MASTER 2 RECHERCHE DIDACTIQUE, EDUCATION ET MEDIATION DES SCIENCES UNIVERSITE JOSEPH FOURIER

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1 MASTER 2 RECHERCHE DIDACTIQUE, EDUCATION ET MEDIATION DES SCIENCES UNIVERSITE JOSEPH FOURIER ANALYSE DES SAVOIRS ISSUS DU CHAMP THEORIQUE MIS EN JEU LORS DE LA CONCEPTION D'UN PROTOCOLE EXPERIMENTAL PAR LES ELEVES. CAS D'UN TP D'ELECTRICITE SUR LES REGIMES TRANSITOIRES Mémoire souenu le 17 juille 2007, par Tinh Ha TRUONG Jury : Muriel NEY Claire WAJEMAN Daniel LACROIX Alain BIREBENT

2 REMERCIEMENTS Je iens à remercier ou spécialemen Claire Wajeman, qui a dirigé mon ravail, avec oue sa disponibilié, sa paience, sa genillesse, e son ouverure d espri dans nos discussions. Je voudrais remercier sincèremen Paricia Marzin, Isabelle Giraul, Muriel Ney e Cédric d Ham, membres de l équipe MeTAH, pour leur bonne humeur e leurs précieux conseils. Je pense aussi aux enseignanes e enseignans du programme de Maser2 : Annie Besso, Denise Grenier, Alain Bireben, Jean-Claude Guillaud, Nicolas Balacheff, Hamid Chachoua,... Mes remerciemens von égalemen à Marine Biau, enseignane au lycée Claude Bernard à Villefranche sur Soane e Gilles Baudran, enseignan de physique au lycée Marie Curie d Echirolles pour leur aide e le emps qu ils m on consacré. Merci égalemen à Clémen, François, Gwenda, Ahme, Trung, e Huong pour ces longues discussions enrichissanes. J adresse mes remerciemens à la région Rhône-Alpes (France) qui m a offer une bourse de mobilié MIRA. Avec cee aide précieuse, j ai pu erminer mon programme de Maser2 Recherche ICA/DEMS. Enfin je remercie à ous les membres de ma famille au Vienam pour leurs encouragemens.

3 TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE I: INTRODUCTION. 1 CHAPITRE II: SITUATION PEDAGOGIQUE : TP SUR LES REGIMES TRANSITOIRES... 5 II.1 Choix d'un suje... 5 II.2 Programme d enseignemen d élecricié à l Universié Pédagogique d Ho Chi Minh ville au Vienam (UP)... 5 II.3 Consrucion d'une siuaion pédagogique... 6 II.4 Cadres héoriques e expérimenales en physique... 7 II.4.1 Cadre héorique en physique... 7 II.4.2 : Cadre expérimenal en physique... 8 CHAPITRE III : MODELES THEORIQUES & PROTOCOLES DE REFERENCE... 9 III.1 Savoirs héoriques en jeu Modèles physiques... 9 III.1.1 Le circui (R,C) e (R,r,C)... 9 III.1.2 Le circui (R,L) e (R,r,L) III.2 Proocoles de référence III.2.1 Proocole de référence du circui (R,r,C) III.2.2 Proocole de référence du circui (R,C) CHAPITRE IV : MOBILISATION DES MODELES ET SAVOIRS THEORIQUES LORS DE LA CONCEPTION DU PROTOCOLE DE REFERENCE (ANALYSE A PRIORI) IV.1 Inroducion IV.2 Méhodologie IV.3 Mise en évidence e analyse des savoirs héoriques en jeu lors de la concepion du proocole IV.3.1 Idenificaion des relaions enre les différens habias IV Décomposiion du proocole en éapes e en âches IV Présenaion du ableau IV Première analyse du ableau en foncion des grandes éapes du proocole IV.3.2 Analyse déaillée des relaions enre le proocole, la concepion e I mod (I elec ) IV Analyse de l éape A IV A Analyse globale de l éape A IV B Analyse déaillée de l éape A IV Analyse de l éape B IV A : Analyse globale de l éape B IV B : Analyse déaillée de l éape B IV Analyse de l éape C... 47

4 IV A : Analyse globale de l éape C IV B Analyse déaillée de l éape C IV.4 Conclusions CONCLUSION & PERSPECTIVE BIBLIOGRAPHIE ANNEXE... 59

5 Chapire I : INTRODUCTION Dans l enseignemen des sciences expérimenales, les ravaux praiques (TP) on un rôle imporan qui varie en foncion du niveau d enseignemen. Les objecifs d'apprenissage les plus ciés par les éudes sur le proje européen qui a éé dirigé par Tiberghien e al. son : + Comprendre la héorie (les conceps, les modèles e les lois) décrie dans les manuels ou dans les cours magisraux. + Apprendre la héorie. + Réaliser des manipulaions pour acquérir des compéences expérimenales. + Apprendre les processus expérimenaux pour êre capable de les appliquer dans une aure siuaion ou dans un conexe différen. + Apprendre les méhodes uilisées par les expers. (Séré e al., 2002) Ce proje européen se concenre sur l uilisaion de TP dans l enseignemen de la physique, chimie e biologie pour les élèves au lycée e les éudians des 2 premières années à l universié. Il a éé réalisé pour 7 pays européens. Les bus du proje son de clarifier e différenier les objes d apprenissage de TP, de conduire les informaions inerrogées sur la srucure du sysème d éducaion, le programme d enseignemen, la durée d enseignemen les sciences de chaque pays. A parir de ces informaions, on peu proposer les ypes de TP qui son plus efficaces pour permere aux élèves d évoluer. Ces poins de vue son paragés par plusieurs recherches inernaionales : «These experimens should simulae sudens o hink independenly, learn how o organize and analyze daa, make asserive decisions, and draw conclusions based on observaions and facs he elemens vials for good laboraory expericences» (Llyoyd and Spencer, 1994; Wilson and Sensvold, 1991; Schamel and Ayres, 1992, ciés dans Arce e Beancour, 1997) De plus, les TPs son aussi demandés pour le bac e les concours de recruemen. Les TP son donc une parie imporane de l enseignemen des sciences expérimenales de l'enseignemen secondaire e à l universié. (Tiberghien e al., 2000 ; Tadjeddine e al.,1995). Malgré les divers objecifs courans envisagés pour les TP (ciés ci-dessus), la réalié des siuaions d'enseignemen de TP répond à diverses conraines concrèes : les objecifs des programmes d enseignemen, les compéences des élèves, le maériel expérimenal disponible, le emps didacique,... Ainsi, les enseignans doiven choisir un ype de TP qui réponde de manière appropriée à ces conraines. À côé des siuaions radiionnelles de TP, plusieurs ravaux 1

