PHYSIQUE - Seconde

II - L’Univers en mouvements et le temps (4 TP, 8 heures en classe entière)

Le mouvement des planètes est interprété par l’existence des forces d’interaction gravitationnelle. Ces mouvements ont permis à l’Homme de se repérer dans le temps. Par la suite, la fabrication d’horloges, mécaniques ou électriques, ont permis un repérage beaucoup plus précis.

1 - Mouvements et forces

Objectifs
Cette partie est structurée autour de 3 notions qui s’articulent dans une progression logique:
- la relativité de tout mouvement : le mouvement d’un objet n’a de sens que par rapport à un autre objet pris comme corps de référence,
- le principe d’inertie,
- l’utilisation heuristique du principe d’inertie pour la mise en évidence de forces, et en particulier de la gravitation universelle.
La relativité du mouvement s’établit simplement par l’analyse de divers exemples où le mouvement d’un objet est décrit par deux observateurs en mouvement l’un par rapport à l’autre. On montre ensuite sur des exemples concrets que l’exercice d’une force est susceptible de modifier le mouvement d’un corps, et l’on détaille les deux effets possibles : modification de la vitesse, modification de la trajectoire.
Après avoir remarqué que l’absence de force ne signifie pas nécessairement absence de mouvement, on pose le principe d’inertie comme principe général.
Dans un deuxième temps, on se place dans un référentiel géocentrique pour étudier le mouvement de projectiles sur Terre (chute des corps) et le mouvement de la Lune. L’utilisation heuristique du principe d’inertie indique que, si un objet ne suit pas un mouvement rectiligne uniforme, il est soumis à une force. Cette force résulte de l’interaction gravitationnelle qui, à la surface de la Terre, s’identifie pratiquement au poids. L’enjeu de la démarche est important : un principe de physique est toujours posé comme généralisation vraisemblable de cas particuliers. Mais une fois posé, l’utilisation du principe dans des situations nouvelles permet de découvrir et d’interpréter des phénomènes, ici, l’existence de forces. On restituera cette démarche dans son contexte historique.
L’étude de l’influence de la vitesse initiale sur la trajectoire d’un objet permet de comprendre qualitativement comment l’on passe d’une trajectoire de type projectile retombant à la surface de la Terre à une trajectoire de type satellite. L’objectif est ici de comprendre l’universalité de l’interaction gravitationnelle, qui rend compte ainsi des mouvements à l’échelle cosmique comme des phénomènes de pesanteur.

* Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l’information et de la communication sont repérées par un astérisque.

Commentaires

L’analyse de la relativité de tout mouvement fait apparaître la nécessité de préciser, à chaque fois que l’on étudie le mouvement d’un objet, le choix du corps de référence, appelé référentiel. Mais il est inutile d’attacher un repère à ce référentiel.
Dans la mesure où, poursuivant la démarche historique, on cherche à expliciter dans cette partie le caractère universel de la gravitation, deux types de corps de référence sont nécessaires :
- le référentiel terrestre qui permet l’étude de mouvements de courtes durées, réalisés sur Terre. Ce référentiel peut être assimilé à la salle de classe par exemple.
- le référentiel géocentrique qui permet l’étude du mouvement de la Lune autour de la Terre (ainsi que celui des satellites artificiels). Ce référentiel est défini comme étant le globe terrestre privé de son mouvement de rotation autour de lui-même.
On affirme que le principe d’inertie est vérifié dans ces deux référentiels dans le cadre des mouvements décrits ci-dessus.
Tous les exemples de la vie courante montrés aux élèves devront présenter soit des corps de petites dimensions, soit des corps évoluant en translation.
On ne considère que le mouvement de translation de la Lune.
La notion de centre d’inertie et la possibilité de mouvements de rotation ne sont pas introduits.
L’énoncé du principe d’inertie proposé, très proche de la version historique, permet de s’affranchir de la définition d’un référentiel galiléen et de la notion de centre d’inertie .
Dans le cas de deux corps à répartition sphérique de masse, l’intensité de l’interaction gravitationnelle a pour expression F = G.m.m’/d², dans laquelle G est la constante de gravitation et d la distance entre les centres de ces corps. Cette force s’applique aux centres de chacun des corps. L’introduction de la force gravitationnelle pose le problème de l’action et de la réaction, ou mieux, de l’action réciproque. L’étude détaillée de ce point sera faite en première S.
En suivant l’évolution d’un projectile dans un référentiel terrestre par projection suivant la direction de la force et suivant la direction perpendiculaire, on constate :
- que la vitesse n’est pas modifiée dans la direction perpendiculaire (ce qui est conforme au principe d’inertie)
- que la vitesse est modifiée dans la direction de la force. Ce résultat peut être extrapolé au cas d’un satellite en mouvement circulaire uniforme autour de la Terre : la force d’attraction gravitationnelle, radiale, ramène continuellement vers le centre la direction de son mouvement tandis qu’elle ne modifie pas la valeur de la vitesse, puisqu’elle est toujours perpendiculaire à la direction de celle-ci.
Cela peut être facilement montré sur des enregistrements vidéo. Des logiciels de simulations montrent comment le mouvement d’un projectile dans un référentiel terrestre ou celui d’un satellite dans un référentiel géocentrique dépendent de leur vitesse de lancement.
On pourra observer que, sous l’effet de la seule gravité (c’est-à-dire lorsque les frottements sont négligeables), le mouvement des corps est indépendant de leur masse (chute libre, mouvement des objets dans un satellite artificiel). L’enjeu théorique de cette constatation (identité entre la masse inerte et la masse pesante) ne peut être à l’évidence évoqué qu’en terminale S.

2 - Le temps

Objectifs
L’homme a toujours recherché à se repérer dans le temps. Les phénomènes astronomiques lui ont permis un premier repérage. Puis l’élaboration de dispositifs ingénieux et performants lui a permis d’accéder à des mesures de durée de plus en plus précises.

* Les activités pouvant mettre en jeu les technologies de l’information et de la communication sont repérées par un astérisque.

Commentaires
On insiste sur le fait que la détermination d’un étalon de durée nécessite la recherche d’un phénomène périodique.
L’enseignant peut s’appuyer sur des travaux de recherches documentaires effectués avec les élèves. Aborder les difficultés rencontrées par les hommes au cours de l’Histoire pour inventer des dispositifs de mesure du temps peut illustrer l’aventure humaine que constitue l’élaboration des Sciences et des Techniques.
Concernant les exemples d’horloges, on se limite à des descriptions sommaires et variées d’horloges mécaniques, électriques ou à quartz en montrant à chaque fois la présence d’un oscillateur sans toutefois entrer dans le détail de fonctionnement de ce dernier.
Peu de nouvelles notions sont introduites dans cette partie. Il est souhaitable de réinvestir les notions étudiées dans les parties précédentes en faisant intervenir temps, distances, mouvements et forces.