QCM : Cinématique du point matériel — 31 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle distinction caractérise la cinématique par rapport à la dynamique ?

Elle explique les forces responsables du mouvement et leurs effets.
Elle décrit le mouvement sans rechercher les causes qui le produisent.
Elle étudie les propriétés d’un objet indépendamment de son déplacement.
Elle mesure la position d’un mobile sans considérer son évolution temporelle.

Elle décrit le mouvement sans rechercher les causes qui le produisent.

Explication

La cinématique décrit le mouvement d’un point matériel sans en rechercher les causes, tandis que la dynamique étudie précisément ces causes. L’explication par les forces relève donc de la dynamique, et non de la cinématique.

2. Quelles grandeurs caractérisent le mouvement dans l’étude cinématique ?

La température, la pression et le volume.
La masse, la force et la quantité de mouvement.
La position, la vitesse et l’accélération.
La distance, l’énergie et la puissance.

La position, la vitesse et l’accélération.

Explication

La cinématique s’intéresse à la position, à la vitesse et à l’accélération du mobile. La masse, la force et la quantité de mouvement appartiennent davantage à l’étude dynamique du mouvement.

3. Dans quelle situation peut-on dire qu’un mobile est en mouvement ?

Lorsque sa température diffère de celle de son environnement.
Lorsque sa forme reste constante pendant toute l’expérience.
Lorsque sa masse varie pendant une observation donnée.
Lorsque sa position change dans l’espace au cours du temps.

Lorsque sa position change dans l’espace au cours du temps.

Explication

Un mouvement correspond à un changement de position dans l’espace et dans le temps. Une variation de masse, une forme constante ou une différence de température ne suffisent pas à définir un mouvement.

4. Qu’appelle-t-on référentiel pour décrire le mouvement d’un mobile ?

Une grandeur indiquant la rapidité de déplacement du mobile.
Un objet, généralement solide, par rapport auquel le mouvement est décrit.
Un appareil servant à mesurer la durée entre deux événements.
Une trajectoire particulière reliant les positions successives du mobile.

Un objet, généralement solide, par rapport auquel le mouvement est décrit.

Explication

Le référentiel est l’objet, généralement solide, choisi comme base pour décrire le mouvement du mobile. Une trajectoire décrit les positions occupées, tandis qu’un appareil de mesure et une grandeur de déplacement ont d’autres fonctions.

5. Comment définit-on la trajectoire d’un mobile ?

Comme la variation de sa vitesse entre deux instants de l’observation.
Comme la distance totale mesurée entre sa position initiale et sa position finale.
Comme l’ensemble de ses positions successivement occupées au cours du temps.
Comme la durée nécessaire pour atteindre sa position finale depuis l’origine.

Comme l’ensemble de ses positions successivement occupées au cours du temps.

Explication

La trajectoire regroupe les positions successivement occupées par le mobile au cours du temps. La distance associée au déplacement correspond au chemin parcouru, qui est une notion différente.

6. Quels éléments définissent un repère temporel dans le Système international ?

Une origine fixée à t=0t=0, un appareil de mesure et la seconde comme unité.
Une position initiale, une balance et le kilogramme comme unité.
Une origine fixée à x=0x=0, une règle graduée et le mètre comme unité.
Une vitesse de référence, un chronomètre et l’heure comme unité.

Une origine fixée à $$t=0$$, un appareil de mesure et la seconde comme unité.

Explication

Un repère temporel comprend une origine correspondant à t=0t=0, un appareil de mesure et une unité de temps, la seconde dans le Système international. Le repère spatial utilise plutôt une origine de position, une règle et une unité de longueur.

7. Une phase commence à la date ti=3 st_i=3\,\text{s} et se termine à la date tf=11 st_f=11\,\text{s}. Quelle est sa durée ?

Δt=8 s\Delta t=8\,\text{s}
Δt=−8 s\Delta t=-8\,\text{s}
Δt=14 s\Delta t=14\,\text{s}
Δt=113 s\Delta t=\frac{11}{3}\,\text{s}

$$\Delta t=8\,\text{s}$$

Explication

La durée se calcule par Δt=tf−ti\Delta t=t_f-t_i, donc Δt=11−3=8 s\Delta t=11-3=8\,\text{s}. Additionner les deux dates ou inverser leur ordre ne donne pas la durée écoulée entre l’instant initial et l’instant final.

