Chapitre 1 – Les Méthodes de la Physique

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Chapitre 1 – Les Méthodes de la Physique – Christian Scheiber
La Physique est une discipline indispensable à la médecine car elle permet de réguler, paramétrer et
contrôler des phénomènes biologiques afin de pouvoir mieux les comprendre tout en imposant un
certain cadre fixe et rigoureux qui relève de la démarche scientifique.
I – La Démarche de la Physique
- Pour pouvoir étudier un phénomène physique, il est nécessaire de suivre un plan défini qui
introduit la notion de raisonnement scientifique.
- Voici ces 7 points :
- Observation et description de ce qui est pertinent.
- Analogie avec un phénomène connu
- Approximation et Modélisation (Application sur des êtres vivants.)
- Utiliser les lois fondamentales – Mise en équation
- Résolution des équations
- Interprétations des résultats
- Vérifications :
- Ordre de Grandeur
- Validité, Reproductibilité.
II – Les Outils de la Physiques
A) Le Système unité
B) Mesures de Grandeurs
- La Précision physique n’a pas toujours un sens biologique
- Ex : Un chiffre peut être négatif, mais une longueur ne sera jamais négative.
C) Dimension et Analyse Dimensionnelle
D) Lois d’échelle
E) Loi de conservation
- Au cours d’une transformation, certaines grandeurs physiques (telles que la masse, l’énergie, la
quantité de mouvement, le moment cinétique…) ne peuvent varier en fonction de l’avancer de la
transformation.
- On trouve plusieurs intérêts à ces grandeurs car elles permettent :
- De connaître un résultat final sans connaître l’état intermédiaire.
- De réfuter un résultat final.
1 - Conservation de la masse (notée « m »)
- Possible dans un système isolé (sans échange avec le milieu extérieur au système.)
- Dans une réaction chimique, il y a une conservation de la quantité de matière.
- La conservation de la masse n’est vraie qu’en Mécanique Classique où la masse est indépendante
du temps qui s’écoule.
2 - Conservation d’énergie (notée « E »)
- Il existe deux types généraux d’énergies :
- Cinétique (liée à la vitesse.)
- Potentiel (subit une force interne.)
- Ces énergies peuvent se présenter sous plusieurs formes :
- Interne
- Chimique
- Biologique
1
- Quelque-soit le type ou la forme d’énergie, il n’existe qu’une seule et même unité : le Joule (J)
- La somme des énergies internes d’un système isolé est invariable, quelque-soit l’avancée de
l’expérimentation. Autrement dit, Ec + Ep = Etot (ou E mécanique) = CONSTANTE
2.1 - L’énergie cinétique (ou EC)
- C’est une énergie due à un mouvement et qui peut exister sous les formes d’énergie cinétique de :
- Translation. Dans ce cas, EC = ½.m.v²
- Rotation. Dans ce cas, EC = ½ .I.ω
Avec
m = masse
v = vitesse
I = Moment d’inertie
ω = Vitesse angulaire (mesure l’Ec des molécules lorsqu’elles sont en rotation ou en
vibration.)
- Le moment d’inertie : - D’un point matériel. I = mr²
- De plusieurs points : I =
∑i miri²
2.2 - L’énergie Potentielle (ou Ep)
- C’est une énergie due à la présence d’une force interne qui peut exister sous les formes d’énergie
potentielle de :
- Pesanteur. Dans ce cas, Epp = mgh
- Electrique. Dans ce cas, Epe = q.U
Avec
g = constante de Pesanteur (= 8,91 sur Terre.)
h = Hauteur
q = Charge
U = Potentiel électrique.
3 – Conservation de la quantité de mouvement (noté « p »)
- C’est une grandeur vectorielle qui associe la masse et la vitesse telles que : p = m.v
- Si on applique la 2° loi de Newton, lorsque la somme des forces extérieurs (∑ fext) est nulle, la
quantité de mouvement est constante.
4 – Conservation du moment cinétique (noté « L »)
- C’est une valeur vectorielle qui relie le rayon à la quantité de mouvement tels que
L
= r.p
= I.ω = m.r².ω
A REVOIR !
2
F) Evolution d’un Système
1 – Un équilibre dynamique
- A chaque instant, l’organisme régule les paramètres biologiques de notre organisme dans un
optique de garder une certaine constante. En effet, notre corps, pour pouvoir fonctionner
correctement, a besoin de conserver certains taux constants (comme la quantité de Potassium dans
le sang.)
- Le corps va donc entrainer constamment un équilibre dynamique.
- Cet équilibre dynamique suit des principes physiques tels que la croissance ou la décroissance
exponentielle et utilise des paramètres physiques comme la constante de temps ou la demi-vie.
- Cet équilibre dynamique a pour objectif final de maintenir un ou des état(s) d’équilibre. Cependant,
ces états ne sont pas forcément atteint naturellement car dans certains cas, il faut que le milieu
extérieur apporte de l’énergie.
2 – La Croissance (ou décroissance) exponentielle
- Cette loi, utilisée en Radioactivité mais aussi en médecine (étude de l’évolution d’une population
bactérienne), permet d’étudier, grâce à plusieurs paramètres que nous allons observer, l’évolution
d’une population bactérienne, de la désintégration d’un échantillon radioactif, l’élimination d’un
médicament de l’organisme …
- Les différents paramètres utilisés sont les suivants (Exemple de la désintégration radioactive) :
- dP = La probabilité pour un noyau de se désintégrer
- dt = unité de temps (1 seconde, 1 minute, 1 jour, 1 année, 1 siècle…)
𝑑𝑃
- λ= 𝑑𝑡 = Constante de Radioactivité, [λ] = T-1
-τ=
1
λ
= Vie moyenne (Constante de Temps.), [τ] = T
1
2
- T = τ ln 2 = Demi-vie (ou Période Radioactive).
- N = Nombre de noyaux non désintégré l’instant t.
- N0 = Nombre de noyaux non désintégrés à l’instant t0.
Tous ces paramètres se réunissent sous une seule et même équation :
𝑵=
𝒕
−
𝝉
𝑵𝟎 𝒆
Tapez une équation ici.
−
𝑵 = 𝑵𝟎 𝒆
𝒕
𝝉
𝒕
𝝉
= 𝑵𝟎 𝒆
𝑵 = 𝑵𝟎 𝒆 = 𝑵 𝟎 𝒆
−
𝒍𝒏𝟐.𝒕
𝐓
𝟏
𝟐
(Décroissance radioactive)
𝒍𝒏𝟐.𝒕
𝐓
𝟏
𝟐
(Croissance Radioactive)
Applications :
- Calcul de la Clairance de l‘Urée.
- Passage de la lumière dans un milieu absorbant.
- Croissance bactérienne dans une boite de Pétri.
3
Exemple de la croissance cellulaire : La multiplication de Lymphocytes
- Les Lymphocytes (Plus communément « Globule Blancs ») sont des cellules immunitaires qui se
multiplient assez rapidement. Malheureusement, une forme de cancer du sang (que l’on appelle la
Leucémie) agit sur la croissance de ces cellules par induction d’une multplication abondante et
anarchique avec un temps de dédoublement de 5 jours (càd qu’après 5 jours de culture, on obtient
une population doublée.)
- Pour pouvoir mettre en évidence une leucémie, les biologistes savent qu’il y a un seuil à partir
duquel les symptômes d’un tel cancer subviennent. Ce seuil est de 1012 lymphocytes.mm-3 (contre
1010 pour un taux standard.) Par conséquent, si ce seuil est atteint, on effectue un traitement par
chimiothérapie qui va tuer 99,9 % des cellules (soit 999/1000) pour descendre en deçà des 1012
cellules.mm-3.
- Mais ce traitement ne peut empêcher une rémission clinique (càd une rechute au stade critique à
partir duquel il faudra reprendre le traitement.) et l’utilisation de l’équation peut nous permettre de
savoir la durée avant la rechute.
La que
- Posons :
- N0 = Population de cellules initiale = 1 cellule
- N = Population de cellules au seuil = 1012 cellules
- T = Temps de dédoublement = 5 jours.
- On obtient :
𝒕
𝑵 = 𝑵𝟎 𝒆 𝝉 = 𝑵𝟎 𝒆
𝟏𝟎
𝟏𝟐
𝒍𝒏𝟐.𝒕
𝐓
𝒕
= 𝑵𝟎 𝟐 𝐓
𝒕
=𝟐𝟓
𝒕
𝟏𝟎𝟔 × 𝟏𝟎𝟔 = 𝟐 𝟓
𝒕
𝟐𝟏𝟎 × 𝟐𝟏𝟎 = 𝟐 𝟓
𝒕
𝟐𝟐𝟎 = 𝟐 𝟓

