1/ nécessité d’un référentiel d’observation (activité...

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Chapitre 1 : Les mouvements

1/ Nécessité d’un référentiel d’observation (activité 1) Situation 1 Une voiture file sur l'autoroute avec un enfant endormi sur le siège arrière. Cet enfant est-il immobile ou en mouvement ?

L’enfant est immobile par rapport à la voiture mais en mouvement par rapport à la route. Situation 2 Un train part de Toulon à 7h00 pour arriver à Marseille à 7h48. La distance séparant les deux gares est de 50 km. Lise est assise dans un wagon de ce train et Alban est sur le quai. Il regarde le train partir. Lise est-elle immobile ou en mouvement par rapport au quai ? Alban est-il immobile ou en mouvement par rapport au quai ? Lise est-elle en mouvement par rapport à Alban? Alban est-il en mouvement par rapport à Lise ?

Lise est en mouvement par rapport au quai. Alban est immobile par rapport au quai. Lise en en mouvement par rapport à Alban. Alban est en mouvement par rapport à Lise. Question subsidiaire : quelle est la vitesse moyenne du train entre Toulon et Marseille ? V=50 000/48x60 = 17,4 m/s = 62,5 km/h

Situation 3 Un tapis roulant se trouve au milieu d’une gare. Il a une vitesse de 3,0 m/s. Paul marche sur le tapis, dans le sens normal, à une vitesse de 1,5 m/s. Élodie est assise sur un banc, à côté du tapis roulant. Rémi marche en sens inverse sur le tapis roulant, de manière à rester à la même hauteur qu’Elodie. Paul est-il en mouvement par rapport à Élodie ? Paul est-il en mouvement par rapport à Rémi ? Élodie est-elle en mouvement par rapport à Paul ? Élodie est-elle en mouvement par rapport à Rémi ? Rémi est-il en mouvement par rapport à Élodie ? Rémi est-il en mouvement par rapport à Paul ?

Paul est en mouvement par rapport à Elodie et Rémi. Elodie est en mouvement par rapport à Paul et immobile par rapport à Rémi. Rémi est immobile par rapport à Elodie et en mouvement par rapport à Elodie.

Questions subsidiaires : Quelle est la vitesse de Paul par rapport à Elodie ? v = 4,5 m/s Quelle est la vitesse de Paul par rapport à Rémi ? v = 4,5 m/s car Paul est immobile par rapport à Elodie.

Bilan : Le mouvement d’un objet dépend de l’observateur appelé REFERENTIEL Un référentiel est un OBJET de REFERENCE par rapport auquel on étudie le mouvement. Il est muni d’un repère (mesure de la position et des distances) et d’une horloge (mesure du temps) Il faut toujours préciser le référentiel quand on décrit un mouvement d’un objet. Un objet peut être IMMOBILE par rapport à un référentiel et en MOUVEMENT par rapport à un autre référentiel (Galilée, « le mouvement est comme rien ») Le mouvement d’un objet est caractérisé par : sa TRAJECTOIRE et sa VITESSE qui dépendent aussi du REFERENTIEL. Le mouvement est RELATIF.


Pour aller plus loin …Exemples de référentiels : Le référentiel terrestre (ou de laboratoire) :

L’objet de référence est forcément lié à la Terre (Ex : caméra sur trépied, bureau, mur, route…) Il sert à l’étude des mouvements d’objets sur Terre sur une durée courte.

Le référentiel géocentrique: L’objet de référence est le CENTRE de la Terre. On lui associe un repère de 3 axes fixes passant par le centre de la Terre. Un axe est dirigé vers le pôle. Les 2 autres axes sont dirigés vers des « étoiles fixes » (étoiles tellement éloignées de la Terre, qu’elles semblent fixes). Il sert à l’étude des mouvements de corps en orbites (satellites artificiels et lune)

Le référentiel héliocentrique: Le solide de référence est le centre du soleil. On lui associe un repère de 3 axes fixes passant par le centre du soleil. Un axe est perpendiculaire au plan de l’ecliptique (plan de révolution de la Terre). Les 2 autres axes sont dirigés vers des « étoiles fixes» Il sert à l’étude du mouvement des planètes et de tout corps en orbite autour de lui (comètes, astéroides…)

AUTRES exemples d’études de mouvements simples : • D’un Hulla hoop https://www.youtube.com/watch?v=OqcF0oYpkJQ

On est un spectateur debout et à l’arrêt dans l’herbe. On observe la jeune femme faire du hula-hoop. Que peut-on dire :

Des arbres de la forêt en bordure du pré ?

