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et mouvement

Le principe d'inertie étudié pour les situations à 1 dimension - Exercices d' application. Activité 3. ..... Méc Séq2-Act2 Principe d'inertie I Exercices ? Corrigé  ...




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Force, masse
et mouvement




Auteurs: Christian Colongo, Christian Rouby

1. Objectifs généraux

Introduction

Des études, effectuées auprès d’enfants et d’adolescents concernant les représentations des mouvements, ont montré que les personnes interrogées considéraient que l’état “naturel” d’un corps est le repos et que le mouvement avait obligatoirement pour cause une force. Ainsi peuvent s’expliquer les erreurs fréquemment commises par les élèves qui associent au vecteur vitesse (représentant le mouvement d’un point) un vecteur force qui lui est colinéaire et qui varie comme lui. De plus, la masse, loin d’être perçue comme un coefficient d’inertie, est très souvent confondue avec le poids (force de pesanteur).


Objectifs généraux du module

Les objectifs de ce module sont :

Introduire les notions de vitesse et de force en étudiant différents types de mouvements de mobiles et les actions subies par ces derniers.
Différencier les notions de force et de vitesse, s’attaquer à l’adhérence entre ces deux notions en montrant que la force, modifiant le mouvement d’un mobile, ne suit pas la vitesse mais sa variation.
Etudier l’influence de la masse sur la variation de la vitesse d’un mobile, montrer que pour une action donnée, la masse limite la variation de la vitesse.



Progression
Séquence 1 : Mouvement et vitesse
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Objectifs spécifiques de la séquence 1
Caractérisation d'une grandeur descriptive du mouvement : la vitesse moyenne. Cette grandeur doit servir d'outil pour les séquences qui suivent.
Activités de la séquence 1
Première approche de la notion de vitesse.
Transformation d'unités de temps et de longueur, manipulation de la formule, résolution de problèmes et prédiction-interprétation de graphiques.
Séquence 2 : Principe d'inertie
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Objectifs spécifiques de la séquence 2
Dissociation des grandeurs force et vitesse. Si aucune force n'agit globalement sur un corps, alors sa vitesse est constante en intensité et en direction. Si la vitesse d'un corps change en intensité et/ou en direction, alors une force agit globalement sur le corps. Les réciproques sont également vraies.
Un mouvement plan peut être décomposé en deux mouvements indépendants dans deux directions perpendiculaires.
Activités de la séquence 2
Le principe d'inertie étudié pour les situations à 1 dimension.
Le principe d'inertie étudié pour les situations à 1 dimension - Exercices d'application.
Etude qualitative et quantitative du mouvement ascendant et descendant d'une balle lancée verticalement.
Le principe d'inertie cas général - action non colinéaire à la vitesse.
Le principe d'inertie cas général - Exercices.
Composition et indépendance des mouvements dans deux directions perpendiculaires.
Composition et indépendance des mouvements dans deux directions perpendiculaires - Exercices.
Séquence 3 : La masse, un coefficient d’inertie
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Objectifs spécifiques de la séquence 3
Bien souvent, les élèves attribuent la variation de la vitesse d’un objet uniquement à la force à laquelle l’objet est soumis. L’objectif de cette séquence est de faire découvrir aux élèves que cette variation dépend également de l’objet. La caractéristique qui intervient dans ce phénomène (inertie) sera identifiée à la masse de l’objet.
Les grandeurs proportionnelles ont tendance à être confondues (exemple: masse et volume); c'est le cas de la masse et du poids. Il y a donc lieu de faire une distinction nette entre les deux grandeurs.
La force de pesanteur a la particularité d'être proportionnelle à la masse de l'objet.
Activités de la séquence 3
Rôle de la masse dans la variation de la vitesse d'un objet.
Distinction entre masse et poids.

