V.011Expérience du haut-parleur et de la bougie

Cette nouvelle expérience donne l’occasion aux élèves de pouvoir répondre à la question posée en début de séquence : ’ Comment les vibrations peuvent-elles être transmises de l’émetteur au récepteur ?’ en observant ce qu’il se passe juste devant la membrane d’un haut-parleur en fonctionnement à partir d’une bougie placée devant le haut-parleur.

Cette tâche se découpe en trois étapes correspondant à trois pages-écrans déjà utilisées lors des séquences précédentes :

• la première, intitulée ’Prédiction’, demande de choisir parmi six propositions celle qui permettrait d’expliquer le mouvement de la flamme de la bougie ;

• la suivante, ’Observation’, permet d’observer l’expérience et de noter le mouvement ;

• la dernière, ’Interprétation’, se rapporte à l’objectif de la tâche qui est d’interpréter le comportement du milieu de propagation.

V.1 Tâche 10 : ’Prévoir le résultat de l’expérience’

V.1.1 Enoncé

’Que se passe-t-il lorsqu’on augmente la fréquence de la tension délivrée par le générateur basse fréquence ?

La flamme de la bougie :

• Va bouger uniquement si l’on entend un son..

• Va bouger uniquement dans le domaine des infrasons.

• Est continuellement en mouvement, mais ce n’est plus visible à partir d’une certaine fréquence.

• Va s’éteindre car le mouvement de la membrane du haut-parleur est de plus en plus rapide et va créer une sorte de courant d’air.

• Va bouger car un courant d’air est créé par la membrane du haut-parleur lorsqu’on augmente la fréquence.

• Reste immobile quelle que soit la fréquence.’

L’intérêt de cette tâche est d’observer si, à ce stade de la séquence, les élèves ont commencé à modifier leur modèle explicatif de la propagation du son.

V.1.2 Les éléments de la situation

V.1.2.1 L’organisation de la page-écran

Le Tableau 21 présente l’organisation des deux demi-pages-écrans selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

V.1.2.2 Le système d’évaluation

Le bouton demande de validation

La demande de validation de la réponse retourne le message suivant : ’Vous allez vérifier votre réponse dans la page suivante en réalisant l’expérience’.

V.1.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

V.1.3.1 Réponses possibles

Pour résoudre cette tâche, les élèves sélectionnent la proposition de leur choix, puis demandent la validation de la réponse. Nous décrivons chacune des propositions en explicitant ce qui pourrait orienter le choix de l’élève :

• Les deux premières propositions se rapportent à une même difficulté des élèves : ne pas considérer qu’une source de son vibre, que le son soit audible ou non par l’oreille humaine.

• La troisième proposition correspond à la réponse attendue. Elle tend à mettre en relation le mouvement de la source avec celui du milieu. Nous supposons que les élèves choisiront cette proposition à condition d’une part qu’ils mobilisent la connaissance liée à la définition d’une source de son (un son est causé par un élément matériel qui vibre) et d’autre part qu’ils se réfèrent à la simulation observée précédemment qui permet d’observer qu’à partir d’une certaine fréquence, il est impossible de percevoir le mouvement de la membrane à cause du phénomène de persistance des sensations visuelles.

• La quatrième proposition suggère que le mouvement de plus en plus rapide de la membrane du haut-parleur du à l’augmentation de la fréquence provoque une sorte de courant d’air pouvant éteindre la flamme de la bougie.

• La cinquième proposition est associée à la conception qui suppose que le son serait une sorte de vent ou quelque chose d’abstrait qui pousserait l’air (Vince 2000, p. 88).

• La sixième proposition considère que lorsque le son est émis, le milieu de propagation n’est pas modifié ce qui laisse supposer la conception : il n’y a pas de relation entre la source de son et le milieu.

Les propositions 5 et 6 sont difficiles à différencier.

V.1.3.2 Activités des élèves

L’activité observable des élèves est réduite à lire, à observer l’image et à sélectionner une réponse.

V.1.4 Connaissances à mobiliser

Nous supposons que la sélection de l’une des propositions sera orientée des connaissances relatives : à l’expérience du TP1 et à l’interprétation microscopique de la propagation du son qui précise qu’il n’y a pas de déplacement de matière de l’émetteur au récepteur.