6 proposen des ypes de TP différens. Un des axes de recherche proposé concerne la procédure expérimenale e son apprenissage. «...i would be useful o ransform he labshees in order o make sudens conscious of he adapaion of he experimen o he consrains of measuremen.», «To mee he desire of auonomy voiced by sudens and fel by eachers, i can be surmised ha one of he problems is he eaching of procedures. This supposes giving up he idea ha procedures have jus o be experienced o be learn.» (Séré e al., 2002) Dans le même axe de recherche, l équipe MeTAH (Modèles e Technologies pour l Apprenissage Humain - Grenoble) propose aussi l hypohèse : «we assume ha he design of experimen could play an imporan role in he learning process of experimenal sciences, since i allows learners o handle he whole process of science inquiry, and should help hem o improve heir performance in mos sages of he process.» (Wajeman e al., 2005). En parallèle avec les recherches sur l éape de concepion du proocole requis lors de la réalisaion d un TP, MeTAH propose une définiion du proocole e des hypohèses concernan la l'acivié de concepion d'un proocole : «un proocole expérimenal es une lise ordonnée de âches expérimenales don l objecif es de déerminer des valeurs spécifiques en relaion avec les hypohèse scienifiques qui sous-enden le proocole» e «la concepion d un proocole expérimenal implique la prise en compe du problème iniial, des hypohèses proposées e du maériel uilisable». (d Ham e al., 2005). Nore ravail dans la même orienaion de recherche es concenré sur l éape de concepion du proocole d un TP élecrique consrui par des élèvesenseignans. L'acivié pédagogique proposée aux élèves a pour objecif de leur faire concevoir le proocole du TP poran sur les régimes ransioires créés par des dipôles élecriques conenus dans un circui élecrique; nous nous inéressons aux aller-reours enre les modèles physiques e le proocole lors de sa concepion. Nous nous inéressons aussi à l hypohèse suivane : «La âche de consrucion de proocole perme aux apprenans de consruire des connaissances procédurales, en mean en relaion leurs connaissances héoriques avec les âches praiques, y compris dans les aspecs les plus echniques» du proje CoPEX - MeTAH. En plus, ce ravail de mémoire es la première recherche d un programme de coopéraion qui es en rain de se mere en place enre l équipe MeTAH du LIG (Laboraoire d Informaique de Grenoble - France) e le Déparemen de Physique de l Universié Pédagogique d Ho Chi Minh ville, Vienam (UPHCM). Ce programme a des objecifs à la fois sur le plan de la recherche en didacique de la Physique, de la formaion à la recherche dans ce domaine e sur le plan de la formaion expérimenale des enseignans de Physique du secondaire. 2

7 Apprendre à concevoir un proocole expérimenal devrai permere d éablir des liens enre le problème posé, les modèles héoriques uilisés, les savoirs requis e les résulas d expérimenaion obenus. Les recherches sur la concepion d un proocole expérimenal conribuen donc profondémen dans le cadre de formaion à l UPHCM. Pour un enseignan, la consrucion du proocole d une expérience consiue la première éape de la concepion d un TP ou d une expérience de cours : elle me en jeu sa capacié à mere au poin l expérience en cohérence avec des objecifs scienifiques e de réalisaion d une par, d enseignemen ou apprenissage d aure par. Pour le fuur enseignan, apprendre à mere au poin une expérience es donc indispensable pour sa praique fuure. Nore invesigaion conien les grandes paries suivanes : Parie 1 : Siuaion pédagogique : en analysan les programmes d enseignemen de la Physique au lycée e à l Universié au Vienam, nous consruisons une ingénierie didacique sur un TP sur le régime ransioire. Nous posons aux élèvesenseignans des quesions d invesigaion e consruisons des conraines sur le disposiif expérimenal pour le TP. Parie 2 : Analyses des savoirs : cee parie concerne le cadre héorique didacique uilisé, les modèles héoriques du phénomène physique de régime ransioire, un proocole exper de référence... Lors de l acivié de concepion du proocole du dipôle, des savoirs dans le champ des héories e modèles von êre uilisés par les élèves. Nos quesions de recherche son : Quels savoirs dans le champ des héories e modèles von êre mobilisés lors de l'acivié de concepion du proocole? Quand e commen son-ils mobilisés? Pour répondre à ces quesions, nous recherchons les savoirs héoriques qui inerviennen dans le proocole du TP e dans l acivié de concepion du proocole. Ensuie, nous analysons les relaions e foncionnemens de ces savoirs dans le champ des héories e modèles, dans le proocole du TP e le champ expérimenal. Dans un premier emps, nous nous concenrons pluô sur les relaions allerreour enre le champ héorique e le proocole. 3

8 Champ des héories e modèles Le proocole du TP e sa concepion Champ des objes e événemens Schéma I.1 : Nous nous concenrons à éudier les relaions enre le champs des héories/modèles e le proocole du TP/la concepion du TP. Nous nous appuyons aussi sur la héorie anhropologique de Yves Chevallard (Chevallard, 1985) e l analyse écologique pour analyser des rôles e des lieux des savoirs du champ des héories e modèle qui inerviennen dans le proocole e l acivié de la concepion du proocole. En analysan le proocole du TP sous le poin de vue des âches, nous choisissons égalemen le modèle d arbre de âches proposé par l équipe SEED. 4

9 Chapire II : SITUATION PEDAGOGIQUE : TP SUR LES REGIMES TRANSITOIRES II.1 Choix d'un suje : Ce mémoire es réalisé comme la première éape d un programme de coopéraion enre l équipe MeTAH du LIG (Laboraoire d Informaique de Grenoble - France) e le Déparemen de Physique de l Universié Pédagogique d Ho Chi Minh ville au Vienam (UP). Pour iniier cee éude, nous avons choisi un suje qui es rès proche des recherches de l équipe MeTAH. Le proje CoPEX (Concevoir des proocoles pour apprendre les sciences expérimenales), lancé par l équipe MeTAH, a objecif de concevoir un EIAH (Environnemen informaique pour l Apprenissage humain) pour la consrucion du proocole par les élèves dans le processus expérimenal. Avan d aeindre l EIAH pour ce bu, MeTAH doi réaliser les recherches imporanes sur le proocole expérimenal e l acivié de la concepion du proocole. Une des recherche au sein de l équipe es de consruire le proocole dans le domaine de la physique, en pariculier, une ingénierie a éé conçue pour faire concevoir le proocole par des élèves de erminale dans le bu de visualiser le régime ransioire d un dipôle élecrique (C ou rl ou r ). Nous orienons nore éude dans ce mémoire vers le même suje de TP. L'objecif de ce mémoire es de mere en relaion les savoirs héoriques dans le proocole expérimenal e lors de l acivié de sa concepion quand les élèves consruisen le proocole pour un TP sur régime ransioire d un dipôle élecrique. Grâce aux recherches sur le rôle de la démarche expérimenale dans l enseignemen des sciences expérimenales, nous connaissons les compéences d apprenissage que les ravaux praiques apporen aux élèves. Par conre, on manque de recherches sur les relaions éablies lors du processus de consrucion le proocole du TP. C es une orienaion de recherche qui es applicable pour la formaion des élèves-enseignans de nore universié. En plus, les sujes d élecricié son une grande parie de nore programme d enseignemen aux deux premières années (environ 90 séances/an, 45 minues/séance). Nous nous proposons ici de consruire une acivié de concepion d'un proocole expérimenal par des élèves-enseignans : l'objecif donné aux élèves es de visualiser le régime ransioire e d'esimer les valeurs des composans expérimenaux d un dipôle. II.2 Programme d enseignemen d élecricié à l Universié Pédagogique d Ho Chi Minh ville au Vienam (UP) Nous présenons en bref le programme d enseignemen d élecricié à l UP qui es mis en praique par le manuel Physique Générale Tome 2 : Elecricié- Oscillaions-Ondes (LUONG, 2003). La discipline d élecricié es enseignée 5

