4.3.2. Modèle 2 : « Interactions et forces »

Cette partie reprend la progression proposée par J.C. Guillaud (1998).

Afin d’introduire le concept de force – difficile à comprendre par les élèves (cf. cadre théorique sur les conceptions) – les auteurs ont choisi d’utiliser la notion d’action pour aider l’élève à donner un sens à la force.

‘« En mécanique, lorsqu’on introduit la force, il est crucial de lui donner le statut d’un concept de la physique permettant de décrire précisément l’action d’un objet sur un autre. Le terme d’action est plutôt adapté pour décrire la situation matérielle, la force est son correspondant en termes de modèle. » (Gaidioz et al., 2004, p.1037)’

Voici la première partie du modèle distribué aux élèves introduisant l’outil DSI "Diagramme Système Interactions" (Dumas-Carré, 1987) :

La notion de système est introduite pour délimiter le système étudié sur lequel on regarde les forces "extérieures" (exercées par des éléments extérieurs à ce système). Cette notion de système permet de différencier l’objet (monde des objets et des évènements) du système (monde de la théorie et du modèle) qui correspond à un choix du physicien, puisqu’un objet peut appartenir à des systèmes différents.

Afin de repérer les interactions, on passe par les caractéristiques de la situation matérielle. On dit que deux systèmes A et B sont en interaction de contact systématiquement lorsque A et B sont en contact. Si A et B ne sont pas en contact, on parle d’interaction à distance uniquement dans les cas suivants :

• A ou B correspond au système Terre : la Terre est en interaction à distance avec tous les systèmes à proximité ;
• A et B sont deux systèmes en interaction magnétique (clou et aimant par exemple).

Afin d’introduire le concept de force, on donne aux élèves la deuxième partie du modèle :

La force est définie dans ce modèle comme la modélisation de l’interaction. On remarque ici que l’interaction n’a donc pas une place fixe dans le monde du modèle. Une fois que les élèves ont bien intégré la notion d’interaction (présentée comme élément du modèle par le biais du diagramme système interaction), l’interaction peut devenir le fait que A agit sur B et B agit sur A, et se trouver alors dans le monde des objets et des évènements.

Pour identifier les interactions, les élèves pourront suivre les règles suivantes :

• Si A agit sur B, les systèmes A et B sont en interaction (de contact ou à distance), et le système A exerce une force sur le système B de même que le système B exerce une force sur le système A.
• Si les systèmes A et B ne sont ni en interaction de contact ni en interaction à distance, alors on dira que le système A n’exerce pas de force sur le système B et que le système B n’exerce pas de force sur le système A.

On introduit une autre forme de représentation du concept de force (registre vectorielle). Cette représentation contient des informations importantes sur la force, notamment la direction et le sens qui sont liés aux caractéristiques de l’action. L’élève doit maîtriser l’outil vecteur dans ces représentations.

Dans le cas d’une interaction entre les systèmes A et B, on a en plus la relation :

Les auteurs ont décidé de rajouter la troisième loi de Newton dans leur enseignement afin d’insister sur l’aspect interaction. On retrouve ce choix dans la séquence proposée par Savinainen (2004). On note qu’à la formulation classique « Principe de l’action et de la réaction », les auteurs ont préféré la formulation « Principe des actions réciproques » qui reflète mieux la notion de simultanéité.

Nous remarquons ici un point non indiqué dans la séquence mais que nous souhaitons rajouter dans notre analyse. Lorsqu’on veut identifier et représenter les forces qui s’exercent sur un système, il est important de noter que ces forces s’exercent à un instant donné. Cependant, par abus de langage, lorsque toutes les forces identifiées sont exercées pendant un intervalle de temps pour lequel elles ont les mêmes caractéristiques, on pourra demander aux élèves d’identifier ou de représenter les forces pendant cet intervalle de temps. Par exemple, on pourrait demander de représenter les forces s’exerçant sur un mobile en chute libre. Il est important de noter que l’identification ou la représentation d’une force se fait à un instant donné, et que cet instant peut être représentatif d’un intervalle de temps.

On peut donc organiser les éléments présents dans ce modèle en représentant les relations entre les différentes composantes du concept de force :

Figure 6‑10. Analyse du concept de force selon les différentes composantes introduites dans l’enseignement.

On voit bien sur le schéma l’aspect relationnel du concept de force. La force est mise en relation avec l’action, par l’intermédiaire des interactions. La représentation vectorielle de la force permet de mettre en évidence certaines de ses caractéristiques (direction, sens et intensité). Ce sont principalement les caractéristiques direction et sens, reliées aux caractéristiques de l’action, qui nous intéressent.