III.011Environnements conceptuels du TP 1

Ce TP répond à des questions que l’on peut considérer comme élémentaires dès qu’on s’intéresse au son : quel phénomène est à l’origine du son ? Quelle(s) condition(s) faut-il pour qu’un son existe ?

Les analyses de certaines des réponses au questionnaire proposé et passé l’an dernier (questions 2, 6 et 10 par exemple à ce sujet) nous ont fournis des renseignements utiles, pour construire les activités de ce TP. Elles ont été complétées par les résultats obtenues dans d’autres recherches. Ceci nous permet de définir ce que nous appelons un environnement conceptuel, incluant objectifs généraux (tant du point de vue du contenu que de la méthode), argumentation quand aux choix faits et explicitation des objectifs propres à certaines activités. Toutefois il n’est pas question de tenir compte des résultats de ses propres élèves au questionnaire pour construire son TP.

Voici les principaux résultats :

• L’idée de vibration n’est pas toujours utilisée (parfois à peine connue) pour décrire la production d’un son, et de façon générale n’est associée qu’à certains phénomènes sonores (par exemple quand le son est fort, quant la source est un instrument de musique à corde, etc.)

• Lorsque le terme vibration est utilisé, il recouvre des usages très divers. Cette multiplicité de sens semble refléter une fonction générique de ce mot permettant ainsi à l’élève de décrire ou interpréter un grand nombre de phénomènes pour lesquels il semble manquer de mots. Le mot ’vibration’ semble jouer le rôle de ’cache-misère’.

Ainsi, pour la majorité des élèves de seconde, le son n’est pas systématiquement associé à une vibration, ni décrit comme un phénomène qui nécessite une source, un milieu de propagation et un récepteur. Nous considérons que ces connaissances sont indispensables pour que les élèves puissent comprendre la physique du son en terme d’onde.

Objectifs généraux :

Si la séance est centrée sur la notion de vibration, on peut néanmoins repérer trois grands thèmes abordés ici, tous liés à la modélisation :

• Notion de chaîne.
  La chaîne sonore notion, explicitement au programme, nous semble préliminaire à toute étude des phénomènes sonores. Pour la majorité des élèves, elle est un premier moyen de modélisation des situations mettant en jeu des phénomènes sonores en permettant de repérer les “ lieux ” où va “ vivre ” le son.
  On remarquera, sans forcément le mentionner à l’élève, la différence de statut entre d’une part l’émetteur et le récepteur et d’autre part le milieu. Si on peut assez facilement désigner et localiser (en particulier si on les voit) l’émetteur et le récepteur, qui sont souvent associés à un objet, le milieu peut être, quant à lui, illimité dans l’espace, complexe et composé de plusieurs objets ; il est plus difficile à identifier. Pourtant les élèves ont déjà à ce stade conscience que l’espace joue un rôle (faculté et habitude à localiser la source ou à se déplacer pour mieux entendre...). Il est important d’aider l’élève à utiliser ces connaissances préalables qui sont ici favorables à l’apprentissage.
  Les élèves sont sensés avoir déjà travaillé sur cet outil de modélisation lors de l’activité préliminaire.

• Passage du champ sonore au champ de la mécanique
  Un des objectifs majeurs est d’amener l’élève à faire le lien entre le phénomène qu’il perçoit, et qu’il désigne comme étant un son, et le phénomène physique (visible ou tactile dans certaines conditions particulières) qui lui est lié. C’est ce processus qui permet d’introduire la vibration comme phénomène commun aux différents sons perçus.

• Modélisation de la vibration
  On tente ici d’aller plus en avant dans l’exploration du champ mécanique en modélisant la vibration en terme de fréquence et d’amplitude. Ceci est nécessaire pour comprendre que les vibrations mécaniques peuvent différer fortement, selon l’objet qui vibre, mais aussi selon des caractéristiques propres à la vibration, mesurables et quantifiables. C’est déjà à ce stade qu’on pourra suggérer qu’à la diversité des vibrations peut correspondre une partie de la diversité des sons. Une partie seulement puisque, comme l’élève aura pu commencer à le voir lors du TP, le milieu joue aussi un rôle au sujet de la diversité des sons perçus.
  Les objectifs propres à chaque phase du TP, sont le moyen d’atteindre ces objectifs généraux.

Quelques réflexions issues de l’observation d’élèves lors de ce TP.

• Il est important de laisser les élèves exprimer leur besoin de toucher pour sentir les vibrations lorsque c’est possible. Ainsi il est essentiel que les élèves puissent tous toucher et retoucher la membrane du haut-parleur pour la sentir vibrer. Cette activité fondamentale demande du temps pour être convaincante pour l’élève.

• L’activité de calcul de fréquence à l’aide du comptage des aller-retours est nouvelle et quelque peu surprenante pour l’élève. Il faut prendre du temps pour que chaque élève puisse compter en voyant la membrane vibrer lentement. C’est cette phase qui permet de construire un sens physique à la notion de fréquence.

• Les élèves ont beaucoup de difficultés à élaborer une prédiction, à la confronter à ce qu’ils observent, et à accepter, dans ce cas, que la prédiction soit ’fausse’. Il faut donc bien insister sur le fait que la prédiction, même fausse, est aussi importante que ce qu’il se passe réellement pour accéder une compréhension physique des phénomènes. C’est un fonctionnement important dans l’activité scientifique. L’activité doit être centrée sur la comparaison entre prédiction et observation et la trace sur le TP doit rendre compte de cette activité. Les élèves ont beaucoup de difficultés à accepter de laisser quelque chose qu’ils estiment ’faux’ sur leur compte-rendu. Pour les aider à accepter leur prédiction, et leur faire prendre conscience qu’ils ne sont pas de mauvais élèves si leur prédiction n’est pas correcte, on peut leur demander par exemple de remplir les tableaux de prédiction au stylo à encre non-effaçable.

• L’utilisation d’un vocabulaire autre que ’vibrer’ une fois que le mot a été introduit semble difficile pour bon nombre d’élève. Rien d’étonnant à cela puisque c’est le concept fort de ce TP. Il faut cependant veiller à ce que le mot ne soit pas trop dénaturé par des emplois flous ou inappropriés.

• Globalement il semble que les élèves aient besoin de temps pour prédire, rapporter des observations, comparer les deux, ainsi que pour les phases de modélisation.