui améliorent sensiblement la compréhension et l'utilisation des concepts en jeu. Les raisons qui ont motivé l'élaboration de ces simulations (invisibilité, phénomènes dynamiques, rapidité des phénomènes, difficultés pour donner du sens aux mesures en particulier) sont en partie les mêmes que celles que nous avons dégagées pour justifier la création de simulaSON.

Les modèles particulaires ont cette particularité de posséder une adaptabilité remarquable vis-à-vis des nouvelles théories construites par la physique et d'être utilisés dans de nombreux domaines scientifiques (Chomat et al., 1992). Nous exploitons ici cette richesse en élaborant un modèle particulaire adapté à la description d'un mécanisme simplifié de la propagation du son. Nous avons bien conscience que ce modèle a un champ de validité relativement restreint. Il n'est pas utilisable en l'état pour une interprétation des notions de température ou même de pression sur une paroi. L'heuristique du modèle que nous proposons est donc bien plus limitée que celle des modèles classiques concernant la structure de la matière. Ces restrictions peuvent même, dans certains cas, induire ou renforcer des conceptions incorrectes identifiées chez les élèves (la confusion entre pression et densité, même si les concepts ne sont pas cités, peut par exemple être induite par la simulation que nous présentons). Il convient donc de bien préciser à l'élève que ce modèle, qui lui est donné sous forme papier, est d'abord un modèle de la propagation du son.

Le modèle adopté est présenté dans les annexes. Il comporte deux parties :

Comme nous l'avons dit, la nature même de ce modèle écrit sur papier et fourni aux élèves ne permet que des représentations fixes. Il convenait alors d'implémenter des règles mathématiques pour faire vivre ce modèle de façon dynamique, en accord avec les valeurs de la fréquence et de l'amplitude choisies par l'utilisateur.