chap. 5 : des ondes au service du diagnostic médical

Chap. 5 : Des ondes au service du diagnostic médical.

1. Ondes sonores et ondes électromagnétiquesa) Qu’est-ce qu’une onde ?

Texte 1 : Les ronds à la surface de l’eau sont des se déplaçant.ondes

Un autre exemple :

Une « ola » est une bonne modélisation d’une onde : on observe unequi se déplace de dans le stade,

mais les supporters restent à leur place : on dit qu’il n’y a pas de perturbation de proche en proche

transport de matière.

Un bouchon flottant à la surface de l’eau :

CONCLUSION :

Lorsqu’un bouchon flottant sur l’eau est atteint par une onde, il à la surface de l’eau, mais il n’est pas emporté par la

oscilleperturbation

Une onde est …

b) Source et fréquence

Expérience 1 : On relie un GBF à un haut parleur (HP) dont la membrane se met à vibrer à la fréquence F. Cela crée une vibration de qui se propage de proche en proche sans transport de matière : c’est une onde qui se propage.On visualise alors simultanément sur un oscilloscope la tension délivrée par le GBF et celle délivrée par un microphone qui capte l’onde sonore créée.Que peut-on dire des fréquences des 2 signaux, émis et capté ?

l’airsonore

Expérience 2 : On relie un GBF à un fil qui sert d’antenne émettrice d’une onde (OEM) qui alors se propage.

On visualise simultanément sur un oscilloscope la tension délivrée par le GBF et celle reçue par un autre fil servant d’antenne réceptrice.

Que peut-on dire des fréquences des 2 signaux, émis et capté ?

électromagnétique

Lorsqu’une source …

c) Domaine de fréquence

L’oreille humaine est …

F en Hz

Doc. 2.

20 Hz 20 000 Hz

Sons audibles pour l’homme.

Infrasons Ultrasons

c) Domaine de fréquence

c) Domaine de fréquence

L’œil humain est …

Rayons gammaRayons XUVIRMicro-ondes

Ondes radio

106 109 1012 1015 1018 1021F en Hz

Radio AM

Radio FM TV

Wifi et téléphon

e portable

Scanner corporel

Fibroscopie

Radiographie X

Eléments radioactifs

Lumières visibles

Doc. 3.

d) Milieu de propagation

Une onde sonore …

Expérience 4 : Proposer une expérience qui montre que les ondes sonores ne peuvent pas se propager dans le vide alors que les ondes électromagnétiques le peuvent.

e) Vitesse de propagationExpérience 5 : Mesure de la vitesse des ultrasons

(US).

Générateur sur 12 V

Emetteur Récepteur

RE

d = 30cm

a. MontageIl est donné sur le schéma ci-contre.Une fiche technique donnant le fonctionnement de cet ensemble émetteur-récepteur à US est disponible sur la table.b. Expérience.-Mesurer la durée mise par les ultrasons pour aller de l’émetteur vers le récepteur. Δt = ……..- En déduire une valeur expérimentale approchée de la vitesse du son dans l’air. v = - Comparer à la valeur donnée v = 340 m.s-1

La valeur approchée de la vitesse de …

Dans le vide ou dans l’air, la vitesse de …

Tableau 1 : Valeur de la vitesse du son dans différents milieux

Milieuair

Dioxyde de

carbone

eauchloroform

efer Béton

V (m.s-

1)340 290 1500 960 6000 1500

Remarque : la vitesse de propagation du son est …

2. Ondes et imagerie médicale.a) Transmission (ou réfraction) d’une onde (expérience 6)

Générateur sur 12 V

obstacle

Emetteur Récepteur

RE

d = 10cm

Chercher si la transmission des ultrasons dépend de la matière et de l’épaisseur d’un obstacle ?- L'émetteur E et le récepteur R étant distants de 10 cm, placer entre eux des obstacles de natures différentes.- Observer le signal du récepteur et évaluer à chaque fois l’amplitude reçue.

Obstacle air 1 feuille de

papier

3 feuilles de

papier

Polystyrène

carton toile de jute

mousse

AmplitudeRéf Faible Très fai. Faible TF Forte Forte

La transmission des ultrasons de l’air vers un milieu :

AIR MILIEU : obstacle

AIR MILIEU : obstacle

La transmission des ultrasons de l’air vers un milieu :

Onde incidente Onde transmise ou réfractée

TT

La fréquence d’une onde ne change pas lorsqu’elle ……….

Uimax

Utmax

La transmission des ultrasons de l’air vers un milieu :

AIR MILIEU 1 : obstacle 1

MILIEU 2 : obstacle 2

La transmission des ultrasons de l’air vers un milieu :

AIR MILIEU 1 : obstacle 1

La transmission d’une onde de l’air vers un milieu dépend ……….

MILIEU 2 : obstacle 2

La transmission des ultrasons de l’air vers un milieu :

AIR MILIEU : obstacle

Mais aussi ……….

Plus l’épaisseur traversée est grande et plus l’absorbance … .

Une fois transmise, l’onde est alors absorbée par le milieu :

MILIEU : obstacle

L’absorbance dépend du milieu traversé.

