Introduction Objectifs d`apprentissage Pourquoi de la physique

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Introduction Objectifs d’apprentissage
•Spécifier les domaines d’étude de la physique;
•Préciser les différentes formes d’énergie;
•Radiation ionisante
•Introduire la notion d’interaction matière-énergie.
Pourquoi de la physique ???
Grâce aux nouvelles technologies, nombre d’instruments,
d’appareils de diagnostics et de traitements se sont développés. Ces
nouveaux outils impliquent de nombreux phénomènes dont les lois
et principes appartiennent à la physique, science fondamentale
décrivant le comportement de l’univers.
Il est essentiel de former le personnel des institutions de
santé de façon qu’il puisse accueillir et informer les patients avec
toute la compassion et la compétence requises en toutes
circonstances.
Ce cours nous fera prendre connaissance des principes
physiques à la base des technologies médicales.
Étude de la physique
La physique étudie la composition et le comportement
de la matière et ses interactions au niveau le plus fondamental.
Le champ d’application de la physique est très vaste
puisqu’il va des constituants du minuscule noyau atomique à
l’immensité de l’Univers.
Domaine de la physique
La physique classique (entre 1600 et 1900):
•La mécanique classique (étude du mouvement)
•La thermodynamique (température et transfert de chaleur)
•L’électromagnétisme (électricité, magnétisme, onde E.M.)
La physique moderne (de 1900 à aujourd’hui):
•La relativité restreinte
•La mécanique quantique (théorie atomique)
•La relativité générale
Espace, matière, énergie
Dans sa représentation la plus simple, on imagine l’univers
comme étant un vaste espace vide contenant tout ce qui est
concevable en tant que matière dans un état de mouvement perpétuel
qu’on appelle de l’énergie.
L’espace est donc un volume indéfini, sans bords, vide, à
l’intérieur duquel on peut y placer tous les corps de l’univers.
Tous les corps en général sont constitués de ce qu’il est
convenu d’appeler «la matière». La structure la plus fondamentale de
la matière est l’atome et les molécules. La matière est donc une entité
concrète et observable. Tous les corps sont constitués de matière et
une propriété physique en découle: la masse.
À l’espace et à la matière s’ajoute l’énergie. C’est l’action
sous toutes ses formes modifiant l’allure de notre univers dans le
temps.

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Les différentes formes d’énergie
• Lors de sa course, cet athlète
transforme l’énergie chimique
emmagasinée dans son organisme
en énergie cinétique.
• Cette énergie cinétique est par la
suite transformée en énergie
potentielle élastique (illustrée par la
déformation de la perche).
• Par la suite, l’énergie potentielle
élastique se transforme en énergie
potentielle gravitationnelle .
• Éventuellement celle-ci se
transformera en énergie cinétique
lorsqu’il touchera le sol.
Importance du concept d’énergie
Le concept d’énergie est essentiel en technique médicale:
•chaleur
•radiation
•chimie
•électricité
•motricité
•nucléaire
L’énergie cinétique
Forme d’énergie associée au mouvement
2
2
1
mvK =
L’énergie potentielle
Énergie due à l’état d’un système:
•Énergie potentielle gravitationnelle (gravitation)
•Énergie chimique (batterie)
•Énergie nucléaire (fusion thermonucléaire)
•Énergie électromagnétique (rayon X)
Énergie et matière
Albert Einstein n’a plus besoin de présentation.
Récipiendaire du prix Nobel pour sa théorie sur l’effet
photoélectrique, on le connaît davantage pour son
développement de la théorie de la relativité. Sans entrer dans
les détails pour le moment, mentionnons qu’il est l’auteur de la
célèbre équation
E = mc2
où Ereprésente l’énergie totale d’une particule de masse men
mouvement et ccorrespond à la vitesse de la lumière.
Ondes électromagnétiques
Onde électromagnétique: perturbation des champs électrique et
magnétique.
Cette oscillation des champs électrique et magnétique se propage
à la vitesse de la lumière (lumière visible, infrarouge, rayon X…)
Tous ces types d’ondes électromagnétiques possèdent une même
nature mais, ce qui les distingue, c’est leur fréquence d’oscillation ainsi
que la quantité d’énergie que chaque type d’onde peut transporter dans
l’espace

