⚛ Physique-Chimie · Physique Seconde Générale · Chapitre 1

Décrire un mouvement

Système, référentiel, trajectoire, vecteur déplacement et vecteur vitesse, mouvements rectilignes uniformes ou variés.

1. Système et référentiel

Pour décrire un mouvement, il faut d'abord répondre à deux questions : qu'est-ce qui bouge ? et par rapport à quoi ?

Définition · Système

Le système est l'objet dont on étudie le mouvement. En Seconde, on le modélise par un point matériel (souvent son centre).

Définition · Référentiel

Un référentiel est un objet de référence, muni d'un repère d'espace et d'une horloge. Les plus utilisés : le référentiel terrestre (le sol), géocentrique (centre de la Terre et étoiles lointaines), héliocentrique (centre du Soleil et étoiles lointaines).

Propriété · Relativité du mouvement

La description d'un mouvement (trajectoire, vitesse) dépend du référentiel. Un passager assis est immobile dans le référentiel du train, mais en mouvement dans le référentiel terrestre.

trainbille lâchéevue du trainvue du quai
Une bille lâchée dans un train : trajectoire verticale dans le référentiel du train, courbe dans le référentiel du quai.

2. Trajectoire et chronophotographie

Définition

La trajectoire est l'ensemble des positions occupées successivement par le point : elle peut être rectiligne, circulaire ou curviligne. Une chronophotographie enregistre les positions à intervalles de temps réguliers $\Delta t$.

Expérience · Filmer et pointer un mouvement

Matérielsmartphone sur trépied, règle graduée (étalon), balle ou palet, logiciel de pointage (Tracker, Avimeca…).
ProtocoleOn filme le mouvement perpendiculairement au plan de la trajectoire, avec la règle dans le champ. Dans le logiciel, on étalonne l'échelle avec la règle, on place l'origine du repère, puis on pointe la position du centre de l'objet image par image ($\Delta t = \dfrac{1}{30}$ s pour une vidéo à 30 images/s).
M?M?M?M?M?M?M?M?palet sur table à coussin d'air2,0 cm
Positions d'un palet toutes les 40 ms : les écarts sont constants et les points alignés.
ObservationLes points sont alignés et régulièrement espacés.
InterprétationLa trajectoire est rectiligne et la vitesse constante : le mouvement est rectiligne uniforme. Si les écarts augmentaient, il serait accéléré ; s'ils diminuaient, ralenti.

3. Vecteur déplacement et vecteur vitesse

Définition · Vecteur déplacement

Entre deux positions successives $M_i$ et $M_{i+1}$, le vecteur déplacement est $\overrightarrow{M_i M_{i+1}}$.

Définition · Vecteur vitesse

Le vecteur vitesse au point $M_i$ est approché par :

$$\vec{v}_i = \dfrac{\overrightarrow{M_i M_{i+1}}}{\Delta t}$$

Il est tangent à la trajectoire, orienté dans le sens du mouvement, et sa norme est la vitesse $v_i = \dfrac{M_i M_{i+1}}{\Delta t}$ (en m/s).

v?v?
Mouvement curviligne : les vecteurs vitesse sont tangents à la trajectoire et changent de direction.

Propriété · Nature du mouvement

  • Rectiligne uniforme : $\vec{v}$ constant (même direction, même sens, même norme).
  • Rectiligne accéléré / ralenti : direction constante, norme qui augmente / diminue.
  • Circulaire uniforme : norme constante, mais la direction change : $\vec{v}$ n'est pas constant.

Attention · Unités

$1$ m/s $= 3{,}6$ km/h. Pour calculer une vitesse, on utilise les distances réelles (penser à l'échelle de la chronophotographie).

S'entraîner

Exercices corrigés

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1

Choisir un référentiel

★☆☆

Quel référentiel choisir pour étudier : a) la chute d'une pomme ; b) le mouvement de la Lune autour de la Terre ; c) le mouvement de Mars autour du Soleil ?

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2

Relativité du mouvement

★☆☆

Un cycliste roule. Décrire le mouvement de la valve de sa roue dans le référentiel du cadre du vélo, puis dans le référentiel terrestre.

