Thème n° 2. Travail d’une force constante en déplacement

Le thème 2 fait suite au premier et termine la première séance qui dure 49 minutes environs. Il dure environ 34 minutes, est composé de six sous-thèmes comme le montrent le graphique 25 et le tableau 42.

De haut en bas. Phase didactique :(introduction cours ; développement cours, lecture de texte ; contrôle de connaissances ; clôture (cours, séance)) ; Organisation de la classe (CE) ; Thèmes Une introduction et six sous-thèmes

L’enseignant annonce le titre du thème, l’écrit au tableau et commence à distribuer une nouvelle feuille en précisant les consignes d’utilisation : « il faut les coller au niveau du cahier pour ne pas les perdre ». Cette introduction dure 2 minutes environ.

La durée relativement longue de cette introduction peut être imputé au fait que c’est l’enseignant lui-même qui distribue les feuilles à chaque groupe d’élèves.

Après cette distribution, l’enseignant revient au tableau et annonce qu’il va partir d’un exemple : « un ouvrier qui soulève un objet par l’intermédiaire d’une poulie ». Il explique la situation en la dessinant au tableau. Certains élèves suivent, tandis que d’autres commencent à copier sur leur cahier. Après le dessin, l’enseignant commence par une série de questions qui concernent l’énergie reçue par l’objet soulevé. Il faut remarquer que dans cette classe l’objet est appelé tout simplement « masse ». Un élève répond que l’objet ne reçoit pas d’énergie, c’est la poulie qui en reçoit. L’enseignant le guide en parlant à toute la classe : « qui donne cette énergie à la poulie ? » L’élève répond que c’est la personne. L’enseignant lui demande « est-ce que l’énergie reste sur la poulie ? » L’élève confirme en disant que l’énergie est stockée par la poulie. L’enseignant reprend : « maintenant la masse là (en indiquant le dessin au tableau) ne reçoit rien ? » L’élève décrit l’événement : « la personne en tirant la corde soulève la « masse » et s’arrête. Après un moment de silence l’enseignant reprend la question : « oui maintenant la masse en se déplaçant ne reçoit pas d’énergie ? » Un silence s’ensuit. L’enseignant demande à partir de ce moment aux autres élèves s’ils sont d’accord. Un élève répond que l’objet reçoit de l’énergie. Par une série de petites questions, comme celles utilisées avec le premier élève, l’enseignant réussit à faire dire à celui-ci la réponse attendue : « la personne fournit de l’énergie à l’objet par l’intermédiaire de la corde et de la poulie ». L’enseignant enchaîne en demandant aux élèves pourquoi l’objet reçoit de l’énergie. L’un d’eux répond que c’est parce que l’objet monte. Ce que l’enseignante reformule en utilisant le terme déplacement. Il récapitule en se basant sur le schéma au tableau et en insistant sur le terme « déplacement » du fait de l’action de l’ouvrier.

Le savoir en jeu, à ce stade, dans cette classe est la relation entre l’énergie fournie et le déplacement de l’objet.

Le professeur enchaîne en identifiant le système « objet » qui se déplace et demande les forces qui s’exercent sur lui. Il faut remarquer les termes de transition utilisés par cet enseignant pour passer d’un savoir à un autre (« alors ici », « maintenant si on revient sur », « maintenant nous allons voir » etc)

Les élèves répondent par le poids et la tension du fil. Le professeur reprend la réponse et superpose sur le dessin les vecteurs tension du fil et poids de l’objet. Il se lance ensuite dans une série d’explications pour faire remarquer aux élèves que c’est grâce à l’action de l’ouvrier (à travers le fil) que le déplacement de l’objet a eu lieu. Ces explications lui permettent d’introduire les notions de point d’application qui se déplace et de travail d’une force en déplacement. A partir de ce moment, il invite les élèves à donner une définition du travail. Un des élève dit : « une force effectue un travail lorsque son point d’application se déplace ». Le professeur, en reprenant la phrase, différencie la notion de travail en physique de celle de la vie courante. Il explique encore ce nouveau savoir en s’appuyant sur le schéma au tableau.

Ensuite, il enchaîne (avec toujours les termes de transition : « alors maintenant… ») avec les facteurs qui influencent le travail d’une force. Il reprend le schéma superposé en remplaçant l’objet par un autre qui a une masse plus grande. La question qu’il pose aux élèves est la suivante : « est-ce que l’ouvrier va fournir plus d’énergie ou non ? ». Les élèves répondent que l’ouvrier va fournir plus d’énergie par conséquent le travail de la tension va augmenter. L’enseignant en déduit que le travail est proportionnel à l’intensité (valeur) de la force, ce qu’il écrit alors au tableau et conclut : « la valeur de la force est un facteur qui influence le travail ». Pour trouver les autres facteurs (la distance et l’angle) il modifie une partie du premier schéma selon la situation : la hauteur de déplacement de l’objet ou la direction de déplacement. Durant ces changements de situations il interroge les élèves et reprend leur réponse en l’expliquant davantage ou en la reformulant. Ceci consiste à donner le début du mot et les élèves poursuivent (P_ (…) dép…/E_ déplacement).

A partir de ce moment l’enseignant lit un texte (de la feuille distribuée) faisant référence aux facteurs qui influencent le travail d’une force en déplacement (l’intensité (ou valeur) de la force, la distance de déplacement et l’angle entre le vecteur force et le vecteur déplacement).

