Sciences de l'ingénieur1ère

Représentations graphiques
Exercices corrigés

Maîtrisez les représentations graphiques : position, vitesse, accélération grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(x(t), v(t), a(t) \leftrightarrow \frac{dx}{dt}, \frac{dv}{dt}\)
Relations entre grandeurs
x(t)
Position
Origine → position
v(t)
Vitesse
Pente de x(t)
a(t)
Accélération
Pente de v(t)
📊
Définition : Les graphes x(t), v(t), a(t) montrent l'évolution des grandeurs cinématiques.
🔄
Relation : v(t) = dx/dt et a(t) = dv/dt = d²x/dt².
📈
Interprétation : Pente, aire, extremums, zones de croissance/décroissance.
📏
Unités : x en m, v en m/s, a en m/s², t en s.
Exercice 1
Analyse d'un graphe x(t) : identification du mouvement
Exercice 2
Graphe v(t) à partir de x(t) : dérivation graphique
Exercice 3
Graphe a(t) à partir de v(t) : dérivation graphique
Exercice 4
Intégration graphique : de a(t) à v(t) et x(t)
Exercice 5
Étude d'un mouvement complexe : phases de mouvement
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Analyse de x(t)
Définition :

Graphe x(t) : La pente de la courbe en un point donne la vitesse instantanée. v(t) = dx/dt.

Méthode d'analyse graphique :
  1. Observer la forme générale de la courbe
  2. Identifier les pentes positives/négatives/nulles
  3. Repérer les points d'inflexion
  4. Déduire le type de mouvement
Énoncé :

Un graphe x(t) montre une droite croissante, suivie d'une portion horizontale, puis d'une droite décroissante. Interpréter chaque phase du mouvement.

Étape 1 : Phase 1 - Droite croissante

Pente positive et constante → vitesse positive et constante

C'est un mouvement rectiligne uniforme (MRU) dans le sens positif

Étape 2 : Phase 2 - Portion horizontale

Pente nulle → vitesse nulle

Le mobile est immobile

Étape 3 : Phase 3 - Droite décroissante

Pente négative et constante → vitesse négative et constante

C'est un MRU dans le sens négatif

Étape 4 : Interprétation globale

Le mobile avance à vitesse constante, s'arrête, puis revient en arrière à vitesse constante

L'accélération est nulle dans toutes les phases (courbes droites)

MRU → Arrêt → MRU (retour)
Réponse finale :

Le mobile effectue un MRU positif, s'immobilise, puis effectue un MRU négatif. L'accélération est nulle partout.

Règles appliquées :

• Pente x(t) : Donne la vitesse instantanée

• Droite horizontale : Vitesse nulle

• Droite inclinée : MRU (vitesse constante)

2 Graphe v(t) à partir de x(t)
Définition :

Dérivation graphique : La vitesse v(t) est la pente du graphe x(t) à chaque instant.

Énoncé :

Soit x(t) = t² - 4t + 3. Tracer x(t) et en déduire v(t) graphiquement, puis vérifier par calcul.

Étape 1 : Expression de x(t)

x(t) = t² - 4t + 3

C'est une parabole avec a = 1 > 0 (concavité vers le haut)

Étape 2 : Calcul de la dérivée

v(t) = dx/dt = 2t - 4

C'est une droite croissante

Étape 3 : Analyse de x(t)

Minimum de la parabole : t = -(-4)/(2×1) = 2s

À t = 2s, x(2) = 4 - 8 + 3 = -1m

Étape 4 : Analyse de v(t)

À t = 0s : v(0) = -4 m/s (vitesse initiale négative)

À t = 2s : v(2) = 0 m/s (vitesse nulle au minimum)

À t = 4s : v(4) = 4 m/s (vitesse positive)

Étape 5 : Interprétation

Avant t = 2s : pente de x(t) négative → vitesse négative (mobile recule)

Après t = 2s : pente de x(t) positive → vitesse positive (mobile avance)

À t = 2s : pente nulle → vitesse nulle

v(t) = 2t - 4
Réponse finale :

La vitesse est v(t) = 2t - 4. Le mobile recule jusqu'à t = 2s, s'arrête, puis avance.

