Le mystère de la licorne.

 En comparant la situation 1 et la situation 5 cela vous paraît-il vraisemblable ? Justifier votre réponse.  La masse de la poutre ne changera pas qu’il la soulève à mains nues ou avec un drap ; la force qu’il exerce sera la même ; donc ce n’est pas possible.  Non, cela ne me paraît pas vraisemblable car la force n’a pas changé d’intensité mais seulement de direction.  Oui, car en soulevant comme dans la situation 1, on exerce une force sur la tête de la poutre qui n’est pas suffisant. Ton disque (tandis que) la situation 5 le drap est attaché au milieu du poutre ; en exerçant une force sur le drap, le drap exerce une autre sur le poutre, ce qui fait …  La situation est invraisemblable car qu’il soulève la poutre à mains nues ou par l’intermédiaire d’un anneau avec un drap la masse soulevée par Tintin est toujours la même. La force qu’il exerce dans les sens (2 cas) est la même, il aurait pu y arriver avec un système de 2 ou 3 poulies.  Oui, l’image 1 il essaie à un bout de la poutre alors qu’à la 5 il met sa force au centre de la poutre.  Non, cela n’est pas vraisemblable car s’il n’arrive pas à soulever la poutre à mains nues, il n’arrivera pas à la soulever avec les draps. Et en plus, je vois pas comment il peut passer le drap dans l’anneau.  Oui la situation me parait vraisemblable cela donne à peu près le même effet qu’une poulie et c’est donc plus facile pour lui de porter cette poutre dans la situation 5. Dans la situation 1 il porte sans aide c’est donc plus difficile.  Oui cela me parait vraisemblable car une force est ajoutée par rapport à l’image 1. Dans 1 la force musculaire de Tintin, et le poids de la poutre. Dans 5 le poids de la poutre, la force de Tintin, la force de l’anneau.  Non car si il ne peut la soulever au 1, il n’y arrivera pas plus au 5.  Non cela me paraît impossible. Dans la situation 1 il dit « impossible, je puis à peine soulever la poutre » et dans la situation 5 il a réussi à passer le drap. Donc cela me paraît infaisable.  Non cela me paraît invraisemblable car le drap aura un frottement trop important sur l’anneau, situé plus haut.  Oui cela me paraît possible. Dans la situation 1 il essaie de soulever la poutre avec la force de ses bras et de ses jambes. Dans la situation 5, il soulève la poutre avec la force de son corps (son poids). Il fait un mouvement de contre force (Au début, il tire vers le haut pour soulever la poutre et à la fin il tire vers le bas, à l’aide de draps). Il semblerait que la seconde méthode (qui est possible) est la plus efficace.  Cela me paraît vraisemblable car dans la situation 1, il a tout le poids du morceau de bois qui repose sur lui ; tandis qu’à la situation 5 il se sert de l’anneau ; donc il s’en sert comme un système de poulie, ce qui va lui répartir le poids du morceau de bois.  Oui c’est vraisemblable car c’est plus facile de soulever un solide avec un système de tire, car tintin met tout son poids pour soulever le solide.  Cela est vraisemblable car le personnage sur la figure 1, il exerce une action de force vers le haut. Sur l’image 5 le personnage exerce une action de force vers le bas, ce qui fait qu’il a plus de force pour soulever le solide {S} (la poutre).  Cela parait vraisemblable, le point d’application se trouve au milieu de la poutre, l’anneau diminue l’effort à fournir.  Dans la situation 1, il essaie de soulever la poutre avec sa force ; tandis que dans la situation 5 il utilise son poids pour créer une force qui attire la poutre vers le haut.  C’est vraisemblable car porter une poutre en faisant levier est beaucoup plus facile que sans corde, cela nécessite moins d’efforts. La force est changée de sens par l’anneau donc il a juste à s’accrocher au drap de tout son poids pour lever la poutre (il faut que la poutre soit plus légère que celui qui est suspendu au drap).

PROBLÉMATIQUE.

