Exercice 1La mission GRACE-FO
L'attraction gravitationnelle de notre planète varie faiblement d'un mois à l'autre. Ces faibles variations de la gravité sont principalement dues à une infime fraction de la masse terrestre, constamment en mouvement, essentiellement de l'eau : la pluie tombe, la rosée s'évapore, les courants océaniques coulent, la glace fond…
Le 22 mai 2018, deux satellites scientifiques GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment – Follow-on) sont lancés. Ces deux satellites jumeaux situés sur la même orbite ont pour objectif de mesurer avec une grande précision les variations mensuelles du champ de gravité de la Terre afin de suivre les masses d’eau liquide ou gelée.
A. Caractéristiques de l’orbite
L’orbite des satellites de la mission GRACE-FO est quasi circulaire à l’altitude égale à . L’inclinaison du plan de la trajectoire sur l’équateur est égale à degrés ; on parle d’une orbite polaire. Les deux satellites jumeaux se déplacent sur la même orbite à une distance, notée , de l’un de l’autre. Leur altitude leur permet de parcourir environ 15 fois leur orbite polaire par jour et d’obtenir ainsi une cartographie mensuelle de l’évolution des masses d’eau.
On étudie le mouvement d’un de ces satellites, de masse , dans le référentiel géocentrique considéré galiléen.
Données :
- constante de gravitation universelle :
- masse de la Terre :
- rayon de la Terre :
A.1. Sur la copie, faire un schéma, sans souci d’échelle, montrant la Terre (de centre T) et le rayon , et le satellite de centre S sur son orbite à une altitude . Représenter sur ce schéma un vecteur unitaire dirigé du satellite vers la Terre.
A.2. Donner l’expression vectorielle, en fonction de , , , , et , de la force gravitationnelle exercée par la Terre sur le satellite supposé ponctuel. Représenter ce vecteur-force, sans souci d’échelle, sur le schéma réalisé à la question A.1.
A.3. En déduire l’expression vectorielle du champ gravitationnel terrestre .
A.4. En considérant uniquement l’action de la Terre, établir l’expression vectorielle de l’accélération du satellite.
A.5. Montrer que, dans le cadre de l’approximation d’une orbite circulaire, le mouvement du satellite est uniforme.
A.6. Montrer alors que l’expression de la vitesse du satellite s’exprime par la relation :
A.7. En déduire la valeur de la période de révolution du satellite et vérifier qu’elle est conforme à l’information de l’énoncé : « leur altitude leur permet de parcourir environ 15 fois leur orbite polaire par jour ».
On s’intéresse à la situation particulière schématisée ci-dessous. Le satellite de tête passe au-dessus d’une zone où le champ gravitationnel n’est pas centripète alors que le satellite survole une zone où règne un champ gravitationnel centripète.
(Schéma montrant les deux satellites sur leur orbite avec les vecteurs et )
A.8. Dans le cas de la situation schématisée, expliquer, en détaillant le raisonnement, si la distance, , entre les deux satellites reste constante, augmente ou bien diminue.
B. Principe de fonctionnement de l’interféromètre embarqué
Le satellite de tête est affecté en premier par un changement du champ gravitationnel, cela engendre alors une légère modification de la distance le séparant du satellite. La mesure, par interférométrie, des variations de distance entre les deux satellites permet d’accéder à l’évolution du champ gravitationnel dans la région survolée. À cet effet, un interféromètre laser, dont une partie est embarquée dans le satellite de tête et l’autre partie dans le satellite, détermine avec une très grande précision la variation de distance, notée , entre les deux satellites.
Le schéma simplifié du principe de fonctionnement de l’interféromètre est le suivant :
(Schéma de l'interféromètre entre SATELLITE 1 et SATELLITE 2 avec laser, miroir semi-réfléchissant A, miroir B, et détecteur D)
Le faisceau lumineux issu du laser se sépare en deux faisceaux au niveau du miroir semi-réfléchissant A : un faisceau 1 parcourant le trajet ABCD, un faisceau 2 parcourant le trajet AD. Les faisceaux 1 et 2 se réunissent en D pour atteindre le détecteur d’interférences.
