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Physique Chimie 2 nde programme 2010 Chapitre 1 Diagnostic médical TP2 et 3 Ondes et imagerie médicale Page 1/4 0 DEMARCHE D'INVESTIGATION Comment peut–on voir à l’intérieur du corps sans avoir recours à la chirurgie ? I ACTIVITE DOCUMENTAIRE 1 A la rencontre des ondes. De nombreuses techniques d’imagerie médicale reposent sur les ondes. Partons à la découverte de ces ondes A) Documents d’étude Doc 1 : Illustrations d'ondes (Physique Chimie 2 nde - Espace Bordas) Doc 2 : Ondes et comportements (Physique Chimie 2 nde - Espace Bordas – Sirius) Doc 3 : Ondes électromagnétiques et ondes sonores Nous évoluons dans un « bain d’onde ». Ecouter un morceau de musique. En vibrant, l’émetteur (une corde de guitare par exemple) comprime périodiquement la matière environnante et crée ainsi une onde sonore dont nos oreilles perçoivent les effets. Les objets que nous pouvons voir diffusent la lumière et sont des sources d'ondes lumineuses auxquelles nos yeux sont sensibles. Cependant un simple écart de fréquence peut nous rendre «insensibles» à ces ondes. Les ultrasons, par exemple ont une fréquence trop élevée pour que nous les entendions. Les ondes produites par les appareils wifi ou téléphones portables, les ondes radio, radar, font partie des ondes électromagnétiques comme la lumière mais leur fréquence les rend invisibles pour nous. Toutes ces ondes nous entourent, nous percutent et peuvent parfois nous traverser de part en part. En effet, un même milieu vide ou matériel peut être opaque à certaines ondes et transparents à d'autres. Par exemple, si un téléphone portable est enfermé dans une cloche dans laquelle le vide a été fait, sa sonnerie est inaudible alors que nous voyons son écran s'illuminer. Doc 4 : Domaines de fréquence des ondes B) Questions 1- A partir des éléments ci-dessus, proposer une définition d'une onde 2- Les ondes sonores et les ondes lumineuses sont-elles différentes ? a) Quelles sont les ondes détectées par nos yeux, nos oreilles ? b) Qu'entend-on par «milieu opaque à certaines ondes et transparent à 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 électromagnétiques lumineuses. d) Le soleil produit des ondes électromagnétiques visibles (comme les ondes lumineuses) mais aussi non visibles. Donner un exemple et citer ce qui les rend invisibles (d'après le texte) e) A partir de l'ensemble de ces réponses, répondre à la question

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Physique Chimie 2nde programme 2010 Chapitre 1 Diagnostic médical TP2 et 3 Ondes et imagerie médicale Page 1/4

0 DEMARCHE D'INVESTIGATION Comment peut–on voir à l’intérieur du corps sans avoir recours à la chirurgie ?

I ACTIVITE DOCUMENTAIRE 1 A la rencontre des ondes.

De nombreuses techniques d’imagerie médicale reposent sur les ondes. Partons à la découverte de ces ondes

A) Documents d’étude

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

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

Doc 3 : Ondes électromagnétiques et ondes sonores

Nous évoluons dans un « bain d’onde ». Ecouter un morceau de musique. En vibrant, l’émetteur (une corde de guitare par exemple) comprime périodiquement la matière environnante et crée ainsi une onde sonore dont nos oreilles perçoivent les effets. Les objets que nous pouvons voir diffusent la lumière et sont des sources d'ondes lumineuses auxquelles nos yeux sont sensibles. Cependant un simple écart de fréquence peut nous rendre «insensibles» à ces ondes. Les ultrasons, par exemple ont une fréquence trop élevée pour que nous les entendions. Les ondes produites par les appareils wifi ou téléphones portables, les ondes radio, radar, font partie des ondes électromagnétiques comme la lumière mais leur fréquence les rend invisibles pour nous. Toutes ces ondes nous entourent, nous percutent et peuvent parfois nous traverser de part en part. En effet, un même milieu vide ou matériel peut être opaque à certaines ondes et transparents à d'autres. Par exemple, si un téléphone portable est enfermé dans une cloche dans laquelle le vide a été fait, sa sonnerie est inaudible alors que nous voyons son écran s'illuminer. Doc 4 : Domaines de fréquence des ondes

