Physique-chimie · Seconde · Mouvement et Interactions · 2e Trimestre

Physique du Mouvement en Athlétisme

Les élèves appliquent les lois du mouvement à des disciplines sportives comme le saut en longueur ou le lancer.

• Programmes Officiels
• EDNAT.PC.27

À propos de ce thème

Ce chapitre fait le lien entre la mécanique newtonienne et le monde du sport. Les élèves appliquent les lois du mouvement (principe d'inertie, relation fondamentale de la dynamique) à des situations concrètes issues de l'athlétisme : trajectoire parabolique d'un projectile lors d'un lancer de poids, décomposition des forces au moment de l'impulsion du saut en longueur, influence de l'angle de départ sur la portée.

L'intérêt pédagogique est double. D'une part, le sport constitue un contexte motivant et accessible pour des élèves de Seconde qui découvrent la modélisation physique. D'autre part, ce chapitre montre que la physique ne se limite pas au laboratoire : elle permet d'optimiser des gestes techniques. Les activités en groupes autour de mesures vidéo ou de calculs d'optimisation de trajectoire transforment la salle de classe en laboratoire de biomécanique, rendant les équations vivantes et leurs résultats vérifiables.

Questions clés

1. Analysez les forces agissant sur un athlète lors d'un saut en longueur.
2. Optimisez la trajectoire d'un projectile pour maximiser la distance de lancer.
3. Expliquez comment la physique aide à améliorer les performances sportives.

Objectifs d'apprentissage

• Analyser les forces (poids, réaction du sol, frottements) agissant sur un athlète lors d'un saut en longueur.
• Calculer la trajectoire parabolique d'un projectile lancé, en identifiant les facteurs influençant sa portée.
• Expliquer comment la modélisation physique des lois du mouvement permet d'optimiser les performances athlétiques.
• Comparer l'efficacité de différentes techniques de lancer en analysant les angles et vitesses initiaux.
• Démontrer l'application du principe d'inertie lors de la phase d'impulsion d'une course ou d'un saut.

Avant de commencer

Introduction aux Vecteurs et aux Forces

Pourquoi : Les élèves doivent être capables de représenter et de comprendre les forces comme des grandeurs vectorielles pour analyser les situations de mouvement.

Mouvement Rectiligne Uniforme et Uniformément Accéléré

Pourquoi : Une compréhension de base des concepts de vitesse, d'accélération et de leurs relations est nécessaire avant d'aborder des trajectoires plus complexes.

Vocabulaire clé

Principe d'inertie	Un corps conserve son état de mouvement (vitesse constante ou immobile) s'il n'est soumis à aucune force extérieure ou si les forces se compensent.
Relation fondamentale de la dynamique	La somme des forces appliquées à un objet est égale au produit de sa masse par son vecteur accélération.
Trajectoire parabolique	Courbe décrite par un projectile lancé dans un champ de gravité, sous l'effet de sa vitesse initiale et de la gravité, en négligeant les frottements de l'air.
Vecteur vitesse	Grandeur physique qui décrit le mouvement d'un objet, indiquant sa rapidité et sa direction à un instant donné.
Champ de pesanteur	Région de l'espace où un corps subit une force d'attraction due à la masse d'un autre corps, comme la Terre.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

Un objet lancé en l'air continue d'être poussé par la force du lancer.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Après le lâcher, la seule force significative est le poids (et la résistance de l'air). Il n'y a pas de "force du lancer" qui accompagne l'objet. L'analyse vidéo image par image permet aux élèves de constater que l'accélération est constante et dirigée vers le bas dès la fin du contact.

Idée reçue courante

L'angle de 45° est toujours l'angle optimal pour maximiser la portée.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le résultat de 45° suppose un projectile sans résistance de l'air, lancé et reçu à la même hauteur. En athlétisme, le point de lâcher est plus haut que le point d'arrivée, ce qui modifie l'angle optimal (souvent autour de 40-42°). Le calcul comparatif en groupes met en évidence cette nuance.

Idée reçue courante

La masse de l'athlète n'a pas d'influence sur la trajectoire du saut.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La masse intervient dans la force de réaction au sol lors de l'impulsion et dans la résistance de l'air. Lors des investigations collaboratives, comparer les bilans de forces pour des athlètes de masses différentes éclaire cette relation.

