Physique-Chimie1ère

Représentation graphique des mouvements
Exercices corrigés

Maîtrisez la représentation graphique des mouvements : graphiques x(t), v(t), a(t) et analyse cinématique grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
x(t) \xrightarrow{\frac{d}{dt}} v(t) \xrightarrow{\frac{d}{dt}} a(t)
Relation entre position, vitesse et accélération
x(t)
📍
Position en fonction du temps
v(t)
⚡
Vitesse en fonction du temps
a(t)
🚀
Accélération en fonction du temps
Concepts clés :
  • Pente d'un graphique : Donne la dérivée (vitesse ou accélération)
  • Aire sous la courbe : Donne l'intégrale (position ou vitesse)
  • Graphique x(t) : Pente = vitesse instantanée
  • Graphique v(t) : Pente = accélération, aire = déplacement
  • Graphique a(t) : Aire = variation de vitesse
Exercice 1
Analyse d'un graphique x(t) pour un mouvement rectiligne
Exercice 2
Interprétation d'un graphique v(t)
Exercice 3
Analyse d'un graphique a(t)
Exercice 4
Relations entre les graphiques x(t), v(t), a(t)
Exercice 5
Analyse d'un mouvement complexe à partir de graphiques
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Analyse graphique x(t)
Définition :

Problème : Analyser un graphique de position x(t) pour extraire des informations cinématiques

Méthode d'analyse :
  1. Observer la forme du graphique
  2. Identifier les différentes phases
  3. Calculer les pentes pour déterminer les vitesses
  4. Interpréter le mouvement
1
Observer le graphique
2
Identifier les pentes
3
Calculer les vitesses
4
Interpréter le mouvement
Étape 1 : Observation du graphique

Soit le graphique x(t) suivant (hypothétique) :

  • De 0 à 4 s : droite ascendante (pente positive)
  • De 4 à 8 s : droite horizontale (pente nulle)
  • De 8 à 12 s : droite descendante (pente négative)
Étape 2 : Calcul des pentes

La pente d'un graphique x(t) donne la vitesse instantanée.

Phase 1 (0-4s) : Pente = (20-0)/(4-0) = 5 m/s
Phase 2 (4-8s) : Pente = (20-20)/(8-4) = 0 m/s
Phase 3 (8-12s) : Pente = (0-20)/(12-8) = -5 m/s

Étape 3 : Interprétation cinématique

Phase 1 : Mouvement uniforme à +5 m/s dans le sens positif
Phase 2 : Repos (vitesse nulle)
Phase 3 : Mouvement uniforme à -5 m/s dans le sens négatif

Étape 4 : Analyse du mouvement

Le mobile part de l'origine, avance de 20 m en 4 s, s'arrête pendant 4 s, puis revient à l'origine en 4 s.

Déplacement total : 0 m (revient à l'origine)
Distance totale parcourue : 20 + 20 = 40 m

Analyse complète : 3 phases de mouvement identifiées à partir de x(t)
Résultats :

Le graphique x(t) révèle un mouvement en 3 phases : avance, repos, retour.

Règles d'analyse x(t) :

• Pente positive : Mouvement dans le sens positif

• Pente négative : Mouvement dans le sens négatif

• Pente nulle : Mobile au repos

2 Interprétation graphique v(t)
Définition :

Problème : Interpréter un graphique de vitesse v(t) pour analyser le mouvement

1
Observer la courbe v(t)
2
Calculer les pentes
3
Déterminer les a(t)
4
Calculer les aires
Étape 1 : Observation du graphique v(t)

Soit un graphique v(t) avec les phases suivantes :

  • De 0 à 3 s : droite horizontale à +6 m/s
  • De 3 à 6 s : droite descendante de +6 à +2 m/s
  • De 6 à 9 s : droite horizontale à +2 m/s
  • De 9 à 12 s : droite montante de +2 à +8 m/s
Étape 2 : Calcul des pentes (accélérations)

Phase 1 (0-3s) : Pente = (6-6)/(3-0) = 0 m/s² → MRU
Phase 2 (3-6s) : Pente = (2-6)/(6-3) = -4/3 ≈ -1.33 m/s² → MRUA décéléré
Phase 3 (6-9s) : Pente = (2-2)/(9-6) = 0 m/s² → MRU
Phase 4 (9-12s) : Pente = (8-2)/(12-9) = 6/3 = 2 m/s² → MRUA accéléré

Étape 3 : Calcul des aires (déplacements)

L'aire sous la courbe v(t) donne le déplacement.

