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Exercices – Cinématique du point

Chapitre 7 | Première STL — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction. Les résultats sont donnés en unités SI (m, s, m·s\(^{-1}\), m·s\(^{-2}\)).

Exercice 1 — Référentiel et trajectoire

Un passager est assis dans un train qui roule à vitesse constante. Il lâche une bille qui tombe verticalement dans le wagon.

  1. Dans le référentiel du wagon, la bille est-elle en mouvement ? Si oui, quelle est la forme de sa trajectoire ?
  2. Dans le référentiel du sol (terrestre), le passager assis est-il immobile ou en mouvement ?
  3. Que peut-on conclure sur la description d'un mouvement ?

1. Dans le référentiel du wagon, la bille tombe : sa trajectoire est une droite verticale (mouvement rectiligne).

2. Dans le référentiel du sol, le passager avance avec le train : il est en mouvement.

3. La description d'un mouvement (immobile ou non, forme de la trajectoire) dépend du référentiel choisi. Il faut donc toujours préciser le référentiel d'étude.

Exercice 2 — Vitesse moyenne et conversions

Un cycliste parcourt une distance \(d=12\) km en une durée \(\Delta t=30\) min.

  1. Convertir \(d\) en mètres et \(\Delta t\) en secondes.
  2. Calculer la vitesse moyenne en m·s\(^{-1}\).
  3. La convertir en km·h\(^{-1}\).

1. \(d=12\ \text{km}=12\times10^{3}=12000\ \text{m}\) ; \(\Delta t=30\ \text{min}=30\times60=1800\ \text{s}\).

2. \(v_{moy}=\dfrac{d}{\Delta t}=\dfrac{12000}{1800}\approx6{,}7\ \text{m·s}^{-1}\).

3. \(v_{moy}=6{,}7\times3{,}6\approx24\ \text{km·h}^{-1}\). (On retrouve bien \(\dfrac{12\ \text{km}}{0{,}5\ \text{h}}=24\ \text{km·h}^{-1}\).)

Exercice 3 — Ordres de grandeur

Classer les vitesses suivantes de la plus petite à la plus grande, après les avoir toutes converties en m·s\(^{-1}\) :

Conversions : (a) \(\dfrac{5}{3{,}6}\approx1{,}4\ \text{m·s}^{-1}\) ; (b) \(\dfrac{108}{3{,}6}=30\ \text{m·s}^{-1}\) ; (c) \(340\ \text{m·s}^{-1}\) ; (d) \(\dfrac{36}{3{,}6}=10\ \text{m·s}^{-1}\).

Classement croissant : (a) \(1{,}4\) < (d) \(10\) < (b) \(30\) < (c) \(340\) m·s\(^{-1}\). Le son est de loin le plus rapide.

Exercice 4 — Vitesse instantanée par le nombre dérivé

Un mobile se déplace le long de l'axe \((Ox)\). On relève ses positions :

\(t\) (s)0,00,10,20,30,4
\(x\) (m)0,000,050,200,450,80
  1. Rappeler la relation entre la coordonnée de vitesse \(v_x\) et la position \(x\).
  2. Estimer \(v_x\) à \(t=0{,}2\) s en approchant le nombre dérivé par la vitesse moyenne « centrée » entre \(t=0{,}1\) s et \(t=0{,}3\) s.
  3. Estimer de même \(v_x\) à \(t=0{,}3\) s.

1. \(v_x=\dfrac{dx}{dt}\) : la vitesse est le nombre dérivé de la position par rapport au temps.

2. \(v_x(0{,}2)\approx\dfrac{x(0{,}3)-x(0{,}1)}{0{,}3-0{,}1}=\dfrac{0{,}45-0{,}05}{0{,}2}=\dfrac{0{,}40}{0{,}2}=2{,}0\ \text{m·s}^{-1}\).

3. \(v_x(0{,}3)\approx\dfrac{x(0{,}4)-x(0{,}2)}{0{,}4-0{,}2}=\dfrac{0{,}80-0{,}20}{0{,}2}=\dfrac{0{,}60}{0{,}2}=3{,}0\ \text{m·s}^{-1}\). La vitesse augmente : le mouvement est accéléré.

Exercice 5 — De la vitesse à l'accélération

On prolonge l'étude du mobile précédent. On a estimé les vitesses suivantes le long de \((Ox)\) :

\(t\) (s)0,10,20,3
\(v_x\) (m·s⁻¹)1,02,03,0
  1. Rappeler la relation entre \(a_x\) et \(v_x\).
  2. Estimer l'accélération \(a_x\) entre \(t=0{,}1\) s et \(t=0{,}2\) s.
  3. L'accélération semble-t-elle constante sur cet intervalle ? Justifier.

1. \(a_x=\dfrac{dv_x}{dt}\) : l'accélération est le nombre dérivé de la vitesse.

2. \(a_x\approx\dfrac{v_x(0{,}2)-v_x(0{,}1)}{0{,}2-0{,}1}=\dfrac{2{,}0-1{,}0}{0{,}1}=10\ \text{m·s}^{-2}\).