Le laser utilisé émet un rayonnement infrarouge de longueur d’onde égale à dans le vide.
B.1. Justifier que le dispositif présenté par le schéma simplifié permet d’obtenir des interférences.
B.2. Définir le phénomène d’interférence constructive de deux ondes.
B.3. En utilisant les informations figurant sur le schéma, établir l’expression de la différence de marche en fonction de .
Le satellite 1 s’éloigne d’une distance du satellite 2. Les deux satellites sont maintenant distants de .
B.4. Montrer alors que la variation de la différence de marche vaut .
Le détecteur d’interférences est capable de repérer au mieux une variation de différence de marche qui correspond à deux états immédiatement successifs d’interférence constructive.
B.5. Justifier que la variation de distance correspondant à deux états immédiatement successifs d’interférence constructive est égale à .
B.6. Calculer alors la plus petite valeur de la variation de distance entre les deux satellites détectable par l’interféromètre.
C. Principe des accéléromètres
Pour accéder au champ gravitationnel terrestre de manière très précise, il est indispensable de mesurer les forces non-gravitationnelles (traînée atmosphérique, pression des radiations solaires…) susceptibles de parasiter les mesures.
Des accéléromètres ultrasensibles embarqués à bord des satellites permettent d’accéder indirectement aux forces non-gravitationnelles par la mesure de la variation des capacités de plusieurs condensateurs. Une « masse d’épreuve », maintenue en suspension au centre d’une cage électrostatique, subit un déplacement lorsqu’elle est soumise à une force non-gravitationnelle. Son déplacement se traduit par la modification de la capacité de trois paires de condensateurs.
(Schéma de la cage électrostatique et schéma d'un condensateur plan avec armature fixe et armature mobile)
On étudie le fonctionnement d’un condensateur plan dont la face gauche de la masse d’épreuve constitue l’armature mobile, l’autre armature étant fixée sur la cage électrostatique.
On applique une tension entre les armatures du condensateur plan. En l’absence de force non-gravitationnelle, la distance entre les deux armatures (fixe et mobile) est notée . En présence d’une force non-gravitationnelle, l’armature mobile subit un déplacement (compté positivement) dans la direction définie par le vecteur unitaire indiqué sur le schéma ci-dessus.
Pour un condensateur plan, la capacité s’exprime par la relation où représente la permittivité électrique du vide, la surface en regard des armatures et la distance entre les armatures.
C.1. Discuter de l’influence du déplacement , choisi positif, sur la valeur de la capacité du condensateur.
C.2. Donner l’expression du champ électrique créé entre les plaques du condensateur en fonction de , , et du vecteur unitaire .
L’armature mobile est soumise au champ créé par l’armature fixe. Les lois de l’électrostatique montrent que . Il en résulte que l’armature mobile subit une action mécanique modélisée par la force électrique . On s’intéresse à la situation où la charge électrique portée par l’armature fixe est positive.
C.3. Identifier le schéma qui, parmi les quatre suivants, représente correctement le champ électrique et la force électrique . Une argumentation est attendue.
(Quatre schémas proposant différentes orientations pour et )
Le condensateur (décrit sur le schéma précédent) est associé à un deuxième condensateur. La masse d’épreuve est mobile entre deux armatures fixes, l’une à gauche, l’autre à droite. Le dispositif est conçu de telle sorte que la force électrostatique exercée par l’armature fixe de droite sur la masse d’épreuve est exactement opposée à la force électrostatique exercée par l’armature fixe de gauche : les deux forces se compensent.
C.4. Établir la relation existant entre le champ électrique créé par l’armature fixe de droite et le champ électrique créé par l’armature fixe de gauche.
Afficher le sujet original, avec ses figures
Début de la correction
Partie A — Caractéristiques de l'orbite
A.1 — Schéma
Le schéma (à faire sur la copie) représente la Terre de centre T au centre, le satellite S sur son orbite circulaire de rayon , et le vecteur unitaire dirigé de S vers T (centripète).
A.2 — Expression de la force gravitationnelle
MethodicAi