Fiche TP - Physique/Chimie - 2nde - Relativité du

Document du professeur 1/7
Niveau 2de
Physique – Chimie
THEME : LA PRATIQUE
DU SPORT
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.
Comprendre que la nature du mouvement observé
Référentiel. Trajectoire.
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
o Vidéo Webcam
o Support Statif SYSDIDAC
o Noix double Ø 10 mm
Réf. : 20543
Réf. : 10471
Réf. : 00035
Réf. : 00165
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 »
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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.
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Physique – Chimie
Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
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.
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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.
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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.
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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.
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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
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