PARTIE B. MECANIQUE CELESTE

Documents pareils
POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Audioprothésiste / stage i-prépa intensif -

Chapitre 9 : Applications des lois de Newton et Kepler à l'étude du mouvement des planètes et des satellites

TS Physique Satellite à la recherche de sa planète Exercice résolu

COTTAZ Céline DESVIGNES Emilie ANTHONIOZ-BLANC Clément VUILLERMET DIT DAVIGNON Nicolas. Quelle est la trajectoire de la Lune autour de la Terre?

MECANIQUE DU POINT. y e y. z e z. ] est le trièdre de référence. e z. où [O, e r. r est la distance à l'axe, θ l'angle polaire et z la côte

La gravitation universelle

TP 03 B : Mesure d une vitesse par effet Doppler

La révolution des satellites de Jupiter

La Mesure du Temps. et Temps Solaire Moyen H m.

3 - Description et orbite d'un satellite d'observation

TD 9 Problème à deux corps

TD de Physique n o 1 : Mécanique du point

Le Soleil. Structure, données astronomiques, insolation.

Parcours Astronomie. Cher Terrien, bienvenue à la Cité des sciences et de l industrie! Voici tes missions :

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

DM n o 8 TS Physique 10 (satellites) + Chimie 12 (catalyse) Exercice 1 Lancement d un satellite météorologique

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

Quantité de mouvement et moment cinétique

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

Chap 8 - TEMPS & RELATIVITE RESTREINTE

TRAVAUX DIRIGÉS DE M 6

Mécanique du Point Matériel

Celestia. 1. Introduction à Celestia (2/7) 1. Introduction à Celestia (1/7) Université du Temps Libre - 08 avril 2008

Seconde Sciences Physiques et Chimiques Activité ère Partie : L Univers Chapitre 1 Correction. Où sommes-nous?

livret-guide des séances année scolaire

TOUT CE QUE VOUS AVEZ VOULU SAVOIR SUR MERCURE

Magnitudes des étoiles

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

Economie du satellite: Conception de Satellite, Fabrication de Satellite, Lancement, Assurance, Performance en orbite, Stations de surveillance

Etoiles doubles (et autres systèmes de deux points matériels)

M6 MOMENT CINÉTIQUE D UN POINT MATÉRIEL

Chapitre 7 - Relativité du mouvement

Université de Caen. Relativité générale. C. LONGUEMARE Applications version mars 2014

MATIE RE DU COURS DE PHYSIQUE

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

Panorama de l astronomie. 7. Spectroscopie et applications astrophysiques

Cours IV Mise en orbite

LES LOIS PHYSIQUES APPLIQUÉES AUX DEUX-ROUES : 1. LA FORCE DE GUIDAGE

Le satellite Gaia en mission d exploration

Travaux dirigés de mécanique du point

Sur les vols en formation.

Chapitre 15 - Champs et forces

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL

Lumière zodiacale et nuage zodiacal

Pourquoi la nuit est-elle noire? Le paradoxe d Olbers et ses solutions

MESURE DE LA MASSE DE LA TERRE

Fonctions de plusieurs variables

DURÉE DU JOUR EN FONCTION DE LA DATE ET DE LA LATITUDE

Cours Fonctions de deux variables

Eléments de Relativité générale

Étude et modélisation des étoiles

EFFET DOPPLER EXOPLANETES ET SMARTPHONES.

COMMENT ALLER D'UNE PLANETE A, A UNE PLANETE B DANS UN SYSTEME SOLAIRE?

Physique: 1 er Bachelier en Medecine. 1er juin Duree de l'examen: 3 h. Partie 1: /56. Partie 2 : /20. Nom: N ō carte d étudiant:

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Orthoptiste / stage i-prépa intensif -

Le Système solaire est-il stable?

