Physique-Chimie1ère

Référentiels et invariance des lois
Exercices corrigés

Maîtrisez les référentiels et l'invariance des lois physiques : Galiléen, transformations, applications et principes fondamentaux grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\vec{r}_B = \vec{r}_A + \vec{v}_{AB} \cdot t
Transformation de Galilée
Référentiel Galiléen
📍
Repère inertiel
Transformation
🔄
Changement de repère
Invariance
⚖️
Lois conservées
Relativité
🌐
Mouvement relatif
Concepts clés :
  • Référentiel Galiléen : Repère inertiel où les lois de Newton s'appliquent
  • Transformation de Galilée : Changement de coordonnées entre repères
  • Invariance : Certaines grandeurs restent constantes dans tous les repères
  • Relativité galiléenne : Les lois de la mécanique sont invariantes
Exercice 1
Identification des référentiels Galiléens
Exercice 2
Transformation de Galilée
Exercice 3
Invariance des grandeurs physiques
Exercice 4
Mouvement relatif
Exercice 5
Applications pratiques
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Référentiels Galiléens
Définition :

Problème : Identifier les référentiels Galiléens dans différentes situations

Critères d'un référentiel Galiléen :
  1. Repère inertiel (non accéléré)
  2. Les lois de Newton s'appliquent
  3. Les forces d'inertie sont nulles
  4. Le repère est en translation rectiligne uniforme
1
Identifier le mouvement du repère
2
Évaluer son accélération
3
Vérifier la validité des lois de Newton
4
Conclure sur la nature Galiléenne
Étape 1 : Référentiels usuels
  • Référentiel terrestre : Approximativement Galiléen pour les mouvements courts
  • Référentiel géocentrique : Galiléen pour les mouvements autour de la Terre
  • Référentiel héliocentrique : Galiléen pour les mouvements dans le système solaire
  • Référentiel d'un train à vitesse constante : Galiléen
  • Référentiel d'une voiture qui freine : Non Galiléen
Étape 2 : Exemples concrets

Exemple 1 : Référentiel d'un ascenseur en montée à vitesse constante → Galiléen
Exemple 2 : Référentiel d'une voiture dans un virage → Non Galiléen
Exemple 3 : Référentiel d'un laboratoire fixe sur Terre → Galiléen (approximation)

Étape 3 : Analyse des forces

Dans un référentiel Galiléen, les forces d'inertie n'existent pas.
Force apparente dans un référentiel non Galiléen : Finertie = -maentraînement

Référentiels Galiléens : En translation rectiligne uniforme, pas d'accélération
Résultats :

Seuls les repères en translation rectiligne uniforme sont des référentiels Galiléens.

Règles d'identification :

• Accélération nulle : Le repère ne doit pas être en rotation ou en accélération

• Translation uniforme : Vitesse constante par rapport à un repère Galiléen

• Applications des lois de Newton : Sans forces d'inertie

2 Transformation de Galilée
Définition :

Problème : Appliquer les transformations de Galilée entre deux repères

\begin{cases} x' = x - v_x t \\ y' = y - v_y t \\ z' = z - v_z t \\ t' = t \end{cases}
\vec{v}' = \vec{v} - \vec{v}_{relatif}
1
Identifier les deux repères
2
Déterminer la vitesse relative
3
Appliquer les transformations
4
Calculer les grandeurs dans le nouveau repère
Étape 1 : Situation physique

Deux trains R et R' se déplacent sur des rails parallèles. Le train R se déplace à vitesse constante vR = 30 m/s dans le sens positif de l'axe x. Le train R' se déplace à vitesse constante vR' = 20 m/s dans le même sens.

Un passager dans R observe un objet se déplaçant à vitesse v = 5 m/s dans le sens positif.

Étape 2 : Transformation de position

Soit un objet en position x dans R à l'instant t. Dans R', la position x' est :

x' = x - vRR' × t = x - (vR - vR') × t
x' = x - (30 - 20) × t = x - 10t

Étape 3 : Transformation de vitesse

La vitesse dans R' est :

v'x = vx - vRR' = 5 - 10 = -5 m/s

L'objet semble se déplacer à -5 m/s dans R', c'est-à-dire dans le sens opposé.