Commentaires à propos de la progression
Il importe de préciser que les objectifs du module de mécanique sont ambitieux (par rapport aux huit semaines à disposition) et que le temps est particulièrement compté. Il faudra donc ne viser que la réalisation des objectifs et ne pas hésiter à interrompre ou raccourcir toute activité mise au service d'un objectif considéré comme déjà atteint.
Nous avons choisi de ne pas aborder l'accélération d'un point de vue mathématique eu égard aux compétences mathématiques des élèves de 8ème et du temps à disposition.
Conventions.
Tout au long de cette progression, nous avons choisi de mettre en évidence les savoirs institutionnalisés (à connaître et savoir utiliser) en les faisant exclusivement figurer dans des cadres en traits plein. Les cadres en traits pointillés correspondent aux conclusions et synthèses intermédiaires et provisoires produites par les élèves.
Pour faire une distinction claire entre la vitesse d'un objet et les forces qu'il subit, nous avons choisi de représenter la vitesse par une flèche pointillée décalée de la trajectoire. Dans ce travail, lorsque nous parlons de la vitesse d’un objet, il s’agit toujours de la vitesse du centre d’inertie de l’objet : ce point n’étant pas un objectif du cours, nous avons donc réduit l’appellation pour les élèves. La vitesse de l’objet est donc, pour eux, la vitesse du centre de l’objet.
Dans tous les cas, le mobile est réduit à un point, décalé du schéma figuratif de la situation ; les forces (ou actions) sont représentées par des flèches dont l’origine est le point, dessinées en trait plein, précisant correctement la direction et le sens. L'intensité des forces n'est pas représentée à l'échelle, mais seulement en valeurs relatives des forces les unes par rapport aux autres.

Schéma heuristique de la progression proposée














Séquence 1: mouvement et vitesse

Durée totale de la séquence
3 x 45' (évaluation non comprise)
Eventuellement, 15' de plus si on donne des ex. à résoudre pour la leçon suivante.

Activité 1 Première approche de la notion de vitesse. (1 x 45 min.)

DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves45 minRaviver, concrétiser la notion intuitive de vitessePrésentation de la situation: « Qu'elle est la vitesse moyenne d'un TGV Genève-Paris? »  La fiche d'activité est seule distribuée. Le maître insiste sur le fait qu’il a du matériel à disposition qu’il ne donnera que sur demande écrite (discrète).1 feuille Méc Séq1-Act1 Travail de groupe format A3 par groupeL’enseignant joue le rôle d’animateur de débat au sein des groupes afin que les élèves arrivent à se poser les bonnes questions. Il ne juge pas de la qualité du raisonnement des élèves, mais met en évidence les éventuelles incohérences.Par groupe de 3-4, les élèves proposent un canevas de résolution, demandent le matériel qu'ils estiment nécessaire et proposent une solution qui sera présentée par un membre du groupe.1 feuille Méc Seq1-Act1 Horaire TGV Genève-Paris,
1 copie de carte de la France (incluant Genève) sans indication d’échellePrésentation rapide de la démarche par les groupes.Débat - institutionnalisation de la définition mathématique de la vitesse moyenne (voir rubrique savoirs institutionnalisés de la séquence)Le maître et les élèves écrivent les contenus institutionnalisés

Activité 2 Transformation d'unités de temps et de longueur, manipulation de la formule, résolution de problèmes et prédiction-interprétation de graphiques. (2 x 45 min.)

DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves20 minTransformation d'unités de longueur et de temps, Bref rappel: changement d'unités de longueur et de tempsLes élèves font les exercices1 feuille Méc Séq1 –Act2 – Exercices chgt d'unités – vitesse par élèveCorrectionParticipationMéc Séq1 –Act2 – Exercices chgt d'unités – vitesse – Corrigé45 minManipulation de formulePrésentation d'une technique mathématique pour permettre la transformation de formule. Par exemple, remplacement des lettres par des chiffres.
Présentation ou rappel des étapes de résolution d'un problème:
lecture de l'énoncé (restitution des éléments pertinents)
transcription des données et transformations d'unités
formule et transformation de formule
pose du calcul et résultat
réponse sous forme d'une phraseLes élèves font des exercices avec toutes les étapes de résolution d'un problème. Table des formules et valeurs numériques (rose)20 minLecture et prédiction de graphiquesIntroduction d'un modèle: les graphiques distance-temps et vitesse-tempsLes élèves produisent des graphiques à partir de situations données et interprètent des mouvements à partir de graphiques1 feuille Méc Séq1 –Act2 – Exercices graphique – vitesse par élèveCorrectionParticipationMéc Séq1 –Act2 – Exercices graphique – vitesse – Corrigé
Commentaires
L'enseignant donne des exercices à faire à la maison et les corrige (ou donne un corrigé) la leçon suivante. Il n'est pas possible de faire la totalité des exercices proposés ! Nous avons préféré laisser plus d’exercices que nécessaire afin que l’enseignant puisse faire son propre choix. Il peut également donner des exercices supplémentaires aux élèves qui auraient des difficultés et laisser les élèves se servir du corrigé pour leur autocorrection.
Ce qu'il faut retenir et savoir appliquer (savoirs institutionnalisés)
Pour déterminer par calcul la vitesse moyenne d’un véhicule ou d’un objet en mouvement, il faut connaître la distance d parcourue et la durée t du parcours.
Plus la durée d’un parcours est petite, plus la vitesse du mouvement est grande. Cela justifie une définition du type : vm = d/t.
L’unité (S.I) de vitesse est le mètre par seconde (m/s). Une autre unité fréquemment rencontrée est le kilomètre par heure (km/h).
Remarque : en se déplaçant à la vitesse de 1 m/s, on parcourrait 3600 mètres en une heure, soit 3,6 km.
Donc : 1 m/s = 3,6 km/h
Ordre de grandeurs de quelques vitesses : voir p. 50 de la T.F.V.N.
Vitesse de la lumière :
Vitesse du son dans l’air :
Compétences scientifiques mobilisées
Elaborer et transmettre oralement ou par écrit des informations, utiliser un modèle pour expliquer, prédire un phénomène
Description du dispositif d'évaluation
Evaluation "standard" sur ce type de sujet (non fournie).
Annexes
Méc Séq1-Act1 Travail de groupe
Méc Seq1-Act1 Horaire TGV Genève-Paris
Méc Séq1-Act2 - Exercices chgt d'unités – vitesse
Méc Séq1-Act2 - Exercices chgt d'unités – vitesse - corrigé
Méc Séq1-Act2 - Exercices graphique – vitesse
Méc Séq1-Act2 - Exercices graphique – vitesse - corrigé

Séquence 2: Principe d'inertie

Durée totale de la séquence
8 x 45' (évaluation non comprise)

Activité 1 Le principe d'inertie étudié pour les situations à 1 dimension. (1 x 45 min. + 15 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves60 minUn objet qui ne subit globalement aucune force, conserve sa vitesse. Mise en évidence du frottement sur les mouvements du quotidienLe maître distribue le documentPar groupe de 3, les élèves répondent à la première question. A disposition divers objets roulants, tournant plus ou moins bien. Chaque groupe énonce sa ou ses réponses et justifie.1 feuille Méc Séq2-Act1 Principe d'inertie I – Elèves par élève, divers objets roulants et tournants plus ou moins bien, dont billes, cylindres, et blocs (rugueux, lisses, etc.) par groupeCorrection-débat. L’enseignant note les réponses des élèves au tableau.
Exemple : on pousse la bille, on souffle par derrière, on crache de l’eau par derrière.
Suite au débat, la correction est notée sur les feuilles.Méc Séq2-Act1 Principe d'inertie I – CorrigéLes élèves répondent à la deuxième question. Chaque groupe énonce sa ou ses réponses et justifie.Correction-débat. L’enseignant note les réponses des élèves au tableau. Exemple : elle s’arrête toute seule, on agit dans le sens contraire, ça frotte, ça dépend du poids. L’enseignant montre plusieurs objets dont les frottements sont minimes : toupie, objet tournant sur la tête d’une aiguille, rail à coussin d’air, etc… Les élèves ont toujours les divers objets roulants et tournants à disposition.
Il explique ensuite que sur Terre, on ne peut jamais s’affranchir complètement des frottements, mais pour que nos raisonnements sur les effets que peuvent avoir les actions sur un corps, il est nécessaire de réduire le frottement au minimum. Nous verrons plus tard le fait que le frottement puisse être moteur dans certains cas. Suite au débat, la correction est notée sur les feuilles, ainsi que le dessin.Les élèves notent la conclusion dans leur cahier.Méc Séq2-Act1 Principe d'inertie I – Corrigé
Maître: toupie, objets tournants sur la tête d'une aiguille, gyroscope, roue de Maxwell, rail à coussin d'air, ressorts en oscillation, glaçon.
Activité 2 Le principe d'inertie étudié pour les situations à 1 dimension - Exercices d'application. (1 x 45 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves45 minUtiliser le principe d'inertie dans des situations réductibles à une dimensionLe maître peut montrer la situation aux élèves dans les limites du matériel disponible avant de leur faire résoudre.Les élèves répondent individuellement aux questions choisies par le maître.1 feuille Méc Séq2-Act2 Principe d'inertie I - Exercices par élèveCorrection. Le maître peut également proposer aux élèves d'inventer une nouvelle situation et de l'analyser (que le maître corrigera à domicile par exemple)Les élèves prennent note de la correction.Méc Séq2-Act2 Principe d'inertie I Exercices – Corrigé
Commentaires
Il n'est pas possible de faire la totalité des exercices proposés (compter 3-4 situations en 45 minutes)! Nous avons préféré laisser plus d’exercices que nécessaire afin que l’enseignant puisse faire son propre choix. Il peut également donner des exercices supplémentaires aux élèves qui auraient des difficultés et laisser les élèves se servir du corrigé pour leur autocorrection Pour ne pas perdre trop de temps à la correction, l'enseignant peut également donner le corrigé informatisé de certains exercices après en avoir discuté en classe. Certaines situations peuvent faire l'objet de devoirs à domicile pour la leçon suivante.
Dans le cas de classes performantes, on pourra également rajouter dans les situations à interpréter le cas d'un objet flottant, suivi d'une bille qui tombe à vitesse constante et, enfin, touchant le fond d'une récipient. Ces situations font intervenir la force d'Archimède que les élèves seront amenés à introduire sans en étudier les caractéristiques.

