Chapitre 1 : Les mouvements

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

(7)

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 parcourue

durée du parcours = d

Vitesse en mètre par t

seconde (m/s)

Distance parcourue en kilomètre (km)

Durée(temps) de parcours en heure (h)

v = Distance parcourue

durée du parcours = d

Vitesse en kilomètre par t

heure (km/h)

X 3,6

d

= v x t V

d = v x t v = d

t t = d

v

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

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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.

(9)

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 d

34

et d

45

puis on les additionne : d

35

= 0,5 + 0,5 = 1 cm = 0,01 m



La durée mise par le corps pour accomplir la distance d

35

est 2 x 20 ms = 40 ms = 0,040 s



On calcule la valeur de la vitesse instantanée au point 4 : v

4

= 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…)

v

2

= 0,042/0,04 = 1,05 m/s = v

4

v

2

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

2 3 4 5

1 Figure 1

(10)

v

4

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

v

2

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

4

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

4 5 4

1 2 3

1

2 3 4 5

Figure 2

Figure 3

(11)

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).