Le référentiel géocentrique peut être utilisé pour observer le déplacement d un satellite autour de la Terre.

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1 1. RAPPELS DE COURS Mouvements et Forces 1.1. Notion de référentiel a. Définition Un référentiel est un corps par rapport auquel on étudie le mouvement d autres corps. Un référentiel est ainsi constitué : - d un corps de référence - d un repère mathématique fixe par rapport au corps de référence - d une base de temps b. Exemples de référentiel Un train en déplacement peut être utilisé pour observer le déplacement d un passager à l intérieur du train. Le sol peut être utilisé pour observer le déplacement d un train. Le référentiel géocentrique peut être utilisé pour observer le déplacement d un satellite autour de la Terre. c. Choix du référentiel Dans l absolu, tout corps peut être choisi comme référentiel. Il existe toutefois des référentiels mieux adaptés en fonction de la situation étudiée. Le référentiel est généralement choisi comme un élément qui semble être fixe par rapport au mouvement du corps étudié. Le référentiel terrestre local Il s agit du référentiel constitué par la Terre (également appelé référentiel du laboratoire). Il est bien adapté pour l étude des mouvements de courte durée sur la Terre. Le référentiel géocentrique Il s agit d un référentiel fictif dont l origine est le centre de la Terre. Ce référentiel est bien adapté pour l étude du mouvement de la Lune ou de satellites de la Terre. Le référentiel héliocentrique Il s agit d un référentiel fictif dont l origine est le centre du Soleil. Ce référentiel est bien adapté pour l étude du mouvement des planètes du système solaire.

2 1.2. Caractéristiques d un mouvement a. Trajectoire La trajectoire d un point mobile est l ensemble des positions occupées par ce point au cours du mouvement b. Trajectoires particulières Mouvement rectiligne Si l ensemble des positions successives d un point mobile au cours d un mouvement est une droite alors le mouvement est dit rectiligne. Mouvement circulaire Si l ensemble des positions successives d un point mobile au cours d un mouvement est un cercle alors le mouvement est dit circulaire. Mouvement curviligne Si l ensemble des positions successives d un point mobile au cours d un mouvement est une courbe quelconque alors le mouvement est dit curviligne. c. Vitesse Définition Dans un référentiel choisi, le temps mis pour aller de A 1 vers A 2 est t. La vitesse moyenne pour aller de A 1 vers A 2 est définie par : A A v 1 2 t Unités de mesure Les unités du système international sont : - le mètre (m) pour les distances - la seconde (s) pour les durées - mètre par seconde (m/s ou m.s -1 ) pour les vitesses

3 Mouvements particuliers Au cours d un mouvement : - lorsque la vitesse augmente, le mouvement est dit accéléré. - lorsque la vitesse est constante, le mouvement est dit uniforme. - lorsque la vitesse diminue, le mouvement est dit décéléré ou retardé. d. Importance du choix du référentiel Un observateur A situé sur le pont d un bateau laisse tomber un objet. Un observateur B observe la scène depuis le rivage. Pour l observateur A, le référentiel est le bateau. Pour l observateur B le référentiel est la Terre. La nature de la trajectoire et la vitesse mesurée dépendent directement du référentiel choisi Mouvement et forces a. Action et force En physique, une action est modélisée par une force qui est caractérisée par : - une direction - un sens - sa valeur (appelée norme) b. Action et mouvement Le mouvement d un corps peut être influencé de deux manières par une action mécanique : - modification de la trajectoire - modification de la vitesse 1.4. Le principe d inertie Le principe d inertie s applique dans un repère galiléen. a. Enoncé du principe d inertie Tout corps persévère en son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les forces qui s exercent sur lui de compensent. b. Réciproque du principe d inertie Si les forces s exerçant sur un solide se compensent alors le solide est en mouvement rectiligne uniforme ou au repos Solide isolé et pseudo-isolé a. Solide isolé Un solide est dit isolé lorsqu il n est soumis à aucune force. b. Solide pseudo-isolé Un solide est dit pseudo-isolé lorsque toutes les forces qui s exercent sur lui se compensent.