Activité 3 Etude qualitative et quantitative du mouvement ascendant et descendant d'une balle lancée verticalement. (1 x 45 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves45 minLa montée et la chute d'une balle sont deux phases d'un même mouvement interprétable à l'aide du principe d'inertie. Vérification expérimentale de cette interprétation sur la base de photos. A force constante, la variation de vitesse est constante au cours du temps (mouvement unidirectionnel).Le maître distribue les feuilles, montre la situation à analyser et fait prévoir le mouvement de la balle par élève.1 feuille Méc Séq2-Act3 Montée et chute de balle – Exercices par élève, Le maître insiste sur le fait que la fiche contient toutes les informations et donc qu'il n'est pas sensé répondre aux questions. Il peut aider les élèves qui auraient de la peine à voir comment calculer la vitesse moyenne de la balle entre deux photos et également au niveau de la réalisation du graphique (axes, graduations, etc.).Par groupe de 2-3, effectuent les tâches demandées dans la fiche.1 jeu de photos Méc Séq2-Act3 Montée et chute de balle – Photos par groupe d'élèves
1 feuille de papier millimétré par groupeDiscussion – interprétation de la montée et chute d'une balle. Le maître insiste sur le fait que, par l’application de la force du bras, la balle a acquis une vitesse et non pas une force ; la vitesse caractérise le mouvement de la balle ; une force correspond toujours à l’action d’un objet extérieur et cesse dès que cette action s’arrête.
Distribution de l'interprétation de ce mouvement.1 feuille Méc Séq2-Act3 Montée et chute - Institutionnalisation par élève
Commentaires
L'activité 3. Est une activité de vérification de l'utilisation correcte du principe d'inertie. Il y a lieu de mesurer le degré de pertinence des explications fournies par les élèves. Cette activité peut donc faire l'objet d'une évaluation formative.
Lors de cette activité, l'élève est amené à calculer la vitesse de la balle sur la base des distances parcourues sur la photo et non pas sur la base des distances réelles. Nous avons fait ce choix pour gagner du temps et en tenant compte du fait que les vitesses réelles sont proportionnelles à celles calculées par l'élève et ne modifient en rien les conclusions que l'on peut en tirer. Pour ceux qui voudraient faire calculer les vitesses réelles, la photo avec la table de 0.72 [m] permet d'établir l'échelle de correspondance.

