Diagrammes et théorie de la relativité restreinte : une ingénierie didactique

Résumé :
Nous avons développé et mis à l’épreuve des activités utilisant un registre basé sur des diagrammes lors de l’enseignement de la théorie de la relativité restreinte avec des élèves de terminale S. L’approche graphique est source de difficultés didactiques mais les potentialités didactiques peuvent être plus avantageuses. Une étude épistémologique sur les diagrammes utilisables en relativité restreinte permet de voir les liens importants entre les mathématiques et la genèse de la théorie. C’est le cas du diagramme de Minkowski. Nous avons également étudié les diagrammes de Brehme et de Loedel, créés beaucoup plus tard pour des raisons didactiques. Après les séances pilotes, nous avons développé un nouveau cadre théorique, permettant d’analyser plus finement les interactions développées par les élèves résolvant un problème utilisant des diagrammes en relativité restreinte. Nous avons modifié les espaces de travail mathématique (ETM) en rajoutant le cadre de rationalité de la physique à celui des mathématiques. Le cadre des ETM étendu nous a permis de concevoir plusieurs versions de séquences et de réaliser une analyse a priori de leur niveau de difficulté et a posteriori en étudiant des travaux d’élèves. L’analyse du travail de groupes d’élèves a été effectuée lors d’une séquence utilisant le diagramme de Minkowski avec GeoGebra, un logiciel de simulation graphique. Le degré de maitrise du diagramme de Minkowski a été évalué pour chaque élève du point de vue des mathématiques et de la physique. Les résultats sont prometteurs, ils montrent une appropriation réelle des concepts de la théorie de la relativité restreinte via une approche utilisant des diagrammes.