Energie

Dans cet épisode, les personnages explorent le concept d'énergie tout en préparant une pièce de théâtre sur la conception d'une machine aux super pouvoirs énergétiques. En discutant des différents aspects de la pièce, ils se posent des questions concrètes sur les transformations, la conservation et la dissipation de l'énergie. Leurs échanges les amène à questionner les idées de "consommation" et de "conservation" d'énergie et à faire un distinction entre l'énergie utile et l'énergie non utile. En s'engageant dans des expériences historiques et des discussions conceptuelles, ils affinent progressivement leur compréhension de l'énergie en tant que concept unificateur entre les différents domaines de la physique, de la chimie et de la biologie.

Cet épisode, ainsi que le matériel pédagogique qui l'accompagne, vise à aider les élèves à développer une compréhension qualitative de la conservation et de la dissipation de l'énergie. Grâce à des discussions guidées, des perspectives historiques et des activités pratiques, les élèves reconnaîtront que l'énergie est toujours conservée mais qu'elle peut être plus ou moins utile selon le système qu'elle alimente.

L'enseignement du concept d'énergie pose un certain nombre de défis et de difficultés bien documentés dans l'enseignement secondaire scientifique. Plusieurs facteurs contribuent à ces difficultés :

• La nature abstraite de l'énergie – L'énergie n'est pas directement observable, ce qui rend sa conceptualisation difficile pour les élèves.
• La polysémie du terme « énergie » – Ce terme est utilisé de multiples façons dans le langage courant, ce qui entraîne une confusion entre sa signification scientifique et son sens familier.
• Les perspectives disciplinaires – L'énergie est abordée dans différentes matières (physique, biologie, géographie, etc.), souvent avec des définitions et des applications différentes.

Ces difficultés contribuent à des idées fausses courantes, notamment :

• Mauvaise identification de l'énergie : les élèves confondent souvent l'énergie avec la force, la puissance ou la température.
• Mauvaise interprétation de la conservation de l'énergie : beaucoup pensent que l'énergie est « consommée » ou « perdue », plutôt que transformée.
• Autres conceptions de l'énergie (Watts, 1983 ; Trumper, 1993) :
  • Vision anthropologique : l'énergie est associée uniquement aux êtres vivants.
  • Vision substantialiste : l'énergie est traitée comme une substance tangible qui s'épuise comme un combustible.

Dans cet épisode, nous prenons en compte ces difficultés en mettant l'accent sur la conservation et le transfert de l'énergie le long d'une chaîne énergétique, tout en soulignant la distinction entre l'énergie associée aux changements physiques « utiles » ou « non utiles ».

L'épisode introduit différentes idées clés qui peuvent être qualifiées de concepts liés à l'énergie.

