CÉGEP DE SHERBROOKE

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE

SESSION AUTOMNE 2007

PLAN DE COURS

MÉCANIQUE 203-NYA-05

(3-2-3)

Tiré de Trucs-en-vrac de Gotlib, Dargaud ed. 1977.

Programme : Sciences de la nature

Professeur :
Martin Aubé, bureau 2-57-170
Courriel : martin.aube@cegepsherbrooke.qc.ca
Téléphone : 819-563-6450 poste 6232

www.cegepsherbrooke.qc.ca/~phy/

Notes préliminaires

Le programme Sciences de la nature au collégial a pour objectif de donner à l’étudiant ou à l’étudiante une formation équilibrée, intégrant les composantes de base d’une formation scientifique et d’une formation générale rigoureuses et les rendant aptes à poursuivre des études universitaires en sciences pures, en sciences appliquées ou en sciences de la santé.

Les cours de physique jouent un rôle important dans le programme Sciences de la nature étant donné que cette science s’intéresse aux propriétés de la matière et à ses interactions. Les sujets qu’elle étudie couvrent un large éventail allant de la composition du noyau atomique jusqu’à la constitution de l’univers. Les principes, lois et modèles élaborés en physique trouvent des applications dans plusieurs secteurs d’activités, que ce soit en génie, en chimie, en biologie, en médecine, en physiologie, en géologie, en météorologie, en finances, dans le perfectionnement des sports, en architecture, en musique, etc.

Il y a trois cours de physique dans le programme. Le cours Mécanique est le premier de la série. Le cours Électricité et magnétisme ainsi que le cours Ondes, optique et physique moderne le suivront.

Dans ce premier cours, l’étudiant abordera les grands principes de la physique classique. Il apprendra notamment à analyser le mouvement des particules et des corps rigides à partir des lois et principes de la mécanique. De plus, l’étudiant sera appelé à amorcer ou poursuivre le développement d’habiletés comme travailler en équipe, raisonner avec rigueur, appliquer la démarche scientifique, résoudre des problèmes de façon systématique, utiliser des technologies appropriées de traitement de l’information, communiquer de façon claire et précise, apprendre de façon autonome, adopter des attitudes utiles au travail scientifique et traiter des situations nouvelles à partir de ses acquis. L’étudiant sera aussi à l'occasion amené à établir des liens entre la science, la technologie et l’évolution de la société, à situer le contexte d’émergence et d’élaboration des concepts scientifiques et à poursuivre le développement de son système de valeurs.

Il est à noter que le cours Calcul différentiel (201-NYA-05) est un préalable relatif au cours Mécanique. De son côté, le cours Mécanique est un préalable absolu aux cours Électricité et magnétisme (203-NYB-05) et Ondes, optique et physique moderne (203-NYC-05).

Texte ministériel

Le Ministère de l’éducation prescrit certaines assises à l’élaboration du programme et des cours du programme de Sciences de la nature. Le tableau suivant présente les bases associées au cours Mécanique. Il est à noter que les quelques éléments du contenu précédés d’un tiret sont des ajouts ou précisions locales propres au Cégep de Sherbrooke.

Énoncé de la compétence :

Analyser différentes situations et phénomènes physiques à partir des principes fondamentaux reliés à la mécanique classique

Éléments de la compétence	Critères de performance	Contenu – activités d’apprentissage
-Décrire le mouvement de translation et de rotation des corps. -Appliquer les concepts et les lois de la dynamique à l’analyse du mouvement des corps. -Effectuer des calculs de travail et d’énergie dans des situations simples. -Appliquer les principes de conservation de la mécanique. -Vérifier expérimentalement quelques lois et principes reliés à la mécanique.	-Utilisation appropriée des concepts, des lois et des principes. -Schématisation adéquate des situations physiques. -Utilisation d’une terminologie appropriée. -Représentation graphique et mathématique adaptée à la nature du mouvement. -Justification des étapes retenues pour l’analyse des situations. -Application rigoureuse des lois de Newton et des principes de conservation. -Jugement critique des résultats. -Interprétation des limites des modèles. -Expérimentation minutieuse. -Présence des éléments constituants d’un rapport de laboratoire selon les normes établies.	-Quantités physiques scalaires et vectorielles : unités et dimensions. -Cinématique des différents mouvements de rotation et de translation : position, déplacement, vitesse linéaire et angulaire, accélération. -Force, dynamique de translation et de rotation. -Équilibre de translation et de rotation. -Loi de la gravitation universelle. -Énergie et travail mécanique. -Principes de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. -Notion de centre de masse. -Utilisation d’un chiffrier électronique et d’un tableur. Production par ordinateur de graphiques scientifiques. -Utilisation d’un système d’acquisition de données.

