Chapitres
- 01. Introduction
- 02. Compétences et capacités associées
- 03. S’approprier le problème : Identifier les grandeurs physiques pertinentes, leur attribuer un symbole.
- 04. Mettre en œuvre la stratégie (réaliser) : Utiliser l’analyse dimensionnelle.
- 05. Communiquer : Présenter la solution ou la rédiger, en en expliquant le raisonnement et les résultats.
Introduction
Dans l’acquisition de l’autonomie, la « résolution de problèmes » est une activité intermédiaire entre l’exercice cadré qui permet de s’exercer à de nouvelles méthodes, et la démarche par projet, pour laquelle le but à atteindre n’est pas explicite. Il s’agit pour l’étudiant de mobiliser ses connaissances, capacités et compétences afin d’aborder une situation dans laquelle il doit atteindre un but bien précis, mais pour laquelle le chemin à suivre n’est pas indiqué. Ce n’est donc pas un « problème ouvert » pour lequel on soumet une situation en demandant « Que se passe-t-il ? ». L’objectif à atteindre doit être clairement donné et le travail porte sur la démarche à suivre, l’obtention du résultat et son regard critique. La résolution de problèmes permet de se confronter à des situations où plusieurs approches sont possibles, qu’il s’agisse de la méthode mise en œuvre ou du degré de précision recherché. Ces situations se prêtent bien à une résolution progressive pour laquelle un premier modèle permettra d’obtenir rapidement un résultat, qui sera ensuite discuté et amélioré. Cette résolution étagée doit permettre à tous les élèves d’aborder le problème selon leur rythme en s’appuyant sur les compétences qu’ils maîtrisent. C’est sur la façon d’appréhender une question scientifique, sur le choix raisonné de la méthode de résolution et sur les moyens de vérification qu’est centrée la formation de l’élève lors de la démarche de résolution de problèmes. La résolution de problèmes mobilise les compétences qui figurent ci-dessous. Des capacités associées sont explicitées afin de préciser les contours de chaque compétence, elles ne constituent donc pas une liste exhaustive et peuvent parfois relever de plusieurs domaines de compétences.
Compétences et capacités associées
- S’approprier le problème.
- Faire un schéma modèle.
- Identifier les grandeurs physiques pertinentes, leur attribuer un symbole.
- Évaluer quantitativement les grandeurs physiques inconnues et non précisées.
- Relier le problème à une situation modèle connue.
- Établir une stratégie de résolution (analyser).
- Décomposer le problème en des problèmes plus simples.
- Commencer par une version simplifiée.
- Expliciter la modélisation choisie (définition du système, ...).
- Déterminer et énoncer les lois physiques qui seront utilisées.
- Mettre en œuvre la stratégie (réaliser).
- Mener la démarche jusqu’au bout afin de répondre explicitement à la question posée.
- Savoir mener efficacement les calculs analytiques et la traduction numérique.
- Utiliser l’analyse dimensionnelle.
- Avoir un regard critique sur les résultats obtenus (valider).
- S’assurer que l’on a répondu à la question posée.
- Vérifier la pertinence du résultat trouvé, notamment en comparant avec des estimations ou ordres de grandeurs connus.
- Comparer le résultat obtenu avec le résultat d’une autre approche (mesure expérimentale donnée ou déduite d’un document joint, simulation numérique, ...).
- Étudier des cas limites plus simples dont la solution est plus facilement vérifiable ou bien déjà connue.
- Communiquer
- Présenter la solution ou la rédiger, en en expliquant le raisonnement et les résultats.
S’approprier le problème : Identifier les grandeurs physiques pertinentes, leur attribuer un symbole.
Les unités : les conventions d'écriture
Par convention, les noms d'unités sont des noms communs on les écrit alors en minuscules : par exemple, on écrit « kelvin » et non « Kelvin », « ampère » et non « Ampère ».
Pourtant, ces unités ont pour origine les noms propres des savants qui les ont inventées. De plus, puisque ces unités sont des noms communs, il peuvent prendre la marque du pluriel, (par exemple, on écrit un volt mais aussi deux volts).
Cependant, les symbole prennent une majuscule (sauf convention contraire) si le nom de ces unités dérivent du nom d'une personne.
Par exemple, on écrit "V" pour volt, provenant d'Alessandro Volta, "A" pour ampère provenant d'André-Marie Ampère et "Pa" pour pascal provenant de Blaise Pascal. Si le symbole ne dérive pas d'un nom propre, le symbole commence par une minuscule. C'est le cas des mètres qui s'écrit "m" mais aussi pour la mole qui s'écrit "mol".
Cependant, il peut exister quelques exceptions adoptées lors des conférences générales des poids et mesures. Ces exceptions ont été adoptées pour éviter toute confusion, c'est le cas du litre qui se symbolisme par "L". Il en a été décidé ainsi pour éviter tout confusion avec la lettre "l" et le chiffre "1".