B) Questions

1- A partir des éléments ci-dessus, proposer une définition d'une onde 2- Les ondes sonores et les ondes lumineuses sont-elles différentes ? a) Quelles sont les ondes détectées par nos yeux, nos oreilles ? b) Qu'entend-on par «milieu opaque à certaines ondes et transparent à 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 électromagnétiques lumineuses.

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

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II ACTIVITE EXPERIMENTALE TP2 : Les ondes sonores – L'échographie A) L'onde sonore � Une onde sonore est un phénomène périodique qui se propage par une suite de compressions et de dilatations

du milieu de propagation. →→→→ Une onde sonore a donc besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager

� L'oreille humaine est un récepteur sensible aux ondes sonores dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 KHz. � La vitesse de propagation d'une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques (densité, température …) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides et plus faible dans les gaz. → La valeur approchée 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 l’acier : v ≈ 5000 m.s-1)

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

l'oscilloscope. � Placer l'émetteur en mode continu et disposer le récepteur face à (E) à cm de celui-ci (figure ci-contre). � Mettre l'oscilloscope sous tension (réglages annexe n°1) et le régler pour visualiser le signal qui traduit la

réception des ondes ultrasonores. � Régler la fréquence de (E) afin d'obtenir une tension maximale la plus élevée possible 1) Représenter le signal obtenu sur le premier écran ci-contre 2) Donner les sensibilités verticales et horizontales choisies sur l'oscilloscope ? � Placer ensuite l'émetteur en mode «salves» courtes et visualiser à nouveau le signal mode continu mode salves 3) Dans cette configuration répondre aux 2 questions précédentes

C) Principe de l'échographie

� Dans le montage précédent en mode salves courtes, intercaler successivement deux plaques entre l'émetteur et le récepteur d'ultrasons : la première en mousse et la deuxième en métal.

1) Préciser si le matériau testé transmet l'onde. Si oui la fréquence et la valeur maximale de la tension visualisée à l'oscilloscope varient-elles lorsque l'onde traverse le matériau ? Justifier sans calcul

• Relier également l'émetteur à l'oscilloscope tel que : → voie (I) : récepteur → voie (II) : émetteur

• Enclencher le bouton 27 et faites les réglages pour visualiser le signal de la voie II • Actionner le bouton «dual» et décaler les deux signaux pour les voir correctement. � Approcher le récepteur le plus près possible de l'émetteur : l'écart entre les deux signaux fixe l'écart de temps minimal entre l'émission et la réception ∆t0. Noter cette valeur.

� Placer l'émetteur et le récepteur côte à côte dans le même sens et face successivement aux deux plaques précédentes. (voir ci contre)

2) Préciser si le matériau testé réfléchie l'onde. Si oui la fréquence et la valeur maximale de la tension visualisée à l'oscilloscope varient-elles

lorsque l'onde est réfléchie ? Justifier sans calcul 3) Déterminer la valeur de la durée ∆t (appelé retard) qui sépare le début de

l'émission de l'impulsion d'ultrason du début de la réception. (Justifier) 4) Vérifier par le calcul la valeur de la distance D entre la sonde et la plaque sachant qu'à 20°C, la vitesse

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

réflexion En quoi ces deux expériences permettent-elles de comprendre le principe de l'échographie

15 cm

L’émetteur et le récepteur sont toujours face à face

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III ACTIVITE EXPERIMENTALE TP3 : Les ondes lumineuses – La fibroscopie

A) Les ondes lumineuses � Une onde lumineuse est une onde électromagnétique, c'est-à-dire un signal périodique. Elle peut se propager sans support matériel. →→→→ Une onde lumineuse peut se propager dans le vide

� L'œil humain (récepteur) est sensible aux ondes lumineuses dont la fréquence 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 homogène, la lumière se propage en ligne droite B) Réflexion et Réfraction des ondes lumineuses

1) A la découverte du phénomène de réfraction : L’expérience d’Archimède.