20 =
𝒕

𝟓
t = 20 X 5 = 100 jours.
H) Equilibre – Thermorégulation
1 – Les différents régimes
- La Plupart des organismes présentes un régime global stationnaire (qui présente un état stable et
invariant.)
- Certains phénomènes biologiques peuvent, à l’inverse, présentait un régime Transitoire qui peut
tendre vers un régime stationnaire.
4
2 - Exemple :
2.1 - Débit entrant et sortant.
- Régime transitoire suivi d’un régime stationnaire.
2.2 – Désintégration du Carbone 14.
- Equilibre entre Fabrication et Désintégration
- Cet équilibre se détruit après la mort de l’organisme (c’est ce déséquilibre qui va nous permettre de
calculer l’âge du décès ! )
2.3 – Chute d’un corps dans un liquide visqueux
- Le corps va accélérer sa chute jusqu’à atteindre une vitesse limite… On atteint un équilibrre !
𝒇
- 𝒗 = 𝒗𝒍𝒊𝒎 (𝟏 − 𝒆−𝒎𝒕 )
2.4 – Sédimentation des hématies.
- Tout comme la chute d’un corps dans un liquide visqueux, on obtient une vitesse limite au bout
d’un certain temps.
- ∑𝑓 = (𝑚 − 𝑚0 ). 𝑔 − 𝑓. 𝑣
Avec f = Le coefficient de friction qui :
- dépend de : - la forme de la particule
- la viscosité (η) du milieu
- Vaut :
𝒇 = 𝟔𝝅𝜼𝒓 (Loi de Stokes - Sphère)
5
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