A Joint Reconstruction of Newtonian Dynamics and Gravitation. Design and Evaluation of a Teaching Sequence Inspired by History and Epistemology of Physics
Une reconstruction conjointe de la dynamique et de la gravitation newtoniennes. Conception et évaluation d’une séquence d’enseignement inspirée par l’histoire et l’épistémologie de la physique
Résumé
This work proposes a teaching approach of the Newtonian theory. One of the central
intentions is to justify the concepts and formulae which constitute it, via a progressive
pathway enabling to reconstruct them. In particular one of the conceptual target is the
notion of terrestrial attraction, which is most of the time asserted, although it is not
self-evident. The interpretation of free fall as a natural motion - in Antiquity and still to
Galileo – is used to question the Newtonian concept of force. The purpose is to introduce
it by showing its dependency to a natural motion of reference, redefined by the first law
of motion, justifying then its relation to acceleration. This formulation aims at insisting
on the specific concept definition of the theory, in order to foster its distinction from the
common sense ideas about force and motion. Following this formulation of dynamics, is
presented the reasoning - inspired by Newton’s one - leading to the relationship between
the revolution of planets, of the Moon, and free fall on Earth. This pathway enables
to justify that the force associated to free fall acceleration can be associated to the
presence of the Earth. It leads furthermore to the justification of the idea of universal
attraction, as well as to the construction of the gravitational force expression. At the
epistemological level, the pathway leading to relate these various phenomena highlights
the role of unification of a physical theory. A teaching sequence has been developed on
the basis of this approach and experimented with high school and first year university
students. One of the results observed is a strong interest of students for the justification
of concepts definitions and formulae.
Ce travail propose une approche d’enseignement de la théorie newtonienne. L’une des
intentions centrales est de justifier les concepts et formules qui la constituent, via un
cheminement progressif permettant de les reconstruire. En particulier est visée la notion
d’attraction terrestre, très souvent admise, bien qu’elle ne soit pas évidente par
elle-même. L’interprétation de la chute libre comme un mouvement naturel - dans l’Antiquité
et encore chez Galilée - est utilisée pour questionner la définition du concept
newtonien de force. Il s’agit de mettre en évidence sa dépendance à un mouvement
naturel de référence, redéfini par la première loi du mouvement, justifiant ainsi son lien
à l’accélération. Cette formulation a pour but d’insister sur la définition spécifique du
concept dans la théorie, afin de favoriser sa distinction des idées du sens commun sur
les forces et le mouvement. D’autre part, une explicitation du raisonnement menant à
relier la révolution des planètes, de la Lune, et la chute sur Terre - inspiré du cheminement
de Newton - permet de justifier que la force associée à l’accélération de chute
soit liée à la présence de la Terre. Elle permet de plus d’aboutir à l’idée d’attraction
universelle, ainsi qu’à la formule de la force qui la quantifie. Au niveau épistémologique,
le cheminement menant à relier ces différents phénomènes permet de mettre en avant le
rôle d’unification d’une théorie physique. Une séquence d’enseignement a été développée
sur la base de cette approche et expérimentée avec des élèves de lycée et des étudiants
en première année à l’université. L’un des résultats majeurs obtenus est un intérêt très
marqué pour la démarche de justification des définitions et formules.