Sciences de l'ingénieur1ère

Repères et référentiels
Exercices corrigés

Maîtrisez les repères et référentiels : systèmes de coordonnées, mouvements relatifs, observateurs grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\vec{OM}(t) = x(t)\vec{i} + y(t)\vec{j} + z(t)\vec{k}\)
Position dans un repère
Cartésien
\((x, y, z)\)
\(\vec{OM} = x\vec{i} + y\vec{j} + z\vec{k}\)
Coordonnées cartésiennes
Cylindrique
\((r, \theta, z)\)
\(\vec{OM} = r\vec{e_r} + z\vec{k}\)
Coordonnées cylindriques
Sphérique
\((r, \theta, \phi)\)
\(\vec{OM} = r\vec{e_r}\)
Coordonnées sphériques
📍
Définition : Un repère est un système d'axes orientés avec une origine fixe dans un référentiel.
🌍
Référentiel : Ensemble d'observateurs fixes les uns par rapport aux autres.
📏
Coordonnées : Valeurs qui définissent la position d'un point dans un repère.
🔄
Relativité : Le mouvement est relatif au référentiel choisi.
Exercice 1
Position d'un point dans différents repères cartésiens
Exercice 2
Mouvement relatif : passager dans un train en mouvement
Exercice 3
Satellite géostationnaire : choix du référentiel
Exercice 4
Mouvement d'une particule dans un repère en rotation
Exercice 5
Mouvement terrestre : référentiel terrestre vs galiléen
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Position dans différents repères
Définition :

Repère cartésien : Ensemble de trois axes orthogonaux (O, \(\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}\)) permettant de localiser un point M par ses coordonnées (x, y, z).

Méthode de changement de repère :
  1. Identifier les origines des deux repères
  2. Déterminer le vecteur de passage entre les origines
  3. Appliquer la relation : \(\vec{OM} = \vec{OO'} + \vec{O'M}\)
  4. Exprimer les coordonnées dans le nouveau repère
Énoncé :

Un point M a pour coordonnées (3, 4, 5) dans le repère (O, \(\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}\)). Le repère (O', \(\vec{i'}, \vec{j'}, \vec{k'}\)) est tel que \(\vec{OO'} = 2\vec{i} + 1\vec{j} - 1\vec{k}\) et les axes sont parallèles. Trouver les coordonnées de M dans le repère (O', \(\vec{i'}, \vec{j'}, \vec{k'}\)).

Étape 1 : Écrire les vecteurs position

\(\vec{OM} = 3\vec{i} + 4\vec{j} + 5\vec{k}\)

\(\vec{OO'} = 2\vec{i} + 1\vec{j} - 1\vec{k}\)

Étape 2 : Appliquer la relation de changement de repère

\(\vec{OM} = \vec{OO'} + \vec{O'M}\)

Donc \(\vec{O'M} = \vec{OM} - \vec{OO'}\)

Étape 3 : Calculer \(\vec{O'M}\)

\(\vec{O'M} = (3\vec{i} + 4\vec{j} + 5\vec{k}) - (2\vec{i} + 1\vec{j} - 1\vec{k})\)

\(\vec{O'M} = (3-2)\vec{i} + (4-1)\vec{j} + (5-(-1))\vec{k}\)

\(\vec{O'M} = 1\vec{i} + 3\vec{j} + 6\vec{k}\)

Étape 4 : Extraire les coordonnées

Les coordonnées de M dans (O', \(\vec{i'}, \vec{j'}, \vec{k'}\)) sont (1, 3, 6).

M(O') = (1, 3, 6)
Réponse finale :

Les coordonnées du point M dans le repère (O', \(\vec{i'}, \vec{j'}, \vec{k'}\)) sont (1, 3, 6).

Règles appliquées :

• Relation de Chasles : \(\vec{OM} = \vec{OO'} + \vec{O'M}\)

• Calcul vectoriel : Additionner les composantes selon chaque axe

• Parallélisme : Les vecteurs unitaires sont identiques

2 Mouvement relatif : passager dans un train
Définition :

Mouvement relatif : Le mouvement d'un objet dépend du référentiel d'observation. \(\vec{v}_{\text{absolue}} = \vec{v}_{\text{relative}} + \vec{v}_{\text{entrainement}}\)

Énoncé :

Un train roule à 30 m/s vers l'est. Un passager marche à 2 m/s vers l'arrière du train. Quelle est la vitesse du passager par rapport au sol ?

