HDR de didactique
de la physique et de la chimie

Auteur

MAURINES, Laurence

Titre

Le raisonnement géométrique en termes d'objet dans la physique des ondes.

Type
Spécialité

HDR,
Didactique de la physique

Date, université, laboratoire d'accueil

9 novembre 2001, Université Paris-Sud, Centre scientifique d'Orsay
Laboratoire de didactique des sciences physiques, Université Denis Diderot, Paris 7

Directeur(s)
Membres du jury

Chavel P., Closset J.-L., Cohen-Tenoudji F., Gréa J., Millar R., Séré M.-G. , Torchet G.

Descripteurs

Physique, ondes, enseignement secondaire, enseignement supérieur, conceptions, raisonnements, histoire des sciences

Résumé

Cette recherche analyse les difficultés rencontrées par les élèves et les étudiants lors de l'étude des ondes et propose un modèle des principales tendances de raisonnement observées.
Une grande partie de l'étude théorique a été consacrée à une analyse de contenu de la physique des ondes et à la définition d'un cadre de référence en physique. Répondant au souci d'une vision unifiée des phénomènes ondulatoires et des modèles utilisés dans leur étude, elle a permis de clarifier le domaine conceptuel, plus particulièrement dans les situations où un modèle scalaire à un champ peut être utilisé (champ de rayonnement de Fresnel et de Fraunhofer). L'explicitation et parfois la rectification de certains points délicats nous ont conduits à donner un éclairage différent de celui rencontré habituellement. Nous avons ainsi été amenés à distinguer deux modèles géométriques (un "moderne" et un "classique") et deux modèles ondulatoires (un "géométrico-ondulatoire" basé sur le principe de Huygens-Fresnel et un "spectral").
Le reste de l'étude théorique a été consacré à une analyse de l'histoire de la physique des ondes et de manuels d'enseignement. Celles-ci révèlent que les étudiants rencontrent les mêmes difficultés que les scientifiques autrefois et qu'ils ne sont pas aidés par l'enseignement actuel des ondes.
L'étude empirique a été réalisée à l'aide de questionnaires papier-crayon portant sur des situations telles que la propagation, la réflexion, la diffraction et la formation des images en éclairage cohérent. Environ 3100 élèves et étudiants (lycée, DEUG et licence scientifique, candidats au capes de sciences physiques) ont été interrogés. Le raisonnement commun sur les ondes a quatre caractéristiques liées les unes aux autres. Il est mécaniste : les élèves et étudiants se centrent sur le signal ou l'onde en déplacement et les traitent comme des objets matériels mis en mouvement par la source qui les a créés. Il tend à "géométriser" les situations ondulatoires : les élèves et étudiants n'utilisent pas le concept de phase, ne décomposent pas l'onde en ondes élémentaires et considèrent uniquement des rayons distinguables et des sources incohérentes. Il tend à réduire le nombre de concepts mis en jeu et à les matérialiser en les reliant à un aspect perceptif de la situation étudiée.
Ce travail débouche sur des propositions pédagogiques. Elles visent à donner une vision cohérente des modèles enseignés dans l'étude des ondes et à montrer l'unité sous-jacente des phénomènes ondulatoires, en particulier des phénomènes sonores et lumineux. Elles mettent l'accent sur des situations peu exploitées ou donnent un éclairage différent de situations traditionnellement utilisées.

Références

Publications

Maurines L. (1996). Raisonnement commun à propos du son, in L. Viennot, Raisonner en physique, De Boeck, pp.157-167.

Maurines L. (1999). Les étudiants et les ondes en dimension trois : analyse des difficultés des étudiants quant au modèle-géométrico-ondulatoire, Didaskalia, n°15, pp. 87-122

Maurines L. (2000). Les étudiants, la diffraction de Fraunhofer et la formation des images en éclairage cohérent, Didaskalia, n°17, pp.55-99.

Maurines L. (à paraître). Analyse des difficultés des étudiants quant aux concepts de phase et de surface d'onde, quant au principe de Huygens, Didaskalia.

Mémoire

Mémoire : 216 pages ; Annexes : 103 pages.
Diffusion : LDSP, Université Paris 7, case 7086, 2 place Jussieu, 75251 Paris cedex 05

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