RELATIVITE DU MOUVEMENT

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1 Document du professeur 1/7 Niveau 2 de THEME : LA PRATIQUE DU SPORT Physique Chimie RELATIVITE DU MOUVEMENT Programme : BO n 4 du 29 avril 2010 LA PRATIQUE DU SPORT NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES L étude du mouvement : l observation, l analyse de mouvements et le chronométrage constituent une aide à l activité sportive. Des lois de la physique permettent d appréhender la nature des mouvements effectués dans ce cadre. Relativité du mouvement. Référentiel. Trajectoire. Comprendre que la nature du mouvement observé dépend du référentiel choisi. Réaliser et exploiter des enregistrements vidéo pour analyser des mouvements. Pré requis de l élève : o Retrouver et ouvrir, dans une arborescence ou dans un menu, un logiciel ou un document. Mots-clés : o Relativité du mouvement o Référentiel o Trajectoire Liste de matériel : o Logiciel Avistep Réf. : o Vidéo Webcam Réf. : o Support Statif SYSDIDAC Réf. : o Noix double Ø 10 mm Réf. : Remarques, astuces : o Pour la réalisation des vidéos pour ce TP, on choisira les réglages de la webcam de la façon suivante : La vitesse d obturation est de 1/250 s afin d éviter les images floues lors du pointé image par image ce qui nécessite d avoir un gain de luminosité assez important ou un bon éclairage de la scène filmée ; On choisit une acquisition de 30 images par seconde. o La voiture jouet utilisée doit avoir les roues assez larges pour y coller une vignette sur la circonférence. o Pour couper la vidéo réalisée, on utilisera le logiciel «virtual dub» PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 1)

2 Document du professeur 2/7 Réalisation des deux films avant la séance de TP qu il faut lire au préalable Ces films peuvent éventuellement être réalisés avec le concours des élèves. Se procurer une voiture jouet à friction ou mieux radiocommandée et une webcam Réalisation de la vidéo dans le référentiel de la voiture (vidéo intitulée «video1») Franck étant le spectateur qui regarde un écran géant sur lequel la télévision diffuse des images à partir d une caméra embarquée, on procède comme suit : à l aide de scotch, on fixe sur le toit de la voiture la webcam qui filme une partie du capot avant de la voiture et quelques tabourets de la salle de classe. Pour Franck, le solide de référence est une caméra embarquée dans la voiture et qui constitue un référentiel mobile dans le référentiel terrestre : référentiel que l on appellera «référentiel de la voiture». Champ visuel de la webcam fixée sur la voiture Réalisation de la vidéo dans le référentiel terrestre (vidéo intitulée «video 2») Tom étant le spectateur qui filme la course avec son caméscope grand angle immobile, pour schématiser son action, on procédera ainsi : on fixe à l aide d une noix et d un support la webcam et on filme la voiture qui se déplace rectilignement au second plan et quelques chaises de la salle de classe au premier plan. Pour Tom, le solide de référence est son caméscope immobile qui est lié rigidement à la Terre et qui constitue donc un «référentiel terrestre». Champ visuel de la webcam fixe dans le référentiel terrestre o Remarque : La relativité du mouvement peut également être traitée dans le thème Univers et l étude de la trajectoire de la planète Mars peut être décrite dans le référentiel terrestre ou dans le référentiel héliocentrique à l aide de ce même logiciel AVISTEP. PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 2)

3 Document du professeur 3/7 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Thème : La Pratique du Sport LA RELATIVITE DU MOUVEMENT Objectifs : - Comprendre que la nature du mouvement observé dépend du référentiel choisi. - Réaliser et exploiter des enregistrements vidéo pour analyser des mouvements. ACTIVITÉ 1 : MOBILE OU IMMOBILE? Tom et Franck assistent à un grand prix de formule 1. Assis dans les gradins, ils regardent passer les bolides à vive allure sur la grande ligne droite du circuit. Ils peuvent également voir des images de la course diffusées par une chaîne de télévision sur un écran géant placé à une centaine de mètres de là, images prises par des caméras embarquées sur les voitures. Lors du passage du leader, Tom le filme avec son caméscope grand angle qu il tient immobile tandis que Franck regarde ce passage sur l écran géant : ils constatent avec étonnement qu ils n ont pas vu la même chose. En effet, sur le film de Tom, la voiture se déplace devant des gradins immobiles tandis que Franck, lui, a vu le capot et l intérieur de la voiture immobiles et les gradins qui se déplaçaient. Comment peut-on expliquer cela? Pour répondre à cette interrogation, on se propose de visualiser deux vidéos qui illustreront ce que les deux garçons ont vu lors de ce grand prix. 1. Exploitation des films Exploitation de la «vidéo1» Ouvrir le fichier «video1». Visionner, à l aide du logiciel AVISTEP le film image par image et répondre aux questions qui suivent. Quels sont les objets du film qui sont immobiles? Le capot avant de la voiture est immobile. Quels sont les objets du film qui sont mobiles? Les tabourets de la classe sont mobiles. Où est placée la webcam qui filme la scène? La webcam est fixée sur le toit de la voiture. Quel est le solide de référence, appelé référentiel, qui permet d affirmer que la voiture est immobile et les tabourets mobiles? Ce référentiel est le référentiel de la voiture. Cette vidéo explique-t-elle les propos de Tom ou de Franck? La voiture immobile et les tabourets (modélisant les gradins) mobiles sont la description de ce que Franck a vu sur l écran géant. Cette vidéo explique donc les propos de Franck. PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 3)