Étape 1 : Définir les référentiels

Référentiel absolu : Terre (R)

Référentiel relatif : Train (R')

Étape 2 : Identifier les vitesses

Vitesse d'entraînement : \(\vec{v}_e = 30\vec{i}\) (train par rapport au sol)

Vitesse relative : \(\vec{v}_r = -2\vec{i}\) (passager par rapport au train)

Étape 3 : Appliquer la loi de composition des vitesses

\(\vec{v}_{\text{absolue}} = \vec{v}_{\text{relative}} + \vec{v}_{\text{entrainement}}\)

\(\vec{v}_a = \vec{v}_r + \vec{v}_e\)

Étape 4 : Calculer la vitesse absolue

\(\vec{v}_a = (-2\vec{i}) + (30\vec{i}) = 28\vec{i}\)

v_passager/sol = 28 m/s
Réponse finale :

La vitesse du passager par rapport au sol est de 28 m/s vers l'est.

Règles appliquées :

• Composition des vitesses : \(\vec{v}_a = \vec{v}_r + \vec{v}_e\)

• Orientation : Fixer un sens positif (ici vers l'est)

• Signe : La vitesse relative est négative car opposée au sens positif

3 Satellite géostationnaire
Définition :

Satellite géostationnaire : Tourne autour de la Terre à la même vitesse angulaire que la Terre, restant fixe par rapport à un point au sol.

Énoncé :

Expliquer pourquoi un satellite géostationnaire semble immobile depuis la Terre et justifier le choix du référentiel.

Étape 1 : Caractéristiques du satellite

Période orbitale : 24 heures (comme la rotation terrestre)

Altitude : environ 35 786 km au-dessus de l'équateur

Vitesse angulaire : ω_satellite = ω_terre

Étape 2 : Analyse dans le référentiel terrestre

Dans le référentiel terrestre, le satellite a la même vitesse angulaire que la Terre

Donc, pour un observateur fixe sur Terre, le satellite ne bouge pas

Étape 3 : Analyse dans le référentiel galiléen

Dans le référentiel galiléen (fixe par rapport aux étoiles), le satellite est en mouvement circulaire

Il décrit une orbite en 24 heures

Étape 4 : Justification du choix du référentiel

Pour les applications de communication, le référentiel terrestre est pertinent

Car l'antenne au sol doit pointer toujours dans la même direction

Immobilité dans R_Terre
Réponse finale :

Le satellite géostationnaire semble immobile dans le référentiel terrestre car il tourne à la même vitesse angulaire que la Terre.

Règles appliquées :

• Relativité du mouvement : Dépend du référentiel choisi

• Vitesse angulaire : ω = 2π/T

• Application : Le choix du référentiel dépend de l'application visée

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Particule dans repère en rotation
Définition :

Repère en rotation : Les vecteurs de base changent de direction au cours du temps. \(\frac{d\vec{e_r}}{dt} = \dot{\theta}\vec{e_\theta}\)

Énoncé :

Une particule a pour position \(\vec{OM} = r(t)\vec{e_r}\) dans un repère cylindrique (O, \(\vec{e_r}, \vec{e_\theta}, \vec{k}\)) en rotation avec \(\theta(t) = \omega t\). Calculer sa vitesse dans ce repère.

Étape 1 : Rappel des formules de dérivation

Dans un repère en rotation : \(\frac{d\vec{e_r}}{dt} = \dot{\theta}\vec{e_\theta}\)

\(\frac{d\vec{e_\theta}}{dt} = -\dot{\theta}\vec{e_r}\)

Étape 2 : Expression de la position

\(\vec{OM} = r(t)\vec{e_r}\)

Étape 3 : Calcul de la vitesse

\(\vec{v} = \frac{d\vec{OM}}{dt} = \frac{d}{dt}[r(t)\vec{e_r}]\)

\(\vec{v} = \frac{dr}{dt}\vec{e_r} + r(t)\frac{d\vec{e_r}}{dt}\)

Étape 4 : Application des formules de dérivation

\(\vec{v} = \frac{dr}{dt}\vec{e_r} + r(t) \cdot \dot{\theta}\vec{e_\theta}\)

Comme \(\theta(t) = \omega t\), alors \(\dot{\theta} = \omega\)

\(\vec{v} = \frac{dr}{dt}\vec{e_r} + r(t)\omega\vec{e_\theta}\)

\(\vec{v} = \dot{r}\vec{e_r} + r\omega\vec{e_\theta}\)
Réponse finale :

La vitesse de la particule dans le repère en rotation est \(\vec{v} = \dot{r}\vec{e_r} + r\omega\vec{e_\theta}\).

