Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Chapitre 1 : Les mouvements

1/ Nécessité d’un référentiel d’observation

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 = 3,0 + 4,5 = 7,5 m/s

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 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

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

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

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

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 »

2/ Trajectoires

Il est souvent nécessaire en physique, pour simplifier l’étude du mouvement d’un objet, de le réduire à

un point (dans la plupart des cas son centre de gravité (masse))

Animation lancer de marteau et quilles

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Objet Point représentant

l'objet

Informations perdues

(aucune ou préciser lesquelles)

Informations conservées

(aucune ou préciser lesquelles)

Balle de tennis Le centre de la balle

Les “ effets ” de la balle, c’est à

dire son mouvement de rotation

autour de son centre.

La position et déplacement de la

balle.

Roue de vélo Le centre de la roue

Les mouvement des autres

parties de la roue : valve, rayon.

Le fait que la roue roule ou

glisse sur le sol.

Position et déplacement de la

roue.

Luge quand elle glisse Le point d'attache de

la ficelle

Aucune : tous les points ont le

même mouvement.

Toutes.

B/ Activité 2 : Différentes trajectoires

Observe les mouvements des différents objets.

Trace pour chacun d’entre eux la trajectoire d’un point de l’objet (repéré par une croix de couleur sur l’animation).

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

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Bilan : Pour faciliter l’étude du mouvement d’un objet, on le modélise par un point

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/ Les différents types de mouvements Le mouvement du point est caractérisé par :

sa direction

son sens

la valeur de la vitesse du point.

A/ Vitesse : Quelques ordres de grandeurs et unités

1/ Relier la vitesse d’un objet à sa valeur

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

2/ Quelles sont les unités possibles pour exprimer une vitesse ?

On peut utiliser les km/h et les m/s.

On représente par un point la position d’une voiture à intervalle de temps régulier (par exemple toutes les 5 s).

3/ 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

4/ On a relevé les valeurs de vitesse d’un objet toutes les 10 secondes. Les mesures sont présentées dans les

tableaux ci-dessous.

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

200 m

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

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

Complète le tableau

6/ Le professeur de sport se demande si tous les élèves de sa classe courent à la même vitesse sur une distance de

200 m. Imaginez un protocole (les étapes d’une expérience à réaliser) pour répondre à sa question.

Protocole : on mesure la durée mise par un élève pour parcourir la distance de 200 m. Par exemple : 1min04 s On en déduit la vitesse en m/s :

V=d/t=200/64,0=3,13 m/s = 11,25 km/h

Bilan

Laps de

temps

Vitesse :

Augmente ↑ ?

Diminue ↓ ?

Reste la même

= ?

Mouvement :

Accéléré ?

Ralenti ?

Uniforme ?

Entre 0 et 25 s V ↓ Ralenti

Entre 25 s et

45 s ? V = Uniforme

Entre 45 et 75

s ? V ↑ accéléré

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

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

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

Comment passer d’une unité à une autre ?

1km = 1000 m 1 h = 3600 s

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

Pour passer d’une formule à une autre :

B/ ZOOM sur la chronophotographie

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)

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

V

d = v x t

v = dt

t = dv

Il ne faut en

retenir qu’UNE

ou retrouver la

formule à l’aide

des unités

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=d/t = 400/43,03=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=d/v = 1500/7,28= 206 s= 3min

26 s

Une personne marche à 6 km/h

pendant 3h30. Quelle distance

parcourt-elle ?

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

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Une chronophotographie est une superposition de photos d’un objet prises à intervalles de temps réguliers. Elle donne rapidement une idée de la trajectoire et de la vitesse de l’objet.

Chronophotographi

e n°1

Chronophotographie n°2 Chronophotographie n°3

Etude Centre de la boule

Centre de la boule Bout du club de Golf

Mouvemen

t

rectiligne ?

Circulaire ?

Curviligne

?

Mouvement

rectiligne car la

trajectoire est une

droite.

Mouvement curviligne car la trajectoire

est courbe

Mouvement circulaire car la

trajectoire est un cercle.

Mouvemen

t uniforme

ou pas ?

Accéléré ?

Ralenti ?

Le mouvement est

accéléré car la

distance augmente

Le mouvement est non uniforme : il est

ralenti pendant la montée, puis accéléré

pendant la descente.

Le Mouvement est non-uniforme :

Il est globalement accéléré puis

constant.

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

C/ Le vecteur vitesse

La vitesse est en fait représentée par une flèche (vecteur) de longueur variable et possède :

Une origine (point d’application) Un point où l’on souhaite mesurer la vitesse

Sa direction : La droite tangente à la trajectoire au point M. Son sens : Celui du mouvement Sa valeur : la valeur de la vitesse au point considéré.

Exemple : Tracé et mesure de la vitesse au point 4 : Echelle : 1 cm = 0,05 m/s

Méthode : Durée entre 2 points : 20 ms

On se place entre les points 3 et 5.

On mesure les distances d34 et d45 puis on les additionne : d35 = 0,5 + 0,5 = 1 cm = 0,01 m

La durée mise par le corps pour accomplir la distance d35 est 2 x 20 ms = 40 ms = 0,040 s

On calcule la valeur de la vitesse instantanée au point 4 : v4 = 0,01/0,040 ms = 0,25 m/s Comme une flèche de vitesse de 1 cm mesure 0,05 m/s, une flèche de 0,25 m/s mesure 5 cm

Application :

Voici 3 chronophotographies de balles.

Echelle : 1 cm = 0,5 m/s

Durée entre 2 points : 20 ms

Représente par une flèche le vecteur vitesse de la balle aux points 2 – 4 des figures 1 ; 2 ; 3.

Tu indiqueras ta démarche (calculs, tracés…)

v2 = 0,042/0,04 = 1,05 m/s = v4

v2 = 0,025/0,040 = 0,63 m/s

2 4 5 3 1

Figure 1

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

v4 = 0,025/0,040 = 0,63 m/s

v2 = 0,027/0,040 = 0,68 m/s

v4 = 0,026/0,040 = 0,65 m/s

4 4 5

1 2

3

1

2

3 4 5

Figure 2

Figure 3

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Conclusion : Au cours d’un mouvement uniforme, la valeur de

la vitesse peut rester la même (fig 1 et 2) mais la DIRECTION et

le SENS de la vitesse peuvent changer (fig 2 mouvement

circulaire).

Le vecteur vitesse est en tout point tangent à la trajectoire,

dans le sens du mouvement.

2 mouvements sont identiques si les vecteurs vitesses sont

IDENTIQUES