Mécanique du point et des systèmes matériels Version préliminaire sans garantie DEUG SMA , module PHYS-SP32

Complément d information concernant la fiche de concordance

1 Mise en application

FORMATION DES PERSONNES-RESSOURCES EN SCIENCE ET TECHNOLOGIE LE CYCLE DU JOUR ET DE LA NUIT (CYCLE DIURNE)

AC AB. A B C x 1. x + 1. d où. Avec un calcul vu au lycée, on démontre que cette solution admet deux solutions dont une seule nous intéresse : x =

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

La magnitude des étoiles

Chapitre 2 : Caractéristiques du mouvement d un solide

Mathématiques et petites voitures

Lycée Galilée Gennevilliers. chap. 6. JALLU Laurent. I. Introduction... 2 La source d énergie nucléaire... 2

À TOI DE JOUER! VIVRE EN FRANCE L EXPLORATION DE L ESPACE. 1. Observez ces documents et cochez la bonne réponse.

Mécanique Quantique EL OUARDI EL MOKHTAR LABORATOIRE MÉCANIQUE & ÉNERGÉTIQUE SPÉCIALITÉ : PROCÈDES & ÉNERGÉTIQUE. dataelouardi@yahoo.

TP 2: LES SPECTRES, MESSAGES DE LA LUMIERE

PHYSIQUE Discipline fondamentale

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

Le second nuage : questions autour de la lumière

F411 - Courbes Paramétrées, Polaires

Ondes gravitationnelles de basses fréquences et relativité

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

3 Approximation de solutions d équations

Fonctions de plusieurs variables

Chapitre 1 Cinématique du point matériel

PHYSIQUE-CHIMIE. Partie I - Propriétés de l atome

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

La relativité générale est quelquefois considérée

Examen d informatique première session 2004

Michel Henry Nicolas Delorme

Voyage autour (et a l inte rieur) d un trou noir

Résolution d équations non linéaires

Chapitre 5. Le ressort. F ext. F ressort

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Rayonnements dans l univers

Continuité et dérivabilité d une fonction

Système formé de deux points

LE LIVRE DES KINS L épopée Galactique du libre-arbitre.

La physique aujourd hui : objet, énigmes et défis

Nombre dérivé et tangente

Explorons la Voie Lactée pour initier les élèves à une démarche scientifique

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Exo-planètes, étoiles et galaxies : progrès de l'observation

Transcription:

M3 : Physique en Option Spécifique PARTIE B. MECANIQUE CELESTE Figure 1 : "Les planètes décrivent des orbites en forme d'ellipses dont le Soleil occupe un des foyers." - 1 -

Historique Mouvements Képlériens : Compétences exigibles 1. Les trois de Kepler démonstration de la 2e et 3e (orbite circulaire). 2. Energie potentielle gravitationnelle énoncé et démonstration. 3. Forme de la trajectoire selon le signe de l'énergie mécanique (sans démonstration!) 4. Conservation de l'énergie mécanique et du moment cinétique lien avec le théorème du moment cinétique M = #$ #% = 0. 5. Construction de l'hyperbole avec le grand axe (a) et petit axe (b). 6. Moment cinétique à l'infini sur une hyperbole L = b m v,-. 7. 1ere et 2eme vitesses cosmiques. - 2 -

M3 : Physique en Option Spécifique Table des Matières MOUVEMENTS KEPLERIENS : COMPETENCES EXIGIBLES - 2 - CHAPITRE 1 : MOUVEMENTS DES CORPS CELESTES - 4-1.1 LES LOIS DE KEPLER - 4-1.1.1 HISTORIQUE - 4-1.1.2 LES TROIS LOIS DE KEPLER - 4-1.1.3 DEMONSTRATION DES LOIS DE KEPLER - 9-1.2 TRAJECTOIRES DES CORPS CELESTES EN FONCTION DE LEUR ENERGIE - 11-1.2.1 ENERGIE POTENTIELLE DE GRAVITATION - 11-1.2.2 GRANDEURS CONSERVEES DANS UN MOUVEMENT KEPLERIEN - 13-1.2.3 RAPPELS SUR LES CONIQUES (CRM P. 57) - 14-1.2.4 VITESSES COSMIQUES - 16-1.3 EXERCICES - 18 - - 3 -

