Utiliser les animations en classe

Fiche pédagogique : La mécanique des satellites géostationnaires

Présentation de l'animation "La mécanique des satellites géostationnaires"

  Cliquer sur l'image pour lancer l'animation.

Les satellites géostationnaires sont utilisés pour l'observation en continu d'une zone précise du globe terrestre.

L'orbite d'un satellite géostationnaire est telle qu'il se trouve en permanence au-dessus du même point de la surface terrestre. Cette orbite doit être circulaire, géosynchrone et se trouver dans le plan de l'équateur.

L'animation permet d'identifier les paramètres pertinents du mécanisme de positionnement d'un satellite géostationnaire : vitesse, inclinaison du plan de l'orbite. Elle permet ainsi à l'élève une bonne compréhension du mot géostationnaire.

Texte(s) de référence

SPC Terminale S : Bulletin officiel Hors série n°4 du 30 août 2001

Evolution temporelle des systèmes mécaniques, 2.2 Mouvements plans – satellites et planètes

SVT seconde : Bulletin officiel spécial n°4 du 29 avril 2010

Thème : L'Univers, sous-thème Le système solaire, Observation de la Terre

Enseignements d'exploration : Méthodes et pratiques scientifiques - arrêté du 8 avril 2010, BO spécial n°4 du 29 avril 2010

Thème : Science et vision du monde : Voir la Terre, Images satellitaires

Découpage de l'animation

Introduction

Description du lancement d'un satellite géostationnaire par le lanceur Ariane 5.

Positionnement d'un satellite géostationnaire

Dans la fenêtre principale de cette partie de l'animation, le globe terrestre est vu en permanence depuis le satellite. Une fenêtre secondaire, image la trajectoire du satellite dans le référentiel géocentrique. Chaque type de trajectoire du satellite donne des conditions différentes d'observation de la Terre. Il s'agit de trouver la trajectoire qui donnera à voir en continu une zone de la Terre depuis le satellite.

Étape 1 : le plan de l'orbite du satellite est incliné par rapport au plan équatorial. L'orbite est elliptique. Vu du satellite, il est impossible d'observer en continu une zone précise de la Terre.

Étape 2 : passage à une orbite circulaire, l'inclinaison de son plan étant inchangée. Vue du satellite, l'observation de la Terre est plus aisée. Cependant la Terre est toujours en rotation ; elle semble " basculer ".

Étape 3 : passage à une orbite dans le plan de l'équateur. Vue du satellite, la Terre ne " bascule " plus mais elle est toujours en rotation.

Étape 4 : passage à une orbite géosynchrone dans le plan équatorial. Depuis le satellite, une même zone de Terre est visualisée en continu.

Simulation d'un lancement

L'élève doit placer le satellite en orbite en jouant sur la vitesse de lancement, choisir l'angle d'inclinaison du plan de l'orbite et la vitesse de révolution du satellite enfin d'en faire un satellite géostationnaire.

Tout au long de l'animation, l'élève peut ouvrir des dossiers pour en savoir plus.

Suggestions d'exploitation pédagogique en classe

Classe concernée : Seconde : SPC - Les satellites et les sondes permettent l'observation de la Terre et des planètes.

Organisation : Binôme de TP avec 1 poste de travail ayant accès à internet (ou avec l'animation enregistrée) avec un casque pour l'écoute des commentaires.

Compétences :

Compétences développées par le questionnaire

  • Extraire d'un document des informations.
  • Extraire des informations d'un fait observé.
  • Savoir adapter ses connaissances à la situation.

Compétences développées par la simulation

  • Identifier des paramètres pertinents.
  • Effectuer un paramétrage pour obtenir un enregistrement conforme à ce qui est attendu.

Activité : Que verrais-je de la Terre depuis un satellite orbitant autour de celle-ci ?

La réponse est apportée par l'animation qui se propose de placer en orbite un satellite géostationnaire. Et, chemin faisant, elle illustre quelques notions fondamentales de mécanique que les élèves ont bien du mal à durablement s'approprier.

L'enseignant souhaitant travailler sur les référentiels et la relativité du mouvement abordera avec ses élèves les trois premières questions de l'activité. S'il préfère plutôt travailler sur la notion de satellite géostationnaire et les conditions de son lancement, il se penchera sur les cinq dernières questions.

