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Décrire un mouvement

Seconde · Physique-Chimie · Mouvement et interactions

Mouvement et interactions

Système, référentiel et trajectoire

« La voiture roule à 90 km/h. » Cette phrase paraît évidente, mais elle est incomplète : par rapport à quoi ? Par rapport à la route, oui. Par rapport à une voiture qui la double à la même vitesse, elle est immobile. Décrire un mouvement en physique, c'est donc toujours commencer par préciser deux choses : ce qu'on étudie et d'où on regarde.

Poser le système suppose de le réduire à un seul point qu'on pourra suivre dans le temps — le centre de la roue, ou sa valve, par exemple — et de ne plus en changer en cours d'étude : comparer deux descriptions faites sur deux systèmes différents n'aurait aucun sens.

Les référentiels usuels

RéférentielObjet de référenceQuand l'utiliser
TerrestreUn point fixe à la surface de la TerreTous les mouvements de la vie courante : chute, voiture, ballon, train
GéocentriqueLe centre de la TerreLe mouvement des satellites et de la Lune autour de la Terre
HéliocentriqueLe centre du SoleilLe mouvement des planètes autour du Soleil

Ce choix n'est jamais arbitraire : le bon référentiel est celui qui rend la trajectoire du mobile étudié la plus simple à décrire. Pour les mouvements de la vie courante, le référentiel terrestre suffit, car la rotation de la Terre n'a pas d'effet perceptible à cette échelle de temps et de distance. Pour un satellite ou la Lune, c'est par rapport au centre de la Terre, dans le référentiel géocentrique, que la trajectoire redevient un cercle simple. Le même raisonnement vaut pour les planètes autour du Soleil, dans le référentiel héliocentrique.

Nommer un mouvement d'après sa trajectoire

Ce nom dépend toujours du référentiel choisi : la valve de la roue, vue plus haut, est à la fois circulaire dans le référentiel du vélo, curviligne dans le référentiel terrestre, et immobile dans le référentiel de la roue elle-même. Nommer un mouvement, c'est donc toujours répondre à la question « par rapport à quoi ? », jamais dans l'absolu.

  • Mouvement rectiligne : la trajectoire est une portion de droite.
  • Mouvement circulaire : la trajectoire est un cercle ou un arc de cercle.
  • Mouvement curviligne : la trajectoire est une courbe quelconque (par exemple celle d'un ballon lancé).

Mouvement et interactions

Vitesse, vecteur vitesse et nature du mouvement

Une fois la trajectoire décrite, il reste à dire comment le système la parcourt : vite, lentement, à allure constante ou en accélérant. C'est le rôle de la vitesse, et surtout du vecteur vitesse, qui contient bien plus d'informations qu'un simple nombre.

Nommer complètement un mouvement. Le nom complet d'un mouvement combine la forme de la trajectoire et l'évolution de la valeur de la vitesse. Sur une chronophotographie, c'est l'espacement des points qui te renseigne : régulier, croissant ou décroissant.

Espacement des pointsÉvolution de la vitesseNom du mouvementExemple
RégulierValeur constanteUniformeVoiture en régulateur de vitesse sur autoroute
De plus en plus grandValeur croissanteAccéléréBille qui dévale un plan incliné
De plus en plus petitValeur décroissanteRalenti (ou décéléré)Vélo qui freine avant un stop

Exercices corrigés

  1. Un coureur parcourt 100 m en 20 s. Quelle est sa vitesse moyenne ?

    • A.0,2 m/s
    • B.2000 m/s
    • C.20 m/s
    • D.5 m/sBonne réponse

    Réponse : D — 5 m/s

    On applique v = d/Δt = 100/20 = 5 m/s. Vérification par le sens : en 20 secondes il fait 100 mètres, donc en 1 seconde il en fait 5. C'est cohérent avec un coureur (5 m/s, soit 18 km/h). Répondre 0,2 m/s revient à diviser à l'envers (20/100) : ce serait un escargot. Répondre 2000 m/s revient à multiplier au lieu de diviser.

  2. Comment nomme-t-on le mouvement d'un objet dont la trajectoire est une droite et dont la vitesse garde une valeur constante ?