Activité 4 Le principe d’inertie cas général – action non colinéaire à la vitesse. (1 x 45 min. + 15 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves60 minGénéralisation du principe d'inertie.
Distribution de la feuille et du matériel.Par groupe de 3 trois les élèves répondent à la première question. Ils ont à disposition du papier, des billes et de la ficelle. Chaque groupe énonce sa ou ses réponses et justifie.1 feuille Méc Séq2-Act4 Principe d'inertie II - Elèves par élève. Par groupe, des billes, boulons, papier, ficelle. A disposition sur demande : aimant, fœhn.Correction-débat. L’enseignant note les réponses des élèves au tableau.
Exemple : on ne peut pas ! Il faut pousser la bille de côté, il faut lui attacher une ficelle.Méc Séq2-Act4 Principe d'inertie II – CorrigéSuite au débat, la correction est notée sur les feuilles. Les élèves répondent à la deuxième question. Chaque groupe énonce sa ou ses réponses et justifie.La vitesse est tangente à la trajectoireCorrection par l’exemple. L’enseignant montre le mouvement d’une bille lors d’un virage dont le point de sortie peut varier. Il définit le terme de tangente et fait découvrir que pour satisfaire le principe d’inertie, le bille ne peut avoir une vitesse que tangente à la trajectoire. Il montre dans le cas d’un mouvement circulaire uniforme que la force est perpendiculaire à la trajectoire.Maître: virage réglable (segmenté)






Ecrou attaché à une ficelle fixée sur l'axe d'un moteur ou écrou attaché à un filLes élèves notent les constats établis par la classe et débattus (les trois encadrés de la feuille).Méc Séq2-Act4 Principe d'inertie II – CorrigéInstitutionnalisation du premier principe (dans sa globalité). Distribution de la feuille aux élèves.1 feuille Méc Séq2-Act4 Enoncé du principe d'inertie – Elèves par élève

Activité 5 Le principe d'inertie cas général - Exercices. (30 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves30 minUtiliser le principe d'inertie dans des situations quelconquesLe maître choisit des situations à faire analyser par les élèves. Si c'est possible, il montre la situation en classe (expérience, film, etc.) avant de laisser les élèves travailler seuls.1 feuille Méc Séq2-Act5 Principe d'inertie II - Exercices par élève ou d'autres situations choisies par le maîtreLes élèves répondent aux questionsCorrection.Méc Séq2-Act5 Principe d'inertie II – Exercices – CorrigéCommentaires
Il n'est pas possible de faire la totalité des exercices proposés (compter 3-4 situations en 45 minutes)! Nous avons préféré laisser plus d’exercices que nécessaire afin que l’enseignant puisse faire son propre choix. Il peut également donner des exercices supplémentaires aux élèves qui auraient des difficultés et laisser les élèves se servir du corrigé pour leur autocorrection Pour ne pas perdre trop de temps à la correction, l'enseignant peut également donner le corrigé informatisé de certains exercices après en avoir discuté en classe. Certaines situations peuvent faire l'objet de devoirs à domicile pour la leçon suivante.

Activité 6 Composition et indépendance des mouvements dans deux directions perpendiculaires. (1 x 45 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves45 minComposition et indépendance des mouvements dans deux directions perpendiculaires.Le maître montre la situation à l'aide d'une bille, d'un cube, et/ou d’un objet quelconque.1 feuille Méc Séq2-Act6 Mouvement parabolique - Photos, 1 feuille de papier millimétré et 1 acétate vierge par élève
Maître: une bille ou un cube, etc.Les élèves produisent individuellement un relevé cumulé sur acétate des positions de la bille (parabole).Le maître indique qu'il faut dissocier les directions verticales et horizontales de ce mouvement pour le comprendre. Il fait mesurer les écarts verticaux et horizontaux. Le maître demande aux élèves de caractériser et d’interpréter les mouvements horizontal et vertical grâce au principe d’inertie.Les élèves font le travail demandé par écrit. Débat sur l'interprétation du mouvement de la balle selon les deux directions.
Conclusion. Dans le cas étudié, la force qui agit est la force de pesanteur (frottements négligés). Celle-ci étant verticale et constante. Cette force ne peut modifier que le mouvement vertical avec un changement régulier de la vitesse dans cette direction.
Le mouvement horizontal lui n’est pas modifié. La vitesse dans cette direction doit rester constante.
Un mouvement à vitesse constante composé avec un mouvement perpendiculaire uniformément accéléré produit une trajectoire qu'on appelle parabole.
Les élèves prennent note de la conclusion ou le maître distribue un document de cette conclusion.