10 pendan les deux premières années, la durée de formaion oale éan de quare ans. Nos éudians on passé un concours pour suivre leurs éudes à l UP. Aux deux premières années, ils apprennen la physique générale où l élecricié joue un rôle imporan. Ce rôle es présené par une grande parie dans le emps d enseignemen e des TPs. Pour l élecricié, les éudians on chaque année environ 90 séances comprenan des cours héoriques e des TPs. Ils suiven ces séances pour acquérir les connaissances de base sur l élecricié, an la noion du poin de charge que les héories de Maxwell. Pouran, la noion du régime ransioire n exise pas expliciemen comme un cours indépendan, nous exrayons ici une parie du programme qui conien la noion du régime ransioire :... Chapire 11 : Capacié d un obje isolé. Capacié du condensaeur. Energie du champ élecrique. Chapire 12 : Polarisaion d'un diélecrique. Veceur polarisaion dans un diélecrique.... Chapire 32 : Phénomène d inducion. Loi de Lenz. Chapire 33 : Loi de Faraday. Chapire 34 : Phénomène d auo-inducion. Energie du champ magnéique. Chapire 35 : Circui du couran AC de RLC en série. Puissance du couran AC. Chapire 36 : Oscillaions élecriques. En résolvan les exercices dans les chapires 11, 34 e 35, les éudians seron confronés avec l accroissemen ou la diminuion progressive de grandeurs physiques comme la ension ou l inensié d un circui élecrique. Pour nore éude, nous avons du créer un polycopié de ce nouveau cours pour nos éudians. Ce nouveau cours es présené dans le chapire III de ce mémoire. Il comprend les savoirs héoriques en jeu pour le régime ransioire provoqué par un dipôle conenan un condensaeur (C) ou une bobine (L). II.3 Consrucion d'une siuaion pédagogique Nous consruisons dans cee éape une siuaion pédagogique que nous allons proposer aux éudians. Après l apprenissage du chapire 35 - Circui du couran AC de RLC en série. Puissance du couran AC - les éudians von pariciper dans une séance expérimenale sur le régime ransioire d un dipôle. Les quesions qui leur seron posées son: «Consruire un proocole pour visualiser le régime ransioire e esimer les valeurs des composans expérimenaux d'un dipôle». 6

11 Ils son cadrés par les conraines des disposiifs expérimenaux, les héories apprises e les cadres expérimenaux. Nous allons dégager les éapes du ravail qui leur sera demandé. Voici le problème e la quesion posés à nos éudians pour le TP: Objecif du TP : Consruire un proocole expérimenal pour visualiser le régime ransioire e esimer les valeurs des composans expérimenaux d'un dipôle. Vous connaissez les composans de chaque dipôle : soi un condensaeur (C), soi un condensaeur associé en série avec un conduceur ohmique (r,c), soi une bobine (L), soi une bobine associée en série avec un conduceur ohmique (r,l). Les caracérisiques physiques des composans d'un dipôle son comprises dans un inervalle de valeurs connu : Condensaeur : C enre 100µF e 1000µF Bobine : L enre 4mH e 0,1H Conduceur ohmique ajoué : r enre 5Ω e 120Ω Conduceur de proecion : R=100 Ω Sur vore paillasse, vous pouvez uiliser n impore quel disposiif, parmi les élémens suivans : Lise de résisances Lise de condensaeurs Lise de bobines Alimenaions coninue Fils Plaque à réseau Inerrupeurs e commuaeurs Care d acquisiion + e logiciel CassyLab insallé dans l ordinaeur. II.4 Cadres héoriques e expérimenales en physique II.4.1 Cadre héorique en physique : Il y a des connaissances requises pour que les éudians puissen réaliser ce TP. Nous présenons ici le cadre héorique en physique pour nos éudians : 7

12 Savoir sur les lois de base de l'élecricié comme la loi des mailles e la loi d Ohm : il es indispensable pour comprendre le foncionnemen d'un circui e expliquer le comporemen de l inensié du couran e de la ension. Les modèles héoriques des dipôles (C) e (L) son connus dans les cours héoriques que nous avons créés dans le polycopié présené au chapire III. Avan la séance de TP, nos éudians ne disposeron que des modèles du dipôle simple (soi C, soi L); il devrai donc leur êre nécessaire de développer les modèles plus complexes (soi rc soi rl) à parir du modèle connu du dipôle, pour résoudre les quesions posées par le TP. Savoirs sur le régime ransioire e les foncions des condensaeurs, des bobines e des conduceurs ohmiques : ce son les connaissances requises pour qu'un éudian puisse concevoir un proocole expérimenal e réaliser le TP. Savoir résoudre les équaions différenielles e les uiliser pour un circui avec (r,c) ou (r,l). II.4.2 Cadre expérimenal en physique Pour nore éude, nous posons quelques conraines sur les disposiifs e les indicaions données aux éudians pour favoriser l acivié de consrucion du proocole demandé. Les élèves-enseignans connaissen les composans conenus dans les dipôles qui leur son proposés, mais ils ne saven pas les valeurs exaces des grandeurs physiques caracérisiques. La valeur de chaque grandeur caracérisique d un dipôle es délimiée dans un inervalle de valeurs. Uiliser les deux bornes d un dipôle : les manipulaions son faies seulemen sur les deux bornes d un dipôle quelconque. Cela veu dire que nos éudians ne peuven pas uiliser un appareil de mesure pour mesurer direcemen les grandeurs physiques des composans. La valeur de la résisance addiionnelle R add (conraine de sécurié du maériel) es donnée; c es 100Ω. Les maériaux expérimenaux disponibles: lise de résisances, de condensaeurs, de bobines; alimenaion coninue, fils, inerrupeurs, commuaeurs, care d acquisiion + CassyLab. Les éudians son fournis des composans expérimenaux nécessaires sur leur paillasse. Ne pas uiliser un GBF, Oscillo, Ohmmère. Savoir uiliser la care d acquisiion e le logiciel CassyLab. 8

