L'énergie : vocabulaire et schématisation

[znamrv]

Je mets cette ressource des auteurs déjà cités par xavier29 (en vrai je l'ai peut-être trouvée dans ce fil, mais comme dit le 1, la flemme de remonter tout...)
Enseigner l’énergie en physique à partir de la question sociale du défi énergétique
J A C Q U E S V I N C E, A N D R É E T I B E R G H I E N
REVIEW OF SCIENCE, MATHEMATICS and ICT EDUCATION, 6(1), 89-124, 2012

Avec p.103 :
En physique, du fait d’une approche en termes de système, l’énergie est d’abord
définie comme une grandeur qui se conserve pour un système “isolé” (Feynman,
1980). Lors des échanges entre systèmes, la forme du stockage et le lieu de stockage
peuvent changer au cours de transferts d’énergie. C’est la force de ce modèle de
l’énergie résumé par ces trois propriétés (conservation, stockage, transfert) que de
pouvoir décrire et mettre en relations des phénomènes très variés : chauffage,
rayonnement lumineux, mouvement, électricité… L’énergie ne peut plus dans ce cadre
être “électrique” comme dans la vie courante et le modèle fait davantage que normer
le vocabulaire : il permet par exemple de comprendre que l’électricité ne peut pas être
stockée.

[Aranel53]

Oui, beaucoup de choses intéressantes dans cet article !

Ici, j'ai testé ma nouvelle approche "explicite et exhaustive" à mes élèves et je vous fais un bilan bientôt... C'est plutôt pas mal pour l'instant, je crois que pas mal d'élèves ont pas mal compris...

Et j'ai attaqué ce livre que l'autrice m'a offert quand on a parlé de ça au détour d'une conversation sur autre chose... ça date carrément, et c'est fort ardu car c'est issu de sa thèse en didactique donc ça pique un peu point de vue niveau, mais c'est très intéressant et ça va me permettre d'avoir la pièce qui me manquait dans mes intuitions un peu balbutiantes sur le sujet. C'est à dire l'explicitation des relations énergie-temps et de leur symbolisation pour les élèves. Je ne suis pas loin d'y voir assez clair pour en sortir un truc chouette je pense !

[candy]

Bonjour,
Apres avoir beaucoup insiste sur le vocabulaire cette annee un petit retour qui fait plaisir... Lorsqu'en 5e, on a parle de la circulation du courant, un eleve a dit "L'energie, elle est transferee donc elle ne peut pas revenir c'est pour ca que la pile s'use, par contre le courant c'est autre chose, il circule et peut revenir dans la pile". Comme quoi, avoir deux mots pour deux choses differentes, ca aide!
Encore merci!

[Aranel53]

Super ! Merci pour ton retour.

Ici j'ai l'impression que ça a été bien important et que c'est bien passé d'avoir clarifié ce qu'est une forme d'énergie (une manière de compter une quantité d'énergie liée à un certain type de changement possible) et pourquoi il peut y avoir plusieurs listes différentes mais que chaque liste doit contenir forcément toutes les formes d'énergie qui existent.

Les élèves ont compris qu'appliquer la conservation de l'énergie nécessite d'avoir toutes les formes possibles dans la liste. Et qu'on peut distinguer des formes d'énergies proches ou les rassembler. Et qu'on distingue quand on a une formule différente pour calculer cette valeur d'énergie...
Ils ont compris que c'était un choix de ma part de distinguer l'énergie potentielle élastique de l'énergie potentielle de pesanteur, et que c'était un choix aussi de ne pas distinguer l'énergie potentielle magnétique de l'énergie potentielle élastique dans ma liste... On a parlé de l'énergie mécanique qui est appelée ainsi quand on ne distingue pas l'énergie cinétique des énergies potentielles (ça bouge ou peut bouger) et certains ont compris qu'on pouvait mélanger énergie chimique et nucléaire car "c'est caché dans la matière"... même si je leur ai dit que ça ne se faisait pas à cause des gros écarts d'ordre de grandeur des énergies en jeu.

Bref, plutôt content ! Et le côté assez "exhaustif" des exemples, devrait ancrer les choses correctement.

A voir ce qui restera en janvier...

Voici mes documents mis à jour pour les 5e et les 4e (rappels)

[freche]

Aranel, dans ton exemple avec la pâte à modeler qui s'écrase sur le mur, tu attends énergie thermique ?

[Aranel53]

Non pas ici, car c'est toute la difficulté de cette histoire : la notion de temps et tout ce qui se passe simultanément et de progressivité des notions à donner aux élèves. :/

Si mon verbe est "s'écrase" c'est l'énergie chimique que j'attends ici. Déformation de la matière. On n'est pas vraiment dans un exercice de réflexion (à part pour les cas avec le congélateur par exemple), c'est globalement surtout de la traduction mots -> énergie.
Pareil pour le chocolat, si je dis "fond" c'est énergie chimique que j'attends, et on esquive ici que le chocolat en tant que mélange n'a pas de température de fusion unique mais que son plateau de changement d'état est incliné, et que donc quand il fond sa température augmente aussi. Mais là j'essaye de simplifier pour travailler uniquement sur le vocabulaire global et non pas sur les détails du monde réel et l’évolution temporelle.

Et on voit très vite avec les élèves qu'il y a énormément de choses qui se passent en même temps, avec des ordres de grandeurs et des intérêts extrêmement différents. Ici la déformation de la boule de pâte à modeler est visible mais ne récupère qu'une toute partie de l'énergie cinétique initiale, alors que l'échauffement en récupère la majorité mais est quasiment indécelable.