La propagation rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène est rectiligne. On la modélise par un rayon de lumière (une droite orientée). Mais que se passe-t-il lorsqu’elle rencontre un autre milieu de propagation ? Archimède (287-212 av. J.-C.) nous éclaire sur la réponse en proposant l’expérience suivante : « Si tu poses un objet au fond d’un vase et si tu l’éloignes jusqu’à ce que l’objet en question ne se voie plus

(Fig. 1), tu le verras réapparaître à cette distance dès que tu rempliras le vase d’eau (Fig. 2). » Réalise cette expérience avec une tasse et une pièce de monnaie. Une webcam remplace l’œil de l’expérimentateur. À quelle condition un objet (la pièce dans la tasse par exemple) peut-il être vu par un observateur ? 2 a. Sachant que l’eau et l’air peuvent être considérés comme deux milieux homogènes et transparents, que peut-on dire de la propagation de la lumière dans ces deux milieux ? b. Utiliser le modèle du rayon de lumière pour expliquer que l’expérimentateur (son œil ou la webcam) ne voit pas la pièce de monnaie dans la situation de la figure 1. Le phénomène observé dans la situation de la figure 2 est appelé réfraction de la lumière. Nous allons réaliser les expériences suivantes pour expliquer ce phénomène.

2) Expériences � On dispose d’un faisceau laser que l’on dirige vers la surface plane d’un liquide. � La lumière est diffusée dans l’air par de la fumée et dans l’eau par de craie ou de la fluorescéine.

a. Comment le trajet des rayons incidents est-il modifié lorsqu’ils traversent la surface séparant l’eau de l’air ? b. Le rayon incident se sépare également en un autre rayon : à quoi peut-il correspondre ? c. Donner une définition des phénomènes de réfraction et de réflexion d. Compléter le schéma ci contre en utilisant le vocabulaire approprié • La surface qui sépare deux milieux transparents est appelé le dioptre • La normale à la surface est la droite perpendiculaire en un point de la surface • L’angle incident est l’angle formé entre la normale au point d’incidence et le rayon incident : il est noté « i » • L’angle de réfraction est l’angle formé entre la normale au point d’incidence et le rayon réfracté : il est noté « R » • L’angle de réflexion est l’angle formé entre la normale au point d’incidence et le rayon réfléchi : il est noté « r »

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C) Le fibroscope pour voir à l’intérieur du corps

Le fibroscope est un tuyau souple permettant d’explorer l’intérieur du corps. Il contient des fibres optiques qui ont la propriété de conduire la lumière. Mission : Répondre à la question suivante : «Comment la lumière peut rester confinée dans le cœur d'une fibre optique ?» 1) Piste de réflexion

Quelle proposition des élèves ci-dessus peut-on rejeter ? 2) Expériences

���� Attention ne pas regarder directement le faisceau laser. Risque de détérioration de la rétine de l’œil

→ Réaliser le montage suivant :

- un laser est posé sur un support réglable - le disque gradué est posé à plat sur la paillasse - l'hémicylindre en plexiglas est positionné selon le schéma ci-contre → Toujours en visant la surface plane de l'hémicylindre, faire varier de 0 à 90° l'angle d'incidence i. a) Noter les phénomènes qui se produisent au niveau de la surface du dioptre b) Existe-t-il un faisceau réfléchi ? Un faisceau réfracté ? Décrire 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 après avoir atteint la surface plane séparant le plexiglas de l'air ? Quelle différence observe-t-on avec l'expérience précédente ?

d) Pour un angle d'incidence plus grand, existe-t-il toujours un faisceau réfléchi ? Un faisceau réfracté ? Décrire leur position et faire un schéma des deux situations

3) Conclusions

a) Quelles sont les conditions nécessaires pour que le faisceau réfracté ne soit plus observé lorsque la lumière change de milieu ?

b) Expliquer comment la lumière reste confinée dans le cœur de la fibre optique