Le site Physique-Chimie de l’académie de Guyane

Exemple d’usage 2 : Etude mécanique d’un dégagement (introduction aux forces non conservatives) (TS)

Cet article concerne un exemple d’usage proposé par l’académie de Guyane dans le cadre du TraAM Physique-Chimie 2015-2016, Thème 1 « Dans quelle mesure les usages des ressources numériques permettent au professeur de mettre en place un enseignement de la physique chimie dans le cadre de la classe inversée ? »

Professeur expérimentateur
  • Marieke Bonnaffé-Moity
  • Lycée Félix Eboué
  • Cayenne
Niveau concerné
  • Terminale S
Place de la séance dans la progression et pré-requis

Cette activité est une introduction à la notion de conservation/non conservation de l’énergie mécanique et à la notion de force non conservative. Le chapitre de mécanique Newtonienne doit avoir été traité.

Points du programme abordés :

  • « Mesure du temps et oscillateur, amortissement »
  • Forces non conservatives : exemple des frottements.
  • Analyser les transferts énergétiques au cours d’un mouvement d’un point matériel.
Pré-requis pour la classe inversée (à la maison) Pré-requis pour la séance expérimentale (en classe)
Avant la séance :
- Mécanique newtonienne : vocabulaire et notions du chapitre précédent
- Notion d’énergie mécanique, cinétique et potentielle (Programme de 1S)
- Réalisation d’un acquisition vidéo
- Utilisation d’un logiciel de traitement vidéo pour effectuer un pointage
- Utilisation d’un tableur-grapheur

Le travail à la maison

Objectifs :

  • S’approprier une situation problème de la vie quotidienne
  • Modéliser une situation
  • Proposer des hypothèses pour répondre au problème posé
  • Réactiver les notions d’énergie cinétique, mécanique et potentielle (1S)
  • Comparer et critiquer les résultats donnés par une modélisation numérique et la réalité
  • Découvrir l’intérêt d’un programme informatique pour modéliser un problème et résoudre des équations insolubles à un niveau de Terminale S (introduction dans l’animation des forces de frottements qui nous amène à un système d’équations que les élèves ne peuvent résoudre).
  • Produire un travail collaboratif en ligne

Le déroulement :

Travail donné une semaine avant la séance de travaux pratiques

  • L’élève répond au questionnaire en s’appuyant sur un document de présentation de la situation et un simulateur.
  • L’élève formule une hypothèse pour expliquer la différence entre théorie et réalité.

L’objectif du questionnaire est de faire apparaître les limites des prédictions newtoniennes en l’absence de frottements.

Doc élève page1

Travail à réaliser à la maison avant la séance :
Répondre aux questions suivantes en utilisant l’animation déposée sur l’espace moodle de la classe ou accessible via : https://www.geogebra.org/apps/?id=2364793

Image QCM

Capture d’écran du simulateur (le chargement peut être long si il est intégré à une page)

Questions

  1. Quelle est la portée du dégagement effectuée par le gardien de but dans la situation étudiée ?
    Pour vous entraîner : Comment pourrait-on retrouver cette portée en utilisant les lois de Newton ?
  2. La valeur de la portée vous paraît-elle réaliste ?
  3. Proposer une hypothèse permettant d’expliquer l’écart entre la valeur de la portée donnée par
    l’animation (paramétrée avec les lois de Newton) et la réalité.
  4. En travaux pratiques, on utilisera une approche énergétique pour répondre à cette problématique.
    Qu’est ce que l’énergie potentielle d’un objet ? Comment la calcule-t-on ? Même question pour l’énergie
    cinétique et mécanique.
Le retour en classe

Objectifs :

  • Réaliser et exploiter un enregistrement vidéo
  • Montrer expérimentalement qu’en l’absence de frottements l’énergie mécanique seconserve.
  • Montrer expérimentalement que les frottements sont responsables d’une dissipation de l’énergie mécanique.

Le déroulement :

En classe entière (groupe de TP, 14 élèves)

  • Les élèves confrontent leurs hypothèses. Par la discussion, la notion de frottements et de dissipation d’énergie doit rapidement émerger.

