HPT - enseignement Catholique

HPT UAA15 CD 170111
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Conseils didactiques
Se déplacer en toute sécurité
Tableau synthétique
Aborder en 8 à 10 périodes l’ensemble des notions et des développements attendus de cette UAA,
tout en intégrant la démarche d’investigation, apparaît comme un réel défi. Il faut donc se centrer sur
l’essentiel, à savoir développer la compétence énoncée par le programme : « utiliser des arguments
scientifiques pour justifier des comportements citoyens en matière de déplacements ». Dans le
tableau qui suit, nous avons identifié 4 comportements responsables. Pour chacun d’eux, nous avons
relevé les différents effets recherchés et les avons reliés aux notions et aux développements attendus
du programme.
Comportements citoyens permettant de se déplacer en toute sécurité
Comportements
Justification scientifique
Notions à voir
Dévts attendus
1. Adapter ou limiter sa vitesse
- pour limiter sa
consommation
Les frottements1, et donc la
consommation, augmentent
avec la vitesse.
Frottements.
A6
- pour pouvoir
contrôler la
trajectoire du
véhicule (= lutter
contre l’inertie)
Lorsqu’on doit brusquement
freiner (obstacle) ou modifier sa
trajectoire (virage serré), la force
d’adhérence doit être suffisante
pour compenser les effets de
l’inertie (tendance à déraper).
Frottements.
Principe d’inertie (1ère loi
de Newton).
2ème loi de Newton
(F=m.a).
A2
- pour limiter la
distance d’arrêt
La distance de réaction croît
comme la vitesse.
Vitesse, temps, distance.
C3 en partie
A2 A3 A4
La distance de freinage croît
comme la vitesse au carré.
Distance de freinage
(abaques).
A2
NB : La force de freinage (et
donc la vitesse admissible)
dépend de l’état de la route.
Paramètres influençant la
distance de freinage :
météo (pluie, neige),
qualité du revêtement, …
C3
1
Il s’agit ici surtout des frottements aérodynamiques et, dans une très faible mesure, des frottements
solides.
HPT
Formation scientifique
UAA15

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- pour limiter
l’énergie cinétique
du véhicule et donc
les dégâts en cas
de choc
En cas de choc frontal, l’énergie
cinétique du véhicule doit être
dissipée ; or elle croît comme le
carré de la vitesse…
Conservation Eméca.
Transformations d’ Epot et
Ecin.
A1 C1 C2
T1 en partie
NB : Dans une descente, l’Epot
est convertie en Ecin.
2. Utiliser un véhicule performant
La force de freinage dépend de
certaines caractéristiques du
véhicule.
Paramètres influençant la
distance de freinage : état
des freins, des pneus, des
amortisseurs, …
C3
3. Porter la ceinture
En cas de choc frontal, le
passager sans ceinture poursuit
son mouvement et se heurte
aux parois de l’habitacle qui, lui,
s’est arrêté.
Principe d’inertie (1ère loi
de Newton).
T1 en partie
4. Ne pas prendre le volant « sous influence » (alcool, drogue), fatigué, ou distrait (téléphone,
…).
L’alcool, les drogues (ou
certains médicaments), la
fatigue ou l’usage d’un
téléphone diminuent la vigilance
et augmentent le temps de
réaction.
Paramètres influençant la
distance d’arrêt.
C3
Autres aspects en sécurité routière ne dépendant pas de l’usager
Justification scientifique
Notions à voir
Dévts att.
Véhicules avec
châssis
« déformables » ;
Garde-fous
plastiques en
bordure de route.
La déformation du châssis ou du garde-fou
permet d’absorber l’énergie cinétique du
véhicule en cas de choc ;
en augmentant la durée de l’impact, elle diminue
la décélération et donc les forces en présence.
Conservation /
transformation
d’énergie.
F = ma
Airbags
Ils permettent d’arrêter le passager qui tend à
poursuivre son MRU en cas de choc frontal.
