Une approche sensible de l’énergie mécanique

, par Jérôme Beaudet

Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles s’inscrivant dans le projet national TraAM 2021-2022 dont la thématique est :


Utiliser le numérique pour mettre en œuvre un enseignement hybride


Aller à la page nationale des TraAM.



Professeur expérimentateur

  • Jérôme Beaudet
  • Collège Paul-Éluard – Châtillon (92)

Niveau - Thèmes

  • Collège / Lycée
  • 3e ou Seconde
  • Thème : L’énergie, ses transferts et ses conversions

Introduction

Contenus disciplinaires

  • Notions et contenus : Les formes d’énergie, en particulier l’énergie cinétique et l’énergie potentielle (dépendant de la position). Les transferts et conversions d’énergie. L’étude de mouvements. La notion de vitesse.
  • Compétences exigibles : Conversion d’une forme d’énergie en une autre (énergie potentielle en énergie cinétique). Exploiter l’expression littérale de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle.
  • Capacités numériques (peuvent varier selon les possibilités matérielles) : prises de vues, utilisation d’une application de pointage, rédaction numérique d’un compte rendu illustré.

Compétences

  • Pratiquer des langages (domaine 1) : Utiliser la langue française, à l’écrit comme à l’oral, en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.
  • S’approprier des outils et des méthodes (domaine 2) : Planifier une tâche expérimentale, garder des traces des étapes suivies et des résultats obtenus.
  • Pratiquer des démarches scientifiques (domaine 4) : Trouver les paramètres d’une expérience. Faire des observations complètes. Tirer des conclusions à partir des observations faites.

CRCN - Compétences Numériques

  • Domaine 1 — Information et données (Mener une recherche d’information ; Traiter des données)
  • Domaine 3 — Création de contenus (développer des documents multimédia)
  • Domaine 5 — Environnement numérique (Évoluer dans un environnement numérique)

Objectif(s) pédagogique(s)

  • Mieux se représenter les notions d’énergie potentielle et d’énergie cinétique.
  • Comprendre que les mouvements peuvent être étudiés avec une approche et un vocabulaire - acquis depuis la Sixième - spécifiquement liés aux mouvements (vitesse, mouvement relatif, mouvement accéléré, uniforme, ralenti…), mais qu’on peut aussi les étudier en utilisant l’approche des conversions d’énergie (en particulier énergie potentielle, énergie cinétique, et énergie thermique quand on tient compte des frottements).
  • Prendre conscience de la contradiction entre des perceptions subjectives et les données objectives (perception des distances et de la vitesse par exemple, selon sa propre vitesse).
  • Comprendre qu’il est possible de faire un lien entre des domaines scientifiques apparemment distincts : l’étude de mouvements, l’étude des échanges d’énergie d’un système, l’étude des actions mécaniques.

Objectifs disciplinaires et/ou transversaux

  • Identifier, puis connaître, des facteurs dont dépendent l’énergie cinétique et l’énergie potentielle (d’abord la masse et l’altitude pour cette dernière, puis le lien sera établi avec la gravité une fois celle-ci abordée).
  • Utiliser les expressions littérales de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle pour aborder des notions de sécurité routière en effectuant des calculs.

Description de l’activité

L’activité se découpe en quatre temps principaux. Les activités à distance sont faites sur la plateforme Éléa.

  • Partie 1 (en classe) — 2h  : On a au préalable défini l’énergie cinétique, dans un premier temps comme une "énergie liée au mouvement", et l’énergie potentielle, comme une énergie acquise du fait de sa position, et qui peut être convertie (en partie au moins) en énergie cinétique — par exemple lors d’une chute ou d’une descente de toboggan.
    Premier objectif : comprendre le principe de la conservation de l’énergie, lors d’un mouvement sans frottements — et la nature de l’énergie "perdue" en cas de frottements. Exemple du skate park.

    Second objectif : découvrir les paramètres dont dépendent l’énergie cinétique et l’énergie potentielle, à travers l’observation de chutes libres de différents objets, à l’aide d’un outil numérique (caméra au ralenti + logiciel ou application de pointage) :

    • chute libre de deux objets rigoureusement identiques, depuis deux hauteurs différentes.
    • chute libre, depuis la même hauteur, de deux objets de même taille mais de masses différentes (comme dans l’illustration ci-dessous : les deux biles ont à peu près le même diamètre, mais pas du tout la même masse).
      Étude de chutes libres
      Document élève avec proposition de correction.