Tintin n’arrive pas à soulever la poutre en la tenant à une extrémité. Attachée et tirée, la poutre est amenée sous un anneau Il arrive à soulever la poutre grâce au drap et à l’anneau ; le drap est attaché au milieu de la poutre.  Débat entre les élèves (avec la totalité des réponses) Comparaison entre les situations 1 et 5 (ressemblances et différences) – Le poids de la poutre n’a pas changé – On n’exerce pas la force au même endroit. – Soulever une poutre … – Système haltérophile, il y a plus de poulies. C’est la même situation. (dans ce cas l’élève considère que Tintin saute dans la situation 5 comme un haltérophile ? ? ?) – Il met tout son poids en 5, c’est pour cela qu’il y arrive Enseignant : En s’arc-boutant, Tintin, utilise les muscles de ses bras et de ses cuisses pour soulever la poutre ; il est donc possible que dans la situation 1 la force exercée par Tintin soit plus importante que dans la situation 5 – L’intensité de la force est plus importante en tirant vers le bas qu’en soulevant. – Il y a plus de force en 5 qu’en 1 à cause de son poids, et la poulie augmente l’intensité de la force. – L’anneau permet juste le changement de direction de la force : anneau = poulie. Enseignant : votre camarade a raison si on se réfère au chapitre « Différents types de forces » (intérêt d’une poulie). Évidemment, on néglige le frottement du drap sur l’anneau. – Soulever la poutre à l’extrémité, revient à soulever « moins de poids » de la poutre. – En effet, c’est plus simple de soulever à une extrémité que par le milieu.  Analysons les situations 1 et 5 en terme de forces qui s’exercent sur la poutre. Situation 1 Inventaire des actions qui s’exercent sur la poutre : – action de la terre sur la poutre en G – action de Tintin sur la poutre en A – action du sol sur la poutre en O action nature Dir. Sens À distance répartie De contact ponctuel De contact ponctuel Situation 5 Inventaire des actions qui s’exercent sur la poutre : – action de la terre sur la poutre en G – action du sol sur la poutre en O – action de Tintin sur la poutre en A action nature Dir. Sens À distance répartie De contact ponctuel De contact ponctuel On considère que l’anneau fait office d’une poulie simple et que le drap transmet intégralement l’action de Tintin. De plus le point d’application A est très proche du point G. □ Modélisation : Poutre  barre à trou + masse au milieu (afin d’alourdir la barre) Tintin Dynamomètre Sol  axe aimanté fixé au tableau métallique II- ÉTUDE EXPÉRIMENTALE : Objectif : Pour l’équilibre réalisé (montage 2), chaque groupe compare l’effet de rotation du poids du système à celui de la force exercée par le dynamomètre. a) Montages expérimentaux Montage n°1 : A l’aide du dynamomètre, On mesure le poids de la barre. P1 = … 0,3 N ou 0,4 N … Montage n°2 : Réaliser le montage ci-contre , Le système doit être en équilibre (immobile). □ Noter les valeurs des distances OG = ………. et OA = ………. □ À l’aide d’un rapporteur, noter les valeurs des angles :  = ….. et  = ……. □ Déterminer la valeur P du poids du sytème : On note P1 la valeur du poids de la barre et P2 celle du poids du solide P = P1 + P2 P = 1,3 N ou 1,4 N…. □ Noter la valeur F de la force exercée par le dynamomètre : F = …………. N b) Bilan des forces □ Action de la terre sur le système {Barre ; Solide} : □ Action du dynamomètre {D} sur le système {Barre ; Solide} : □ Action de l’axe de rotation sur le système {Barre ; Solide} : Représentons de manière qualitative, les forces qui agissent sur le système {Barre ; Solide}. La direction de est obtenue de telle manière que les directions des trois forces soient concourantes (une des conditions d’équilibre d’un solide en translation soumis à trois forces).