Étape 4 : Généralisation

Soit un objet en mouvement dans R avec vecteur vitesse v = (vx, vy, vz).
Dans R' se déplaçant à vitesse vrel = (vrx, vry, vrz) par rapport à R :

v' = v - vrel

Transformation de Galilée : v' = v - vrel
Résultats :

La vitesse de l'objet dans R' est de -5 m/s, contrairement à +5 m/s dans R.

Règles de transformation :

• Temps invariant : t' = t (temps absolu)

• Positions liées : x' = x - vrelt

• Vitesses relatives : v' = v - vrel

3 Invariance des grandeurs physiques
Définition :

Problème : Identifier les grandeurs physiques invariantes dans les transformations de Galilée

1
Identifier la grandeur physique
2
Appliquer la transformation
3
Vérifier l'invariance
4
Classifier selon le type d'invariance
Étape 1 : Grandeurs invariantes

Temps : t' = t → Invariant absolu
Distance entre deux points fixes : Δx' = Δx → Invariant
Accélération : a' = a → Invariante
Forces : F' = F → Invariantes

Étape 2 : Démonstration de l'invariance de l'accélération

Soit un mobile de position x(t) dans R.

Dans R' : x'(t) = x(t) - vrelt

Vitesse dans R' : v' = dx'/dt = dx/dt - vrel = v - vrel

Accélération dans R' : a' = dv'/dt = d(v - vrel)/dt = dv/dt - 0 = a

Donc a' = a → L'accélération est invariante.

Étape 3 : Grandeurs non invariantes

Vitesse : v' = v - vrel → Dépend du repère
Quantité de mouvement : p' = mv' = m(v - vrel) → Dépend du repère
Énergie cinétique : E' = ½mv'² = ½m(v - vrel)² → Dépend du repère

Étape 4 : Application aux lois de Newton

Première loi : Si F = 0, alors a = 0 → Valide dans tous les repères Galiléens
Deuxième loi : F = ma → F' = ma' = ma = F → Invariante
Troisième loi : FAB = -FBA → Invariante

Les lois de Newton sont invariantes par transformation de Galilée.

Invariance : Temps, distances fixes, accélérations, forces
Résultats :

Les lois fondamentales de la mécanique sont invariantes par transformation de Galilée.

Règles d'invariance :

• Grandeurs scalaires : Temps, distances fixes sont invariantes

• Grandeurs vectorielles : Accélérations et forces sont invariantes

• Grandeurs dépendant du repère : Vitesses, énergies cinétiques

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Mouvement relatif
Définition :

Problème : Analyser le mouvement relatif entre deux objets dans différents repères

Mobile A
🚗
vA = 60 km/h
Mobile B
🚙
vB = 40 km/h
Vitesse relative
↔️
vAB = vA - vB
Étape 1 : Situation physique

Deux voitures A et B roulent sur une route rectiligne dans le même sens. La voiture A roule à 60 km/h et la voiture B à 40 km/h. Un observateur dans chaque voiture observe l'autre.

Référentiel R : Route fixe
Référentiel RA : Voiture A
Référentiel RB : Voiture B

Étape 2 : Vitesses dans le référentiel R (route)

Vitesse de A dans R : vA/R = 60 km/h
Vitesse de B dans R : vB/R = 40 km/h
Vitesse relative de A par rapport à B : vA/B = vA/R - vB/R = 60 - 40 = 20 km/h

Étape 3 : Observations dans chaque repère

Observateur dans A : Voit B s'éloigner à 20 km/h dans le sens négatif (vB/A = -20 km/h)
Observateur dans B : Voit A s'éloigner à 20 km/h dans le sens positif (vA/B = +20 km/h)
Observateur dans R : Voit A à 60 km/h et B à 40 km/h

Étape 4 : Cas de mouvement en sens opposé

Si B roulait en sens opposé à A (vB/R = -40 km/h) :
Vitesse relative : vA/B = 60 - (-40) = 100 km/h
L'observateur dans A verrait B approcher à 100 km/h.

Étape 5 : Calcul des distances

Si les voitures sont initialement séparées de 100 m et roulent dans le même sens :
Distance relative augmentant à 20 km/h = 5.56 m/s
Temps pour doubler la distance : t = 100 m / 5.56 m/s ≈ 18 s

Mouvement relatif : vA/B = vA - vB
Résultats :

La vitesse relative dépend des vitesses absolues dans le référentiel fixe.