Approche pédagogique

La matière sera présentée sous forme d'ateliers interactifs et parfois par des exposés magistraux selon les besoins. Les ateliers interactifs seront généralement amorcés par le biais de situations-problèmes. Durant les situations-problèmes, vous serez amenés à intégrer un certain nombre de concepts pour arriver à une solution. Ces situations-problèmes seront dans la mesure du possible inspirées de phénomènes que vous pouvez observer dans la vie de tous les jours ou que vous pourrez reproduire et étudier en laboratoire avec des moyens modestes. Elles feront éventuellement appel à un éventail de compétences expérimentales (mesures sur le terrain), théoriques, méthodologiques (p.ex. recherche d'information valable sur le WWW). Par cette démarche d'intégration de concepts vous serez graduellement conduits à développer une certaine acuité à remarquer et analyser des phénomènes souvent très familiers auxquels vous n'aurez peut-être jamais porté d'attention particulière auparavant. Je souhaite que vous puissiez développer votre sens de l'observation, développer votre capacité à transférer vos apprentissages, développer votre créativité tout en intégrant une approche d'analyse rigoureuse propre à la méthode scientifique. Au cours des exposés magistraux, qui seront essentiellement l'occasion de faire des exemples de résolution de problèmes, il vous sera recommandé de prendre des notes. Le volume de référence permettra de donner une version différente et souvent complémentaire de celle proposée par le professeur afin de favoriser une meilleure intégration des concepts pour tous (la lecture du volume sera nécessaire). Pour chaque thème abordé en classe, vous connaîtrez les sections pertinentes du volume. Un guide d'étude comprenant la liste des exercices suggérés est accessible sur le site web du cours. Ces exercices visent l'intégration des concepts théoriques un à un. Des exercices intégrateurs sont aussi proposés sur le site web. Ces derniers font intervenir plus d'un concept à la fois, ils vous permettront de vous préparer aux examens. Des périodes d'exercices se tiendront durant les heures de cours. Par son étude, l'étudiant doit s'assurer de dégager et intégrer ces concepts pour pouvoir les identifier par lui-même dans des situations différentes. Les problèmes d'examen seront tirés de situations de la vie de tous les jours dans la mesure du possible.

Des petites démonstrations expérimentales seront régulièrement insérées durant les heures de classe afin de favoriser la compréhension et afin d'augmenter l'intérêt face à aux concepts étudiés.

Un certain nombre de documents relatifs au cours seront disponibles via le World Wide Web sur un wiki dédié à mes cours et accessible à partir du site du département (via ma page personnelle) http://www.graphycs.qc.ac/aubema/wiki/. Les documents pourront donc être consultés en ligne (dans le respect de l'environnement) ou imprimés à l'aide d'un navigateur WEB. Le wiki sera un lieu d'échange, de travail collectif, de gestion du temps, de diffusion et un espace favorisant l'évaluation formative et certificatives des compétences visées par le cours. Vous aurez à y inscrire votre adresse de courriel pour faciliter l'échange de l'information dans le groupe. Cet outil occupera une place fondamentale dans le déroulement du cours.

Laboratoires projets:

Les équipes de laboratoire seront constituées de quatre étudiants par le biais d'un processus visant à regrouper les personnes selon leur intérêt face à l'un ou l'autre des sujets de projet de session proposés par le professeur. Les heures de laboratoire seront consacrées à la résolution de situations-problèmes qui seront abordés selon une pédagogie par projet.

Liste des projets qui seront proposés:

Projet de session: Résolution numérique d'un système complexe (sur 12 sem.)
Mesure de la constante « g » (2 sem.)
Une course « dynamique » (4 sem.)