Par groupes de 4 :

  • A l’issue de la discussion, les élèves doivent proposer un protocole, à l’aide du matériel
    disponible pour valider ou invalider leurs hypothèses.
    → TP étude énergétique d’un lancé parabolique avec et sans frottements.

Les élèves élaborent le protocole par 4 puis se répartissent le travail : 2 élèves réalisent et étudient la vidéo sans frottements et les 2 autres avec frottements.

Travail attendu par les élèves : (Logiciel utilisé : Atelier Scientifique Jeulin)
Réalisation de deux vidéos : Sur l’une des vidéos les élèves filment le lancé parabolique ou la chute verticale d’une balle de ping-pong. Le même travail est fait en utilisant un volant de badminton.
On réalise le pointage vidéo sur chaque vidéo.
Pour chaque situation, les élèves calculent les valeurs des différentes formes d’énergies en différents instants puis représentent graphiquement l’évolution des énergies en fonction du temps.
Par comparaison des deux situations, les élèves dégagent la loi de conservation de l’énergie en l’absence de frottements/non conservation lorsque les frottements ne sont pas négligeables.

Après le TP (retour à la maison)

Après le TP, les élèves disposent de 10 jours pour réaliser ce travail. Un bilan est attendu pour chaque groupe de TP (3-4 élèves)

  • Le professeur met à disposition un simulateur dans lequel on tient compte cette fois de l’influence des forces de frottements.
  • Les élèves répondent à un deuxième questionnaire, en s’aidant de l’animation et des connaissances acquises en classe sur la conservation ou non conservation de l’énergie mécanique.
  • Chaque groupe doit écrire un bilan dans lequel apparaît les notions de conservation/ non conservation de l’énergie mécanique, la notion de force dissipative en s’appuyant sur l’exemple du dégagement de football.
  • On utilise pour l’élaboration de ce document le moodle de la classe. Un document collaboratif est créé pour chaque groupe, ce qui permet à chaque élève de le modifier et au professeur de proposer une pré-correction au cours de l’élaboration.

    Ce document, après correction par le professeur, sera le cours de l’élève.

Adresse de la 2nd animation avec frottement : https://www.geogebra.org/apps/?id=2364817

Conditions de mise en œuvre

Accès à l’animation :

  • Aucune installation de logiciel n’est requise, un simple navigateur internet suffit.
  • L’élève doit disposer d’un accès internet (à la maison ou au CDI) ou celle-ci peut être transmise par clé usb.
  • On peut ouvrir l’application via un smartphone (après installation de l’application gratuite Geogebra)

Accès au moodle :

  • Une connexion internet est indispensable.
  • Si l’élève n’a pas de connexion, on peut lui conseiller de se rendre au CDI, de rendre le travail par clé USB ou sur papier (ces deux dernières méthodes ne permettent cependant pas un suivi du professeur durant l’élaboration du bilan.)
  • Si la classe ne dispose par d’espace moodle, le professeur peut créer un « google document » pour chaque groupe de TP (il faut cependant disposer des adresses mail des élèves).

Remarque : sur le simulateur dans la situation avec frottements, il est possible que l’énergie
mécanique diminue puis ensuite augmente. On est confronté aux limites de la simulation
numérique (méthode d’Euler). Pour résoudre ce problème, on peut augmenter la durée du pas mais cela alourdi considérablement la taille du simulateur.

Retour sur expérience
  • Seule une poignée d’élèves n’avaient pas fait le travail en amont de la séance de TP.
  • Gain de temps considérable en début de séance de TP.
  • Élevés autonomes (grâce notamment à une bonne maîtrise du logiciel utilisé).
  • Forte adhésion des élèves à la situation problème.
  • Bonne implication implication de l’ensemble des élèves dans l’expérimentation.
  • Bonne compréhension de l’ensemble des élèves. Ils ont notamment facilement compris l’intérêt de passer par une étude énergétique pour étudier une situation avec frottements après explication par le professeur de la difficulté de modéliser la force de frottements pour l’introduire dans les lois de Newton.

Point « négatif » :
Peu d’implication de la part des élèves pour la rédaction du rapport en ligne, deux raisons majeures :
→ élèves en retard dans le travail personnel.
→ élèves qui n’ont pas l’habitude de faire ce type de rapport en ligne.

Dernière version : 1 mai 2016

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