Règles de mouvement relatif :

• Vitesse relative : vAB = vA - vB

• Sens dépendant du repère : Signe dépend de l'observateur

• Accélération relative : aAB = aA - aB

5 Applications pratiques
Définition :

Problème : Appliquer les concepts de référentiels et invariance à des situations réelles

1
Identifier la situation
2
Choisir le référentiel approprié
3
Appliquer les transformations
4
Interpréter les résultats
Étape 1 : Lancer d'un objet dans un train

Un passager dans un train roulant à 30 m/s lance verticalement une balle vers le haut à 10 m/s. Quelle est la trajectoire de la balle pour un observateur extérieur ?

Référentiel du train (R') : Balle monte verticalement puis redescend
Référentiel extérieur (R) : Balle suit une trajectoire parabolique

Étape 2 : Composition des vitesses

Vitesse initiale dans R' : v'0 = (0, 10, 0) m/s
Vitesse du train : vtrain = (30, 0, 0) m/s
Vitesse initiale dans R : v0 = v'0 + vtrain = (30, 10, 0) m/s

Étape 3 : Équations du mouvement dans R

En négligeant la résistance de l'air et en considérant g = 9.8 m/s² vers le bas :

x(t) = 30t
y(t) = 10t - ½gt² = 10t - 4.9t²
z(t) = 0

Cette trajectoire est une parabole dans le plan (x,y).

Étape 4 : Autres applications
Situation Référentiel Observation
Lancer sur un bateau Bateau vs rivage Parabole vs droite
Mouvement d'une goutte Train vs sol Verticale vs oblique
Collision de véhicules Centre de masse Simplification
Étape 5 : Choix du référentiel optimal

Pour résoudre un problème de mécanique :

  • Choisir un référentiel Galiléen pour appliquer les lois de Newton
  • Choisir un référentiel où le mouvement est le plus simple (ex : centre de masse)
  • Transformations de Galilée pour passer d'un repère à un autre
Application : Choix du référentiel affecte la complexité du problème
Résultats :

Le choix du référentiel influence la complexité de la résolution mais pas la physique du problème.

Règles d'application :

• Choisir un repère Galiléen : Pour appliquer les lois de Newton

• Choisir un repère pratique : Pour simplifier les calculs

• Utiliser les transformations : Pour relier les observations

Cours bien détaillé
\frac{d}{dt}\left(\vec{r}_B\right) = \frac{d}{dt}\left(\vec{r}_A + \vec{v}_{AB} \cdot t\right) \Rightarrow \vec{v}_B = \vec{v}_A + \vec{v}_{AB}
Dérivation des transformations de Galilée
📍
Référentiel : Système d'axes pour décrire le mouvement.
⚖️
Invariance : Propriétés conservées dans tous les repères.
🔄
Transformation : Changement de coordonnées entre repères.
🌐
Relativité : Dépendance du mouvement au repère choisi.
💡
Conseil : Toujours préciser le référentiel utilisé dans la description du mouvement
🔍
Attention : Les lois de Newton ne s'appliquent que dans les repères Galiléens
⚡
Astuce : Utilisez les transformations de Galilée pour changer de repère
📋
Méthode : Choisissez le référentiel qui simplifie le problème
✅
Vérification : L'accélération est invariante par transformation de Galilée
Méthodes d'analyse :
  • Identification du référentiel : Déterminer si le repère est Galiléen
  • Application des transformations : Utiliser les formules de Galilée
  • Vérification de l'invariance : Tester les grandeurs physiques
  • Interprétation des résultats : Tenir compte du point de vue de l'observateur
Règles importantes :
  • Le temps est absolu dans la transformation de Galilée
  • L'accélération est invariante par changement de repère Galiléen
  • Les forces sont invariantes dans les transformations de Galilée
  • Les lois de Newton sont valables dans tous les repères Galiléens
Points clés à retenir :
  • Relativité galiléenne : Les lois de la mécanique sont les mêmes dans tous les repères Galiléens
  • Transformation de Galilée : x' = x - vt, t' = t
  • Grandeurs invariantes : Temps, distances fixes, accélérations, forces
  • Grandeurs variantes : Positions, vitesses, énergies
Référentiels et invariance des lois Cinématique et description du mouvement