Guide révision Physique-Chimie Terminale – Vecteurs, mouvement et deuxième loi de Newton
Guide révision Physique-Chimie Terminale

Vecteurs, mouvement et deuxième loi de Newton

Une fiche complète pour maîtriser le vecteur position, le vecteur vitesse, le vecteur accélération, les mouvements rectilignes et circulaires, le centre de masse et l’application de la deuxième loi de Newton.

En résumé

Le mouvement d’un système se décrit à l’aide de trois vecteurs fondamentaux : le vecteur position, qui repère le système dans le référentiel choisi ; le vecteur vitesse, tangent à la trajectoire ; et le vecteur accélération, qui traduit la variation du vecteur vitesse. La deuxième loi de Newton relie l’évolution du mouvement aux forces appliquées.

Vecteur positionRepère le mobile dans le référentiel : OM donne ses coordonnées au cours du temps.
Vecteur vitesseTangent à la trajectoire, orienté dans le sens du mouvement. Sa norme est la valeur de la vitesse.
Vecteur accélérationRend compte de la variation du vecteur vitesse, en norme et/ou en direction.
Idée clé : on part toujours du référentiel, puis de la trajectoire, ensuite on décrit vitesse et accélération, et enfin on relie le tout aux forces grâce à la deuxième loi de Newton.

Ce qu’il faut savoir faire

  • Définir un mouvement dans un référentiel donné.
  • Exprimer les vecteurs position, vitesse et accélération en coordonnées cartésiennes.
  • Identifier la nature d’un mouvement : rectiligne uniforme, rectiligne varié, circulaire uniforme ou circulaire varié.
  • Relier graphiquement et mathématiquement la vitesse à la variation de la position.
  • Relier l’accélération à la variation du vecteur vitesse.
  • Appliquer correctement la deuxième loi de Newton au centre de masse d’un système.

1. Les vecteurs position, vitesse et accélération

Dans un référentiel, à tout instant, le mouvement d’un système peut être décrit par un vecteur position OM. En dérivant ce vecteur par rapport au temps, on obtient le vecteur vitesse, puis en dérivant à nouveau, le vecteur accélération.

Vecteur position : OM = (x(t), y(t), z(t))
Vecteur vitesse : v = dOM/dt
Vecteur accélération : a = dv/dt = d²OM/dt²

a. En coordonnées cartésiennes

Si le mouvement est repéré dans un repère orthonormé, alors :

v = (dx/dt ; dy/dt ; dz/dt)
a = (d²x/dt² ; d²y/dt² ; d²z/dt²)

La valeur de la vitesse s’obtient par la norme du vecteur vitesse.

b. Lecture physique

Le vecteur vitesse est tangent à la trajectoire et orienté dans le sens du mouvement. Le vecteur accélération n’indique pas seulement si la vitesse augmente ou diminue : il peut aussi rendre compte d’un changement de direction.

Exemple : en mouvement circulaire uniforme, la norme de la vitesse est constante, mais la direction du vecteur vitesse change en permanence : l’accélération n’est donc pas nulle.
Lecture des vecteurs v a Trajectoire courbe : v est tangent, a traduit la variation de v. v a Mouvement circulaire uniforme : a est centripète.
Attention : un vecteur accélération non nul ne signifie pas obligatoirement que la valeur de la vitesse augmente. Dans un mouvement circulaire uniforme, c’est la direction de v qui change.

2. Des exemples de mouvements

a. Mouvements rectilignes

Rectiligne uniforme : trajectoire droite, vitesse constante, accélération nulle.

Rectiligne uniformément varié : trajectoire droite, accélération constante, vitesse qui augmente ou diminue régulièrement.

b. Mouvements circulaires

Circulaire uniforme : trajectoire circulaire, norme de la vitesse constante, accélération dirigée vers le centre.

Circulaire varié : la norme de la vitesse change en plus de sa direction.

Comment reconnaître la nature d’un mouvement ?

  • On observe d’abord la trajectoire : droite, cercle ou courbe quelconque.
  • On étudie ensuite la vitesse : constante ou non.
  • On interprète enfin l’accélération : nulle, tangentielle, normale ou combinaison des deux.
Tableau de lecture rapide Rectiligne uniforme Trajectoire : droite v : constant a : nul Rectiligne varié Trajectoire : droite v : variable a : colinéaire à v Circulaire uniforme Trajectoire : cercle v : norme constante a : vers le centre
À retenir : si la trajectoire est droite et que la vitesse est constante, l’accélération est nulle. Si la trajectoire est circulaire, une accélération existe même si la valeur de la vitesse ne change pas.

3. La deuxième loi de Newton

a. Cadre d’application

La deuxième loi de Newton s’applique dans un référentiel galiléen. On l’écrit pour le centre de masse d’un système de masse constante :

ΣF = m · a

b. Interprétation

La somme vectorielle des forces appliquées détermine l’accélération du centre de masse. Si la résultante est nulle, le vecteur vitesse est constant : le système reste au repos ou en mouvement rectiligne uniforme.

c. Centre de masse

Le centre de masse d’un système se comporte comme le point matériel auquel on applique la deuxième loi de Newton pour décrire le mouvement global du système. Cela simplifie l’étude d’objets étendus ou de systèmes composés de plusieurs points matériels.