Activité 7 Composition et indépendance des mouvements dans deux directions perpendiculaires - Exercices. (1 x 45 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves45 minUtiliser la décomposition des mouvement sur deux axes pour interpréter des situations. Le maître distribue la feuille.1 feuille Méc Séq2-Act7 Lâcher de balle à vélo - Elèves par élèvePar groupe de 3-4, les élèves répondent à la question et justifient.Le maître note un condensé de l'avis de chaque groupe au tableau.Un élève par groupe exprime oralement la réponse argumentée retenue par le groupe.Les élèves sont placés autour d'une table. Le maître montre les images de la situation. Discussion.
L'interprétation retenue est écrite sur la feuille. 1 feuille Méc Séq2-Act7 Lâcher de balle à vélo – Photos par élève, Méc Séq2-Act7 Lâcher de balle à vélo – CorrigéLe maître montre et décrit le dispositif puis demande aux élèves de prévoir laquelle des deux billes touchera le sol en premier. La réponse doit être justifiée. 1 dispositif créateur de deux mouvements simultanés vertical et parabolique

Individuellement, les élèves produisent une réponse justifiée.Le maître récolte les productions des élèves en vue d'une évaluation formative. Il effectue l'expérience, la commente et s'assure que l'ensemble des élèves a compris les explications (reformulation de l'explication par des élèves pris au hasard).Commentaires
L'activité 7. sur le lâcher de la balle à vélo peut faire l’objet d’extensions :
On peut demander aux élèves de faire un graphique de la position en fonction du temps et de le comparer avec celui obtenu pour la chute simple d’une balle.
On peut également demander aux élèves de calculer la vitesse verticale moyenne entre deux images et comparer, par exemple, cette vitesse moyenne avec celle obtenue sur la même distance pour la chute (simple) d’une balle (voir Séquence 2, activité 3).
Temps entre chaque image : 0.04 seconde. - Distance entre les axes du vélo : 1.08 mètre.
Ce qu'il faut retenir et savoir appliquer (savoirs institutionnalisés)
Le principe d'inertie.
Pour un mouvement unidirectionnel à force constante, la variation de vitesse du mobile est constante au cours du temps.
La vitesse est à tout instant tangente à la trajectoire.
Un mouvement plan doit être décomposé selon deux directions perpendiculaires pour être interprété convenablement au moyen du principe d'inertie qui s'applique indépendamment dans chacune des directions.
Compétences scientifiques mobilisées
formuler une hypothèse, proposer une expérience : susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse et répondant à un problème précis, observer un phénomène, effectuer un relevé de mesures
exprimer un résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions expérimentales, analyser des résultats expérimentaux, les confronter à des résultats théoriques, élaborer et transmettre oralement ou par écrit des informations, utiliser un modèle pour expliquer, prédire un phénomène, valider, affiner, adapter un modèle
Description du dispositif d'évaluation
Trois évaluation sont proposées. La première (Méc Séq2 Evaluation I) sert d’évaluation formative. La seconde d’évaluation sommative (Méc Séq2 Evaluation II). La dernière, enfin, peut servir d’épreuve supplémentaire ou d’épreuve de rattrapage.
Annexes
Méc Séq2-Act1 Principe d'inertie I - Elèves
Méc Séq2-Act1 Principe d'inertie I - Corrigé
Méc Séq2-Act2 Principe d'inertie I - Exercices
Méc Séq2-Act2 Principe d'inertie I - Exercices - Corrigé
Méc Séq2-Act3 Montée et chute de balle - Exercices
Méc Séq2-Act3 Montée et chute de balle - Photos
Méc Séq2-Act3 Montée et chute - Institutionnalisation
Méc Séq2-Act4 Principe d'inertie II - Elèves
Méc Séq2-Act4 Principe d'inertie II - Corrigé
Méc Séq2-Act4 Enoncé du principe d'inertie - Elèves
Méc Séq2-Act5 Principe d'inertie II - Exercices
Méc Séq2-Act5 Principe d'inertie II - Exercices - Corrigé
Méc Séq2-Act6 Mouvement parabolique - Photos
Méc Séq2-Act7 Lâcher de balle à vélo - Elèves
Méc Séq2-Act7 Lâcher de balle à vélo - Elèves - Corrigé
Méc Séq2-Act7 Lâcher de balle à vélo - Photos
Méc Séq2 Evaluation I
Méc Séq2 Evaluation II
Méc Séq2 Evaluation III

