Physique-Chimie | Créteil

La notion de vitesse est un enjeu de formation important qu’on retrouve du collège au lycée.
Ce concept est aussi source de multiples difficultés pour les élèves.

En cohérence avec les programmes officiels, les trois capsules vidéos suivantes ciblent différents aspects de la notion de vitesse, identifient des enjeux didactiques et proposent des pistes concrètes pour la conception des enseignements.

Bien que complémentaires et cohérentes entre elles, ces capsules peuvent être abordées chacune indépendamment des deux autres. D’une quinzaine de minutes, chaque capsule dispose, en continue, à gauche de l’écran, d’un sommaire qui permet d’évoluer plus aisément tout au long de l’enregistrement si on le souhaite.

Cette capsule traite de la notion de vitesse enseignée au collège. En s’appuyant sur une situation réelle, on propose une approche progressive de description du mouvement et de la vitesse basée dans un premier temps sur l’utilisation du langage naturel et la mobilisation explicite de la proportionnalité. Les relations algébriques entre les grandeurs vitesse, distance et durée ne sont introduites que dans un second temps, comme une version algébrisée d’un raisonnement par proportionnalité.

Plus spécifiquement, on met en évidence la construction de la notion de vitesse à partir de mesures authentiques de distances parcourues pour une durée fixée et de durées de parcours pour des distances fixées.

La chronophotographie y est présentée comme un outil à privilégier pour l’étude des mouvements. Plusieurs liens permettant d’en réaliser aisément en classe sur ordinateur ou smartphone sont recensés.

Plusieurs exemples de calculs de vitesses, distances et durées, sont détaillés en cohérence avec la démarche explicitée dans le livret Mathématiques des grandeurs : opérations et proportionnalité.

Le passage de valeurs expérimentales à un modèle de proportionnalité est abordé grâce à la représentation graphique qui permet de déterminer une valeur de vitesse à partir de la droite modèle.

La capsule se termine sur la présentation d’une démarche à la fois simple et rigoureuse pour convertir une vitesse exprimée en m/s en km/h (et inversement).

Cette capsule vidéo traite de la construction du vecteur vitesse et accélération, en prenant comme appui majeur les variations de vecteurs.

Ainsi, le vecteur déplacement et la chronophotographie sont envisagés comme des entrées privilégiées pour aborder le vecteur vitesse. Ces deux vecteurs sont envisagés dans ce qu’ils ont de commun (tangents à la trajectoire) mais aussi de spécifiques (grandeurs de différentes natures). L’outil numérique, en particulier le langage Python, se révèle d’une grande pertinence pour déterminer et représenter ces vecteurs selon une approche discrète.

De même, les vecteurs variation de vitesse et accélération sont introduits via l’étude du mouvement d’un projectile lancé dans le champ de pesanteur. Pour construire le vecteur variation de vitesse, la méthode dite « du point d’après » et celle dite « symétrique » sont abordées : bien que théoriquement équivalentes, l’une se révèle plus utile pour faire le lien avec la définition courante de la dérivée, tandis que l’autre est plus performante expérimentalement.

Enfin une démarche est proposée pour déduire numériquement (approche continue) les vecteurs vitesse et accélération des coordonnées du vecteur position modélisées à partir d’un pointage.

L’ensemble propose une progressivité particulièrement adaptée aux niveaux seconde, première et terminale, via plusieurs approches permettant de traiter les valeurs expérimentales tout en prenant en compte l’introduction de la notion de dérivée.

Dans cette capsule, on met l’accent sur le lien subtil qui existe entre la variation du vecteur vitesse et le vecteur force.

Pour cela, on s’appuie sur trois préconceptions erronées des élèves à ce sujet : 1. « s’il n’y a pas de mouvement, il n’y a pas de force », 2. « si la force constante, le mouvement aussi » et 3. « si des trajectoires sont différentes, c’est que les forces en jeu sont différentes ».
En s’appuyant sur des expériences simples, des pistes sont proposées pour faire de ces difficultés des leviers d’apprentissage.

Des visualisations originales sont aussi proposées : caméra selon trois axes de projections pour illustrer le principe d’inertie, ou encore animation de la trajectoire d’un objet pour une même position initiale, mais avec des vecteurs vitesse initiale différents.