vitesse et acceleration 1D

Les trois niveaux s'enchaînent. Clique sur « Corrigé » pour révéler la solution d'une seule question.

Facile15 exercices
Exercice 1conversions d'unités

Passe d'une unité à l'autre (facteur 3,63{,}6).

  1. a)

    Convertis 72 km/h72\,\mathrm{km}/\mathrm{h} en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}.

    72 km/h=723,6=20 m/s\displaystyle 72\,\mathrm{km}/\mathrm{h}=\frac{72}{3{,}6}=20\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Convertis 30 m/s30\,\mathrm{m}/\mathrm{s} en km/h\mathrm{km}/\mathrm{h}.

    30 m/s=30×3,6=108 km/h\displaystyle 30\,\mathrm{m}/\mathrm{s}=30\times3{,}6=108\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

Exercice 2vitesse moyenne et signe

Un mobile se déplace sur un axe OxOx.

  1. a)

    Il passe de x1=20 mx_1=20\,\mathrm{m} à x2=170 mx_2=170\,\mathrm{m} en 10 s10\,\mathrm{s}. Calcule vmoyv_{\text{moy}}.

    vmoy=x2x1Δt=1702010=15 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{x_2-x_1}{\Delta t}=\frac{170-20}{10}=15\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (positive : déplacement dans le sens de l'axe).

  2. b)

    Il repart ensuite de x2=170 mx_2=170\,\mathrm{m} et revient à x3=70 mx_3=70\,\mathrm{m} en 5 s5\,\mathrm{s}. Calcule vmoyv_{\text{moy}} sur ce second trajet et commente son signe.

    vmoy=701705=1005=20 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{70-170}{5}=\frac{-100}{5}=-20\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. Le signe négatif indique un déplacement à contre-sens de l'axe (le mobile revient).

Exercice 3accélération moyenne

Détermine l'accélération moyenne dans chaque cas.

  1. a)

    Une voiture passe de 10 m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s} à 25 m/s25\,\mathrm{m}/\mathrm{s} en 5 s5\,\mathrm{s}.

    amoy=25105=3 m/s2\displaystyle a_{\text{moy}}=\frac{25-10}{5}=3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  2. b)

    Elle freine ensuite de 30 m/s30\,\mathrm{m}/\mathrm{s} à l'arrêt en 6 s6\,\mathrm{s}.

    amoy=0306=5 m/s2\displaystyle a_{\text{moy}}=\frac{0-30}{6}=-5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} : accélération négative (freinage).

Exercice 4distance parcourue et déplacement

Un coureur part de OO (x=0x=0), atteint x=40 mx=40\,\mathrm{m} en 8 s8\,\mathrm{s}, puis revient jusqu'à x=10 mx=10\,\mathrm{m} en 6 s6\,\mathrm{s} de plus.

  1. a)

    Quel est son déplacement total Δx\Delta x ?

    Position initiale 00, finale 10 m10\,\mathrm{m} : Δx=100=10 m\Delta x=10-0=10\,\mathrm{m}.

  2. b)

    Quelle distance totale a-t-il parcourue ?

    Aller 040 m0\to40\,\mathrm{m} = 40 m40\,\mathrm{m} ; retour 4010 m40\to10\,\mathrm{m} = 30 m30\,\mathrm{m}. Distance totale =40+30=70 m=40+30=70\,\mathrm{m}.

  3. c)

    Quelle est sa vitesse moyenne sur l'ensemble ?

    Durée totale 8+6=14 s8+6=14\,\mathrm{s} : vmoy=ΔxΔt=10140,71 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{\Delta x}{\Delta t}=\frac{10}{14}\approx0{,}71\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. (Attention : on divise le déplacement, pas la distance.)

Exercice 5dériver une équation horaire

La position d'un mobile est x(t)=2t2+5t+1x(t)=2t^2+5t+1 (en m\mathrm{m}, tt en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Donne l'expression de la vitesse v(t)v(t).

    On dérive x(t)=2t2+5t+1x(t)=2t^2+5t+1.

    v(t)=dxdt=4t+5v(t)=\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=4t+5 (en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}).

  2. b)

    Donne l'expression de l'accélération a(t)a(t).

    a(t)=dvdt=4 m/s2a(t)=\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=4\ \mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (constante \Rightarrow mouvement uniformément accéléré).

  3. c)

    Calcule la vitesse à t=3 st=3\,\mathrm{s}.

    v(3)=4×3+5=17 m/sv(3)=4\times3+5=17\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

Exercice 6comparer deux vitesses

Pour comparer deux vitesses, on les exprime dans la même unité (facteur 3,63{,}6).

  1. a)

    Convertis 90 km/h90\,\mathrm{km}/\mathrm{h} en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}.

    90 km/h=903,6=25 m/s\displaystyle 90\,\mathrm{km}/\mathrm{h}=\frac{90}{3{,}6}=25\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Une moto roule à 27 m/s27\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. Qui, de la moto ou d'un véhicule roulant à 90 km/h90\,\mathrm{km}/\mathrm{h}, va le plus vite ?

    La moto (27 m/s27\,\mathrm{m}/\mathrm{s}) va plus vite : le véhicule ne roule qu'à 25 m/s25\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. (Autre lecture : 27 m/s=27×3,6=97.2 km/h>90 km/h27\,\mathrm{m}/\mathrm{s}=27\times3{,}6=97.2\,\mathrm{km}/\mathrm{h}>90\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.)

Exercice 7vitesse moyenne d'un trajet

Un train parcourt 135 km135\,\mathrm{km} en 2 h2\,\mathrm{h} et 30 min30\,\mathrm{min}.

  1. a)

    Calcule sa vitesse moyenne en km/h\mathrm{km}/\mathrm{h}.

    Δt=2.5 h\Delta t=2.5\,\mathrm{h} : vmoy=1352,5=54 km/h\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{135}{2{,}5}=54\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

  2. b)

    Exprime-la en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}.

    54 km/h=543,6=15 m/s\displaystyle 54\,\mathrm{km}/\mathrm{h}=\frac{54}{3{,}6}=15\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

Exercice 8atteindre une vitesse

Une voiture roule à 4 m/s4\,\mathrm{m}/\mathrm{s} puis accélère, avec une accélération moyenne constante de 2.5 m/s22.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}, pendant 6 s6\,\mathrm{s}.

  1. a)

    De combien sa vitesse a-t-elle augmenté (Δv=amoy Δt\Delta v = a_{\text{moy}}\,\Delta t) ?