L'unité du degré Celsius n'est pas une exception. Il ne faut pas oublier que son écriture correcte est le "degré Celsius" qui se symbolise par "°C". Les caractères ° et C sont indissociables puisque l'unité commence par le degré et que Celsius est un qualificatif. En effet, il existe différents degrés différents comme le degré Fahrenheit.
Remarque
Il existe des grandeurs qui ne s'expriment pas avec une unité, c'est notamment le cas de :
- La densité,
- L'indice de réfraction,
- Le pH,
- L'absorbance,
- La transmittance,
- Le déplacement chimique.
Grandeurs du système international et usuelles
L'ensemble des unités associées aux dimensions fondamentales constitue le système international d'unités. Il s'agit du système MksA (mètre, kilogramme, seconde, Ampère), mais le Kelvin, le mole et le candela font aussi partie de ce système. Ces unités sont appelées unités légales. Elles sont universelles et connues de par le monde entier.
Il est important de savoir que toutes les autres dimensions se déduisent de ces sept dimensions fondamentales par produit ou division de ces dimensions.
Dans certains sujets d'exercices, les grandeurs ne sont pas exprimées dans le système international mais avec des grandeurs usuelles. Il est facile de les comprendre et elles sont parfois utilisées dans la vie de tous les jours, mais il est essentiel de toujours effectuer les calculs avec les grandeurs exprimées dans l'unité internationale pour éviter les erreurs.
Par exemple, la pression est souvent exprimée en Bar. Or, dans le système international, la pression s'exprime en Pascal !
Correspondances entre le système international et le système usuel
Voici quelques correspondances entre les modèles usuel et international qui pourront faciliter vos conversions :
- 1 bar = 100 000 Pa
- 1 L = 0,001 m3
- 0°C = 273,15 K
- 1 g/L = 1 000 g/m3
- 1 are = 100 m²
Culture personnelle : l'histoire les unités de mesure
En effet, la France comptait parmi les pays les plus inventifs et les plus chaotiques dans ce domaine : en 1795, plus de 700 unités différentes cohabitaient en France !
Beaucoup de ces unités étaient empruntées à la morphologie humaine et leurs noms en sont la preuve :
- Le doigt,
- La palme,
- Le pied,
- La coudée,
- Le pas,
- La brasse,
- Ou encore la toise.
Le problème avec ces unités de mesures est qu'elles n'étaient pas fixes puisqu'elles variaient d'une ville à l'autre, mais aussi selon la nature de l'objet mesuré, ce qui causait beaucoup de torts !
Les mesures de volume et celles de longueur n'avaient aucun lien entre elles puisque chaque multiple et sous multiple s'échelonnaient de façon aléatoire rendant les calculs compliqués, voir impossibles.
Ces différentes unités étaient source de nombreuses erreurs et de fraudes lors des transactions commerciales, mais portaient aussi préjudice au développement des sciences puisque les calculs et les mesures des grandeurs étaient différents pour les scientifiques.
C'est donc pour régler ces nombreux problèmes que la mise en place d'un système international se faisait de plus en plus pressante.
Le Système International d'unité, abrégé SI, devient le successeur du système métrique en 1960 à partir d'une résolution de la 11ème Conférence générale des poids et mesures.
Ce système permet de rapporter toutes les unités de mesure à un petit nombre d'étalons fondamentaux, permettant aux scientifique de se consacrer à améliorer leur définition. Ce travail est l'une des missions des différents laboratoires nationaux de métrologie.
Mettre en œuvre la stratégie (réaliser) : Utiliser l’analyse dimensionnelle.
Si, lors d'un exercice, vous vous retrouvez face à une formule dont vous ignorez l'unité du résultat, ne paniquez pas !
Il est très simple de retrouver l'unité avec ce qu'on appelle une analyse dimensionnelle.
Une analyse dimensionnelle consiste à décomposer les grandeurs physiques mises en jeu dans une formule afin de retrouver l'unité de la grandeur cherchée.
Voici un exemple simple :
En décomposant les grandeurs physique en leur unité, on obtient :
On peut donc en déduire que l'unité de la vitesse est le m/s, soit m.s−1
Résumé
Il faut savoir, avant de procéder à une analyse dimensionnelle que :
- Deux grandeurs de valeurs égales ont nécessairement la même dimension,
- Les termes d'une somme ont nécessairement la même dimension,
- La dimension d'un produit de facteur est le produit des dimensions des facteurs.
Il faut aussi procéder systématiquement à une analyse dimensionnelle des grandeurs définies par les formules car cela permet :
- De comprendre la signification physique des termes apparaissant dans les expressions et équations littérales,
- De détecter une erreur de calcul,
- De déterminer l'expression approchée d'une grandeur sans résoudre exactement le problème.
Surtout, n'hésitez pas à vous prêter régulièrement à ce type d'exercice pour qu'il se fasse de la façon la plus naturelle, fluide et rapide qu'il soit lors des examens. Pratiquez chez vous et montrer le résultat à votre enseignant pour qu'il puisse vérifier ce que vous faîtes !
