Thème n° 6. Mode de transfert d’énergie par travail mécanique dans une chaîne énergétique

Le thème 6, qui termine la première partie de notre découpage (tableau 20), consiste en un exercice introduisant les liens entre le domaine de l’énergie et les autres (mécanique, électrique ou chimique) qu’un physicien doit faire quand il interprète le monde qui l’entoure. Il dure 31 minutes. Le mode de transfert qui est analysé dans cet exercice est le travail mécanique.

Comme le montrent le graphique 17 et le tableau 26, il est constitué de deux sous-thèmes et d’inclusions (sous-thèmes 12 et 14). Les deux sous-thèmes sont imbriqués (graphique 17). Les deux premières inclusions appartiennent à des savoirs déjà étudiés (les moyens pour diminuer les frottements : sous-thème 14, la nature et la fonction d’un réservoir : sous-thème 12). La troisième (sous-thème 20) est un savoir qui n’est pas encore étudié (le mouvement des électrons dans le transfert par travail électrique entre la pile le moteur). La séance est faite en présence de tous les élèves.

De haut en bas : Phases didactiques (Réalisation, correction), Organisation de la classe (CE, Gr ou Ind, Mixte), Thème, sous-thèmes et inclusions

Le but de l’exercice est de familiariser les élèves à l’analyse des transferts d’énergie en utilisant les termes faisant référence à d’autres domaines (mécanique ici) (tableau 25).

Source PEGASE/INRP

L’enseignante annonce en 1 minute, en classe entière, la suite du travail (Introduction 17) qui consiste en un exercice donné en travail à la maison la séance précédente ; il s’agit d’analyser les transferts 2 et 3 (fig 13).

Elle circule dans les rangs, regarde rapidement quelques cahiers d’élèves ; est interpellée par un groupe d’élèves sur les transferts thermiques entre le moteur et l’environnement (inclusion 14, tableau 26 ou graphique 17); leur répond et annonce le début de la correction en les invitant à se focaliser sur le transfert entre le moteur et l’objet (transfert 2: transfert par mode travail mécanique) (fig 13).

L’enseignante fait elle-même la correction dans le cas du transfert 2 (interaction moteur+fil et objet). Il s’agit d’un transfert d’énergie où les forces qui sont mises en jeu sont relativement simples à identifier et à représenter. A ce titre, elle rappelle à la classe des savoir introduits antérieurement relatifs au modèle de la mécanique, schématise l’interaction au tableau (photo 1) et en même temps, interroge les élèves sur le type d’interaction. Les élèves proposent l’interaction de contact qu’elle valide (fin de la première partie du sous-thème 18, graphique 17). Elle pose à la classe la question sur les forces en jeu dans l’interaction (début du thème 19, graphique 17), et écrit au tableau les réponses (quatre forces : F _objet/terre, F _moteur/fil, F _fil/moteur et F _table/objet) en respectant leur formulation et les répète à haute voix. A partir de là, elle demande aux élèves de choisir deux forces. Elle reprend les réponses, mais insiste à la fin sur celle qui est exacte (F _moteur/fil, F _fil/moteur). Après quoi elle rappelle le principe des actions réciproques. Elle peut alors conclure cette correction en expliquant qu’on n’a pas choisies ces forces parce qu’elles se compensent, mais parce qu’on s’intéresse à cette interaction. Elle poursuit en abordant la représentation de ces forces, dessine au tableau les deux points représentant le moteur+fil et l’objet ainsi que le sens du mouvement, invite enfin les élèves à réaliser la représentation des forces en petits groupes.

En ce moment, l’organisation de la classe devient mixte. En effet, en circulant dans les rangs, elle fait remarquer qu’elle n’a pas vue dans les cahiers beaucoup de représentations en termes de forces. Elle dit aux élèves qu’ils ont oublié d’aller chercher dans le texte du modèle de la mécanique. Un élève lui demande si ce texte sera fréquemment utilisé dans cette séquence. Elle répond, avec des hésitations, en s’adressant à toute la classe, que ce texte sera le plus souvent utilisé dans cette partie. Elle rappelle dans le même mouvement ce qui était dit lors de la première séance : « quand on analyse un phénomène physique en faisant référence à un domaine (donc en utilisant un modèle précis dans celui-ci), cela n’empêche pas d’utiliser un autre modèle provenant d’autres domaines ».

L’organisation de la classe devient « groupe ou individuelle » durant la réalisation de l’exercice. L’enseignante circule dans les rangs en répondant aux interpellations des élèves, en jetant des coups d’œil à leur production. Elle oriente toute la classe vers des savoirs étudiés antérieurement ou les incite à schématiser les forces mise en jeu. Ce sont des moments très courts (inférieurs à une minute) qui apparaissent quand l’enseignante passe d’un élève ou d’un groupe d’élèves à une autre, l’organisation de la classe devient mixte dans ce cas. Le savoir en jeu, dans la suite de ce sous-thème 19 (graphique 17), consiste à représenter les forces mises en jeu entre les systèmes moteur+fil et objet dans le transfert 2 (fig 13).

