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PARTIE 4 : TEMPS ET ÉVOLUTION – CHAPITRE 10 (PHYSIQUE) TS MOUVEMENTS DANS UN CHAMP DE PESANTEUR OU ÉLECTROSTATIQUE I. MOUVEMENTS DANS UN CHAMP DE PESANTEUR UNIFORME 1. Champ de pesanteur uniforme La Terre crée, en un point de son voisinage, un champ de pesanteur ⃗g , défini ⃗P G.MT u avec comme ⃗g= = 2 ⃗ m d • G constante universelle de gravitation : G = 6,67.10-11 S.I. ; • MT masse de la Terre, en kilogrammes ; • d distance entre la Terre et l’objet qu’elle attire, en mètres. • u vecteur unitaire orienté de l’objet vers la Terre. ⃗ La norme du champ de pesanteur dépend donc de la position de l’objet dans le voisinage de la Terre. À la surface de la Terre, la norme du vecteur champ de pesanteur est quasiment partout la même : g = 9,81 N.kg-1. Le champ de pesanteur est considéré comme uniforme dans une région de l’espace lorsque sa direction, son sens et sa norme peuvent être considérés comme uniformes en tout point de cette région : ⃗g=⃗ cste . Un objet soumis uniquement à l’attraction gravitationnelle de la Terre, donc à son poids, est dit en chute libre. 2. Accélération d’un objet en chute libre Dans le référentiel terrestre, supposé galiléen, on applique le principe fondamental de la dynamique à un point matériel M de masse m, en chute libre dans le champ de pesanteur terrestre (supposé uniforme). d⃗ p d ⃗v Σ⃗ Fext = =m. ↔ ⃗ P=m.⃗a ↔ m.⃗g=m.⃗a ↔ ⃗g=⃗a . dt dt Ainsi, le vecteur accélération d’un point matériel M en chute libre dans un champ de pesanteur uniforme est constant et égal au vecteur champ de pesanteur : ⃗a =⃗g=⃗ cste . En particulier, l’accélération du point matériel ne dépend pas de sa masse. À l’instant de date t0 = 0 s, on lâche le point matériel sans vitesse initiale d’un point O. On se place dans le repère cartésien ( O; ⃗i ; ⃗j ; ⃗k ) , avec l’axe ⃗ k orienté vers le haut. Principe général : on projette l’expression vectorielle de l’accélération puis on l’intègre deux fois. ax = 0 ; ay = 0 ; az = -g. L’accélération étant la dérivée temporelle de la vitesse, on détermine l’expression de la vitesse en intégrant celle de l’accélération. On obtient alors : vx = k1 ; vy = k2 ; vz = -g.t + k3, les expressions des constantes d’intégration k 1, k2 et k3 étant obtenues à partir des conditions initiales sur la vitesse. Ici, le point matériel est lâché sans vitesse initiale. Donc ⃗ v0 =⃗ 0 , soit vx (t = 0) = vy (t = 0) = vz (t = 0) = 0. Par identification, on en déduit k1 = k2 = k3 = 0, soit vx = 0, vy = 0 et vz = -g.t. On intègre les composantes de la vitesse pour déterminer la position du point M au cours du temps. 1 2 x = k4 ; y = k5 ; z=− g.t +k6 , les expressions des constantes d’intégration k4, k5 2 et k6 étant obtenues à partir des conditions initiales sur la position. Ici, le point matériel est en O à la date t0, donc x(t = 0) = y(t = 0) = z(t = 0) = 0. Par identification, on en déduit k4 = k5 = k6 = 0, soit x(t) = 0, y(t) = 0 et 1 z( t)=− g.t 2 . 2 Remarques : • Les expressions x(t) = 0 et y(t) = 0 indiquent que le mouvement du point M est rectiligne selon la verticale (axe (Oz)). • L’expression vz (t) = -g.t indique que la vitesse est négative (pour un axe orienté vers le haut), donc que le vecteur vitesse est orienté vers le bas : l’objet se rapproche du centre de la Terre. • La norme du vecteur vitesse vaut g.t, donc elle augmente au cours du temps. L’accélération est constante. Ainsi, le mouvement est uniformément accéléré. 