    • A.Rectiligne uniformeBonne réponse
    • B.Circulaire uniforme
    • C.Rectiligne accéléré
    • D.Curviligne uniforme

    Réponse : A — Rectiligne uniforme

    Le nom d'un mouvement se construit en deux morceaux : la forme de la trajectoire, puis l'évolution de la vitesse. Trajectoire en ligne droite donne « rectiligne » ; valeur de la vitesse constante donne « uniforme ». D'où : rectiligne uniforme. C'est d'ailleurs le seul cas où le VECTEUR vitesse reste lui aussi constant, puisque direction, sens et valeur ne changent pas.

  3. Dans une étude de mouvement, qu'appelle-t-on le système ?

    • A.L'ensemble des forces qui s'exercent sur l'objet
    • B.L'appareil de mesure utilisé pour chronométrer
    • C.L'objet dont on étudie le mouvementBonne réponse
    • D.Le repère d'espace choisi pour placer les axes

    Réponse : C — L'objet dont on étudie le mouvement

    Le système, c'est l'objet qu'on décide d'étudier : la balle, la voiture, le satellite. On le choisit au début de l'exercice, on l'annonce clairement, et on ne le change plus en cours de route. Retiens le duo : le système est ce qu'on regarde, le référentiel est d'où on regarde. Les forces, elles, viendront plus tard pour expliquer le mouvement, pas pour le décrire.

  4. Une voiture roule à 36 km/h. Quelle est sa vitesse en m/s ?

    • A.3,6 m/s
    • B.10 m/sBonne réponse
    • C.36 m/s
    • D.129,6 m/s

    Réponse : B — 10 m/s

    Pour passer des km/h aux m/s, on divise par 3,6 : 36/3,6 = 10 m/s. On peut aussi le retrouver sans formule : 36 km en une heure, c'est 36 000 m en 3600 s, donc 36000/3600 = 10 m en une seconde. Répondre 129,6 m/s, c'est avoir multiplié par 3,6 au lieu de diviser — impossible, car la valeur en m/s est toujours plus petite que celle en km/h.

  5. Un objet se déplace à 25 m/s. Quelle est sa vitesse en km/h ?

    • A.6,9 km/h
    • B.25 km/h
    • C.250 km/h
    • D.90 km/hBonne réponse

    Réponse : D — 90 km/h

    Pour passer des m/s aux km/h, on multiplie par 3,6 : 25 x 3,6 = 90 km/h. Détail du calcul : 25 x 3 = 75 et 25 x 0,6 = 15, donc 75 + 15 = 90. Vérification par le sens : 25 m/s, c'est vraiment rapide, ça doit donner une valeur bien plus grande en km/h. Répondre 6,9 km/h, c'est avoir divisé par 3,6 : le sens de la conversion était inversé.

  6. Un automobiliste parcourt 150 km en 2 h. Quelle est sa vitesse moyenne ?

    • A.75 km/hBonne réponse
    • B.300 km/h
    • C.148 km/h
    • D.75 m/s

    Réponse : A — 75 km/h

    v = d/Δt = 150/2 = 75 km/h. Attention à l'unité : comme la distance est en km et la durée en h, le résultat sort naturellement en km/h — surtout ne colle pas « m/s » derrière un calcul fait en km et en heures. Si on voulait la valeur en m/s, il faudrait diviser par 3,6 : 75/3,6, soit environ 21 m/s.

  7. Une nacelle de grande roue tourne à vitesse de valeur constante. Comment qualifier ce mouvement ?

    • A.Rectiligne uniforme
    • B.Circulaire accéléré
    • C.Curviligne ralenti
    • D.Circulaire uniformeBonne réponse

    Réponse : D — Circulaire uniforme

    On assemble les deux morceaux : la trajectoire est un cercle, donc « circulaire » ; la valeur de la vitesse ne change pas, donc « uniforme ». Le mouvement est circulaire uniforme. Note bien la subtilité : « uniforme » qualifie la VALEUR de la vitesse. Le vecteur vitesse, lui, change en permanence puisque sa direction, tangente au cercle, tourne à chaque instant.