Idées d'apprentissage actif

Cercle de recherche: Analyse vidéo d'un saut

Les groupes utilisent un logiciel de pointage vidéo (Avimeca ou Tracker) pour analyser la trajectoire du centre de gravité d'un sauteur en longueur. Ils identifient les phases (course d'élan, impulsion, vol, réception) et relient chacune aux forces en jeu.

50 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: L'angle optimal

Chaque élève calcule la portée d'un projectile lancé à 30°, 45° et 60° avec la même vitesse initiale. En binôme, ils comparent les résultats et formulent une hypothèse sur l'angle optimal, puis la classe confronte les conclusions.

20 min·Binômes

Galerie marchande: Forces sur l'athlète

Chaque groupe réalise un diagramme de forces pour une discipline sportive différente (sprint, saut en hauteur, lancer de javelot, course de haies). Les affiches sont exposées et les autres groupes annotent les erreurs ou posent des questions.

30 min·Petits groupes

Enseignement par les pairs: Record du monde et physique

Chaque binôme prépare un exposé de 3 minutes montrant comment un record du monde (saut en longueur de Bob Beamon, lancer de Usain Bolt au 100 m) s'explique par des paramètres physiques (vitesse initiale, angle, résistance de l'air).

25 min·Binômes

Liens avec le monde réel

• Les ingénieurs en biomécanique sportive utilisent ces principes pour concevoir des équipements d'athlétisme (chaussures, pistes) et analyser les mouvements des athlètes de haut niveau, comme ceux des Jeux Olympiques.
• Les entraîneurs d'athlétisme s'appuient sur la compréhension de la physique du mouvement pour ajuster les techniques de leurs athlètes, par exemple en conseillant sur l'angle de lancer optimal pour un javelot ou la poussée des jambes pour un sauteur en hauteur.
• Les fabricants de simulateurs de sport utilisent des modèles physiques pour reproduire fidèlement des actions comme le lancer d'une balle de baseball ou le saut à ski, offrant des expériences immersives et pédagogiques.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Présentez aux élèves une courte vidéo d'un lancer de poids. Demandez-leur d'identifier les forces principales agissant sur le poids pendant son vol et de schématiser la trajectoire attendue. Recueillez les schémas pour vérifier la compréhension des concepts.

Question de discussion

Posez la question: 'Comment un athlète peut-il modifier son angle de départ pour améliorer la distance d'un saut en longueur, en tenant compte des lois de la physique ?' Animez une discussion en classe où les élèves argumentent en utilisant le vocabulaire scientifique approprié.

Billet de sortie

Distribuez une fiche avec deux scenarios : 1) un athlète en phase d'impulsion pour un saut, 2) un disque de jet en l'air. Demandez aux élèves d'écrire une phrase pour chaque scenario expliquant quelle loi de la physique est la plus pertinente et pourquoi.

Questions fréquentes

Comment la physique explique-t-elle le saut en longueur ?

Le saut en longueur se décompose en trois phases analysables par la mécanique. La course d'élan accumule l'énergie cinétique. L'impulsion convertit la vitesse horizontale en composantes horizontale et verticale. La phase de vol suit une trajectoire parabolique sous l'effet du poids, prévisible par les équations du mouvement.

Pourquoi l'angle de lancer est-il si important en athlétisme ?

L'angle détermine la répartition de la vitesse entre composantes horizontale et verticale. Un angle trop faible donne peu de temps de vol, un angle trop élevé réduit la distance horizontale parcourue. L'angle optimal résulte d'un compromis qui dépend de la hauteur de lâcher et de la résistance de l'air.

Quelles forces agissent sur un athlète en plein saut ?

Pendant la phase de vol, l'athlète est soumis essentiellement à son poids (force gravitationnelle vers le bas) et à la résistance de l'air (force de frottement opposée au mouvement). Pendant l'impulsion au sol, s'ajoute la réaction normale du sol qui propulse l'athlète vers le haut.

Comment utiliser le sport pour enseigner la mécanique de façon active ?

L'analyse vidéo de gestes sportifs avec des logiciels de pointage (Tracker, Avimeca) permet aux élèves de mesurer eux-mêmes les positions, vitesses et accélérations. Ils confrontent ensuite leurs mesures aux prédictions théoriques, ce qui ancre les concepts dans l'expérience directe plutôt que dans le calcul abstrait.