3. Chute sans vitesse initiale On cherche à déterminer l’équation du mouvement du point matériel M, c’est à dire les expressions (x(t), y(t), z(t)) décrivant la position de M au cours du temps. Pour cela, on part de l’expression de son accélération, obtenue par le PFD. Chapitre 10 – Mouvements dans un champ de pesanteur ou électrostatique Page 1 / 5 4. Chute avec vitesse initiale a. Équation du mouvement À l’instant de date t0 = 0 s, on lâche le point matériel du point O avec une vitesse initiale v⃗0 non nulle. On se place dans le repère cartésien ( O; ⃗i ; ⃗j ; ⃗k ) , avec l’axe ⃗ k orienté vers le haut. z Dans ce repère, le vecteur vitesse initiale v⃗0 fait un angle α avec l’horizontale. v0 Ainsi, la vitesse initiale s’écrit v⃗0 = (v0.cos α ; 0 ; v0.sin α). α x D’après le principe fondamental de la dynamique, on a toujours ⃗g=⃗a . dv dv dv Le vecteur accélération vaut donc a x = x =0 ; a y = y =0 ; az = z =−g . dt dt dt En intégrant une première fois : v x =k 1 ; v y =k 2 ; v z=−g.tk 3 . On détermine les constantes d’intégration k1, k2 et k3 avec les conditions initiales sur v0 =( v0 . cos α ; 0; v 0 sin α ) . la vitesse. Ici, on a à t = 0, ⃗ Ainsi, k1 = v0.cos α ; k2 = 0 ; k3 = v0.sin α. v ( t)=( v0 . cos α ; 0;−g.t+v0 sin α ) . On en conclut que ⃗ On intègre une deuxième fois pour obtenir la position du point matériel M : 1 x=v0 t. cos α+k 4 ; y=k5 ; z=− . g.t 2 +v0 t.sin α+k 6 2 On détermine à nouveau les constantes d’intégration k 4, k5 et k6 avec les conditions initiales : ⃗ OM(t=0)=(0 ;0 ;0) . Ainsi, k4 = k5 = k6 = 0. 1 OM(t )= v0 t.cos α ;0 ;− g.t 2 +v 0 t .sin α Finalement, ⃗ 2 ( ) Remarques : • Le vecteur position a une coordonnée nulle (ou constante) selon l’axe (Oy). Cela indique que le système reste toujours dans le même plan d’équation y = cste. On parle alors de mouvement plan. • L’expression x=v0 t. cos α indique que le mouvement de la projection du point M sur l’axe (Ox) est uniforme, de vitesse v0.cosα. 1 2 • L’expression z=− . g.t +v0 t.sin α indique que le mouvement de la 2 projection du point M sur l’axe (Oz) est uniformément accéléré, d’accélération az(t) = -g. b. Équation de la trajectoire L’équation de la trajectoire correspond à l’expression z(x). Il faut donc éliminer le temps des expressions x(t) et z(t). 1 g 2 x De l’équation x(t), on déduit t = soit z =− 2 2 x tan x . v 0 cos v 0 cos La trajectoire d’un point matériel lancé dans le champ de pesanteur uniforme de la Terre avec une vitesse initiale v⃗0 non verticale est une portion de parabole dans le plan vertical contenant v⃗0 . II. MOUVEMENTS DANS UN CHAMP ÉLECTROSTATIQUE UNIFORME 1. Expression de l’accélération Une particule de masse m et de charge électrique q est placée dans un champ électrostatique uniforme ⃗ E (créé par exemple par deux plaques planes de condensateur). Elle est donc soumise à la force de Coulomb ⃗ F=q. ⃗ E . On considèrera que son poids est négligeable devant la force de Coulomb. (cf. prolongement pour la validation de cette hypothèse) On étudie la trajectoire de la particule dans le référentiel terrestre, supposé galiléen. On applique le principe fondamental de la dynamique à la particule : d⃗ p d ⃗v q ⃗ Σ⃗ Fext = =m. ↔ ⃗ . F=m.⃗a ↔ q. ⃗ E=m.