  8. Quel référentiel est le plus adapté pour étudier le mouvement de la Terre autour du Soleil ?

    • A.Le référentiel héliocentriqueBonne réponse
    • B.Le référentiel terrestre
    • C.Le référentiel géocentrique
    • D.Le référentiel du laboratoire

    Réponse : A — Le référentiel héliocentrique

    Le référentiel héliocentrique a pour origine le centre du Soleil : c'est celui dans lequel les planètes décrivent des trajectoires simples autour de l'astre. Le référentiel géocentrique, centré sur la Terre, sert pour la Lune et les satellites artificiels. Le référentiel terrestre, lié au sol, convient à la quasi-totalité des mouvements du quotidien. Choisir le bon référentiel, c'est choisir celui qui rend la trajectoire la plus simple.

  9. Un conducteur parcourt 120 km à 60 km/h, puis 120 km à 120 km/h. Quelle est sa vitesse moyenne sur l'ensemble du trajet ?

    • A.90 km/h
    • B.100 km/h
    • C.80 km/hBonne réponse
    • D.60 km/h

    Réponse : C — 80 km/h

    Une vitesse moyenne ne se calcule jamais en faisant la moyenne des vitesses : il faut repasser par la distance totale et la durée totale. Première portion : Δt1 = 120/60 = 2 h. Deuxième portion : Δt2 = 120/120 = 1 h. Distance totale = 240 km, durée totale = 3 h. Donc v = 240/3 = 80 km/h. Répondre 90 km/h, c'est le piège classique de la moyenne (60 + 120)/2 : il est faux parce qu'on passe deux fois plus de temps sur la portion lente, qui pèse donc davantage.

  10. Sur une chronophotographie, l'intervalle entre deux prises de vue est τ = 40 ms. La distance réelle entre les positions M2 et M4 est de 6,0 cm. Quelle est la vitesse au point M3 ?

    • A.1,5 m/s
    • B.0,75 m/sBonne réponse
    • C.0,15 m/s
    • D.3,0 m/s

    Réponse : B — 0,75 m/s

    Pour estimer la vitesse en M3, on utilise les points qui l'encadrent, M2 et M4. La distance M2M4 = 6,0 cm = 0,060 m est parcourue en DEUX intervalles, soit 2τ = 2 x 40 = 80 ms = 0,080 s. Donc v(M3) = 0,060/0,080 = 0,75 m/s. L'erreur la plus courante est de diviser par un seul τ et de trouver 1,5 m/s : on obtient alors le double de la vraie valeur. Pense aussi à convertir les centimètres en mètres et les millisecondes en secondes.

  11. Un train roule à la vitesse constante de 144 km/h. Quelle durée met-il pour parcourir 2,0 km ?

    • A.14 s
    • B.72 s
    • C.1,4 s
    • D.50 sBonne réponse

    Réponse : D — 50 s

    On convertit d'abord en unités SI : 144/3,6 = 40 m/s, et 2,0 km = 2000 m. Ensuite, de v = d/Δt on tire Δt = d/v = 2000/40 = 50 s. Vérification : en 50 s à 40 m/s, on parcourt bien 50 x 40 = 2000 m. Répondre 72 s vient d'un calcul mené en mélangeant les unités, et 1,4 s d'une division inversée — impossible, car parcourir 2 km en une seconde et demie supposerait une vitesse absurde.

  12. Deux voitures roulent côte à côte sur l'autoroute, à 110 km/h chacune, dans le même sens. Comment se décrit le mouvement de la première dans le référentiel de la seconde ?

    • A.Elle est immobileBonne réponse
    • B.Elle avance à 110 km/h
    • C.Elle avance à 220 km/h
    • D.Elle recule à 110 km/h

    Réponse : A — Elle est immobile

    Dans le référentiel de la seconde voiture, la première ne change jamais de position : elle reste en permanence à la même hauteur, à la même distance. Elle est donc immobile dans ce référentiel, même si les deux filent à 110 km/h par rapport au sol. C'est exactement l'impression que tu as en voyant un camion « figé » à côté de toi. La valeur de 220 km/h correspondrait à deux voitures se croisant en sens opposés.

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Ce chapitre compte 35 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.

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