Commentaires à propos de la séquence
Dans les situations où l'on représente les forces, on réduit le mobile à un point, décalé du schéma figuratif de la situation. Les forces ou actions sont représentées par des flèches en traits pleins dont l'origine est le point. Si des forces se compensent, elles doivent être représentées par des flèches de même longueur. Toute force apparaissant sur le schéma doit avoir une origine physiquement explicable, doit pouvoir être identifiée clairement et être abrégée de façon standard. Nous avons laissé à chacun le soin de choisir des abréviations (Fp pour force de pesanteur, Ffr pour frottement, etc.) : c’est la raison pour laquelle le nom des forces n’est pas abrégé dans les documents d’accompagnement destinés aux enseignants.
La vitesse est représentée par une flèche en pointillé, parallèle au mouvement (il est indispensable de séparer les deux représentations pour éviter l'amalgame entre vitesse et force).
Séquence 3: La masse, un coefficient d’inertie

Durée totale de la séquence
2 x 45'

Activité 1 Rôle de la masse dans la variation de la vitesse d'un objet. (1 x 45 min. + 15 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves60 minRéaliser que la force, seule, ne suffit pas à expliquer la modification de vitesseLe maître montre deux objets et les pèse. Il pose la question suivante : « Les deux objets abandonnés ensemble vont-ils toucher le sol en même temps ? Sinon, lequel arrive avant l’autre. Réponse avec justification.»Deux objets de masses très différentes (ex. craie et boule d’acier), une balanceIndividuellement, courte réflexion et production d’une réponse. Le maître interroge les élèves et fait la synthèse des réponses qu’il écrit au tableau.Les élèves prennent note de cette synthèse.Le maître pose la question : « Lors de la chute, la vitesse des objets sera-t-elle constante ou variable ? »Si certains élèves répondent que la vitesse est constante, le maître fait produire un schéma des forces. Conclusion, la vitesse doit varier (mais on ne vérifie pas maintenant)Réponse orale des élèvesLe maître lâche les deux objets de la même hauteur et fait constater la chute identique. Il pose la question : « Que peut-on en conclure ? » Par groupe de 3-4, les élèves formulent des hypothèses qu’ils écrivent en gros sur une feuille.Feuilles A3 viergesUn élève par groupe vient présenter les hypothèses du groupe.Suite à un débat, on retient ou abandonne certaines hypothèses. On arrive à la conclusion qu’un élément autre que la force intervient dans la variation de la vitesse.Le maître dit : « Nous allons étudier tout ce qui peut intervenir dans la modification de la vitesse d’un objet. Proposez une expérimentation qui permettra d’expliquer cette variation de vitesse.»Par groupe de 3-4, production de plan d’expérimentation avec liste de matériel nécessaireLe maître passe auprès de chaque groupe et met en évidence les éventuelles incohérences des raisonnements ou conclusions. Il ne dit pas aux élèves s’ils font un raisonnement juste ou faux, mais les amène éventuellement à s’interroger.Expérimentation et production de conclusion(s) sur feuille A3Lanceurs de projectiles réglables, divers objets, dynamomètres, rail à coussin d’air, +…
Feuilles A3Présentation orale des conclusions par un membre de chaque groupe. Les feuilles A3 sont affichéesLe maître recense les résultats admis par tous les groupes et, éventuellement, élimine par le débat ou la preuve expérimentale, les énoncés scientifiquement faux. Il propose ensuite des démonstrations expérimentales de la double influence de la force, mais aussi de l’objet lui-même. Sur le rail à coussin d’air, il propulse des objets de masse différente avec une même force, ainsi que des objets de même masse avec des forces différentes. Il calcule la vitesse acquise par les objets en fin de rail et fait constater aux élèves qu’à force double, la vitesse varie deux fois plus vite et qu’à masse double la vitesse varie deux fois moins vite. Conclusion : non seulement la force, mais également la masse (en kg) intervient dans la variation de la vitesse. De plus, la variation de la vitesse est proportionnelle à la force (si je double la force, je double la variation de vitesse) et inversement proportionnelle à la masse (si je double la masse, je divise la variation de vitesse par deux)Cette conclusion est notée dans un encadré ou sera distribuée aux élèves à la fin de cette activité (voir ci-dessous).A la lumière de cette conclusion, une discussion est lancée sur l’interprétation de la chute identique des deux objets de masses différentes.On aboutit à une caractérisation du phénomène particulier de gravitation : les deux objets ont eu une variation de vitesse identique à tout instant, car l’objet subissant la plus grande force était aussi celui qui était le plus difficile à mettre en mouvement ; tandis que l’objet subissant la plus petite force était celui qui était le plus facile à mettre en mouvement. La force de pesanteur doit être proportionnelle à la masse, les effets de l’un et de l’autre se compensent et les deux objets tombent ensemble.Cette conclusion est notée dans un encadré ou est distribuée aux élèves (le document contient les deux conclusions de cette activité).Eventuellement1 feuille Méc Séq3-Act1 Institutionnalisation par élèveFacultatifSi le temps et le niveau de la classe le permet, on peut aller jusqu’à mettre en évidence que la variation de la vitesse est proportionnelle au rapport F/m et donc les deux objets ont le même rapport F/mCommentaires
Dans cette activité, on se place dans des cas de chutes d'objets pour lesquelles la force de frottement et la force d'Archimède peuvent être négligées; le but n'étant ici que d'étudier la force de pesanteur.