Une fois transmise, l’onde est alors absorbée par le milieu :

MILIEU 1

MILIEU 2

Application à la radiographie (scanner) :

Texte 2 : Au cours de leur, les ondes sont à

cause de l’interaction entre l’onde et le milieu de propagation. Cet affaiblissement de leur amplitude dépend du milieu de propagation, de la nature et de la

de l’onde.Ce phénomène, appelé , permet d’explorer la matière.Exemple : le corps humain à l’aide des

.

propagationabsorbées

fréquence

absorption

rayons X (scanner)

Compléter texte 2 (sur feuille 2)

Expérience 7 : phénomène de l’écho. Réflexion des ultrasons.- Placer côte à côte l'émetteur et le récepteur. -Ajouter un obstacle à 10 cm en face d'eux et évaluer l’amplitude du signal reçu. Observations.

Obstacle 1 feuille de

papier

3 feuilles de

papier

Polystyrène

carton toile de jute

mousse

Amplitude

b) Réflexion ; lois de Snell-DescartesLorsqu’une onde atteint la surface séparant deux milieux, une partie de l’onde est …

Conclusion : plus une onde est réfléchie, moins elle est …

Forte très fo Forte forte faible faible

La réflexion des ultrasons :

AIR MILIEU : obstacle

La réflexion des ultrasons :

AIR MILIEU : obstacle

Onde incidente Onde transmise ou réfractée

Onde réfléchie

T

T

T

La fréquence de l’onde réfléchie est ……….

Vidéo sur l’origine de l’échographie

Vidéo sur le principe de l’échographie :

L’échographie est une technique qui utilise des qui ont des comprises entre 2 et 20 MHz soit entre 2.10 et 2.10 Hz.Une sonde échographique est à la fois un émetteur et un récepteur d’ultrasons. Lorsqu’ils se propagent dans le corps, ces ultrasons sont plus ou moins réfléchis par les parois séparant 2 milieux différents.La partie réfléchie est reçue par la sonde et analysée par un système informatique.

Doc. 4.

ultrasonsfréquences 6

7

Courbe diapo suivante

10

20

30

40

50

60

0

h (m)

50 100 150 200 250 3000

x (m)

A B

C D

E

b) Réflexion ; lois de Snell-DescartesExpérience 8 : Envoyer un faisceau lumineux (dit rayon incident) sur un demi-cylindre en plexiglas placé sur un disque gradué en angle.

Compléter le schéma du doc.5 ci-contre par : la « normale », l’ « angle d’incidence », le « rayon réfléchi » et le « plan d’incidence ».Comparer les angles d’incidence i1 et les angles de réflexion iR correspondants.

020

90Normale

Plan d’incidence

Doc.5

Angle d’incidence i1

Angle de réflexion iR

En déduire les lois de Snell-Descartes pour la réflexion.

D’où les lois de Snell-Descartes pour la réflexion :

1ère loi :

2ème loi :

Milieu 2Indice n2 > n1

Milieu 1Indice n1

Doc.6

Angle d’incidence i1

Normale

Angle de réflexion iR

c) Réfraction ; lois de Snell-DescartesExpérience 9 : On s’intéresse cette fois-ci au rayon transmis ou réfracté.Compléter le schéma du doc.5 ci-contre par : le « rayon réfracté » et l’ « angle de réfraction ».

020

90Normale

Plan d’incidence

Doc.5

Angle d’incidence i1

iR

Angle de réfraction i2

La réfraction est le …

L’angle de réfraction dépend de la valeur de l’angle d’incidence : quelle loi relie ces 2 grandeurs ?

i1 (°) i2 (°) sin i1 sin i2 sin i1/sin i2

0

20

40

60

80

Compléter le tableau suivant quand le milieu 1 est l’air et le milieu 2 le plexiglas :

0 0 0 /

~ 13 0.34 ~ 0.22 ~ 1.5

~ 25 0.64 ~ 0.42 ~ 1.5

~ 35 0.87 ~ 0.57 ~ 1.5

~ 40 0.98 ~ 0.64 ~ 1.5

La vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu dans lequel elle se propage.

On appelle indice de réfraction d’un milieu homogène transparent le rapport :

n =c

v

Vitesse de la lumière dans le vide 3,00.108 m.s-1.

Vitesse de la lumière dans le milieu considéré en m.s-1.

Remarque :

Exemple :

i1 (°) i2 (°) sin i1 sin i2 sin i1/sin i2

0 0 0 0 /

20 ~ 13 0.34 ~ 0.22 ~ 1.5

40 ~ 25 0.64 ~ 0.42 ~ 1.5

60 ~ 35 0.87 ~ 0.57 ~ 1.5

80 ~ 40 0.98 ~ 0.64 ~ 1.5

Comparer la valeur du rapport sin i1/sin i2 au rapport n2/n1.

Conclusion.

D’où les lois de Snell-Descartes pour la réfraction :

1ère loi :

2ème loi :

Remarque : Si le milieu 1 est l’air ou le vide, n1 =

Comparer les valeurs de i1 et i2 quand n1 < n2.

Remarque : Si n1 < n2, alors

Milieu 2Indice n2 > n1

Milieu 1Indice n1

Doc.6

Angle d’incidence i1

Normale

Angle de réflexion iR

Angle de réfraction i2

d) Réflexion totaleComparer les valeurs de i1 et i2 quand n1 > n2.

Milieu 2Indice n2 < n1

Milieu 1Indice n1

Doc.7

Angle d’incidence i1

Normale

Angle de réflexion iR

Angle de réfraction i2

Par la loi de Snell-Descartes …

Il existe alors …

Comment réaliser cette expérience (10) avec le matériel précédent ?

Mettre alors en évidence la « réflexion totale ».

Application : la fibre optique utilisée dans la fibroscopie.