• Pour penser en termes d'énergie, il est essentiel de définir d'abord les concepts d'état physique et de changement. L'état physique d'un objet ou d'un système est constitué de variables mesurables telles que la position, la vitesse ou la température à un moment donné. Un changement se produit lorsqu'au moins une de ces variables varie entre un état initial et un état final.
• Il est possible d'approcher l'énergie de manière qualitative (au profit d'une compréhension "intuitive" de l'énergie) : Différents états initiaux peuvent parfois conduire au même changement, ce qui signifie qu'ils ont une capacité équivalente à produire cette transformation. Par exemple, un verre d'eau peut être chauffé à la même température par de nombreux mécanismes différents (par friction, par compression, par rayonnement solaire, par chauffage au four, etc.). Cette équivalence permet aux scientifiques d'introduire le concept d'énergie comme mesure de la capacité à produire des changements. Dans ce cadre, l'énergie devient un outil permettant de comparer différentes transformations et de comprendre leurs relations.
• Le transfert d'énergie peut être associé à une chaîne de changements. Dans la vie quotidienne, les changements se produisent rarement de manière isolée ; au contraire, une transformation en déclenche une autre (ce qui peut être métaphorisé par les machines de Goldberg). Bien que l'énergie ne soit pas une substance physique se déplaçant d'un endroit à un autre, l'idée de "transfert d'énergie" permet de décrire et de suivre ces changements de manière simplifiée. Cet outil conceptuel permet aussi de discuter de l'idée de stockage d'énergie.
• Le taux de transfert d'énergie joue également un rôle crucial dans la façon dont les changements se produisent. La même transformation peut se produire à des vitesses différentes selon la puissance de la source d'énergie. Par exemple, faire fondre une barre de chocolat sous une ampoule de faible puissance prend beaucoup plus de temps que d'utiliser une ampoule plus puissante. Cela illustre l'importance de la puissance, c'est-à-dire la vitesse à laquelle l'énergie est transférée, lors de l'analyse des chaînes énergétiques et de l'efficacité.
• Lorsqu'on examine les transformations de l'énergie, il est utile de faire la différence entre les changements utiles et non utiles selon le contexte. Dans une ampoule, la lumière visible est un changement utile, tandis que le chauffage de l'ampoule ne l'est pas. De même, dans un grille-pain, le changement souhaité est l'augmentation de la température du pain, tandis que la lumière rouge émise est une conséquence involontaire. Les physiciens appellent dégradation de l'énergie le phénomène de diminution de l'énergie utile le long d'une chaîne énergétique.
• La dégradation de l'énergie est une conséquence naturelle de toutes les transformations dans la nature. Chaque fois que l'énergie est utilisée pour produire un changement, la capacité du système à générer d'autres transformations utiles est diminuée. Cela signifie que la quantité d'énergie disponible pour effectuer les changements prévus diminue avec le temps, car elle se disperse sous des formes moins utiles.
• Si l'énergie est dégradée, pourquoi certains changements autour de nous se poursuivent-ils indéfiniment ? Dans ces cas, de l'énergie supplémentaire provenant de sources externes doit être introduite dans le système pour compenser ces pertes. C'est le cas, par exemple, de nombreux cycles biogéochimiques, tels que le cycle du carbone ou le cycle de l'eau, puisque le système énergétique de la Terre est alimenté par un apport continu d'énergie provenant du Soleil. Sans cette source externe, la capacité à soutenir des changements à grande échelle diminuerait.
• Malgré la dégradation de l'énergie, la quantité totale d'énergie reste conservée. Si l'on mesurait tous les transferts d'énergie, y compris ceux qui sont utiles et ceux qui ne le sont pas, la valeur totale resterait constante. Une approche historique est utilisée pour illustrer ce concept, en se concentrant sur l'expérience de la roue à aubes de Joule, qui a démontré que la chaleur n'est pas une substance mais une forme de mouvement. Cette expérience a joué un rôle crucial dans le développement du concept de conservation de l'énergie, même si Joule lui-même ne l'a pas formulé en ces termes. Cependant, dans les applications pratiques, la réduction des pertes d'énergie grâce à des processus efficaces peut contribuer à maximiser les transformations utiles. En augmentant l'efficacité, nous pouvons contrôler la fraction d'énergie qui reste disponible pour les changements souhaités.
• À ce stade, une question importante se pose : si la quantité totale d'énergie reste conservée mais que, tout au long d'une chaîne énergétique, la quantité totale d'énergie utile diminue à chaque étape, où va le « reste » d'énergie ? Lorsque l'énergie se dégrade le long d'une chaîne, elle se disperse généralement dans l'environnement sous forme de chaleur, de son ou de mouvements microscopiques de particules. Bien que cette énergie dispersée soit toujours présente dans le système, il devient de plus en plus difficile de l'exploiter pour une utilisation ultérieur. La compréhension de ce concept aide les élèves à saisir pourquoi un apport continu d'énergie est nécessaire pour soutenir des processus complexes dans les systèmes naturels et technologiques.
• Afin de représenter la quantité d'énergie transférée dans une chaîne énergétique, on peut utiliser des diagrammes de Sankey. Il s'agit d'un type de diagramme de flux dans lequel la largeur des flèches est proportionnelle au flux représenté. Les diagrammes de Sankey permettent de visualiser, d'une part, l'apport énergétique nécessaire au fonctionnement d'un ou plusieurs systèmes (lampes, véhicules, chauffage, etc.). En d'autres termes, la répartition de l'énergie produite par le ou les systèmes à partir de l'énergie entrante (en particulier, ce qui est réellement « utile » pour le fonctionnement du système, et ce qui résulte d'une dégradation de l'énergie entrante, appelée « énergie inutile »). Le diagramme de Sankey a l'avantage de montrer les quantités d'énergie entrantes et sortantes et, conformément au principe de conservation, la somme des largeurs des flèches entrantes doit être égale à la somme des largeurs des flèches sortantes.

