1 1. Satellite circulaire :
Un satellite suit une orbite circulaire autour de la Terre, d’altitude h.
On donne R = 6370 km pour le rayon terrestre et K = 6,67.10
-11u.s.i. constante universelle de gravitation et la masse de la Terre M = 5,97.10
24kg.
a) Montrer à l’aide du théorème du moment cinétique que le mouvement est uniforme. Déterminer la vitesse du satellite à partir de la RFD. Calculer numériquement la vitesse v
oet la période T
od’un satellite en orbite basse, soit pour h << R.
b) La terre accomplit une rotation sur son axe en une durée j
Snommée jour sidéral, avec j
S= 8,61.10
4s.
Dans quelle condition d’orbite aura-t-on un satellite géostationnaire ?
Réponse : a) v² = KM/(R+ h). v
o= 7920 m/s = 28500 km/h. T
o= 1h 24 mn 37 s (application directe du cours).
b) cours.
2. Sonde spatiale :
a. Une sonde spatiale de masse m = 200 kg a été placée sur une orbite circulaire d’altitude h = 300 km.
Quelle est l’énergie supplémentaire ∆E à lui communiquer pour que cette sonde puisse explorer le système solaire, c’est à dire se libérer de l’attraction terrestre ? Quelle est alors sa vitesse v
1dans le référentiel géocentrique ? On donne K = 6,67.10
-11u.s.i. constante universelle de gravitation et la masse de la Terre M = 5,97.10
24kg. Le rayon terrestre est de R = 6370 km.
b. Cette vitesse a été communiquée dans une direction tangente à sa trajectoire circulaire autour de la Terre. Est-ce que cette sonde pourra quitter le système solaire ? On donne le rayon orbital de la Terre autour du Soleil a = 1,5.10
11m, et l’on connaît la durée d’une année terrestre.
Réponse : a. ∆E > GMm/2(R + h) ; v
1= 1,09.10
4m.s
-1; b. vitesse v
2dans le référentiel héliocentrique : v
2= v
1+ v
Toù v
Test la vitesse de la Terre. M
Smasse du Soleil à partir de la 3° loi de Kepler. v
T=(GM
S/a)
1/2. v
2= 4,1. 10
4m.s
-1. Vitesse pour quitter l’attraction solaire v
3= (2GM
S/a)
1/2légèrement supérieure à v
2.
3. Atome de Bohr :
Soit un proton de charge +e, fixe dans le référentiel d’étude, et un électron de charge –e, animé d’un mouvement circulaire uniforme autour du proton.
1°) Montrer que le mouvement est nécessairement plan. Dans l’hypothèse d’un mouvement circulaire, montrer à l’aide du TMC que le mouvement sera alors nécessairement uniforme.
2°) L’expérience montre que l’énergie totale du système est quantifiée, c’est à dire qu’elle peut se mettre sous la forme : E = -K/n² où n est un entier positif et K une constante positive ne dépendant que des caractéristiques du système.
Montrer que le rayon de la trajectoire est quantifié, selon la loi r = n².a
ooù a
oest le rayon de Bohr, que l’on exprimera en fonction de e, K et
o= 8,84.10
-12usi.
3°) Montrer que le moment cinétique L de l’électron par rapport au proton est aussi quantifié.
4°) Pour l’hydrogène, K = 13,6 eV. Calculer a
o. Quelles sont les valeurs possibles pour L ?
Réponse : E = Ec + Ep = mv²/2 – e²/(4
or). En écrivant la RFD, on exprime v, et l’on peut tirer r = e²n²/(8
oK). Le rayon orbital est quantifié.
On a ici : L = mvr, donc L = nL
1avec : L
1= cste. Le moment cinétique est quantifié
2 4.
Expérience de Rutherford:
Une particule chargée, de charge +2e et de masse m (noyau d’hélium He
2+, dite particule α ), est projetée avec une vitesse v
oet un paramètre d’impact b (voir schéma) en direction d’une particule de masse M et de charge +Ze (noyau métallique), à partir d’une position très éloignée de ce noyau.
a. Exprimer la force d’interaction existant entre ces deux particules.
Le noyau métallique étant beaucoup plus massique que la particule α, on peut le considérer comme immobile dans le référentiel d’étude, supposé galiléen.
