Sciences de l'ingénieur1ère

Accélération et variations de vitesse
Exercices corrigés

Maîtrisez l'accélération et les variations de vitesse : calculs, dérivées, graphes grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(a_{\text{moy}} = \frac{\Delta v}{\Delta t}, a_{\text{inst}} = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}\)
Accélérations moyenne et instantanée
Accélération moyenne
\(a_{\text{moy}} = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}\)
Sur un intervalle
Accélération instantanée
\(a(t) = \frac{dv}{dt}\)
À un instant
Vecteur accélération
\(\vec{a}(t) = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d^2\vec{OM}}{dt^2}\)
Grandeur vectorielle
⚡
Définition : L'accélération est la dérivée de la vitesse par rapport au temps.
📊
Unité : Mètres par seconde au carré (m/s²) dans le système international.
🔄
Relation : L'accélération instantanée est la dérivée seconde de la position.
📈
Signification : Mesure la variation de vitesse par unité de temps.
Exercice 1
Calcul d'accélération moyenne : voiture qui accélère
Exercice 2
Accélération instantanée : dérivation d'une loi de vitesse
Exercice 3
Lecture graphique : pente de la tangente à v(t)
Exercice 4
Vecteur accélération : composantes en 2D
Exercice 5
Freinage : décélération et distance d'arrêt
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Accélération moyenne
Définition :

Accélération moyenne : \(a_{\text{moy}} = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}\) est le rapport de la variation de vitesse sur l'intervalle de temps.

Méthode de calcul :
  1. Identifier les vitesses initiale et finale
  2. Identifier les instants correspondants
  3. Calculer les différences Δv et Δt
  4. Diviser Δv par Δt pour obtenir l'accélération moyenne
Énoncé :

Une voiture accélère de 20 km/h à 80 km/h en 10 secondes. Calculer son accélération moyenne.

Étape 1 : Conversion des vitesses

v₁ = 20 km/h = 20/3.6 ≈ 5.56 m/s

v₂ = 80 km/h = 80/3.6 ≈ 22.22 m/s

Étape 2 : Calcul de la variation de vitesse

Δv = v₂ - v₁ = 22.22 - 5.56 = 16.66 m/s

Étape 3 : Calcul de l'accélération moyenne

Δt = 10 s

a_moy = Δv/Δt = 16.66/10 = 1.666 m/s²

Étape 4 : Interprétation

L'accélération moyenne est positive, donc la vitesse augmente.

La voiture gagne environ 1.67 m/s de vitesse chaque seconde.

a_moy = 1.67 m/s²
Réponse finale :

L'accélération moyenne de la voiture est de 1.67 m/s².

Règles appliquées :

• Unités : Toujours utiliser des unités cohérentes (SI)

• Signe : Accélération positive = vitesse qui augmente

• Conversion : 1 km/h = 1/3.6 m/s

2 Accélération instantanée
Définition :

Accélération instantanée : \(a(t) = \frac{dv}{dt}\) est la dérivée de la vitesse par rapport au temps.

Énoncé :

La vitesse d'un mobile est donnée par : \(v(t) = 4t^2 - 3t + 5\) (v en m/s, t en s). Trouver l'accélération instantanée à t = 2s.

Étape 1 : Calcul de la dérivée de la vitesse

\(v(t) = 4t^2 - 3t + 5\)

\(\frac{dv}{dt} = \frac{d}{dt}(4t^2) - \frac{d}{dt}(3t) + \frac{d}{dt}(5)\)

\(\frac{dv}{dt} = 8t - 3\)

Étape 2 : Application de la formule

\(a(t) = 8t - 3\)

Étape 3 : Calcul à t = 2s

\(a(2) = 8(2) - 3 = 16 - 3 = 13\) m/s²

Étape 4 : Vérification

À t = 2s, l'accélération est positive (13 m/s²), donc la vitesse augmente à cet instant.

a(2) = 13 m/s²
Réponse finale :

L'accélération instantanée à t = 2s est de 13 m/s².

Règles appliquées :

• Dérivation : \(\frac{d}{dt}(t^n) = nt^{n-1}\)

• Constante : Dérivée d'une constante est nulle

• Signe : Indique si la vitesse augmente ou diminue

3 Lecture graphique
Définition :

Graphiquement : L'accélération instantanée en un point est la pente de la tangente à la courbe v(t) en ce point.

Énoncé :

Sur un graphe v(t), la tangente à la courbe au point A(t=3s) a une pente de -2 m/s². Que représente cette valeur ? Interpréter si la pente est négative.

Étape 1 : Interprétation de la pente

La pente de la tangente à v(t) en un point représente \(\frac{dv}{dt}\) en ce point

Donc la pente = accélération instantanée

Étape 2 : Application numérique

Pente = -2 m/s²

Donc a(3) = -2 m/s²

Étape 3 : Interprétation du signe

Pente négative = accélération négative

Cela signifie que la vitesse diminue (freinage ou décélération)

Étape 4 : Analyse de la courbe

Si la tangente est horizontale (pente = 0), alors a = 0 (vitesse constante)

Si la tangente est verticale, l'accélération est infinie (physiquement impossible)

a(3) = -2 m/s²
Réponse finale :

La pente de -2 m/s² représente l'accélération instantanée du mobile à t = 3s. La vitesse diminue.

Règles appliquées :

• Pente tangente : Égale à la dérivée (accélération instantanée)

• Signe pente : Indique le sens de la variation de vitesse

• Horizontal : Accélération nulle (vitesse constante)

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Vecteur accélération
Définition :

Vecteur accélération : \(\vec{a}(t) = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d^2\vec{OM}}{dt^2}\). Grandeur vectorielle avec direction, sens et norme.

