La mécanique newtonienne et son aura

Un cheminement fondateur

Une insatisfaction comme impulsion initiale Une des spécificités centrales de l’approche proposée résulte du cheminement de ma réflexion sur le sujet, et en particulier de son point de départ. J’ai commencé ce travail avec l’intention de m’intéresser essentiellement à l’enseignement de la gravitation newtonienne. Ce choix avait pour origine subjective le souvenir révolté du contraste entre l’image donnée de cette théorie dans l’enseignement secondaire, et sa découverte par d’autres moyens extrascolaires. Comment un sujet aussi riche et fascinant pouvait-il être restitué de manière aussi appauvrie et fade ? Le temps a relativisé progressivement cette indignation par l’ouverture à d’autres expériences que la mienne, mais une certaine rancune pédagogique est tout de même restée enfouie : on m’avait menti par omission. Après quelques années captivé par l’étude de la physique, cet intérêt c’est finalement éloigné de lui-même, laissant de l’espace à d’autres sensibilités. Plus tard, la découverte d’un champ de recherche sur l’enseignement raviva le souvenir d’anciennes réflexions suscitées par ma déception lycéenne. Ce terrain pouvait se prêter à faire germer les idées que mon insatisfaction avait engendrées. M’engageant dans cette voie, je découvris alors que j’avais beaucoup à apprendre sur ce genre de culture là. La familiarisation avec les recherches en didactique m’a permis de réaliser l’étendue et la nature des difficultés des élèves, dans l’apprentissage des concepts associés à la gravité. J’y ai découvert également des pistes pour interpréter et appréhender les questions .

Une approche de la gravitation

Tandis que l’on attribue au champ de la pédagogie les préoccupations d’ordre général pour les méthodes d’enseignement, une réflexion sur l’enseignement d’un contenu particulier, prenant en compte ses spécificités et les difficultés qui lui sont propres, est académiquement rattachée à l’appellation de didactique 1 . La didactique de la physique, et plus précisément la réflexion didactique sur un contenu physique donné, exige ainsi une compréhension en profondeur de celui ci, avant de pouvoir dire quoi que ce soit sur son enseignement ou son apprentissage. Pour aborder le thème de la gravitation, il me fallait donc approfondir son étude, en particulier par une analyse de son histoire, et des questions épistémologiques associées. Cette imprégnation, ainsi que les idées initiales à l’origine de cette entreprise, ont particulièrement orienté la lecture des recherches sur les difficultés des élèves. La première réflexion articulant ces différents éléments a conduit à la mise en relation des trois points de vue suivants. — Au niveau des élèves d’une part, de nombreuses idées a priori à propos de la gravité peuvent être reliées à la séparation dans la façon de considérer les phénomènes sur Terre et dans l’espace. Il s’agit par exemple des conceptions comme « la gravité nécessite la présence de l’air », « il n’y a pas de gravité dans l’espace » ou encore « les objets en orbite n’ont pas de poids » (Kavanagh and Sneider, 2006a,b). — Or d’un point de vue historique, il se trouve que cette question des liens entre phénomènes terrestres et célestes est également au cœur de l’évolution des idées ayant mené à la théorie de la gravitation newtonienne. L’apport fondamental de celle-ci est en effet de permettre une description unifiée de la chute des corps et de la révolution des planètes, après presque deux mille ans de distinction entre monde terrestre et monde céleste. — Au niveau institutionnel, d’une manière générale, les programmes et les manuels se focalisent surtout sur la formule mathématique quantifiant la force de gravitation. L’idée d’unification de la théorie est implicitement contenue dans le caractère universel de cette force. Cependant cette caractéristique étant posée comme un fait à admettre, il n’y a pas de stratégie pour aider à l’assimilation de cette idée, alors qu’elle semble justement liée à une difficulté majeure chez les élèves. D’autre part, la formule de la force de gravitation est généralement posée sans justification, c’est-à-dire également à admettre, par argument d’autorité du savoir scientifique établi. A partir de ces constats et critiques, la proposition d’approche initiale se donnait le projet de prendre en compte les difficultés associées à la distinction entre les phénomènes sur Terre et dans l’espace, en s’inspirant de l’évolution des idées ayant mené à leur unification. La séquence d’enseignement basée sur cette approche était ainsi imaginé comme un cheminement heuristique de reconstruction de la théorie de la gravitation. La possibilité de reconstruire progressivement l’expression de la force gravitationnelle permet ainsi d’éviter l’argument d’autorité du savoir savant au profit de l’image d’un savoir construit. C’est sur la base de ce projet que s’est développé mon travail de thèse, qui s’est élargi avec l’accroissement de ma culture en didactique, philosophie et histoire des sciences, et qui s’est reconfiguré au fil de nouvelles questions rencontrées en avançant dans cette direction.