Permet d’allonger la distance de freinage de la
tête et donc de diminuer la force d’impact.
Effet inertiel.
F = ma
Système ABS
Il permet de limiter le frottement dynamique au
profit d’un frottement statique pour une meilleure
tenue de route.
Frottements.
A6
Appuie-tête
Il permet d’éviter le « coup du lapin » après que
la tête ait été projetée en avant.
Principe
d’inertie.
Piste de détresse
Elle permet de dissiper l’Ecin d’un véhicule ayant
pris trop de vitesse.
Epot et Ecin.
A1 C1 C2

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Vitesse et énergies mécaniques
La sécurité dans les déplacements est, de toute évidence, un des thèmes qui concerne la citoyenneté.
La technologie a donné aux humains des outils puissants dont l’utilité – et la source de plaisir – n’est
plus à démontrer. Mais nos moyens de transport peuvent aussi se révéler extrêmement dangereux,
en plus de porter atteinte de façon souvent irrémédiable à l’environnement.
Les notions de position, de vitesse et d’accélération posent des difficultés persistantes à certains
élèves. Les études récentes montrent que c’est en confrontant ses préconceptions à des situations
concrètes que l’élève acquiert au mieux une compréhension des concepts de base de la mécanique.
Il pourra alors transposer efficacement cette compréhension à des situations nouvelles. Le
raisonnement qualitatif et l’explication verbale demandent un niveau d’implication intellectuel élevé, et
aident à comprendre les relations et les différences entre les concepts. Si les difficultés persistent, il
faut les traiter par des situations variées dans des contextes différents
2
.
Développements attendus
Décrire une situation concrète illustrant le principe de conservation de l’énergie mécanique (C1).
Identifier le type d’énergie (cinétique ou potentielle) dans une situation simple (C2).
Identifier les variations d’énergie (cinétique et potentielle) dans un mouvement simple (A1).
Dans une situation simple (telle que le mouvement d’un pendule), l'élève utilise un critère pour distinguer l’énergie
cinétique de l’énergie potentielle. Après avoir analysé les variations de ces énergies, il met le principe de
conservation de l'énergie mécanique en évidence.
Proposer et tester une méthode permettant d’estimer l’ordre de grandeur d’une vitesse dans une situation
concrète ou expérimentale (A3).
L’élève propose et teste une méthode permettant d’estimer l’ordre de grandeur d’une vitesse dans une situation
concrète ou expérimentale.
Sur base de documents fournis, avancer une réponse argumentée permettant d’expliquer une situation de la vie
courante (T1).
L’élève explique, par exemple,
 les différents dégâts occasionnés lors d’une collision axiale entre deux véhicules,
 une affirmation de la sécurité routière du type : « une collision d’une voiture à 90 km/h contre un mur
correspond à la chute de cette même voiture d’une hauteur de onze étages ».
Exemples de situations d’apprentissages
 Appliquer les lois permettant de calculer les énergies cinétique et potentielle gravifique à des
valeurs mesurées lors d’expériences pour vérifier la conservation de l’énergie mécanique d’un
mobile au cours du temps (Voir fiche d’expérience « Conservation de l’énergie mécanique »). →
C1, C2, A1, A3
 Tenter d’enfoncer des clous identiques dans une planche avec des marteaux de masses très
différentes. → C2, A1
 Mener une investigation sur les facteurs influençant les déformations plastiques lors d’une
collision à partir de l’examen de séquences de crash-tests (Voir fiche d’investigation « Analyse de
collisions »). → T1, A3
 Mesurer les effets d’une collision avec du matériel simple et mettre en évidence différents
paramètres (Voir fiche d’expérience « Modélisation de collisions »). → C1, T1, A3
2
D’après L.C. McDermott, Conceptions des élèves en mécanique, Department of physics, University of
Washington, Seattle, Washington, USA, http://icar.univ-lyon2.fr/gric3/ressources/ICPE/francais/partieC/C1.pdf ,
document consulté le 1/1/2015.