En 1842, le physicien allemand Robert Mayer a présenté la valeur de l'équivalent mécanique de la chaleur. Il partait du principe que "toute cause est égale à son effet". Comment l'a-t-il utilisé ? En remuant vigoureusement de l'eau dans un récipient, il a observé que le seul effet était que la température de l'eau augmentait. Il a alors déclaré que l'agitation était la cause et la chaleur qui en résultait était l'effet. Il a postulé que "quelque chose" associé à l'action mécanique devrait être égal à "quelque chose" associé à la chaleur produite. Il a ensuite introduit un nouveau terme. Il a appelé la cause "force" et l'effet "force". Comme il partait de l'idée que "cause = effet", il conclut que la "force" ne varie pas, qu'elle est conservée. Comment pouvait-il soutenir que la force est conservée, alors que les deux phénomènes observés sont très différents l'un de l'autre (l'action mécanique de remuer l'eau et la chaleur, comme en témoigne l'augmentation de la température de l'eau) ? Pour argumenter en faveur de cette conservation, Mayer a ajouté l'idée que la force est conservée. Ainsi, une forme de "force" (l'action mécanique) est transformée en une autre forme (la chaleur). Ces propriétés de la "force" de Mayer - la "force" est indestructible et transformable - ont été adoptées pour l'énergie. Cela se voit dans le principe de conservation de l'énergie : l'énergie n'est ni créée ni détruite, seulement transformée.

En 1843, Joule, un jeune homme qui faisait des expériences pour le plaisir, a mené une expérience pour prouver que la chaleur n'est pas une substance mais une sorte de mouvement. À cette époque, en effet, la chaleur était considérée comme quelque chose de matériel associé à un objet. Lorsque deux objets interagissaient, la quantité totale de chaleur ne pouvait pas changer. Pour prouver que c'était faux, il fallait montrer que dans certaines situations, cette quantité totale pouvait varier. C'est ce qu'il a montré dans ses expériences, où la température augmente avec l'action mécanique, alors la quantité totale de chaleur n'est pas constante. Pour le prouver, il suffisait de montrer que la "quantité de chaleur" dans un phénomène peut varier. Pourquoi ? Si elle peut varier, elle ne peut pas être une substance. Si ce n'était pas une substance, alors selon la science de l'époque, il devait s'agir de mouvement. Les expériences ont montré que la quantité de chaleur variait, donc la chaleur devait être une sorte de mouvement. Il s'est demandé s'il y avait une proportionnalité entre l'action mécanique utilisée dans l'expérience et la chaleur produite. Pour répondre à cette question, il a réalisé les mêmes expériences et a déterminé ce que nous appelons l'équivalent mécanique de la chaleur. Entre 1845 et 1850, il a réalisé des expériences - les expériences de la roue à aubes - pour déterminer plus précisément l'équivalent mécanique de la chaleur.

Figure 2. Schéma original de l'expérience de Joule.