⃗a ↔ ⃗a = . E dt dt m Plaque du condensateur chargée négativement 2. Équation du mouvement À l’instant de date t0, la particule entre en O dans l’espace où règne le z champ électrostatique ⃗ E avec une vitesse initiale v⃗0 . v0 v0.sin α Les vecteurs v⃗0 et ⃗ forment un E α E plan. On va donc choisir les axes x v0.cos α ⃗i , ⃗j et ⃗ k de sorte que v⃗0 et ⃗ E soient dans le plan ( ⃗i ; ⃗ k) , ++++++++++++++++++++++++ ⃗ avec ⃗ . E =E . k Plaque du condensateur chargée positivement Le vecteur vitesse initiale v⃗0 fait v0 =( v0 .cos α ; 0; v 0 sin α ) . alors un angle α avec l’horizontale, donc il s’écrit ⃗ Le vecteur accélération vaut a x = dv z q dv x dv y =0 ; a y = =0 ; az = = E . dt dt dt m Chapitre 10 – Mouvements dans un champ de pesanteur ou électrostatique Page 2 / 5 q E.t+k3 . m On détermine les constantes d’intégration k1, k2 et k3 avec les conditions initiales sur v0 =( v0 . cos α ; 0; v 0 sin α ) . la vitesse. Ici, on a à t = 0, ⃗ Ainsi, k1 = v0.cos α ; k2 = 0 ; k3 = v0.sin α. q v ( t)= v0 . cos α ; 0; E.t+v0 sin α . On en conclut que ⃗ m En intégrant une première fois : v x =k 1 ; v y =k 2 ; v z = ( ) On intègre une deuxième fois pour obtenir la position du point matériel M : 1 q x=v0 t. cos α+k 4 ; y=k5 ; z= E.t 2+v0 t. sin α+k6 2m On détermine à nouveau les constantes d’intégration k 4, k5 et k6 avec les conditions initiales : ⃗ OM(t=0)=(0 ;0 ;0) . 1 q OM(t )= v0 t.cos α ;0 ; E.t 2 +v 0 t . sin α . Ainsi, ⃗ 2m ( ) 3. Équation de la trajectoire Comme pour un point matériel dans un champ de pesanteur uniforme, on établit que la trajectoire d’une particule chargée est une portion de parabole d’équation 2 1 qE x z= +( tan α ) x (à redémontrer pour entraînement). 2 m ( v 0 cos α )2 Remarques : • Si la particule n’a pas de vitesse initiale (v 0 = 0 m.s-1), l’équation du 1 q OM(t )= 0 ;0 ; E.t 2 . Le mouvement est alors mouvement s’écrit ⃗ 2m rectiligne uniformément accéléré, dans la direction du champ ⃗ E . v ⃗ • Si la particule a une vitesse initiale 0 , sa trajectoire est une portion de parabole dans le plan contenant les vecteurs ⃗ E et v⃗0 . • Contrairement au cas de la chute libre dans lequel la parabole est toujours dirigée vers le centre de la Terre, la courbure de la parabole ici dépend du signe de la charge de la particule. ( ) III. MOUVEMENTS DE PLANÈTES ET DE SATELLITES 1. Satellites ou planètes en orbite circulaire a. Choix du référentiel Pour étudier le mouvement d’une planète autour du Soleil, le référentiel le plus adapté est le référentiel héliocentrique. Dans le cas de satellites en orbite autour de la Terre, on préférera le référentiel géocentrique. Remarque : on peut définir de même les référentiels jovicentrique (centré sur Jupiter), aréocentrique (centré sur Mars),... Dans tous les cas, le référentiel astrocentrique (centré sur l’astre attracteur central) choisi sera considéré comme galiléen. b. Expression de l’accélération et de la vitesse On s’intéresse au mouvement d’un satellite A de masse m, considéré comme ponctuel, en orbite circulaire de rayon R et de centre O, centre de l’attracteur central de masse M. On considère que le satellite A est uniquement soumis à la force d’attraction G.m.M F= ⃗ u OA , où ⃗ uOA est un vecteur gravitationnelle de son attracteur : ⃗ R2 unitaire de direction (OA) et orienté de A vers O. uOA correspond dans le repère Ici, puisque la trajectoire est circulaire, le vecteur ⃗ G.m.M ⃗= n ⃗ de Frénet ( A ; ⃗t ; ⃗n ) au vecteur ⃗ n : F R2 Comme la masse du satellite est constante, le principe fondamental de la dynamique G.M G.M donne ⃗ F=m.