A Reconstruction of the Newtonian Theory of Gravitation: Proposition of a Teaching Approach Inspired by History of Ideas Une reconstruction de la théorie de la gravitation newtonienne : proposition d’une approche d’enseignement inspirée de l’histoire des idées En Fr

Résumé En Fr

This article proposes a teaching approach to the Newtonian theory of gravitation, for the end of secondary education or the beginning of higher education. After a consideration of the institutional context and the general trend for the education of this subject, the theoretical positions on which the approach is based are exposed. The central intention consists in justifying as far as possible the concepts and formulae constituting the theory, via a progressive pathway aiming at reconstructing it. The teaching approach is in addition designed to address the learning difficulties, gathered in two central problems: the fact that it is not self-evident to relate free fall and the presence of the Earth, and the distinction made by students between phenomena on Earth and phenomena in space. Regarding these difficulties, the way of presenting Dynamics is argued to have a fundamental role. A formulation of the laws of motion taking into account these problems is exposed, before presenting the reconstruction of the theory of gravitation proposed. This consists in making explicit a reasoning leading to relate the motions of revolution of planets, of the Moon, and the motion of free fall. This reasoning allows to justify why free fall can be related to the presence of the Earth, and furthermore to justify the idea of universal gravitation, as well as the expression of the force which quantifies it. At the epistemological level, the pathway relating these various phenomena allows to illustrate the role of unification of a physical theory.

Cet article propose une approche d’enseignement de la théorie de la gravitation newtonienne, à un niveau de fin d’études secondaires ou début d’études supérieures. Après un point sur le contexte institutionnel et la tendance générale pour l’enseignement de ce sujet, les positionnements théoriques sur lesquels cette approche s’appuie sont présentés. L’intention centrale consiste à chercher à justifier autant que possible les concepts et expressions mathématiques constituant la théorie, via un cheminement permettant de la reconstruire progressivement. À cette volonté s’ajoute la prise en compte des difficultés d’apprentissage, réunies en deux problèmes centraux : le fait qu’il ne soit pas évident de relier la chute libre à la présence de la Terre, et la distinction faite par les élèves entre les phénomènes sur Terre et les phénomènes dans l’espace. Face à ces difficultés, la manière de présenter la dynamique est considérée comme ayant un rôle fondamental. Une formulation des lois du mouvement prenant en compte ces problèmes est exposée, avant de présenter la reconstruction de la théorie de la gravitation proposée. Celle-ci explicite un raisonnement menant à relier les mouvements de révolution des planètes, de la Lune, et le mouvement de chute libre. Ce raisonnement – inspiré en partie de celui de Newton – permet de justifier en quoi la chute peut être reliée à la présence de la Terre, et d’aboutir à l’idée de gravitation universelle, ainsi qu’à l’expression de la force qui la quantifie. Au niveau épistémologique, le cheminement mettant en relation ces différents phénomènes permet d’illustrer le rôle d’unification d’une théorie physique.