      Illustration :

    • On conclut que l’énergie cinétique d’un objet dépend de sa vitesse, et de sa masse (par l’observation de la taille des cratères, la mesure de masse, et l’évaluation de la vitesse à l’arrivée par la chronophotographie). Et que l’énergie potentielle (égale au départ à la valeur d’arrivée de l’énergie cinétique) dépend de la masse et de l’altitude.
  • Partie 2 (à distance) : Consolidation des découvertes de la séance, à travers l’analyse de différentes situations de mouvement : Comment évoluent l’énergie cinétique et l’énergie potentielle dans chacune des situations ?
    • une personne qui saute à l’élastique
    • une voiture qui freine sur route horizontale
    • un véhicule qui remonte une pente à vitesse constante
    • un satellite en orbite autour de la Terre
    • un personne posée sur un escalator qui descend
      Une question d’un "test" dans Éléa
      L’objectif est ici de trouver les deux courbes qui peuvent représenter correctement l’évolution de Ep et Ec dans une situation donnée — une voiture freine sur une route horizontale.
  • Partie 3 (en classe) : Analyse d’une situation concrète : freinage d’un véhicule.
    Quelles conversions d’énergie sont en jeu ? Freinage sur route horizontale, route montante, route descendante.
    L’objectif est d’établir que :
    • lors d’un freinage sur route horizontale, l’énergie cinétique est convertie en énergie thermique par les freins (+ les frottements de la route : pneus chauds). Expérience sensible : le frottement de deux mains entraîne un échauffement. Illustration : notice de trottinette (source www.micro-mobility.fr/)
      extrait d'une notice de trottinette
    • lors d’un freinage sur route descendante, l’énergie cinétique initiale ainsi que la différence d’énergie potentielle sont converties en énergie thermique par les freins (+ les frottements de la route : pneus chauds).
    • lors d’un freinage sur route ascendante, l’énergie cinétique est convertie en énergie thermique par les freins (+ les frottements de la route : pneus chauds) et en énergie potentielle.

Expression littérale de l’énergie cinétique (et unités). Analyse qualitative, au regard d’une courbe de distance de freinage en fonction de la vitesse.

Analyse de documents et vidéo pour répondre à la question : Pourquoi les bandes de freinage d’urgence sur les pentes d’autoroute de montagne sont-elles conçues ainsi (différents exemples) ?
Alternative, plus complexe, selon le public ou pour différencier : On veut créer une zone de freinage d’urgence sur une route de montagne à forte pente descendante, quelles caractéristiques doit-on donner à cette zone pour qu’elle soit efficace ?
L’objectif est que les élèves trouvent que ce type de zone d’urgence maximise les frottements (conversion en énergie thermique), sont montante (conversion en énergie potentielle) et permette au véhicule de s’enliser (pour éviter de redescendre) — ce qui renforce le premier critère.
Exemple d’illustration :

La partie 4 intervient plus tard. Entre temps, on aura abordé les notions d’action mécanique, d’interaction gravitationnelle, étudié la force de pesanteur et établi son expression (P = m.g).
L’hybridation a continué à être utilisée entre les parties 3 et 4. Dans l’exemple ci-dessous, deux captures d’écran d’une vidéo permettant de constituer une fiche-méthode "Utiliser un dynamomètre" :

Tuto dynamomètre 1/2
La vidéo se met en pause.
Tuto dynamomètre 2/2
Question.
cliquer sur chaque vignette pour l’agrandir

Cette partie 4 en classe peut être précédée d’une partie à distance où les élèves sont appelés à répondre à la question : Un astronaute sur la Lune soulève sans difficulté apparente un objet lourd. Puisqu’il dépense moins d’énergie que sur Terre pour le même geste, alors que la masse de l’objet est identique, de quoi dépend également l’énergie potentielle d’un objet ?
On peut aussi choisir d’intégrer cette activité à la partie 4.