⃗a , soit ⃗a = 2 ⃗n , que l’on peut écrire ⃗a =0×⃗t + 2 ×⃗n . R R 2 dv v G.M =0; = 2 Donc les coordonnées du vecteur accélération sont ⃗a = . dt R R ( ) De la composante tangentielle de l’accélération, on déduit que la norme de la vitesse du satellite est constante. Par conséquent, la composante normale de l’accélération G.M donne l’expression de cette vitesse : v= . R √ Le mouvement d’un satellite en orbite circulaire autour d’un attracteur central G.M de masse M est uniforme de vitesse v= . R √ c. Période de révolution Définition : La période de révolution T est le temps mis par un satellite pour faire un tour entier autour du centre attracteur (Soleil pour une planète ou Terre pour un satellite terrestre). Chapitre 10 – Mouvements dans un champ de pesanteur ou électrostatique Page 3 / 5 Remarque : Attention, il ne faut pas confondre période de révolution et période de rotation propre. Exemple : • période de rotation propre de la Terre = 23 h 56 min ; • période de révolution de la Terre autour du Soleil = 1 an. La longueur d’une orbite est L = 2πR, et elle est parcourue à la vitesse constante 3 L G.M 2π . R G.M . Or v= , soit ↔ T=2π R . v= = T R T R G.M √ √ √ Remarques : • Plus un satellite est proche de son attracteur central, plus sa vitesse orbitale est élevée. • Ni la période de révolution ni la vitesse orbitale du satellite ne dépendent de sa masse. Elles ne dépendent que de la masse de l’attracteur central. 2. Lois de Kepler a. 1ère loi : loi des trajectoires Dans le référentiel héliocentrique (origine au centre du Soleil), la trajectoire du centre d’une planète est une ellipse dont le Soleil est l’un des foyers. b. 2ème loi : loi des aires (montrer l’applet ‘keplerlaw2_f.htm’ pour des orbites bien excentriques) Le segment de droite reliant le Soleil à une planète balaie des aires égales pendant des durées égales. Les aires A1 et A2 sont décrites dans un même intervalle de temps, et sont égales. Conséquence : une planète accélère près du centre attractif (Soleil) et ralentit lorsqu’elle s’en éloigne. (montrer l’évolution du vecteur vitesse) c. 3ème loi : loi des périodes Pour toutes les planètes du système solaire, le rapport entre le carré de la période de révolution T et le cube du demi-grand axe a est une constante : 2 2 T 4. π = =cste (indépendante de la masse de la planète). 3 a GMS Dans le cas d’une trajectoire circulaire, le demi-grand axe de l’orbite est confondu 2 2 T 4.π = =cste . avec le rayon du cercle. On obtient alors 3 R GMS Remarque : les lois de Kepler s’appliquent aussi aux mouvements de satellites de la Terre dans le référentiel géocentrique, mais la constante est différente (masse du centre attractif = masse de la Terre). Application : détermination de la masse du Soleil grâce aux paramètres orbitaux de la Terre. Dans le référentiel héliocentrique, la trajectoire de la Terre peut être assimilée à un cercle dont le rayon vaut RT = 150 millions de kilomètres. La Terre effectue une révolution complète en TT = 365,25 jours. En déduire la masse du Soleil. Solution : La troisième loi de Kepler appliquée à la Terre donne : 2 2 3 T T 4. π 2 4 π RT = M = ↔ . S R 3T GM S G T 2T 11 3 4 π ×( 1,5.10 ) 30 A.N. : M S= . 2 =2,0 .10 kg −11 6,67 .10 ×( 365,25×24×60×60 ) 2 EXERCICE 10 P 173 : 2 2 2 2 T T 4. π 1 T = 3 −1 −2 = 3 . La formule est bien homogène. 3 = 3 et GM R L L . M .T ×M L [ ] [ ] EXERCICE 13 P 173 : 1. Cette étude est réalisée dans le référentiel aréocentrique. 