13 CHAPITRE III : MODELES THEORIQUES ET PROTOCOLES DE REFERENCE III.1 Savoirs héoriques en jeu Modèles physiques Nous présenons ici les modèles physiques pour expliquer les phénomènes physiques qui exisen dans les circuis élecriques. Pour les élèves, les phénomènes physiques peuven-êre explicies à observer ou comprendre mais le modèle héorique d explicaion n es pas oujours valable, c es-à-dire, il es implicie ou caché. Nos élèves von perdre les liens nécessaire enre les modèles héoriques e les phénomènes physiques. Donc, le exe qui sui à pour objecif d'explicier les modèles physiques du phénomène ransioire dans les cas classiquemen enseignés de la charge e de la décharge d un condensaeur ou de l éablissemen e de l inerrupion du couran dans un circui conenan une bobine. Nous choisissons de donner à ces connaissances du champ héorique, une forme proche de celle enseignée classiquemen en élecricié au Lycée e à l'universié qui nous serve de référence pour nore analyse ulérieure. Ces modèles son irés e compléés des manuels de lycée français (Durandeau e al., 1995) e des cours magisraux des premières années à l Universié (David e al., 2003 ; Luong, 2003). Les connaissances requises son celles des lois de l élecricié e de la résoluion des équaions différenielles. Pour les circuis qui coniennen un condensaeur ou une bobine, l inensié dans le circui e la ension aux bornes du dipôle, on des comporemens différens. De plus ces deux grandeurs évoluen au cours du emps lorsqu on me le circui sous ension (ou hors ension) avan d aeindre des valeurs consanes : cee évoluion s appelle «le régime ransioire» e précède «le régime permanen» qui es sable. III.1.1 Le circui (R,C) e (R,r,C) : On va considérer un circui qui conien un condensaeur (C) e un conduceur ohmique (R) comme dans le schéma suivan: 9

14 Figure III.1: Le schéma du circui de charge Quand le commuaeur es à la posiion 1, nous avons un circui de charge du condensaeur C. L élecriques von s accumuler sur les armaures de C e le condensaeur va se charger progressivemen. Pendan cee charge, l éablissemen de la ension aux bornes du condensaeur n es donc pas insananée, c'es ce qu'on appelle le régime ransioire. Lorsque la ension aein une valeur sable si nous basculons le commuaeur sur la posiion 2, le condensaeur va se décharger. La ension aux bornes de C va décroîre progressivemen e obien la valeur nulle. Le régime ransioire donc aussi apparaî. Pour mieux comprendre le phénomène du régime ransioire, on va considérer le modèle du phénomène pour ce circui. Quand on charge le condensaeur, d'après la loi d Ohm, on a: E= U + U q E= ir+ C dq q E= R + d C dq q R + = E d C Donc, l équaion différenielle (l équaion de la charge) es dq q E + = d RC R La soluion générale de cee équaion différenielle prend la forme : ( ) p AB RC BD p q = q + Ke = q + Ke τ 10

15 Où q p es une soluion pariculière de l équaion différenielle. K es une consane à évaluer en foncion des condiions iniiales. τ = RC es appelée consane de emps du dipôle (R,C) e elle s exprime en seconde (s). La consane τ donne l ordre de grandeur de la durée de charge. dq Pour déerminer la valeur de q p, on pose que = 0 (la condiion finale selon la d quelle aucune charge addiionnelle ne s ajouera) e que q= q On obien : qp = CE Afin d évaluer K, on subsiue ce résula à l équaion e on obien ( ) q = CE+ Ke τ Au emps iniial = 0, il n y a pas de charge dans le condensaeur, donc q(0) = 0, on a: 0= CE+ K K = CE On obien donc la soluion générale : τ τ q( ) = CE 1 e = Q 1 e 1 q = CE 1 e 0,63. CE. Le condensaeur es - Après une durée égale à τ : τ ( ) chargé à 63% de sa charge maximale Q = CE. 5 - Après une durée égale à 5τ : τ ( ) q = CE 1 e 0,99. CE. Le condensaeur es chargé à 99% de cee charge maximale. A parir de cee dae, on peu voir que la charge du condensaeur sera sable e le régime permanen va remplacer le régime ransioire. La ension aux bornes du condensaeur: q( ) τ u( ) = = E 1 e C - Au emps iniial, =0, u(0)=0. On peu expliquer cee soluion en physique comme sui : au momen de basculemen du commuaeur (que l'on considère comme =0), le condensaeur es déchargé, donc la ension aux bornes de ce condensaeur es nulle. - Quand ends vers l infini, u() ends vers la valeur maximale de ension E e la ension aux bornes rese consane. p 11

16 Figure III.2 : La ension aux bornes du condensaeur s'accroî progressivemen dans la phase de chargemen L inensié du couran évolue en foncion du emps suivan l'équaion : dq ε τ τ i( ) = = e = I0e d R ε À la dae =0, l inensié du couran prend la valeur maximale I0 =. R L inensié du couran décroî de plus en plus lenemen pour endre vers zéro lorsque le condensaeur es chargé. Figure III.3 : L inensié du couran décroî lenemen vers zéro lorsque le condensaeur es chargé. Nous voyons que dans un circui (R,C), la ension aux bornes du condensaeur ne varie pas brualemen e la charge ne subi pas de disconinuié. Donc, on obien le régime ransioire dans le circui. Quand le condensaeur es chargé, le régime permanen va remplacer le régime ransioire. 12

17 Après basculemen du commuaeur sur la posiion 2, nous avons la décharge pour le condensaeur. Dans ce cas, le couran a changé de sens lors de la décharge, il es donc négaif. Figure III.4: Le circui de décharge. L équaion de la décharge es : dq q R + = 0 d C La soluion es la suivane : q( ) q A =0, q(0)=q 0, on a ( ) 0 = Ke τ = Q e τ (la décharge d un condensaeur), où Q 0 es la charge de dépar du condensaeur. Dans ce cas, τ indique l ordre de grandeur de la durée de décharge. L inensié dans le circui es : dq Q0 τ i( ) = = e d RC 13

18 Figure III.5 : L inensié du couran ends vers zéro La ension aux bornes du condensaeur: q( ) Q 0 τ u( ) = = e = U0e C C q o Où U 0 = es la ension iniiale au débu de la décharge. C τ Figure III.6 :La ension aux bornes du condensaeur décroî vers zéro. Le fai que la ension décroî lenemen monre que le régime ransioire apparaî aussi lors de la décharge. Pour aller plus loin, nous considérons la ension aux bornes d un dipôle conenan un condensaeur (C) e un conduceur ohmique (r). Ce dipôle es associé en série avec un deuxième conduceur ohmique (R) du circui. 14