Historique Chapitre 1 : Mouvements des corps célestes 1.1 Les lois de Kepler 1.1.1 Historique En 1600, Johannes Kepler se lança dans une étude très approfondie de l orbite de Mars en utilisant les données d observations de Tycho Brahé, les meilleures faites avant 1600. Après 8 ans d études, Kepler arriva à une conclusion révolutionnaire en 1608. Alors qu on pensait depuis près de 20 siècles que les orbites des planètes devaient être des cercles parfaits, sous prétexte que les cieux devaient être parfaits pour refléter la perfection des dieux (ou du Dieu), Kepler montra que les orbites avaient une forme elliptique 1.? http://agregation.capes.free.fr/_ressources_capes2015/physique/4_mecanique/kepler_cea/kepler.swf? http://serge.bertorello.free.fr/astrophy/kepnew/kepnew.html 1.1.2 Les trois lois de Kepler En astronomie, les lois de Kepler décrivent les propriétés principales du mouvement des planètes autour du Soleil, sans les expliquer. Copernic avait soutenu en 1543 que les planètes tournaient autour du Soleil, mais il les laissait sur les trajectoires circulaires du vieux système de Ptolémée hérité de l antiquité grecque. Les deux premières lois de Kepler furent publiées en 1609 et la troisième en 1618. Les orbites elliptiques, telles qu énoncées dans ses deux premières lois, permettent d expliquer la complexité du mouvement apparent des planètes dans le ciel sans recourir aux épicycliques du modèle ptoléméen. Peu après, Isaac Newton découvrit en 1687 la loi de l attraction gravitationnelle (ou gravitation), celle-ci induisant, par le calcul, les trois lois de Kepler.? http://astro.unl.edu/naap/pos/animations/kepler.swf Première loi de Kepler ou loi des orbites La trajectoire des planètes autour du soleil est plane et décrit une ellipse. Le soleil se trouve sur un foyer. 1 La Gravitation, L. Tremblay, College Merci, Quebec - 4 -

M3 : Physique en Option Spécifique Figure 2 : Orbites elliptiques des planètes du système solaire 2. 1.1.2.1 Excentricité des orbites 2 http://astro.unl.edu/naap/pos/animations/kepler.swf - 5 -

Les trois lois de Kepler 1.1.2.2 Vocabulaire et unités astronomiques - Périapse ou périapside est le point de l orbite d un objet céleste où la distance est minimale par rapport au foyer de cette orbite. - Apoapse ou apoapside est le point de l'orbite d'un objet céleste où la distance est maximale par rapport au foyer de l'orbite. - Apogée : position d un satellite lorsqu il se trouve au plus loin de la Terre sur une orbite elliptique autour de la Terre. - Périgée : position d un satellite lorsqu il se trouve au plus proche de la Terre sur une orbite elliptique autour de la Terre. - Aphélie : position d un satellite lorsqu il se trouve au plus loin du Soleil sur une orbite elliptique autour du Soleil. - Périhélie : position d un satellite lorsqu il se trouve au plus proche du Soleil sur une orbite elliptique autour du Soleil. - Année-lumière (AL) : distance parcourue par la lumière pendant une année(1 AL = 9,46 10 67 m) - Unité astronomique (UA) : distance Terre-Soleil (1 UA = 1,496 10 66 m) - Parsec (pc) : distance à laquelle 1 UA sous-tend un angle d une seconde. Autrement dit, la distance à partir de laquelle on verrait la distance terre -soleil, sous un angle d'une seconde d'arc (1 pc = 3,085 10 6? m 3.2616 AL) 1.1.2.3 Propriétés des orbites elliptiques r H + r F = 2a a = J KLJ M N e = J MPJ K J M LJ K et c = J MPJ K N a : demi-grand axe b : demi petit-axe c : distance au centre e = E F : excentricité r F : distance à l apoapside (point le plus éloigné de l astre central) r H : distance au périapside (point le plus proche de l astre central) - 6 -