Pour ces projets vous devrez déterminer par vous-même la démarche expérimentale optimale à utiliser de façon à répondre le mieux possible à la situation-problème. Cela implique la mise au point du protocole expérimental, la fabrication du montage expérimental et le choix de la méthodologie de réduction et d'analyse des résultats. Vous pourrez utiliser les matériaux disponibles au laboratoire de physique mais si vous jugez nécessaire de compléter avec d'autres matériaux vous pourrez vous les procurer vous-mêmes. La récupération de matériaux usagés devrait être valorisée.

Comme il s'agit de projets originaux, vous devez vous attendre à commettre quelques erreurs qui vous forceront à revoir et améliorer votre démarche en cours de route. À la fin du projet, vous devrez présenter un rapport incluant le cadre théorique, le cadre expérimental, une analyse et discussion de vos résultats sans oublier l'introduction, la conclusion et la médiagraphie. Ce rapport devra être conforme au guide de rédaction de Boisclair et Pagé.

Évaluation:

L'évaluation portera sur l'atteinte des compétences identifiées par le devis ministériel.

Évaluation formative

Chaque situation-problème sera l’occasion pour l’enseignant d’effectuer des observations et de transmettre, de façon orale ou par écrit via le wiki ou par courriel, des commentaires à l’étudiant. Ces observations et commentaires porteront autant sur l’utilisation adéquate et la compréhension des concepts et connaissances que sur les méthodes de travail, les stratégies employées, les attitudes et les comportements. Cette rétroaction continuelle de la part de l’enseignant permettra aux étudiants d’ajuster leurs attitudes, leurs stratégies et leur compréhension en cours de route. Vous êtes tenus de consulter votre adresse de courriel et votre espace d'équipe sur le wiki au moins une fois par semaine. Vous devrez maintenir un journal de bord à même le wiki ou vous consignerez vos remarques et notes en lien avec vos apprentissages. Vous aurez aussi à utiliser une liste de tâches sur le wiki pour faciliter la gestion de votre travail d'équipe. L'utilisation du wiki constitue une innovation pédagogiques, et par le fait même nous devrons laisser place à certains ajustements possibles de ce système en cours de route.

Évaluation certificative

Pour chacun des travaux qui seront présentés, l'évaluation de la ou les compétences concernées se fera sur la base d'une évaluation des quatre habiletés ci-dessous. L'évaluation des habiletés est qualitative mais le professeur associera par la suite une note quantitative au travail qui illustrera le niveau d'atteinte de la ou des compétences visées (voir tableau 1 ci-dessous).

L’enseignant basera son jugement sur le niveau d’atteinte de la compétence à partir de l’appréciation de quatre grandes habiletés qui sont associées à cette compétence. L’appréciation de chacune de ces habiletés sera communiquée à l’étudiant en fonction des mentions suivantes :

A :	Optimal
B :	Opérationnel
C :	Suffisant
D :	Pré-opérationnel
E :	Insuffisant

Voici ces quatre habiletés ainsi que les critères sur lesquels leur appréciation est basée :

Mobilisation et utilisation adéquate des concepts, lois et principes appropriés à la situation.
Traitement théorique ou expérimental rigoureux, juste et adéquat
Jugement critique de la démarche et interprétation de ses limites
Communication orale et écrite juste et appropriée

Évaluation de la compétence

Au moment de porter un jugement sur le niveau d’atteinte de la compétence, l’enseignant effectuera une appréciation globale sur chacune des quatre grandes habiletés. Cette appréciation globale permettra l’évaluation du niveau d’atteinte de la compétence à ce stade du cours.

Le tableau suivant montre la correspondance entre les appréciations des habiletés et l’évaluation du niveau d’atteinte de la compétence ainsi que la note numérique associée à ce niveau d’atteinte. Il faut aussi remarquer la prépondérance des deux premières habiletés sur l’évaluation de la compétence.

Tableau 1: Évaluation d'une compétence

Niveau d’atteinte de la compétence

Insuffisant

Pré-opérationnel

Suffisant

Opérationnel

Optimal

Habiletés

Appréciation globale correspondante

Note équivalente approximative

40 % et (-)

50 à 59 %

60 à 70 %

75 à 85 %

90 à 100 %

Un ? signifie peu importe ce résultat

Grille d'évaluation des habiletés

Pour chaque évaluation, l'étudiant aura accès à sa grille d'évaluation. Il pourra ainsi identifier les éléments à améliorer en vue de la prochaine évaluation.