    Δv=amoy Δt=2,5×6=15 m/s\Delta v=a_{\text{moy}}\,\Delta t=2{,}5\times6=15\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Quelle vitesse atteint-elle à la fin ?

    v=v0+Δv=4+15=19 m/sv=v_0+\Delta v=4+15=19\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

Exercice 9durée d'un parcours

Un coureur maintient une vitesse constante de 5 m/s5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  1. a)

    Quelle durée lui faut-il pour parcourir 400 m400\,\mathrm{m} ?

    Δt=Δxv=4005=80 s\displaystyle \Delta t=\frac{\Delta x}{v}=\frac{400}{5}=80\,\mathrm{s}.

  2. b)

    Convertis cette durée en minutes et secondes.

    80 s=1 min 20 s80\,\mathrm{s}=1\,\mathrm{min}\,20\,\mathrm{s}.

Exercice 10dériver et annuler la vitesse

La position d'un mobile est x(t)=t28t+12x(t)=t^2-8t+12 (en m\mathrm{m}, t0t\ge0 en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Donne l'expression de la vitesse v(t)v(t).

    v(t)=dxdt=2t8v(t)=\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2t-8 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}).

  2. b)

    Donne l'accélération a(t)a(t).

    a(t)=dvdt=2 m/s2a(t)=\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=2\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (constante).

  3. c)

    À quel instant la vitesse s'annule-t-elle ?

    v=02t8=0t=4 sv=0 \Leftrightarrow 2t-8=0 \Leftrightarrow t=4\,\mathrm{s}.

Exercice 11lire la vitesse sur un graphe de position

Le graphe donne la position d'un mobile sur l'axe OxOx.

  1. a)

    Détermine la vitesse du mobile (pente de la droite).

    La droite passe de x=4 mx=4\,\mathrm{m} à x=22 mx=22\,\mathrm{m} en 6 s6\,\mathrm{s} : v=2246=3 m/s\displaystyle v=\frac{22-4}{6}=3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Quelle est la nature du mouvement ?

    La position varie linéairement (droite) : la vitesse est constante, c'est un mouvement rectiligne uniforme (MRU).

Exercice 12aire sous une vitesse constante

Le graphe donne la vitesse d'un mobile.

  1. a)

    Quelle distance le mobile parcourt-il entre t=0t=0 et t=8 st=8\,\mathrm{s} (aire sous la courbe) ?

    Aire du rectangle : Δx=v×Δt=6×8=48 m\Delta x=v\times\Delta t=6\times8=48\,\mathrm{m}.

  2. b)

    Que vaut son accélération ?

    La vitesse est constante : a=0 m/s2a=0\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

Exercice 13vitesse moyenne en deux tronçons

Un piéton parcourt 360 m360\,\mathrm{m} en 90 s90\,\mathrm{s}, puis, dans le même sens, 240 m240\,\mathrm{m} en 30 s30\,\mathrm{s}.

  1. a)

    Calcule la vitesse sur chaque tronçon.

    v1=36090=4 m/s\displaystyle v_1=\frac{360}{90}=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s} ; v2=24030=8 m/s\displaystyle v_2=\frac{240}{30}=8\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Calcule sa vitesse moyenne sur l'ensemble du trajet.

    Distance totale 600 m600\,\mathrm{m}, durée totale 120 s120\,\mathrm{s} : vmoy=600120=5 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{600}{120}=5\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (entre 44 et 88, plus proche de 44 car le mobile passe plus de temps sur le tronçon lent).

Exercice 14signe de l'accélération

On oriente l'axe OxOx dans le sens ++. Précise le signe de l'accélération dans chaque situation.

  1. a)

    Une voiture avance dans le sens ++ et accélère.

    v>0v>0 et augmente : a>0a>0.

  2. b)

    Une voiture avance dans le sens ++ et freine.

    v>0v>0 et diminue : a<0a<0 (freinage).

  3. c)

    Une voiture recule (sens -) de plus en plus vite.

    v<0v<0 et sa valeur absolue augmente (le mobile va plus vite en sens inverse) : a<0a<0. Ici l'accélération est de même signe que le sens du mouvement.

Exercice 15dériver une vitesse

La vitesse d'un mobile est v(t)=4t10v(t)=4t-10 (en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}, tt en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Quelle est son accélération a(t)a(t) ?

    a(t)=dvdt=4 m/s2a(t)=\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (constante).

  2. b)

    À quel instant le mobile est-il momentanément à l'arrêt ?

    v=04t10=0t=2.5 sv=0 \Leftrightarrow 4t-10=0 \Leftrightarrow t=2.5\,\mathrm{s}.

Moyen15 exercices
Exercice 1la vraie vitesse moyenne

Un automobiliste parcourt 120 km120\,\mathrm{km} à 40 km/h40\,\mathrm{km}/\mathrm{h}, puis 120 km120\,\mathrm{km} à 60 km/h60\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

  1. a)

    Calcule la durée de chaque tronçon.

    t1=12040=3 ht_1=\dfrac{120}{40}=3\,\mathrm{h} ; t2=12060=2 ht_2=\dfrac{120}{60}=2\,\mathrm{h}.

  2. b)

    En déduis sa vitesse moyenne sur l'ensemble du trajet.

    Distance totale 240 km240\,\mathrm{km}, durée totale 5 h5\,\mathrm{h} : vmoy=2405=48 km/h\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{240}{5}=48\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

  3. c)

    Pourquoi la réponse n'est-elle pas 50 km/h50\,\mathrm{km}/\mathrm{h} ?

    Parce que l'automobiliste passe plus de temps à la vitesse lente : la vitesse moyenne penche vers celle-ci. On divise toujours la distance totale par la durée totale, jamais la moyenne arithmétique des vitesses.

Exercice 2dérivée d'un mouvement cubique

La position d'un mobile est x(t)=t36t2+9tx(t)=t^3-6t^2+9t (en m\mathrm{m}, t0t\ge0 en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Donne v(t)v(t).

    v(t)=dxdt=3t212t+9v(t)=\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=3t^2-12t+9 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}).

  2. b)

    À quels instants la vitesse s'annule-t-elle ?

    v=0t24t+3=0(t1)(t3)=0v=0 \Leftrightarrow t^2-4t+3=0 \Leftrightarrow (t-1)(t-3)=0, donc t=1 st=1\,\mathrm{s} et t=3 st=3\,\mathrm{s}.

