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Thèse de doctorat

†‡ŽïUniversité Paris Diderot École doctorale " Savoirs scientifiques : épistémologie, histoire des sciences et didactique des disciplines » ED 400

Laboratoire de didactique André Revuz

Chute libre : étude du mouvement et des méthodes de résolution, proposition didactique

Alice Di Fabio

Thèse de doctorat, spécialité : didactique des disciplines (physique) dirigée par Cécile de Hosson (directrice) et Nicolas Décamp (co-directeur) Présentée et soutenue publiquement le 29 novembre 2018

Membres du jury :

Ludovic Morge, Professeur, Université Clermont-Auvergne, rapporteur Valérie Munier, Professeure, Université de Montpellier 2, rapporteure Jim Plumat, Professeur, Université Catholique de Louvain (Belgique), président du jury

Nicolas Décamp, Maître de conférences, Université Paris Diderot, co-directeur de thèse

Cécile de Hosson, Professeure, Université Paris Diderot, directrice de thèse 2

Remerciements

cette thèse. Je les remercie pour leur bienveillance, leur écoute, leur soutien. Nos sessions de

travail ont toujours été fructueuses et sources de grande satisfaction intellectuelle pour moi.

graine : il était possible que la didactique de la physique prenne davantage de place dans mon activité professionnelle. Quelques temps plus tard, je commençais cette thèse ! de réflexion et son engagement. Merci.

Je voudrais dire mille mercis à mes collègues Anne, Matthieu, Claire, Emmanuelle et Lionel pour

leur accueil dans leur établissement et pour leur disponibilité. Je remercie bien sûr aussi leurs

élèves dont la collaboration fut si riche.

Merci à ma famille et tout particulièrement à Charlotte et à Isée.

Merci à Brigitte et Noé pour leur soutien indéfectible. Merci à Arthur et Clara pour leur aide

précieuse. Et merci à Amélie sans qui mon engagement dans ce travail ne serait pas le même : nos

de ce travail. de ce laboratoire. 3

Noëmie, Inés, Anne, Zakaria, Olivier, Jorge, Corentin et nos prédécesseurs Robin, Charlotte, Assia,

Valentin.

encouragée et permis de réaliser ce travail dans les meilleures conditions.

Table des matières

Introduction 10

Chapitre 1 Étude exploratoire de quinze manuels anciens 16

I. Démarches curriculaires 18

1. Du concept de curriculum aux didactiques du curriculum 18

II. Le statut des manuels scolaires 21

1. Diversité des fonctions des manuels scolaires 21

2. Le rôle de médiation des manuels scolaires 22

3. Les manuels scolaires dans la matrice disciplinaire 23

III. Présentation des manuels et des contenus ciblés 25

1. Délimitation de la période des manuels 25

2. Les manuels étudiés 26

3. Les auteurs des manuels 26

4. Les contenus ciblés 28

5. Les programmes de physique de Terminale entre 1902 et 1957 29

6. Etat des lieux des contenus abordés dans les manuels 32

IV. ǯ 35

1. Les contenus de cinématique 35

2. Les contenus de dynamique 37

3. Articulation entre chute des corps et lois de la dynamique 37

4. Importance de la notion de mouvement uniformément varié 38

V. De la chute des corps au mouǯ : formalisme utilisé et méthodes de résolution 40

1. La chute libre : formalisme et obtention des équations horaires 40

a. Une méthode usuelle de résolution de la chute libre 40 b. Cas particulier de la chute des corps 41 c. Cas particulier de la chute verticale 41

d. Méthodologie : propositions de critères caractérisant le formalisme utilisé dans les manuels 42

5

2. La chute des corps dans les manuels : des lois en langue naturelle et des grandeurs positives

43
généraliser 46

VI. Conclusion du chapitre 1 55

Chapitre 2 ǯ

année universitaire 57 I. Étude préliminaire : programmes du lycée en mécanique 59

II. ǯerche 61

1. La cinématique comme institution 61

3. Questions de recherche 63

4. Méthodologie de recueil de données 63

a. La question posée aux étudiants 63 b. Le public concerné 64

III. ǯ 66

1. Analyse des tâches 66

IV. Premières données quantitatives 70

1. Nombre total de copies 70

2. Les réponses correctes 70

3. Aperçu des erreurs sur la trajectoire, le repère, la position du point M 70

4. Nombre et types de vecteurs tracés 71

V. Analyse des réponses par types de vecteurs 73

1. Pour chaque type de vecteur : nombre de vecteurs tracés et/ou corrects 73

2. Caractérisation des erreurs 74

a. Les erreurs sur le vecteur position 74 b. Les erreurs sur le vecteur vitesse 76 c. Les erreurs sur le vecteur accélération 77

VI. Analyse des réponses par profils 84

1. Méthodologie 84

6 b. Traitement statistique 85 c. Lecture du dendrogramme 85 d. Détermination de profils de réponse 87

2. Premier classement 87

a. Critère de classement 87 d. Commentaires sur le premier classement 90

3. Deuxième classement 91

a. Regroupement de profils de réponses du premier classement 91 b. Etude des groupes N et O 92 c. Commentaires sur le deuxième classement 93

