Centrale Physique MP 2012 — Énoncé 1/6
2012
Physique
MP
4heuresCalculatricesautorisées
Lanle20 juin2008 deVandenberg(Californie), lesatelliteoanographiqueJason 2permet,entreautre,de
mesurerlahauteurdesoans.
Dansunepremièrepartie, leproblème étudielatrajectoirede ce satelliteau-dessusdel’ionosphère,dabord
enconsidérantlaTerre commesphérique,puisen prenantencomptesanon-sphéricité.La secondepartiedu
problèmeabordeladiusion desondesradar surl’oan etlatroisièmepartie étudiel’influence del’ionosphère
surlapropagation detellesondes.
Les troisparties sontindépendantes.
Notations
Danstoutleproblème,+f(M,t),désignelavaleurmoyennedansletempsdelagrandeurf(M,t).
La pulsation ωseratoujoursréelle,positive,non nulle.
Àtoutegrandeur réellef(M,t)=A(M)cos !ωtϕ(M)",on pourraassocierlagrandeurcomplexe
f(M,t)=A(M)expi!ωtϕ(M)".
Le nombreimaginaireiest telquei2=1.
La polarisation duneonde électromagnétiqueferaréférence au champélectrique.
Donnéesutiles
Massedun proton mp=1,67 ×1027 kg
Massedun électron me=9,11 ×1031 kg
Charge élémentairee=1,60 ×1019 C
Permittivitédiélectriquedu videε0=8,85 ×1012 F·m1
Perméabilitémagnétiquedu videµ0=4π107H·m1
Céléritédelalumièredanslevidec=3,00 ×108m·s1
Constantedegravitation G=6,67 ×1011 N·m2·kg2
MassedelaTerreMT=5,97 ×1024 kg
Rayon delaTerreRT=6378 km
Vitesseangulairederotation delaTerresur
elle-mêmedansleréférentielocentrique
ωT=7,29 ×105rad ·s1
Formulaire
rot 1
rot(þ
A)2=
grad 1div(þ
A)2þ
A
Gradientdun champscalaireVencoordonnées sphériques(r,θ,ϕ)
grad V=V
rþur+1
r
V
θþuθ+1
rsinθ
V
ϕþuϕ
Les résultatsnumériques serontdonnés avecun nombredechires signicatifscompatibleavec celuiutilisépour
les données delénoncé.
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Centrale Physique MP 2012 — Énoncé 2/6
ILesatelliteJason 2
I.AÉtudedelorbite
I.A.1) Rappelerl’expression delaforce degravitation þ
Fquexerce laTerre(centreT,masseMT)surun
satellite(pointmatérielS,massem),enfonction delaconstantedegravitation G,desmassesMTetm,dela
distance r=TSetdu vecteurunitaireþuTS=
TS/T S.
x
y
þuTS
þuα
T
S
α
Figure1
I.A.2) Onseplacedansleréférentielocentrique(T,xg,yg,zg)noté(Rg),debasexe(þexg,þeyg,þezg)
(gure2b).
Plan équatorial
Sud
Nord
zg
þ
Z
iyg
zg
xg
N
N
ψ
(xgTyg):plan équatorial
T
S
yg
zg
xg
θ
ϕ
r=TS
(a) (b) (c)
Figure2
a)Définirleréférentielocentrique.Pourquoi ce référentielnest-il pas rigoureusementgaliléen?Justier.
Danstoutelasuite, leréférentielocentrique(Rg)estconsidéré commegaliléenet,saufmention contraire,
seulel’action delaTerre estprise encompte.
b) Dansce référentiel, quelles sontlesdeuxgrandeursmécaniquesdu satellitequise conservent (on justiera
laréponse)?Quellescaractéristiquesdu mouvementpeut-on en déduire?
I.A.3) Onseproposedétablirl’expression delatrajectoiredu satelliteautourdelaTerreàpartirdel’inva-
riantdynamiquedeRunge-Lenz.On définitlevecteurdeRunge-Lenzpar þ
R=þvþσTGMTmþuTSþvest
lavitessedu satellitedans(Rg)etþσTlemomentcinétiquedu satellitedans(Rg),calculé enT.
a)Calculerdþ
R
dtdans(Rg).Conclure.
b) Dansquelplan setrouveþ
R?Justier.
c) On noteRlanormedeþ
Retβl’angle entreþ
Ret
TS.Montrerqueþ
R·þuTS=σ2
T
mr GMTmσTestla
normedu momentcinétiqueþσTdu satellite.En déduirel’expression delatrajectoiredu satellitesouslaforme
r(β)=p
1+ecos β;donnerlesexpressionsdepeteenfonction deσT,G,MT,metR.