De la jeune femme ? Du hula-hoop ?

Immobiles Immobile, elle se déhanche Il tourne

On est à la place de la caméra sur le cerceau. Que peut-on dire : Des arbres de la forêt en bordure

du pré ? De la jeune femme ? Du hula-hoop ?

Ils tournent Elle tourne immobile

• Dans un train http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/seconde/referentiel_relativite_mouvement_train.htm On est un spectateur assis dans le train en face du garçon. On observe le garçon lâcher la balle. Que peut-on dire :

Des arbres et des collines ?

Du train ? Du garçon ? De la balle ?

Ils se déplacent horizontalement

Immobile Immobile Elle tombe rectilignement et

verticalement On est un spectateur assis dans l’herbe. On observe le garçon lâcher la balle. Que peut-on dire :

Des arbres et des collines ?

Du train ? Du garçon ? De la balle ?

Immobile

Ils se déplacent horizontalement

Il se déplace horizontalement

Elle rebondit en avançant

• sur un tapis roulant

https://www.youtube.com/watch?v=OqcF0oYpkJQ

http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/seconde/referentiel_relativite_mouvement_train.htm


Comment une personne voit-elle le mouvement d’autres personnes ? Complète le tableau.

Voit A B C D A Immobile Avancer Avancer Avancer plus

rapidement B reculer immobile immobile avancer C reculer immobile immobile avancer D Reculer plus

rapidement reculer reculer immobile

• Saut à l’élastique Cas n°1 : La caméra est posée sur le pont. Que peut-on dire du mouvement…

• des arbres ? Immobiles • du sauteur ? Il bouge

Cas n°2 : La caméra est embarquée sur le sauteur. Que peut-on dire du mouvement… o global du sauteur ?Immobile o Des arbres ? Ils bougent

• Bobsleigh Cas n°1 : La caméra est sur le bord de piste. Que peut-on dire du mouvement…

o des spectateurs ? Immobile o du bobsleigh ? Il bouge

Cas n°2 : La caméra est embarquée sur le bobsleigh. Que peut-on dire du mouvement… o du bobsleigh ?Immobile o des spectateurs ?Ils bougent

• En « Athlétisme »

Cas n°1 : La caméra est sur le bord de piste. Que peut-on dire du mouvement… o des coureurs ?Ils bougent o des spectateurs ?Immobile

Cas n°2 : La caméra est sur un chariot roulant. Que peut-on dire du mouvement… o des coureurs ? Immobile o des spectateurs ?Ils bougent

la « patrouille de France » Cas n°1 : La caméra est au sol. Que peut-on dire du mouvement…

o des avions ?Ils bougent o des spectateurs, du sol ? Immobiles

Cas n°2 : La caméra est situé dans l’avion. Que peut-on dire du mouvement… o des spectateurs, du sol ?Ils bougent o des avions? Immobiles

Thomas pesquet dans l’espace Cas n°1 : La caméra est située au sol Que peut-on dire du mouvement…

o De Thomas ? Il bouge très vite. o Du continent où est posée la caméra ? Immobile


Cas n°2 : La caméra est fixe dans l’ISS. Que peut-on dire du mouvement… o De Thomas ?Immobile o Du continent où la caméra est posée au sol ? En Mouvement

2/ Trajectoires Il est souvent nécessaire en physique, pour simplifier l’étude du mouvement d’un objet, de le « réduire » ou de le « modéliser » par un point (dans la plupart des cas c’est son centre de gravité (ou centre de masse ou centre d’inertie).

On voit que la seule trajectoire « simple » à étudier est celle du point G, centre de gravité du marteau. Si on dépose le marteau sur un piquet au niveau du point G, il sera en équilibre. Partout ailleurs, il sera en déséquilibre.

A/ Activité 2 : Différentes trajectoires Indique le type de mouvement : rectiligne, circulaire ou curviligne c’est-à-dire ni rectiligne, ni circulaire.

Objet en mouvement Trajectoire Type de mouvement

Grande roue

circulaire

Téléphérique rouge

Curviligne

Téléphérique bleu

rectiligne

Essuie-glace

Circulaire


Voici une horloge avec une aiguille trotteuse. Une coccinelle se trouve au centre de l’horloge, sur la trotteuse. Elle avance de 1 cm en 5 s et s’arrête quand elle arrive au bout de la trotteuse.

