Les référentiels galiléens

Je n'aimais pas la mécanique du point, et encore moins la mécanique du solide car j'ai eu souvent l'impression d'y faire plus de maths que de physique, et de devoir mesurer des trucs évidents quand par hasard il y avait un TP (vérifier la première loi de Newton sur la table à coussin d'air etc). 

Cette année en didactique, je vois énormément de travaux portant sur la didactique de la mécanique, pire, l'expérience sur laquelle porte mon mémoire appartient à la mécanique, et ma foi, ça devient petit à petit intéressant... 

En ce moment je lis le livre d'Einstein : l'histoire des idées, le chapitre sur les champs où il reparle de mécanique en introduisant les référentiels galiléens. Bah oui, parce qu'en fait, jusqu'à cette partie là de l'histoire, il n'en parle pas. Il fait de la mécanique sans préciser : on considère que la Terre est un référentiel galiléen. Sacrilège, mais il n'a pas le droit!!! Tous les cours de mécanique depuis la première commencent par cette précision, même si on ne voit pas à quoi ça sert, on sait que le principe d'inertie n'est valable que dans un tel référentiel, et on sait qu'en général la Terre, c'est bon. 

En fait, je trouve ça très intéressant. Le physicien sait que dans l'énoncé moderne du principe d'inertie, il faut préciser le référentiel, mais l'élève de lycée n'a pas besoin de cette précision pour le moment. Il peut apprendre qu'un objet soumis à des forces qui se compensent ne change pas sa vitesse. C'est à dire qu'un livre sur une table soumis à son poids et à la réaction de la table ne bouge pas, et que si il n'y avait pas de frottement, que je coupais le moteur de ma voiture, je roulerai indéfiniment à la même vitesse sur une route horizontale. 

Mais le physicien n'aime pas qu'on enseigne des trucs qui ne sont pas toujours vrai, ben oui, dans le train qui tourne, ma valise, elle tombe! Que dire? Que faire?

Un choix pédagogique pourrait être  : 

1. D'énoncer le principe d'inertie sans parler de référentiel galiléen, ni de changement de référentiel, ni même de référentiel.Les élèves disposeront alors d'un certains temps pour appréhender le principe en le mettant en œuvre dans un certain nombre de situations.
2. Dans un deuxième temps on pourrait aborder le mouvement de translation (le contrôleur de train sur le quai et celui dans le train), et donc introduire la nécessité d'un système de coordonnées et d'un référentiel. On traitera alors les problèmes des changements de référentiel en ne prenant qu'une classe de référentiel en translation uniforme les uns par rapport aux autres.
3. Et puis enfin,  en prenant l'exemple du train qui tourne et qui fait tomber la valise, on montrera que tous les référentiels ne sont pas équivalents et on définira les référentiels galiléens.

Un exemple de transposition didactique : l'énergie au collège

Sources d'énergie

Cette réflexion vient directement de ma dernière lecture pour le master de didactique : Les Connaissances Naïves. Cet exemple est traité dans le chapitre sur les connaissances naïves en physique, mais ce qui me plait le plus est l'éclairage sur la transposition didactique qui pour la première fois pour moi est devenu très éclairant. 

L'énergie en physique est un concept très abstrait et mathématique : il s'agit d'un nombre qui se conserve. Prenons par exemple les réflexions de Feynman, grand physicien, prix Nobel de physique, à ce sujet : 

"De toutes les lois de conservation, celle qui traite de l'énergie est la plus difficile, la plus abstraite et cependant la plus utile, elle est plus difficile à comprendre que celles que je viens de décrire ; en effet, pour la charge [électrique] et ces autres lois de conservation, le mécanisme est clair, c'est plus ou moins la conservation de certains objets [...]. La conservation de l'énergie est un peu plus difficile, car, cette fois, nous avons un nombre qui ne varie pas avec le temps, mais ce nombre ne représente aucun objet en particulier"

C'est donc un concept très compliqué à introduire pour le physicien sans rentrer directement dans un formalisme mathématique plus que pénible pour des collégiens. Donc ça n'était enseigné qu'à partir du lycée.
Oui mais, le savoir à enseigner dans la classe n'est pas le seul produit des scientifiques, il est aussi influencé par la noosphère, c'est à dire les politiques, la société étouça. Et aujourd'hui, pas un JT sans que l'on ne parle d'énergie renouvelable, d'énergie fossile... Il faut donc introduire la notion d'énergie dès le collège.