8. Quelle expression représente le vecteur position d’un point matériel dans un repère cartésien spatial ?

OM→=xi⃗+yj⃗\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+y\vec{j}
OM→=xi⃗+yj⃗+zk⃗\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+y\vec{j}+z\vec{k}
OM→=x+y+z\overrightarrow{OM}=x+y+z
OM→=xi⃗+zk⃗\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+z\vec{k}

$$\overrightarrow{OM}=x\vec{i}+y\vec{j}+z\vec{k}$$

Explication

Dans un repère spatial, le vecteur position possède trois composantes selon les vecteurs de base i⃗\vec{i}, j⃗\vec{j} et k⃗\vec{k}. L’expression à deux coordonnées correspond à un repère plan, et une somme de scalaires ne forme pas un vecteur position.

9. Que décrivent les équations horaires d’un mobile ?

Sa trajectoire sans faire intervenir le temps
La direction normale à sa trajectoire
Ses coordonnées en fonction du temps
La distance fixe entre deux points de la trajectoire

Ses coordonnées en fonction du temps

Explication

Les équations horaires donnent les coordonnées du mobile en fonction du temps, sous la forme x=f(t)x=f(t), y=g(t)y=g(t) et éventuellement z=h(t)z=h(t). Une relation indépendante du temps décrit plutôt l’équation cartésienne de la trajectoire.

10. Dans le repère de Frenet, comment est orienté le vecteur unitaire normal N⃗\vec{N} ?

Il est tangent à la trajectoire et dirigé vers le centre de courbure
Il est parallèle à T⃗\vec{T} et dirigé dans le sens du mouvement
Il est perpendiculaire à la trajectoire et dirigé vers l’origine du repère
Il est perpendiculaire à T⃗\vec{T} et dirigé vers le centre de courbure

Il est perpendiculaire à $$\vec{T}$$ et dirigé vers le centre de courbure

Explication

Le repère de Frenet associe au vecteur tangent unitaire T⃗\vec{T} un vecteur normal unitaire N⃗\vec{N}, perpendiculaire à T⃗\vec{T} et orienté vers le centre de courbure. Un vecteur tangent ne peut pas simultanément jouer le rôle du vecteur normal.

11. Comment obtient-on l’équation cartésienne d’une trajectoire à partir des équations horaires ?

En éliminant le paramètre temporel entre les coordonnées
En additionnant les coordonnées à chaque instant
En dérivant chaque coordonnée par rapport au temps
En remplaçant chaque coordonnée par sa norme

En éliminant le paramètre temporel entre les coordonnées

Explication

L’équation cartésienne relie les coordonnées du mobile sans faire apparaître le temps, obtenu par élimination du paramètre temporel. La dérivation fournit des composantes de vitesse et ne supprime pas nécessairement le temps.

12. Quelle forme d’équation cartésienne caractérise une trajectoire rectiligne ?

Une relation circulaire comme (x−x0)2+(y−y0)2=a2\left(x-x_0\right)^2+\left(y-y_0\right)^2=a^2
Une relation trigonométrique comme y=sin⁡(x)y=\sin(x)
Une relation du second degré comme y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c
Une relation du premier degré comme y=ax+by=ax+b

Une relation du premier degré comme $$y=ax+b$$

Explication

Une trajectoire rectiligne est décrite par une équation cartésienne du premier degré, par exemple y=ax+by=ax+b. Une expression quadratique caractérise une parabole, tandis que la relation avec deux carrés caractérise un cercle.

13. Une trajectoire dont l’équation cartésienne est y=3x2−2x+1y=3x^2-2x+1 est de quelle nature ?

Indéterminée sans connaître le temps
Circulaire
Rectiligne
Parabolique

Parabolique

Explication

La relation y=3x2−2x+1y=3x^2-2x+1 est de la forme y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c, qui caractérise une trajectoire parabolique. La nature de cette trajectoire peut être identifiée sans réintroduire le paramètre temporel.

