II.011’Première expérience de sensibilisation’

Les deux expériences de sensibilisation qui vont se succéder ont pour visées d’approfondir l’articulation entre le phénomène sonore et le phénomène physique. La vibration, générée par un haut-parleur et modélisée à partir des grandeurs fréquence et amplitude, est étudiée à partir de la tension électrique délivrée par un générateur alimentant le haut-parleur. Le groupe SOC suppose que l’introduction du ’domaine électrique’ constitue un ’outil’ qui permet d’expliciter les caractéristiques physiques qui sont inobservables, et par la même de mettre en relation ce domaine avec celui de la mécanique et de la perception sonore. Comme le précise ce groupe, la construction de ce lien peut éviter les fusions du genre ’augmenter le son’ que l’on retrouve fréquemment dans le langage familier. Ainsi, les tâches suivantes sont censées amener les élèves à construire la relation entre ces trois domaines. De ce fait, nous avons pris le parti de proposer quatre tâches (les trois premières issues d’une même page-écran que l’on sélectionne à partir de trois onglets) à partir desquelles nous supposons que les élèves construiront ce lien :

• Expérience : Réalisation d’une expérience à partir d’une simulation permettant d’observer le phénomène mécanique et le phénomène sonore en jeu selon la grandeur caractéristique de la tension qui est modifiée.

• Etude 1 : Etude du mouvement de la membrane d’un haut-parleur selon que l’on augmente l’une des grandeurs.

• Etude 2 : Mise en relation entre l’une des grandeurs caractéristiques de la vibration et la perception sonore.

• Interprétation : Mise en relation entre les trois domaines.

II.1 Tâche 2 : L’onglet ’Expérience’

II.1.1 Enoncé

Expérience

Augmenter puis diminuer l’amplitude de la tension à l’aide du bouton amplitude du générateur basse fréquence.

Attention ! La fréquence de la tension reste constante (soit à 1 Hz soit à 500 Hz)

L’objectif de cette première tâche est de rappeler les phénomènes mécaniques et sonores observés durant les trois premiers TP selon la valeur de la fréquence :

• A 1 Hz, l’augmentation de l’amplitude de la tension électrique conduit à percevoir un déplacement de plus en plus important de la membrane du haut-parleur.

• A 500 hz, on perçoit un son et un mouvement flou de la membrane du haut-parleur du au phénomène de persistance rétinienne. L’augmentation de l’amplitude de la tension électrique conduit à percevoir un son de plus en plus fort.

Ainsi, nous souhaitons que les élèves selon la fréquence sélectionnée, mettent en relation les caractéristiques de la vibration avec la perception sonore et le mouvement de la membrane. Cependant, nous faisons l’hypothèse que les niveaux de savoir mis en oeuvre par les élèves correspondront principalement au niveau des objets événements simulés car la consigne privilégie l’action avec la simulation et non la production d’une réponse demandant d’expliciter ce qu’ils observent. Il est possible que nous rencontrions dans les dialogues des élèves les interventions suivantes (élèves de seconde Lycée St Génis) :

• A propos du mouvement de la membrane du haut-parleur :
  ’elle fait des mouvements plus grands si on augmente l’amplitude’ ; ’elle fait des mouvements plus ou moins grands’ ; ’la membrane fait des mouvements plus grands’

• A propos de la perception sonore :
  ’Le son est plus fort si l’amplitude augmente’ ; ’lorsque l’amplitude augmente le volume est plus fort’

II.1.2 Les éléments de la situation

II.1.2.1 L’organisation de la page-écran

L’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques sont regroupés dans le Tableau 30.

II.1.2.2 Les ressources

Les ressources internes

Dans cette tâche, les ressources internes sont réduites au mini-dictionnaire et à deux escamots sur les termes fréquence et amplitude.

II.1.3 Activités des élèves

Nous faisons l’hypothèse que l’activité des élèves se réduit à lire et à actionner la simulation. De plus, la Figure 119 présente les niveaux de savoir de l’énoncé ceux que les élèves sont censés utiliser et mettre en relation.

II.1.4 Connaissances à mobiliser

Lors de tâche, nous souhaitons que les élèves mobilisent les connaissances relatives : à la relation entre la perception sonore et les caractéristiques de la vibration, au phénomène de la persistance rétinienne et à la définition de l’amplitude.