En 1851, Thomson (qui deviendra plus tard Lord Kelvin) introduit le terme "énergie" dans la théorie de la chaleur. Le mot existait déjà dans le lexique et signifiait "activité". La signification du mot énergie a évolué au fil du temps. Il a donc commencé à englober les approches de Mayer et de Joule, comme s'ils avaient tous deux fait la même chose. Ils étaient d'accord sur l'équivalent mécanique de la chaleur ; ils divergeaient sur l'interprétation des phénomènes. Mayer ne prétendait pas que la chaleur est un mouvement, mais plutôt qu'elle était « une forme d'énergie (de force) ». Dans les années 1880, différents scientifiques britanniques ont émis l'idée que l'énergie était une « chose réelle qui se déplace dans l'espace », et depuis cette époque, nous avons toujours l'idée que l'énergie est transférée. Le développement du concept s'est poursuivi et est devenu confus. Le lauréat du prix Nobel Richard Feynman a déclaré dans les années 1960 : "il est important de réaliser qu'en physique aujourd'hui, nous n'avons aucune connaissance de ce qu'est l'énergie" (Feynman et al., 1963, Sect. 4-1). Aujourd'hui, de nombreux physiciens se posent encore cette question : qu'est-ce que l'énergie exactement ?

C'est pourquoi l'approche conceptuelle proposée dans cette ressource ne se concentre pas sur la définition de l'énergie, mais sur son utilisation opérationnelle pour décrire, prédire et expliquer les phénomènes naturels qui nous entourent en termes de transfert d'énergie, de conservation d'énergie et de dégradation de l'énergie.

Prérequis

Comme indiqué dans la section précédente, il n'est pas nécessaire de définir formellement l'énergie avant de se plonger dans la bande dessinée, car cette définition n'est pas tout à fait stabilisée et peut conduire à une formulation abstraite et dénuée de sens. En revanche, les élèves peuvent utiliser des grandeurs physiques simples telles que la température ou le mouvement pour utiliser intuitivement l'idée d'énergie, comme "plus il fait chaud, plus il y a d'énergie", "plus il y a de vitesse, plus il y a d'énergie", etc. En utilisant ce raisonnement de manière intuitive, nous supposons que nous serons probablement confrontés à des idées fausses et à des confusions concernant l'énergie tout au long du processus d'apprentissage (voir la section "Point de vue des élèves", ci-dessus). Ces idées fausses - telles que l'énergie est une substance tangible, la croyance que l'énergie est perdue plutôt que transformée, ou la confusion entre énergie utile et énergie non utile - apparaîtront sans doute au fur et à mesure que les élèves s'engageront dans la bande dessinée et les activités.

Le rôle de la bande dessinée et des activités qui l'accompagnent est d'aider les élèves à se confronter à ces idées et à construire progressivement un modèle cohérent de l'énergie fondé sur des idées scientifiques clés (voir la section Approche conceptuelle ci-dessus). En suivant l'histoire et en réfléchissant à des situations liées à l'énergie, les élèves devraient passer d'une compréhension intuitive mais incorrecte à une conceptualisation structurée et scientifiquement fondée de l'énergie. Les discussions et les expériences serviront de base pour guider ce développement conceptuel.

Activités pratiques pour favoriser la discussion

Une façon efficace de renforcer la compréhension des élèves en matière de conservation de l'énergie consiste à réaliser des expériences pratiques qui leur permettent d'observer et d'analyser des transformations énergétiques réelles. Une expérience simple mais instructive consiste à faire tomber des balles de différentes matières et de différentes tailles d'une même hauteur (dans du sable fin ou de la farine). En observant attentivement les résultats et en en discutant, les élèves remarqueront que l'énergie de la balle qui tombe est transférée au sable et à l'environnement, ce qui produit une augmentation de la température et du bruit lors de l'impact. Cette expérience sert de démonstration concrète de l'équivalence de l'énergie dans différents états initiaux : faire tomber une masse deux fois plus lourde équivaut à faire tomber une masse deux fois plus haute.

Une autre activité intéressante consiste à explorer les tentatives historiques de compréhension des machines à mouvement perpétuel. Les élèves analyseront des conceptions de différentes époques et identifieront les raisons de l'échec final de ces machines. Cette discussion met en évidence les principes de dissipation d'énergie et d'entropie, renforçant la compréhension du fait que les transformations d'énergie impliquent toujours une perte pour l'environnement, généralement sous forme de chaleur. En examinant de manière critique les raisons de l'impossibilité du mouvement perpétuel, les élèves développent une meilleure compréhension des lois de la thermodynamique.

