L`usage des calculatrices N`EST PAS autorisé

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MARS 2015
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Mmes Tripard, Guesmi et Magois
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DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30 – COEFFICIENT : 4
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L’usage des calculatrices N’EST PAS autorisé
Les données sont en italique
Ce sujet comporte trois exercices de PHYSIQUE et un exercice de CHIMIE présentés sur 8
pages numérotées de 1 à 8, y compris celle-ci.
Le sujet est à rendre avec la copie. Chaque exercice sera rédigé sur une feuille à
part.
DST DE SCIENCES PHYSIQUES

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EXERCICE I. QUATRE SATELLITES TERRESTRES ARTIFICIELS PARMI BIEN D'AUTRES
(6,5 POINTS) National Juin 2005
Passionné d'astronomie, un élève a collecté sur le réseau Internet de nombreuses informations concernant les
satellites artificiels terrestres. Il met en oeuvre ses connaissances de physique pour les vérifier et les approfondir.
Dans tout l'exercice, on notera :
Masse de la Terre: MT (répartition de masse à symétrie sphérique de centre O)
Rayon de la Terre: RT
Masse du satellite étudié: ms
Altitude du satellite étudié: h
Constante de gravitation universelle: G
Les questions 2 et 3 sont indépendantes.
1. Le premier satellite artificiel.
Si la possibilité théorique de mettre un Isaac
Newton, il a fallu attendre le 4 artificiel,
Spoutnik 1, par les soviétiques.
satellite sur orbite autour de la Terre fut signalée en 1687 par
octobre 1957 pour voir le lancement du premier satellite
1.1. Exprimer vectoriellement la force exercée par la Terre sur Spoutnik 1, supposé ponctuel, et la représenter sur un
schéma.
1.2. L'étude se fait dans un référentiel géocentrique considéré comme galiléen.
En appliquant la deuxième loi de Newton établir l'expression vectorielle de l'accélération du satellite.
2. Les satellites artificiels à orbites circulaires.
Le télescope spatial Hubble, qui a permis de nombreuses découvertes en astronomie depuis son lancement en 1990,
est en orbite circulaire à 600 km d'altitude et il effectue un tour complet de la Terre en 100 minutes.
2.1. Étude du mouvement du satellite Hubble dans un référentiel géocentrique
1.1. En reprenant les résultats de la partie 1, montrer sans calcul que le mouvement circulaire de Hubble est
uniforme.
1.2. Exprimer littéralement sa vitesse en fonction des grandeurs MT, RT, h et G.
1.3. Exprimer la période T de son mouvement en fonction des grandeurs précédentes puis
retrouver la troisième loi de Kepler appliquée à ce mouvement circulaire (l'énoncé de cette loi n'est pas demandé
ici).
2.2. Cas d'un satellite géostationnaire
Les satellites météorologiques comme Météosat sont des appareils d'observation géostationnaires.
2.2.1. Qu'appelle-t-on satellite géostationnaire ?
2.2.2. On propose trois trajectoires hypothétiques de satellite en mouvement circulaire uniforme autour
de la Terre.

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a. Montrer que, seule, l'une de ces trajectoires est incompatible avec les lois de la mécanique.
b. Quelle est la seule trajectoire qui peut correspondre au satellite géostationnaire ? Justifier la réponse.
3. Les satellites artificiels à orbites elliptiques.
Les satellites peuvent être placés sur différentes orbites, en fonction de leur mission. Un incident lors de leur
satellisation peut modifier l'orbite initialement prévue. Hipparcos, un satellite d'astrométrie lancé par la fusée
Ariane le 8 août 1989, n’a jamais atteint son orbite prévue. Un moteur n'ayant pas fonctionné, il est resté sur une
orbite elliptique entre 36 000 km et 500 km d'altitude.
3.1. Les satellites artificiels obéissent aux lois de Kepler.
La deuxième loi de Kepler, dite « loi des aires », précise que « des aires balayées par le rayon, reliant le satellite
à l'astre attracteur, pendant des durées égales, sont égales».
Énoncer les deux autres lois dans le cas général d'une orbite elliptique.
3.2. Sans souci exagéré d'échelle ni d'exactitude de la courbe mathématique, dessiner l'allure de l'orbite du satellite
Hipparcos. Placer sur ce schéma le centre d'inertie de la Terre et les points A et P correspondant respectivement
aux valeurs 36 000 km et 500 km données dans le texte.
3.3. En appliquant la loi des aires au schéma précédent montrer, sans calcul, que la vitesse d'Hipparcos sur son
orbite n'est pas constante.
3.4. Préciser en quels points de son orbite sa vitesse est maximale, minimale.
EXERCICE II: TEMPS ET RELATIVITE RESTREINTE (7,5 points)
1) Enoncer le postulat d’Einstein.
2) Quelle est la valeur de la vitesse de la lumière provenant du Soleil :
a. Pour un observateur terrestre ?
b. Pour une sonde spatiale en mouvement par rapport à la terre ?
3) Notion d’évènement
Un train traverse un tunnel. Définir les deux évènements qui permettent de mesurer la durée nécessaire à la traversée
du tunnel.
Parmi les questions 4 à 9, choisir la ou les bonne(s) réponse(s) en justifiant.
4) Evènements simultanés
Trois vaisseaux spatiaux accrochés les uns aux autres se déplacent à vitesse
constante par rapport à la Terre. La distance entre le vaisseau de tête et le
vaisseau du milieu est la même qu'entre le vaisseau central et le vaisseau
de queue.
Le vaisseau central envoie un signal lumineux aux deux autres.
a. Dans le référentiel des vaisseaux, les deux vaisseaux extrêmes reçoivent le signal en même temps.
b. Dans le référentiel des vaisseaux, l’un des vaisseaux extrêmes reçoit le signal avant l'autre.
c. Dans le référentiel terrestre, les deux vaisseaux extrêmes reçoivent le signal en même temps.
d. Dans le référentiel terrestre, l’un des vaisseaux extrêmes reçoit le signal avant l'autre.