19 Uilisons le schéma suivan: Figure III.7 : Le schéma du circui d un dipôle (r,c) associé en série avec un conduceur ohmique R. On va rouver le modèle héorique pour modéliser la ension du dipôle (U BD ) qui conien un condensaeur C e une résisance ohmique r. En uilisan la loi d Ohm pour le circui, on a l équaion suivane: E= u = u + u AB AD DB q E= ir+ ir+ C q E= i( R+ r) + C dq q ( R+ r) + = E d C dq q E + = d R r C R r ( + ) ( + ) De façon similaire aux résoluions ci-dessus, on obien la soluion finale: q( ) = CE 1 e τ τ = R+ r C Où ( ) E l inensié du couran: ( ) i dq E = = d R r Nous cherchons l équaion de la ension U DB ( + ) e τ 15

20 u DB q = ir+ C r τ τ = Ee + E 1 e R+ r R τ = E 1 e R+ r La soluion ci-dessus es le modèle mahémaique de la ension aux bornes d un dipôle conenan un condensaeur C e un conduceur ohmique r. R r Au emps iniial =0, udb( 0) = E 1 = E R+ r R+ r Quand le emps ends vers l infini, u DB va s'approcher de la valeur maximale E de façon asympoique. Figure III.8 :La ension aux bornes du dipôle s accroî d une valeur iniiale On voi à la différence du modèle héorique de la ension aux bornes d un seul condensaeur présené précédemmen que la ension aux bornes du dipôle conenan un condensaeur e un conduceur ohmique prend une valeur non-nulle à = 0, dès le débu de la charge. La ension s'accroî à parir d une valeur iniiale non-nulle. R τ Nous noons que udb( ) = E 1 e es l'expression algébrique dans R+ r un cas plus général de la ension du dipôle; ainsi on rerouve l'expression RC algébrique du cas précéden en posan r= 0, udb( ) E 1 e =. 16

21 On va raier de même façon la phase de décharge. On a l équaion de décharge : q ir+ ir+ = 0 C dq q ( R+ r) + = 0 d C dq q + = 0 d R+ r C On obien la soluion : ( ) ( ) 0 R r C ( ) q Q e + = Avec Q o, la charge iniiale du condensaeur τ = R+ r C es la consane de emps du dipôle. On pose ( ) L inensié du couran dans le circui es : ( ) i = Q0 e r C ( R+ ) τ Figure III.9: L inensié du couran ends vers zéro par valeurs négaives La ension aux bornes du dipôle es : 17

22 q u= ir+ C q0r q τ 0 = e + e R r C C ( + ) R q 0 τ = e R+ r C A l'insan =0 du basculemen de l'inerrupeur pour la décharge, la valeur R q0 iniiale de la ension es u( 0) = R+ r C Lorsque la décharge es finie, la ension aux bornes du dipôle es nulle. τ Figure III.10 : La ension aux bornes du dipôle ends vers zéro dans la phase de décharge. III.1.2 Le circui (R,L) e (R,r,L) : Mainenan, nous considérons le comporemen du couran dans un circui qui conien une bobine (L) quand on éabli ou inerromp le couran. Ce circui qui conien un conduceur ohmique de proecion (R) e une bobine (L) es schémaisé ci-dessous (figure 11). Quand nous basculons le commuaeur sur la posiion 1, nous éablissons le couran dans le circui. 18

23 Figure III.11 : Le schéma du circui conenan une bobine L e un conduceur ohmique R. Le couran commence à croîre dans le conduceur ohmique. S il n y avai pas d inducance, le couran croîrai rapidemen jusqu à la valeur consane E R. À cause de l inducance ouefois, une f.é.m. induie E L apparaî dans le circui. D après la loi de Lenz, cee f.é.m. s oppose à la croissance du couran, ce qui signifie qu elle s oppose en polarié à la f.é.m. E de l alimenaion. Le couran dans la résisance réagi à la différence enre les deux f.é.m., une f.é.m. E consane causée par l alimenaion e une f.é.m. variable E L ( = Ldi / d ) causée par l auo-inducion. Tan que E es présene, le couran dans le conduceur sera inférieur à E R. L Avec le emps, le aux de croissance du couran diminue e la f.é.m. d auoinducion, qui es proporionnelle à la variaion de l'inensié du couran di d, diminue égalemen. Le couran dans le circui s'approche donc de la valeur E R de façon asympoique. C es le régime ransioire. D après la loi d Ohm di L Ri E d + = On obien la soluion de cee équaion différenielle R E E L i 1 e τ τ = 1 e I 1 e R = = R L Où τ = es la consane de emps du dipôle (R,L) R Au momen d éablissemen du couran, =0, i= 0 Quand le emps ends vers l infini, i va endre vers la valeur maximale I = E R 19

24 Figure III.12 :L inensé va accroîre progressivemen dans le circui La ension aux bornes de la bobine es proporionnelle à la dérivée de l inensié i par rappor au emps. di τ u= L = Ee d Au momen du basculemen de l'inerrupeur en posiion 2, à =0, u= 0 Quand le couran es éabli, c es-à-dire i =ce, la ension va s'approcher de zéro. Figure III.13 : La ension aux bornes de la bobine lors de l éablissemen du couran. 20

25 Quand on bascule le commuaeur sur la posiion 2, le couran circulan dans le circui s annule progressivemen. À cause de l auo-inducion, une f.e.m. d auo-inducion apparaî e s oppose à la diminuion de l inensié du couran. Figure III.14 : Le schéma quand on bascule le commuaeur sur la posiion 2. Lorsque que la source de ension es coupée, nous avons l équaion suivane : di L Ri 0 d + = Le couran décroî dans le circui E τ i( ) = e R L inensié décroî avan de s annuler. Au momen de la coupure du couran =0, l inensié du couran obien i( 0) = E. R Figure III.15 : L inensié décroî progressivemen dans le circui. La ension aux bornes de la bobine es : ( ) u = Ee τ Cee ension s annule progressivemen quand le emps ends vers l infini. 21

26 Figure III.16: La ension aux bornes de la bobine lors de la rupure du couran. Pour obenir un modèle plus général, nous allons ajouer un conduceur ohmique (r) dans le dipôle e considérer le comporemen du couran dans le circui. Nous nous inéressons aussi la ension aux bornes du dipôle qui conien une bobine e un conduceur ohmique. Figure III.17 : Le schéma du dipôle conenan une bobine L e un conduceur ohmique r. Pour l inensié du couran, on a une équaion similaire au cas du dipôle L sans résisance r: 22

27 Donc la soluion es : Où τ = L ( R+ r) di L + Ri+ ri= E d ( R+ r) di E + i= d L L ( ) i E ( ) 1 τ = e R+ r L éablissemen du couran n es pas insanané. Le couran va accroîre E progressivemen jusqu à la valeur maximale I = R+ r ( ) Figure III.18 : L éablissemen du couran dans le circui. La ension aux bornes du dipôle (qui conien une bobine L e un conduceur ohmique r) u DB es la somme de deux ermes : - Une chue de ension ohmique ri dans le conduceur ohmique du dipôle. di - Une ension L proporionnelle à la dérivée de l inensié i par rappor au d emps. ( ) ( ) di udb = ri + L d 23