14. Dans l’équation circulaire (x−2)2+(y+1)2=9\left(x-2\right)^2+\left(y+1\right)^2=9, quels sont le centre et le rayon ?

Centre C(2,−1)C(2,-1) et rayon 33
Centre C(−2,1)C(-2,1) et rayon 99
Centre C(−1,2)C(-1,2) et rayon 99
Centre C(2,1)C(2,1) et rayon 33

Centre $$C(2,-1)$$ et rayon $$3$$

Explication

En comparant avec (x−x0)2+(y−y0)2=a2\left(x-x_0\right)^2+\left(y-y_0\right)^2=a^2, on obtient x0=2x_0=2, y0=−1y_0=-1 et a=3a=3 puisque a2=9a^2=9. Le nombre situé au second membre est le carré du rayon, pas le rayon lui-même.

15. Comment calcule-t-on le vecteur vitesse moyenne entre les instants t1t_1 et t2t_2 ?

v⃗m=dOM→dt aˋ l’instant t1\vec{v}_m=\frac{d\overrightarrow{OM}}{dt}\text{ à l’instant }t_1
v⃗m=t2−t1OM2→−OM1→\vec{v}_m=\frac{t_2-t_1}{\overrightarrow{OM_2}-\overrightarrow{OM_1}}
v⃗m=OM2→−OM1→t2−t1\vec{v}_m=\frac{\overrightarrow{OM_2}-\overrightarrow{OM_1}}{t_2-t_1}
v⃗m=OM2→−OM1→\vec{v}_m=\overrightarrow{OM_2}-\overrightarrow{OM_1}

$$\vec{v}_m=\frac{\overrightarrow{OM_2}-\overrightarrow{OM_1}}{t_2-t_1}$$

Explication

La vitesse moyenne est le déplacement vectoriel divisé par la durée de l’intervalle considéré. Une dérivée décrit la vitesse instantanée, tandis que le déplacement seul ne tient pas compte de la durée.

16. Quelle opération permet d’obtenir le vecteur vitesse instantanée à partir du vecteur position ?

Diviser le vecteur position par le temps écoulé
Calculer la différence entre deux positions successives
Calculer sa dérivée seconde par rapport au temps
Calculer sa dérivée première par rapport au temps

Calculer sa dérivée première par rapport au temps

Explication

Le vecteur vitesse instantanée est défini par V⃗(t)=dOM→dt\vec{V}(t)=\frac{d\overrightarrow{OM}}{dt}, donc il correspond à la dérivée première de la position. La dérivée seconde donne l’accélération, et une différence entre deux positions décrit un déplacement.

17. Pour un mouvement défini par x=2tx=2t et y=t2−4y=t^2-4, quelle est la norme du vecteur vitesse ?

V=21+t2V=2\sqrt{1+t^2}
V=21−t2V=2\sqrt{1-t^2}
V=41+t2V=4\sqrt{1+t^2}
V=2+2tV=2+2t

$$V=2\sqrt{1+t^2}$$

Explication

La dérivation donne V⃗(t)=2i⃗+2tj⃗\vec{V}(t)=2\vec{i}+2t\vec{j}, dont la norme vaut 22+(2t)2=21+t2\sqrt{2^2+(2t)^2}=2\sqrt{1+t^2}. La somme des composantes ne fournit pas la norme euclidienne du vecteur vitesse.

18. Quelle grandeur physique caractérise la variation de la vitesse au cours du temps ?

L’accélération
La trajectoire
La position
La quantité de mouvement

L’accélération

Explication

L’accélération décrit la manière dont la vitesse évolue au cours du temps. La position indique seulement où se trouve le mobile, sans mesurer directement la variation de sa vitesse.

