3.3.1. Description de l'action du gaz, lors d'une compression ou d'une diminution sa quantité

Pour les trois situations (ballon de foot, pompe à vélo avec et sans action), nous avons classé les explications des élèves traitant explicitement de l'action du gaz dans différentes catégories. Nous proposons d'illustrer ces résultats avec la situation du ballon que l'on dégonfle.

Voici l'énoncé de la question :

« 2.4- Lorsque l’on dégonfle le ballon, il devient moins dur. Expliquez «

Réponse attendue par le savoir à enseigner :

au niveau macroscopique : lorsque le ballon se dégonfle, la quantité d'air contenue dans le ballon diminue, simultanément la pression de l'air à l'intérieur du ballon va diminuer (on suppose que le volume du ballon ne change pas) ; comme la pression rend compte de l'action de l'air sur une paroi donnée, l'air agira moins fort sur la paroi, donc le ballon devient plus mou.
au niveau microscopique : lorsque le ballon se dégonfle, le nombre de molécules contenues dans le ballon diminue, entraînant simultanément une diminution du nombre de chocs sur l'intérieur de la paroi du ballon, c'est pourquoi le ballon devient plus mou.

Pour analyser les explications traitant explicitement de l'action du gaz nous avons distingué quatre catégories selon qu'elles font appel à :

la pression, cette catégorie regroupe les explications utilisant le mot pression comme une grandeur physique, c'est-à-dire que les élèves utilisent des mots décrivant la variation d'une grandeur, on trouve notamment ‘«’ ‘la pression de l'air dans le ballon ’ ‘diminue’ ‘, donc l'action du gaz sera moins forte sur les parois’», ‘«’ ‘le ballon devient moins dur car la pression ’ ‘diminue’ ‘»’ , ou ‘«’ ‘il y a ’ ‘moins’ ‘ de pression’».
l'action de l'air. Dans cette catégorie, on trouve les phrases comme ‘«’ ‘l'air presse sur les parois’ ‘»’, ‘«’ ‘il devient moins dur car l'air ne force pas contre les parois du ballon’» ou ‘«’ ‘l'air agit sur les parois de façon constante et similaire’». De plus, on trouve des explications comme ‘«’ ‘la pression exercée à l'intérieur est donc moins forte’» ou ‘«’ ‘l'air exerce une pression moins forte sur les parois du ballon’». Dans ces explications, le mot pression est utilisé avec la signification quotidienne de presser ou de pousser, il est d'ailleurs fréquemment utilisé avec le verbe exercer, en effet les élèves parlent d'exercer une pression. Ce mot est utilisé avec un sens différent de celui de la physique.
les chocs des molécules, cette catégorie associe au mot molécule les verbes taper, cogner, rebondir, ainsi que les mots choc et collision, voici un exemple d'explication rencontrée ‘«’ ‘les molécules sont moins nombreuses, elles tapent moins sur les parois du ballon’» ou ‘«’ ‘les particules d'air qui sont dans le ballon sont moins nombreuses, donc rentre moins en collision avec les parois du ballon’».
l'action des molécules, cette catégorie se distingue de la précédente par le fait que les explications des élèves utilisent l'action des molécules sans parler de choc, on trouve des phrases comme ‘«’ ‘les molécules exercent une pression moins forte sur les parois’», ‘«’ ‘les molécules poussent moins à l'intérieur du ballon’ » ou ‘«’ ‘les molécules d'air se sont échappées, il y a donc moins de pression de celles-ci sur les parois du ballon’».

Le graphique ci-dessous présente le pourcentage d'explications des élèves en fonction de nos catégories pour les trois situations (ballon de foot que l'on dégonfle, pompe à vélo Sans Action (SA) et pompe à vélo Avec Action sur le piston (AA)). La catégorie ‘«’ ‘action des molécules’» correspond à ‘«’ ‘molécules’» sur le graphique.

Figure 5.19 : Évolution des explications des élèves sur l'action du gaz dans trois situations : ballon de foot que l'on dégonfle, pompe à vélo sans action (SA) et pompe à vélo Avec Action sur le piston (AA).

Ce graphique montre qu'avant l'enseignement, un petit nombre d'explications mettent explicitement en jeu l'action du gaz, (environ 25 % pour le ballon de foot, 10 % pour la pompe sans action (SA) et 10 % pour la pompe avec action sur le piston (AA)). Après l'enseignement, un nombre plus important d'élèves utilisent explicitement l'action du gaz dans leurs explications, respectivement 42 % pour le ballon de foot 34 % pour la pompe Sans Action et 45 % pour la pompe Avec Action. Dans ces explications, seulement environ 10 % utilisent le mécanisme des chocs des molécules pour décrire l'action des gaz, ce qui est très faible compte tenu des objectifs de la séquence d'enseignement visant à l'introduction d'un modèle microscopique des gaz. En revanche, après la séquence, nous observons que la situation de la pompe à vélo sans action sur le piston, semble favoriser les explications utilisant la pression comme une grandeur (+16 % après enseignement). Ceci ne semble pas être le cas des deux autres situations qui font émerger des explications utilisant l'action de l'air (environ 27 % pour ces deux situations, à la suite de l'enseignement). Ainsi les élèves savent que l'air agit, mais ils n'utilisent pas encore le vocabulaire de la physique pour le décrire. Dans cette catégorie, nous avons remarqué que les élèves utilisent le mot pression mais avec un sens différent de celui de la physique. Ils parlent notamment de l'air qui exerce une pression sur les parois. Cette utilisation est particulièrement intéressante, car elle témoigne du fait que les élèves commencent à employer un mot de la physique pour décrire l'action des gaz, sans pour autant avoir construit son sens (physique), ils l'utilisent d'ailleurs avec celui qu'il a dans le quotidien. Les explications du type ‘«’ ‘l'air exerce une pression sur les parois’», indiquent que les élèves se sont approprié la notion que l'air agit ; ils leur restent cependant à apprendre à utiliser les bons mots pour en rendre compte.