28 E τ udb( ) = r 1 e + Ee ( R+ r) re RE = + e ( R+ r) ( R+ r) Quand le couran es éabli, i= ce, udb = ri : la bobine se compore comme un conduceur ohmique. C es le cas pour les bobines réelles don la résisance r n'es pas nulle. u 0 = E. Puis quand Au momen de la mise sous ension, à =0, ( ) l inensié es éabli, la ension du dipôle end vers la valeur τ τ DB u DB min = re ( R+ r) Figure III.19 : La ension aux bornes du dipôle conenan une bobine L e un conduceur ohmique r lors de l éablissemen du couran dans le circui. Pour la rupure du couran (lorsqu on bascule le commuaeur sur la posiion 2), on obien l équaion du couran : 24

29 Figure III. 20 : Le commuaeur es basculé sur la posiion 2 pour couper le couran On obien la soluion pour i di L + Ri+ ri= 0 d ( R+ r) di + i= 0 d L ( ) i = E ( R+ r) e τ Figure III.21 : L inensié décroî avan de s annuler La ension aux bornes du dipôle es présenée par l équaion suivane: di udb( ) = ri+ L d E τ τ u = r e Ee DB = ( ) R ( R+ r) ( R+ r) Ee τ 25

30 Figure III.22 : La ension u DB aux bornes du dipôle décroî progressivemen III.2 Proocoles de référence Le proocole es le frui du ravail que nous demandons aux élèves. Cee demande es : «Consruire un proocole pour visualiser le régime ransioire e esimer les valeurs des composans expérimenaux d'un dipôle». Le proocole expérimenal es défini comme «une lise ordonnée de âches expérimenales don l objecif es de déerminer des valeurs spécifiques en relaion avec les hypohèse scienifiques qui sous-enden le proocole» (d Ham e al., 2005). Pour nore éude, nous présenons ici 2 proocoles de référence pour les cas des circuis (R,r,C) e (R,C). Dans la suie de ce mémoire, nous allons analyser les relaions enre le champs des héories/modèles e ces proocoles pour monrer commen les savoirs héoriques inerviennen e son mobilisés lors de la concepion de ces proocoles expérimenaux. 26

31 III.2.1 Proocole de référence du circui (R,r,C) 1. Faire le monage - Réaliser le monage ci-dessous Figure III.23 : Schéma du monage avec le dipôle (r,c) e la care d acquisiion. Avec les valeurs suivanes : Une source coninue de ension E=5V Un conduceur ohmique R=100Ω Le dipôle (r,c) : un condensaeur C associé en série avec un conduceur ohmique r. - Brancher la voie A1 de la care d acquisiion sur la borne + du dipôle (poin D) e à la masse (poin B). 2. Régler le logiciel - Démarrer le logiciel Cassy Lab. - Choisir l enrée A1 sur le panneau Paramérages apparaî sur l écran. - Au panneau Paramérages enrée du capeur, choisir Grandeur : Tension U A1. - Au panneau Paramères de mesure, choisir les paramères suivans : Relevé auomaique Décl : U A1 0,03 V Ascenden Tps de mes. : 220ms. 3. Réaliser des manipulaions - Décharger le dipôle en mean le commuaeur K en posiion 2. - Déclencher l'enregisremen sur Cassy (ouche le bouon F9 sur le clavier) - Mere ensuie le commuaeur en posiion 1. 27

32 - Observer l allure de la courbe de ension du dipôle sur l écran de l ordinaeur. Si la courbe es rop bruiée, essayer d obenir la forme la plus lisse possible en répéan les éapes ci-dessus. - Enregisrer la courbe dans un fichier. 4. Traier des données - Déerminer la consane de emps du dipôle Tracer la angene à l origine de la courbe. Pour ce faire, cliquer dans le graphe avec le bouon droi de la souris, sélecionner Foncion de modélisaion puis Droie de régression e procéder ensuie au marquage d une éroie porion de courbe au voisinage du poin d origine de la courbe. Ajouer une ligne asympoique avec la courbe en cliquan dans le graphe avec le bouon droi de la souris, sélecionner Placer une marque puis Ligne horizonale. Placer cee ligne asympoique sur la valeur maximale de la courbe. Le poin d inersecion enre la angene d inflexion e la ligne asympoique indiquerla valeur de la consane de emps τ. Pour déerminer exacemen le poin d inersecion, cliquer sur le bouon droi e choisir Afficher les coordonnés e posiionner ensuie le poineur de la souris sur le poin d inersecion. Figure III.24 : La courbe expérimenale e la angene à son origine. 28

33 Lire la valeur de au. - Déerminer la ension minimale aux bornes du dipôle en uilisan la foncion Afficher les coordonnés comme l éape précédene. Posiionner le poineur sur l origine du flanc gauche de la courbe. Lire la valeur de U min. - Calculer la résisance r : r= U min. R ( E U ) - Calculer la valeur de la capacié du condensaeur C. C= τ min ( R+ r) III.2.2 Proocole de référence du circui (R,C) 1. Faire le monage - Réaliser le monage ci-dessous Figure III.25 : Schéma du monage avec le dipôle (C) e la care d acquisiion. Avec les valeurs suivanes : Une source coninue de ension E=5V Un conduceur ohmique R=100Ω Le dipôle (C) : un condensaeur C. - Brancher la voie A1 de la care d acquisiion sur la borne + du dipôle (poin D) e à la masse (poin B). 29

34 2. Régler le logiciel - Démarrer le logiciel Cassy Lab. - Choisir l enrée A1 sur le panneau Paramérages apparaî sur l écran. - Au panneau Paramérages enrée du capeur, choisir Grandeur : Tension U A1. - Au panneau Paramères de mesure, choisir les paramères suivans : Relevé auomaique Décl : U A1 0,03 V Ascenden Tps de mes. : 220 ms. 3. Réaliser des manipulaions - Décharger le dipôle en mean le commuaeur K en posiion 2. - Déclencher l'enregisremen sur Cassy (ouche le bouon F9 sur le clavier) - Mere ensuie le commuaeur en posiion 1. - Observer l allure de la courbe de ension du dipôle sur l écran de l ordinaeur. Si la courbe es rop bruiée, essayer d obenir la forme la plus lisse possible en répéan les éapes ci-dessus. - Enregisrer la courbe dans un fichier. 4. Traier des données - Déerminer la consane de emps du dipôle Tracer la angene à l origine de la courbe. Pour ce faire, cliquer dans le graphe avec le bouon droi de la souris, sélecionner Foncion de modélisaion puis Droie de régression e procéder ensuie au marquage d une éroie porion de courbe au voisinage du poin d origine de la courbe. Ajouer une ligne asympoique avec la courbe en cliquan dans le graphe avec le bouon droi de la souris, sélecionner Placer une marque puis Ligne horizonale. Placer cee ligne asympoique sur la valeur maximale de la courbe. Le poin d inersecion enre la angene d inflexion e la ligne asympoique indiquer la valeur de la consane de emps τ. Pour déerminer exacemen le poin d inersecion, cliquer sur le bouon droi e choisir Afficher les coordonnés e posiionner ensuie le poineur de la souris sur le poin d inersecion. 30

