Ondes électromagnétiques - Sciences physiques

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CHAPITRE 2 : Imagerie médicale
OBJECTIFS :
- définition et distinction d’une onde
sonore et d’une onde électromagnétique,
-connaitre la vitesse du son dans l’air et la
vitesse de la lumière,
-- comprendre le principe de méthodes
d’exploration et l’influence des propriétés
des milieux de propagation.
• Activité documentaire 1 :
• Les ondes sonores ne peuvent pas se propager
dans le vide : c’est une perturbation mécanique
qui nécessite un milieu matériel pour se
propager. Elles se propagent plus rapidement
dans les tissus du corps que dans l’air.
• Une onde électromagnétique peut se propager
dans le vide et dans certains milieux matériels.
Elles se propagent sensiblement moins vite
dans les tissus du corps que dans l’air.
• Les ondes électromagnétiques se déplacent
beaucoup plus vite que les ondes sonores.
Bilan
• 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, la lumière et les infrarouges sont des
ondes électromagnétiques ; les ultrasons sont des
ondes sonores.
• Toutes les ondes, mécaniques et électromagnétiques,
sont décrites par différentes grandeurs,
principalement leur vitesse de propagation et leur
fréquence.
TP principe de l’échographie
Petite parenthèse sur le son :
• Le son est une onde mécanique
• Un son est émis par un objet en vibration
(cordes d’une guitare, cordes vocales,
membranes d’un haut-parleur…). Les
vibrations font osciller les molécules de l’air en
contact avec l’objet et se communiquent aux
molécules voisines qui oscillent à leur tour.
Vidéo cloche à vide :
• Les ondes mécaniques ne peuvent se propager que
dans les milieux matériels alors que les ondes
électromagnétiques se propagent dans les milieux
matériels et dans le vide. C’est ainsi que nous
recevons la lumière du Soleil, mais pas le son des
explosions qui s’y produisent en permanence.
1. Vitesse de propagation
• Les ondes électromagnétiques se propagent dans
le vide à la vitesse de la lumière. Cette vitesse est
notée c (célérité) et sa valeur est 3,00.108 m.s–1.
Dans les milieux matériels ces ondes se déplacent
plus lentement.
Milieu
Air
Eau
verre
Vitesse de propagation
de l’onde
électromagnétique
3,00.108 m.s-1
2,26. 108 m.s-1
2,00. 108 m.s-1
• La vitesse de propagation d’une onde sonore
dépend essentiellement des caractéristiques
(densité, température…) du milieu de
propagation.
• La vitesse de propagation du son dans l’air à
température ambiante est : v = 340 m · s-1.
Milieu
Vitesse de propagation
de l’onde sonore
Air
340 m.s-1
Eau
1 480 m.s-1
Tissus organiques mous 1 450 à 1 600 m.s-1
(peau, graisse, foie,
muscle…)
Os
2 100 à 5 000 m.s-1
2. Fréquence
• Une onde, qu’elle soit électromagnétique ou
mécanique, est un phénomène périodique. A
ce titre, elle est caractérisée par une
fréquence qui détermine le type d’onde.
Activité documentaire page 31
ou activité radiographie
(selon le temps disponible, l’activité peut être
préparée à la maison !)
1.a) les ondes électromagnétiques sont utilisées
pour la radiographie.
b) le pouvoir pénétrant de ces ondes dépend
de leur fréquence.
c) le plomb absorbe les rayons X, de ce fait le
radiologue est protégé.
2.a) les ondes sonores permettent de réaliser
une échographie.
b) L’échographie utilisent les ultrasons qui ne
sont pas audibles.
c) La vitesse du son dépend du milieu de
propagation.
d) la réflexion des ondes sonores dépend du
changement de milieu.
e) La sonde est dans l’air et la peau est un tissu
mou. Or, lorsque l’onde rencontre une interface
tissu mou-air, la quasi-totalité de l’onde
ultrasonore est réfléchie. Si les ultrasons ne
pénètrent pas dans la peau, l’échographie est
impossible : le gel évite cette réflexion quasitotale et permet la transmission de l’onde.
3. a) Pour la radiographie on ne peut pas utiliser
des ondes électromagnétiques de fréquence
quelconque : il faut que la fréquence soit
suffisamment importante pour que les ondes
puissent pénétrer la matière.
b) lors d’une échographie, les réflexions sur les
interfaces ne peuvent être observées que si
les ondes sonores ne sont pas trop absorbées
par les organes explorés, d’où la nécessité
d’utiliser des fréquences suffisamment
élevées (supérieures à 1 MHz).
Ondes électromagnétiques :
• La lumière visible n’y occupe qu’une bande
très étroite, de 4.1014 à 8.1014 Hz.
Ondes sonores :
• L’oreille humaine ne perçoit les sons que dans une
certaine 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,
utilisés lors d’une
échographie.
BILAN
• La radiographie médicale utilisent les rayons X
(ondes électromagnétiques) et le phénomène
d’ABSORPTION : Les rayons X traversent le corps
humain. Sur un film sensible aux rayons X
apparait l’ombre projetée des tissus et des
organes traversés : comme ces derniers atténuent
plus ou moins les rayons X, ils seront plus ou
moins foncés sur le film.
Plus la fréquence est élevée, plus l’onde possède
de l’énergie et plus elle pénètre la matière.
• L’échographie médicale utilise des ondes
ultrasonores qui se propagent en ligne droite
des les tissus et les organes.
Lorsqu’une onde ultrasonore arrive à la
surface séparant deux milieux de
propagation différents, une partie de cette
onde est réfléchie et l’autre est transmise.
L’analyse de l’ensemble des ondes réfléchies
permet de calculer les distances parcourues
lors d’un aller-retour et ainsi de reconstituer
les éléments traversés par l’onde.
Applications :
ex 11 page 24
Exercice : les orages
Lors d’un orage, la foudre tombe à 5 km d’un
promeneur.
L’éclair et le tonnerre sont émis simultanément au
moment où la foudre tombe.
Au bout de combien de temps le promeneur verra-til l’éclair ?
Au bout de combien de temps entendra-t-il le
tonnerre ?
Justifier la technique qui consiste à compter les
secondes entre éclair et tonnerre et à les diviser par
3 pour obtenir la distance (en kilomètres) à laquelle
la foudre est tombée.
Le principe du sonar
http://www.ostralo.net/3_animations/
swf/sonar.swf

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