Ensuite, il enchaîne (transition : « Maintenant si on revient au premier cas ») avec l’étude des notions de « travail moteur », « travail résistant » et « travail nul ». Il se base alors sur le premier schéma (l’ouvrier qui soulève un objet sur une hauteur h) et demande aux élèves de se centrer sur le sens de déplacement de la tension et sur celui du poids de l’objet. Pour définir ces notions, Il utilise le terme « favorise ou non le déplacement de l’objet ». Ces définitions ont été données avec la participation des élèves qui répondent aux questions. Le savoir établi à ce stade est le suivant : lorsque la force favorise le déplacement de l’objet, on dit que le travail est moteur et dans le cas contraire le travail est résistant. L’enseignant poursuit en disant que ces grandeurs sont positives, négatives ou nulles et par convention le travail moteur est affecté du signe positif et celui qui est résistant du signe négatif. Le travail nul d’une force en déplacement est aussi expliqué.

Le professeur enchaîne (en utilisant toujours « Maintenant nous allons voir… ») avec l’étude des déplacements particuliers de l’objet. Il explique d’abord les types de mouvement : translation et rotation. Il rappelle les facteurs qui influencent le travail d’une force en déplacement et donne son expression dans le cas du mouvement de translation rectiligne : W_AB (F) = F. AB = F*AB*cosα, avec α = (F, AB) (photo 4).

En haut le titre encadré. A droite du tableau figure le schéma superposé qui a servi à introduire les notions, au milieu celui qui a servi à introduire l’expression et à gauche les formules.

A partir de ce moment il demande aux élèves de copier les schémas et les formules sur leur cahier. Au moment où ils commencent à écrire, l’enseignant schématise au tableau une force qui se déplace sur un segment de droite AB. La durée accordée aux élèves pour recopier est d’environ une minute.

L’enseignant enchaîne (en utilisant toujours sa forme de transition « Alors maintenant… ») avec l’étude d’un déplacement quelconque. Il dessine au tableau un objet qui est tiré par une personne sur deux plans successifs, l’un horizontal et l’autre incliné, et demande aux élèves d’exprimer le travail de cette force sur l’ensemble du trajet. Un des élèves répond qu’il faut calculer d’abord le travail de la force sur chaque trajet, ensuite faire la somme des travaux. L’enseignant reprend la réponse de l’élève et nomme chaque expression par « travail élémentaire ». Il insiste alors sur le fait qu’à chaque fois que le déplacement est quelconque, il faut recourir au travail élémentaire sur une portion rectiligne. Il explique ensuite la procédure qu’il faut suivre pour arriver au travail élémentaire.

A partir de ce moment il poursuit la lecture du texte faisant référence au travail élémentaire puis il reprend l’explication du travail élémentaire avec un exemple plus général. Il représente alors un déplacement quelconque qui matérialise le trajet suivi par la force constante. En reprenant la procédure de décomposition du trajet en petits éléments qu’il appelle déplacement élémentaire, il en déduit l’expression du travail élémentaire (δW = F. δl). Il développe alors la formule du travail de la force qui se déplace sur tout le trajet en utilisant l’expression du travail élémentaire. Durant ce développement, il interroge de temps en temps les élèves, ces derniers répondent par des mots ou des groupes de mots. Le professeur retrouve à la fin du développement l’expression de la formule donnée ci-dessus (W_AB (F) = F.AB). L’application de cette procédure lui permet d’introduire la notion de force conservative : « une force est dite conservative si le travail qu’il effectue est indépendant du chemin suivi ».

A partir de ce moment il invite les élèves prendre le schéma et les formules dans leur cahier. Au moment où ces derniers recopient, l’enseignant circule dans les rangs, ensuite efface une partie du tableau en annonçant aux élèves le travail qui va suivre demain : « l’application du travail du poids d’un objet qui se déplace d’une hauteur h ».

Au bout de 3 minutes, il commence à dicter des phrases concernant la notion de force conservative. A la fin de cette dictée coïncidant avec la fin de la séance, il annonce de nouveau le travail de la prochaine séance.

Durant ce cours magistral c’est l’enseignant qui a la responsabilité de l’avancée du savoir. Les élèves y participent en répondant aux questions.

Le savoir en jeu est introduit par l’enseignant à partir d’un dessin qui résume une situation tirée de la vie courante dans ce pays (soulever un objet à l’aide d’une poulie : seau d’eau au fond d’un puits ou les ouvriers qui soulèvent des briques dans les chantiers de construction de bâtiments).

Une transition est régulièrement employée par l’enseignant pour introduire un nouveau savoir (alors ici…, maintenant si nous revenons sur…, maintenant on va…). Il introduit le savoir en jeu par des éléments de savoir assez petits. Le travail d’une force en déplacement illustre la façon dont l’enseignant les introduit.

1. Définition du travail d’une force en déplacement

2. Facteurs qui influencent le travail d’une force

3. Notions de travail moteur, de travail résistant et de travail nul

4. Définition du travail d’une force constante sur un déplacement :

• rectiligne (expression générale du travail d’une force)
• quelconque (expression du travail élémentaire)

Il existe une régularité dans l’introduction de ces petits éléments de savoir dans cette classe. La lecture du texte d’accompagnement précède ou suit (c’est le cas ici) une première explication, ensuite une généralisation s’en suit. Cette généralisation (avec développement des formules littérales) est toujours accompagnée de nouveaux schémas ou de compléments du dessin qui est fait au début. Après cette généralisation, les élèves sont invités à recopier sur leur cahier. La durée donnée pour l’écriture au niveau des cahiers varie de 1 à 3 minutes dans ce thème.

Les savoirs introduits successivement dans ce thème sont les suivants : relation entre l’énergie fournie par un système et le déplacement de l’autre système, le point d’application d’une force qui se déplace, la définition en physique du travail d’une force en déplacement, le travail moteur, le travail résistant, le travail nul, l’expression du travail d’une force en déplacement rectiligne et quelconque (travail élémentaire) et en fin la définition d’une force conservative. Une dictée et l’annonce du travail ultérieur clôture le thème.