19. Entre les instants t1t_1 et t2t_2, un mobile passe de la vitesse vectorielle V⃗1\vec{V}_1 à V⃗2\vec{V}_2 ; quelle expression donne son accélération moyenne ?

a⃗m=t2−t1V⃗2−V⃗1\vec{a}_m=\frac{t_2-t_1}{\vec{V}_2-\vec{V}_1}
a⃗m=V⃗1−V⃗2t2+t1\vec{a}_m=\frac{\vec{V}_1-\vec{V}_2}{t_2+t_1}
a⃗m=V⃗2+V⃗1t2+t1\vec{a}_m=\frac{\vec{V}_2+\vec{V}_1}{t_2+t_1}
a⃗m=V⃗2−V⃗1t2−t1\vec{a}_m=\frac{\vec{V}_2-\vec{V}_1}{t_2-t_1}

$$\vec{a}_m=\frac{\vec{V}_2-\vec{V}_1}{t_2-t_1}$$

Explication

L’accélération moyenne est le rapport de la variation finie de la vitesse à la durée correspondante. La dérivée de la vitesse décrit l’accélération instantanée, et non cette moyenne.

20. Quelle relation définit l’accélération instantanée d’un point matériel de position OM→(t)\overrightarrow{OM}(t) ?

a⃗(t)=OM→(t)V⃗(t)\vec{a}(t)=\frac{\overrightarrow{OM}(t)}{\vec{V}(t)}
a⃗(t)=dOM→dt=d2V⃗dt2\vec{a}(t)=\frac{d\overrightarrow{OM}}{dt}=\frac{d^2\vec{V}}{dt^2}
a⃗(t)=dV⃗dt=d2OM→dt2\vec{a}(t)=\frac{d\vec{V}}{dt}=\frac{d^2\overrightarrow{OM}}{dt^2}
a⃗(t)=V⃗(t) OM→(t)\vec{a}(t)=\vec{V}(t)\,\overrightarrow{OM}(t)

$$\vec{a}(t)=\frac{d\vec{V}}{dt}=\frac{d^2\overrightarrow{OM}}{dt^2}$$

Explication

L’accélération instantanée est la dérivée temporelle de la vitesse, donc la dérivée seconde de la position. La dérivée première de la position correspond à la vitesse.

21. Dans le repère de Frenet, quelles sont les composantes tangentielle et normale de l’accélération ?

aT=dρdta_T=\frac{d\rho}{dt} et aN=vρa_N=v\rho
aT=dvdta_T=\frac{dv}{dt} et aN=v2ρa_N=\frac{v^2}{\rho}
aT=vρa_T=v\rho et aN=dρdta_N=\frac{d\rho}{dt}
aT=v2ρa_T=\frac{v^2}{\rho} et aN=dvdta_N=\frac{dv}{dt}

$$a_T=\frac{dv}{dt}$$ et $$a_N=\frac{v^2}{\rho}$$

Explication

La composante tangentielle traduit la variation de la valeur de la vitesse, tandis que la composante normale dépend de la courbure selon v2/ρv^2/\rho. Inverser ces deux expressions attribue à chaque direction un effet qui relève de l’autre.

22. Quelles propriétés caractérisent un mouvement rectiligne uniforme ?

Une trajectoire droite, une vitesse variable et une accélération constante
Une trajectoire droite, une vitesse nulle et une accélération variable
Une trajectoire courbe, une vitesse constante et une accélération normale
Une trajectoire droite, une vitesse constante et une accélération nulle

Une trajectoire droite, une vitesse constante et une accélération nulle

Explication

Un mouvement rectiligne uniforme combine une trajectoire droite, une vitesse constante et une accélération nulle. Une accélération constante non nulle correspond plutôt au mouvement rectiligne uniformément varié.

23. Un mobile suit un mouvement rectiligne uniforme avec une vitesse algébrique constante VxV_x et une position initiale x0x_0 ; quelle est son équation horaire ?

x(t)=Vxt+x0x(t)=V_xt+x_0
x(t)=Vxt2+x0x(t)=V_xt^2+x_0
x(t)=x0Vxtx(t)=\frac{x_0}{V_x}t
x(t)=12Vxt2+x0x(t)=\frac{1}{2}V_xt^2+x_0

$$x(t)=V_xt+x_0$$

Explication

Dans un mouvement rectiligne uniforme, la position varie linéairement avec le temps selon x(t)=Vxt+x0x(t)=V_xt+x_0. Un terme en t2t^2 caractérise une évolution liée à une accélération constante.

24. Pour un mouvement rectiligne uniformément varié, quelles expressions donnent la vitesse et la position en fonction du temps ?