Une transposition didactique intéressante consiste, en se basant sur les connaissances initiales des élèves, à introduire le concept d'énergie en se basant sur certaines propriétés de l'énergie, sans chercher à la définir per se. On introduit alors un modèle qui n'est pas le modèle en vigueur dans le monde de la recherche scientifique, mais qui permet d'introduire la notion en étant compatible avec ce qui sera introduit plus tard dans l'enseignement.

  Je trouve ce travail très intéressant, ça ouvre pas mal de perspectives quant à l'enseignement de certains domaines de la physique réservés au post bac qui ont atterrit en term S, ou dans un tout autre domaine, aux connaissances scientifiques de l'éthologie qui doivent désormais être enseignées au plus grand nombre dans le cadre des nouveaux galops.

Références :
Les connaissances naïves, J. Lautrey, S. Rémi-Giraud, E. Sander, A. Tiberghien,
Solomon (1985), Teaching the conservation of energy, Physics education, 20 (2), 165-170

Oraux du capes

La semaine dernière je suis allée assister à une matinée des oraux du CAPES de physique-chimie. Il faut se renseigner avant sur l'heure à laquelle passe la première fournée de candidat, sinon on poireaute ou on loupe le départ...! 

Tout d'abord le montage de physique. J'ai choisi une salle d'optique géométrique, vu que ça fait partie de ce que j'ai enseigné, je voulais voir quel était le niveau attendu. Le jury était cordial avec le candidat, les questions posées étaient bien pensées, et le niveau, ben, au niveau du candidat, qui comme souvent s'attendait à ce qu'on le cuisine sur de l'optique ondulatoire alors qu'il n'avait pas compris l'optique géométrique... En particulier, il faut comprendre à quoi servent chacun des éléments du montage d'optique, et ne pas oublier la fente dans un montage de spectroscopie.
Je ne comprends toujours pas pourquoi les candidats font des appels du pieds à des questions auxquelles ils ne savent pas répondre, ce que l'on voit d'ailleurs dès leur appel du pied! Mais j'ai bien aimé le fait d'allumer une petite lampe de paillasse quand il éteignait la lumière générale.

Ensuite l'EOD. Le candidat a tiré un sujet sur l'acoustique adaptative. Il s'agissait d'un sujet d'examen que le candidat devait corriger et commenter (grosso merdo). Prestation basique, les questions du jury encore une fois très pertinentes et intéressantes. Puis la compétence agir en fonctionnaire patati patata, là, prestation carrément mauvaise, et encore questions intéressantes du jury. L'an prochain, c'est promis, j'y vais plusieurs jours! 

En conclusion, je n'ai vu que 2 candidats, donc ça n'est pas représentatif. Ils ont tout 2 essayé de recaser leurs expériences perso d'enseignement dans la discussion (manip que j'ai présentée en 2de, quand j'ai enseigné en ZEP... ) Je n'ai aucune idée de comment s'est perçu, mais moi, je n'ai pas aimé du tout. La gestion du tableau lors du montage m'a particulièrement étonnée : aucun schéma des manips, pas de tableau de valeurs, juste le plan et quelques graffitis en cours d'explication... 

Les conseils que je donnerai l'an prochain :

• Toute manip' a son schéma au tableau avec la valeur des composants, focale des lentilles ... 
• Aucun appel du pied sur une notion non maitrisée
• On n'aborde que ce que l'on maîtrise, quitte à faire une leçon pauvre. 
• Tout doit être prêt 20' avant la fin, car là il faut: 
• Préparer l'intro et la conclusion
• Vérifier les chiffres significatifs
• Vérifier que les manips sont prêtes à fonctionner. 
• En optique, on allume une petite lampe de paillasse quand on éteint la salle.