Exemple : pour l’étude du mouvement d’un ballon, d’un cycliste ou d’un véhicule, on modélise l’ensemble par son centre de masse.

d. Cas particuliers

ΣF = 0 Alors a = 0, donc le vecteur vitesse est constant.
Une seule force Le vecteur accélération a la même direction et le même sens que cette force si la masse est positive.
Deuxième loi de Newton et centre de masse Résultante des forces Centre de masse G ΣF a L’accélération est colinéaire à la résultante des forces. Lecture pratique 1. Isoler le système. 2. Inventorier les forces appliquées. 3. Choisir un référentiel galiléen. 4. Écrire ΣF = m·a et projeter si besoin. 5. Interpréter le mouvement obtenu.
Piège classique : ne pas confondre vitesse et accélération. Une vitesse non nulle n’implique pas une accélération non nulle, et inversement.

Mots-clés à connaître

Chaque notion renverra vers le Lexique Physique-Chimie lorsqu’il sera finalisé.

référentiel galiléenvecteur positionvecteur vitessevecteur accélérationtrajectoirenorme de la vitessemouvement rectiligne uniformemouvement rectiligne variémouvement circulaire uniformemouvement circulaire variécentre de massedeuxième loi de Newtonrésultante des forcesaccélération centripètevariation du vecteur vitesseprojection sur les axes

Carte mentale de synthèse

Mouvement et deuxième loi de Newton
PositionRepérer le système dans le référentiel avec le vecteur OM.
VitesseVecteur tangent à la trajectoire, orienté dans le sens du mouvement.
AccélérationVariation du vecteur vitesse en norme et/ou en direction.
MouvementsRectilignes ou circulaires, uniformes ou variés.
Centre de massePoint matériel associé au système pour l’étude du mouvement.
Deuxième loi de NewtonΣF = m·a dans un référentiel galiléen.

Méthode express

1. Choisir le référentielPréciser le repère et les axes.
2. Décrire la trajectoireDroite, cercle ou courbe.
3. Étudier v et aConstantes, variables, direction des vecteurs.
4. Appliquer NewtonInventorier les forces et écrire ΣF = m·a.

Erreurs fréquentes

Confondre position et déplacement
Le vecteur position repère un point par rapport à l’origine ; il ne correspond pas directement au déplacement entre deux dates.
Penser qu’une vitesse constante implique a = 0 dans tous les cas
Faux en mouvement circulaire uniforme : la direction de v change.
Oublier le caractère vectoriel
La deuxième loi de Newton s’écrit sur des vecteurs, pas seulement sur des valeurs algébriques.
Appliquer ΣF = m·a sans préciser le système
Il faut toujours dire quel système on étudie et quelles forces s’exercent sur lui.

QCM interactif

Clique sur la réponse choisie : la case devient verte si elle est correcte et rouge si elle est fausse.

1. Le vecteur vitesse est :

2. Le vecteur accélération décrit :

3. Dans un mouvement rectiligne uniforme :

4. Dans un mouvement circulaire uniforme :

5. La deuxième loi de Newton s’écrit :

6. Le centre de masse d’un système :

7. Si la somme des forces est nulle dans un référentiel galiléen :

8. Dans un mouvement rectiligne accéléré :

9. Dans un mouvement circulaire, l’accélération normale est :

10. Le vecteur position OM permet de :

Mini-entraînement

Cherche d’abord seul, puis clique sur Soluce.

Exercice 1

Un mobile a pour équations horaires x(t)=2t et y(t)=3t². Déterminer les coordonnées du vecteur vitesse puis du vecteur accélération.

Correction : v(t)=(dx/dt ; dy/dt)=(2 ; 6t). Puis a(t)=(0 ; 6).

Exercice 2

Pourquoi un mouvement circulaire uniforme possède-t-il une accélération non nulle ?

Correction : la valeur de la vitesse reste constante, mais sa direction change en permanence ; le vecteur vitesse varie donc, ce qui implique une accélération dirigée vers le centre.

Exercice 3

Dans un référentiel galiléen, la résultante des forces appliquées à un système vaut 6,0 N. Sa masse est 1,5 kg. Quelle est la valeur de l’accélération ?

Correction : a = ΣF / m = 6,0 / 1,5 = 4,0 m·s⁻².

Exercice 4

Dans quel cas peut-on affirmer que le mouvement est rectiligne uniforme ?

Correction : quand la trajectoire est une droite et que le vecteur vitesse est constant. Dans un référentiel galiléen, cela revient à avoir une accélération nulle.

Conclusion : savoir lire les vecteurs, reconnaître un type de mouvement et appliquer correctement ΣF = m·a constitue la base de toute la mécanique du programme.