B/ Activité 3 : La coccinelle sur une horloge

1/ En vert, dessine la trajectoire de la coccinelle par rapport à la trotteuse durant les premières 50 s. Pour cela : • Trace un point toutes les 5 s. • Relie les points à main levée.

2/ En Rouge, dessine la trajectoire de la coccinelle par rapport à l’horloge fixe durant les premières 50 s de la même manière. Lorsqu’elle arrive au bout de la trotteuse, la coccinelle s’arrête et se repose. Dessine en bleu sa trajectoire de la même manière, entre 50 s et 120 s 3/ Comment peut-on qualifier la trajectoire de la coccinelle durant les 50 premières secondes …

X II

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

4/ Comment peut-on qualifier la trajectoire de la coccinelle Entre 50 s et 120 s Par rapport à la trotteuse Par rapport à l’horloge fixe

Immobile circulaire

Par rapport à la trotteuse

Par rapport à l’horloge fixe

Rectiligne curviligne


C/ Bilan Bilan : Pour faciliter l’étude du mouvement d’un objet, on le modélise souvent par un point (son centre de masse ou de gravité en général) La trajectoire d’un objet est l’ensemble des positions occupées par un objet au cours du temps. Si la trajectoire est : - une ligne droite, on parle alors de trajectoire rectiligne. - un cercle, on parle alors de trajectoire circulaire. - une courbe quelconque, on parle de trajectoire curviligne.

3/ Vitesse Rappel : L’unité officielle de la longueur est le mètre (m) . On peut aussi mesurer une longueur en kilomètre, centimètre…

Kilomètre Hectomètre Décamètre Mètre Décimètre Centimètre millimètre km hm dam m dm cm mm

L’unité officielle du temps est la seconde (s) . On peut aussi mesurer le temps en heures, minutes, jours, années… 1 min = 60 s 1 h = 60 min = 3600 s 1 jour = 24 h = 24 x 3600 = 86 400 s 1 an = 365,25 j = 31 557 600 s 1 siècle = 100 ans = … s A/ Activité 4 : Calculs de vitesses dans la cour de récréation Avec la liste d’objets disponibles, Propose un protocole pour mesurer la vitesse de X qui court.

La distance parcourue est de 160 m La durée du parcours est de 46,08 s V = d /t = 160/46,08 = 3,47 m/s = 12,5 km/h

G G

160 m


La vitesse a-t-elle été la même durant toute la course ?

Portion 0/40 m 40/80 80/120 120/160 Durée (s) 7,1 6,8 7,8 8,2 Vitesse (en m/s) 5,63 5,88 5,13 4,88

Représente un histogramme de la vitesse de course.

Pourquoi, d’après toi, la vitesse de course de l’élève diminue ? Il se fatigue

C/ Bilan

La vitesse d’un objet est le rapport de la distance d parcourue et de la durée (temps) du parcours.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

0/40 m 40/80 m 80/120 120/160

vite

sse

en (m

/s)

Distance (en m)

vitesse de l'élève

40 m 40 m

40 m

40 m

Distance parcourue en mètre (m)

Durée (temps) de parcours en seconde (s)

v =Distance parcouruedurée du parcours = dt Vitesse en mètre par

seconde (m/s)


Comment passer d’une unité à une autre ?

1km = 1000 m 1 h = 3600 s

1m/s = 3600 m/h = 0,001 x 3600 km/h = 3,6 km/h

Remarque : On fera une distinction entre vitesse moyenne et vitesse « instantanée »

La vitesse moyenne est le quotient de la distance d sur la durée totale t de la course, c’est-à-dire une grande durée

La vitesse instantanée est le quotient de la distance d sur la durée t très courte, pendant la course. Elle permet de connaitre l’évolution de la vitesse d’Usain Bolt pendant son 100 m.

vitesse moyenne = vitesse instantanée SI t est petit.

Pour passer d’une formule à une autre : le triangle « magique » peut vous aider.