Modélisation avec des représentations visuelles

L'utilisation de diagrammes de Sankey permet de visualiser les transferts d'énergie au sein de différents systèmes. Les élèves peuvent analyser divers scénarios énergétiques réels, tels qu'un moteur de voiture ou un système de chauffage domestique, et cartographier la façon dont l'énergie circule au cours de ces processus. En faisant la distinction entre l'énergie utile et l'énergie dissipée, les élèves peuvent réfléchir à l'efficacité et à la façon dont l'optimisation de l'utilisation de l'énergie est une préoccupation majeure en ingénierie et en sciences de l'environnement. Cette approche les encourage à réfléchir au-delà des concepts théoriques et à examiner comment la conservation de l'énergie s'applique aux progrès technologiques et aux efforts de développement durable.

Liens avec les questions socio-scientifiques (QSS)

Pour contextualiser davantage les discussions sur l'énergie, les élèves peuvent explorer les questions socio-scientifiques contemporaines liées à la production et à la consommation d'énergie. Pour ce faire, ils peuvent notamment examiner les tendances mondiales de la consommation d'énergie et analyser des données réelles sur l'utilisation de l'énergie dans différents pays et secteurs économiques. Cette approche permet aux élèves de comprendre comment la demande énergétique a évolué au fil du temps et les défis associés à l'équilibre entre les besoins énergétiques et la durabilité.

Une discussion connexe peut porter sur l'efficacité énergétique et la manière dont les progrès technologiques contribuent à optimiser l'utilisation de l'énergie. En examinant des études de cas, telles que les appareils à haut rendement énergétique, les véhicules électriques ou les techniques d'isolation améliorées, les élèves peuvent évaluer les applications pratiques de la conservation de l'énergie. Cela encourage la réflexion critique sur la manière dont la science et l'ingénierie contribuent à résoudre les défis liés à l'énergie.

Enfin, les élèves peuvent participer à des débats ou à des projets sur l'impact environnemental des différentes sources d'énergie. En comparant les énergies renouvelables et non renouvelables, ils peuvent évaluer les avantages et les inconvénients des différentes méthodes de production d'énergie. Cette discussion peut conduire à une réflexion sur le rôle de la politique et de l'innovation dans la construction d'un avenir durable. En reliant le concept d'énergie à des problèmes concrets, les élèves acquièrent une perspective plus large sur son importance au-delà de la salle de classe de physique, favorisant une compréhension plus interdisciplinaire et appliquée du sujet.

Pour soutenir et approfondir l'apprentissage des élèves, différentes ressources complémentaires sont disponibles. Vous pouvez télécharger ces activités dans un document modifiable.

Document 1 : Inventaire succinct des concepts énergétiques

Ce bref inventaire se compose de questions à choix multiples visant à diagnostiquer les idées préconçues et les éventuelles idées fausses des élèves sur l'énergie. Couvrant des sujets tels que l'énergie potentielle gravitationnelle, le transfert d'énergie et la conservation, cet outil d'évaluation aide les enseignants à identifier les domaines qui nécessitent des éclaircissements supplémentaires et permet aux élèves de suivre leurs progrès conceptuels au fil du temps.

Document 2 : Questions scientifiques à poser après la lecture de la bande dessinée

Cette ressource contient une série de questions auxquelles les élèves ne doivent répondre qu'après avoir lu la bande dessinée. Les questions encouragent les élèves à réfléchir à des concepts clés tels que la conservation et les transformations de l'énergie tout en établissant des liens directs avec l'histoire. Elles favorisent également la pensée critique, en demandant aux élèves d'expliquer des phénomènes physiques et de représenter les flux d'énergie à l'aide de diagrammes.

Document 3 : Étudier comment les objets s'enfoncent dans le sable

Cette activité pratique explore la relation entre la masse d'un objet, la hauteur de chute et la profondeur à laquelle il s'enfonce dans le sable. En expérimentant avec différentes variables, les élèves peuvent analyser l'équivalence de différents états initiaux afin de produire le même effet. La ressource fournit des étapes d'enquête structurées, des prédictions et des possibilités d'analyse de données.