4. Troisième classement 94

VII. Conclusion du chapitre 2 96

Chapitre 3 ǯ : analyse de contenu dans le cas

de la chute libre 98

I. ǯ : grandeur vectorielle 101

1. À propos des grandeurs vectorielles 101

a. Origine et développement du concept de vecteur 101 c. Les difficultés relatives aux grandeurs vectorielles 104

2. Le vecteur accélération 105

II. ǯ : grandeur algébrique 108

1. À propos des grandeurs algébriques 108

b. La nature des grandeurs ‡Ÿ et  112 III. Un vecteur accélération unique mais une variété de mouvements de chute libre 114

1. Point de vue empirique : trois types de mouvements de chute libre 114

2. Point de vue formel : une infinité de mouvements de chute libre 117

7 a. Formalisme algébrique 117 b. Formalisme vectoriel 117 c. Comparaison formalisme algébrique formalisme vectoriel 118 IV. Registres de représentation sémiotique 120

1. Cadre théorique 120

a. Présentation de quatre registres de représentation 122

3. Obtention de la trajectoire du mouvement : raisonnement dans les différents registres de

représentation sémiotique 124 a. Construction du tableau 124 b. Lecture du tableau dans chacun des registres de représentation 126

5. Le choix du registre intrinsèque 128

V. Conclusion du chapitre 3 130

Chapitre 4 Proposition didactique et expérimentations 132 I. Présentation de la proposition didactique 134

1. Les fondements 134

a. Registre de la représentation visuelle des vecteurs 134 b. Notion de vecteur variation de vitesse 134 c. Unification de tous les mouvements de chute libre 135

2. Utilisation de GeoGebra 135

3. Situation adidactique 136

4. Méthodologie du recueil de données 137

a. Évolution de la séquence par itérations successives 137

5. Questions de recherche 138

II. Version initiale de la proposition didactique 139

2. Analyse a priori 139

a. Protocole de la séquence 140 b. Quelques remarques sur le protocole 142 c. Tâches attendues 142

III. Première expérimentation 144

8

2. Commentaires sur le déroulement 144

3. Données recueillies 145

a. Fiche réponse " Prévisions » 145 b. Fiche réponses " Profils » 148

4. Analyse a posteriori 153

5. Propositions de modification du protocole de la séquence 154

IV. Deuxième expérimentation 156

2. Analyse a priori 156

a. Protocole de la séquence 156 b. Tâches attendues 157

3. Commentaires sur le déroulement 157

4. Données recueillies 158

a. Fiche réponses " Prévisions » 158 b. Document papier correspondant à la figure 4-2 159 c. Fiche réponses " Profils » 163

5. Analyse a posteriori 168

V. Seconde version de la proposition didactique 171

1. Évolution de la proposition didactique initiale 171

2.

3. Analyse a priori 173

a. Protocole de la première séance 173 b. Protocole de la deuxième séance 176 c. Tâches attendues 178

VI. Troisième expérimentation 180

1. Conditions de mise eà - ˜"‡ 180

2. Données recueillies : fiches réponses 180

a. Fiche réponses " Prévisions » 180 b. Fiche réponses " Règle » 183 c. Fiches réponses " Profils 1sur2 » et " Profils 2sur2 » 184 d. Fiche réponses " Un vecteur » 187 e. Fiche réponses " Mouvement parabolique » 188 f. Fiche réponses " Plan incliné » 189 g. Fiche réponses " Mouvement rectiligne uniforme » 192

3. Analyse a posteriori 193

4. Données recueillies : enregistrements audio 195

a. Sélection des enregistrements 195 9 b. Phase de recherche, dans la première séance 196

VII. Conclusion du chapitre 4 207

Conclusion 210

Table des figures 214

Table des tableaux 217

Références 219

Annexes 223

10

INTRODUCTION

ciblant son étude.

langage courant, par exemple, le mouvement parabolique est désigné par un " tir en cloche »,

expression utilisée par les archers et dans les jeux de ballons. Un autre exemple est celui de la

deux objets arrivent en même temps au sol ; ce résultat constitue un élément de savoir de la

culture commune.

La chute libre : un incontournable de la physique

Sur le plan du contenu, la chute libre a plusieurs atouts. En premier lieu, son étude a joué un rôle

historique fondamental dans la compréhension des lois du mouvement. De plus, elle illustre le mouvement dans un champ uniforme. Dans le cas de la chute sans vitesse initiale, le mouvement, incontournable de ce contenu en physique. Son enseignement est extrêmement répandu, figurant de manière constante dans les programmes deuxième loi de Newton, comme on le constate dans le programme de la classe de Terminale champs de pesanteur et électrostatique uniformes ». Des savoir-faire spécifiques : les outils mathématiques 11

exemple qui met en lumière la question que se pose tôt ou tard tout élève, étudiant en physique,

ou tel domaine de la physique ? mathématiques et la physique dans le développement de théories dans les deux domaines. programmes officiels et les recommandations qui les accompagnent, mais elle semble reposerquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47

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