3. Entre \(0{,}2\) et \(0{,}3\) s : \(a_x\approx\dfrac{3{,}0-2{,}0}{0{,}1}=10\ \text{m·s}^{-2}\), même valeur. La vitesse augmente d'un pas constant (\(+1{,}0\) m·s\(^{-1}\) tous les \(0{,}1\) s) : l'accélération est bien constante (mouvement uniformément accéléré).

Exercice 6 — Mouvement rectiligne à accélération constante

Une voiture démarre du repos (\(v_0=0\)) avec une accélération constante \(a=3{,}0\ \text{m·s}^{-2}\).

  1. Écrire la loi de vitesse \(v(t)\).
  2. Calculer la vitesse à \(t=5{,}0\) s. La convertir en km·h\(^{-1}\).
  3. Au bout de combien de temps la voiture atteint-elle \(v=30\ \text{m·s}^{-1}\) ?

1. Avec \(a\) constante et \(v_0=0\) : \(v(t)=a\,t+v_0=3{,}0\,t\).

2. \(v(5{,}0)=3{,}0\times5{,}0=15\ \text{m·s}^{-1}\), soit \(15\times3{,}6=54\ \text{km·h}^{-1}\).

3. On résout \(3{,}0\,t=30\), donc \(t=\dfrac{30}{3{,}0}=10\ \text{s}\).

Exercice 7 — Méthode d'Euler à la main

Un mobile part de \(x_0=0\) avec une loi de vitesse \(v(t)=4t\) (donc \(a=4\ \text{m·s}^{-2}\)). On utilise la méthode d'Euler avec un pas \(\Delta t=0{,}5\) s.

  1. Rappeler la relation de récurrence d'Euler pour la position.
  2. Compléter le tableau des positions jusqu'à \(t=1{,}5\) s.
  3. La vraie position à \(t=1{,}5\) s vaut \(x=2t^2/2 = 2\times1{,}5^{2}=4{,}5\) m. Comparer à la valeur trouvée par Euler et expliquer l'écart.

1. \(x_{n+1}=x_n+v_n\,\Delta t\), avec \(v_n=4t_n\).

\(n\)\(t_n\) (s)\(v_n=4t_n\)\(x_{n+1}=x_n+v_n\Delta t\)
00,00,0\(0+0\times0{,}5=0{,}0\)
10,52,0\(0{,}0+2{,}0\times0{,}5=1{,}0\)
21,04,0\(1{,}0+4{,}0\times0{,}5=3{,}0\)
31,56,0\(3{,}0+6{,}0\times0{,}5=6{,}0\)

3. Euler donne \(x(1{,}5)\approx3{,}0\) m (position atteinte après le pas partant de \(t=1{,}0\)), alors que la valeur exacte est \(4{,}5\) m. L'écart vient de ce qu'Euler suppose la vitesse constante sur chaque pas, alors qu'elle augmente : avec \(\Delta t=0{,}5\) s le pas est trop grand. En réduisant \(\Delta t\), l'approximation se rapproche de la valeur exacte.

Problème type — chute d'une bille filmée au laboratoire

Au laboratoire, on filme la chute verticale d'une bille lâchée sans vitesse initiale. Le pointage vidéo donne la position \(y\) (comptée positivement vers le bas) toutes les \(0{,}040\) s :

\(t\) (s)0,0000,0400,0800,1200,160
\(y\) (m)0,0000,0080,0310,0710,126
  1. Quel référentiel utilise-t-on ? Quelle est la forme de la trajectoire ?
  2. Estimer la vitesse \(v_y\) à \(t=0{,}040\) s et à \(t=0{,}120\) s (vitesse moyenne « centrée »).
  3. En déduire une estimation de l'accélération entre ces deux instants.
  4. Comparer à la valeur attendue \(g\approx9{,}8\ \text{m·s}^{-2}\) : le résultat est-il cohérent ?

1. Référentiel terrestre (lié au laboratoire). La bille tombe verticalement : trajectoire rectiligne (verticale).

2. \(v_y(0{,}040)\approx\dfrac{y(0{,}080)-y(0{,}000)}{0{,}080-0{,}000}=\dfrac{0{,}031-0{,}000}{0{,}080}\approx0{,}39\ \text{m·s}^{-1}\).
\(v_y(0{,}120)\approx\dfrac{y(0{,}160)-y(0{,}080)}{0{,}160-0{,}080}=\dfrac{0{,}126-0{,}031}{0{,}080}\approx1{,}19\ \text{m·s}^{-1}\).

3. \(a_y\approx\dfrac{v_y(0{,}120)-v_y(0{,}040)}{0{,}120-0{,}040}=\dfrac{1{,}19-0{,}39}{0{,}080}=\dfrac{0{,}80}{0{,}080}=10\ \text{m·s}^{-2}\).

4. On trouve \(a_y\approx10\ \text{m·s}^{-2}\), très proche de \(g\approx9{,}8\ \text{m·s}^{-2}\) : le résultat est cohérent. La bille est en chute libre, mouvement rectiligne à accélération quasi constante égale à \(g\).