Thème n° 12. Variation, évolution et changement de formes d’énergie stockée par un système isolé du point de vue énergétique. Grandeurs dont dépend l’énergie potentielle de pesanteur

Ce thème est réparti entre deux séances, la première partie est faite à la fin de la troisième séance en demi-classe et la deuxième, avec toute la classe dans la quatrième séance. Le graphique 20 montre la deuxième partie et le tableau 33 donne la structuration des trois sous-thèmes imbriqués qui le composent. Du fait de l’étalement sur deux séances, un moment d’introduction de la séance, qui a coïncidé avec une gestion de classe, a pris plus de 2 minutes. Ensuite des rappels aux notions déjà étudiées à la fin de la séance ont eu lieu. La durée totale du thème est d’environ 34 minutes.

De haut en bas : Phase didactique (Introduction séance, réalisation et correction) ; Organisation de la classe (CE, groupe ou individuel et mixte) ; Thème et trois sous-thèmes.

Le but de l’activité est de pouvoir analyser :

• les variations d’énergie stockée par le médecine-ball lors des différentes phases de mouvement ;
• les changements de formes d’énergie stockée par ce même médecine-ball lors des phases de montée et de descente ;
• les variations d’énergie stockée par le médecine-ball lors des phases de lancer et de réception
• l’évolution de l’énergie stockée dans les phases de lancer et de réception ou des formes d’énergies stockées (cinétique ou potentielle de pesanteur) lors des phases de montée et de descente.

Le sous-thème 41 se répartit sur les deux séances. Dans la troisième où la durée est 4 minutes, il s’agit d’une réalisation en groupe et d’une correction en classe entière où il est question de donner les grandeurs qui influencent l’énergie potentielle de pesanteur (sous-thème 41). L’enseignante, après avoir aidé certains élèves durant la réalisation, corrige l’activité en les interrogeant et en écrivant au tableau leurs réponses. Les séries de réponses données par ce groupe (groupe 1) sont dans le tableau 34. L’enjeu de la discussion instaurée par l’enseignante est d’éliminer les notions données par les élèves ne faisant pas partie des grandeurs qui influencent l’énergie potentielle. Pour chaque notion analysée, elle donne des explications. Puisqu’on est à la fin de la séance, la seule notion qui est éliminée, avec explications : « une fois que l’objet est en l’air la force des mains n’intervient pas », est la force des mains. La discussion sera reprise à la prochaine séance. Cette première partie du sous-thème 41 a duré 4 minutes

La quatrième séance débute par un rappel sur les notions déjà vues dans la séance précédentes, à savoir le système qui est isolé du point de vue énergétique (sous-thème 40), la variation de l’énergie stockée par le système durant les phases de montée et de descente (sous-thème 39). A la suite de ce rappel, la classe reprend la discussion sur les grandeurs qui influencent l’énergie potentielle de pesanteur (sous-thème 41 (suite)), à l’initiative de l’enseignante, qui auparavant, a recopié les réponses données par les deux groupes (tableau 34) lors de la séance précédente. Cette fois-ci la séance se fait avec tout l’effectif de la classe. A partir des réponses et des arguments donnés soit par les élèves soit par l’enseignante, celle-ci procède par élimination des notions qui sont incohérentes. Il s’agit de la force des mains et de la vitesse. Elle regroupe après les notions comme masse, gravité et poids pour ouvrir une autre discussion qui aboutit à ne retenir que la gravité g et la masse comme grandeurs qui influencent l’énergie potentielle de pesanteur. La troisième forme de regroupement qu’elle opère se fait entre la distance au sol et la hauteur qu’elle juge, en posant des questions aux élèves et en expliquant, qu’elles sont pareilles. Ce qui lui permet de dire en conclusion que l’énergie potentielle de pesanteur dépend de la masse du système, de la pesanteur et de la hauteur ou altitude et que l’énergie cinétique aussi dépendait de la masse et de la vitesse du système. Les expressions de ces grandeurs (Ec et Ep), d’après l’enseignante, seront données dans les séances à venir.

Dans cette partie du thème, le savoir en jeu est composé des notions de grandeurs qui influencent les énergies potentielle et cinétique, de la variation et de l’évolution de ces formes d’énergie au sein d’un système isolé du point de vue énergétique. Durant la réalisation de l’activité, dans la troisième séance, l’avancée du savoir est du ressort des élèves qui interpellent l’enseignante pour des aides. A la fin de la troisième séance, un début de correction a eu lieu avec la demi-classe où l’enseignante reprend la responsabilité de l’avancée du savoir en interrogeant les élèves et en expliquant davantage sur la base des réponses qu’elle reçoit.

La réalisation des questions b et c (annexe 6) peut alors commencer. Durant celle-ci, l’avancée du savoir est sous la responsabilité des élèves qui travaillent en petits groupes ou individuellement. L’enseignante circule dans les rangs et répond à leurs interpellations. Le savoir mis en jeu est la variation de l’énergie stockée par le médecine-ball et l’évolution des formes d’énergie (cinétique et potentielle de pesanteur) durant la phase de descente (sous-thème 39). L’enseignante parle de temps en temps à toute la classe (moment où le type d’organisation de la classe est mixte) en leur demandant de se référer aux diagrammes énergétiques construits lors de la séance précédente.

Elle annonce la correction, interroge les élèves, reprend les réponses et les explique davantage. La responsabilité de l’avancée du savoir est de nouveau de son ressort. Les savoirs mis en jeu sont :

• la variation de l’énergie stockée par le médecine-ball et l’évolution des formes d’énergie (cinétique et potentielle de pesanteur) durant la phase de descente ;
• la variation de l’énergie stockée par le médecine-ball durant les phases de lancer et de réception.

Pendant cette correction elle exhorte les élèves à revoir les réponses données lors de la construction des diagrammes énergétiques lors de la séance précédente. Nous pouvons interpréter cette situation comme une incitation à la mobilisation des réponses fournies dans les questions précédentes.

Les réponses données par l’enseignante, en interrogeant les élèves et en recueillant ce qu’ils disent sont :

• l’énergie du ballon augmente durant la phase de lancer, elle est minimale au début de lancer, maximale en fin de lancer ;
• l’énergie du ballon diminue durant la phase de réception ; elle est maximale au début de la réception et minimale en fin de réception.

A la suite de cette correction, l’enseignante invite les élèves à débuter l’activité suivante.