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Notions mises en place
 L’énergie est une grandeur qui se conserve et qui mesure la capacité d’un système à produire
un effet. L’énergie peut prendre plusieurs formes :
o Energie mécanique. Cette forme d’énergie peut être liée à
 la vitesse d’un objet (énergie cinétique) ;
 la hauteur d’un objet (énergie potentielle gravifique) ;
 la déformation d’un système élastique (énergie potentielle élastique)
o Energie thermique (ou calorifique) (liée la température d’un objet)
o Energie électrostatique (liée à la séparation de charges électriques sur des objets distincts)
o Energie chimique (liée à la réactivité chimique de certaines substances)
o Energie nucléaire (liée à la fission ou à la fusion de noyaux atomiques)
 La masse d'un objet est liée à la quantité de matière qui constitue l’objet. Elle se mesure en
kilogrammes (kg) à l'aide d'une balance et ne dépend pas de l'endroit où l'objet se trouve.
 Le déplacement d d’un mobile pendant une certaine durée t est la distance qu’a parcourue un
de ses points, si on peut considérer qu’il s’est déplacé en ligne droite et sans tourner sur lui-
même pendant cette durée.
 La vitesse moyenne v d’un mobile est le rapport   
 (unité SI : 1 m/s). Si la vitesse d’un
mobile varie, il peut être utile de connaître sa vitesse instantanée qui correspond à sa vitesse à
un moment précis. Elle correspond à la vitesse moyenne mesurée sur une durée suffisamment
petite.
 L’énergie cinétique d’un mobile se détermine à l’aide de l’expression 
 , où :
 m est la masse du mobile (unité SI : 1 kg) ;
 v est la vitesse instantanée du mobile (unité SI : 1 m/s) ;
 Ec est l’énergie cinétique (unité SI : 1 J).
 L’énergie potentielle gravifique (ou simplement énergie potentielle) d’un objet se détermine à
l’aide de l’expression , où :
 m est la masse de l’objet (unité SI : 1 kg) ;
 g est la constante de pesanteur, et vaut 9,81 N/kg dans nos régions ;
 h est l’altitude du centre de gravité de l’objet par rapport à une hauteur de référence
(unité SI : 1 m);
 Ep est l’énergie potentielle gravifique (unité SI : 1 J).
 Considérons un système isolé, c’est-à-dire sans transferts d’énergie depuis ou vers l’extérieur.
Nous appelons énergie mécanique du système la somme des énergies cinétique et potentielle
gravifique des différents éléments du système :
Em = Ec + Ep
Si les frottements sont suffisamment faibles pour pouvoir être négligés (système idéalisé),
l’énergie mécanique Em du système reste constante. Cet énoncé est appelé principe de
conservation de l’énergie mécanique.
 Dans la réalité, les frottements ne peuvent jamais être totalement négligés, et l’énergie
mécanique d’un système diminue progressivement au cours du temps. Les forces de frottement
dissipent progressivement de l’énergie en transformant de l’énergie mécanique en énergie
thermique. Si ces forces sont suffisamment intenses, ce processus peut s’accompagner de
déformations permanentes (déformations plastiques) d’un objet.
Remarques pour le professeur
Faut-il mieux commencer cette UAA par les énergies ou par la loi fondamentale de la dynamique ?
Les deux options se défendent. Si les élèves ont besoin d'être rassurés, il sera préférable de
commencer cette UAA par les énergies, car on se contente alors d'en faire le bilan entre les
situations initiale et finale d'un phénomène, sans se soucier de l'évolution plus précise des
mouvements. Par contre, si la classe comporte des élèves provenant de l'enseignement général,
ceux-ci auront déjà vu en détail les transformations d'énergie et le travail d'une force au cours de

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physique en 4ème, et il sera peut-être préférable de commencer par les lois de Newton pour les
entraîner dans quelque chose de neuf, ou à tout le moins leur proposer de nouvelles expériences.