Vx(t)=axt2+V0xV_x(t)=a_xt^2+V_{0x} et x(t)=axt+V0x+x0x(t)=a_xt+V_{0x}+x_0
Vx(t)=12axt2+V0xtV_x(t)=\frac{1}{2}a_xt^2+V_{0x}t et x(t)=axt+x0x(t)=a_xt+ x_0
Vx(t)=axt+V0xV_x(t)=a_xt+V_{0x} et x(t)=12axt2+V0xt+x0x(t)=\frac{1}{2}a_xt^2+V_{0x}t+x_0
Vx(t)=V0xV_x(t)=V_{0x} et x(t)=12axt2+x0x(t)=\frac{1}{2}a_xt^2+x_0

$$V_x(t)=a_xt+V_{0x}$$ et $$x(t)=\frac{1}{2}a_xt^2+V_{0x}t+x_0$$

Explication

Avec une accélération constante, la vitesse est affine en temps et la position comporte un terme quadratique. La proposition qui conserve une vitesse constante ne décrit pas un mouvement uniformément varié général.

25. Comment reconnaître qu’un mouvement rectiligne est accéléré plutôt qu’uniformément retardé ?

Il est accéléré si a⃗⋅v⃗>0\vec{a}\cdot\vec{v}>0 et retardé si a⃗⋅v⃗<0\vec{a}\cdot\vec{v}<0
Il est accéléré si a⃗=v⃗\vec{a}=\vec{v} et retardé si a⃗=−v⃗\vec{a}=-\vec{v}
Il est accéléré si a⃗⋅v⃗=0\vec{a}\cdot\vec{v}=0 et retardé si a⃗⋅v⃗>0\vec{a}\cdot\vec{v}>0
Il est accéléré si a⃗⋅v⃗<0\vec{a}\cdot\vec{v}<0 et retardé si a⃗⋅v⃗>0\vec{a}\cdot\vec{v}>0

Il est accéléré si $$\vec{a}\cdot\vec{v}>0$$ et retardé si $$\vec{a}\cdot\vec{v}<0$$

Explication

Un produit scalaire positif signifie que l’accélération augmente la vitesse dans le sens du mouvement, tandis qu’un produit négatif indique un ralentissement. Un produit scalaire nul signale plutôt l’absence de variation de la valeur de la vitesse dans cette direction.

26. Quelle caractéristique définit un mouvement rectiligne sinusoïdal ?

Une trajectoire elliptique et une abscisse x(t)=Xmsin⁡(ωt)x(t)=X_m\sin(\omega t)
Une trajectoire droite et une abscisse x(t)=Vxt+x0x(t)=V_xt+x_0
Une trajectoire circulaire et une abscisse x(t)=Xmt2x(t)=X_m t^2
Une trajectoire droite et une abscisse x(t)=Xmcos⁡(ωt+φ)x(t)=X_m\cos(\omega t+\varphi)

Une trajectoire droite et une abscisse $$x(t)=X_m\cos(\omega t+\varphi)$$

Explication

Ce mouvement se déroule sur une droite et son abscisse varie selon une fonction cosinus caractérisée par une amplitude, une pulsation et une phase. Une loi affine en temps décrit plutôt un mouvement rectiligne uniforme.

27. Un mouvement rectiligne sinusoïdal est décrit par x(t)=Xmcos⁡(ωt+φ)x(t)=X_m\cos(\omega t+\varphi) ; quelle est sa vitesse maximale ?

Vmax⁡=ω2XmV_{\max}=\omega^2X_m
Vmax⁡=ωXmV_{\max}=\omega X_m
Vmax⁡=Xm+ωV_{\max}=X_m+\omega
Vmax⁡=XmωV_{\max}=\frac{X_m}{\omega}

$$V_{\max}=\omega X_m$$

Explication

La dérivation de la position donne v(t)=−ωXmsin⁡(ωt+φ)v(t)=-\omega X_m\sin(\omega t+\varphi), dont la valeur maximale est ωXm\omega X_m. Le facteur ω2\omega^2 intervient dans l’accélération, pas dans la vitesse.