Règles appliquées :

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

• Minimum : Pente nulle → vitesse nulle

• Signe pente : Indique le sens du mouvement

3 Graphe a(t) à partir de v(t)
Définition :

Dérivation graphique : L'accélération a(t) est la pente du graphe v(t) à chaque instant.

Énoncé :

Un graphe v(t) montre une droite horizontale, suivie d'une droite croissante, puis d'une droite horizontale. Déterminer a(t) pour chaque phase.

Étape 1 : Phase 1 - Droite horizontale

Pente = 0 → a(t) = 0

MRU (vitesse constante)

Étape 2 : Phase 2 - Droite croissante

Pente positive et constante → a(t) = constante > 0

MRUA (accélération constante positive)

Étape 3 : Phase 3 - Droite horizontale

Pente = 0 → a(t) = 0

MRU (vitesse constante)

Étape 4 : Graphe de a(t)

Phase 1 : a = 0 (segment horizontal sur axe des abscisses)

Phase 2 : a = constante > 0 (segment horizontal au-dessus de l'axe)

Phase 3 : a = 0 (segment horizontal sur axe des abscisses)

Étape 5 : Interprétation physique

Le mobile se déplace à vitesse constante, accélère uniformément, puis retrouve une vitesse constante

a(t) = 0, a(t) = cte > 0, a(t) = 0
Réponse finale :

L'accélération est nulle, puis constante positive, puis nulle à nouveau.

Règles appliquées :

• Pente v(t) : Donne l'accélération instantanée

• Droite horizontale : Accélération nulle

• Droite inclinée : Accélération constante

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Intégration graphique
Définition :

Intégration graphique : v(t) = v₀ + ∫a(t)dt et x(t) = x₀ + ∫v(t)dt. L'aire sous la courbe représente l'intégrale.

Énoncé :

Un graphe a(t) montre une zone rectangulaire de hauteur 2 m/s² sur 3 secondes, suivie de zéro. Si v₀ = 1 m/s et x₀ = 0, tracer v(t) et x(t).

Étape 1 : Analyse de a(t)

Pour 0 ≤ t ≤ 3s : a(t) = 2 m/s²

Pour t > 3s : a(t) = 0

Étape 2 : Calcul de v(t)

Pour 0 ≤ t ≤ 3s : v(t) = v₀ + ∫₀ᵗ a(u)du = 1 + ∫₀ᵗ 2du = 1 + 2t

Pour t > 3s : v(t) = v(3) = 1 + 2(3) = 7 m/s (constant)

Étape 3 : Calcul de x(t)

Pour 0 ≤ t ≤ 3s : x(t) = x₀ + ∫₀ᵗ v(u)du = 0 + ∫₀ᵗ (1 + 2u)du = 0 + [u + u²]₀ᵗ = t + t²

Pour t > 3s : x(t) = x(3) + ∫₃ᵗ v(u)du = (3 + 9) + ∫₃ᵗ 7du = 12 + 7(t - 3) = 7t - 9

Étape 4 : Équations des graphes

v(t) = {1 + 2t si 0 ≤ t ≤ 3; 7 si t > 3}

x(t) = {t + t² si 0 ≤ t ≤ 3; 7t - 9 si t > 3}

Étape 5 : Vérifications

À t = 0 : v(0) = 1 m/s, x(0) = 0 m

À t = 3 : v(3) = 7 m/s, x(3) = 12 m

À t = 4 : v(4) = 7 m/s, x(4) = 19 m

v(t) = 1+2t (0≤t≤3), x(t) = t+t² (0≤t≤3)
Réponse finale :

La vitesse croît linéairement jusqu'à 7 m/s, puis reste constante. La position croît quadratiquement puis linéairement.

Règles appliquées :

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

• Aire sous v(t) : Donnée la variation de position

• Conditions initiales : Nécessaires pour déterminer les constantes

5 Mouvement complexe
Définition :

Mouvement composé : Succession de phases avec différents types de mouvements (MRU, MRUA, arrêt).