  3. c)

    Donne a(t)a(t) et calcule sa valeur à ces deux instants.

    a(t)=6t12a(t)=6t-12 : a(1)=6 m/s2a(1)=-6\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} et a(3)=+6 m/s2a(3)=+6\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (le mobile ralentit puis repart en sens inverse, avant d'être ré-accéléré).

Exercice 3remonter par intégration

Un mobile a pour vitesse v(t)=6t+2v(t)=6t+2 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}) et part de x0=5 mx_0=5\,\mathrm{m} à t=0t=0.

  1. a)

    Détermine l'équation horaire x(t)x(t).

    x(t)=x0+0t(6t+2) dt=5+[3t2+2t]0t=3t2+2t+5\displaystyle x(t)=x_0+\int_0^t(6t'+2)\,\mathrm{d}t'=5+\big[3t'^2+2t'\big]_0^t=3t^2+2t+5 (m\mathrm{m}).

  2. b)

    Où se trouve-t-il à t=4 st=4\,\mathrm{s} ?

    x(4)=3×16+2×4+5=48+8+5=61 mx(4)=3\times16+2\times4+5=48+8+5=61\,\mathrm{m}.

  3. c)

    Quelle est son accélération ?

    a=dvdt=6 m/s2a=\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=6\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (constante).

Exercice 4lecture d'un graphe de vitesse

Le graphe donne la vitesse d'un véhicule sur OxOx.

  1. a)

    Calcule l'accélération sur chacune des trois phases [0;2][0;2], [2;5][2;5], [5;7][5;7] s\mathrm{s}.

    Phase [0;2][0;2] : a=8020=4 m/s2a=\dfrac{8-0}{2-0}=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; phase [2;5][2;5] : vv constante a=0 m/s2\Rightarrow a=0\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (MRU) ; phase [5;7][5;7] : a=0875=4 m/s2a=\dfrac{0-8}{7-5}=-4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (freinage).

  2. b)

    En déduis la distance totale parcourue (aire sous la courbe).

    L'aire sous la courbe est un trapèze : 12×2×88+3×824+12×2×88=40 m\displaystyle \underbrace{\tfrac12\times2\times8}_{8}+\underbrace{3\times8}_{24}+\underbrace{\tfrac12\times2\times8}_{8}=40\,\mathrm{m}.

Exercice 5intégrer une vitesse non affine

Un mobile parti de l'origine a pour vitesse v(t)=3t2v(t)=3t^2 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}).

  1. a)

    Quelle distance parcourt-il entre t=0t=0 et t=2 st=2\,\mathrm{s} ?

    Δx=023t2 dt=[t3]02=8 m\displaystyle \Delta x=\int_0^2 3t^2\,\mathrm{d}t=\big[t^3\big]_0^2=8\,\mathrm{m}.

  2. b)

    Donne son accélération a(t)a(t) : est-elle constante ?

    a(t)=d(3t2)dt=6ta(t)=\dfrac{\mathrm{d}(3t^2)}{\mathrm{d}t}=6t : elle croît avec le temps, donc l'accélération n'est pas constante.

Exercice 6durées égales, quelle moyenne ?

Un automobiliste roule pendant 30 min30\,\mathrm{min} à 80 km/h80\,\mathrm{km}/\mathrm{h}, puis pendant 30 min30\,\mathrm{min} à 40 km/h40\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

  1. a)

    Calcule la distance parcourue sur chaque portion.

    En 30 min30\,\mathrm{min} (soit 0.5 h0.5\,\mathrm{h}) : d1=80×0,5=40 kmd_1=80\times0{,}5=40\,\mathrm{km} et d2=40×0,5=20 kmd_2=40\times0{,}5=20\,\mathrm{km}.

  2. b)

    En déduis sa vitesse moyenne sur l'ensemble.

    Distance totale 60 km60\,\mathrm{km} en 1 h1\,\mathrm{h} : vmoy=601=60 km/h\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{60}{1}=60\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

  3. c)

    Pourquoi obtient-on cette fois exactement la moyenne 60 km/h60\,\mathrm{km}/\mathrm{h} ?

    Les deux vitesses durent autant de temps : la moyenne (pondérée par le temps) coïncide alors avec la moyenne arithmétique. Ce n'était pas le cas pour des distances égales, où l'on passe plus de temps à la vitesse lente.

Exercice 7analyser un mouvement quadratique

La position d'un mobile est x(t)=2t212t+10x(t)=2t^2-12t+10 (en m\mathrm{m}, t0t\ge0 en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Donne v(t)v(t) et a(t)a(t).

    v(t)=4t12v(t)=4t-12 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}) et a(t)=4 m/s2a(t)=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (constante).

  2. b)

    À quel instant la vitesse s'annule-t-elle, et quelle est alors la position du mobile ?

    v=0t=3 sv=0 \Leftrightarrow t=3\,\mathrm{s} ; alors x(3)=2×912×3+10=1836+10=8 mx(3)=2\times9-12\times3+10=18-36+10=-8\,\mathrm{m} (position la plus reculée).

  3. c)

    Dans quel sens se déplace-t-il avant, puis après cet instant ?

    Avant 3 s3\,\mathrm{s}, v<0v<0 : il recule (sens -) ; après, v>0v>0 : il avance (sens ++).

Exercice 8remonter une accélération variable

Un mobile a une accélération a(t)=2ta(t)=2t (m/s2\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}). À t=0t=0, sa vitesse est v0=3 m/sv_0=3\,\mathrm{m}/\mathrm{s} et il part de l'origine.

  1. a)

    Détermine v(t)v(t) par intégration.

    v(t)=v0+0t2t dt=3+[t2]0t=t2+3\displaystyle v(t)=v_0+\int_0^t 2t'\,\mathrm{d}t'=3+\big[t'^2\big]_0^t=t^2+3 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}).

  2. b)

    Détermine l'équation horaire x(t)x(t).

    x(t)=x0+0t(t2+3) dt=0+[t33+3t]0t=t33+3t\displaystyle x(t)=x_0+\int_0^t(t'^2+3)\,\mathrm{d}t'=0+\Big[\tfrac{t'^3}{3}+3t'\Big]_0^t=\frac{t^3}{3}+3t (m\mathrm{m}).