Communiquer : Présenter la solution ou la rédiger, en en expliquant le raisonnement et les résultats.
L'exemple du compte-rendu de TP : les étapes à suivre
Comprendre l'énoncé du TP
Le plus important avant de commencer votre TP est de lire une ou plusieurs fois l'énoncé afin de le comprendre. Au besoin, ressortez vos cours et revoyez les notions que vous allez avoir à travailler pour être au point. Si vous considérez qu'il vous manque d'importantes informations pour commencer, demandez de l'aide à vos camarades ou vos professeurs.
Élaborer un protocole afin de travailler au mieux
La deuxième étape de votre travail est de commencer à réfléchir au cheminement de votre TP. En effet, il faut que vous sachiez où vous voulez aller et ce que vous avez à démontrer pour commencer à envisager les moyens à utiliser. C'est ce que l'on appelle la rédaction de votre protocole expérimental. C'est votre plan de travail. Au brouillon, notez vos idées. Reprenez-les une par une et pensez à la façon dont vous comptez mettre en oeuvre et réaliser l'expérience.
- Cette expérience répond-t-elle à la question posée dans l'énoncé ? ;
- Suis-je en mesure d'effectuer cette expérience ? ;
- Ai-je les connaissances nécessaires pour interpréter les résultats de mon expérience ?
Une fois cette check-list validée, vous pouvez rédiger au propre votre protocole expérimental. Pour cela, écrivez proprement et lisiblement en utilisant des phrases courtes et des mots clairs. Inutile de vous noyer dans des explications trop poussées. Vous devez utiliser des verbes d'action qui traduisent uniquement les actes que vous allez réaliser durant votre expérience. En fin de rédaction du protocole expérimental, pensez à surtout mentionner les mesures de sécurité à prendre pour la réalisation de votre expérience. mentionnez les équipement de sécurité nécessaires : lunettes, gants, blouse, hotte aspirante, etc. Vous pouvez aussi agrémenter le protocole d'un schéma de l'expérience en détaillant de manière précise le matériel utilisé et en soignant votre dessin.
Énoncer ses hypothèses
Ecrivez les hypothèses que vous souhaitez démontrer à l'issue de votre expérience. Indiquez dans quels cas elles sont validées et dans quels cas elle sont réfutées.
Réaliser l'expérience demandée
Maintenant que le protocole et les hypothèses ont été posés et établis, vous pouvez vous mettre à la pratique. Utilisez bien les équipements de protection utiles à la réalisation de l'expérience. Procédez avec calme et rigueur. Suivez pas à pas les étapes du protocole expérimental. N'hésitez pas à prendre des notes pendant l'expérience, vous pourrez ainsi en rendre compte. Inscrivez vos problèmes rencontrés ou éventuellement les modifications que vous avez du apporter au protocole pour rendre l'expérience réalisable.
Rédiger le compte-rendu
Dans votre compte-rendu, vous devez rapporter le résultat de votre expérience tout en validant ou en réfutant votre ou vos hypothèses. Notez bien le déroulement de votre expérience et les conclusions que vous en avez tiré. Vous pouvez y ajouter des remarques sur la réalisation de l'expérience. On peut également ajouter des documents tels que des photographies de l'expérience ou encore des croquis et des graphiques.
Conclure le TP
Pour finir, vous devez rédiger une conclusion. Dans cette dernière, reprenez l'énoncé et apportez y une réponse, en vous servant de votre expérience pour la justifier. Soignez bien cette partie, c'est elle qui solde votre TP et votre note en dépend beaucoup.
Quelques conseils pour sortir du lot
Pendant la séance, travaillez étape par étape pour rester clair dans son raisonnement
Un élève qui ne restitue que des tableaux de mesures sans les interpréter n'aura rien compris et se verra sanctionner par le professeur lors de la notation. On termine complètement, rédaction et conclusion incluses, une expérience avant de commencer la suivante.
Ne perdez pas votre temps : ne recopiez pas l'énoncé
Inutile de recopier le texte de l'énoncé du TP ! Aucun professeur ne juge le travail d'un élève au poids de sa copie ! De plus, cela vous ferait perdre un temps précieux à la réalisation de vos expériences.
Par contre, doivent y figurer pour chaque expérience: un schéma clair qui explique la manipulation et les conditions expérimentales (attention, ce n'est pas un dessin d'art donc ne pas y passer trop de temps ), la théorie, les tableaux de valeurs avec les unités, le ou les graphes éventuels, les calculs éventuels et une conclusion.
Faire de beaux graphiques
Ne pas oublier d'indiquer le titre, les grandeurs correspondant à l'abscisse et l'ordonnée avec leur unité et l'échelle utilisée.
Les "points" seront préférentiellement des croix "droites": trait horizontal + trait vertical bien visibles!
Si la courbe est censée être une droite, vérifier l'alignement des points (et le préciser dans le compte-rendu) et tracer une droite "moyenne". Calculer son coefficient (sa pente), quasiment toujours utilisée pour conclure.
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