Dans le cadre de la construction d'une "machine folle", les élèves sont amenés à réfléchir au concept de transfert d'énergie et à construire un premier dispositif de transfert d'énergie...

1. Rencontre avec le concept de transfert d'énergie (20 minutes)

2. Mise en œuvre dans un dispositif simple (20 minutes)

Ensuite, par groupe, les élèves construisent un dispositif comprenant au moins un transfert d'énergie. Pour ce faire, ils utilisent les objets, matériels, ... disponibles.

Il leur est également demandé de repérer où sont situés les transferts d'énergie et d'être capables de dire si les transferts sont différents ou identiques.

Après ces deux premières phases, chaque groupe présente son dispositif et explique où sont situés les transferts d'énergie, quels sont les types de transfert d'énergie s'il y en a plusieurs. Ces moments où sont présentés plusieurs exemples de transfert d'énergie permet aux élèves de mieux se représenter ce concept.

Certaines difficultés apparaissent au cours de ces démonstrations :

• le dispositif n'est pas suffisamment bien installé et les transferts ne se font pas correctement; par exemple si des Kapla sont trop espacés;

• un objet ne possède pas suffisamment d'énergie pour faire basculer, avancer, ... un autre objet sur lequel il agit; par exemple une bille ne fait pas basculer un Kapla car "elle est trop légère", ...

• un objet ne touche pas un autre objet au bon endroit ce qui ne permet pas l'effet souhaité : il ne bascule pas, il ne roule pas dans la bonne direction, ...

Il est possible d'exploiter ces moments pour mettre en évidence soit des savoir-faire techniques soit des savoirs scientifiques concernant ces transferts d'énergie. Nous décrivons ci-dessous un de ces moments au duquel les élèves vont tenter de problématiser une situation, de dégager des hypothèses de solution et de les tester.

Le rôle de l'enseignant est important dans ces moments. Il lui faut analyser en continu les explications et les actions des élèves pour y réagir afin soit de maintenir l'activité des élèves, soit de relancer l'activité des élèves, soit de leur rappeler une hypothèse non testée, ...

Dans l'exemple ci-dessous, l'enseignante calme les élèves et les incite à poursuivre pour trouver une solution. Elle demande également de justifier une proposition, tentant de la sorte de faire sortir les élèves de l'expérience directe et de l'émotion qui l'accompagne.

Exploitation pédagogique

Décortiquons davantage encore ce qui s'est passé ...

Phase 1

a) les essais avec la bille et le constat d’échec

Phase 1

b) les premières propositions de modifications du dispositif

Phase 2

a) essais du dispositif modifié : le Kapla à l'horizontal

Plusieurs élèves interviennent pour proposer des modifications :

E6 : « Mais prenez une voiture. »

E3 : « Mettre des Kapla et … »

E1 : « Mais prenez une voiture les gars, ça ira beaucoup mieux, en plus ... »

Phase 3

a) intervention de l'enseignante

Suite à ces propositions, l’enseignante intervient pour inciter les élèves à justifier la proposition de la voiture :

« Pourquoi ceux qui proposent de mettre une voiture proposent de mettre une voiture? »

E7 : « Parce que la bille elle n’est pas assez forte. »

E3 : « Elle n’est pas assez lourde. »

E5 : « Elle est pas … »

E8 : « Parce que la bille va dans tous les sens. »

Phase 4

a) essai d’un autre dispositif : le rouleau blanc en plastique

Phase 7

a) test du nouveau dispositif : la voiture (considérée plus lourde que la bille en verre)

Suite aux discussions après les essais infructueux précédents, les élèves vont tester le nouveau dispositif avec la voiture, reconnue comme plus lourde que la bille. Notons qu'à aucun moment les élèves n'ont pesé les objets pour les comparer quant à leur masse respective.

E0 lâche la voiture du haut du plan incliné… et cette fois, lorsque la voiture percute le premier Kapla, celui-ci bascule et percute le deuxième Kapla, qui à son tour bascule, … C’est réussi ! … Cependant …

E0 s'exclame : « Mais pourquoi la première fois ça a marché et pas les huit fois après? »

Du point de vue physique… ce que les élèves n’ont pas « vu » …

Du point de vue de la physique, un transfert d’énergie s’explique par le fait que de l’énergie passe d’un objet à un autre. Il existe par ailleurs différents types d’énergie : cinétique, potentielle, chimique, électrique, thermique, nucléaire, lumineuse, …

En l’occurrence, celle mobilisée dans cet atelier est l’énergie cinétique : lors du choc, un objet en mouvement met un autre objet en mouvement.

Ainsi, de manière simple, nous pouvons dire que lorsqu’un objet (O) vient frapper un autre objet (P) avec une certaine force en un certain point, cela permet un transfert d’énergie de l’objet O à l’objet P. Si l’énergie transmise est suffisante, l’objet P se met en mouvement et/ou se déforme.

Donc, pour analyser le transfert d’énergie, il faut tenir compte à la fois de la force exercée par l’objet O sur l’objet P, ce que les élèves ont traduit par

-E1 : « Mets la bille tout en haut du plan incliné. », supposant que si elle prend plus d’élan, elle viendra frapper le Kapla avec plus de force,

-E5 : « Il faut une plus grosse… il faut une voiture! », supposant que c’est bien un problème de poids, intuitivement lié à la force,

-E7 : « Parce que la bille elle n’est pas assez forte. »

-E3 : « Elle [la bille] n’est pas assez lourde. »

Et du point d’application de cette force… ce que les élèves ont moins perçu… Ainsi lors de l’essai du rouleau blanc, les Kapla se renversent vers l’arrière et non vers l’avant. Mais l’explication exprimée par un élève est liée au poids de l’objet :

E3 : « Si c’est trop lourd, ça ne marchera jamais, parce que ça va tomber dans l’autre sens, ça ne va pas le faire tomber dans le bon sens. »

Mais alors pourquoi cela a-t-il fonctionné avec la voiture ? … Alors qu’elle vient aussi percuter la base du premier Kapla comme le rouleau de plastique ?

En vitesse réelle, celle de l’essai dans la classe, impossible vraiment de se rendre compte de ce qui se passe. De plus, rapidement les élèves se réjouissent du résultat : la voiture a bien fait tombé le premier Kapla, qui a entraîné les autres Kapla successivement, jusqu’à percuter la voiture suivante, … Le dispositif fonctionne … mal probablement mais il fonctionne ! Pour se rendre compte de ce qui se passe réellement, il faut observer l’effet de l’impact de la voiture sur la premier Kapla ... au ralenti …

Si ce dernier essai est fructueux par rapport au résultat, il n’est pas certain qu’il pourrait être répété de manière aussi fructueuse autant de fois qu’on le souhaite. Ainsi, ce dispositif permet le transfert d’énergie mais n’est pas fiable. Pour qu’il le soit, il va falloir tenir compte du point d’impact entre les objets afin de garantir la direction et le sens de la force exercée au moment de l’impact. Cet élément théorique essentiel va apparaître progressivement, au fil des tests effectués par les autres groupes.

Intuitivement les élèves vont se rendre compte qu’il faut prendre en compte ce point d’impact, ce point où s’exerce la force afin de rendre fiable les dispositifs construits.

Cet élément théorique a ensuite été didactisé dans une séquence courte proposée aux élèves par petits groupes de 3 ou 4 élèves.

Date de création de la page : 2019 Page mise à jour : 31 août 2020