Document 4 : Comprendre la dissipation d'énergie à l'aide du diagramme de Sankey

L'activité du Document 4 invite les élèves à analyser la dissipation d'énergie à l'aide de diagrammes de Sankey. En visualisant les flux d'énergie dans différents systèmes, les élèves explorent la manière dont l'énergie est répartie entre l'énergie utile et l'énergie dissipée. Cette approche les encourage à évaluer de manière critique l'efficacité et à comprendre les principes de conservation de l'énergie. Grâce à divers exercices, ils modifieront et interpréteront les diagrammes de Sankey pour refléter différents scénarios du monde réel, ce qui les aidera à comprendre l'impact de la dissipation d'énergie et l'importance d'optimiser l'utilisation de l'énergie.

Document 5 : Enquête sur les machines à mouvement perpétuel

Cette ressource met les élèves au défi d'examiner de manière critique des vidéos qui prétendent présenter des machines à mouvement perpétuel. En analysant les interactions mécaniques et en identifiant les sources d'apport d'énergie externe, les élèves s'engagent dans un raisonnement scientifique pour réfuter la faisabilité du mouvement perpétuel. L'activité met l'accent sur la deuxième loi de la thermodynamique, en soulignant pourquoi la dissipation d'énergie empêche les machines de fonctionner indéfiniment sans source d'énergie externe.

Document 6 : Vidéo d'une supposée machine à mouvement perpétuel à engrenages

Cette vidéo présente un système mécanique qui prétend fonctionner indéfiniment sans source d'énergie externe. Le mécanisme se compose d'engrenages, de leviers et d'éléments rotatifs interconnectés qui semblent maintenir le mouvement par eux-mêmes. Cependant, en analysant les forces en jeu, les élèves peuvent évaluer de manière critique pourquoi le mouvement perpétuel est impossible selon les lois de la thermodynamique. La vidéo sert d'outil pour identifier les apports d'énergie cachés, les pertes par frottement et la dissipation d'énergie dans les systèmes mécaniques.

Document 7 : Vidéo d'un système de mouvement perpétuel supposé à base d'eau

Cette deuxième vidéo présente un système à base d'eau qui semble continuer à bouger sans apport d'énergie externe. La configuration implique un flux continu de liquide se déplaçant à travers des tuyaux et des roues, suggérant un cycle énergétique sans fin. Les élèves sont encouragés à analyser les composants, à remettre en question le rôle de la gravité et à identifier pourquoi les pertes d'énergie dues à la friction et à la résistance rendent le mouvement perpétuel impossible. En déconstruisant les affirmations faites dans la vidéo, ils développent une meilleure compréhension de la conservation et de la dissipation de l'énergie.

La séquence pédagogique suivante est conçue pour intégrer la lecture de la bande dessinée à des activités structurées qui aident les élèves à analyser et à affiner leur compréhension des concepts énergétiques. La séquence s'étend sur deux séances de cours et comprend des discussions, des activités pratiques et des évaluations pour consolider l'apprentissage.

Première séance (1h)

Questionnaire individuel - Document 1 (20 min)

Les élèves commencent par répondre à un questionnaire individuel conçu pour évaluer leurs connaissances préalables et identifier les éventuelles idées fausses liées à l'énergie. Cette activité de diagnostic, fournie dans le document 1, permet aux élèves de se familiariser avec les concepts clés avant d'être initiés à la bande dessinée. L'enseignant recueille et examine les réponses afin d'adapter les discussions suivantes.

Lecture individuelle (20 min)

Les élèves lisent ensuite la bande dessinée individuellement, ce qui leur permet de se familiariser avec l'histoire et les thèmes scientifiques sans explication préalable. Ils sont encouragés à prendre des notes sur les aspects déroutants ou les idées surprenantes qu'ils rencontrent en lisant. La bande dessinée sert à introduire progressivement les concepts énergétiques, permettant aux élèves de s'approprier naturellement les idées.

