Thème n° 20. Calcul de la vitesse de lancement et de la hauteur d’un solide situé au-dessus du sol. Application des expressions faisant référence à la conservation de l’énergie.

C’est le dernier thème de la séquence d’enseignement de l’énergie dans cette classe. Il coïncide avec la septième séance qui dure officiellement une heure mais dont la durée d’enregistrement n’est que de 49 minutes environs comme le montrent le graphique 23 et le tableau 39. Il s’agit de la dernière séance avant les vacances d’hivers.

Le thème est composé de quatre sous-thèmes dont trois imbriqués. Il s’agit d’un exercice dont le but est de se familiariser avec les principales expressions relatives au théorème de l’énergie cinétique et à la relation entre la variation de l’énergie potentielle de pesanteur et le travail du poids, de pouvoir déduire de celles-ci la valeur de certaines grandeurs physiques (vitesse, distance ou hauteur) dans des situations simples comme le lancer de médecines-ball (tableau 38 donnant l’énoncé de l’exercice).

Graphique 23. Visualisation du thème 20 (Partie hachurée) dans la septième séance.
Graphique 23. Visualisation du thème 20 (Partie hachurée) dans la septième séance.

De haut en bas : Phase didactique (introduction : séance et exercice, réalisation exercice, correction exercice, clôture exercice et clôture séance) ; Organisation de la classe (CE, Groupe ou Ind, Mixte) ; Thème et Cinq sous-thèmes et clôture de la séquence.

Tableau 38. Exercice d’application Classe 1
3°. Pour lancer à la verticale un médecine-ball de masse m = 4,0 kg, un élève exerce une force que l’on suppose constante d’intensité F = 70 N. Il commence son mouvement de lancer alors que le centre du médecine-ball est à une hauteur de 70 cm au-dessus du sol. La distance de poussée est de 80 cm. On prendra g = 10 N.kg-1.
a) On s’intéresse à la phase de lancer. Établir les expressions puis calculer :
- le travail opéré par la force exercée par l’élève tout au long de l’opération ;
- les variations d’énergie, d’énergie cinétique et d’énergie potentielle du système (MB + Terre) ;
- la vitesse du médecine-ball à la fin du lancer.
Établir une relation simple entre la variation d’énergie cinétique et les travaux opérés par les forces qui s’exercent sur le médecine-ball.
b) on s’intéresse à la montée. A quelle hauteur au-dessus du sol va s’élever le médecine-ball ?
Tableau 39. Structuration du vingtième questionnaire. Classe 1
Thème n° 20 (Durée : 49 min)
Calcul de la vitesse de lancement et de la hauteur parcourue par un solide. Application des expressions faisant référence à la conservation de l’énergie.
Sous-thème Org Cl
n° 67 Gestion du travail et du savoir proposé lors du devoir surveillé (Durée : 19 min)
n° 68 Définition des notations (point de départ (zA) et point d’arrivée (zB) pour le calcul des variations d’énergie (cinétique et potentielle) (Durée : 11 min)
n° 69 Calcul du travail du poids et des variations d’énergie (cinétique et potentielle) (21 min).
Gr Ind/M puis CE
n ° 70 Détermination de la hauteur parcourue par l’objet pendant la phase de montée (2 min)
n ° 64 Repérage des altitudes sur un schéma. Choix et orientation de l’axe (1 min)
CE

A l’introduction, l’enseignante a évoqué d’abord les problèmes d’organisation des futurs TP et la gestion de certains événements (réunion des professeurs et mouvement de grève) qui vont se dérouler durant la semaine. A la suite de cette discussion, l’enseignante annonce le but de cette séance mais le problème du devoir surveillé qui a eu lieu la veille, soulevé par les élèves, retient l’attention de tout le monde. Il se renouvellera tout au long de la séance.

Cette discussion a duré longtemps et porte sur certaines notions que les élèves pensent ne pas avoir vues, c’est le théorème de l’énergie cinétique. L’enseignante soutient que ce théorème a été vu et que de toute façon, dans un DS, il y aura toujours une partie qui n’est pas vue. Elle les exhorte à se mettre au travail au lieu de discuter, ce qui fait perdre du temps, sachant que cet exercice ressemble à celui du DS. Selon elle, la réalisation doit se faire rapidement parce qu’ils ont passé beaucoup de temps au DS.

Elle donne le but de l’exercice qui consiste à trouver la hauteur parcourue par une balle quand on la lance vers le haut (tableau 38). Toute cette introduction se passe en classe entière.

Durant toute la réalisation, le DS revenait, soit à l’initiative d’un des élèves, soit de l’enseignante. Le fait de revenir sur ce devoir est une façon de légitimer des positions. Le grand problème des élèves durant ce devoir a été la difficulté de l’application du théorème de l’énergie cinétique qu’ils imputent à sa nouveauté. L’enseignante, en regardant les traces de ses notes, leur fait remarquer que ce théorème a été bel et bien utilisé dans des activités ou exercices précédents même si elle admet que son application pose problème.

Après un moment consacré à la gestion administrative (les absences), elle demande à certains élèves l’état d’avancement de leur travail. Ensuite la discussion sur certains résultats est engagée entre deux élèves, l’un étant dans la première rangée et l’autre au fond de la salle. Cette situation oblige l’enseignante à parler à haute voix. Pendant ce temps les autres élèves continuent à réaliser l’exercice.