28. Quelle équation relie l’accélération et la position dans un mouvement rectiligne sinusoïdal ?

a(t)=ωx(t)a(t)=\omega x(t)
a(t)=−x(t)ω2a(t)=-\frac{x(t)}{\omega^2}
a(t)=ω2+x(t)a(t)=\omega^2+x(t)
a(t)=−ω2x(t)a(t)=-\omega^2x(t)

$$a(t)=-\omega^2x(t)$$

Explication

L’accélération est proportionnelle à l’opposé de la position, ce qui s’écrit a(t)=−ω2x(t)a(t)=-\omega^2x(t). La relation a=ωxa=\omega x ne contient ni le bon facteur de pulsation ni le signe indiquant le rappel vers l’équilibre.

29. Quelle caractéristique distingue un mouvement circulaire uniformément varié d’un mouvement circulaire uniforme ?

Sa position angulaire reste constante et sa vitesse angulaire augmente régulièrement
Sa vitesse angulaire varie uniformément et son accélération angulaire reste constante
Son accélération linéaire reste constante et sa position angulaire varie sinusoïdalement
Sa vitesse angulaire reste constante et son accélération angulaire varie uniformément

Sa vitesse angulaire varie uniformément et son accélération angulaire reste constante

Explication

Dans un mouvement circulaire uniformément varié, l’accélération angulaire est constante, ce qui rend la vitesse angulaire affine en fonction du temps. Le mouvement circulaire uniforme se caractérise plutôt par une vitesse angulaire constante, et non par une accélération angulaire variable.

30. Pour un mouvement circulaire uniformément varié, comment calculer la vitesse angulaire à l’instant tt à partir de l’accélération angulaire et de la vitesse initiale ?

θ˙(t)=θ¨t2+θ˙0\dot{\theta}(t)=\ddot{\theta}t^2+\dot{\theta}_0
θ˙(t)=θ˙0θ¨t\dot{\theta}(t)=\frac{\dot{\theta}_0}{\ddot{\theta}t}
θ˙(t)=12θ¨t2+θ˙0t\dot{\theta}(t)=\frac{1}{2}\ddot{\theta}t^2+\dot{\theta}_0t
θ˙(t)=θ¨t+θ˙0\dot{\theta}(t)=\ddot{\theta}t+\dot{\theta}_0

$$\dot{\theta}(t)=\ddot{\theta}t+\dot{\theta}_0$$

Explication

La vitesse angulaire est une fonction affine du temps : l’accélération angulaire constante est multipliée par tt, puis la vitesse initiale est ajoutée. Une dépendance en t2t^2 correspondrait à une intégration supplémentaire, comme dans l’équation de la position angulaire.

31. Quelle équation donne la position angulaire d’un mouvement circulaire uniformément varié en fonction du temps ?

θ(t)=12θ¨t2+θ˙0+θ0t\theta(t)=\frac{1}{2}\ddot{\theta}t^2+\dot{\theta}_0+\theta_0t
θ(t)=θ¨t2+θ˙0t+θ0\theta(t)=\ddot{\theta}t^2+\dot{\theta}_0t+\theta_0
θ(t)=θ¨t+θ˙0+θ0\theta(t)=\ddot{\theta}t+\dot{\theta}_0+\theta_0
θ(t)=12θ¨t2+θ˙0t+θ0\theta(t)=\frac{1}{2}\ddot{\theta}t^2+\dot{\theta}_0t+\theta_0

$$\theta(t)=\frac{1}{2}\ddot{\theta}t^2+\dot{\theta}_0t+\theta_0$$

Explication

L’équation horaire angulaire comprend un terme quadratique dû à l’accélération angulaire, un terme linéaire dû à la vitesse initiale et la position angulaire initiale. La formule qui omet le facteur 12\frac{1}{2} ou associe incorrectement les termes aux conditions initiales ne respecte pas cette intégration.

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Qu'est-ce que la cinématique en physique ?

La partie de la physique qui étudie le mouvement d’un point matériel sans ses causes.

Quelles caractéristiques du mouvement étudie la cinématique ?

La position, la vitesse et l’accélération.

Qu'est-ce que le mouvement traduit ?

Un changement de position dans l’espace et dans le temps.

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