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  4. Méthode : Utiliser la troisième loi de Kepler pour déterminer la période de révolution d'un corps en orbite

Utiliser la troisième loi de Kepler pour déterminer la période de révolution d'un corps en orbite Méthode

Sommaire

1Rappeler la troisième loi de Kepler 2Rappeler l'expression de la constante k 3En déduire l'expression de la période de révolution 4Effectuer l'application numérique 5Convertir la période

La troisième loi de Kepler permet de déterminer la période de révolution d'un corps en orbite d'un astre.

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

Données :

  • Constante universelle de gravitation : G=6{,}67\times10^{-11} \text{ m}^3\text{.kg}^{-1}\text{.s}^{-2}.
  • Masse du Soleil : M_S=2{,}0\times10^{30} \text{ kg}.
  • Rayon de l'orbite de Mars : r=2{,}3\times10^8 \text{ km}.
Etape 1

Rappeler la troisième loi de Kepler

On rappelle la troisième loi de Kepler qui concerne la période de révolution T du système et le demi grand axe a de son orbite, ou rayon r si l'orbite est circulaire.

D'après la troisième loi de Kepler, le carré de la période de révolution T d'une planète est proportionnel au cube du demi grand axe a de son orbite elliptique :

\dfrac{T^2}{a^3} = k

Avec :

  • T : période de révolution (en s) ;
  • a : demi grand axe de l'ellipse ou rayon si l'orbite est quasiment circulaire (en m) ;
  • k : constante identique pour toutes les planètes (en \text{ s}^{2}.\text{m}^{-3}).

Dans le cas d'un mouvement quasi-circulaire comme celui de Mars, on peut utiliser le rayon r au lieu du demi grand axe a, ce qui donne :

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

Etape 2

Rappeler l'expression de la constante k

On rappelle l'expression de la constante k.

L'étude du mouvement des corps en orbite d'un astre attracteur montre que la constante k ne dépend que de la masse de l'astre attracteur. Ainsi, dans le cas du système solaire, on peut déterminer l'expression de k :

k = \dfrac{4 \pi^2}{G \times M_{S}}

Etape 3

En déduire l'expression de la période de révolution

On en déduit l'expression de la période de révolution T.

La troisième loi de Kepler peut donc s'écrire :

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

L'expression du carré de la période de révolution est donc :

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

D'où l'expression de la période de révolution :

T = \sqrt{\dfrac{4 \pi^2}{G \times M_{S}}\times r^3}

Que l'on peut écrire aussi :

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

Etape 4

Effectuer l'application numérique

On effectue l'application numérique, en convertissant le cas échéant le rayon en mètres (m) et la masse de l'astre en kilogrammes (kg). La période de révolution est alors obtenue en secondes (s).

Ici, il faut convertir le rayon de l'orbite de Mars en mètres (m) :

r=2{,}3\times10^8 \text{ km}

r=2{,}3\times10^8 \times10^3 \text{ m}

r=2{,}3\times10^{11} \text{ m}

On a donc :

T = 2 \pi \times \sqrt{\dfrac{ (2{,}3\times10^{11})^3}{6{,}67\times10^{-11} \times 2{,}0\times10^{30}}}

T = 6{,}0.10^7 \text{ s}

Etape 5

Convertir la période

Le cas échéant, on convertit la période obtenue dans une unité plus adaptée que la seconde.

Ici, l'unité de temps la plus adaptée est le jour. On convertit donc la période obtenue en jours :

T_{(\text{j})} = \dfrac{T_{(\text{s})}}{3 \ 600 \times 24}

T_{(\text{j)}} = \dfrac{6{,}0.10^7}{3 \ 600 \times 24}

T = 694 \text{ j}

La période de révolution de Mars est donc de 694 jours.

Voir aussi
  • Cours : Le mouvement d’un corps céleste dans un champ de gravitation
  • Méthode : Montrer que le mouvement d'un corps en orbite autour d'un astre est uniforme
  • Méthode : Obtenir l'expression de la vitesse d'un corps en orbite autour d'un astre
  • Méthode : Retrouver la troisième loi de Kepler à partir de l'expression de la vitesse du corps en orbite
  • Méthode : Utiliser la troisième loi de Kepler pour déterminer le rayon d'une orbite
  • Méthode : Déterminer l'altitude d'un satellite géostationnaire
  • Exercice : Connaître la première loi de Kepler
  • Exercice : Différencier aphélie et périphélie
  • Exercice : Connaître la deuxième loi de Kepler
  • Exercice : Connaître la troisième loi de Kepler
  • Exercice : Déterminer la période de révolution d'un astre à l'aide de son demi grand axe
  • Exercice : Déterminer le demi grand axe de l'orbite d'une planète à l'aide de sa période de révolution
  • Exercice : Utiliser la troisième loi de Kepler
  • Exercice : Déterminer les coordonnées du vecteur accélération d’un système en mouvement circulaire dans un champ de gravitation newtonien
  • Exercice : Déterminer les coordonnées d'un vecteur vitesse initiale dans un repère de Frenet
  • Exercice : Déterminer l'équation de la vitesse d’un système en mouvement circulaire dans un champ de gravitation
  • Exercice : Utiliser le repère mobile pour déterminer les propriétés de la vitesse d'un astre
  • Problème : Etablir la troisième loi de Kepler dans le cas d'un mouvement circulaire
  • Exercice : Exploiter les équations horaires du mouvement pour déterminer une vitesse
  • Exercice : Exploiter les équations horaires du mouvement pour déterminer une position
  • Exercice : Établir l’équation de la trajectoire du mouvement d'un corps céleste dans un champ de gravitation
  • Exercice : Connaître les caractéristiques d'un satellite géostationnaire
  • Problème : Etudier le mouvement d'un satellite géostationnaire
  • Exercice type bac : Mesure de la masse de Jupiter et du Soleil, centres étrangers 2022

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