Ensuite, elle entame la correction en classe entière. Elle donne les résultats puis décide de les recopier au tableau et de leur donner le corrigé complet. Les résultats écrits au tableau sont discutés, en particulier la procédure pour calculer la variation de l’énergie cinétique : ne connaissant pas la vitesse quand la balle quitte la main, on ne peut qu’utiliser le théorème de l’énergie cinétique. Après cela, la discussion est axée sur la variation de l’énergie potentielle. Le problème de la direction entre le vecteur force et le vecteur déplacement est aussi soulevé durant cette correction en classe entière.

L’enseignante leur demande de poursuivre la réalisation et les oriente vers le texte faisant référence aux compléments du modèle de l’énergie.

Pendant que les élèves continuent la réalisation, elle intervient pour répondre aux questions de certains qu’elle répercute à toute la classe. Ce sont les suivantes : « est-ce que ∆Ep =-∆Ec pendant la phase de lancer ? », « Dans quelles phases peut-on utiliser cette relation ? » Remarquons que ces questions ont été aussi abordées au début de la correction avec un élève en groupe. Des élèves apportent des réponses à ces questions au moment où d’autres continuent à travailler. Ces réponses sont : « conservation de l’énergie du ballon. » L’enseignante reprend la réponse à son compte, la ré expliquant, et ajoute que durant ces phases où l’énergie du ballon est constante, si l’énergie cinétique augmente, l’énergie potentielle diminue et inversement. Elle continue son explication, toujours en mixte, en faisant comprendre que pendant le lancer, l’énergie totale du ballon n’est pas constante. En posant des questions auxquelles certains élèves répondent, elle explique que le système « élève » transfère de l’énergie au système « ballon ». Un élève l’interpelle pendant qu’elle circule dans les rangs tout en consultant ses feuilles. Cependant, elle suggère de discuter avec lui la sonnerie car elle en vérifiant l’heure, elle constante que la était arrivée à son terme

Alors, elle annonce aux élèves que le corrigé exercice leur sera distribué. Mais en anticipation, elle demande les procédures à utiliser pour trouver la hauteur h. Les élèves répondent en donnant deux méthodes : la première, qu’on peut utilisation de la relation entre la variation de l’énergie potentielle et le travail du poids, la seconde : « l’énergie du ballon est constante quand il quitte la main de l’élève ». L’enseignante rejette la première en expliquant que l’altitude n’est pas connue. Elle explique la deuxième en notifiant que l’énergie du ballon est constante donc on peut l’utiliser et puis demande une autre solution. Devant le silence des élèves elle donne la dernière méthode  qui est l’utilisation du théorème de l’énergie cinétique. Elle rappelle que le prochain devoir portera aussi ces notions. Elle conclut en revenant sur les notations, lorsque l’exercice ne les donne pas et le bilan des forces qu’il faut faire ensuite.

Elle annonce aux élèves la fin de la séquence de l’enseignement de l’énergie et l’administration prochaine du questionnaire prévue pour le lundi de la rentrée.

Au début de la séance, une médiation s’est établie pour la programmation future des TP de chimie en fonction des événements qui vont se tenir durant la semaine (réunion et mouvement de grève). Les acteurs donnent leur avis pour trouver une solution adéquate.

En ce qui concerne le DS, chacun des acteurs (élèves, Professeur) essaie de donner des arguments sur le bien fondé de leurs remarques par rapport aux contenus du DS. Le souci d’avancer dans le travail préoccupe l’enseignante qui fait remarquer aux élèves les pertes de temps. En ce qui concerne le savoir qui est l’objet d’étude, l’enseignante oriente les élèves vers le contenu du DS est similaire à celui-ci.

La discussion sur un texte qui permet d’évaluer la production des élèves est une forme de savoir où les élèves peuvent aussi consolider leurs acquis surtout celui du théorème de l’énergie cinétique. La discussion a révélé que ce savoir a été bien étudié et utilisé en classe. Nous sommes en présence d’une discussion d’un des contrats de l’enseignement en général : celui qui fait référence à l’évaluation. Autant que faire se peut, un enseignant ne doit pas poser des questions sur un savoir qui n’a pas été l’objet d’un enseignement. Et c’est ce principe qui pousse l’enseignante à vérifier en consultant les traces de ces notes.

Pendant la réalisation de l’exercice, elle prend l’initiative de circuler de table en table pour discuter avec les élèves. Ainsi, la responsabilité du savoir est de deux ordres. S’il s’agit de la réalisation de l’exercice, en petits groupes ou individuellement, elle est du ressort des élèves qui sont aidés par l’enseignante. S’il s’agit de la négociation du savoir utilisé lors du devoir surveillé, les deux acteurs y participent et l’enseignante est chargée de la vérification.

La première correction est faite sous la responsabilité de l’enseignante qui écrit le développement des formules au tableau en donnant des explications. Pour trouver la vitesse du ballon au moment où il touche le sol, elle leur laisse un peu de temps pour la réalisation. Elle initie la référence au texte du complément du modèle de l’énergie au cours de cette deuxième phase de réalisation qui est de quelques minutes.

L’enseignante reprend la responsabilité de l’avancée du savoir, durant la dernière phase de correction. Elle pose des questions aux élèves pour arriver au savoir attendu (l’utilisation du théorème de l’énergie cinétique pour en déduire la vitesse du ballon). La procédure de développement de la formule pour y parvenir est consignée à un texte qu’elle distribue à la fin de la séance.