Cette séquence nécessite certains pré-requis : □ En sciences physiques – Équilibre d’un solide (en translation) soumis à plusieurs forces – Différents types de force (2) : le poids, poussée d’Archimède, force de contact (frottement), force de rappel d’un ressort et intérêt d’une poulie. □ En mathématiques – Trigonométrie dans le triangle rectangle. – Vecteurs. L’objectif de cette séquence est de mettre les apprenants dans une situation où ils doivent mobiliser des savoir et/ou des procédures déjà acquis (ou supposés l’être), pour résoudre un problème, et construire un nouveau concept. En conclusion, nous proposerons aux élèves une évaluation qui sous-tend les mêmes objectifs pédagogiques. Avertissement Cette séquence est un «patchwork » de cours réalisé avec plusieurs classes sur plusieurs années.  Le débat concerne la classe de BEP électronique (2002 – 2003). Les élèves ont mis en œuvre le montage et réalisé des mesures ; mais pour différentes raisons, sur lesquelles nous reviendrons par la suite, l’analyse et le traitement des mesures n’ont pu se faire.  La partie expérimentale et l’analyse des mesures ont été réalisées par les classes de BEP électronique et électrotechnique (1998 – 1999) et celle de BEP Bioservices (2000 – 2001). En ce qui concerne la classe de BEP Bioservices la démarche globale fut identique : Situation-problème  Modélisation et mise en œuvre expérimentale  construction du concept. Mais de manière plus condensée (les relations trigonométriques ont été écartées, nous avons utilisé une autre approche de la distance euclidienne entre la direction de la force et l’axe de rotation, de même les écarts entre les résultats ont été abordés autrement) et avec un peu plus de guidage de la part de l’enseignant. PROBLÉMATIQUE ET DÉBAT Même si Gagné (3) situe «la résolution de problèmes » au faîte de la hiérarchie des procédures d’apprentissage ; même si les obstacles des élèves résident dans la difficulté à appliquer ce qu’ils ont appris en cours quand il faut résoudre un problème (pour peu que ce problème s’écarte, même légèrement, des exercices résolus en classe) ou dans la difficulté à repérer les éléments pertinents d’un problème en adéquation avec leurs connaissances (selon S. Johsua et J. J. Dupin (4)), l’obstacle principal, selon notre expérience, est l’association étroite que font les apprenants entre la problématique et la connaissance, c’est à dire que les procédures formelles ou algorithmiques utilisées pour résoudre un problème ne peuvent s’appliquer qu’à ce dernier (à chaque problème sa solution unique). De manière plus évidente, après une séquence où l’on «construit »une connaissance (savoir, concept, notion …) et des procédures, lors des séquences d’application (résolution d’exercices) les élèves ne pensent même pas à ouvrir leur «cahier de cours ». Si on veut combattre cet obstacle bachlardien de consommation (plus on fait d’exercices, mieux on comprend le cours…), il faut utiliser alors des stratégies qui poussent les apprenants à se réapproprier leur cours. Mais il y a un prix à payer, entre autres, résoudre un exercice en une heure. L’utilisation de problématiques peut être l’un des points de départ dans l’interaction entre l’élève et son apprentissage ; selon Resnick(5) : « L’enseignement doit être conçu non pas pour mettre des connaissances dans la tête des élèves ; mais pour mettre des élèves dans les situations qui leur permettent de construire des connaissances structurées…». Le point de départ consiste à instaurer un doute dans l’esprit des apprenants ; en cela nous sommes en plein accord avec G. Bachelard sur la nécessité « .. d’une problématique antécédente à toute expérience qui se veut instructive, une problématique qui se fonde, avant de se préciser, sur un doute spécifique, sur un doute spécifié par l’objet à connaître … Le doute doit être appliqué à un objet, le doute en soi est inefficace…» (6). Nous précisons que le doute est spécifique à la problématique, non la solution. Dans cette séquence, il s’agit de mettre les élèves devant un récit «ludique » et quotidien (bande dessinée) ; de pousser les apprenants à avoir une attitude critique devant une information par l’image. L’idée est inspirée d’un ouvrage de Jean-Marc Lévy-Leblond (7). Dans la première étape, les élèves sont confrontés au document et doivent donner une réponse aux deux questions posées. La seconde étape consiste à recueillir toutes les réponses dans un document distribué aux élèves et débattre par la suite. Selon J. P. Astolfi, B. Peterfalvi et A. Vérin (8) le débat scientifique dans une classe est souvent dialogal et non dialogiste , car effectivement les échanges sont dus à des interventions successives et croisées d’interlocuteurs distincts (dialogal) ; mais reste monologique, dans la mesure où n’existe qu’une progression thématique unique (celle du maître), et non deux discours qui se confrontent (dialogiste). Mais ce qui ressort de ces expériences d’échanges et de dialogue entre les élèves, c’est que même la progression thématique unique reste difficile car l’enseignant est confronté à une attitude « égocentrique » de l’élève qui émet son idée et ne porte aucun intérêt à l’intervention précédente ; ce qui rejoint la théorie de J. Piaget (9) sur l’évolution et la construction des concepts chez l’enfant.