35 Figure III.26 : La courbe expérimenale e la angene à son origine. Lire la valeur de au. - Calculer la valeur de la capacié du condensaeur C : C R τ = 31

36 CHAPITRE IV : MOBILISATION DES MODELES ET SAVOIRS THEORIQUES LORS DE LA CONCEPTION DU PROTOCOLE DE REFERENCE (ANALYSE A PRIORI) IV.1 Inroducion Dans cee parie de nore ravail, nous nous concenrons sur la mobilisaion des élémens du modèle du dipôle e des savoirs héoriques lors de la concepion du proocole de TP du dipôle. En appuyan sur la héorie anhropologie didacique e les analyses écologiques, nous recherchons des relaions enre différens habias de ces savoirs: les appariions e les rôles des élémens du champ héorique dans le proocole e sa concepion. IV.2 Méhodologie Nous recherchons d abord les ermes primiifs de la héorie anhropologique uilisés dans nos analyses. Dans nore cas, nous considérons les objes de savoirs O qui son des savoirs du régime ransioire (RT) à enseigner, des savoirs d élecricié acquis ou à acquérir par les élèves. Ces objes de savoir seron dégagés dans les éapes suivanes du ravail. Dans ces ravaux, les personnes X don on veu éudier le rappor au savoir son des fuurs enseignans. Ce son des éudians en 2 ème année à l Universié Pédagogique à Hochiminh ville au Vienam qui on passé un concours naional e suiven ensuie 4 ans d éudes. Les cours sur le régime ransioire n exisen pas dans le programme d élecricié à l UP, nous avons crée donc un polycopié de ce nouveau cours pour nos éudians. Nos analyses von porer sur ce polycopié que nous appelons l insiuion I mod. Mais on aura besoin de faire parfois référence à des connaisances d élecricié plus générales, c es l insiuion d élecricié - I elec. Il nous fau remarquer que les savoirs du cours sur le régime ransioire fon parie des savoirs élecriques, c es-à-dire I mod es conenu dans I elec. Le ravail réalisé dans ce chapire es de rechercher des élémens héoriques dans I mod ou I elec qui viennen dans le proocole (P) du TP du dipôle ou dans l acivié de concepion (A) 32

37 En uilisan l analyse écologique dans cee éude, nous recherchons l exisence des objes O dans différens habias de ces savoirs qui peuven inervenir dans la siuaion d enseignemen éudié: P, A, I mod e I elec. Proocole P Concepion du proocole A (ou A ) Champ héorique I elec Champ expérimenal I mod Figure IV.1 : Les savoirs héoriques viennen du champ héorique, I elec ou I mod von inervenir dans le proocole P ou la concepion A. Nous ravaillons aussi avec A qui es une approche de A consruie à parir de la jusificaion de P. Les habias P, I mod, I elec son clairemen définis : P e I mod dans ce mémoire (chapire III) e I elec peu-êre représené par des cours e manuels d élecricié uilisé à l UP. Dans nore éude nous ne nous ineressons pas précisémen à I elec e le champ expérimenal. Par conre, A fai parie des habias imporans pour nore éude mais comme il se refère à une acivié nouvelle, nous ne disposons pas d une descripion précise de A. Nous avons choisi d approcher A en inerrogean P : A peu-êre considéré comme une jusificaion de P puisque A ser à consruire P. On inerroge chaque âche de P avec les quesions suivanes : Pourquoi cee âche? Quel choix es fai? Pourquoi ce choix? Les réponses à ces quesions seron considérées comme consiuan une approche de A, que nous appelons A. Nous faisons l hypohèse que A décri A en parie. Méhodologie de l analyse a priori : 1. Décomposer le proocole de référence en âches e sous-âches. 2. Inerroger ensuie ces âches e sous-âches par des quesions comme : Pourquoi cee âche? Quel choix es fai? Pourquoi ce choix? Nous consruisons les réponses raisonnables à ces quesions (consrucion de A ). 3. Analyser les réponses e le proocole pour : a. Dégager les relaions enre A e I mod (I elec ) b. Poser les quesions écologiques. 33

38 4. Baser sur les éapes précédenes, nous posons des hypohèses sur les rappors personnels des élèves pour analyser leurs copies. Travail 0 Écrire le proocole de référence - P Travail 1 Décomposer en âches e sous-âches de P Travail 2 Pour chaque âche de P: Poser des quesions sur «le pourquoi» de la âche e répondre Travail 3 Rechercher les O de I mod dans P e A Travail 4 Analyser les relaions enre (P + A ) e le champ héorique (I mod + I elec ) pour chaque âche de P. Travail 5 En déduire des hypohèses sur les R(X,O) Travail 6 Analyser les producions des élèves Figure IV.2 : Les ravaux effecués dans ce mémoire Le ravail 0 a éé effecué dans le chapire III. Nous réalisons les ravaux 1, 2 e 3 par un ableau que nous allons présener dans la suie. IV.3 Mise en évidence e analyse des savoirs héoriques en jeu lors de la concepion du proocole IV.3.1 Idenificaion des relaions enre les différens habias Pour réaliser nos analyses, nous avons ou d'abord consrui un ableau pour dégager les relaions enre le champ des héories e des modèles (champ 34

39 héories/modèles), le champ expérimenal e nore proocole de référence. Cee grille es présenée en annexe A. IV Décomposiion du proocole en éapes e en âches Pour nore analyse, nous choissisons le proocole de référence du circui (R,r,C) e le décomposons en éapes e âches. Cee décomposiion nous perme de déerminer en déail les savoirs de I mod ou I elec qui exisen dans P. A côé des âches qui son des acions déclarées expliciemen dans le proocole P, nous inroduisons aussi des aciviés qui exisen dans l acivié de concepion du proocole A. Malgré les analyses pour le circui (R,r,C), elles son aussi applicables au circui (R,C) avec les modificaions nécessaires. La décomposiion du proocole de circui (R,r,C) es présenée ci-dessous : L éape A : Faire le monage Tâche A.1 : Prendre les composans expérimenaux e les appareils de mesure. Sous-âche A.1.1 : Prendre les composans expérimenaux e les appareils de mesure. Sous-âche A.1.2 : Régler la valeur de ension générée E Tâche A.2 : Brancher les composans e les appareils de mesure Sous-âche A.2.1 : Associer les composans du circui en série Sous-âche A.2.2 : Brancher la care d acquisiion Cassy Acivié A.1: Idenifier les grandeurs mesurées L éape B : Manipuler Tâche B.1 : Régler le logiciel Tâche B.2 : Faire le déclenchemen Sous-âche B.2.1 : Basculer du commuaeur sur la posiion 2. Sous-âche B.2.2 : Déclencher l enregisremen du CassyLab Sous-âche B.2.3 : Basculer du commuaeur sur la posiion 1 Acivié B.1 : Evaluer le emps de mesure L éape C : Traier les données Tâche C.1 : Mesurer τ Tâche C.2 : Calculer r e C Sous-âche C.2.1 : Mesurer U min Sous-âche C.2.2 : Calculer r 35