Suivantlesvaleursdee,rappelerlesdiérentestrajectoirespossibles.
I.A.4) OnadmetquelatrajectoiredeJason 2estcirculaire(enréalité,e=9,5×105),de centreT,derayon
r0=7714 km,soitunealtitudeh=1336 km(justeau dessusdel’ionosphère).La massedu satelliteJason 2
estm=525 kg.
Établirenfonction deG,MT,metr0, lesexpressionsde:
lanormedelavitesseorbitaledu satellitev0;
lapériodederévolution T0;
son énergiemécaniqueEm.
CalculernumériquementcesgrandeurspourlesatelliteJason 2.
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Centrale Physique MP 2012 — Énoncé 3/6
I.BÉcartàlatrajectoire circulaire
Onappelleinclinaison du satellitel’anglei=66entreleplan équatorial etleplan del’orbite(ici0<i<90:
on parledorbiteprograde) (cf.gure2a).On noteþ
Zlevecteurunitaireorthogonal au plan del’orbite etorienté
àpartirdu sensdeparcoursdelatrajectoire(lesensdeparcoursestindiquésurles schémas).Onappellenœuds
NetNlesdeuxintersectionsdelatrajectoire circulairedu satelliteavec leplan équatorial (gure2b).
Àcausedesirrégularitésdelarépartition delamasseterrestre(en particulierl’aplatissementauxpôles)etdes
forcesdattraction delaLune etdu Soleil, en utilisantlescoordonnées sphériques(gure2c.), lepotentielde
gravitation Vsécrit (àl’ordreleplusbas enlaperturbation):
V(r,θ)=GMT
rA13RT
r42J2
2!3cos2θ1"B
J2=1083 ×106estun nombresansdimension.
I.B.1) Déterminerlescomposantesgr,gθ,gϕdu champ degravitation danslabasesphérique(þur,þuθ,þuϕ)
(cf.gure2c).Donnerl’ordredegrandeurdelavaleurmaximaledu rapport--gθ/gr--dansle cas du satellite
Jason 2. Conclure.
La composantegrconfèreàlatrajectoirelespropriétésessentielles(mouvementplan,circulaire);on sepropose
détudierl’influence degθ.
I.B.2) Soitþ
ΓTlemomentenTdelaforce degravitation,appliquée enS.Déterminersescoordonnéesdans
labasesphérique(þur,þuθ,þuϕ).
Cemomentpeutégalementêtreprojetédanslabasexe(þexg,þeyg,þezg)de(Rg)(cf.gures2betc);on peut
montrer(ladémonstration nestpas demandée au candidat)quenmoyennantsurunepériodeT0on obtient,
pourlemouvementcirculairedu satellite:
+Γx,=σT
2π
T03RT
r0423
2J2sinicos icos ψ
+Γy,=σT
2π
T03RT
r0423
2J2sinicos isinψ
+Γz,=0
I.B.3) ExprimerþσTenfonction desanormeσT,i,ψetdesvecteursunitairesþexg,þeygetþezg.
DéterminerensuitedþσT
dtdans(Rg)(àce stade,on considèreraqueσT,ietψdépendentdu temps).
EnadmettantquedþσT
dt=+þ
ΓT,etquelanormeσTresteàpeu prèsconstante,déterminerdenouvelles
expressionsde+Γx,,+Γy,et+Γz,.
I.B.4) Montrerqueinedépend pas du tempsetque
dψ
dt=3
2J2óGMT
r3
03RT
r042
cos i
Danslasuite,on note=dψ
dt.Quereprésentelevecteurþ
correspondantàcettevariation ?Comparerles
vecteursþ
etþωT(vecteur rotation delaTerresurelle-même)en direction etsens.Ensaidantdelagure2b
etdu théorèmedu momentcinétique enT,montrerquon pouvaitprévoirlesensdevariation deψ.
I.B.5) On définitalorsunenouvellepériode, lapériodenodale,quiestletempsentredeuxpassagesàl’équa-
teurdanslemêmesens.PourJason 2, ellevautTn=112 min26 s,elle est trèsvoisinedeT0.