Phase 1 : Aire = 6 × 3 = 18 m
Phase 2 : Aire = (6+2)/2 × 3 = 12 m
Phase 3 : Aire = 2 × 3 = 6 m
Phase 4 : Aire = (2+8)/2 × 3 = 15 m

Étape 4 : Synthèse cinématique

Phase 1 : MRU à +6 m/s, a = 0, Δx = 18 m
Phase 2 : MRUA décéléré, a = -1.33 m/s², Δx = 12 m
Phase 3 : MRU à +2 m/s, a = 0, Δx = 6 m
Phase 4 : MRUA accéléré, a = +2 m/s², Δx = 15 m

Analyse complète : 4 phases avec différentes accélérations
Résultats :

Le mobile subit des phases d'accélération, de décélération et de mouvement uniforme.

Règles d'analyse v(t) :

• Pente de v(t) : Donne l'accélération a(t)

• Aire sous v(t) : Donne le déplacement Δx

• Zone positive/négative : Sens du mouvement

3 Analyse graphique a(t)
Définition :

Problème : Analyser un graphique d'accélération a(t) pour déterminer le mouvement

a(t) = \frac{dv}{dt}, \quad v(t) = \int a(t) dt + v_0
x(t) = \int v(t) dt + x_0
Étape 1 : Observation du graphique a(t)

Soit un graphique a(t) avec :

  • De 0 à 4 s : a = +2 m/s² (constante)
  • De 4 à 8 s : a = 0 m/s² (nulle)
  • De 8 à 12 s : a = -1 m/s² (constante)
Étape 2 : Calcul des variations de vitesse

L'aire sous la courbe a(t) donne la variation de vitesse.

Phase 1 (0-4s) : Δv = +2 × 4 = +8 m/s
Phase 2 (4-8s) : Δv = 0 × 4 = 0 m/s
Phase 3 (8-12s) : Δv = -1 × 4 = -4 m/s

Étape 3 : Reconstruction de v(t)

Si v₀ = 0 m/s (départ au repos) :

Phase 1 : v(t) = 0 + 2t = 2t (MRUA), v(4) = 8 m/s
Phase 2 : v(t) = 8 + 0(t-4) = 8 m/s (MRU)
Phase 3 : v(t) = 8 - 1(t-8) = 16 - t, v(12) = 4 m/s

Étape 4 : Reconstruction de x(t)

Si x₀ = 0 m :

Phase 1 : x(t) = 0 + 0×t + ½×2×t² = t²
Phase 2 : x(t) = x(4) + v(4)×(t-4) = 16 + 8(t-4) = 8t - 16
Phase 3 : x(t) = x(8) + ∫8t(16-u)du = 48 + [16u - u²/2]8t = -t²/2 + 16t - 56

Étape 5 : Synthèse

Phase 1 (0-4s) : MRUA : x(t) = t², v(t) = 2t, a = 2 m/s²
Phase 2 (4-8s) : MRU : x(t) = 8t - 16, v(t) = 8, a = 0
Phase 3 (8-12s) : MRUA : x(t) = -t²/2 + 16t - 56, v(t) = 16-t, a = -1

Reconstruction complète des équations de mouvement à partir de a(t)
Résultats :

À partir de a(t), on peut retrouver v(t) et x(t) par intégration.

Règles d'analyse a(t) :

• Aire sous a(t) : Donne la variation de vitesse

• Intégration de a(t) : Donne v(t)

• Intégration de v(t) : Donne x(t)

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Relations entre graphiques
Définition :

Problème : Établir les relations entre les graphiques x(t), v(t) et a(t)

x(t) → v(t)
↗️
Dérivation
v(t) → a(t)
↗️
Dérivation
a(t) → v(t)
↙️
Intégration
v(t) → x(t)
↙️
Intégration
Étape 1 : Relations mathématiques
v(t) = \frac{dx}{dt}, \quad a(t) = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}
v(t) = \int a(t) dt + v_0, \quad x(t) = \int v(t) dt + x_0

Ces relations permettent de passer d'un graphique à un autre.

Étape 2 : Exemple concret

Soit x(t) = 2t³ - 3t² + 4t + 1

Alors :
v(t) = dx/dt = 6t² - 6t + 4
a(t) = dv/dt = 12t - 6

Étape 3 : Interprétation graphique
Fonction Forme Signification
x(t) = 2t³ - 3t² + 4t + 1 Courbe cubique Position variable
v(t) = 6t² - 6t + 4 Parabole Vitesse variable
a(t) = 12t - 6 Droite Accélération linéaire
Étape 4 : Exemple de conversion

Si on connaît v(t) et que l'on veut x(t) :

Soit v(t) = 4t + 2, avec x₀ = 0
x(t) = ∫(4t + 2)dt = 2t² + 2t + C
Avec x(0) = 0, on a C = 0
Donc x(t) = 2t² + 2t

Relations établies : x(t) ↔ v(t) ↔ a(t) par dérivation/intégration
Résultats :

Les graphiques sont liés par des relations mathématiques précises de dérivation et d'intégration.