M3 : Physique en Option Spécifique Deuxième loi de Kepler ou loi des aires L aire balayée par le rayon vecteur d une planète en des temps égaux est constante. Autre formulation : La vitesse aréolaire est constante. Troisième loi de Kepler ou loi des périodes Pour toutes les planètes, le rapport entre le cube du demi grand axe de la trajectoire et le carré de la période est identique et proportionnel à la masse de l astre central. a demi-grand axe de l orbite [m] T: période orbitale [s] a Q G M = TN 4π N G: constante universelle de gravitation (G = 6.67 10 P66 N. m N kg PN ) M: masse de l astre central [kg] - 7 -

Les trois lois de Kepler 1.1.2.4 Détection des exoplanètes En réalité le mouvement est décrit autour du centre de masse Soleil-Planète qui se situe à l intérieur du Soleil. De fait, le Soleil décrit aussi un mouvement autour du CDM. De manière plus générale, c est ce mouvement de l étoile centrale autour du centre de masse du système planétaire qui permet la détection indirecte des exoplanètes par effet Doppler-Fizeau sur les raies spectrales de l étoile centrale.? https://exoplanets.nasa.gov/interactable/11/ Figure 3 : Le principe de la détection d'une exoplanète par la mesure d'un décalage spectral par effet Doppler-Fizeau. Eso - 8 -

M3 : Physique en Option Spécifique 1.1.3 Démonstration des lois de Kepler 1.1.3.1 Théorème du moment cinétique 1.1.3.2 Mouvement des corps soumis à une force centrale - 9 -

Démonstration des lois de Kepler 1.1.3.3 Loi des aires La démonstration est basée sur la conservation du moment cinétique. L aire infinitésimale ds balayée par le vecteur r pendant le déplacement ds est égale à la moitié de la norme du produit vectoriel En divisant ds par le temps infinitésimal dt (durée du déplacement dr), on obtient la dérivée de l aire par rapport au temps (taux de variation de l aire par seconde) Cette dérivée s appelle la vitesse aréolaire. (1) D autre part : (2) En combinant (1) et (2), on obtient : Remarque : La loi des aires, observée par J. Kepler en 1609, est en réalité une propriété générale de tout mouvement à force centrale, car il ne fait intervenir que la propriété de conservation du moment cinétique. Exemples : Force électrique et modèles de l atome de Rutherford et de Bohr. - 10 -

M3 : Physique en Option Spécifique 1.1.3.4 Loi des périodes Démonstration dans le cas d une trajectoire circulaire : 1.2 Trajectoires des corps célestes en fonction de leur énergie 1.2.1 Energie potentielle de gravitation 1.2.1.1 Travail d une force variable - 11 -

Energie potentielle de gravitation 1.2.1.2 Energie potentielle et travail i. Définition de l énergie potentielle ii. Energie potentielle de gravitation calcul de l'énergie gravitationnelle (Merici, Astro, Chap-1-Rappels, p15) - 12 -

M3 : Physique en Option Spécifique 1.2.2 Grandeurs conservées dans un mouvement képlérien L énergie mécanique d un satellite est constante E^_E = 1 2 mvn GMm r = constante Le moment cinétique d un satellite est constant L = r p = m 1. La conservation de l énergie mécanique provient du fait qu il s agit de système conservatif soumis à des forces conservatives (force de Gravitation). 2. La conservation du moment cinétique vient du fait que la force de gravitation est une force v 2 centrale. Son moment de force est nul, ce qui entraîne que la dérivée du moment cinétique est nulle, donc que a b (90 ) le moment cinétique est r 1 constant. (Théorème du r 2 moment cinétique) v 1 L énergie sur une orbite elliptique peut s exprimer en fonction du grand axe (2a) de l ellipse. E^éE = GMm 2a Preuve pour une trajectoire circulaire de rayon r - 13 -