4 2. EXERCICES Référentiels et mouvement Exercice 1 Contenu : Référentiels, mouvement et vitesse Une voiture circule à 80 km.h -1 sur une route rectiligne de campagne. 1. Préciser dans quel référentiel on se place pour l'affirmer. 2. Préciser dans quel(s) référentiel(s): a. Un siège de la voiture est immobile. b. Un siège de la voiture est en mouvement. c. Une roue de la voiture est immobile. d. Une roue de la voiture est en mouvement. e. Un arbre sur le bord de la route est immobile. f. Un arbre sur le bord de la route est en mouvement. 3. Dans quel référentiel peut-on dire que : a. La Terre est immobile. b. La Terre tourne autour de l'axe de ses pôles. c. Le centre de la Terre tourne autour du Soleil. 4. Convertir 80 km.h -1 dans les unités du système international. Exercice 2 Contenu : Référentiels et mouvement Christophe conduit une automobile à vitesse constante sur une portion d'autoroute rectiligne. Il parcourt 250m pendant une durée égale à 7,50s. 1. Calculer la valeur de la vitesse de Christophe dans: a. Le référentiel de l'automobile. b. Le référentiel terrestre. 2. Quelle est la trajectoire de Christophe dans chacun de ces deux référentiels? 3. En déduire la nature du mouvement de Christophe dans chaque référentiel. Exercice 3 Contenu : Référentiels, mouvement et vitesse 1. a. Un spectateur filme une course cycliste. La caméra est fixée sur un trépied (posé sur le sol). On filme sans aucun mouvement de caméra ni changement de focale (zoom). Compléter sommairement les deux vues "instantanées" manquantes. b. Pour cette étude du mouvement le référentiel est a. Un reporter filme la course. Il est sur une moto roulant à la hauteur du cycliste. Compléter sommairement les deux vues "instantanées" manquantes. b. Pour cette étude du mouvement le référentiel est...

5 Exercice 4 Contenu : Référentiels, mouvement et vitesse 1. François et Claire sont sur un tapis roulant qui avance de 0,8mètre par seconde. Ils passent devant Emilie qui observe un plan 2. François avance maintenant sur le tapis roulant dans le sens de la marche en faisant un pas par seconde. Chaque pas mesure 0,5m DOCUMENT 1 1. François est-il en mouvement par rapport à Claire? 2. François est-il en mouvement par rapport à Emilie? 3. Emilie est-elle en mouvement par rapport à François? 4. Par rapport à quel observateur la vitesse du tapis roulant est-elle donnée? DOCUMENT 2 5. Quelle est la vitesse de François par rapport à Claire? 6. Quelle est la vitesse de François par rapport à Emilie? 7. Quelle serait la vitesse de François par rapport à Emilie s il marchait dans le sens inverse du mouvement du tapis? Exercice 5 Contenu : Mouvement et référentiel

6 Exercice 6 Contenu : Mouvement et référentiel Exercice 7 Contenu : Référentiels, mouvement et vitesse On étudie le mouvement d une balle de tennis lâchée par un cycliste roulant à vitesse constante en ligne droite. On obtient la chronophotographie ci-dessous ; les photos ont été prises toutes les 40 ms. La largeur intérieure du but de handball est de 3,12 m. On numérote les positions de la balle de 1 à 15 (on ne prend pas en compte la position 16, intervenant après un rebond de la balle). 1. Quel est le référentiel d étude? 2. Calculer la durée de la chute de la balle entre les positions 1 à 15 en seconde. 3. A l aide d un fil placé sur la trajectoire du document ci-dessous on a mesuré la distance entre les positions 1 et 15 égale à L = 6,8 cm. En utilisant l échelle de la chronophotographie, calculer la distance réelle parcourue par la balle au cours de sa chute. 4. En déduire la vitesse moyenne de la balle en m/s au cours de sa chute. Exercice 8 Contenu : Référentiels et mouvement Un trottoir roulant horizontal se déplace à vitesse constante v = 1,2 m/s. Hector a pris le trottoir roulant et, à mi-parcours, il lâche une balle de tennis, verticalement et sans vitesse. Bérénice a photographié la chute de la balle en se plaçant à deux endroits : sur le sol à l'extérieur du trottoir roulant (B) ou sur le trottoir roulant (A). Hector a effectué plusieurs fois cette expérience : - en se tenant immobile par rapport au trottoir roulant - en marchant dans le sens du trottoir à vitesse constante v 1 = 2,0 m/s par rapport au quai - en marchant dans le sens inverse du trottoir à vitesse constante v 2 = 1,2 m/s par rapport au quai.

