Introduction et balises

Le concept de force en physique et plus largement le domaine de la mécanique ne sont pas aisés à comprendre. C’est pourquoi ils ont fait l’objet de nombreuses études dès le début des didactiques.

Pour les élèves et les adultes, quel que soit l’âge, le concept de force est généralement au centre de nombreuses confusions. Par exemple, force et mouvement irait de pair, la force provoquerait le mouvement, ou inversement. Une telle conception peut être fondée sur l’idée répandue d’un « capital de force »[1] qui serait acquis par l’objet, en son sein (expliquant par exemple l’élan d’un objet en mouvement). D’autres confusions s’opèrent également entre force, effort, travail (au sens physique), etc.

Ces idées (et celles qui seront présentées ci-dessous) peuvent être retrouvées dans l’histoire comme tentative d’expliquer différents aspects de la mécanique. Par exemple, Aristote et Leibnitz, entre autres, ont tenté des explications qui se retrouvent occasionnellement chez les élèves. Dès, lors le lecteur pourra être intéressé par notre page « Histoire des sciences ».

Le concept de force et plus largement le domaine de la mécanique sont donc au centre d’un réseau de concepts en physique qui demandent une rupture avec des conceptions communes mais peu pertinentes en physique. À terme, il s’agirait d’acquérir une compréhension des lois de Newton pour qu’elles soient mobilisées à chaque fois qu’un problème de mécanique se présente.

Entrées faciles

L’ouvrage de Daro et al. (2011) « Sciences en classe, une démarche d’investigation pour donner du sens au cours de sciences entre 10 et 14 ans » a consacré un chapitre à l’étude du concept d’équilibre avec des élèves de 3^ème secondaire. Ce chapitre est brièvement repris par les autrices dans Evrard et Amory (2015, dir.) « Les modèles. Des incontournables pour enseigner les sciences ! » (p. 104 et suivantes).

Avec le nouveau référentiel de sciences, le concept de force est approché dès le début du primaire. Le magazine professionnel Sciences en Cadence n°17 fait le récit d’essais menés en classe.

Écrits scientifiques

D’après Viennot (1977), Jouin (2002) et Ioannides et Vosniadou (2002), la force est associée au mouvement et, donc, un objet immobile ne serait pas soumis à une force.

Jouin (2002) ajoute également que, après un enseignement dédié, la moitié des élèves de fin secondaire considèrent qu’un objet suspendu n’est soumis qu’à une seule force, dirigée vers le bas. Les élèves associent également souvent force et énergie, attribuant alors à un objet particulier une force comme étant sa propriété. Jouin montre également que pour les élèves, un objet immobile n’est pas soumis à une force

De manière compatible, Viennot (1996)[1] ou Ioannides et Vosniadou (2002) expliquent la conception qu’ont fréquemment les élèves (et les adultes) qu’un objet est en mouvement car il est soumis à une force par l’idée d’un « capital de force » qui serait emmagasiné par l’objet.

La note de synthèse de Kavanagh et Sneider (2006) met en évidence que pour une partie importante des élèves, la chute d’un objet ne mobilise pas une explication par le concept de force. Kavanagh et Sneider identifient également dans la littérature qu’une autre partie importante des élèves associe la chute de l’objet au fait qu’il soit « lourd » ou encore par l’effet de l’atmosphère qui « pousse » sur l’objet, vers le bas.

Les élèves comprendraient également qu’un objet en déplacement est un objet dont l’intensité de la force en direction du mouvement serait supérieure à celle opposée au mouvement (Driver, 1983)[2].

Dans l’enseignement secondaire, les élèves comprennent également après un enseignement dédié que les forces seraient toujours égales et opposées (Jones, 1983), ce qui peut être le cas dans certaines situations d’équilibre mais qui n’est pas le cas pour toute situation, les actions égales et opposées devant s’exercer en fait sur deux corps différents.

Pistes de réflexion pour les TFE et mémoires

Explorer les apprentissages pour le concept de force, c’est par exemple :

• S’intéresser aux conceptions des élèves dans notre contexte, au rôle qu’elles jouent dans les explications spontanées ou dans les situations scolaires, et au rôle du langage ou des expériences pour les faire évoluer.
• S’intéresser aux obstacles liés aux différents concepts en jeu et termes employés, comme celui d’élan, de mouvement, d’immobilité, d’équilibre, de vitesse, d’accélération, d’énergie, de travail, etc.
• Questionner les concepts à construire en primaire et l’approche à mener pour permettre des apprentissages en mécanique et préparer les apprentissages au secondaire ;
• etc.

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[1] Viennot, L. (1996). Raisonner en physique. La part du sens commun. De Boeck.

[2] Driver, R. (1983). The Pupil as Scientist?. Open University Press.