II.2 Tâche 3 : ’Etude 1’

II.2.1 Enoncé

’Etude 1 : Etude du mouvement de la membrane lorsqu’on augmente l’amplitude de vibration : Perception visuelle.

Au cours de cinq expériences un manipulateur bouge un bouton de réglage de l’amplitude et parfois de la fréquence. Pour laquelle de ces cinq expériences, le manipulateur ne fait qu’augmenter le bouton amplitude ? (Pour lancer l’animation cliquez dessus)’

L’étude 1, située dans le second onglet de la demi-page-écran de droite, contient l’énoncé et cinq animations illustrant des modifications différentes des grandeurs amplitude et fréquence : soit l’amplitude et la fréquence augmentent, soit la fréquence augmente et l’amplitude reste constante, soit l’amplitude augmente et la fréquence diminue, etc. L’objectif est d’amener les élèves à différencier ces deux grandeurs.

II.2.2 Les éléments de la situation

II.2.2.1 L’organisation de la page-écran

L’organisation de l’onglet selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques est présentée dans le Tableau 31.

II.2.2.2 Les ressources

Les ressources internes

Dans cette tâche, les ressources internes sont réduites au mini-dictionnaire et à deux escamots sur les termes fréquence et amplitude.

II.2.2.3 Le système institutionnel

• Le bouton demande de validation de la réponse
  La demande de validation conduit à deux types de message : dans le cas où la réponse n’est pas celle attendue, nous incitons l’élève à refaire l’expérience ’Revenez à l’expérience et observez à nouveau le mouvement de la membrane du haut parleur’. Inversement, le message est ’C’est exact !!! Cependant, il vous est conseillé de consulter la réponse du professeur pour en savoir plus’.

• Le bouton réponse (du professeur)
  La réponse fournie est une interprétation de cette première étude et souligne l’une des difficultés des élèves : ’Le déplacement de la membrane du haut-parleur sera d’autant plus grand que l’amplitude de la tension est grande pour une même fréquence. A aucun moment, la fréquence change si l’on augmente l’amplitude : c’est à dire, si le déplacement est plus petit ou plus grand’.

II.2.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.2.3.1 Réponse possible

Pour sélectionner l’animation correspondante à l’action ’augmenter l’amplitude’, nous faisons l’hypothèse que les élèves vont observer successivement les animations et distinguer les grandeurs caractéristiques de la vibration et la manière dont elles varient. De ce fait, ils sont censés mettre en relation les niveaux de la théorie-modèle et celui des objets événements simulés. Dans le cas où l’élève serait en difficulté, nous supposons que par le jeu des onglets, il retournera à l’expérience afin de reproduire et observer ce qu’il se passe quand on augmente l’amplitude.

II.2.3.2 Activités des élèves

Lors de cette tâche l’activité observable peut se limiter à lire, cocher une case correspondante à l’animation. La figure suivante présente schématiquement les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

II.2.4 Connaissances à mobiliser

Nous supposons que les élèves mettront en oeuvre les définitions de la fréquence et de l’amplitude,

II.3 Tâche 4 : ’Etude 2’

II.3.1 Enoncé

Etude 2 : Etude de la sensation sonore associée à la variation de l’amplitude.

En quoi le son est différent lorsque vous augmentez l’amplitude :

• De plus en plus fort

• De plus en plus aigu

• De plus en plus faible

• De plus en plus grave

• Aussi fort (ou faible) et aussi grave (ou aigu)

La tâche présentée dans le troisième et dernier onglet consiste à sélectionner l’une des cinq propositions de réponses permettant de qualifier la perception sonore résultante de l’augmentation de l’amplitude de la tension électrique. L’objectif de cette tâche est d’amener les élèves à articuler le domaine de la perception sonore avec celui de la mécanique.

II.3.2 Les éléments de la situation

II.3.2.1 L’organisation de la page-écran

L’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques est présentée dans le Tableau 32.

II.3.2.2 Les ressources

Les ressources internes

Dans cette tâche, les ressources internes sont réduites au mini-dictionnaire et à deux escamots sur les termes fréquence et amplitude.