  3. c)

    Calcule la vitesse et la position à t=3 st=3\,\mathrm{s}. L'accélération est-elle constante ?

    v(3)=9+3=12 m/sv(3)=9+3=12\,\mathrm{m}/\mathrm{s} et x(3)=273+9=18 mx(3)=\tfrac{27}{3}+9=18\,\mathrm{m}. L'accélération a=2ta=2t croît : elle n'est pas constante.

Exercice 9un graphe de vitesse qui change de signe

Le graphe donne la vitesse d'un mobile sur l'axe OxOx.

  1. a)

    Calcule l'accélération sur la phase [0;2][0;2] puis sur la phase [2;6][2;6] s\mathrm{s}.

    Phase [0;2][0;2] : a=602=3 m/s2a=\dfrac{6-0}{2}=3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; phase [2;6][2;6] : a=6662=3 m/s2a=\dfrac{-6-6}{6-2}=-3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  2. b)

    À quel instant le mobile fait-il demi-tour ?

    La vitesse s'annule en changeant de signe à t=4 st=4\,\mathrm{s} : le mobile y fait demi-tour.

  3. c)

    Calcule le déplacement Δx\Delta x entre t=0t=0 et t=6 st=6\,\mathrm{s} (aire algébrique).

    Aires algébriques : triangle [0;2][0;2] =+6=+6, triangle [2;4][2;4] =+6=+6, triangle [4;6][4;6] =6=-6. Déplacement Δx=6+66=6 m\Delta x=6+6-6=6\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Calcule la distance réellement parcourue.

    Distance =6+6+6=18 m=6+6+6=18\,\mathrm{m} (on additionne les aires en valeur absolue).

Exercice 10vitesse moyenne ou instantanée ?

La position d'un mobile est x(t)=t2+2tx(t)=t^2+2t (en m\mathrm{m}, tt en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Calcule la vitesse moyenne entre t=1 st=1\,\mathrm{s} et t=4 st=4\,\mathrm{s}.

    x(1)=3x(1)=3, x(4)=24x(4)=24 : vmoy=24341=213=7 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{24-3}{4-1}=\frac{21}{3}=7\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Calcule la vitesse instantanée à t=1 st=1\,\mathrm{s} et à t=4 st=4\,\mathrm{s}.

    v(t)=2t+2v(t)=2t+2 : v(1)=4 m/sv(1)=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s} et v(4)=10 m/sv(4)=10\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  3. c)

    La vitesse moyenne est-elle la moyenne des deux vitesses instantanées ? Commente.

    Ici 4+102=7=vmoy\tfrac{4+10}{2}=7=v_{\text{moy}} : c'est vrai parce que v(t)v(t) est affine (mouvement uniformément varié), et la vitesse moyenne vaut alors la vitesse instantanée au milieu de l'intervalle. En général, vmoyv_{\text{moy}}\neq moyenne des vitesses instantanées.

Exercice 11accélération d'après un tableau

On relève la vitesse d'un mobile à intervalles réguliers :

tt (s\mathrm{s})0246
vv (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s})051221
  1. a)

    Calcule l'accélération moyenne sur l'ensemble [0;6][0;6] s\mathrm{s}.

    amoy=21060=3.5 m/s2\displaystyle a_{\text{moy}}=\frac{21-0}{6-0}=3.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  2. b)

    Calcule l'accélération moyenne sur chacun des trois intervalles.

    [0;2][0;2] : 502=2.5 m/s2\tfrac{5-0}{2}=2.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; [2;4][2;4] : 1252=3.5 m/s2\tfrac{12-5}{2}=3.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; [4;6][4;6] : 21122=4.5 m/s2\tfrac{21-12}{2}=4.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  3. c)

    Le mouvement est-il uniformément accéléré ?

    Non : l'accélération augmente d'un intervalle à l'autre, le mouvement n'est pas uniformément accéléré.

Exercice 12intégrer et repasser par l'origine

La vitesse d'un mobile est v(t)=2t8v(t)=2t-8 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}) et, à t=0t=0, il se trouve en x0=7 mx_0=7\,\mathrm{m}.

  1. a)

    Détermine l'équation horaire x(t)x(t).

    x(t)=x0+0t(2t8) dt=7+[t28t]0t=t28t+7\displaystyle x(t)=x_0+\int_0^t(2t'-8)\,\mathrm{d}t'=7+\big[t'^2-8t'\big]_0^t=t^2-8t+7 (m\mathrm{m}).

  2. b)

    À quels instants le mobile passe-t-il par l'origine x=0x=0 ?

    x=0t28t+7=0(t1)(t7)=0x=0 \Leftrightarrow t^2-8t+7=0 \Leftrightarrow (t-1)(t-7)=0 : t=1 st=1\,\mathrm{s} et t=7 st=7\,\mathrm{s}.

  3. c)

    Quelle est son accélération ?

    a=dvdt=2 m/s2a=\dfrac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=2\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} (constante).

Exercice 13vitesse donnée sous forme quadratique

La vitesse d'un mobile sur OxOx est v(t)=t24t+3v(t)=t^2-4t+3 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}), t0t\ge0 en s\mathrm{s}.

  1. a)

    Donne l'accélération a(t)a(t) et l'instant où elle s'annule.

    a(t)=2t4a(t)=2t-4 ; a=0t=2 sa=0 \Leftrightarrow t=2\,\mathrm{s}.

  2. b)

    À quels instants la vitesse s'annule-t-elle ? Précise le sens du mouvement sur [0;1][0;1], [1;3][1;3] et au-delà de 3 s3\,\mathrm{s}.

    v=0(t1)(t3)=0v=0 \Leftrightarrow (t-1)(t-3)=0 : t=1 st=1\,\mathrm{s} et t=3 st=3\,\mathrm{s}. Sur [0;1][0;1], v>0v>0 (avance) ; sur [1;3][1;3], v<0v<0 (recule) ; au-delà de 3 s3\,\mathrm{s}, v>0v>0 (avance de nouveau).

  3. c)

    Calcule le déplacement entre t=0t=0 et t=3 st=3\,\mathrm{s}.

    Δx=03(t24t+3) dt=[t332t2+3t]03=918+9=0 m\displaystyle \Delta x=\int_0^3(t^2-4t+3)\,\mathrm{d}t=\Big[\tfrac{t^3}{3}-2t^2+3t\Big]_0^3=9-18+9=0\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Calcule la distance réellement parcourue sur ce même intervalle.