Distance parcourue en kilomètre (km)

Durée (temps) de parcours en heure (h)

v =Distance parcouruedurée du parcours = dt Vitesse en kilomètre par

heure (km/h)

X 3,6

d =

v x t

d = v x t

v = dt

t = dv

Il ne faut en retenir qu’UNE ou retrouver la formule à l’aide des unités


Applications : Quelques ordres de grandeurs et quelques unités :

Objets Vitesse

Usaïn Bolt sur une distance de 100 m 110 km/h

un marcheur 0,013 m/s

le son dans l’air 340 m/s

la station spatiale internationale ISS 1,7 m/s

un guépard en sprint 300 000 km/s

une voiture sur autoroute 10 m/s = 36 km/h

un escargot 130 km/h

la lumière 27 600 km/h

distance « d » temps « t » vitesse « v »

en « m/s » en « km/h »

Nageur en brasse 25 m 50 s 2,0 7,2

Randonneur (GR20)

180 km 50 h 1,0 3,6

Sprinter 100 m 10 s 10 36

Scooter 50 cm3 125 m 10 s 12,5 45

Guépard 600 m 20 s 30 108

TGV (Lyon-Marseille)

324 km 1 h 90 324

Avion de ligne (Paris-NY)

6 048 km 7 h 240 864

Son dans l’air 1 020 m 3 s 340 1224

Avion de chasse (Lyon-Le Caire)

4 392 km 2 h 610 2196

Lune autour de la Terre

2 405 160 km 655 h 1020 3672

Terre autour du Soleil

940 416 480 km 8766 h 29 800 107 280

Lumière (Terre-Lune) 384 000 000 m 1,28 s 1 080 000 300 000

Une personne marche à 6 km/h pendant 3h30. Quelle distance parcourt-elle ?

d= v x t = 6 x 3,5 = 21 km

Van Niekerk a couru le 400 m en 43,03 s à Rio en 2016. Quelle était sa vitesse moyenne en m/s ? et en km/h.

v=𝑑𝑑𝑡𝑡

=40043,03

=9,30 m/s =33,47

km/h

Le record du monde du 1500 m est détenu par El Guerrouj. Il l’a couru à 7,28 m/s de moyenne. Quel est le temps du record du monde ?

t=𝑑𝑑𝑣𝑣 = 1500

7,28= 206 s= 3min 26 s


D/ Activité 5 : Calculs de vitesses d’un camion par 3 techniques Un camion avance sur une route horizontale. Quelle est sa vitesse ?

1ère méthode : Avec un chronomètre électronique On mesure la vitesse su camion avec un chronomètre électronique sur la portion de route. 2ère méthode : image par image, avec le lecteur video VLC, VLC permet de visionner une vidéo image par image. La vidéo fournie a pour caractéristiques :

Nombre d’images /s : 30 « Durée entre 2 images consécutives » : 1/30 = 0,033 s

Clique sur le menu « Vue » puis contrôles avancés ». 4 icônes apparaissent : permet de faire avancer la vidéo image par image. 3ère méthode : Avec un logiciel de pointage et d’acquisition de données AVISTEP

Ouvrir avistep.exe. et suivre la notice

4/ Qu’est-ce qu’une chronophotographie ? Aux jeux olympiques de RIO 2016, la France obtient la médaille de bronze en cyclisme sur piste.

1/ Comment a-t-on réalisé cette chronophotographie ? On a superposé, à intervalle de temps réguliers, les photos du cycliste durant son déplacement. Entre chaque photo s’écoule la même durée. 2/ En mesurant avec ta règle, quelle distance sépare les axes des roues avant et arrière d’un vélo ? 1 cm 3/ Sachant que cette distance mesure en réalité 1 mètre, quelle est l’échelle de cette photo ? 1cm 1 m. L’échelle est donc de 1 pour 100. 4/ En déduire la distance réelle séparant les axes des roues arrière du premier et du dernier vélo. Sur l’image, la distance est de 14 cm. 5/ Sachant que le temps séparant 2 photos est égal à 0,125 secondes, combien de secondes se sont écoulées entre la première et la dernière photo ? Il y a 7 images superposées (7 intervalles de temps de 0,125 s) donc 7 x 0,125 = 0,875 s


6/ En déduire la vitesse en mètre par seconde du cycliste. V = d/t = 14 /0,875 = 16 m/s 7/ En déduire la vitesse en kilomètre par heure du cycliste. V= 16 x 3,6 = 57,6 km/h 8/ La vitesse du cycliste est-elle constante sur cette ligne droite ? Justifie Oui, l’écart entre chaque photo est identique.