Énoncé :

Le vecteur vitesse d'un point est : \(\vec{v}(t) = (6t + 2)\vec{i} + (4 - 2t)\vec{j}\). Trouver le vecteur accélération et sa norme à t = 3s.

Étape 1 : Calcul des composantes de l'accélération

\(v_x(t) = 6t + 2 \Rightarrow \frac{dv_x}{dt} = 6\)

\(v_y(t) = 4 - 2t \Rightarrow \frac{dv_y}{dt} = -2\)

\(v_z(t) = 0 \Rightarrow \frac{dv_z}{dt} = 0\)

Étape 2 : Expression du vecteur accélération

\(\vec{a}(t) = \frac{d\vec{v}}{dt} = 6\vec{i} - 2\vec{j} + 0\vec{k}\)

\(\vec{a}(t) = 6\vec{i} - 2\vec{j}\)

Étape 3 : Calcul à t = 3s

\(\vec{a}(3) = 6\vec{i} - 2\vec{j}\)

Remarque : L'accélération est constante (ne dépend pas de t)

Étape 4 : Calcul de la norme

\(||\vec{a}(3)|| = \sqrt{6^2 + (-2)^2} = \sqrt{36 + 4} = \sqrt{40} = 2\sqrt{10}\)

\(||\vec{a}(3)|| \approx 6.32\) m/s²

\(\vec{a}(3) = 6\vec{i} - 2\vec{j}\), \(||\vec{a}(3)|| \approx 6.32\) m/s²
Réponse finale :

Le vecteur accélération à t = 3s est \(\vec{a}(3) = 6\vec{i} - 2\vec{j}\) et sa norme est environ 6.32 m/s².

Règles appliquées :

• Vecteur accélération : Dérivée du vecteur vitesse

• Norme : \(\sqrt{a_x^2 + a_y^2 + a_z^2}\)

• Composantes : Dérivées de chaque composante de la vitesse

5 Freinage
Définition :

Freinage : Accélération négative qui diminue la vitesse. Pour un MRUA : \(v(t) = v_0 + at\) et \(x(t) = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2\).

Énoncé :

Un véhicule roule à 90 km/h et freine avec une décélération constante de 5 m/s². Calculer la distance d'arrêt et le temps de freinage.

Étape 1 : Conversion de la vitesse initiale

v₀ = 90 km/h = 90/3.6 = 25 m/s

v_finale = 0 m/s (véhicule s'arrête)

a = -5 m/s² (décélération)

Étape 2 : Calcul du temps de freinage

Équation du MRUA : \(v(t) = v_0 + at\)

À l'arrêt : \(0 = 25 + (-5)t\)

\(0 = 25 - 5t\)

\(5t = 25\)

\(t = 5\) s

Étape 3 : Calcul de la distance d'arrêt

Équation du MRUA : \(x(t) = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2\)

En prenant x₀ = 0 : \(x(5) = 0 + 25(5) + \frac{1}{2}(-5)(5)^2\)

\(x(5) = 125 + \frac{1}{2}(-5)(25) = 125 - 62.5 = 62.5\) m

Étape 4 : Vérification avec équation de Torricelli

\(v^2 - v_0^2 = 2a(x - x_0)\)

\(0^2 - 25^2 = 2(-5)d\)

\(-625 = -10d\)

\(d = 62.5\) m ✓

Temps = 5s, Distance = 62.5m
Réponse finale :

Le véhicule met 5 secondes pour s'arrêter et parcourt une distance de 62.5 mètres.

Règles appliquées :

• MRUA : Accélération constante, équations spécifiques

• Signe : Décélération = accélération négative

• Équation de Torricelli : \(v^2 - v_0^2 = 2a\Delta x\) (sans temps)

Cours bien détaillé
\(a_{\text{moy}} = \frac{\Delta v}{\Delta t}, a_{\text{inst}} = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}\)
Définitions formelles
⚡
Accélération instantanée : Dérivée de la vitesse par rapport au temps.
📊
Accélération moyenne : Rapport de la variation de vitesse sur l'intervalle de temps.
📏
Unité : Mètre par seconde au carré (m/s²).
🔄
Relation : L'accélération est la dérivée seconde de la position.
💡
Conseil : Toujours vérifier l'unité de l'accélération
🔍
Attention : Ne pas confondre accélération et vitesse
⚡
Astuce : L'accélération est la dérivée de la vitesse
📋
Méthode : Pour la lecture graphique, tracer la tangente
✅
Vérification : L'accélération peut être négative (freinage)
Méthodes de calcul :
  • Accélération moyenne : \(a_{\text{moy}} = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}\)
  • Accélération instantanée : \(a(t) = \frac{dv}{dt}\)
  • Graphique : Pente de la tangente à la courbe v(t)
  • Vecteur accélération : \(\vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt}\)
Règles importantes :
  • L'accélération instantanée est la pente de la tangente à v(t)
  • Accélération positive = vitesse qui augmente
  • Accélération négative = vitesse qui diminue (freinage)
  • Accélération nulle = vitesse constante (MRU)
  • L'accélération est la dérivée seconde de la position
\(a(t) = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}, \vec{a}(t) = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d^2\vec{OM}}{dt^2}\)
Expressions mathématiques
MRU
a = 0
Vitesse constante
MRUA
a = constante
Accélération constante
Général
a(t) = f(t)
Accélération variable
Accélération et variations de vitesse Notions de base de cinématique