Règles de conversion :

• De x(t) à v(t) : Calculer la dérivée

• De v(t) à a(t) : Calculer la dérivée

• De a(t) à v(t) : Calculer l'intégrale

• De v(t) à x(t) : Calculer l'intégrale

5 Analyse mouvement complexe
Définition :

Problème : Analyser un mouvement complexe à partir de graphiques combinés

1
Analyser x(t)
2
En déduire v(t)
3
En déduire a(t)
4
Synthétiser le mouvement
Étape 1 : Analyse du graphique x(t) complet

Soit un mobile avec le graphique x(t) suivant (en mètres) :

  • 0-2s : x(t) = 2t² (MRUA)
  • 2-4s : x(t) = 8 (repos)
  • 4-6s : x(t) = -t² + 12t - 28 (MRUA)
  • 6-8s : x(t) = -4t + 20 (MRU)
Étape 2 : Calcul de v(t)

Phase 1 (0-2s) : v(t) = dx/dt = 4t, v(2) = 8 m/s
Phase 2 (2-4s) : v(t) = 0 m/s
Phase 3 (4-6s) : v(t) = -2t + 12, v(4) = 4 m/s, v(6) = 0 m/s
Phase 4 (6-8s) : v(t) = -4 m/s

Étape 3 : Calcul de a(t)

Phase 1 (0-2s) : a(t) = dv/dt = 4 m/s²
Phase 2 (2-4s) : a(t) = 0 m/s²
Phase 3 (4-6s) : a(t) = -2 m/s²
Phase 4 (6-8s) : a(t) = 0 m/s²

Étape 4 : Analyse complète du mouvement
Phase Durée Mouvement Vitesse Accélération
1 (0-2s) 2 s MRUA 0 → 8 m/s +4 m/s²
2 (2-4s) 2 s Repos 0 m/s 0 m/s²
3 (4-6s) 2 s MRUA 4 → 0 m/s -2 m/s²
4 (6-8s) 2 s MRU -4 m/s 0 m/s²
Étape 5 : Calcul des déplacements

Phase 1 : x(2) - x(0) = 8 - 0 = 8 m
Phase 2 : x(4) - x(2) = 8 - 8 = 0 m
Phase 3 : x(6) - x(4) = 8 - 8 = 0 m
Phase 4 : x(8) - x(6) = 4 - 8 = -4 m

Déplacement total : 8 + 0 + 0 + (-4) = 4 m
Distance totale : 8 + 0 + 0 + 4 = 12 m

Analyse complète : 4 phases avec différentes caractéristiques cinématiques
Résultats :

Le mouvement complexe est décomposé en 4 phases simples pour une analyse détaillée.

Règles d'analyse complexe :

• Décomposer le mouvement : Identifier les phases distinctes

• Appliquer les relations : x(t) → v(t) → a(t) pour chaque phase

• Vérifier la continuité : Les grandeurs doivent être continues aux frontières

Cours bien détaillé
\frac{d}{dt}[x(t)] = v(t), \quad \frac{d}{dt}[v(t)] = a(t)
x(t) = \int v(t)dt, \quad v(t) = \int a(t)dt
Relations fondamentales entre les grandeurs cinématiques
📍
Graphique x(t) : Pente = vitesse instantanée.
⚡
Graphique v(t) : Pente = accélération, aire = déplacement.
🚀
Graphique a(t) : Aire = variation de vitesse.
🔄
Relations : Dérivation et intégration.
💡
Conseil : Tracez les graphiques dans l'ordre x(t) → v(t) → a(t) pour vérifier la cohérence
🔍
Attention : L'aire sous la courbe peut être négative si la fonction est négative
⚡
Astuce : Utilisez les pentes pour vérifier les relations entre graphiques
📋
Méthode : Identifiez les points particuliers (maximum, minimum, intersection)
✅
Vérification : Assurez-vous que les unités sont cohérentes dans vos calculs
Méthodes d'analyse graphique :
  • Observation visuelle : Forme générale, pentes, zones plates
  • Calcul des pentes : Pour déterminer les dérivées
  • Calcul des aires : Pour déterminer les intégrales
  • Représentation qualitative : Esquisser les graphiques associés
Règles importantes :
  • La vitesse est la dérivée de la position par rapport au temps
  • L'accélération est la dérivée de la vitesse par rapport au temps
  • Un graphique x(t) avec une pente négative indique un mouvement dans le sens négatif
  • Un graphique a(t) au-dessus de l'axe des abscisses indique une accélération positive
Points clés à retenir :
  • Dérivation : x(t) → v(t) → a(t) par dérivation successive
  • Intégration : a(t) → v(t) → x(t) par intégration successive
  • Unités : x en mètres, v en m/s, a en m/s²
  • Interprétation : La pente d'un graphique donne la grandeur suivante
  • Continuité : Les grandeurs physiques doivent être continues sauf en cas de choc
Représentation graphique des mouvements Cinématique et description du mouvement