7 Toutes ces expériences ont été photographiées à 2 endroits différents A et B. Bérénice a pris les photos en pose et sans se déplacer par rapport à la Terre ou par rapport au trottoir roulant. Les photos ont été développées. Hector et Bérénice se sont alors aperçus qu'ils n'ont pas noté l'ordre des expériences, ni les conditions exactes des expériences. Pour chaque photo : a. Retrouver la position de l'appareil photo b. Citer le référentiel de l'appareil photo c. Indiquer l'expérience effectuée par Hector. Exercice 9 Contenu : Vitesses relatives.

8 Exercice 10 Contenu : Vitesse linéaire. Un coureur à pied parcourt 100m avec une vitesse égale à 4,8m.s-1 puis, sans s être arrêté, il parcourt 150m à la vitesse de 3,7m.s-1. Quelle est sa vitesse moyenne pour l ensemble du mouvement? Exercice 11 Contenu : Vitesses relatives. On considère un tapis roulant du métro dont la longueur est L=50m et qui avance à la vitesse vt=4,5km.h Un voyageur utilise le tapis roulant en restant immobile par rapport au tapis. Quel temps mettra t-il pour effectuer le trajet? 2. Un autre voyageur marche à la vitesse v =4km.h-1 dans le même sens que le tapis. Quelle est la durée de son trajet? 3. A quelle vitesse doit-il se déplacer, par rapport au tapis, pour effectuer un trajet de 50s? Exercice 12 Contenu : Vitesses relatives.

9 Exercice 13 Contenu : Référentiels, mouvement et vitesse Exercice 14 Contenu : Référentiels, mouvement et vitesse

10 Exercice 15 Contenu : Vitesses relatives.

11 Exercice 16 Exercice 17

12 Exercice Un livre est posé sur une table rugueuse. On incline la table: le livre ne glisse pas. a. Faire l'inventaire des forces qui s'exercent sur le livre. b. Que peut-on dire de ces forces? Schématisez alors les forces sur le livre. c. Le livre a un poids de 4,6N. Quelle est la valeur de (ou des) l autre(s) force(s) qui s'exercent sur celui-ci? Exercice Un livre est posé sur une table rugueuse. On incline la table: le livre ne glisse pas. a. Faire l'inventaire des forces qui s'exercent sur le livre. b. Que peut-on dire de ces forces? c. Le livre a un poids de 4,6N. Quelle est la valeur des autres forces qui s'exercent sur celui-ci? 2. Un parachutiste tombe sans ouvrir son parachute. Son mouvement par rapport à la terre est vertical et uniforme. a. Quelles sont les forces qui s'exercent sur le parachutiste? b. Donner les caractéristiques de ces forces sachant que la masse du parachutiste et de son équipement est m=92kg. c. S'approchant du sol, le parachutiste ouvre son parachute. - Comment évolue sa vitesse de chute? - Quelle action est responsable de cette évolution? 3. Un ancien jeu de foire consistait à lancer un chariot sur une piste possédant une partie horizontale AC, une partie courbe CD et une partie rectiligne inclinée vers le haut DE. Le gagnant était le joueur qui parvenait à atteindre l'extrémité supérieure de la piste. On poussait le chariot du point A au point B sur une portion de piste horizontale pour l'accélérer. On néglige tous les frottements et on se place dans le référentiel terrestre. a. Quelles sont les forces agissant sur le chariot entre A et B? Que peut-on dire de ces forces? b. Quelles sont les forces agissant sur le chariot entre B et C? Quel est le mouvement du chariot sur cette partie de la piste? c. Que peut-on dire des forces agissant sur le chariot entre C et D? Entre D et E? 4. Sur les enregistrements ci-dessous, les positions du centre d'inertie d'un mobile sont repérées régulièrement à différents instants. Trois enregistrements de trajectoire ont été obtenus. Enregistrement n 1 Enregistrement n 2