Montrer que le mouvement étudié est plan. Donner l’expression du moment cinétique du mobile en coordonnées polaires, et donner sa valeur en fonction de m, b et v
o.
b. Une étude plus complète permet de montrer que la particule α va suivre une trajectoire correspondant à une branche d’hyperbole. Justifier que ce mouvement est conservatif.
Ecrire la conservation de l’énergie mécanique, et montrer que l’utilisation du théorème du moment cinétique conduit à construire une fonction énergie potentielle effective E
peff(r) telle que l’énergie mécanique s’explicite sous la forme : E
m= E
peff(r) + 𝑚𝑟̇².
c. Tracer une allure du graphe E
peff(r) et visualiser la position correspondant à r
min. A quel niveau le paramètre d’impact b intervient-il implicitement sur ce graphe ?
d. Déduire une relation entre v
o, le rayon r
mincorrespondant à la distance minimale d’approche et la vitesse v
mindans cette dernière situation et en tirer l’expression de r
minen fonction des différents paramètres du problème.
Réponse : a. F = 2Ze²/(4 or²). force centrale, L = cste. (voir cours). L = mr²(d /dt) = mbv
o. b. voir cours. c. voir cours. d.
𝑟 = 1 2
𝑍𝑒²
𝑚𝑣 ²𝜋𝜀 ± 𝑍𝑒²
𝑚𝑣 ²𝜋𝜀 + 4𝑏²
5. Vitesse d’un météore.
Un météore de masse m arrive avec une vitesse incidente v
oet un paramètre d’impact b (voir schéma) en direction d’une planète de masse M = 6,0.10
24kg (Terre). Sa position initiale est suffisamment éloignée de la planète pour négliger alors l’attraction gravitationnelle.
a. Exprimer la force d’interaction existant entre ces deux corps célestes. On donne G = 6,67.10
-11usi.
La planète étant beaucoup plus massique que le météore, on peut la considérer comme immobile dans le référentiel d’étude, supposé galiléen.
Montrer que le mouvement étudié est plan. Donner l’expression du moment cinétique du mobile en coordonnées polaires, et donner sa valeur en fonction de m, b et v
o.
b. Une étude plus complète permet de montrer que le météore va suivre une trajectoire correspondant à une branche d’hyperbole. Justifier que ce mouvement est conservatif. A quel niveau sa vitesse sera-t-elle maximale ?
vo
= b
3 arrive à la même conclusion en prenant en compte le caractère central de la force d’attraction.
c. En exploitant la conservation de l’énergie, établir une relation entre v
o, le rayon r
mincorrespondant à la distance minimale d’approche et la vitesse v
1dans cette dernière situation et en tirer l’expression de r
minen fonction des différents paramètres du problème. Evaluer v
1.
Données : v
o= 5,0 km.s
-1, b = 2,3.10
7m.s
-1. M = 6,0.10
24kg.
Réponse :
a. En module : F = GMm/r². force centrale, L = cste. (voir cours). L = mr²(d/dt) = mbv
o.
b. mouvement à force centrale, conservation du moment cinétique, vitesse maximale quand le rayon est minimal. Du point de vue énergétique, même conclusion car au rayon minimal l’énergie potentielle sera minimale, donc l’énergie cinétique sera maximale.
c. r
min= 1,2.10
7m (≈ 2 rayons terrestres). L = mr
m.v
1donne v
1.
6. Mouvement d’un satellite terrestre :
On assimile la Terre à une sphère de centre O, de rayon R = 6400 km et de masse M et le satellite à un point matériel(S, m) avec m = 1,0.10
3kg. On suppose le référentiel géocentrique galiléen.
1°) Montrer que le moment cinétique L
en O du satellite est une constante du mouvement. On utilise les coordonnées cylindriques (O, r, , z) avec e
ztel que L Le
z.
Montrer que le mouvement est plan et exprimer la quantité r²d/dt en fonction de L et m. Comment nomme-t- on cette grandeur ?
2°) On peut montrer que l’équation polaire de la trajectoire peut se mettre sous la forme :
o
e r p
cos . ) 1
( .
où p et e sont des paramètres fixés par les conditions initiales déterminant la trajectoire. La quantité θ
otraduit le choix d’une origine pour l’angle polaire θ. Tracer l’allure de cette trajectoire elliptique. On notera O la position du centre de la Terre.