Comment justifier les expressions des énergies cinétique et potentielle ?
Il ne faut pas démontrer les expressions des énergies mécaniques. Tout au plus, on pourra
éventuellement illustrer le fait que l’énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse en
se basant sur la conservation de l’énergie mécanique. On pourra également se baser sur des
mesures de hauteur et de vitesse lors de l’observation du mouvement d’un mobile présentant des
frottements négligeables pour vérifier que l’énergie totale est conservée (objet en chute libre,
chariot le long d’un plan incliné, pendule...). Notons qu’une bille roulant sur un rail ne se prête pas
à cette vérification, à cause de l’énergie cinétique de rotation de la bille qui vaut 40 % de son
énergie cinétique. Dans le cas d’un chariot, on peut considérer l’énergie de rotation des roues
comme négligeable.
En cas de manque de temps, on pourra se contenter de proposer des illustrations numériques des
formules en montrant par exemple que l'énergie cinétique dissipée lors d'un crash est doublée
quand la masse du véhicule est doublée, et est quadruplée quand sa vitesse est doublée. Notons
toutefois que ce cours met plus l’accent sur la compréhension qualitative des transformations
d’énergie que sur la quantification et les calculs.
Faut-il utiliser des diagrammes en flèche-tuyau pour représenter les transferts d’énergie ?
Les diagrammes en flèche-tuyau se prêtent bien à une description qualitative des transferts et
transformations d’énergie en représentant les différentes formes d’énergie sous forme de réservoir,
et en associant les phénomènes avec des flèches-tuyau.
Les descriptions qualitatives feront aussi utilement intervenir des situations impliquant de l’énergie
potentielle élastique (en cas de collision avec une déformation provisoire, comme avec un ressort),
de l’énergie dissipée (en cas de collision avec des déformations permanentes, comme lors d’un
accident, ou en cas d’échauffements dus à des frottements ou freinages divers).
Notons que l’UAA20 fera intervenir à nouveau les transformations d’énergie dans un contexte plus
large.
Les simulations informatiques peuvent-elles remplacer les expérimentations menées en classe ?
Les simulations informatiques (type animations Flash par exemple) peuvent apparaître comme des
alternatives possibles lorsque les conditions matérielles ou la composition de la classe rendent la
mise sur pied d’une véritable démarche expérimentale difficile. Mais leur défaut principal est que ce
sont des expériences « idéales », qui suivent les lois mathématiques à la perfection. Elles ne
peuvent donc pas remplacer le contact avec le réel et toutes ses imperfections. De plus,
l’expérimentation directe permet de mettre des mots sur des sensations/perceptions, et donne
l’occasion de « faire parler la nature », alors que nos jeunes déjà tellement branchés sur le
virtuel…
Pour mettre en place des expériences vraiment porteuses d’apprentissage, il est utile que
l’enseignant clarifie ce qu’il attend précisément des élèves (par exemple noter le matériel, les
manipulations, les observations…) et veille à séparer l’observation de l’interprétation (en
ménageant éventuellement une pause entre les deux temps…). Le document « Expérimenter,
pour quoi ? » reprend les différentes facettes que peuvent comporter une expérimentation dans
l’enseignement secondaire.
Peut-on expliquer la distance de freinage à l’aide du concept d’énergie ?
Les formules permettant de calculer les énergies cinétiques et potentielles ne font pas intervenir la
durée qui permet de calculer la décélération puis la distance d’arrêt. Il n’est donc pas possible, à ce
niveau, de calculer la distance de freinage en appliquant la conservation d’énergie.
Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante
 Les traumatismes en cas de choc : le coup du lapin, l’entorse cervicale…
 Les enjeux énergétiques et environnementaux liés aux déplacements : carburant, routes,
véhicules… (voir cours de géographie)
 Fonctions et expressions mathématiques élémentaires.