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  4. Méthode : Appliquer la troisième loi de Kepler au mouvement d'une planète

Appliquer la troisième loi de Kepler au mouvement d'une planète Méthode

Sommaire

1Rappeler la troisième loi de Kepler 2Rappeler l'expression de la période de révolution T déduite de l'application de la deuxième loi de Newton 3Exprimer le rapport \dfrac{T^2}{r^3} à partir de la relation précédente 4Déduire l'expression de la constante dans la troisième loi de Kepler 5Conclure en donnant l'expression de la masse M de l'astre attracteur en fonction des autres paramètres 6Effectuer l'application numérique

On considère un système S de masse m en mouvement circulaire uniforme autour d'un astre attracteur A de masse M (M étant très grande devant m).

L'application de la troisième loi de Kepler permet d'obtenir une expression théorique de la masse M de l'astre attracteur.

La planète Mars est en orbite quasi-circulaire autour du Soleil. À l'aide de la troisième loi de Kepler, déterminer la masse du Soleil.

Données :

  • Constante universelle de gravitation : G=6{,}67\times10^{-11} m3.kg-1.s-2
  • Période de révolution de Mars : T=687 j
  • Rayon de l'orbite de Mars : r=2{,}3\times10^8 km
Etape 1

Rappeler la troisième loi de Kepler

On rappelle la troisième loi de Kepler qui concerne la période de révolution T (en s) du système S et le rayon de l'orbite r (en m) :

\dfrac{T^2}{r^3} = constante

La troisième loi de Kepler exprime une relation entre la période de révolution T (en s) de la planète et le rayon de l'orbite r (en m) :

\dfrac{T^2}{r^3} = constante

Etape 2

Rappeler l'expression de la période de révolution T déduite de l'application de la deuxième loi de Newton

On rappelle l'expression de la période de révolution T du système S autour de l'astre attracteur A déduite de l'application de la deuxième loi de Newton :

T = 2 \times \pi \times \sqrt{\dfrac{r^3}{G \times M}}

L'expression de la période de révolution T de la planète Mars autour du Soleil est déduite de l'application de la deuxième loi de Newton :

T = 2 \times \pi \times \sqrt{\dfrac{r^3}{G \times M_S}}

Etape 3

Exprimer le rapport \dfrac{T^2}{r^3} à partir de la relation précédente

On exprime le rapport \dfrac{T^2}{r^3} à partir de l'expression de la période de révolution T donnée précédemment :

T = 2 \times \pi \times \sqrt{\dfrac{r^3}{G \times M}}

\Leftrightarrow T^2 = 4 \times \pi^2 \times \dfrac{r^3}{G \times M}

\Leftrightarrow \dfrac{T^2}{r^3} = 4 \times \pi^2 \times \dfrac{1}{G \times M}

Le rapport \dfrac{T^2}{r^3} à partir de l'expression de la période de révolution T donnée précédemment s'exprime alors par :

T = 2 \times \pi \times \sqrt{\dfrac{r^3}{G \times M_S}}

\Leftrightarrow T^2 = 4 \times \pi^2 \times \dfrac{r^3}{G \times M_S}

\Leftrightarrow \dfrac{T^2}{r^3} = 4 \times \pi^2 \times \dfrac{1}{G \times M_S}

Etape 4

Déduire l'expression de la constante dans la troisième loi de Kepler

On déduit du rapport \dfrac{T^2}{r^3} l'expression de la constante dans la troisième loi de Kepler :

\dfrac{T^2}{r^3} = constante = \dfrac{4 \times \pi^2}{G \times M}

La relation précédente permet d'obtenir l'expression de la constante dans la troisième loi de Kepler :

\dfrac{T^2}{r^3} = constante = \dfrac{4 \times \pi^2}{G \times M_S}

Etape 5

Conclure en donnant l'expression de la masse M de l'astre attracteur en fonction des autres paramètres

On manipule l'expression pour exprimer la masse M de l'astre attracteur A en fonction des autres paramètres :

\dfrac{T^2}{r^3} = \dfrac{4 \times \pi^2}{G \times M}

\Leftrightarrow M \times\dfrac{T^2}{r^3} = \dfrac{4 \times \pi^2}{G}

\Leftrightarrow M = \dfrac{4 \times \pi^2 \times r^3}{G \times T^2}

On obtient la masse M du Soleil en fonction des autres paramètres :

\dfrac{T^2}{r^3} = \dfrac{4 \times \pi^2}{G \times M_S}

\Leftrightarrow M_S \times\dfrac{T^2}{r^3} = \dfrac{4 \times \pi^2}{G}

\Leftrightarrow M_S = \dfrac{4 \times \pi^2 \times r^3}{G \times T^2}

Etape 6

Effectuer l'application numérique

On effectue l'application numérique.

L'application numérique peut être effectuée avec les données mises dans les bonnes unités :

  • Période de révolution de Mars : T=687\times24\times3\ 600=5{,}9\times10^7 s
  • Rayon de l'orbite de Mars : r=2{,}3\times10^{11} m

On obtient :

M_S = \dfrac{4 \times \pi^2 \times \left(2{,}3\times10^{11}\right)^3}{6{,}67\times10^{-11} \times \left(5{,}9\times 10^7\right)^2}

M_S=2{,}1\times10^{30} kg

Voir aussi
  • Cours : Applications des lois de Newton
  • Formulaire : Applications des lois de Newton
  • Quiz : Applications des lois de Newton
  • Méthode : Calculer l'accélération dans le cas d'un mouvement circulaire uniforme
  • Méthode : Appliquer la deuxième loi de Newton au mouvement d'une planète
  • Exercice : Calculer l'accélération dans le cas d'un mouvement circulaire uniforme
  • Exercice : Appliquer la deuxième loi de Newton au mouvement d'une planète
  • Exercice : Exploiter la troisième loi de Kepler au mouvement d'une planète en mouvement circulaire
  • Problème : Le tir à l'arc
  • Problème : Déterminer la trajectoire d'un électron dans un champ électrique
  • Problème : Etudier une trajectoire elliptique
  • Exercice type bac : Mécanique céleste

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