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3

Vitesse moyenne

★☆☆

Un nageur parcourt $100$ m en $52{,}4$ s. Calculer sa vitesse moyenne en m/s et en km/h.

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4

Lire une chronophotographie

★★☆

Sur la chronophotographie de l'expérience du cours ($\Delta t = 40$ ms), deux positions successives sont séparées de $2{,}0$ cm (distance réelle). Calculer la vitesse du palet.

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5

Échelle

★★☆

Sur une chronophotographie à l'échelle $\dfrac{1}{20}$, deux positions sont séparées de $1{,}5$ cm, avec $\Delta t = 0{,}10$ s. Calculer la vitesse réelle.

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6

Nature du mouvement

★☆☆

Décrire le mouvement pour chaque chronophotographie : a) points alignés, écarts croissants ; b) points sur un cercle, écarts égaux ; c) points alignés, écarts décroissants.

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7

Représenter un vecteur vitesse

★★☆

Une voiture roule en ligne droite vers l'est à $72$ km/h. Représenter son vecteur vitesse avec l'échelle $1$ cm pour $5$ m/s.

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8

Vitesse de la Lune

★★★

La Lune décrit, dans le référentiel géocentrique, un cercle de rayon $3{,}84 \times 10^5$ km en $27{,}3$ jours. Calculer sa vitesse en km/s. Son mouvement est-il uniforme ? Son vecteur vitesse est-il constant ?

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9

Durée d'un trajet

★☆☆

Un TGV roule à $300$ km/h. Combien de temps met-il pour parcourir $450$ km ?

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10

Vecteur vitesse et trajectoire

★★☆

Une balle est lancée vers le haut en biais. En quel point de sa trajectoire son vecteur vitesse est-il horizontal ?

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11

Référentiel et Soleil

★★☆

Dans quel référentiel le Soleil semble-t-il tourner autour de la Terre ? Dans quel référentiel la Terre tourne-t-elle autour du Soleil ?

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12

Tapis roulant

★★☆

Sur un tapis roulant qui avance à $0{,}8$ m/s, une personne marche à $1{,}2$ m/s par rapport au tapis, dans le même sens. Quelle est sa vitesse par rapport au sol ? Et si elle marchait en sens inverse ?

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13

Pointage vidéo

★★☆

Dans une vidéo à $25$ images par seconde, une bille avance de $3{,}2$ cm entre deux images consécutives. Calculer sa vitesse.

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14

Graphique x(t)

★★☆

La position d'un chariot vérifie $x(t) = 0{,}5t + 2$ ($x$ en m, $t$ en s). Quelle est la nature du mouvement ? Sa vitesse ?

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15

Satellite géostationnaire

★★★

Un satellite géostationnaire paraît immobile dans le ciel. Dans quel référentiel est-il immobile ? Quelle est la durée de sa révolution dans le référentiel géocentrique ?

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16

Vitesse d'un escargot

★☆☆

Un escargot avance à $1{,}0$ mm/s. Exprimer cette vitesse en m/h.

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17

Vecteur vitesse moyen

★★★

Un point passe de $M_1(0\,;\,0)$ à $M_2(0{,}3\,;\,0{,}4)$ (en m) en $\Delta t = 0{,}10$ s. Calculer les coordonnées du vecteur vitesse et sa norme.

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18

Chute d'une bille

★★☆

On filme la chute verticale d'une bille. Les écarts entre positions successives valent $1{,}0$ ; $3{,}0$ ; $5{,}0$ ; $7{,}0$ cm ($\Delta t = 0{,}05$ s). Décrire le mouvement et calculer les vitesses.

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19

Manège

★★☆

Un enfant sur un manège tourne à vitesse constante. Son mouvement est-il uniforme ? rectiligne ? Son vecteur vitesse est-il constant ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Un objet peut être immobile et en mouvement à la fois. b) Un mouvement circulaire uniforme a un vecteur vitesse constant. c) Le vecteur vitesse est tangent à la trajectoire.

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