V.2 Tâche 11 : ’Observation’

V.2.1 Enoncé

A très basse fréquence (0 à 10 Hz)

• La flamme bouge

• La flamme ne bouge pas

• La membrane bouge

• La membrane ne bouge pas

• Le son est audible

• Le son est inaudible

L’objectif de cette tâche est de mettre en relation le mouvement de la flamme de la bougie, représentant le milieu de propagation à un endroit donné, avec celui de la membrane. D’après le groupe SOC, la création de ce lien est centrale pour amener les élèves à modifier leur modèle explicatif de la propagation du son dans l’air, modèle que nous avons présenté dans la tâche précédente. Ainsi, le questionnaire insiste, pour un intervalle de fréquence, sur les trois événements à relever et à mettre en relation.

V.2.2 Les éléments de la situation

V.2.2.1 L’organisation de la page-écran

L’organisation des deux pages-écrans selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques est présentée dans le Tableau 22.

V.2.2.2 Le système d’évaluation

• Le bouton demande de validation
  La demande de validation conduit à deux types de message. Dans le cas où une réponse est exacte, il est demandé d’observer à nouveau l’expérience ’La réponse est incomplète ou incorrecte : observez attentivement l’expérience’. Dans le cas contraire, le message encourage l’élève ’La réponse est correcte !!! Vous pouvez consulter la réponse du professeur pour de plus amples explications’.

• Le bouton réponse (du professeur)
  La réponse précise la relation entre le mouvement de la flamme et celui de la membrane du haut-parleur : ’La flamme de la bougie est animée du même mouvement de va-et-vient que la membrane du haut-parleur. Quand le mouvement est visible, le son est inaudible’.

V.2.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

V.2.3.1 Réponses possibles

Nous nous attendons à ce que les élèves identifient, lors de l’observation de la vidéo, les différents événements : la flamme bouge, la membrane bouge, et le son est inaudible. De ce fait, ils seront amenés à construire des relations internes au niveau du champ expérimental entre les objets et les événements observés (événements liés à la perception sonore et au mouvement des objets) et à articuler ces relations avec le niveau de la théorie-modèle puisque ces observations sont réalisées pour un intervalle de fréquences donné.

Toutefois, les tâches réalisées dans les séquences précédentes et dans celle-ci sont censées leur permettre de distinguer les événements associés à la perception sonore et au mouvement de la membrane. Dans le cas contraire, nous pourrons supposer les trois possibilités suivantes :

• l’hypermédia ne permet pas aux élèves de réinvestir des connaissances vues précédemment : elles restent contextualisées à une tâche donnée ;

• les élèves ont des difficultés à réinvestir le modèle physique de la vibration introduit à partir de simulations successives dans le cadre d’expérience filmée ;

De plus, cette tâche favorise aussi la mise en relation entre les systèmes sémiotiques : le langage naturel et la représentation dynamique. En effet, c’est via le langage naturel que les élèves décrivent l’expérience. La Figure 114 présente l’activité sémiotique attendue des élèves à partir des deux systèmes sémiotiques : le langage naturel et la représentation dynamique.

Nous pouvons voir ici le rôle important de la représentation dynamique dans la construction d’une nouvelle connaissance. Nous souhaitons que les élèves convertissent les deux représentations la représentation dynamique et le langage naturel afin d’une part de répondre au questionnaire et d’autre part d’affiner leur regard sur la perception de l’événement mécanique (mouvement de la flamme - mouvement de la membrane du haut-parleur).

V.2.3.2 Activités des élèves

L’activité observable se limite à lire, à observer la vidéo et à taper du texte. De plus, suite à la description précédente, l’activité attendue peut se présenter de la façon suivante :

V.2.4 Connaissances à mobiliser

Nous espérons que les élèves mettront en oeuvre les connaissances relatives : au modèle de la chaîne sonore, à la définition de la vibration, à la définition d’une source de son, et celles construites lors de la tâche 4 du TP3 ’Etude du son émis par un haut-parleur’ et de la tâche 1 du TP1 ’Expérience du haut-parleur’.

