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  • Physique Chimie 2nde programme 2010 Chapitre 1 Diagnostic mdical TP2 et 3 Ondes et imagerie mdicale Page 1/4

    0 DEMARCHE D'INVESTIGATION Comment peuton voir lintrieur du corps sans avoir recours la chirurgie ?

    I ACTIVITE DOCUMENTAIRE 1 A la rencontre des ondes.

    De nombreuses techniques dimagerie mdicale reposent sur les ondes. Partons la dcouverte de ces ondes

    A) Documents dtude

    Doc 1 : Illustrations d'ondes (Physique Chimie 2nde - Espace Bordas)

    Doc 2 : Ondes et comportements (Physique Chimie 2nde - Espace Bordas Sirius)

    Doc 3 : Ondes lectromagntiques et ondes sonores

    Nous voluons dans un bain donde . Ecouter un morceau de musique. En vibrant, lmetteur (une corde de guitare par exemple) comprime priodiquement la matire environnante et cre ainsi une onde sonore dont nos oreilles peroivent les effets. Les objets que nous pouvons voir diffusent la lumire et sont des sources d'ondes lumineuses auxquelles nos yeux sont sensibles. Cependant un simple cart de frquence peut nous rendre insensibles ces ondes. Les ultrasons, par exemple ont une frquence trop leve pour que nous les entendions. Les ondes produites par les appareils wifi ou tlphones portables, les ondes radio, radar, font partie des ondes lectromagntiques comme la lumire mais leur frquence les rend invisibles pour nous. Toutes ces ondes nous entourent, nous percutent et peuvent parfois nous traverser de part en part. En effet, un mme milieu vide ou matriel peut tre opaque certaines ondes et transparents d'autres. Par exemple, si un tlphone portable est enferm dans une cloche dans laquelle le vide a t fait, sa sonnerie est inaudible alors que nous voyons son cran s'illuminer. Doc 4 : Domaines de frquence des ondes

    B) Questions

    1- A partir des lments ci-dessus, proposer une dfinition d'une onde 2- Les ondes sonores et les ondes lumineuses sont-elles diffrentes ? a) Quelles sont les ondes dtectes par nos yeux, nos oreilles ? b) Qu'entend-on par milieu opaque certaines ondes et transparent d'autres ? c) Peut-on voir dans l'espace ? Peut-on entendre dans l'espace ? Donner un exemple de milieu opaque et milieu transparent aux ondes sonores et aux ondes lectromagntiques lumineuses.

    d) Le soleil produit des ondes lectromagntiques visibles (comme les ondes lumineuses) mais aussi non visibles. Donner un exemple et citer ce qui les rend invisibles (d'aprs le texte) e) A partir de l'ensemble de ces rponses, rpondre la question

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    II ACTIVITE EXPERIMENTALE TP2 : Les ondes sonores L'chographie A) L'onde sonore Une onde sonore est un phnomne priodique qui se propage par une suite de compressions et de dilatations

    du milieu de propagation. Une onde sonore a donc besoin d'un milieu matriel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager L'oreille humaine est un rcepteur sensible aux ondes sonores dont la frquence est comprise entre 20 Hz et 20 KHz. La vitesse de propagation d'une onde sonore dpend essentiellement des caractristiques (densit, temprature ) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides et plus faible dans les gaz. La valeur approche de la vitesse de propagation d'une onde sonore dans l'air est : v 340 m.s-1 (dans l'eau v 1500 m.s-1 et dans lacier : v 5000 m.s-1)

    B) Visualisation des ondes ultrasonores On dispose d'un gnrateur 15V continu, d'un oscilloscope, d'un metteur et d'un rcepteur d'ondes ultrasonores et de fils de connexion. Alimenter l'metteur d'ultrason (E) et relier le rcepteur (R) la voie 1 de

    l'oscilloscope. Placer l'metteur en mode continu et disposer le rcepteur face (E) cm de celui-ci (figure ci-contre). Mettre l'oscilloscope sous tension (rglages annexe n1) et le rgler pour visualiser le signal qui traduit la

    rception des ondes ultrasonores. Rgler la frquence de (E) afin d'obtenir une tension maximale la plus leve possible 1) Reprsenter le signal obtenu sur le premier cran ci-contre 2) Donner les sensibilits verticales et horizontales choisies sur l'oscilloscope ? Placer ensuite l'metteur en mode salves courtes et visualiser nouveau le signal mode continu mode salves 3) Dans cette configuration rpondre aux 2 questions prcdentes

    C) Principe de l'chographie

    Dans le montage prcdent en mode salves courtes, intercaler successivement deux plaques entre l'metteur et le rcepteur d'ultrasons : la premire en mousse et la deuxime en mtal.

    1) Prciser si le matriau test transmet l'onde. Si oui la frquence et la valeur maximale de la tension visualise l'oscilloscope varient-elles lorsque l'onde traverse le matriau ? Justifier sans calcul

    Relier galement l'metteur l'oscilloscope tel que : voie (I) : rcepteur voie (II) : metteur

    Enclencher le bouton 27 et faites les rglages pour visualiser le signal de la voie II Actionner le bouton dual et dcaler les deux signaux pour les voir correctement. Approcher le rcepteur le plus prs possible de l'metteur : l'cart entre les deux signaux fixe l'cart de temps minimal entre l'mission et la rception t0. Noter cette valeur.