Énoncé :

Un bus part du repos, accélère uniformément pendant 10s à 2 m/s², roule à vitesse constante pendant 20s, puis freine uniformément pendant 8s jusqu'à l'arrêt. Tracer les graphes v(t) et x(t).

Étape 1 : Phase d'accélération (0 ≤ t ≤ 10s)

a = 2 m/s², v₀ = 0

v(t) = v₀ + at = 0 + 2t = 2t

v(10) = 20 m/s

x(t) = x₀ + v₀t + ½at² = 0 + 0 + ½(2)t² = t²

x(10) = 100 m

Étape 2 : Phase de vitesse constante (10s ≤ t ≤ 30s)

a = 0, v = 20 m/s (constante)

v(t) = 20 m/s

x(t) = x(10) + v(t-10) = 100 + 20(t-10) = 20t - 100

x(30) = 600 - 100 = 500 m

Étape 3 : Phase de décélération (30s ≤ t ≤ 38s)

Fin du freinage : v(38) = 0

Accélération : a = (0-20)/(38-30) = -20/8 = -2.5 m/s²

v(t) = v(30) + a(t-30) = 20 - 2.5(t-30) = 20 - 2.5t + 75 = 95 - 2.5t

x(t) = x(30) + v(30)(t-30) + ½a(t-30)² = 500 + 20(t-30) + ½(-2.5)(t-30)²

x(t) = 500 + 20(t-30) - 1.25(t-30)²

x(38) = 500 + 20(8) - 1.25(64) = 500 + 160 - 80 = 580 m

Étape 4 : Synthèse des équations

v(t) = {2t si 0≤t≤10; 20 si 10≤t≤30; 95-2.5t si 30≤t≤38}

x(t) = {t² si 0≤t≤10; 20t-100 si 10≤t≤30; 500+20(t-30)-1.25(t-30)² si 30≤t≤38}

Étape 5 : Caractéristiques du mouvement

Distance totale : 580 m

Vitesse maximale : 20 m/s

Temps total : 38 s

Total: 580m en 38s
Réponse finale :

Le bus parcourt 580 m en 38 s avec une vitesse maximale de 20 m/s. Le graphe v(t) est triangulaire, x(t) est composé de portions paraboliques et linéaires.

Règles appliquées :

• Continuité : Vitesse et position doivent être continues

• MRUA : Équations spécifiques avec accélération constante

• Graphes : x(t) est continu et dérivable, v(t) est continu

Cours bien détaillé
\(v(t) = \frac{dx}{dt}, a(t) = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}, x(t) = x_0 + \int_0^t v(u)du\)
Relations fondamentales
📊
Graphe x(t) : Montre la position en fonction du temps. Pente = vitesse.
📈
Graphe v(t) : Montre la vitesse en fonction du temps. Pente = accélération.
📉
Graphe a(t) : Montre l'accélération en fonction du temps.
🔄
Relation : Dérivation pour descendre, intégration pour monter.
💡
Conseil : Toujours indiquer les unités sur les axes
🔍
Attention : Ne pas confondre pente et aire sous la courbe
⚡
Astuce : L'aire sous v(t) donne la variation de position
📋
Méthode : Pour dériver graphiquement, tracer les tangentes
✅
Vérification : Les grandeurs doivent être continues
Interprétation graphique :
  • Pente de x(t) : Donne la vitesse v(t)
  • Pente de v(t) : Donne l'accélération a(t)
  • Aire sous a(t) : Donne la variation de vitesse
  • Aire sous v(t) : Donne la variation de position
Règles importantes :
  • La pente d'une courbe donne la dérivée de la grandeur précédente
  • L'aire sous une courbe donne l'intégrale de la grandeur suivante
  • La continuité de position et vitesse est obligatoire
  • Les unités doivent être cohérentes dans tous les graphes
  • Un point d'inflexion sur x(t) correspond à un extremum sur a(t)
\(x(t) = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2, v(t) = v_0 + at\)
Équations du MRUA
MRU
v = cte, a = 0
x(t) = x₀ + vt
MRUA
a = cte, v = at + v₀
x(t) = x₀ + v₀t + ½at²
Général
a = f(t)
Calculs complexes
Représentations graphiques Notions de base de cinématique