    On sépare à t=1t=1 et t=3t=3 : 01v dt=132+3=43\displaystyle \int_0^1 v\,\mathrm{d}t=\tfrac13-2+3=\tfrac43 et 13v dt=043=43\displaystyle \int_1^3 v\,\mathrm{d}t=0-\tfrac43=-\tfrac43. Distance =43+43=832.67 m=\tfrac43+\tfrac43=\dfrac83\approx2.67\,\mathrm{m} (le déplacement est nul mais le mobile a bougé).

Exercice 14accélération d'un démarrage

Une voiture passe de l'arrêt à 108 km/h108\,\mathrm{km}/\mathrm{h} en 6 s6\,\mathrm{s}.

  1. a)

    Convertis 108 km/h108\,\mathrm{km}/\mathrm{h} en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}.

    108 km/h=1083,6=30 m/s\displaystyle 108\,\mathrm{km}/\mathrm{h}=\frac{108}{3{,}6}=30\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Calcule son accélération moyenne en m/s2\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

    amoy=3006=5 m/s2\displaystyle a_{\text{moy}}=\frac{30-0}{6}=5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

Exercice 15deux phases, accélération moyenne nulle

Un mobile part du repos, accélère à 3 m/s23\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} pendant 4 s4\,\mathrm{s}, puis freine jusqu'à l'arrêt en 3 s3\,\mathrm{s}.

  1. a)

    Quelle vitesse atteint-il à la fin de la première phase ?

    v1=a1 Δt1=3×4=12 m/sv_1=a_1\,\Delta t_1=3\times4=12\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  2. b)

    Quelle est l'accélération (moyenne) durant la phase de freinage ?

    a2=0123=4 m/s2\displaystyle a_2=\frac{0-12}{3}=-4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  3. c)

    Que vaut l'accélération moyenne sur l'ensemble des 7 s7\,\mathrm{s} ? Commente.

    amoy=vfinalvinitialΔttot=007=0 m/s2\displaystyle a_{\text{moy}}=\frac{v_{\text{final}}-v_{\text{initial}}}{\Delta t_{\text{tot}}}=\frac{0-0}{7}=0\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}. L'accélération moyenne ne dépend que des vitesses aux extrémités : elle est nulle bien que le mobile ait accéléré puis freiné.

Difficile14 exercices
Exercice 1vrai ou faux sur un graphe de vitesse

Le graphe donne la vitesse d'un mobile MM le long de l'axe OxOx.

Indique si chaque affirmation est vraie (VV) ou fausse (FF), puis compte les affirmations vraies.

  1. a)

    Entre t=0t=0 et t=2 st=2\,\mathrm{s}, le mouvement est uniformément accéléré.

    V : la vitesse croît linéairement (droite de pente 62=3 m/s2\frac{6}{2}=3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}), c'est un MRUA.

  2. b)

    Entre t=2t=2 et t=4 st=4\,\mathrm{s}, le mobile est à l'arrêt.

    F : la vitesse est constante non nulle (6 m/s6\,\mathrm{m}/\mathrm{s}) : le mobile avance en MRU, il n'est pas à l'arrêt.

  3. c)

    À t=6 st=6\,\mathrm{s}, le mobile change de sens.

    V : à t=6 st=6\,\mathrm{s} la vitesse passe de positive à négative en s'annulant : le mobile fait demi-tour.

  4. d)

    Entre t=4t=4 et t=7 st=7\,\mathrm{s}, l'accélération vaut 3 m/s2-3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

    V : pente =3674=93=3 m/s2=\dfrac{-3-6}{7-4}=\dfrac{-9}{3}=-3\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  5. e)

    La distance parcourue entre t=0t=0 et t=2 st=2\,\mathrm{s} vaut 6 m6\,\mathrm{m}.

    V : aire du triangle 12×2×6=6 m\tfrac12\times2\times6=6\,\mathrm{m}.

    Bilan : 4 affirmations vraies (a, c, d, e) ; seule b est fausse.

Exercice 2décrypter une équation horaire parabolique

Un mobile a pour position x(t)=t2+6t5x(t)=-t^2+6t-5 (en m\mathrm{m}, t0t\ge0 en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Donne v(t)v(t) et a(t)a(t). De quel type de mouvement s'agit-il ?

    v(t)=2t+6v(t)=-2t+6 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}) et a(t)=2 m/s2a(t)=-2\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} : accélération constante \Rightarrow mouvement rectiligne uniformément varié (ici décéléré tant que v>0v>0).

  2. b)

    À quel instant la vitesse s'annule-t-elle ? Que représente ce point sur la trajectoire ?

    v=0t=3 sv=0 \Leftrightarrow t=3\,\mathrm{s} ; la trajectoire atteint alors son point le plus avancé (xmax=x(3)=9+185=4 mx_{\max}=x(3)=-9+18-5=4\,\mathrm{m}), c'est le sommet de la parabole.

  3. c)

    À quels instants le mobile passe-t-il par l'origine x=0x=0 ?

    x=0t26t+5=0(t1)(t5)=0x=0 \Leftrightarrow t^2-6t+5=0 \Leftrightarrow (t-1)(t-5)=0 : t=1 st=1\,\mathrm{s} et t=5 st=5\,\mathrm{s}.

  4. d)

    Dans quel sens se déplace-t-il avant, puis après l'instant trouvé au b) ?

    Avant t=3 st=3\,\mathrm{s}, v>0v>0 : il avance dans le sens de OxOx ; après, v<0v<0 : il recule.

Exercice 3déplacement contre distance parcourue

La vitesse d'un mobile sur OxOx est v(t)=2t+4v(t)=-2t+4 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}), tt en s\mathrm{s}.

  1. a)

    Écris l'intégrale donnant le déplacement entre t=0t=0 et t=3 st=3\,\mathrm{s}, puis calcule-le.

    Δx=03(2t+4) dt=[t2+4t]03=9+12=3 m\displaystyle \Delta x=\int_0^3(-2t+4)\,\mathrm{d}t=\big[-t^2+4t\big]_0^3=-9+12=3\,\mathrm{m}.

  2. b)

    À quel instant le mobile change-t-il de sens ?

    v=02t+4=0t=2 sv=0 \Leftrightarrow -2t+4=0 \Leftrightarrow t=2\,\mathrm{s} (avant : v>0v>0 ; après : v<0v<0).

  3. c)

    En déduis la distance réellement parcourue entre t=0t=0 et t=3 st=3\,\mathrm{s}.