Rappels sur les coniques (CRM p. 57) 1.2.2.1 Trajectoires en fonction de l énergie? https://phet.colorado.edu/sims/my-solar-system/my-solar-system_en.html E^_E < 0 La trajectoire est une ellipse E^_E = 0 La trajectoire est une parabole E^_E > 0 La trajectoire est une hyperbole 1.2.3 Rappels sur les coniques (CRM p. 57) On appelle conique de foyer F, d excentricité e, et de directrice D, l ensemble des points M du plan P tels que : MF=e d(m,d) où d(m,d) est la distance de M à la droite D. 0 e < 1: ellipse e = 1 parabole e > 1 hyperbole 1.2.3.1 L ellipse Étant donnés deux points fixes F et F, on appelle ellipse l ensemble des points du plan dont la somme des distances à F et F est constante. Une ellipse est l ensemble des points M tels que MF + MF = 2a F et F : foyers a : demi-grand axe b : demi-petit axe S et S : sommets O : centre. e : excentricité e = qr qs - 14 -

M3 : Physique en Option Spécifique 1.2.3.2 L Hyperbole Étant donnés deux points fixes F et F, on appelle hyperbole l ensemble des points du plan dont la différence des distances à F et F est constante. Une hyperbole est l ensemble des points M tels que MF MF = 2a F et F : foyers a : demi-grand axe b : demi-petit axe S et S : sommets O : centre. Remarque : Une hyperbole possède 2 asymptotes. b est aussi la distance entre le foyer et l asymptote 1.2.3.3 La Parabole Une parabole est l ensemble des points M tels que MM = MF Remarque : Une parabole n a pas d asymptote. M - 15 -

Vitesses cosmiques 1.2.3.4 Expression analytique des coniques 1.2.3.5 Moment cinétique à l infini (hyperbole) A l infini, la vitesse du satellite est pratiquement tangente à l asymptote. L = r t mv t sin α et r t sin α = b L = bmv t v inf a r inf b 1.2.4 Vitesses cosmiques 1.2.4.1 Première vitesse cosmique ou vitesse circulaire La première vitesse cosmique représente la vitesse de satellisation minimale autour de la Terre. v E,J = GM R z - 16 -

M3 : Physique en Option Spécifique C est donc la vitesse d un satellite à la surface de Terre. 1.2.4.2 Deuxième vitesse cosmique ou vitesse de libération. Vitesse de libération La vitesse de libération est la vitesse minimale à laquelle il faut lancer un corps depuis la surface d un astre pour qu il échappe à l attraction gravitationnelle de l astre. Vitesse de Libération v {, = 2GM E Rc Cas de la Terre - 17 -

Vitesses cosmiques 1.3 Exercices Ex. 1. La comète de Halley se déplace sur orbite dont les distances à l aphélie et au périhélie sont de r a = 35,295 UA et r p = 0,587 UA. a. Quelle est l excentricité de cette orbite? b. Quel est le demi-grand axe (a) de cette orbite? c. Quelle est la période de la comète? Rép: a)0.9673 b) 17.941 UA c) 76.08 ans Ex. 2. On veut lancer un satellite artificiel de façon qu il reste toujours, en MCU, à la verticale du même point de la surface de la Terre (satellite de télécommunication géostationnaire). a) Dans quel plan doit tourner ce satellite? b) A quelle altitude et à quelle vitesse doit-il être placé en orbite? Ex. 3. Le soleil se trouve à environ 30'000 années lumières du centre de notre Galaxie. Le système solaire met environ 2,5 10 8 années pour effectuer une rotation complète. a) Utiliser la loi de la Gravitation Universelle et les lois de Newton pour déterminer la masse approximative de notre Galaxie en considérant notre système solaire comme un satellite de la Galaxie. b) Déterminer statistiquement le nombre d étoiles de Galaxie en posant les hypothèses nécessaires. - 18 -

