Notion de référentiel | Physique-Chimie Seconde - Relativité du mouvement
Introduction
Découvrez comment le mouvement est perçu différemment selon le point de vue de l'observateur
Définition du référentiel
Qu'est-ce qu'un référentiel ?
Un référentiel est un ensemble constitué :
- D'un solide de référence (corps rigide)
- D'un repère spatial (trois axes perpendiculaires)
- D'un repère temporel (horloge)
Il permet de décrire le mouvement d'un objet en donnant sa position à chaque instant.
Le référentiel terrestre est constitué :
- De la Terre (solide de référence)
- D'un repère spatial lié à la Terre (axes x, y, z)
- D'une horloge (repère temporel)
Types de référentiels
Classification des référentiels
Lié à la surface de la Terre :
- Utilisé pour décrire les mouvements au laboratoire
- Adapté pour les expériences quotidiennes
- Considéré comme galiléen pour des durées courtes
Lié au centre de la Terre :
- Utilisé pour étudier les satellites terrestres
- Permet de décrire les mouvements autour de la Terre
- Adapté pour les orbites terrestres
Lié au centre du Soleil :
- Utilisé pour étudier les planètes du système solaire
- Permet de décrire les orbites planétaires
- Considéré comme galiléen pour les mouvements planétaires
Relativité du mouvement
Le mouvement dépend du référentiel
Imaginons une personne immobile dans un train en mouvement :
- Dans le référentiel du train : la personne est immobile
- Dans le référentiel du sol : la personne est en mouvement
- Le mouvement dépend donc du point de vue de l'observateur
Deux voitures roulant à la même vitesse :
- Dans le référentiel de la première voiture : la deuxième est immobile
- Dans le référentiel du sol : les deux voitures sont en mouvement
Repère spatial
Système de coordonnées
Un repère spatial est constitué de trois axes perpendiculaires :
- Axe x (horizontal)
- Axe y (vertical)
- Axe z (profondeur)
La position d'un point est donnée par ses coordonnées (x, y, z).
Un point A peut avoir les coordonnées : A(x=2 m, y=3 m, z=1 m)
Cela signifie que le point est situé à :
- 2 mètres sur l'axe x
- 3 mètres sur l'axe y
- 1 mètre sur l'axe z
Repère temporel
Mesure du temps
Le repère temporel est constitué d'une horloge qui permet de :
- Fixer un instant initial (t = 0)
- Mesurer les durées
- Donner l'heure à chaque événement
On peut décrire la position d'un objet en fonction du temps :
- À t = 0 s : position A
- À t = 5 s : position B
- À t = 10 s : position C
Trajectoire
Ensemble des positions
La trajectoire est la ligne formée par l'ensemble des positions successives occupées par un objet en mouvement.
Elle dépend du référentiel choisi.
- Trajectoire rectiligne : droite
- Trajectoire circulaire : cercle
- Trajectoire curviligne : courbe quelconque
Vitesse
Grandeur vectorielle
La vitesse est une grandeur vectorielle qui caractérise la rapidité du mouvement.
Elle est définie par :
- Sa valeur (norme)
- Sa direction
- Son sens
La vitesse moyenne est donnée par :
Où :
- v : vitesse moyenne
- Δd : distance parcourue
- Δt : durée du parcours
Exemple de mouvement relatif
Marcheur dans un train
Un marcheur se déplace à 2 km/h dans un train qui roule à 100 km/h :
- Dans le référentiel du train : le marcheur va à 2 km/h
- Dans le référentiel du sol : le marcheur va à 102 km/h (si dans le même sens)
- Dans le référentiel du sol : le marcheur va à 98 km/h (si dans le sens opposé)
Le vecteur vitesse du marcheur dans le référentiel du sol est la somme des vecteurs vitesses :
Exercice 1 : Choix du référentiel
Application du choix de référentiel
Un passager est assis dans un avion en vol horizontal à vitesse constante.
1. Dans quel référentiel le passager est-il immobile ?
2. Dans quel référentiel le passager est-il en mouvement ?
3. Quelle est la forme de la trajectoire du passager dans chaque cas ?
Solution exercice 1
Correction détaillée
Dans le référentiel de l'avion, le passager est immobile car sa position ne change pas par rapport à l'avion.
La trajectoire est un point (position fixe).
Dans le référentiel terrestre (sol), le passager est en mouvement car sa position change par rapport au sol.
Il se déplace à la même vitesse que l'avion.
- Dans le référentiel de l'avion : point (immobile)
- Dans le référentiel terrestre : ligne droite horizontale (mouvement uniforme)
Exercice 2 : Composition des vitesses
Application de la composition des vitesses
Un bateau navigue à 5 km/h par rapport à l'eau. Le courant de la rivière a une vitesse de 3 km/h.
1. Quelle est la vitesse du bateau par rapport au sol si le bateau remonte le courant ?
2. Quelle est la vitesse du bateau par rapport au sol si le bateau descend le courant ?
Solution exercice 2
Correction détaillée
Le bateau remonte le courant, donc les vitesses sont de sens opposé.
Le bateau avance à 2 km/h par rapport au sol.
Le bateau descend le courant, donc les vitesses sont dans le même sens.
Le bateau avance à 8 km/h par rapport au sol.
Résumé
Points clés
- Solide de référence
- Repère spatial (axes x, y, z)
- Repère temporel (horloge)
- Référentiel terrestre (laboratoire)
- Référentiel géocentrique (satellites)
- Référentiel héliocentrique (planètes)
- Le mouvement dépend du référentiel choisi
- La trajectoire dépend du référentiel
- La vitesse dépend du référentiel
Conclusion
Félicitations !
Continuez à observer les mouvements autour de vous en pensant au référentiel choisi