Activité 2 Distinction entre masse et poids. (30 min.)
DuréeObjectifsDéroulementMatérielMaîtreElèves30 minSe doter d’une définition de la masse qui permette de bien faire la différence entre la masse d’un objet et le poids.Le maître pose la question suivante : "si vous étiez astronautes, en situation d’apesanteur, comment les objets qui vous entourent vous apparaîtraient-ils du point de vue :
de leur poids ?
de l’effort à fournir pour leur mise en mouvement ?
Par groupe de trois produisez sur une feuille A4 et sur la base de ce que vous avez déjà vu, des propositions de description et d’interprétation" Les élèves répondent aux questions.Discussion – correction.
Une définition du poids et de la masse est institutionnalisée (voir ci-dessous).Ce qu'il faut retenir et savoir appliquer (savoirs institutionnalisés)
Il y a lieu de faire une distinction entre la masse et le poids (force de pesanteur) d'un objet.
Le poids d'un objet est la force avec laquelle il est attiré par la Terre (ou tout autre planète); il se mesure donc en newton. Un objet loin de toute planète est en état d'apesanteur et a par conséquent un poids nul. Selon le sens du mouvement, un poids peut être moteur (en descente) ou résistant (en montée) vis à vis du changement de vitesse.
La masse d'un objet est une propriété en relation avec la facilité plus ou moins grande à modifier sa vitesse. Contrairement au poids, la masse est toujours résistante au changement de vitesse quel que soit son sens. Définition: la masse d'un objet est la résistance qu'il oppose à tout changement de sa vitesse.
Elle ne change pas selon le lieu et se mesure en kilogramme.
Compétences scientifiques mobilisées
formuler une hypothèse, observer un phénomène, analyser des résultats expérimentaux, élaborer et transmettre oralement ou par écrit des informations, utiliser un modèle pour expliquer, prédire un phénomène, valider, affiner, adapter un modèle
Description du dispositif d'évaluation

Annexes
Méc Séq3-Act1 Institutionnalisation
Commentaires à propos de la séquence
Si le temps le permet, une approche historique de la loi de la gravitation universelle pourrait être présentée et articulée en parfaite cohérence avec le travail de cette 3ème séquence.








Groupe-pilote Cours de physique-chimie 2000-2001
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 FILENAME Module Force masse et mouvement


Séquence 1
concept de vitesse



Séquence 2
principe d’inertie
Modification de la vitesse ( Action d’une force
(la négative est également vraie)

Décomposition d'un mouvement plan selon 2 directions perpendiculaires

Séquence 3
La masse, un coefficient d’inertie

La masse limite la variation de la vitesse
La force de pesanteur est proportionnelle à la masse


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