    On sépare les deux phases (distance =v=\int|v|) :

    02(2t+4)dt+23(2t4)dt=[t2+4t]02+[t24t]23=4+1=5m.\int_0^2(-2t+4)\,\mathrm{d}t+\int_2^3(2t-4)\,\mathrm{d}t =\big[-t^2+4t\big]_0^2+\big[t^2-4t\big]_2^3=4+1=5\,\mathrm{m}.

    La distance (5 m5\,\mathrm{m}) dépasse le déplacement (3 m3\,\mathrm{m}) car le mobile est revenu en arrière.

Exercice 4affirmations de cours à trancher

Pour chaque proposition, réponds par VV ou FF et justifie en une ligne. Combien sont exactes ?

  1. a)

    Une accélération constante et non nulle impose une vitesse qui varie linéairement avec le temps.

    V : a=ctev(t)=v0+ata=\text{cte}\Rightarrow v(t)=v_0+at, fonction affine du temps.

  2. b)

    Si la vitesse instantanée est nulle à un instant, alors l'accélération y est forcément nulle.

    F : au sommet d'un tir vertical v=0v=0 mais a=g0a=-g\neq0 ; vitesse nulle n'implique pas accélération nulle.

  3. c)

    Le déplacement entre deux instants est l'aire algébrique sous la courbe v(t)v(t).

    V : c'est la définition de l'intégrale v dt\int v\,\mathrm{d}t.

  4. d)

    Un mobile dont l'accélération est négative ralentit toujours.

    F : si v<0v<0 (mobile reculant), une accélération négative le fait accélérer dans le sens négatif. Il ne ralentit que si aa et vv sont de signes opposés.

  5. e)

    La vitesse moyenne d'un aller-retour revenant au point de départ est nulle.

    V : le déplacement est nul, donc vmoy=Δx/Δt=0v_{\text{moy}}=\Delta x/\Delta t=0 (la distance, elle, n'est pas nulle).

    Bilan : 3 affirmations vraies (a, c, e).

Exercice 5disséquer un mouvement cubique

La position d'un mobile est x(t)=2t39t2+12tx(t)=2t^3-9t^2+12t (en m\mathrm{m}, t0t\ge0 en s\mathrm{s}).

  1. a)

    Donne v(t)v(t) et a(t)a(t).

    v(t)=6t218t+12=6(t1)(t2)v(t)=6t^2-18t+12=6(t-1)(t-2) (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}) et a(t)=12t18a(t)=12t-18 (m/s2\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}).

  2. b)

    À quels instants la vitesse s'annule-t-elle ?

    v=0t=1 sv=0 \Leftrightarrow t=1\,\mathrm{s} et t=2 st=2\,\mathrm{s}.

  3. c)

    Calcule la position à ces instants.

    x(1)=29+12=5 mx(1)=2-9+12=5\,\mathrm{m} ; x(2)=1636+24=4 mx(2)=16-36+24=4\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Précise le sens du mouvement sur [0;1][0;1], [1;2][1;2] et au-delà de 2 s2\,\mathrm{s}.

    Sur [0;1][0;1], v>0v>0 : il avance ; sur [1;2][1;2], v<0v<0 : il recule ; au-delà de 2 s2\,\mathrm{s}, v>0v>0 : il avance.

  5. e)

    Calcule le déplacement et la distance réellement parcourue entre t=0t=0 et t=3 st=3\,\mathrm{s}.

    x(0)=0x(0)=0 et x(3)=5481+36=9 mx(3)=54-81+36=9\,\mathrm{m}. Déplacement Δx=90=9 m\Delta x=9-0=9\,\mathrm{m}. Distance =50+45+94=5+1+5=11 m=|5-0|+|4-5|+|9-4|=5+1+5=11\,\mathrm{m}.

Exercice 6tout lire sur un graphe de vitesse

Le graphe donne la vitesse d'un mobile sur l'axe OxOx.

  1. a)

    Détermine l'accélération sur chacune des trois phases [0;2][0;2], [2;4][2;4], [4;7][4;7] s\mathrm{s}.

    [0;2][0;2] : a=802=4 m/s2a=\dfrac{8-0}{2}=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; [2;4][2;4] : a=0 m/s2a=0\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; [4;7][4;7] : a=483=4 m/s2a=\dfrac{-4-8}{3}=-4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  2. b)

    À quel instant le mobile change-t-il de sens ?

    Sur la phase [4;7][4;7], vv s'annule à t=6 st=6\,\mathrm{s} : le mobile y fait demi-tour.

  3. c)

    Calcule le déplacement total (aire algébrique) entre t=0t=0 et t=7 st=7\,\mathrm{s}.

    Aires : [0;2][0;2] 1228=8\tfrac12\cdot2\cdot8=8 ; [2;4][2;4] 82=168\cdot2=16 ; [4;6][4;6] 1228=+8\tfrac12\cdot2\cdot8=+8 ; [6;7][6;7] 1214=2\tfrac12\cdot1\cdot4=-2. Déplacement =8+16+82=30 m=8+16+8-2=30\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Calcule la distance totale parcourue.

    Distance =8+16+8+2=34 m=8+16+8+2=34\,\mathrm{m}.

  5. e)

    Compare la vitesse moyenne et la vitesse moyenne scalaire (distance/temps).

    vmoy=3074.3 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{30}{7}\approx4.3\,\mathrm{m}/\mathrm{s} ; vitesse moyenne scalaire =3474.9 m/s=\dfrac{34}{7}\approx4.9\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. La seconde est plus grande car elle compte le retour comme du chemin parcouru.

Exercice 7reconstruire le mouvement depuis l'accélération

Le graphe donne l'accélération d'un mobile parti du repos (v0=0v_0=0) à l'origine.

  1. a)

    Donne la vitesse v(t)v(t) sur chacune des trois phases (intègre l'accélération).

    [0;3][0;3] : a=2v(t)=2ta=2 \Rightarrow v(t)=2t (donc v(3)=6 m/sv(3)=6\,\mathrm{m}/\mathrm{s}) ; [3;5][3;5] : a=0v=6 m/sa=0 \Rightarrow v=6\,\mathrm{m}/\mathrm{s} ; [5;7][5;7] : a=3v(t)=63(t5)a=-3 \Rightarrow v(t)=6-3(t-5) (donc v(7)=0v(7)=0).

  2. b)

    Quelle est la vitesse maximale, et à partir de quel instant est-elle atteinte ?