    Placer l'metteur et le rcepteur cte cte dans le mme sens et face successivement aux deux plaques prcdentes. (voir ci contre)

    2) Prciser si le matriau test rflchie l'onde. Si oui la frquence et la valeur maximale de la tension visualise l'oscilloscope varient-elles

    lorsque l'onde est rflchie ? Justifier sans calcul 3) Dterminer la valeur de la dure t (appel retard) qui spare le dbut de

    l'mission de l'impulsion d'ultrason du dbut de la rception. (Justifier) 4) Vrifier par le calcul la valeur de la distance D entre la sonde et la plaque sachant qu' 20C, la vitesse

    de propagation des ultrasons dans l'air est proche de 340 m.s-1. 5) Rdiger une conclusion sur le comportement de chaque matriau en termes de transmission et

    rflexion En quoi ces deux expriences permettent-elles de comprendre le principe de l'chographie

    15 cm

    Lmetteur et le rcepteur sont toujours face face

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    III ACTIVITE EXPERIMENTALE TP3 : Les ondes lumineuses La fibroscopie A) Les ondes lumineuses Une onde lumineuse est une onde lectromagntique, c'est--dire un signal priodique. Elle peut se propager sans support matriel. Une onde lumineuse peut se propager dans le vide L'il humain (rcepteur) est sensible aux ondes lumineuses dont la frquence est comprise entre les IR et les UV La valeur de la vitesse de propagation d'une onde lumineuse dans le vide (air) est : v = 3,00.108 m.s-1

    Dans un milieu transparent et homogne, la lumire se propage en ligne droite B) Rflexion et Rfraction des ondes lumineuses

    1) A la dcouverte du phnomne de rfraction : Lexprience dArchimde.

    La propagation rectiligne de la lumire dans un milieu transparent et homogne est rectiligne. On la modlise par un rayon de lumire (une droite oriente). Mais que se passe-t-il lorsquelle rencontre un autre milieu de propagation ? Archimde (287-212 av. J.-C.) nous claire sur la rponse en proposant lexprience suivante : Si tu poses un objet au fond dun vase et si tu lloignes jusqu ce que lobjet en question ne se voie plus

    (Fig. 1), tu le verras rapparatre cette distance ds que tu rempliras le vase deau (Fig. 2). Ralise cette exprience avec une tasse et une pice de monnaie. Une webcam remplace lil de lexprimentateur. quelle condition un objet (la pice dans la tasse par exemple) peut-il tre vu par un observateur ? 2 a. Sachant que leau et lair peuvent tre considrs comme deux milieux homognes et transparents, que peut-on dire de la propagation de la lumire dans ces deux milieux ? b. Utiliser le modle du rayon de lumire pour expliquer que lexprimentateur (son il ou la webcam) ne voit pas la pice de monnaie dans la situation de la figure 1. Le phnomne observ dans la situation de la figure 2 est appel rfraction de la lumire. Nous allons raliser les expriences suivantes pour expliquer ce phnomne.

    2) Expriences On dispose dun faisceau laser que lon dirige vers la surface plane dun liquide. La lumire est diffuse dans lair par de la fume et dans leau par de craie ou de la fluorescine.

    a. Comment le trajet des rayons incidents est-il modifi lorsquils traversent la surface sparant leau de lair ? b. Le rayon incident se spare galement en un autre rayon : quoi peut-il correspondre ? c. Donner une dfinition des phnomnes de rfraction et de rflexion d. Complter le schma ci contre en utilisant le vocabulaire appropri La surface qui spare deux milieux transparents est appel le dioptre La normale la surface est la droite perpendiculaire en un point de la surface Langle incident est langle form entre la normale au point dincidence et le rayon incident : il est not i Langle de rfraction est langle form entre la normale au point dincidence et le rayon rfract : il est not R Langle de rflexion est langle form entre la normale au point dincidence et le rayon rflchi : il est not r

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    C) Le fibroscope pour voir lintrieur du corps

    Le fibroscope est un tuyau souple permettant dexplorer lintrieur du corps. Il contient des fibres optiques qui ont la proprit de conduire la lumire. Mission : Rpondre la question suivante : Comment la lumire peut rester confine dans le cur d'une fibre optique ? 1) Piste de rflexion

    Quelle proposition des lves ci-dessus peut-on rejeter ? 2) Expriences

    Attention ne pas regarder directement le faisceau laser. Risque de dtrioration de la rtine de lil

    Raliser le montage suivant : - un laser est pos sur un support rglable - le disque gradu est pos plat sur la paillasse - l'hmicylindre en plexiglas est positionn selon le schma ci-contre Toujours en visant la surface plane de l'hmicylindre, faire varier de 0 90 l'angle d'incidence i. a) Noter les phnomnes qui se produisent au niveau de la surface du dioptre b) Existe-t-il un faisceau rflchi ? Un faisceau rfract ? Dcrire leur position Diriger le faisceau laser sur la surface courbe du dioptre selon le dispositif suivant : c) Pour un angle d'incidence petit, que devient le faisceau lumineux aprs avoir atteint la surface plane sparant le plexiglas de l'air ? Quelle diffrence observe-t-on avec l'exprience prcdente ?

    d) Pour un angle d'incidence plus grand, existe-t-il toujours un faisceau rflchi ? Un faisceau rfract ? Dcrire leur position et faire un schma des deux situations

    3) Conclusions

    a) Quelles sont les conditions ncessaires pour que le faisceau rfract ne soit plus observ lorsque la lumire change de milieu ?

    b) Expliquer comment la lumire reste confine dans le cur de la fibre optique

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