Mobilisation et utilisation adéquate des concepts, lois et principes appropriés à la situation

L’étudiant reconnaît et choisit un nombre suffisant de concepts, lois et principes pertinents à l’analyse de la situation et les utilise de façon appropriée

L’étudiant est en mesure de faire appel notamment aux notions de position, déplacement, distance, vitesse, vitesse moyenne, vitesse scalaire moyenne, accélération, équations de la cinématique de translation, position, vitesse et accélération angulaire, équations de la cinématique de rotation, masse, poids, inertie, forces, frottement, lois de Newton, loi d’attraction universelle, force centripète, moment d’inertie, moment de force, lois de Newton appliquées aux mouvements de rotation, travail mécanique, énergie potentielle, énergie cinétique, conservation de l’énergie, puissance, quantité de mouvement, conservation de la quantité de mouvement, centre de masse, équilibre.

Traitement théorique ou expérimental rigoureux, juste et adéquat

L’étudiant choisit des modèles, méthodes et outils pertinents et suffisants et les utilise de manière appropriée pour traiter la situation
L’étudiant traite la situation dans une démarche rigoureuse et structurée en justifiant les étapes retenues
Le traitement proposé par l’étudiant est juste et exact
L’étudiant est en mesure de faire appel aux outils et méthodes suivants: analyse dimensionnelle, analyse géométrique, analyse algébrique, analyse vectorielle, méthodes graphiques, méthodes analytiques, calcul différentiel, outils et méthodes de mesure de position, déplacement, longueur, surface, volume, temps, masse, angle, température, force, vitesse, accélération, évaluation de la précision et de l’incertitude sur la mesure, calcul de l’incertitude, outils informatiques pour l’acquisition et la gestion de données
Rédaction de rapport de laboratoire selon les normes établies

Jugement critique de la démarche et interprétation de ses limites

À l’aide d’un nombre suffisant d’éléments d’analyse pertinents et suffisamment développés, l’étudiant porte un regard critique sur la démarche utilisée afin d’en faire ressortir les limites et de juger de sa validité
L’étudiant reconnaît les impacts de la modélisation retenue, des approximations effectuées, de la précision des mesures réalisées ainsi que des méthodes de mesure et d’analyse employées sur la pertinence et la validité des conclusions
L’étudiant fait preuve de cohérence entre les notions mobilisées, le traitement réalisé, les éléments analysés, les conclusions tirées et la situation initiale

Communication orale et écrite juste et appropriée

L’étudiant communique de façon concise et compréhensible son travail à l’aide d’idées bien organisées et bien présentées en ayant recours à un vocabulaire et une terminologie appropriés
L’étudiant utilise un français de bonne qualité en respectant les règles de grammaire

Pondération des activités d'évaluation:

Examen 1	20%
Examen 2	25%
Examen oral	15%
Projet de session	22%
Projet 2	8%
Projet 3	10%

Considérations spécifiques à certaines évaluations:

Les deux examens écrits d'une durée de 1h50 chacun seront composés de problèmes originaux (différents des exercices) et appliqués à la vie de tous les jours. Généralement, ils seront relativement faciles d'un point de vue mathématique. Toutefois, ceux et celles qui n'auront pas fait suffisamment d'exercices et d'étude auront peut-être de la difficulté à identifier le phénomène physique impliqué dans le problème. Vous aurez droit à une feuille recto manuscrite aide mémoire. L'attention sera portée sur la démarche plutôt que la réponse lors de l'évaluation. Le contenu des examens sera cumulatif, c’est-à-dire que les examens reviendront sur la matière présentée depuis le début de la session. L'éxamen écrit fait intervenir les habiletés 1 et 2.
L' examen oral, sera composé de 20 questions de compréhension (10 faciles et 10 difficiles). Vous disposerez de toute la session pour faire le tour de ces 20 questions. Vous aurez alors à vous présenter individuellement pour répondre à une question facile et une difficile sélectionnées au hasard. Aucune documentation ne sera permise lors de l'évaluation. La durée maximale de l'examen oral est de 8 minutes.
Le projet 3 -Une course « dynamique » consistera en la fabrication d'un système mécanique initialement au repos capable de traverser une distance de 5 mètres le plus rapidement possible. La masse à déplacer doit être supérieure ou égale à 150 g. La seule source d'énergie permise sera l'énergie potentielle gravitationnelle d'une masse maximale de 500 g élevée d'une hauteur maximale de 50 cm. Vous aurez à mesurer les performances du système (déterminer la force de frottement et le rendement). À la fin de la session les équipes devront soumettre leur système au test ultime devant l'ensemble du groupe (20% de la note sera attribuée à cette performance) et présenter un court rapport résumant le fonctionnement de leur système, son rendement, et les principes physiques exploités à l'aide de plans, équations, tableaux, et graphiques.
Rédaction des rapports: Les rapports seront obligatoirement rédigés en ligne sur le Wiki du cours (http://www.graphycs.qc.ca/aubema/wiki/). Les étudiants devront voir à ce que la présentation soit soignée et bien synthétisée car les rapports seront accessibles aux internautes du monde entier 10 jours après la date de remise. Des images pourront être insérées au rapport pour servir la clarté du travail.

Rétroaction sur le cours

Une rétroaction sur le déroulement du cours peut se faire à tout moment au cours de la session, si les étudiants ou le professeur en sentent le besoin. Vos suggestions et commentaires sont importants pour l’enseignant et pour l’évolution du cours. Ils devraient être faits oralement, par courriel ou sur le wiki dans la section réservée à la rétroaction http://www.graphycs.qc.ca/aubema/wiki/index.php?n=PmWiki.RetroMecA07 .

Politiques départementales

La présence aux laboratoires et aux examens est obligatoire. Toute absence non motivée entraîne automatiquement la note zéro. Une absence devra être justifiée par une raison sérieuse dans les plus brefs délais, avec preuve à l’appui.
En cas de retard dans la remise d’un travail, une pénalité de 10% par jour de retard sera appliquée, à moins d’entente contraire préalable.
Lorsque l’enseignant remet une appréciation ou une évaluation à un étudiant, cet étudiant peut demander des clarifications ou précisions sur l’évaluation. Si toutefois l’étudiant juge que l’évaluation n’est pas conforme à son niveau d’atteinte de la compétence, il doit immédiatement demander une rencontre avec son enseignant afin de réexaminer plus en profondeur le processus d’évaluation. Si après cette rencontre, l’étudiant se sent toujours lésé, il dispose d’un délai maximal de trois jours de classe pour faire une revendication écrite auprès de la coordination départementale.

Médiagraphie

Volumes de base:

OBLIGATOIRE BENSON, Harris, Physique 1 : Mécanique, 3e édition, ERPI, 2004
BOISCLAIR, Gilles et PAGÉ, Jocelyne, Guide des sciences expérimentales, 3e édition, ERPI, 2004
Utilisation de l’ordinateur dans la rédaction des rapports de laboratoire, Département de physique

Volumes de référence:

GIANCOLI, Douglas C., Physique générale, volume 1, 1993 [QC21.2.G53614 1993 v.1 1]
HALLIDAY, David, RESNICK, Robert et Jearl WALKER , Physique 1 : Mécanique, Chenelière/McGraw-Hill, 2004

Calendrier indicatif:

#	Local de théorie	Laboratoire	À remettre
1	Introduction	Introduction/Équilibre	Choix de projet de session
2	Équilibre	Projet session
3	Équilibre	Projet session
4	Dynamique	Projet 2
5	Dynamique	Projet 2
6	Dynamique	Projet session	Rapport 2
7	Dynamique	Projet session
8	Dynamique	Examen 1	Copie de l'examen 1
9	Dynamique	Projet session
10	Projet session	Projet session
11	Principes de conservation	Projet session
	Encadrement	Encadrement	Encadrement
12	Principes de conservation	Projet 3	Rapport de session
13	Principes de conservation	Projet 3
14	Principes de conservation	Projet 3
15	Principes de conservation	Projet 3 (compétition)	Rapport 3
16	Examen 2	Examen oral	Copie de l'examen 2 Prestation orale

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