  • Partie 4 (en classe) : L’objectif de cette partie est de prouver (ou vérifier, selon l’approche choisie) la validité d’un slogan d’une campagne de sécurité routière "Sans ceinture de sécurité, un choc à 50 km/h équivaut à une chute du quatrième étage".

On présente l’expression littérale de l’énergie potentielle (Ep = m.g.h, avec les unités). On rappelle l’expression littérale de l’énergie cinétique. On précise (ou on laisse les élèves faire une proposition) à quelle hauteur correspondent "quatre étages".

Le document ci-dessous apporte quelques précisions sur le travail des élèves et l’évaluation et/ou le suivi par l’enseignant.

Pré-requis

Les notions de mouvements uniforme, accéléré, ralenti.
La relation d = v.∆t (avec les unités) peut être amenée à servir.

Outils utilisés / Matériel

Scénario de la séquence

Le carnet de bord ci-dessous renseigne sur le scénario global et l’alternance des temps en présence et à distance. Il comprend toutes les activités et ressources (papiers ou numériques) proposées aux élèves :

Carnet de bord de la séquence

Retour d’expérience

Les plus-values pédagogiques (enseignants / élèves)
  • la scénarisation à l’aide d’un outil d’enseignement hybride favorise la mise en activité des élèves, qui répondent à des questions et produisent une trace écrite vérifiable. Les résultats sont accessibles à l’enseignant, ce qui lui permet de repérer les questions réussies ou les erreurs et favorise un suivi des apprentissages.
Les plus-values pour la discipline
  • Faciliter l’appropriation des notions d’énergie cinétique et potentielle en identifiant des facteurs dont dépendent ces énergies.
  • Les relations établies entre ces grandeurs nouvelles et d’autres grandeurs connues des élèves (masse, vitesse), ou des approches plus sensibles (efforts) permettent d’établir des connexions entre des approches différentes d’un même phénomène.
  • Les messages de sécurité routière permettent d’être "objectivés" à travers cette approche. Et d’établir que les perceptions (des distances, des vitesses) sont souvent très différentes de leur réalité.
  • le pointage des positions sur la vidéo au ralenti permet d’avoir une approche objective de l’accélération, et quasi-quantitative — permettant ainsi d’établir que des mouvements sont identiques.
Les points de vigilance
  • l’activité de pointage sur vidéo peut se révéler longue et fastidieuse pour les élèves. Dans l’exemple présenté, c’est le professeur qui s’est chargé de ce travail de pointage.
  • l’approche proposée ici s’inscrit sur un temps long dans le cadre du programme. Il ne s’agit donc pas d’une activité, mais d’un ensemble d’activités qui concourent à la compréhension sensible, par les élèves, des notions abordées.
  • il est important de s’assurer que les élèves font bien le travail en ligne entre deux cours, car cette étape qui permet soit de consolider soit de s’éveiller à des notions est un pré-requis important pour tirer profit de ce qui est fait en classe.
Les pistes pour aller plus loin ou généraliser la démarche

Sans lien avec l’énergie, mais avec l’objectif de montrer les défauts de certaines perceptions (et les conséquences que ces défauts peuvent avoir), on peut proposer aux élèves une activité consistant à calculer la vitesse d’une voiture à partir d’une vidéo prise depuis son habitacle — après avoir fait une hypothèse sur cette vitesse.

Les élèves doivent (ou sont aidés pour) trouver quelle information la vidéo peut leur apporter pour faire ce calcul (la longueur des bandes peintes et non peintes entre la voie de droite et la voie d’arrêt d’urgence). Une telle activité est l’occasion d’aborder des points de méthode, comme la limitation de l’incertitude relative — pourquoi aura-t-on un résultat plus précis en laissant passer un nombre élevé de bandes plutôt qu’un nombre peu élevé ?
Les élèves trouvent une vitesse moyenne comprise en 115 et 120 km/h.
En complément, la réalité augmentée peut être utilisée pour concrétiser les longueurs trouvées (39 m de peinture blanche puis 13 m de goudron avant la prochaine bande blanche), mais observées à la vitesse d’un piéton et dans un environnement familier (l’établissement).

Partager

Imprimer cette page (impression du contenu de la page)