13 Enregistrement n 3 a. Caractériser brièvement le mouvement de chaque mobile. b. Que peut-on dire des forces agissant sur chaque mobile pendant le mouvement? Exercice 20 Un camion circulant sur une route rectiligne et horizontale transporte sur un plateau un pain de glace de 10 kg. Le camion roule à vitesse constante. Le pain de glace reste immobile au milieu du plateau. 1. Décrire le mouvement du pain de glace dans un référentiel lié au camion. 2. Décrire le mouvement du pain de glace dans le référentiel de la route. 3. Faire l'inventaire des forces qui agissent sur le pain de glace. 4. Le chauffeur freine. Les forces qui s'exercent sur la glace restent inchangées lors du freinage: que fait le pain de glace? 5. On étudie le mouvement de chute libre d'un corps de petite dimension sans vitesse initiale, au voisinage de la surface terrestre. g=10 N /kg. d (cm) 0,2 0,8 1,8 3,2 5 7,2 9,8 12,8 t (s) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 v (m/s) a. Quelle est la nature du mouvement du corps en chute libre? Justifier la réponse. b. En utilisant le principe de l'inertie, montrer que le solide n'est pas pseudo-isolé. Justifier. c. Quelle est la vitesse ( en km /h) atteinte à t=0,5 s.

14 Exercice 21 Un parachutiste saute d'un hélicoptère momentanément immobile dans le ciel. Dans tout le problème on supposera sa chute verticale. Avec son équipement, sa masse est de 100 kg (on prendra g=10 N.kg -1 ). Le graphe ci-dessous donne sa vitesse au cours de la chute en fonction du temps. 1. Décrire brièvement l'évolution de la vitesse du parachutiste au cours de sa chute. Pourquoi le graphique v=f(t) permet-il de dire que pendant les premières secondes de la chute, la vitesse et le temps sont proportionnels? Calculer le coefficient de proportionnalité. 2. Un objet est en chute libre si les forces de frottement de l'air sont négligeables. Nommer la force qui agit alors sur l'objet au cours de sa chute. Indiquer sa direction, son sens et calculer sa valeur dans le cas du parachutiste avec son équipement. 3. Dans le cas d'une chute libre, on a v=g.t où g est l'intensité de pesanteur du lieu. Jusqu'à quelle date t peut-on considérer la chute comme libre? 4. Que se passe-t-il ensuite jusqu'à 10 s? Interpréter en précisant les forces qui s'appliquent sur le parachutiste. Les représenter sur un schéma. 5. Le parachute s'ouvre à t=10s. Caractériser le mouvement entre t=10s et t=20s. Expliquer cette évolution à partir d'un bilan de forces. 6. Enoncer puis appliquer le principe d'inertie pour interpréter ce qui se passe pour t > 20s. Calculer la valeur de la force de frottement. 7. A quelle vitesse, exprimée en km.h -1 le parachutiste atteint-il le sol?

15 Exercice 22 Exercice 23 Le mouvement d une automobile comporte les trois phases suivantes : Accélération uniforme de 0 à 80 km.h - 1, en t 1 =9s. Vitesse constante v = 80 km.h -1 pendant t 2 =12s Décélération uniforme jusqu à l arrêt du véhicule en t 3 = 9s. 1. Pendant quelle phase du trajet les forces s exerçant sur la voiture se compensent-elles? 2. Représenter le graphe de la vitesse en fonction du temps. Exercice 24 Exercice 25 François est en train de remonter à ski une pente enneigée à l aide d un remonte-pente. Le poids de François est P =650N. Le remonte-pente est animé d une vitesse uniforme v = 1,5m.s Déterminer la tension de la perche du remonte-pente. 2. Déterminer la valeur de la réaction du sol. Indications : on a =30