Le rôle de la dynamique

Parmi ces reconfigurations, le statut des lois du mouvement dans la construction de la théorie de la gravitation s’est révélé un point essentiel. Cela peut être d’un certain point de vue évident : pour pouvoir arriver à la « force de gravitation », il faut déjà comprendre suffisamment comment est construit le concept physique de « force » et sa relation au mouvement. Cependant il est possible d’éluder la question lorsqu’on fait le choix (implicite et souvent inconscient) de concevoir la notion de force indépendamment des lois du mouvement. La majorité des présentations de la mécanique expose le sujet de cette façon, ce qui est compatible avec une présentation de la gravitation à son stade final, si l’on ne se soucie du cheminement logique permettant d’y aboutir. Lorsque l’on s’intéresse à ce cheminement, le lien entre dynamique et gravitation ap5 Chapitre 1 Introduction paraît comme inévitable. D’un point de vue historique, Max Jammer souligne même le rapport d’intentionnalité entre les deux, dans son livre de référence sur le sujet : Concepts of Force : a study in the foundations of dynamics (Jammer, 1957) : « Newton’s concept of force is intimately related, historically as well as methodologically, to his profound study of gravitation. The relation is historical, because his exposition of the fundamental ideas of mechanics was intended to serve, first and foremost, as an axiomatic foundation for his mathematical deductions of gravitational phenomena in the solar system. » (Jammer, 1957, p.116) Ce lien entre dynamique et gravitation sera par la suite également au cœur de la relativité générale, comme le résume la célèbre phrase de John Wheeler : « Spacetime tells matter how to move ; matter tells spacetime how to curve. »(Wheeler and Ford, 2000, p.235) Pour en revenir à l’approche proposée de la gravitation, s’il s’agit d’aborder l’unification entre phénomènes terrestres et célestes, il faut commencer par poser le contexte antérieur à Newton, où monde terrestre et monde céleste étaient dissociés. Or dans ce contexte, la chute libre sur Terre et le mouvement de révolution des astres sont considérés comme des mouvements naturels, ayant lieu d’eux-mêmes sans l’intervention de forces. Ainsi avant de comprendre pourquoi il pourrait s’agir d’une même force dans les deux cas, il faut d’abord comprendre comment on en vient à interpréter ces mouvements en termes de force. Et cela est entièrement lié au cadre de la dynamique de Newton. Ces considérations, ainsi que d’autres éléments qui seront développés plus loin, témoignent du fait que la présentation de la théorie de la gravitation est étroitement dépendante de la façon dont sont introduits les concepts et lois fondamentales de la dynamique. Ce fait en tête, l’étude didactique devait donc s’ouvrir au champ de l’enseignement et de l’apprentissage de la dynamique. Au fur et à mesure de l’approfondissement de la littérature particulièrement vaste sur ce sujet, et gardant à l’esprit les éléments de réflexion sur la théorie de la gravitation, l’enjeu initial s’est petit à petit déplacé.