II.3.2.3 Le système institutionnel

Le bouton de demande de validation de la réponse

L’évaluation de la réponse conduit à deux types de message écrit qui donnent une appréciation de la réponse. Dans le cas où celle-ci est correcte, le message ’C’est exact.le volume sonore augmente plus l’amplitude de la vibration augmente’ fournie une réponse en utilisant les termes vus lors de l’Introduction’. Sinon, le message retourné conseille de retourner réaliser l’expérience ’ Il vous est conseillé de revenir à l’expérience et de bien écouter le son émis’.

II.3.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.3.3.1 Réponses possibles

Nous attendons que les élèves mettent en relation les niveaux théorie-modèle et champ expérimental. Nous pourrions être amenés à rencontrer des réponses pointant une confusion entre les grandeurs fréquence et amplitude ce qui pourrait signifier que les élèves n’ont pas construit cette connaissance lors des pages-écrans ’Introduction’ et ’Expérience’. Enfin, étant donné que cette tâche est un rappel de celle du TP, tâche 8 ’relation entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration’, il sera intéressant d’apprécier l’évolution des connaissances des élèves.

Nous donnons à titre d’exemple des réponses données par des élèves de seconde en TP ’classique’ au Lycée de St Génis en janvier 1999 à la question ’que pouvez dire à partir de ce que vous savez ?’

’si on augmente l’amplitude de la tension du GBF, on augmente le volume’

’si on augmente l’amplitude le son est plus fort’

II.3.3.2 Activités des élèves

Nous supposons que les activités observables dans cette demi-page-écran se limitent à lire et à cocher une case. La Figure 121 suivante présente schématiquement les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

II.3.4 Connaissances à mobiliser

Nous faisons l’hypothèse que les élèves mettront en oeuvre des connaissances relatives à la relation entre la perception sonore et les caractéristiques physique de la vibration.

II.4 Tâche 5 : ’Interprétation’

II.4.1 Enoncé

’Maintenant il vous est demandé de faire le lien entre la vibration et la perception sonore. Qu’entend-on quand on fait varier l’amplitude de la tension électrique dans l’expérience ci-contre ? Justifier.’

Cette dernière tâche est proposée dans une nouvelle page-écran. L’objectif de cette tâche est d’amener les élèves à prendre consciences du lien entre la variation de l’amplitude de la tension électrique et celle de vibration via la perception sonore.

L’apport de cette tâche par rapport à l’étude 2 c’est qu’elle peut donner lieu à une nouvelle interprétation via la vidéo de l’expérience.

II.4.2 Les éléments de la situation

II.4.2.1 L’organisation de la page-écran

Le Tableau 33 présente l’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

II.4.2.2 Le système institutionnel

• Le bouton de demande de validation de la réponse
  La demande de validation de la réponse conduit à un message qui indique à l’élève de regarder la réponse du professeur ’Vous pouvez consulter la réponse du professeur pour de plus amples renseignements’. Nous rappelons que ce genre de tâche n’amène pas à une analyse de la réponse.

• Le bouton réponse (du professeur)
  La réponse fournie est celle qui est attendue : ’La variation de l’amplitude de la tension modifie l’amplitude de la vibration de la source de son. La perception sonore associée est un son plus ou moins fort ou faible (variation du volume sonore). Comparer votre réponse à cette dernière et revenez alors à l’expérience pour vérifier’.

II.4.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

II.4.3.1 Réponses possibles

Pour répondre à cette question, nous souhaitons que les élèves mettent en relation l’amplitude de la tension, celle de la vibration et la perception sonore associée. Il est possible que les élèves dans leur réponse n’explicitent pas la première relation et articulent principalement celle entre l’amplitude de vibration et la perception sonore.

II.4.3.2 Activités des élèves

Nous supposons que les activités observables des élèves sont réduites à lire un texte, à observer la vidéo et à taper du texte. Nous présentons schématiquement à la suite de la présentation les niveaux de savoir liés à l’énoncé, ceux à utiliser lors de la résolution de la tâche et ceux à mettre en relation.

II.4.4 Connaissances à mobiliser

Pour répondre à cette question, nous supposons que les élèves mobiliseront les connaissances relatives à la définition de l’amplitude, à la relation entre le volume sonore et l’amplitude.