M3 : Physique en Option Spécifique Ex. 4. (Maturité suisse, automne 2001) Deux satellites de même masse m tournent autour de la terre (masse M) en suivant des orbites circulaires de rayon 2R pour le satellite (1) et 3R pour le satellite (2). Déterminer les rapports des périodes T 1 /T 2. Ex. 5. Un satellite décrit une trajectoire elliptique autour de la terre. Lorsqu il se trouve à son périgée, sa vitesse vaut 9 km/s et son altitude au dessus de la terre, 600 km. a) Calculer sa vitesse et son altitude lorsqu il est à son apogée. b) Calculer les demi-axes de l ellipse et sa vitesse aux extrémités du petit axe. Rép: a) 3576 m/s; 10610 km. b) a=11605 km; b=10470 km; v=5673 m/s. Ex. 6. Une comète passe dans le champ de gravitation du soleil en décrivant une branche d hyperbole dont les demi-axes valent a=4x10 10 m et b=3x10 10 m. a) Calculer sa vitesse lorsqu elle est très loin du soleil. b) Calculer sa distance minimale au soleil ainsi que sa vitesse à cet endroit. Rép: 5,76x10 4 m/s; 10 10 m ; 1,73x10 5 m/s. Ex. 7. La planète Mercure décrit autour du soleil une ellipse de demi-axes a=5,79x10 10 m et b=5,66x10 10 m. Calculer ses vitesses maximale et minimale, et sa distance au soleil lorsque ces situations se réalisent. Ex. 8. Un astéroïde de masse m = 100 kg se déplace sur une orbite elliptique autour de la terre. En A, la vitesse de l astéroïde est parallèle au grand axe de l ellipse. L altitude de B vaut 5000 km. La période de révolution de l astéroïde vaut 8 h. a) Vérifier que le grand axe 2a de l ellipse vaut 40400 km. b) Calculer l altitude et la vitesse de l astéroïde lorsqu il se trouve en A. c) Que vaut la vitesse du satellite en B? Rép: 59480 m/s; 38780 m/s; 4,57x10 10 m;7,01x10 10 m. Ex. 9. Une météorite passe à une vitesse de 6 km/s en un point situé à une altitude de 30'000 km au-dessus de la surface de la terre. Elle s approche de la terre en décrivant une trajectoire non rectiligne. - 19 -

Vitesses cosmiques a) Calculer sa vitesse lorsqu elle a une altitude de 1000 km. b) Indiquer le nom de sa trajectoire en justifiant votre réponse. c) Calculer la vitesse de la météorite lorsqu il se trouve infiniment loin de la terre. Rép. : 1.1 10 4 m/s ; hyperbole ; 3.58 10 Q m/s Ex. 10. (Maturité suisse, 2003) - 20 -

M3 : Physique en Option Spécifique Ex. 11. (Maturité suisse, 2004) Ex. 12. Une comète de masse m = 10 15 kg a une trajectoire parabolique et s'approche jusqu'à une distance d = 10 8 km du Soleil. Supposer qu'elle ne soit influencée que par le Soleil et que l'on puisse négliger les influences des planètes. Déterminer la vitesse maximale v de cette comète. Rép. : 5,137.10 8 m/s Ex. 13. Une comète de masse m = 10 10 kg a une vitesse de v o = 5 km/s très loin du Soleil. La distance de la droite qui porte cette vitesse au Soleil est de D = 10 12 m. La comète ne passe qu'une fois autour du Soleil au cours de son existence. - 21 -

Vitesses cosmiques a. Calculer sa vitesse maximale. b. Quelle est la valeur de la vitesse très loin après son passage près du Soleil? - 22 -