    La vitesse maximale est 6 m/s6\,\mathrm{m}/\mathrm{s}, atteinte dès t=3 st=3\,\mathrm{s} et maintenue jusqu'à 5 s5\,\mathrm{s}.

  3. c)

    Calcule le déplacement total entre t=0t=0 et t=7 st=7\,\mathrm{s}.

    Aire sous v(t)v(t) : [0;3][0;3] 1236=9\tfrac12\cdot3\cdot6=9 ; [3;5][3;5] 62=126\cdot2=12 ; [5;7][5;7] 1226=6\tfrac12\cdot2\cdot6=6. Déplacement =9+12+6=27 m=9+12+6=27\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Que vaut l'accélération moyenne sur [0;7][0;7] s\mathrm{s} ? Commente.

    amoy=v(7)v(0)7=007=0 m/s2\displaystyle a_{\text{moy}}=\frac{v(7)-v(0)}{7}=\frac{0-0}{7}=0\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} : nulle, car le mobile part et finit au repos, bien qu'il ait parcouru 27 m27\,\mathrm{m}.

Exercice 8un trajet en zigzag

Un mobile se déplace sur l'axe OxOx (positions en m\mathrm{m}) : il part de x=0x=0 et atteint x=300 mx=300\,\mathrm{m} en 60 s60\,\mathrm{s} ; puis il revient à x=100 mx=100\,\mathrm{m} en 40 s40\,\mathrm{s} ; puis il repart et atteint x=400 mx=400\,\mathrm{m} en 60 s60\,\mathrm{s}.

  1. a)

    Quel est le déplacement total Δx\Delta x ?

    Δx=4000=400 m\Delta x = 400-0=400\,\mathrm{m}.

  2. b)

    Quelle est la distance totale parcourue ?

    Distance =300+200+300=800 m=300+200+300=800\,\mathrm{m} (aller 300 m300\,\mathrm{m}, retour 200 m200\,\mathrm{m}, aller 300 m300\,\mathrm{m}).

  3. c)

    Calcule la vitesse moyenne (algébrique).

    Durée totale 60+40+60=160 s60+40+60=160\,\mathrm{s} : vmoy=400160=2.5 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{400}{160}=2.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  4. d)

    Calcule la vitesse moyenne scalaire (distance/durée).

    Vitesse moyenne scalaire =800160=5 m/s=\dfrac{800}{160}=5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  5. e)

    Pourquoi les deux résultats diffèrent-ils ?

    La première divise le déplacement (net) par le temps, la seconde la distance (chemin réel) : le demi-tour réduit le déplacement mais pas la distance.

Exercice 9décoder un graphe de position

Le graphe donne la position d'un mobile sur l'axe OxOx.

  1. a)

    Précise le signe de la vitesse sur chacune des quatre phases [0;3][0;3], [3;5][3;5], [5;7][5;7], [7;9][7;9] s\mathrm{s}.

    La pente donne vv : [0;3][0;3] v>0v>0 ; [3;5][3;5] v>0v>0 ; [5;7][5;7] v=0v=0 ; [7;9][7;9] v<0v<0.

  2. b)

    Sur quelle phase la vitesse (algébrique) est-elle la plus grande ? Donne sa valeur.

    La pente positive la plus forte est sur [3;5][3;5] : v=14653=4 m/sv=\dfrac{14-6}{5-3}=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  3. c)

    À quel moment le mobile est-il immobile ?

    Le mobile est immobile sur [5;7][5;7] s\mathrm{s} (position constante x=14 mx=14\,\mathrm{m}).

  4. d)

    Sur quelle phase se déplace-t-il le plus vite en valeur absolue ?

    Sur [7;9][7;9] la pente vaut 21497=6 m/s\dfrac{2-14}{9-7}=-6\,\mathrm{m}/\mathrm{s} : c'est là qu'il va le plus vite en valeur absolue.

Exercice 10déplacement et distance, vitesse quadratique

La vitesse d'un mobile sur OxOx est v(t)=t25t+6v(t)=t^2-5t+6 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}), t0t\ge0 en s\mathrm{s}.

  1. a)

    À quels instants la vitesse s'annule-t-elle ? Précise le sens du mouvement entre ces instants.

    v=(t2)(t3)=0t=2 sv=(t-2)(t-3)=0 \Leftrightarrow t=2\,\mathrm{s} et t=3 st=3\,\mathrm{s}. Sur [0;2][0;2] v>0v>0, sur [2;3][2;3] v<0v<0 (recule), au-delà de 3 s3\,\mathrm{s} v>0v>0.

  2. b)

    Calcule le déplacement entre t=0t=0 et t=4 st=4\,\mathrm{s}.

    Δx=04(t25t+6) dt=[t335t22+6t]04=64340+24=1635.33 m\displaystyle \Delta x=\int_0^4(t^2-5t+6)\,\mathrm{d}t=\Big[\tfrac{t^3}{3}-\tfrac{5t^2}{2}+6t\Big]_0^4=\frac{64}{3}-40+24=\frac{16}{3}\approx5.33\,\mathrm{m}.

  3. c)

    Calcule la distance réellement parcourue sur ce même intervalle.

    En séparant à t=2t=2 et t=3t=3 : 02v=143\displaystyle \int_0^2 v=\frac{14}{3}, 23v=16\displaystyle \int_2^3 v=-\frac16, 34v=56\displaystyle \int_3^4 v=\frac56. Distance =143+16+56=1735.67 m=\frac{14}{3}+\frac16+\frac56=\frac{17}{3}\approx5.67\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Que vaut l'accélération à chacun des instants trouvés au a) ?

    a(t)=2t5a(t)=2t-5 : a(2)=1 m/s2a(2)=-1\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} et a(3)=+1 m/s2a(3)=+1\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

Exercice 11une accélération qui décroît

Un mobile part de l'origine, au repos, avec l'accélération a(t)=62ta(t)=6-2t (m/s2\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}).

  1. a)

    Détermine v(t)v(t) par intégration.

    v(t)=0t(62t) dt=[6tt2]0t=6tt2\displaystyle v(t)=\int_0^t(6-2t')\,\mathrm{d}t'=\big[6t'-t'^2\big]_0^t=6t-t^2 (m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}).

  2. b)

    À quel instant la vitesse est-elle maximale, et quelle est cette valeur ?

    vv est maximale quand a=62t=0a=6-2t=0, soit t=3 st=3\,\mathrm{s} : v(3)=189=9 m/sv(3)=18-9=9\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  3. c)

    À quels instants la vitesse s'annule-t-elle ?

    v=6tt2=t(6t)=0t=0 sv=6t-t^2=t(6-t)=0 \Leftrightarrow t=0\,\mathrm{s} ou t=6 st=6\,\mathrm{s}.