Pourles satellitesoanographiques, il estintéressantdavoirun échantillonnage homogènedelasurfacedu
globependantunepériode,appelée périodederépétitivitéTR: il fautpourcelaquelesatelliterepasseàla
verticaledesmêmespointsdu sol touslesTR=NTnNestlenombre entierderévolutionsdu satellite
durantunepériodederépétitivité.
On noteklenombredefoisun mêmepointdu sol croiseleplan del’orbitedu satellitedansun sensdonné
pendantunepériodederépétitivité.
Déterminerl’expression dekenfonction deTn,ωT,etN.CalculerlavaleurdekpourN=127.
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Centrale Physique MP 2012 — Énoncé 4/6
II Diusion desondesradar par l’océan
Un radar altimétrique embarqué émetuneonde électromagnétique(onderadiodefréquence f=13,6GHz).
L’onde estémise en direction delamer,celle-ciabsorbel’onde etlaréémet:on parledediusion.Cetteonde
rétrodiusée,appelée écho, estcaptée enretourpar leradar.
La mesuredeladurée du trajetaller-retourpermetdedéterminerladistance {surfaceoan satellite};par
diérence avec laposition du satellitepar rapportàun ellipsdederéférence,on en déduitlahauteurdela
mer.
Onsupposeraque,durantce trajetaller-retour, lesatellite estimmobileau dessusdelamer.
Danstoute cettepartie, l’atmosphèreseraassimilée au vide(indice optique égal à1).Certainesperturbations
apportéespar lefaitquel’ionosphère estun plasmaserontabordéesdanslapartieIII.
II.ADiusionsurune merplate
Ons’intéresseau processusderétrodiusion del’onderéémisepar unesurfaceSdel’oan,éclairée par le
radar.L’ondearrivantsurl’oan estconsidérée commeplane(bienquétantsphérique).Ellesepropage dans
ladirection þu=sinθþeycos θþez(gure3) (θestsansrapportavec celuidelapartieI).La direction de
propagation nestdoncpas formentcelledelaverticale.
Oy
z
P
þu
þu
θ
θ
OP=xþex+yþey
Figure3
Ons’intéresseàlarétrodiusion dansladirection θ,cetterétrodiusion estàrapprocherdeladiraction à
l’infini. Onconsidèrequelesanglesθetθsontfaibles.
L’amplitudedel’ondediractée (ou rétrodiusée)en un pointMàl’infinipar uneouverturedesurfaceSest
donnée par larelation suivante:
Ad(M)=KÚÚS
t(P)exp3i2π
λ(þuþu)·
OP4dS
Kestune constante complexe,t(P)un coecientrendantcomptedel’ecacitédeladiusion etλla
longueurdondedel’onderadar.
Ons’intéresseàuneportion demercarrée,de côtéa=7kmselon lesaxesxety,centrée enO, lissedetelle
sortequet(P)=t0avec t0R+.Onconsidèreraquelesvecteursdirecteursþuetþudesrayonsincidentset
rétrodiusés sont toujoursdansleplan (yOz)(cf.gure3).
II.A.1) Déterminerl’éclairementdiracté(ou rétrodiusé)EdenM,enfonction deθ,θ,λ,aetdel’éclairement
maximal E0.
II.A.2) Pourquelangleθl’éclairementest-il maximal ?Celapeut-il correspondreàl’échoperçu par lesatel-
lite?
II.BDiusionsurune merhouleuse
Onenvisage lamêmeportion demer,maiscettefois-cihouleuse,detellesorteque
t(P)=t0+t1cos 32πy
d4
avec adetaλ.
II.B.1) L’hypothèseaλétait-ellevalableàlaquestion précédente?
II.B.2) Montrerquel’ondediusée estconstituée detroisondes sepropageantdanstroisdirectionsquel’on
détermineraenfonction deλ,detθ.
II.B.3) Laquellede cestroisondesestsusceptiblede correspondreàl’échoru par lesatellite?Quelle
condition doiventvérierd,λetθpourpouvoireectivementrécupérercetécho?
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Centrale Physique MP 2012 — Énoncé 5/6
III Propagation dondesélectromagnétiques
III.AOndesélectromagtiquesdans le vide
III.A.1) RappelerleséquationsdeMaxwell en présence de chargesetde courants.
Quelles sontlestraductionsglobales,ditesaussiformesintégrales,de cesloislocales?
