Partie 2 - Forces et mouvements

Cette deuxième partie, qui porte sur les lois de la mécanique, met l’accent sur « la somme des forces est dans le sens de variation de vitesse ». Dans les deux premières activités, cette relation entre force et variation de la vitesse doit être mise en oeuvre dans le cas d’un mouvement rectiligne et d’un mouvement parabolique. Avec la troisième activité les élèves abordent le cas du mouvement circulaire en lien avec les forces ; ils doivent également mettre en œuvre les conclusions établies lors des deux premières activités. La quatrième activité demande de mettre en œuvre l’ensemble des lois de la mécanique ; la dernière activité porte sur le concept de système. Pour les cinq activités, les élèves disposent de la totalité du texte du modèle (tableau 2). Le tableau 5 présente la structure de cette partie.

Tableau 5 : Structure de la partie 2 forces et mouvements
Activités Objets, Evénements Eléments de Modélisation
Lancer et réception d’un médecine-ball - Un médecine-ball
- Mise en mouvement
- Mouvement rectiligne accéléré, ralenti
- Système
- Point matériel
- Inventaire des forces
- Somme des forces
- Inventaire de vitesse
- Variation de la vitesse
- Variation de la vitesse  Non-compensation des forces
Variation de la vitesse du centre d’inertie d’un projectile - Une balle
- Mouvement parabolique

- Point matériel
- Inventaire de forces
- Variation de la vitesse
- Variation de la vitesse  Non-compensation des forces
Modèle des lois de la mécanique applique un jouet retenu par un fil - Un petit véhicule
- Mouvement rectiligne-uniforme
- Mouvement circulaire
- Système
- Point matériel
- Inventaire des forces
- Somme des forces
- Vitesse  Compensation des forces
- Variation de la vitesse  Non-compensation des forces
Pousser sur un mur - L’élève
- Immobilité
- l’élève+une planche à roulettes
- Mise en mouvement
- Système
- Point matériel
- Inventaire des forces
- Somme des forces
- Point matériel
- Non-variation de la vitesse  Compensation des forces
- Point matériel
- Somme des forces
- Variation de la vitesse  Non-compensation des forces
Utilisation (inhabituelle) d’un pèse-personne - L’élève+un bâton+ un pèse-personne
- Immobilité
- Système
- Principe des Actions Réciproques

Lors de cette activité, les élèves doivent :

Le savoir visé porte sur la relation entre la variation de la vitesse et la somme des forces exercées sur le système. La situation à étudier est choisie pour que les élèves n’aient pas à faire une composition vectorielle complexe (une seule direction est en jeu). La variation de la vitesse est décrite en termes « qualitatifs » comme augmente, diminue, reste pareille.

Dans cette activité le mouvement est parabolique ; c’est la première fois que les élèves doivent faire appel à une représentation vectorielle de la variation de la vitesse et c’est également la première fois qu’ils établissent une relation entre le vecteur variation de la vitesse et le vecteur force, une seule force étant appliquée (le poids).

Ici le mouvement est circulaire. Cette activité ne demande pas aux élèves de mettre en œuvre de nouveaux concepts, mais c’est la première fois que les élèves doivent composer des forces multidirectionnelles pour mettre en relation leur somme avec la variation de la vitesse (les 3 forces appliquées au système : le poids, le sol, le fil ont des directions différentes). C’est la dernière activité pour laquelle la relation de colinéarité et de sens entre le vecteur somme des forces et le vecteur variation de la vitesse est établie.

Les élèves doivent pour la première fois étudier les lois de la mécanique pour une situation où les objets sont immobiles et où il y a une mise en mouvement. Cette activité met aussi en jeu le principe des actions réciproques. Les élèves doivent donc à la fois utiliser ce principe, le principe d’inertie et la relation fondamentale (entre variation de vitesse et somme des forces).

Cette activité fait travailler les élèves sur le choix du système. C’est la première fois que les élèves ont l’initiative du choix du système, dans les activités précédentes le système était imposé. Cette situation n’a pas été analysée (voir données récoltées).