Les aides concernant ce savoir en jeu consiste en des clarifications sur le type d’analyse qu’il faut faire, sur les types de réponses possibles suivant la formulation de la question. Dans ce cas d’espèce, l’enseignante ne fournit pas la réponse concernant ce savoir en jeu. En ce qui concerne les savoirs inclus du fait de l’interpellation de certains élèves, l’enseignante répond systématiquement à ce type sollicitations, même si elles ne se situent pas dans le savoir en jeu visé par l’exercice. Elle explique, oriente ou donne quelque fois la réponse. Ces savoirs sont étudiés dans les thèmes précédents (inclusion 12) ou le seront ultérieurement (inclusion 20) (graphique 17 et tableau 26).

La correction de cet exercice est faite en deux temps. L’enseignante invite un élève à faire le schéma au tableau. Pendant ce temps elle continue à discuter avec certains. Cette première partie de la correction se situe dans la phase de réalisation en petit groupes (ou individuel). La deuxième partie est faite par l’enseignante elle-même. Celle-ci explique la procédure de construction des forces mises en jeu : deux vecteurs opposés qui sont sur la même droite. Elle insiste alors sur le fait qu’il fallait changer de modèle de référence et exhorte les élèves à revoir celui de la mécanique (deuxième partie sous-thème 19, graphique 17). A partir de ce moment, elle invite les élèves à refaire la même procédure pour le transfert 3 (fig 13). Du point de vue de la topogenèse, nous pouvons dire que la responsabilité de la correction est du ressort d’un élève au moment où il fait le schéma au tableau, puis de l’enseignante lorsqu’elle explique la procédure qu’il faut suivre, et qu’elle oriente les élèves vers d’autres modèles de référence.

La réalisation de l’exercice recommence et concerne maintenant la schématisation des forces mises en jeu dans le transfert entre la table et l’objet (fig 13). Durant ce moment de la phase où les élèves ont la responsabilité de l’avancée du savoir, les interventions de l’enseignante auprès des groupes de deux se résument à :

• orienter vers un savoir déjà étudié (revoir la troisième loi de Newton) ou à clarifier pour lever certaines confusions (analyse de l’interaction entre deux systèmes et analyse des forces qui agissent sur un système) ;
• utiliser le jeu de questions et de réponses pour amener les élèves à produire la réponse attendue dans le cas d’un savoir qui sera étudié ultérieurement (inclusion 20, graphique 17) ;
• vérifier et la demander de précisions aux réponses données (surtout dans le cas de l’environnement).

Le savoir attendu par l’enseignant est la représentation des forces mises en jeu lors de l’interaction entre la table et l’objet. Cette phase de réalisation concerne successivement les sous-thèmes 19 et 18 et l’inclusion 20. Durant celle-ci elle est interpellée par les élèves dans certains cas, dans d’autres c’est elle-même qui prend l’initiative de regarder le cahier des élèves ; dans tous les deux cas, une discussion s’en suit.

L’enseignante débute la correction (suite sous-thème 18) en insistant d’abord sur les systèmes mis en jeu dans ce transfert 3 (la table et l’objet). La question qu’elle pose concernant le type d’interaction est restée sans réponse. C’est elle-même qui la fournit alors (interaction de contact) en la schématisant au tableau. Elle insiste ensuite sur l’erreur commise par la plupart des élèves qui donnent une représentation verticale de la direction des forces (suite sous-thème 19). Par des jeux de questions auxquelles répondent les élèves, elle procède ainsi : identifier les forces qui s’exercent sur l’objet, utiliser la deuxième loi de Newton pour trouver la direction de la force exercée par la table sur l’objet. A partir de ce moment elle schématise les forces exercées sur l’objet représenté par un point (photo 2)

Elle ré explique pourquoi la direction de la force exercée par la table sur l’objet ne peut être verticale en indiquant que c’est à cause des forces de frottements, ce qu’elle explique davantage ensuite, schématise les deux forces mises en jeu entre la table et l’objet (photo 3).

A la clôture du thème, l’enseignante montre aux élèves que l’analyse du point de vue énergétique se fera en utilisant aussi les autres modèles vus antérieurement en mettant en exergue la relation qui existe ente ce modèle de l’énergie et les autres.

Du point de vue de la topogenèse nous divisons cette correction en deux parties. La première partie correspond à un moment où les élèves ne répondent pas aux questions posées par l’enseignante. Ces questions sont toujours suivies d’un court moment de silence. Dans ce cas, soit l’enseignante donne directement la réponse en l’expliquant, soit elle reformule sa question en orientant d’avantage les élèves (« comment retrouver cette direction ? Comment on faisait en mécanique ? La deuxième loi de Newton ça vous dit pas quelque chose ?). Dans la deuxième partie, les élèves répondent aux questions de l’enseignante. Il faut remarquer que celle-ci pose des questions directes. La clôture est une occasion pour elle d’insister sur le lien qui existe entre le domaine de l’énergie et les autres (mécanique, électrique etc).