Ce qu’il faut retenir : La chronophotographie est une méthode permettant d'étudier un mouvement (vitesse et et trajectoire). C’est une superposition de photos d’un objet prises à intervalles de temps réguliers. Plus la distance est grande entre deux « photos » de l’objet, plus c’est rapide ! 5/ Les différents types de mouvements

A/ Activité 6 : Différents types de mouvements en cyclisme 1/ Le mouvement rectiligne uniforme

Suivre les consignes de la vidéo « tutoriel », puis compléter le tableau suivant. /!\ La vitesse sera toujours notée avec un seul chiffre derrière la virgule ; exemple : 25,212 devient 25,2

Date (s) 0 0,08 0,16 0,24 0,32 0,4 0,48 0,56 0,64 0,72 0,8 0,88 0,96 1,04

v1 (m/s)

Définition du mot « uniforme » d’après le dictionnaire en ligne Reverso : « Qui est régulier dans le temps ». → A l’aide de cette définition et des résultats du tableau, justifier le titre de cette partie.

La vitesse reste constante, le mouvement est uniforme.

Dans le logiciel AviStep, cliquer sur « » puis représente tes marques (« x » rouges) sur l’image ci-dessous.

2 Le mouvement rectiligne accéléré

De la même façon, étudier à l’aide du logiciel AviStep le mouvement de l’axe de la roue avant du cycliste par rapport au sol de la vidéo « Mouvement cycliste 1 ». ** Pour étalonner l’échelle, on prendra comme référence la hauteur d’une porte de garage égale à 1,8 m.

Date (s) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6

v1(m/s)

→ A l’aide des résultats du tableau, justifier le titre de cette seconde partie.

La vitesse augmente, le mouvement est donc accéléré.

Représente les marques correspondant à cette deuxième vidéo de mouvement sur l’image ci-dessous.


3/ Le mouvement rectiligne ralenti

De la même façon, étudier à l’aide du logiciel AviStep la vidéo « Mouvement cycliste 2 » puis compléter ce tableau.

Date (s) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6

v1(m/s)

→ A l’aide des résultats du tableau, justifier le titre de cette dernière partie.

La vitesse diminue, le mouvement est ralenti

Représente les marques correspondant à cette troisième vidéo de mouvement sur l’image ci-dessous.

B/ Bilan

Si la valeur de la vitesse augmente, le mouvement est accéléré

Si la valeur de la vitesse reste identique, le mouvement est uniforme.

Si la valeur de la vitesse diminue, le mouvement est ralenti

Applications : Indique, en justifiant ton raisonnement, sur le schéma si le mouvement représenté est ► Accéléré ► uniforme ► ralenti

Mouvement uniforme car l’écart entre 2 points reste identique

Mouvement accéléré car l’écart entre 2 points augmente

Mouvement ralenti car l’écart entre 2 points diminue


On a relevé les valeurs de vitesse d’un objet toutes les 10 secondes. Les mesures sont présentées dans les tableaux ci-dessous.

Indique pour chaque tableau s’il représente un mouvement accéléré, uniforme (vitesse constante) ou ralenti.

t (s) 0 10 20 30 40

(m/s) 0 10 20 25 30

t (s) 0 10 20 30 40

v (m/s)

25 25 25 25 25

t (s) 0 10 20 30 40

v (m/s)

25 15 10 5 0

Tableau 1 :

Accéléré car vitesse augmente

Tableau 2 :

Uniforme car vitesse constante

Tableau 3 :

Ralenti car vitesse diminue

Le graphique ci-dessous représente l’évolution de la vitesse d’une voiture en fonction du temps. Complète le tableau

Ces deux mouvements circulaires sont différents (roue PCCL) : quelle différence y-a-t-il entre les deux ?

Un est ralenti, l’autre est uniforme.

Laps de temps

Vitesse : Augmente ↑ ? Diminue ↓ ?

Reste la même = ?

Mouvement : Accéléré ? Ralenti ?

Uniforme ?

Entre 0 et 25 s V ↑ accéléré

Entre 25 s et 45 s ? V = Uniforme

Entre 45 et 75 s ? V ↓ ralenti

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80

vitesse en m/s

temps en s


Exercice Bilan :

Chronophotographie n°1

Chronophotographie n°2 Chronophotographie n°3

Etude Centre de la boule Centre de la boule Bout du club de Golf

Mouvement rectiligne ? Circulaire ? Curviligne ?

Mouvement rectiligne

Mouvement curviligne

Mouvement circulaire

Mouvement uniforme ou

pas ? Accéléré ? Ralenti ?

Le mouvement est accéléré

Mouvement ralenti pendant la montée, puis accéléré pendant la descente.

Mouvement accéléré puis ralenti.

1/ nécessité d’un référentiel d’observation (activité...

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