3°) Application : trajectoire du satellite Hipparcos. Ce satellite d’observations astronomiques devait être placé sur une orbite géostationnaire, à une altitude H = 36000 km. Un problème de mise à feu du moteur d’apogée a laissé Hipparcos sur son orbite de transfert.
L’utilisation des moteurs de positionnement a permis de le placer finalement sur une orbite elliptique de grande excentricité, son altitude variant entre h = 500 km (périgée) et H = 36000 km (apogée).
Exprimer et calculer e et p en fonction de h, H et R. Calculer le demi-grand axe a de la trajectoire.
4°) Quelle est la période orbitale du satellite ? On donne G = 6,67.10
-11usi et la masse terrestre M = 5,97.10
24kg.
5°) Quelle serait la quantité d’énergie nécessaire, par unité de masse, pour pouvoir placer le satellite sur l’orbite géostationnaire prévue, d’altitude H ?
Réponse : 1°) 2°) voir cours. 3°) h + R = p/(1+e) et H + R = p/(1-e) ; on tire p = 1,2.10
4km et e = 0,72.
4°) 3° loi de Kepler. 5°) ∆E = -GMm/2r
géo– GMm/2a
4 7. Masse de la Terre :
a. La valeur du champ de gravitation à la surface de la Terre est g = 9,81 m/s², le rayon terrestre R = 6,40.106 m, la constante de gravitation universelle G = 6,672.10
-11u.s.i. On sait que le champ de gravitation terrestre varie en raison inverse du carré de la distance r au centre de la Terre. En déduire la masse M de la Terre supposée sphérique et homogène.
b. Comparer le résultat obtenu avec celui déduit de l'étude du mouvement de la Lune : celle-ci, située à la distance a = 3,86.10
8m du centre de la Terre effectue un tour complet autour de la Terre en environ 2,36.10
6s (27 jours et 7 heures). On admet que le centre de la Terre peut être considéré comme l'origine d'un référentiel galiléen.
Réponse : a. Le module du champ de gravitation terrestre répond à G (r) = GM/r², avec à la surface de la Terre : G (r = R) = GM/R² = g valeur du champ de pesanteur. D’où M = gR²/G.
b. Par l'étude du mouvement de la Lune : M = 4 ²a3/(kT)². D'où m = 6,02.10
24kg.
8. Vitesses de périhélie et d'aphélie :
La trajectoire de la Terre autour du Soleil est une ellipse d'excentricité e = 0,0167 et de demi-grand axe
a = 1,50.1011 m. La surface S circonscrite par l’orbite elliptique s’exprime par S = π.a.b où b est le demi-petit axe. On montre géométriquement que : 𝑏 = 𝑎 1 − 𝑒². La durée de révolution est de T = 365,25 jours terrestres.
Calculer les valeurs maximales et minimales de la vitesse de la Terre sur son orbite.
Réponse : L’étude de la trajectoire en utilisant l'équation polaire d'une ellipse donne les rayons des périhélie et aphélie ra = a(1 + e) et rp = a(1 - e). Par la loi des aires : /m = va.ra = vp.rp = C = dS= dt = cste = 2( ab)/T.
Les valeurs a, b et e caractérisant l'ellipse sont liées par : 𝑏 = 𝑎 1 − 𝑒² . D'où va et vp. A.N.: va = 29,4.10
3m/s et vp = 30,4.10
3m/s.
9. Durée d’une saison :
La Terre suit une orbite légèrement elliptique autour du Soleil, d’excentricité e = 0,0167. Sa vitesse de périhélie vaut v
p= 30,4.10
3m.s
-1et le paramètre p de sa trajectoire vaut p = 1,49.10
11m.
On définit la saison « été » comme la durée séparant le passage de la Terre par la position de Solstice d’été S
Eet par la position d’équinoxe d’automne E
A.
Calculer précisément la durée de l’été. Comparer à la durée de l’hiver, défini de façon analogue comme la
S
ES
HE
AE
P5 printemps E
P.Réponse : C = r².(dθ/dt) permet de tirer par intégration :
2
1
² t r d
C