Questions posées

  1. Quels sont les référentiels utilisés par l'animation ?
  2. Quelle est la nature du mouvement d'un satellite géostationnaire dans un référentiel terrestre ?
  3. Montrer en quoi l'animation permet d'illustrer la relativité du mouvement ?
  4. Dans le référentiel géocentrique, à quelle force est soumis le satellite ?
  5. Lorsque le satellite à une trajectoire elliptique, que peut-on dire de la vitesse de celui-ci le long de sa trajectoire ?
  6. Un satellite possédant une orbite géosynchrone (période de révolution du satellite égale à période de rotation de la Terre) est-il nécessairement géostationnaire ?
  7. Pour que le satellite ait une orbite circulaire, quelle doit être sa vitesse de mise en orbite ?
  8. Pour un satellite géostationnaire, quelle est la valeur de l'angle d'inclinaison ?
  9. Quelle est la nature des orbites de transfert ?
  10. Comment un satellite s'y prend-il pour circulariser son orbite ?

Réponses

  1. La trajectoire du satellite est imagée dans le référentiel géocentrique. Ce référentiel est défini dans un dossier " En savoir plus " de l'animation (voir onglet 5). La Terre est vue depuis le satellite. Le satellite est donc un second référentiel.
  2. Dans un référentiel terrestre, un satellite géostationnaire est immobile (réponse donnée dans l'introduction de l'animation).
  3. Depuis un satellite géostationnaire, la Terre présente toujours la même zone de sa surface au satellite. Elle a " perdu " son mouvement de rotation (voir onglet 4). En revanche, depuis un autre type de satellite, l'animation montre que la Terre présente un mouvement de rotation. Elle tourne même en sens contraire, soit d'Est en Ouest (voir onglet 3). La Terre peut même avoir à la fois un mouvement de rotation et de basculement lorsqu'elle est observée depuis un satellite n'orbitant pas dans le plan de l'équateur (voir onglet 2). Ces observations sont un des points forts de l'animation. Elles illustrent la relativité du mouvement.
  4. Dans le référentiel géocentrique, le satellite est soumis uniquement à la force de gravitation. Cette force est illustrée dans un dossier " En savoir plus " de l'animation (voir onglet 5).
  5. Le satellite ne se déplace pas à vitesse constante le long d'une trajectoire elliptique. Il est plus rapide au plus près de la Terre (périgée) et plus lent au plus loin de la Terre (apogée). L'élève peut faire ce constat en suivant attentivement le satellite dans une fenêtre secondaire de l'animation (voir l'onglet 1).
  6. Un satellite possédant une orbite géosynchrone peut évoluer en dehors du plan équatorial. Il n'est alors pas stationnaire. La réponse est donc non.
  7. La vitesse de mise en orbite du satellite est de 6000 m/s. L'élève a la possibilité de trouver cette valeur grâce au jeu de simulation de lancement de satellites (voir onglet 6). Il choisit parmi les valeurs suivantes : 2000 m/s, 4000 m/s, 6000 m/s et 12000 m/s. Une valeur trop faible de la vitesse de lancement conduit à un écrasement du satellite sur la Terre. Une valeur trop élevée conduit à la perte du satellite dans l'espace.
  8. L'angle d'inclinaison est de 0° pour un satellite géostationnaire (voir toujours onglet 6). L'élève peut donner à l'angle d'inclinaison les valeurs 50°, 30°, 0° et -30°.
  9. Les orbites de transfert sont elliptiques (réponse donnée dans l'introduction de l'animation).
  10. À chaque passage, à l'apogée de son orbite de transfert, le satellite utilise ses moteurs pour circulariser son orbite (réponse donnée dans l'introduction de l'animation).

Ressources complémentaires

Revue TDC, Les satellites, à quoi ça sert ?, N° 895 du 1er mai 2005.

http://www.sceren.com/cyber-librairie-cndp.asp?l=tdc-n-895-1er-mai-2005&prod=18367

Pour visualiser tous les satellites en orbite autour de la Terre : http://science1.nasa.gov/

Le logiciel Solstice à télécharger à l'adresse : http://www.educnet.education.fr/orbito/orb/logiciel/logi11.htm