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Sommaire PARTIE I – ÉTATS DE LA MATIÈRE ET LEUR CARACTÉRISATION 1. Gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaz parfaits – Considérations macroscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaz parfaits – Considérations microscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Température et énergie moléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mélange de gaz parfaits – Pressions partielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systèmes gaz-liquide – Solubilité des gaz parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformations des Gaz parfaits – Énergie interne – Enthalpie . . . . . . . . . . Transformation à température constante (isotherme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformation à volume constant (isochore) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformation à pression constante (isobare) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relation entre Qv et Qp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capacité calorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaz réels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. Liquides et solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . État liquide à l’échelle microscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Liquides miscibles et non miscibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3. Potentiel chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potentiel chimique d’un gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potentiel chimique des phases condensées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potentiel chimique des mélanges – Cas des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Équilibre et potentiel chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Changements d’états d’un corps pur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrammes de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chaleur latente du changement de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Changements de phase liquide-vapeur – Pression de vapeur . . . . . . . . . . . . . 5. Propriétés colligatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cryoscopie et ébullioscopie – Loi de Raoult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Osmose et pression osmotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PACES Physique.indd VII 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 7 7 7 9 10 10 16 16 17 18 19 20 20 21 21 23 23 24 08/12/11 14:50 VIII SOMMAIR E PARTIE II – NOTIONS DE BASE : FORCE, ÉNERGIE, ÉLECTROSTATIQUE, DIPÔLE ÉLECTRIQUE, ÉLECTROCINÉTIQUE 6. Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 7. Énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Énergie cinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Énergie potentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Énergie totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Loi de la conservation d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Énergie relativiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Énergie ondulatoire de la matière – Dualité onde-particule . . . . . . . . . . . . . . Unités et expression utiles d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 8. Électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Charge électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Force électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Champ électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Force électrique exercée sur une charge ponctuelle par un champ électrique extérieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potentiel électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relation entre le potentiel électrique et le champ électrique . . . . . . . . . . . . 9. Dipôle électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Moment dipolaire électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Approximation dipolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potentiel d’un dipôle électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Champ électrique d’un dipôle électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interaction dipôle-champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interaction dipôle-dipôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. Électrocinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Courant électrique et son sens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intensité de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Courant continu et courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobilité des charges dans un conducteur métallique en courant continu . . Vecteur densité de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Résistance d’un conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relation entre intensité de courant et densité de courant . . . . . . . . . . . . . . . PACES Physique.indd VIII 29 30 31 31 31 32 33 34 34 34 35 36 36 37 38 38 38 39 39 40 41 42 42 42 42 43 43 44 44 12/12/11 11:14 SOMMAIRE IX PARTIE III – MAGNÉTOSTATIQUE, ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES, IMAGERIE PAR RMN 11. Magnétostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Champ magnétique créé par un courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Force magnétique exercée sur une charge ponctuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trajectoire circulaire d’une particule chargée dans un champ magnétique . . Dipôle magnétique et moment dipolaire magnétique énergie potentielle de l’interaction dipôle-champ magnétique . . . . . . . . Moment magnétique orbital de l’électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Moment cinétique orbital de l’électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantification du moment cinétique orbital et sa conséquence sur le moment magnétique orbital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Moment cinétique intrinsèque d’une particule – Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Ondes électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Origine des ondes électromagnétiques – Équations de Maxwell . . . . . . . . . . Équations d’onde-vitesse de l’onde électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propagation de l’onde électromagnétique plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D’autres caractéristiques importantes de l’onde électromagnétique . . . . . . . 13. Principes physiques de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) . . . . Concepts fondamentaux – Phénomène de résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phénomènes de relaxation – Temps de relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Séquences de pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obtention d’images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 48 49 49 51 51 52 52 52 54 55 55 56 57 59 59 61 62 63 PARTIE IV – LE DOMAINE DE L’OPTIQUE 14. Rappels des diverses approches permettant de décrire les manifestations lumineuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optique géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optique ondulatoire et ondes électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Théorie quantique de la lumière – Concept de photons . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 67 68 69 15. Polarisation de l’onde électromagnétique lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . Polarisation de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Changement de l’état de polarisation à l’aide des lames biréfringentes . . . 70 74 16. Interférence lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ondes sphériques issues d’une source ponctuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expérience de Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lame mince à faces parallèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 80 83 PACES Physique.indd IX 70 79 08/12/11 14:50 X SO MMAIR E 17. Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffraction par une fente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffraction par un réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffraction des rayons X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 18. Diffusion de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusion élastique et inélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusion cohérente et incohérente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Influence de la longueur d’onde taille des diffuseurs sur la diffusion . . . . . 92 19. Bases sur le rayonnement laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principes de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Divers types de lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Émission spontanée et stimulée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pompage optique – Inversion de population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rôle de la cavité résonnante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Milieu amplificateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 89 90 92 92 93 94 94 94 95 95 96 96 PARTIE V – RAYONNEMENTS IONISANTS ÉLECTROMAGNÉTIQUES ET PARTICULAIRES 20. Structure des atomes et leur contribution à l’échange énergétique . . . Masse de l’atome et défaut de masse du noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Échange énergétique du rayonnement avec les électrons de l’atome . . . . . . Échange énergétique du rayonnement avec le noyau de l’atome . . . . . . . . . 98 99 99 21. Radiation ionisante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 22. Rayonnements électromagnétiques X et γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nature et propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interactions photon-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Notion d’atténuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 23. Rayonnements particulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radioctivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lois quantitatives de la radioactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interactions des rayonnements particulaires avec la matière . . . . . . . . . . . . Effets produits dans le milieu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantification de l’interaction des rayonnements de particules chargées avec la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Détection des rayonnements ionisants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Différents types de détecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PACES Physique.indd X 98 103 103 104 106 110 110 112 113 114 114 115 117 08/12/11 14:50 SOMMAIRE 24. Effets biologiques produits par les rayonnements ionisants . . . . . . . . . . Dosimétrie et ses grandeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dommages causés par les rayonnements ionisants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mesures de radioprotection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. Applications thérapeutiques des rayonnements ionisants . . . . . . . . . . . . En imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . En radiothérapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI 122 122 124 125 128 128 129 PARTIE VI – CIRCULATION DES FLUIDES PHYSIOLOGIQUES 26. Mécanique des fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrostatique – Loi de Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quelques exemples de pressions physiologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27. Propriétés dynamiques : fluides parfaits, fluides réels, viscosité . . . . . Fluides parfaits – Lois de conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fluides réels : notion de viscosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28. Applications à l’hémodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le sang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les souffles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La résistance périphérique du lit vasculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29. Phénomènes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forces intermoléculaires dans un liquide – Interface liquide-air . . . . . . . . . . Tension superficielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interfaces courbes : Loi de Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interfaces solide-liquide-air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 132 133 134 134 135 138 138 138 138 139 139 140 140 141 PARTIE VII – TRANSPORTS MEMBRANAIRES 30. Phénomènes de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 31. Diffusion, perméabilité : lois de Fick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusion d’un soluté dans un solvant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Membranes : perméabilité, dialyse et diffusion osmotique . . . . . . . . . . . . . . 148 32. Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Applications en médecine : ultrafiltration sanguine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filtration glomérulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 33. Transport de particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobilité ionique, conductivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport ionique – Relation de Nernst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phénomène de Donnan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 PACES Physique.indd XI 148 151 156 156 157 159 161 08/12/11 14:50 XII SOMMAIR E 34. Transport passif, facilité et actif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport passif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport actif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 35. Potentiel de membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 QCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 QCM – Corrigés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 PACES Physique.indd XII 164 165 08/12/11 14:50
