Chapitre 2 Les ondes au service du diagnostic médical

Thème I
Chapitre 2
La santé
Les ondes au service du diagnostic médical
Compétences attendues :
 Extraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences en fonction de
l’application médicale ;
 Connaître la valeur approchée de la vitesse du son dans l’air ;
 Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ( ou dans l’air) ;
 Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale.
I. Notion d’ondes.
Dans une Ola de supporters, on observe une perturbation qui se déplace de proche en proche dans le stade, mais les
supporters restent à leur place : il n’y a pas de transport de matière.
Une onde est la propagation d’une perturbation sans transport de matière.
Il existe deux sortes d’ondes :
 Les ondes mécaniques : le son, les vagues sur l’eau, les ondes sismiques… Elles ne peuvent se propager que
dans les milieux matériels. ( expérience à réaliser : réveil + cloche à vide  le son ne se propage pas dans
le vide )
 Les ondes électromagnétiques : la lumière… Elles se propagent dans les milieux matériels et dans le vide.
( c’est pourquoi, nous recevons la lumière du Soleil, mais pas le son des explosions qui s’y produisent).
II. Les ondes et l’imagerie médicale.
Voir activité 2
La première radiographie a été réalisée en 1895 par Wilhelm Röntgen, un physicien allemand, lorsqu’il
découvrit les rayons X.
L’échographie ultrasonore est apparue en 1955 grâce à la technologie du sonar développé par les marins
dès 1915.
En 1974, le chimiste américain Paul Lauterbur obtint le premier cliché d’imagerie par résonance
magnétique (IRM) en utilisant un champ magnétique (issu d’un aimant) et des ondes radio.
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Les ondes au service de l’imagerie médicale
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La santé
La découverte de la radioactivité artificielle, en 1934, a permis le développement de la médecine
nucléaire, comme la scintigraphie qui analyse les rayons gamma émis par les éléments radioactifs
introduits dans le corps humain.
L’imagerie médicale utilise deux types d’ondes : les ondes électromagnétiques qui peuvent se
propager dans le vide et les ondes sonores qui ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Les rayons X, les ondes radio et les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques ; les ultrasons sont
des ondes sonores.
III. Grandeurs caractérisant une onde.
3.1 Les ondes et leur domaine de fréquence.
Une onde qu’elle soit électromagnétique ou mécanique, est un phénomène périodique. Elle est donc caractérisée par
une fréquence qui détermine le type d’onde.
 L’oreille humaine ne perçoit les sons que dans une plage de fréquences, qui, selon les individus et leur âge, se
situe environ entre 20 Hz et 20 kHz. Au delà de 20 kHz, ce sont les ultrasons. Les sons de fréquences
inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons.
 Les ondes électromagnétiques s’étendent sur une très large gamme de fréquences. La lumière visible n’y
occupe qu’une bande très étroite de 4 x 1014 Hz à 8 x 1014 Hz.
Dans les fréquences supérieures, on trouve les ultraviolets et les rayons X. Les ondes radio ou les
infrarouges sont des ondes de plus faibles fréquences que la lumière visible.
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Les ondes au service de l’imagerie médicale
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3.2 Vitesse de propagation des ondes.
Les vitesses de propagation dépendent du milieu et du type d’onde.
a) Rappel
La vitesse de propagation d’une onde peut se déterminer par la relation :
où v : vitesse de propagation (m.s-1)
d : distance parcourue par l’onde (m)
∆t : durée du parcours (s)
La santé
v = d / ∆t
b) Les ondes sonores.
Quelque soit leur fréquence, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide, elles ont besoin d’un milieu
matériel : liquide, solide, gaz.
Dans l’air, à température ambiante, la vitesse de propagation du son est 340 m.s-1.
Ex : dans l’air, v = 340 m.s-1.
dans l’eau, v = 1500 m.s-1.
dans les tissus organiques mous (foie, peau, muscle, graisse …), v varie entre 1450 et 1600 m.s-1.
dans l’os, v varie entre 2100 et 5000 m.s -1.
La vitesse de propagation d’une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques ( température, densité…)
du milieu de propagation. Vsolide > Vliquide > Vgaz
b) Les ondes électromagnétiques.
Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent toutes à la même vitesse ( ou célérité ),
c = 299 792 458 m.s-1. Leur vitesse de propagation dans l’air est très proche de celle dans le vide.
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide ( et dans l’air) est notée c, sa valeur est
3,00 x 108 m.s-1.
Si le milieu est homogène ( milieu dont les propriétés sont les mêmes partout ), cette propagation s’effectue en
ligne droite.
IV. La réflexion et la réfraction ( voir TP 2)
4.1 Mise en évidence du phénomène.
Exp = cuve à eau + laser
Rayon
réfléchi
Rayon
incident
i’
i
Air
Surface de
séparation
Eau
r
Normale
Lorsqu’une onde atteint la surface séparant 2 milieux
différents, une partie de l’onde est renvoyée vers le
milieu d’origine dans une direction particulière : c’est le
phénomène de réflexion.
Une autre partie peut traverser le surface de
séparation mais changer de direction de propagation :
c’est le phénomène de réfraction.
Rayon
réfracté
La droite perpendiculaire en I à la surface de séparation est la normale au point d’incidence. L’angle entre le rayon
incident et la normale est l’angle d’incidence i ; l’angle entre le rayon réfracté et la normale est l’angle de
réfraction r ; l’angle entre le rayon réfléchi et la normal est l’angle de réflexion i’.
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Lorsqu’une onde atteint la surface séparant 2 milieux différents, elle subit 2 phénomènes : la réflexion et la
réfraction.
 Le rayon réfléchi est le symétrique du rayon incident par rapport à la normale. L’angle de réflexion
est égale à l’angle d’incidence : i’ = i.
 La réfraction est le changement de direction que subit une onde lorsqu’elle traverse la surface de
séparation entre les 2 milieux. L’angle de réfraction est différent de l’angle d’incidence : r ≠ i
(sauf si i = 0).
Remarque : l’échographie est une technique d’imagerie médicale qui utilise les phénomènes de réflexion et de
réfraction d’ultrasons.
4.2 Réflexion totale.
Dans le cas de la lumière on observe dans certaines conditions un phénomène appelé réflexion totale ; ce phénomène
ne se produit que dans des conditions très particulières.
Cas a : le rayon réfracté se rapproche de la normale : r < i
Rayon
réfléchi
Rayon
incident
i’
i
Air
Surface de
séparation
Verre
Si on augmente i de 0 à 90°, r augmente aussi de 0 à r max
< 90°.
Pour n’importe quelle valeur de i, le rayon réfracté
coexiste avec le rayon réfléchi.
r
Rayon
réfracté
Normale
Cas b : le rayon réfracté s’éloigne de la normale : r > i
Rayon
réfléchi
Rayon
incident
i
i’
Verre
Surface de
séparation
Air
r
Normale
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Si on augmente i de 0 à 90°, r augmente aussi et la
valeur r = 90° sera atteinte pour une valeur de i < à
90°.
Rayon
réfracté
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Rayon
réfléchi
Rayon
incident
ilim
Verre
Surface de
séparation
Air
Si on augmente encore i, le rayon réfracté n’existe
plus. Toute la lumière est réfléchie. Il y a réflexion
totale.
Normale
Lorsqu’une onde atteint la surface séparant 2 milieux transparents différents et qu’elle ne peut plus être
réfractée, on dit qu’il y a réflexion totale.
Remarque : la fibroscopie est une technique d’exploration médicale utilisant les fibres optiques. Dans ces fibres
optiques, la lumière est guidée par réflexion totale.
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