V.3 Tâche 12 : ’Interprétation’

V.3.1 Enoncé

’Pouvez-vous en déduire la façon dont le milieu se comporte quand un son se propage ?’

Après avoir prédit le résultat de l’expérience puis, observé les événements censés être mis en relation (mouvement de la flamme de la bougie et du haut-parleur), il est demandé aux élèves de décrire le comportement du milieu quand un son se propage à partir de la vidéo de l’expérience.

L’objectif de cette tâche est de favoriser la mise en oeuvre du modèle microscopique pour interpréter, d’un point de vue macroscopique, la propagation du son dans l’air qui est mise en évidence par le mouvement de la flamme de la bougie.

V.3.2 Les éléments de la situation

V.3.2.1 L’organisation de la page-écran

Le Tableau 23 donne l’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

V.3.2.2 Le système d’évaluation

• Le bouton demande de validation
  La demande de validation de la réponse retourne le message suivant : ’Vous pouvez consulter la réponse du professeur pour de plus amples renseignements’. Dans le cas où les élèves sélectionnent la proposition ’je ne sais pas’ ce message est renvoyé : ’Nous vous proposons d’utiliser le cours pour vous aider à répondre. Essayez de vous souvenir de l’interprétation microscopique précédente’. Il peut être rattaché à la notion de contrat didactique puisqu’il suggère une stratégie pour valider ou invalider les propositions.

• Le bouton réponse (du professeur)
  En sélectionnant ce bouton, la réponse fournie est la suivante : ’Lors de l’émission du son, la vibration se propage de la source à l’émetteur. Le milieu de propagation vibre’. Elle ne met pas en jeu le modèle particulaire et reste vague par rapport à la réponse attendue des élèves. Nous aurions pu proposer une réponse du type : la vibration de la membrane du haut-parleur conduit à la vibration des particules de l’air. La flamme n’est rien d’autre que de l’oxygène (de l’air) en train de brûler. Le mouvement de la flamme est donc celui des particules d’air à cet endroit. La vibration des particules d’air s’est propagée depuis la membrane jusqu’à la bougie par chocs successifs sans déplacement global de la source au récepteur.

V.3.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

Nous nous attendons à ce que les élèves mettent en oeuvre le modèle particulaire pour expliciter la vibration du milieu de propagation et articulent les niveaux de la théorie-modèle (la vibration du milieu) et du champ expérimental : l’air. Par exemple, nous pourrions trouver comme réponse : ’la vibration de la source pousse les particules les plus proches d’elle et qui vont alors heurter leur voisine puis revenir à leur place. La vibration se transmet de proche en proche et la flamme de la bougie se situe dans un endroit de l’espace ou l’air vibre’.

Ensuite, la réponse produite peut se référer au modèle vibratoire (mouvement de va-et-vient plus ou moins rapide) déduit du mouvement de la flamme : ’la flamme de la bougie vibre, le milieu vibre’. Toutefois, il est possible que les élèves en formulant leur réponse dans les termes ’le milieu vibre’ reflètent l’une des conceptions d’étudiants à propos de la nature du son et des mécanismes de la propagation du son mis en évidence par Linder et Erickson (1989) que Vince (2000, p. 88) rappelle : ’le son est une substance qui serait une sorte de perturbation qui se propage. Pour désigner cette perturbation, les étudiants utilisent les termes scientifiques qui ont été rencontrés dans l’enseignement : vibration du milieu, (...)’.

V.3.3.1 Activités des élèves

Nous supposons que l’activité des élèves se limite à lire, à regarder la vidéo et à taper une réponse. De plus, suite à la description des réponses possibles, la Figure 116 présente selon les niveaux de savoir liés à la question, les niveaux à utiliser lors de la résolution de la tâche et ceux à mettre en relation.

V.3.4 Connaissances à mobiliser

Nous faisons l’hypothèse que les connaissances que les élèves sont censés utiliser sont associées : à la définition de la vibration, au modèle particulaire, au modèle de la chaîne sonore et à la réponse fournie dans la tâche précédente ’La flamme de la bougie est animée du même mouvement de va et vient que la membrane du haut parleur. Quand le mouvement est visible, le son est inaudible’.