Ici on s'exerce juste à traduire les phrases en situation énergétique pour se familiariser avec les formes d'énergie et les transferts (avec le temps quasiment arrêté, d'où mon choix de verbe au présent et la locution "en train de"). On n'est ni dans l'analyse complète d'une situation avec tous les changements à lister, ni dans l'analyse complète temporelle "avant - après" du devenir de la quantité d'énergie initiale.

Je me suis rendu compte que c'est vraiment ce rapport au temps qui pose problème, et ce n'est jamais vraiment explicité. Quand on fait une flèche, il y a parfois une idée d'avant/après et parfois l'idée du transfert instantané en cours et à mon avis une bonne partie des problèmes de compréhension viennent de là.

C'est à dire sur la question implicite des élèves qui serait : où s'arrêter dans l'analyse de l'évolution temporelle ?

Dans l'exemple de la pâte à modeler, l'analyse temporelle peut partir de la fusion de l'hydrogène dans le soleil, passer par le plant de haricot, la digestion, le glycogène des muscles, avant de compter l'énergie cinétique de la boule, l'accélération et l'échauffement de l'air, la déformation de la boule, l'échauffement de la boule, le refroidissement de la boule par conduction avec le mur... ce n'est pas envisageable au début par un élève sans guides stricts.

D'où mon idée de progressivité très marquée avec d'abord un gros travail systématique sur le vocabulaire lui même, puis de tous les cas possibles pour être sûr que les différents transferts et transformations sont intégrées avant d'attaquer les raisonnements temporels puis l'étude de situations réelles.

Et je n'ai pas encore repris la suite de mon cours (et je suis en arrêt jusqu'en février) mais j'avais trouvé intéressant de faire ensuite du raisonnement "à rebours".

"Un arbalétrier tire un carreau sur un planche en bois qui se fend en deux à l'impact."

- énergie chimique de la planche a augmenté, mais cette énergie provient de :
- énergie cinétique du carreau d'arbalète, mais cette énergie provient de :
- énergie potentielle élastique de l'arc de l'arbalète, mais cette énergie provient de :
- énergie chimique du muscle de la cuisse de l'arbalétrier, mais cette énergie provient de :
- énergie chimique de la nourriture ingérée auparavant... etc. jusqu'à la fusion de l'hydrogène . (ce qui permet de dire que l'arbalète est une arme nucléaire ! )

Et ici on peut introduire la notion de "pertes" thermiques successives et arriver au fait que l'énergie chimique de modification de la planche (ce qu'on voulait) est très faible vis à vis de l'énergie cinétique du carreau, qui est très faible vis à vis de l'énergie chimique de la nourriture (qu'on a dû payer)... il y a de jolis schémas à faire mais je me suis rendu compte que les ordres de grandeur sont peu connus de nous si on eut faire un truc un peu réaliste. (l'énergie stockée dans la nourriture est gigantesque !)
J'avais été presque étonné il y a quelques années de "découvrir" que le rebond d'une balle transformait environ entre 1/3 et 1/4 de son énergie potentielle de pesanteur en énergie thermique à chaque fois... ce qui est très visuel à faire remarquer aux élèves.

Et un autre point que je n'ai pas encore repris mais qui est primordial à mon avis, ce sont les "chaines énergétiques entremêlées", en gros arriver à repérer de quelle forme et de quel réservoir provient l'énergie qu'on veut, et qu'est ce qui a juste servi à déclencher la modification des choses.
- la chaleur de l'allumette pour s'éclairer à la flamme de bougie ?
- le geste du bras pour la flamme de l'allumette ?
- la pichenette pour la chute du dernier domino ?
- le mouvement du doigt sur la détente du fusil ? de l’arbalète
- enlever une cale et faire tomber un gros objet...

De voir que ce n'est pas en poussant plus fort sur la détente que le carreau part plus vite. Donc que la forme d'énergie stockée est libérée grâce au doigt mais que l'énergie du doigt ne s'y ajoute pas : ce n'est pas la même chaine énergétique.
(j'avais trouvé la scène du barrage dans Raiponce, ou le cheval Maximus tape sur un madrier et ça libère l'eau du barrage. Est-ce que la force de la ruade du cheval change quelque chose à l'énergie totale transformée au final ? )
https://www.youtube.com/watch?v=au9vdymQV4g
(à partir de 1min02 jusqu'à 2min)


Bref, il reste du boulot ! et je vais tenter de profiter de mon arrêt pour reprendre un peu tout ça et cette histoire d'article.

[ludovic.c]

Bonjour, en préambule je souhaite dire beau travail sur l'énergie et abonde dans ce sens.


Cependant j'ai deux questions: pourquoi parler de l'énergie potentielle élastique?

au BO il est mentionné énergie électrique, par rapport au DNB ça ne pose pas problème?

Cordialement

[physix]

au BO il est mentionné énergie électrique, par rapport au DNB ça ne pose pas problème?

Oui cela pose problème car énergie électrique n'est pas correct.
Voir discussion précédente.

[ludovic.c]

j'ai bien lu en effet mais ma question est que faire de manière pratique?

[Aranel53]

Et bien comme le BO demande que les élèves soient capables de distinguer formes et transferts et d'appliquer la conservation de l'énergie, on fait ça.

Et comme le BO est incohérent là dessus, on tente de le rendre cohérent !