Activités postérieures à la lecture - Document 2 (20 min)

Après la lecture, les élèves réalisent des activités structurées basées sur le document 2, qui contient des questions d'orientation les invitant à réfléchir aux concepts clés présentés dans la bande dessinée. Ces activités sont conçues pour fournir un cadre de discussion sur certains des concepts inclus dans la bande dessinée. Les élèves travaillent en petits groupes pour comparer leurs réponses avant de participer à une discussion dirigée par l'enseignant.

Deuxième séance (1h)

Expérience : étudier comment les objets s'enfoncent dans le sable - Document 3 (20 min)

Les élèves participent à une expérience pratique à l'aide du document 3, qui porte sur la façon dont des objets de différentes masses et hauteurs de chute s'enfoncent dans le sable. Ils mènent des expériences en laissant tomber différents objets et en mesurant la profondeur à laquelle ils s'enfoncent, puis ils consignent leurs observations. L'objectif est de relier ces résultats expérimentaux au concept de transfert d'énergie, en renforçant la façon dont l'énergie cinétique se déplace vers d'autres objets lors de l'impact. L'enseignant anime une discussion pour relier l'idée d'équivalence de différents états qui produisent le même changement.

Diagramme de Sankey - Document 4 (20 min)

Les élèves retrouvent le diagramme de Sankey déjà présenté dans la bande dessinée, une représentation visuelle des transferts d'énergie dans un système. À l'aide du document 4, ils analysent différents exemples et identifient comment l'énergie circule à travers divers processus. L'accent est mis sur la distinction entre l'énergie utile et l'énergie dissipée, renforçant ainsi le concept de dégradation et d'efficacité de l'énergie dans des applications réelles.

Analyse des machines à mouvement perpétuel - Documents 5, 6 et 7 (20 min)

Les élèves regardent et analysent des vidéos de machines à mouvement perpétuel supposées. Ils utilisent leur compréhension de la conservation et de la dégradation de l'énergie pour évaluer de manière critique pourquoi de telles machines ne peuvent pas fonctionner indéfiniment. Grâce à cette activité, ils renforcent leur compréhension de la deuxième loi de la thermodynamique et de l'impossibilité de créer un système qui fonctionne sans apport continu d'énergie. Une discussion en classe suit pour déconstruire les mécanismes des vidéos et renforcer l'idée que les transferts d'énergie impliquent toujours une perte pour les objets ou systèmes environnants.

Prolongements possibles

Pour les classes disposant de plus de temps ou pour un engagement plus profond, des activités supplémentaires peuvent être intégrées :

• Discussion globale sur l'énergie : les élèves examinent les données sur la consommation mondiale d'énergie et discutent des implications pour la durabilité.
• Comparaison des transferts d'énergie : à l'aide d'exemples concrets, les élèves évaluent l'efficacité de différents systèmes et la manière dont la technologie vise à optimiser l'utilisation de l'énergie.
• Débat sur la consommation et l'efficacité énergétiques : les élèves participent à un débat structuré sur la question de savoir si les mesures d'efficacité énergétique devraient être obligatoires dans les industries et les ménages.

Bächtold, M., Munier, V., Guedj, M., Lerouge, A., & Ranquet, A. (2014). Quelle progression dans l'enseignement de l'énergie de l'école au lycée ? Une analyse des programmes et des manuels. Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies, 10. https://doi.org/10.4000/rdst.932

Bächtold, M., & Guedj, M. (2014). Quelle progression dans l'enseignement de l'énergie de l'école au lycée ? Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies, 10, 63–94.

Lawrence, I. (2007). Teaching energy: Thoughts from the SPT11–14 project. Physics Education, 42(4), 402-406. https://doi.org/10.1088/0031-9120/42/4/011

Goldring, H., & Osborne, J. (1994). Students' difficulties with energy and related concepts. Physics Education, 29, 26-31.

Bächtold, M. (2021). Introducing Joule's paddle wheel experiment in the teaching of energy: Why and how? Foundations of Science, 26(4), 791–805. https://doi.org/10.1007/s10699-020-09664-2

Coelho, R. L. (2024). On Joule's paddle wheel experiment in textbooks. Physics Education, 59(2).https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/ad2104