40 Sous-âche C.2.3 : Calculer C IV Présenaion du ableau Nous avons noé de façon secondaire les relaions de P+A avec le champ expérimenal e I mod (I elec ) dans un ableau qui sera présené en déail en annexe A de ce mémoire. Nous présenons ici la srucure de ce ableau. N 0 Faceurs du proocole de réf. de (R,r,C) Faceurs du champ expérimenal (lab/paillasse de l élève) (3) Faceurs du champ des héories e des modèles Remarques Regisre sémio. (1) (2) (4) (5) (6) Tableau IV.1 : Un exrai du ableau qui conien les relaions enre I mod (I elec ), le proocole P de référence e sa concepion A. Ce ableau conien 6 colonnes avec les conenus suivans : (1) N 0 : conien le numéro des âches du proocole de référence. (2) Faceurs du proocole de références du circui (R,r,C) : indique les âches e sous-âches de la décomposiion du proocole. Pour chaque âche, nous répondons aux quesions : a. Pourquoi cee âche? b. Quel choix es fai? c. Pourquoi ce choix? (3) Faceurs du champ expérimenal (lab/paillasse de l élève) : indique les faceurs du monde des événemens physiques e des composans expérimenaux réels (disponibles sur la paillasse de l élève ou dans la salle de TP) qui inerviennen dans le proocole P ou sa concepion A'. (4) Faceurs du champ des héories e des modèles : les savoirs du modèle qui inerviennen dans P e/ou A' son indiqués dans cee colonne. (5) Remarques : nos remarques sur les relaions enre P, le champ héorique e le champ expérimenal. (6) Regisre sémioique : les regisres sémioiques des faceurs du proocole ou des savoirs héoriques. IV Première analyse du ableau en foncion des grandes éapes du proocole 36

41 Nous avons dégagé 3 grandes éapes dans le proocole de référence: A. Faire le monage: c es une éape de réalisaion du circui élecrique e de branchemen des appareils de mesure. Dans nore ableau, nous avons indiqué 5 relaions possibles enre les élémens du proocole e l acivié de concepion P+A e le champ expérimenal e I mod (I elec ). B. Manipuler : cee éape comprend les manipulaions nécessaires pour visualiser la courbe du phénomène de RT sur l écran d un ordinaeur. Cee éape conien 5 relaions possibles. C. Traier les données : cee éape conien des mesures e des calculs pour esimer les valeurs des composans expérimenaux. Nous avons dégagé 4 relaions possibles dans cee éape. IV.3.2 Analyse déaillée des relaions enre le proocole, la concepion e I mod (I elec ) IV Analyse de l éape A Nous commençons en considéran l éape A du proocole de référence (P): Faire le monage. A ravers cee éape, les éudians von réaliser le circui élecrique du TP avec les valeurs des composans expérimenaux. Cee éape comprend les âches suivanes: Tâche A.1 : Prendre sur la paillasse les composans expérimenaux e les appareils de mesure. Cee âche se compose de deux sous-âches : Sous-âche A.1.1 Prendre les composans du monage e les appareils de mesure. Sous-âche A.1.2 Régler la valeur de ension générée E. Tâche A.2 : Brancher les composans e les appareils de mesure. Cee âche se compose de deux sous-âches : Sous-âche A.2.1 Associer les composans du circui en série. Sous-âche A.2.2 Brancher la care d acquisiion Cassy. Acivié A.1: Idenifier les grandeurs mesurées. Remarque 1 : Dans l éape A, l ordre des sous-âches es indicaif, il n y a pas une chronologie rès précise des sous-âches. 37

42 Remarque 2 : Nous choissisons de nommer «acivié» les âches de A (e A ) pour les disinguer des âches de P. Remarque 3 : Pour consruire la âche II, on doi considérer une acivié supplémenaire : Idenifier les grandeurs mesurées. Cee éape a pour objecif de choisir la grandeur mesurée par ce TP, dans nore cas, c es la ension aux bornes du dipôle. De cee idenificaion, nous décidons auxquels poins du circui qu on va brancher l appareil de mesure. Ces deux aciviés ne son pas dans le P mais ils exisen pour l acivié de concepion du proocole du TP (A). IV A Analyse globale de l éape A Dans le proocole, cee éape es quasimen enièremen décrie par le schéma de monage. Ce son les deux schémas élecriques présenés dans le modèle (SM) e le proocole du TP (SP). Schéma du modèle (SM) Schéma dans le proocole (SP) Figure IV.3: Les deux schémas du modèle (SM) e du proocole (SP). Dans cee éape, on va voir que les objes de savoirs son représenés dans un regisre sémioique spécifique à l élecricié, le regisre sémioique des schémas élecriques. Les condensaeurs, les conduceurs ohmiques e les généraeurs son des objes de savoir qui viven dans le champ héories/modèles avec les grandeurs physiques comme la capacié du condensaeur, la résisance du conduceur, la ension délivrée par le généraeur, ec... En plus, ces grandeurs physiques son 38

43 associés aux uniés physiques comme C(F), R(Ω), E(V) qui monren que ces objes viven dans l I mod. Le schéma élecrique dans I mod ou P es un regisre sémioique, dans lequel ous les objes de savoir possèden une représenaion. Par exemple : Obje : Un condensaeur possède la représenaion suivane Condensaeur C Unié C=5µF Figure IV.4 : L obje condensaeur possède une représenaion Ce regisre sémioique a une synaxe propre dans I elec où ces objes habien e mis en relaions avec les aures objes. Dans nore cas, cee insiuion es l I elec où les éudians les personnes X- on éé formés à uiliser ce regisre sémioique dès les premiers cours d élecricié au collège. Par exemple : Quand les éudians voien le symbole ci dessous, ils comprennen immédiaemen que c es un condensaeur de capacié C inconnue qui es relié en série par un fil avec la borne négaive d un généraeur de ension réglé pour délivrer une ension E=5V. E=5V C Figure IV.5 : Exrai d un schéma élecrique ; un exemple de relaions enre les O de savoirs dans un schéma élecrique. IV B Analyse déaillée de l éape A - Pour la sous-âche : Prendre les composans du monage e les appareils de mesure. Tâche A.1 :Prendre sur la paillasse les composans expérimenaux e les appareils de mesure Sous-âche A.1.1 : Prendre les composans du monage e les appareils de mesure : Source coninue, conduceur ohmiques, dipôle (r,c), fils, commuaeur, care Cassy a. Pour le dipôle : - Pourquoi cee âche? Réaliser un circui qui puisse produire le régime ransioire (RT). - Quel choix? dipôle (r,c) 39