Dans cette série de 4 vidéos, on essaiera de répondre à ces questions. On partira de Galilée pour arriver à Newton : 

Le principe de relativité

Nous proposons ici d’aborder le principe de relativité de Galilée sous l’angle du lien existant entre force et mouvement. Nous partons pour cela de la vision historique aristotélicienne de ce lien selon laquelle le mouvement ne peut être maintenu qu’en présence de forces. Nous commençons par montrer le caractère intuitif et apparemment correct de cette vision au travers d’expériences de la vie de tous les jours (déplacer un objet, se déplacer soi-même à pied ou en véhicule). Nous passons ensuite à la description simplifiée de l’approche expérimentale proposée par Galilée pour clarifier le lien entre mouvement et force. Il s’agit de l’expérience du plan incliné qui permet de démontrer le rôle fondamental joué par les forces de frottement dans le comportement des objets soumis à des forces. A l’aide d’expériences de la pensée illustrées par des animations, nous sommes amenés à conclure qu’en l’absence de forces de frottement, le mouvement ne nécessite aucune force pour autant qu’il ait lieu en ligne droite et à vitesse constante. Ce constat nous permet dans un deuxième temps de conclure à l’équivalence entre le repos et le mouvement rectiligne uniforme (équivalence des référentiels inertiels). Cette conclusion est illustrée à l’aide d’exemples de la vie quotidienne (déplacements en véhicule).

Le principe d’inertie

Cette séquence fait suite à la vidéo consacrée au principe de relativité de Galilée. Sur la base du principe de relativité, nous introduisons de façon intuitive le concept de référentiel inertiel. Nous expliquons ensuite à l’aide d’animations que le changement de référentiel inertiel exige l’application d’une force. De cette manière, nous amenons progressivement l’élève à la compréhension du lien existant entre force et mouvement : la force engendre une modification de la vitesse, c’est-à-dire une accélération. Cette séquence est donc une préparation idéale à la vidéo d’introduction à la seconde loi de Newton (f = m.a)

Le procès de Galilée

Nous proposons dans cette séquence une analyse des raisons pour lesquelles l’église catholique s’est opposée à Galilée. Il ne s’agit pas d’un exposé historique rigoureux et détaillé, l’objectif étant seulement de fournir une illustration simple du lien qui existe entre science et philosophie. Nous commençons par expliquer pourquoi l’image du monde d’avant Galilée (le géocentrisme de Ptolémée) convenait aussi bien à l’église catholique qu’au monde scientifique de l’époque. Nous montrons ensuite comment la démarche scientifique de Galilée a radicalement modifié cette vision du monde et surtout comment elle a changé, aux yeux de l’église, le rapport de l’homme à Dieu. Cette séquence est aussi l’occasion d’apporter un autre éclairage scientifique sur le principe de relativité de Galilée, elle est donc complémentaire aux 2 séquences précédentes consacrées aux principes de relativité et d’inertie.

La loi de Newton

En nous basant sur les principes de relativité et d’inertie de Galilée, nous montrons comment Newton a été amené à formuler sa loi du mouvement (2ème loi de Newton). Des expériences de la pensée illustrées sont proposées pour montrer que sous l’effet d’une force constante une masse accélère de façon régulière, c’est-à-dire, à accélération constante. Nous définissons l’accélération comme étant le rapport entre l’accroissement de la vitesse et le temps mis pour obtenir cet accroissement. Le calcul différentiel n’est donc pas utilisé même si notre approche inclut le concept d’intervalle de temps arbitrairement petit (pour cette raison cette séquence peut être vue comme une première approche du calcul différentiel). Comme l’expérience montre que l’accélération est proportionnelle à la force, nous proposons de voir l’accélération comme une mesure de la force. Ce point de vue nous mène naturellement à la 2ème loi de Newton puisqu’il ne reste plus alors qu’à montrer que la masse est également proportionnelle à la force, ce qui peut se faire à l’aide d’expériences de la pensée très simples. Une brève discussion sur l’importance historique et pratique de la loi du mouvement de Newton est proposée pour conclure.