Règles appliquées :

• Dérivation : \(\frac{d(f\vec{u})}{dt} = \frac{df}{dt}\vec{u} + f\frac{d\vec{u}}{dt}\)

• Repère mobile : Les vecteurs de base varient dans le temps

• Coordonnées polaires : Vitesse radiale + vitesse orthoradiale

5 Mouvement terrestre
Définition :

Référentiel galiléen : Référentiel dans lequel les lois de Newton s'appliquent strictement. Le référentiel terrestre est approximativement galiléen pour des mouvements courts.

Énoncé :

Comparer le mouvement d'un objet lâché sans vitesse initiale dans le référentiel terrestre et dans le référentiel géocentrique. Expliquer pourquoi le référentiel terrestre est considéré comme galiléen pour des expériences courtes.

Étape 1 : Analyse dans le référentiel terrestre

L'objet est soumis à la pesanteur : \(\vec{P} = m\vec{g}\)

Équation du mouvement : \(z(t) = z_0 - \frac{1}{2}gt^2\)

L'objet tombe verticalement

Étape 2 : Analyse dans le référentiel géocentrique

La Terre tourne à vitesse angulaire \(\omega = 7.27 \times 10^{-5}\) rad/s

L'objet a une vitesse initiale \(\vec{v_0} = \omega R_T \cos(\varphi)\vec{e_\theta}\) (vitesse de rotation)

Dans ce référentiel, l'objet a une trajectoire quasi-parabolique

Étape 3 : Comparaison des trajectoires

Pendant une courte durée (quelques secondes), la rotation terrestre est négligeable

Différence de position : \(\Delta \approx \frac{1}{2}\omega^2 R_T t^2 \ll h\)

Étape 4 : Conclusion sur le caractère galiléen

Pour des expériences de courte durée, les effets de la rotation terrestre sont négligeables

Le référentiel terrestre peut être considéré comme galiléen

Réf. terrestre ≈ galiléen (court terme)
Réponse finale :

Le référentiel terrestre est approximativement galiléen pour des expériences courtes car les effets de la rotation terrestre sont négligeables.

Règles appliquées :

• Galiléen : Lois de Newton valables sans forces d'inertie

• Approximation : Valide pour des durées limitées

• Échelle : Dépend des précisions requises pour l'expérience

Cours bien détaillé
\(\vec{v}_{\text{absolue}} = \vec{v}_{\text{relative}} + \vec{v}_{\text{entrainement}}, \vec{OM} = x\vec{i} + y\vec{j} + z\vec{k}\)
Relations fondamentales
📍
Repère : Ensemble d'axes avec origine et vecteurs unitaires.
🌍
Référentiel : Ensemble d'observateurs fixes les uns par rapport aux autres.
📏
Coordonnées : Valeurs qui définissent la position d'un point.
🔄
Relativité : Le mouvement dépend du référentiel choisi.
💡
Conseil : Toujours préciser le référentiel d'étude
🔍
Attention : Ne pas confondre repère et référentiel
⚡
Astuce : Utiliser des schémas pour visualiser les repères
📋
Méthode : Choisir le référentiel le plus adapté au problème
✅
Vérification : S'assurer que les unités sont cohérentes
Types de repères :
  • Cartésien : (O, \(\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}\)) - coordonnées (x, y, z)
  • Cylindrique : (O, \(\vec{e_r}, \vec{e_\theta}, \vec{k}\)) - coordonnées (r, θ, z)
  • Sphérique : (O, \(\vec{e_r}, \vec{e_\theta}, \vec{e_\phi}\)) - coordonnées (r, θ, φ)
  • Galiléen : Référentiel où les lois de Newton s'appliquent strictement
Règles importantes :
  • Le mouvement est relatif au référentiel choisi
  • Un repère est attaché à un référentiel
  • La vitesse dépend du référentiel d'observation
  • Le référentiel terrestre est approximativement galiléen
  • Les vecteurs de base peuvent changer de direction dans un repère mobile
\(\frac{d\vec{e_r}}{dt} = \dot{\theta}\vec{e_\theta}, \frac{d\vec{e_\theta}}{dt} = -\dot{\theta}\vec{e_r}\)
Dérivation dans repère mobile
Terrestre
Fixe à la surface
Quotidien
Géocentrique
Centre de la Terre
Satellites
Héliocentrique
Centre du Soleil
Planètes
Repères et référentiels Notions de base de cinématique