La vitesse : cours de 4e

Dans la vie de tous les jours, le mot « vitesse » sert à beaucoup de choses : on dit qu'on mange vite, qu'on range sa chambre vite, qu'on grandit vite. Les chercheurs en didactique ont d'ailleurs noté que le langage courant l'associe à n'importe quelle action menée rapidement ⁵. En physique, le sens est plus précis : la vitesse est d'abord liée au déplacement d'un objet ⁵.

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• définir la vitesse et utiliser la relation entre vitesse, distance et durée ;
• choisir la bonne unité et convertir des m/s en km/h ;
• décrire une vitesse complète (valeur, direction, sens) ;
• reconnaître un mouvement uniforme et un mouvement dont la vitesse varie ;
• calculer une vitesse moyenne.

Tu as déjà vu, avant ce chapitre, que le mouvement dépend du point de vue de l'observateur : c'est la relativité du mouvement. Le programme demande de distinguer le mouvement du repos en choisissant un objet de référence ¹. On en aura besoin ici : une vitesse se mesure toujours par rapport à une référence.

Pourquoi une division ? Parce que la vitesse ne se lit pas sur un appareil comme une longueur sur une règle. C'est une grandeur « dérivée » : on ne la mesure pas directement, on la déduit de deux mesures plus simples, la distance et la durée ⁵.

Imagine deux élèves qui courent. Le premier couvre 60 m en 10 s, le second 60 m en 12 s. Ils ont fait la même distance, mais le premier a mis moins de temps : il va plus vite. À l'inverse, si deux élèves courent pendant 10 s et que l'un parcourt 60 m quand l'autre en parcourt 50 m, le premier va plus vite. La vitesse tient donc compte des deux grandeurs à la fois.

L'unité de vitesse vient directement de la formule : on divise une longueur par une durée, donc l'unité est une longueur par une durée. L'unité internationale est le mètre par seconde (m/s). Pour les véhicules, on utilise souvent le kilomètre par heure (km/h) ⁶. Le programme demande aussi de connaître des ordres de grandeur de vitesses ¹ : un piéton marche à environ 5 km/h, une voiture roule en ville à 50 km/h, un TGV dépasse 250 km/h.

Cette relation relie trois grandeurs : si tu en connais deux, tu peux trouver la troisième. Le programme demande justement d'appliquer ce lien entre vitesse, distance et durée pour un mouvement uniforme ¹. Voici deux situations types.

Dire qu'une voiture roule à 80 km/h donne seulement la valeur de sa vitesse. Or une voiture peut rouler à 80 km/h vers le nord ou vers le sud, sur une route droite ou dans un virage. Pour décrire complètement la vitesse d'un objet, le programme demande donc trois informations : sa valeur, sa direction et son sens ¹.

La trajectoire est le chemin suivi par l'objet. Le programme cite deux types de mouvements simples : le mouvement rectiligne, dont la trajectoire est une droite, et le mouvement circulaire, dont la trajectoire est un cercle ¹. Dans un mouvement circulaire, même si la valeur de la vitesse ne change pas, la direction change à chaque instant.

Un mouvement parfaitement uniforme est rare dans la réalité. On l'utilise comme modèle : sur un tronçon d'autoroute dégagé, une voiture avec régulateur de vitesse s'en approche. Dès qu'il y a des virages, des feux ou des freinages, la vitesse varie.

Il est presque impossible de connaître la vitesse à chaque instant d'un trajet, et il est difficile d'imaginer qu'une vitesse soit rigoureusement constante ⁴. On a donc besoin d'un outil plus simple : la vitesse moyenne.

La notion de vitesse prépare le chapitre suivant. Pour qu'un objet change de vitesse, ou de direction, quelque chose doit agir sur lui : c'est l'idée d'interaction. Le programme relie d'ailleurs le mouvement à la notion d'interaction ³. Tu verras bientôt les forces, qui expliquent pourquoi la vitesse d'un objet varie.