4 Document du professeur 4/7 Exploitation de la «vidéo2» Ouvrir le fichier «video2». Visionner, à l aide du logiciel AVISTEP le film image par image et répondre aux questions qui suivent. Quels sont les objets du film qui sont immobiles? Les chaises de la classe sont immobiles. Quels sont les objets du film qui sont mobiles? La voiture est mobile. Où est placée la webcam qui filme la scène? La webcam est immobile sur la table. Quel est le solide de référence, appelé référentiel, qui permet d affirmer que la voiture est mobile et les chaises immobiles? Ce référentiel est le référentiel terrestre. Cette vidéo explique-t-elle les propos de Tom ou de Franck? La voiture mobile et les chaises (modélisant les gradins) immobiles sont la description de ce que Tom a filmé. Cette vidéo explique donc les propos de Tom. 2. Conclusion Complétez la conclusion suivante : Le mouvement d un corps est toujours décrit par rapport à un solide de référence, appelé référentiel. ACTIVTE 2 : TRAJECTOIRE CIRCULAIRE OU CYCLOÏDALE? Tom s interroge maintenant sur la trajectoire d un point de la circonférence de la roue et se demande si la trajectoire de ce point apparaît être la même pour lui et pour le pilote qui conduit la voiture. Pour répondre à cette interrogation, on filmera la voiture mobile dans le référentiel terrestre sur laquelle on repérera un point de la circonférence de la roue à l aide d une gommette jaune et un point immobile de la voiture (un point quelconque de la carrosserie) à l aide d une gommette rouge. On exploitera ensuite cette vidéo à l aide d un logiciel qui permet d obtenir les trajectoires dans le référentiel de la voiture ou dans le référentiel terrestre. PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 4)

5 Document du professeur 5/7 1. Expérience Fixer la webcam à l aide d un support statif et d une noix à la même hauteur que la voiture et de façon à pouvoir la filmer de coté se déplaçant en ligne droite sur une trentaine de centimètres comme indiquée sur la vue de dessus ci-contre. Coller sur la voiture deux gommettes de couleurs différentes dont l une est placée sur la carrosserie de la voiture (point n 1) et l autre est placée sur la circonférence de la roue (point n 2). Réaliser l acquisition vidéo et l ouvrir avec le logiciel AVISTEP afin d obtenir la chrono-ponctuation observée ci-dessous. 2. Exploitation de la chrono-ponctuation 1.1 Mouvement d un point de la roue dans le référentiel de la webcam Dans quel référentiel se trouve la webcam? Elle se trouve dans le référentiel terrestre. Quelle est la trajectoire d un point de la circonférence de la roue dans ce référentiel? Elle est cycloïdale. 1.2 Mouvement d un point de la roue dans le référentiel de la voiture On peut, grâce au logiciel, obtenir la trajectoire du point de la circonférence de la roue dans le référentiel de la voiture. Pour cela, il faut sélectionner dans le menu «Résultats» la rubrique «Trajectoire dans un référentiel» et choisir de représenter la trajectoire du point de la circonférence de la roue, point n 2, dans un référentiel en translation lié au point fixe de la voiture, c'est-à-dire le point n 1. PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 5)

6 Document du professeur 6/7 Représentez cette trajectoire dans le cadre ci-contre que vous légenderez. Trajectoire d un point de la circonférence de la roue dans le référentiel de la voiture Quelle est la trajectoire d un point de la circonférence de la roue dans le référentiel de la voiture? Elle est circulaire. 3. Conclusion Complétez la conclusion ci-dessous : La trajectoire d un point dépend du référentiel choisi. 4. Une autre alternative : utilisation de la fonction «papier calque» du logiciel à l aide de l icône AVISTEP permet également d obtenir la trajectoire d un point de la circonférence de la roue en utilisant un papier calque. Faire coïncider, à chaque image, le centre du papier calque avec un point fixe de la voiture, par exemple le point n 1, et relèver sur le papier l emplacement du point n 2 de la circonférence de la roue. Représentez dans le cadre ci-dessous la trajectoire du point n 2 telle que vous l avez obtenue. PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 6)

7 Document du professeur 7/7 Conclusion : Complétez la conclusion ci-dessus La trajectoire d un point de la roue est une trajectoire circulaire dans le référentiel lié à la voiture. PIERRON 2011 Relativité du mouvement (page 7)