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Le spectre électromagnétique Radioation ionisante
L’énergie émise par tout corps qui en a le pouvoir est
appelée radiation. Tout dispositif émettant de la radiation dans
l’espace est une source de radiations. Exemples: une ampoule
électrique, un morceau de charbon chauffé au rouge (lumière et
chaleur); le soleil (chaleur, lumière, rayons cosmiques); les
substances radioactives (chaleur, particules alpha, bêta,
gamma); l’appareil à rayons X et l’accélérateur linéaire (rayons
X, électrons, chaleur).
Les radiations consistent donc en particules
(photons (γ
γγ
γ), électrons (β
ββ
β-), protons, neutrons, particules α
αα
α)
émises transportant avec elles une certaine quantité
d’énergie.
Notion de radiation (suite)
Exemples de sources de radiations:
•ampoule électrique
•un morceau de charbon chauffé au rouge
•le soleil
•les substances radioactives
•l’appareil à rayons X.
Interaction matière-énergie
Lorsque des radiations atteignent de la matière, ces
particules émises avec énergie frappent des atomes de matière, ces
derniers peuvent alors absorber l’énergie transportée par ces
radiations, ce qui a pour effet de les exciter ou de les ioniser
(radiation ionisante).
Les techniciens et techniciennes manipulant ces sources
doivent se protéger contre les radiations ionisantes
Un contrôle des doses de radiations absorbées par le
personnel est exercé avec rigueur.
La physique enseigne comment mesurer ces doses.
Découverte des rayons X
• C’est par hasard que
Wilhelm Rœntgen
découvrit les rayons X
en observant de la
lumière fluorescente
dans un tube à vide
contenant des
électrodes soumises à
une différence élevée
de potentiel électrique.
Nature des rayons X
En radiologie, les faisceaux de particules revêtent une importance
particulière: le faisceau de rayon X correspond à des particules
appelées «photons» se déplaçant à la vitesse de la lumière;
ils transportent de l’énergie et interagissent avec les atomes et les
molécules des cibles avec lesquelles ils entrent en contact.
Radiations: ondes ou particules?
Les physiciens modernes tendent à considérer davantage le
rayonnement comme étant la manifestation de particules en
mouvement. Cela n’empêche aucunement qu’elle puissent se
comporter également comme des ondes!

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Le système international
• Dans le système international (SI) les unités
fondamentales sont:
• Le kilogramme (kg) pour la masse;
• Le mètre (m) pour la longueur;
• La seconde (s) pour le temps.
Les autres unités
• Dans le système d’unités britanniques, qui est
encore utilisé aux États-Unis, l’unité de masse
est la livre-masse (lb), l’unité de longueur est
le pied (pi) et l’unité de temps est la seconde.
Néanmoins, les données scientifiques sont
maintenant presque toutes exprimées en
unités SI.
Les unités dérivées
•Les unités de grandeurs physiques autres que les
unités fondamentales sont appelées unités
dérivées
quantités unités définition
Aire m x m m2mesure de la surface
volume m xmxm m3capacité
vitesse m/s m/s distance parcourue par unité de temps
accélération m/s/s m/s2taux de variation de la vitesse
Autres unités dérivées
•quantités avec des unités complexes
quantité unités définition
fréquence Hertz Hz # d’oscillation par seconde
force Newton N « tension ou traction »
énergie Joule J capacité d’effectuer un travail
Dose absorbée Gray Gy énergie déposée de 1 J/kg
La conversion des unités
Il est souvent nécessaire de convertir l’unité d’une grandeur
physique. Supposons que nous voulions convertir des milles par
heure (mi/h) en mètres par seconde (m/s), sachant que 1 mi =
1,6 km. Le rapport (1,6 km)/ (1 mi), dont la valeur est égale à 1,
est appelé facteur de conversion. Utilisés correctement, les
facteurs de conversion nous permettent de passer d’une unité à
une autre. Par exemple:
( )
() m/s 2,2
s 3600
h 1
km
m 10
mi 1 km 1,6 h
mi
5,0
h
mi
0,5 3=× × ×=
Préfixes courants représentant
des puissances de 10
10-9 = 0,000000001
10-6 = 0,000001
10-3 = 0,001
100= 1
103= 1 000
106= 1 000 000
109= 1 000 000 000
Un milliardième (nano)
Un millionième (micro)
Un millième (milli)
Un
Mille (kilo)
Un million (méga)
Un milliard (giga)

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Exercices suggérées
0101, 0102, 0103, 0106, 0107, 0108, 0109 et 0111