2. On applique le principe fondamental de la dynamique au système {Phobos} étudié dans le référentiel aréocentrique : d⃗ p Σ⃗ Fext = dt G.M M . M P d ⃗p d⃗ v Fext = ⃗n et =M P . =M P .⃗a puisque la masse de avec ici Σ ⃗ 2 dt dt RP Phobos est constante. G.M M . M P G.M M ⃗n=M P .⃗a soit ⃗a = ⃗n . Ainsi 2 2 RP RP 2 dv v 3. Dans la base de Frénet, l’accélération s’exprime comme ⃗a = ⃗t + ⃗ n . dt R dv Puisque l’accélération est uniquement normale, d’après le PFD, alors est dt nulle, ce qui signifie que la norme de la vitesse de Phobos est constante : son mouvement est uniforme. Chapitre 10 – Mouvements dans un champ de pesanteur ou électrostatique Page 4 / 5 EXERCICE 14 P 173 : 1. D’après le principe fondamental de la dynamique, un cation portant une charge q positive étant soumis à une force de Coulomb ⃗ F=q. ⃗ E , on peut écrire : d p ⃗ d ⃗ v q Σ⃗ Fext = =m. E . ↔ ⃗ F=m.⃗a ↔ q. ⃗ E=m.⃗a ↔ ⃗a = . ⃗ dt dt m Le vecteur accélération est donc de même direction et de même sens que le champ électrique. a. Pour qu’un cation ait un vecteur accélération vertical ascendant, il faut un champ électrique vertical ascendant. b. Pour qu’un cation ait un vecteur accélération horizontal vers la gauche, il faut un champ électrique horizontal vers la gauche. 2. Pour un anion, la charge q est négative donc le vecteur accélération est de même direction mais de sens opposé au champ électrique. a. Pour qu’un cation ait un vecteur accélération vertical ascendant, il faut un champ électrique vertical descendant. b. Pour qu’un cation ait un vecteur accélération horizontal vers la gauche, il faut un champ électrique horizontal vers la droite. EXERCICE 17 P 174 : 1. a. On applique le principe fondamental de la dynamique au système {électron}, de masse constante, dans le référentiel terrestre, supposé galiléen. q e d⃗ p d⃗ v ⃗ =m e .⃗a ↔ q. E ⃗ =m e . ⃗a ↔ ⃗a = . ⃗ E =− ⃗ E . Σ⃗ Fext = =m e . ↔ F me me dt dt Le champ électrique s’exprime comme ⃗ E =−E. ⃗i . La vitesse initiale v⃗0 est négligeable. eE 2 ⃗ OM(t )= t i . Soit ⃗ 2m e 3. a. Quand l’électron atteint la deuxième plaque, il se trouve en x = d. Cela se 2m e d produit à l’instant t B = . eE 2m e d 2eEd . La vitesse de l’électron à cet instant vaut v B= eE × = me eE me b. A.N. : La vitesse de l’électron en sortie du condensateur vaut vB = 2,5.107 m.s-1. √ √ √ Prolongement : Vérifier que le poids d’un proton est négligeable devant la force de Coulomb lorsqu’il est soumis à un champ E = 1 V.m-1. DONNÉES : mp = 1,67.10-27 kg ; e = 1,60.10-19 C ; g = 9,81 N.kg-1. −19 Fe eE Fe 1,60 .10 ×1 6 = = =9,8 .10 . . A.N. : −27 Pe m p g Pe 1,67 .10 ×9,81 La force électrique à laquelle un proton est soumis dans un champ électrique est 10 millions de fois plus intense que son poids. Le poids du proton est donc bien négligeable devant la force électrique en laboratoire. e E ; a y =0 . me Pour déterminer l’expression du vecteur vitesse, il faut chercher les primitives des e coordonnées de l’accélération : v x = E t+k 1 ; v y =k 2 . me Or la vitesse initiale est négligeable, donc on peut écrire k1 = k2 = 0. e v = E t ⃗i . Soit ⃗ me e v∣∣= E t . b. La valeur de la vitesse est donc v=∣∣⃗ me 2. Pour déterminer les équations horaires du mouvement, il faut chercher les eE 2 t +k3 ; y (t)=k4 . primitives des coordonnées de la position : x (t)= 2m e Initialement, l’électron est en O, donc k3 = k4 = 0. En projetant le vecteur accélération sur les axes, on obtient : a x = Chapitre 10 – Mouvements dans un champ de pesanteur ou électrostatique Page 5 / 5