  4. d)

    Détermine l'équation horaire x(t)x(t).

    x(t)=0t(6tt2) dt=3t2t33\displaystyle x(t)=\int_0^t(6t'-t'^2)\,\mathrm{d}t'=3t^2-\frac{t^3}{3} (m\mathrm{m}).

  5. e)

    Calcule le déplacement et la distance parcourue entre t=0t=0 et t=8 st=8\,\mathrm{s}.

    x(6)=10872=36 mx(6)=108-72=36\,\mathrm{m} et x(8)=1925123=64321.3 mx(8)=192-\tfrac{512}{3}=\tfrac{64}{3}\approx21.3\,\mathrm{m}. Déplacement =64321.3 m=\tfrac{64}{3}\approx21.3\,\mathrm{m}. Le mobile avance jusqu'à t=6 st=6\,\mathrm{s} (v>0v>0) puis recule (v<0v<0) : distance =36+64336=36+443=152350.7 m=36+\big|\tfrac{64}{3}-36\big|=36+\tfrac{44}{3}=\tfrac{152}{3}\approx50.7\,\mathrm{m}.

Exercice 12la moyenne harmonique des vitesses

Un mobile parcourt la première moitié d'une distance DD à la vitesse constante v1v_1, puis la seconde moitié à la vitesse constante v2v_2.

  1. a)

    Exprime la durée de chaque moitié en fonction de DD, v1v_1 et v2v_2.

    Chaque moitié mesure D2\tfrac{D}{2} : t1=D2v1\displaystyle t_1=\frac{D}{2v_1} et t2=D2v2\displaystyle t_2=\frac{D}{2v_2}.

  2. b)

    Montre que la vitesse moyenne vaut vmoy=2v1v2v1+v2\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{2v_1v_2}{v_1+v_2}.

    vmoy=Dt1+t2=DD2v1+D2v2=112v1+12v2=2v1v2v1+v2\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{D}{t_1+t_2}=\frac{D}{\frac{D}{2v_1}+\frac{D}{2v_2}}=\frac{1}{\frac{1}{2v_1}+\frac{1}{2v_2}}=\frac{2v_1v_2}{v_1+v_2}.

  3. c)

    Applique à v1=30 km/hv_1=30\,\mathrm{km}/\mathrm{h} et v2=60 km/hv_2=60\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

    vmoy=2×30×6030+60=360090=40 km/h\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{2\times30\times60}{30+60}=\frac{3600}{90}=40\,\mathrm{km}/\mathrm{h}.

  4. d)

    Compare au résultat naïf v1+v22\tfrac{v_1+v_2}{2}. Le vrai résultat est-il plus grand ou plus petit ?

    La moyenne arithmétique donnerait 45 km/h45\,\mathrm{km}/\mathrm{h} : le vrai résultat est plus petit (la moyenne harmonique est toujours \le la moyenne arithmétique).

  5. e)

    Dans quel cas les deux moyennes coïncident-elles ?

    Elles coïncident uniquement si v1=v2v_1=v_2.

Exercice 13chronophotographie

Un mobile est photographié toutes les secondes le long de l'axe OxOx. On relève ses positions :

tt (s\mathrm{s})012345
xx (m\mathrm{m})028183250
  1. a)

    Calcule la vitesse moyenne sur chacun des intervalles d'une seconde.

    Vitesses moyennes (en m/s\mathrm{m}/\mathrm{s}) : 22, 66, 1010, 1414, 1818 sur [0;1][0;1], [1;2][1;2], [2;3][2;3], [3;4][3;4], [4;5][4;5].

  2. b)

    Ces vitesses varient-elles régulièrement ? En déduis l'accélération.

    Ces vitesses augmentent de 4 m/s4\,\mathrm{m}/\mathrm{s} à chaque seconde : l'accélération est constante, a=4 m/s2a=4\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  3. c)

    De quel type de mouvement s'agit-il ?

    Accélération constante \Rightarrow mouvement rectiligne uniformément accéléré (les positions suivent x=2t2x=2t^2).

  4. d)

    Prédis la position et la vitesse instantanée à t=6 st=6\,\mathrm{s}.

    Avec x=2t2x=2t^2 et v(t)=4tv(t)=4t : x(6)=2×36=72 mx(6)=2\times36=72\,\mathrm{m} et v(6)=4×6=24 m/sv(6)=4\times6=24\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

Exercice 14le trajet d'un métro

Une rame de métro part du repos, accélère uniformément jusqu'à 20 m/s20\,\mathrm{m}/\mathrm{s} en 10 s10\,\mathrm{s}, roule à cette vitesse pendant 30 s30\,\mathrm{s}, puis freine uniformément jusqu'à l'arrêt en 8 s8\,\mathrm{s}.

  1. a)

    Calcule l'accélération de chacune des trois phases.

    Phase 1 : a=20010=2 m/s2a=\dfrac{20-0}{10}=2\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; phase 2 : a=0 m/s2a=0\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2} ; phase 3 : a=0208=2.5 m/s2a=\dfrac{0-20}{8}=-2.5\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^{2}.

  2. b)

    Calcule la distance parcourue pendant chaque phase (aires).

    Aires : phase 1 121020=100 m\tfrac12\cdot10\cdot20=100\,\mathrm{m} ; phase 2 2030=600 m20\cdot30=600\,\mathrm{m} ; phase 3 12820=80 m\tfrac12\cdot8\cdot20=80\,\mathrm{m}.

  3. c)

    En déduis la distance totale.

    Distance totale =100+600+80=780 m=100+600+80=780\,\mathrm{m}.

  4. d)

    Quelle est la durée totale du trajet et la vitesse moyenne ?

    Durée totale 10+30+8=48 s10+30+8=48\,\mathrm{s} : vmoy=78048=16.25 m/s\displaystyle v_{\text{moy}}=\frac{780}{48}=16.25\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

  5. e)

    Compare la vitesse moyenne à la vitesse maximale.

    La vitesse moyenne (16.25 m/s16.25\,\mathrm{m}/\mathrm{s}) est inférieure à la vitesse maximale (20 m/s20\,\mathrm{m}/\mathrm{s}), à cause des phases d'accélération et de freinage.