III.A.2) Établirl’équation depropagation du champþ
E(M,t)danslevide(enl’absence de chargesetde
courants).
III.A.3) Onconsidèreuneondedontle champélectrique en notation complexesécrit:
þ
E(M,t)=E0expi(ωtkx)þey
E0R
+etkR
+.
Caractérisercetteonde(donner5qualicatifs).
III.A.4) Àquelle condition surketωcetteonde est-elleunesolution del’équation depropagation ?Comment
appelle-t-on cetterelation ?Le vide est-il un milieu dispersif(àjustier)?
III.A.5) Déterminerl’expression réelledu champmagnétiqueþ
B(M,t).
III.A.6) Déterminerl’expression du vecteurdePoyntingþ
Π(M,t).Quelle estlasignication physiquedu flux
deþ
ΠàtraversunesurfaceSouverte,arbitrairementorientée ?
III.BOndesélectromagtiquesdans unmilieuconducteur
III.B.1) Enabsence dedensitévolumiquede charges,maisen présence dedensitévolumiquede courants
þ(M,t),établirl’équation depropagation du champþ
E(M,t)enfonction deþ(M,t).
III.B.2) Onconsidèreuneondedu typeþ
E(M,t)=E0expi(ωtkx)þeyE0R
+etkC.On pose,en
notation complexe, larelation dOhm:þ(M,t)=γþ
E(M,t)γestlaconductivité électrique complexedu
milieu,on supposequellenedépend nidel’espacenidu temps.
Réécrirel’équation depropagation du champþ
E(M,t)enfonction deγ.
Àquelle condition surketωcetteonde est-elleunesolution del’équation depropagation ?On ne cherchera
pas àrésoudre cette équation.
III.B.3) On posek=k1+ik2,avec k1etk2réels.
a)Écrire en notation réellel’expression du champélectriqueþ
E(M,t).
b) Par analogieavec levide,dire ce quereprésentek1, lapartieréelledek.Donneruneinterprétation du signe
dek1.Quelphénomènephysiquetraduitk2, lapartieimaginairedek?
Quediresi leproduitk1k2estpositif?Quediresi leproduitk1k2estnégatif?
c) Définirpar unephraselavitessedephasevϕetdonnerl’expression delavitessedephasede cetteonde en
fonction desgrandeursprécédemmentdéfinies.
III.B.4) Démontrerunerelation simple entrelesvecteursþ
E(M,t),þ
k(vecteurdonde complexe)etþ
B(M,t).
Déterminerlesexpressionsdelareprésentation complexedu champmagnétiqueþ
B(M,t)etdu champréel
þ
B(M,t).Quediredeschampsþ
E(M,t)etþ
B(M,t)sik2estnon nul?
III.B.5) Déterminerl’expression du vecteurdePoyntingþ
Π(M,t)puisl’expression desavaleurmoyenne
+þ
Π(M,t),.Commenter.
III.B.6) Uneondeincidente,þ
Ei(M,t)=E0iexpi(ωtkAx)þeyE0iR
+etkA=kA1+ikA2avec kA1et
kA2deuxréels,sepropageantdanslemilieu(A)arrive enincidence normalesuruneinterfacesituée enx=0
etséparantlemilieu(A)du milieu(B).
Cetteondeincidentedonnenaissance àdeuxondes, l’unerééchie,þ
Er(M,t)=E0rexpi(ωt+kAx)þey,se
propageantdanslemilieu(A)etl’autretransmise,þ
Et(M,t)=E0texpi(ωtkBx)þeykB=kB1+ikB2avec
kB1etkB2deuxréels,sepropageantdanslemilieu(B).
On définitlescoecientsderéexion etdetransmission énertiquesau niveau del’interfacesituée enx=0
par
R=e.
.
.
þ
Πr(O,t).
.
.f
e.
.
.
þ
Πi(O,t).
.
.fetT=e.
.
.
þ
Πt(O,t).
.
.f
e.
.
.
þ
Πi(O,t).
.
.f
þ
Πi(O,t),þ
Πr(O,t)etþ
Πt(O,t)représententrespectivementlesvecteursdePoynting, au voisinage dun pointO
del’interface,desondesincidente,rééchie et transmise(ëþ
Aëdésignelemoduledu vecteurþ
A).
a)Justierl’écrituredu champþ
Er(M,t).
b) DonnerlesexpressionsdeRetdeTenfonction desdonnéesprécédentes.
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