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5) Temps propre
Une fusée va de la Terre à la Lune à vitesse constante. La durée propre du vol :
a. est mesurée dans le référentiel terrestre.
b. est mesurée dans le référentiel de la Lune.
c. est mesurée dans le référentiel de la fusée.
d. est la même dans tous les référentiels.
6) Durée mesurée et durée propre
La durée mesurée entre deux événements :
a. est égale à la durée propre.
b. est inférieure à la durée propre.
c. est supérieure à la durée propre.
d. dépend de la vitesse du référentiel de l'observateur effectuant la mesure.
7) Durée mesurée et vitesse
La durée mesurée entre deux événements, dans un référentiel galiléen de vitesse v constante par rapport au référentiel
propre :
a. est proportionnelle à v.
b. est inversement proportionnelle à v.
c. augmente si v augmente.
d. diminue si v augmente.
8) Dilatation des durées
Des particules radioactives ont une durée de vie moyenne égale à Ta = 10 s dans leur référentiel propre. Grâce à un
accélérateur de particules, leur vitesse est portée à v= 0,95 c.
Quelle est leur durée de vie moyenne T dans le référentiel du laboratoire?
a) T = 3,1 s b) T = 9,5 s c) T = 10 s d) T = 32 s
9) Mesure de vitesse
Un vaisseau spatial se déplace à vitesse constante v par rapport à la Terre. La durée nécessaire pour traverser une
galaxie, mesurée par rapport à la Terre, est trois fois plus grande que cette même durée dans le référentiel du
vaisseau. La vitesse du vaisseau est :
Aide au raisonnement :

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EXERCICE III : JEU DE FÊTE FORAINE (6,5 points) Antilles 2005
Le but du jeu est d’envoyer une bille d'acier dans un trou. Pour lancer la bille, le joueur comprime un ressort, à
spires non jointives, qui va la propulse r lors de la détente. La boule roule ensuite sur un plan horizontal suivant la
droite (AC), quitte ce plan pour chuter dans un des trous du sol. Le schéma du dispositif est représenté ci-dessous :
(schéma non à l’échelle).
Étudions le mouvement de la bille, objet ponctuel, dans un référentiel terrestre supposé galiléen. On néglige les
frottements.
Données :
- intensité de la pesanteur : g = 10 m.s-2
- masse de la bille : m = 10 g
- constante de raideur du ressort : k = 25 N.m-1
- masse du ressort : négligeable devant la masse de la bille.
Aide mathématique : 10 n 
1. PROPULSION DE LA BILLE
Initialement, le ressort est au repos. Le joueur tire la poignée (compression du ressort) et la bloque avec la gâchette.
Il place la bille contre le cylindre en A ’, abscisse x A’ = – 10 cm sur l’axe (Ox).
1.1. Exprimer et calculer l’énergie potentielle élastique Epe(A’) acquise par le ressort une fois comprimé.
(Donner la valeur de Epe(A’) avec deux chiffres significatifs).
Le joueur appuie sur la gâchette, le ressort se détend et reprend sa position initiale ; le cylindre arrête son
mouvement sur la butée. La bille reste en contact avec le cylindre durant la détente jusqu’au point O.
La bille se déplaçant sur un plan horizontal, son énergie potentielle de pesanteur est constante et on la prendra égale
à 0.
1.2. Quelle forme d’énergie acquiert la bille lors de la détente du ressort ? Donner son expression littérale en
précisant les unités.
1.3. Donner l’expression littérale de l’énergie mécanique du système {ressort – bille}.
1.4. Que peut-on dire de l’énergie mécanique sachant que les frottements sont négligeables ?
1.5. Donner l’expression littérale du travail de chacune des forces qui s’exercent sur le système.
1.6. Ces forces dépendent-elles du chemin suivi ?
1.7. Quelle est la valeur de l’énergie cinétique de la bille arrivée au point O ? Justifier la réponse.
1.8. Déduire l’expression littérale de la vitesse v. Calculer la valeur de la vitesse de la bille vO au point O.
La bille se déplace ensuite jusqu’au point C suivant la droite (OC).