2nde. A2. Au coeur de l’organisme

Les élèves doivent savoir
  • Extraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences en fonction de l’application médicale.
    Connaître une 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).

Mise en situation

Après son électrocardiogramme, Madame X va faire une échographie puis une radiographie afin de recueillir les renseignements sur son état pour son médecin traitant.
Ces deux méthodes d’investigations médicales utilisent des ondes dont les propriétés sont différentes pour explorer les tissus humains.

Echographie

L’échographie va utiliser des ondes sonores que nous ne pouvons pas percevoir : les ultra-sons, dont les fréquences sont comprises entre 20 000 Hz et 70 000 Hz.

L’oreille humaine ne perçoit les sons que dans la plage de 20 Hz à 20 000 Hz (théorique). Certains animaux vont percevoir les ultra-sons et s’en servent même pour se diriger ou repérer leurs proies comme les dauphins ou les chauves-souris.

echographie

Dans une échographie, les ultra-sons envoyés par la sonde vont être réfléchis par les interfaces entre tissus de nature différentes. La sonde émet les ultra-sons et reçoit leur écho. Un ordinateur va ensuite convertir cet écho en image compréhensible par le médecin.

Les sonars de bateaux fonctionnent sur le même principe et les radars également, mais en utilisant d’autres types d’ondes : des ondes électromagnétiques.

Propagation du son

Le son a besoin d’un support pour se propager : l’air ou un autre gaz, un liquide ou un solide. Mais le son ne peut pas se propager dans le vide, car le son, pour se propager, a besoin de matière à perturber :
ondes sonores

En vibrant, la membrane d’un haut-parleur « pousse » les molécules qui se trouvent en contact avec elle. Ce choc va se propager aux molécules voisines à la façon des vagues qui se propagent autour d’un caillou jeté dans l’eau.

Vitesse du son

La vitesse du son va dépendre de la concentration des molécules du milieu dans lequel le son se propage.

Dans l’air, le son se propage à la vitesse d’environ 340 m.s-1 (à 16°C sous une pression normale de 1013 hPa).

Dans des milieux plus denses, le son peut se propager beaucoup plus rapidement car les molécules sont plus proches les unes des autres et la vibration se transmet donc plus rapidement :

           Matériaux            Vitesse du son (en m.s-1)
           Air            340
           Eau            1 480
           Glace            3 200
           Verre            5 300
           Acier            Environ 5 700

 

La vitesse du son dans l’air dépend donc aussi de la température et de la pression car ces deux valeurs ont une influence sur la distance entre les molécules d’air.

Pour les ultrasons, la vitesse de propagation est la même puisque ce sont simplement des sons de fréquence élevés. Les tissus humains ayant une densité proche de l’eau (le corps humain en est composé à 70 %), la vitesse des ultrasons est donc proche de 1 500 m.s-1.

Cette information permet à la machine de reconstituer l’image des tissus humain en mesurant le temps mis aux ultrasons pour revenir à l’émetteur, sachant que ceux-ci sont renvoyés à chaque interface entre tissus différents (exemple : passage du muscle à l’os).

La radiographie

radiographie-svg

Découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, les rayons X sont émis par un tube contenant un filament chauffé alimenté par un courant continu de haute tension (de l’ordre de 100 kV).

Les tissus humain sont plus ou mois perméables aux rayons X. Certains rayons vont être partiellement absorbés, d’autres totalement. Une plaque photographique ou un détecteur d’image va recevoir les photos et former une image des tissus. Afin d’examiner en détail une zone transparente ou translucide, on peut injecter un liquide à base d’iode ou de baryum pour opacifier les tissus.

Les rayons X sont des faisceaux de photons d’une longueur d’onde de 10-8 à 10-12 m, correspondant à des fréquences de 1016 à 1020 Hz.

Les ondes

Une onde est une « ondulation » qui peut se transmettre par différents types de supports : surface de l’eau, molécules dans l’air, lumière…

Les ondes possèdent deux caractéristiques principales : leur fréquence (vue précédemment) et leur amplitude (« hauteur » de l’onde).

Pour les rayonnements électromagnétiques, dont font partie la lumière, les rayons X ou les ondes radios, on associe généralement la fréquence et la période à la longueur d’onde.

La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période

2-ondes

  • Les ondes peuvent aussi être les vagues à la surface de la mer ou les compressions et décompressions de molécules sous l’effet d’un son (ondes sonores).

Ondes lumineuses et électromagnétiques

La lumière visible fait partie des ondes électromagnétiques dont le spectre complet est représenté ci-dessous :

testspectre

Une onde électromagnétique peut se propager dans le vide et est associée à un faisceau de photons. Ces photons ne seront « visibles » (par l’œil humain) que lorsque leur longueur d’onde est comprise entre 380 et 700 nm (nanomètre = 10-9 m).

Vitesse de la lumière

Comme vous l’avez vu au collège, la lumière se propage en ligne droite et les premières mesures précises de la vitesse de la lumière dans le vide ont été faites au milieu du XIXe siècle.

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante de la physique qui sert à la définition du mètre dans le Système International (S.I.) (http://www.bipm.org/fr/publications/si-brochure/metre.html)

La vitesse de la lumière est notée c et s’exprime en mètres par secondes (m.s-1). Dans le vide sa valeur est la suivante :

  • c = 299 792 458 m.s-1

On utilisera donc l’approximation : c = 300 000 000 m.s-1

Longueur d’onde

La longueur d’onde représente la distance entre deux sommets consécutifs si on représentait l’onde sur une feuille de papier. La période représente, elle, le temps qui s’écoule entre deux sommets consécutifs.

Exemple : une onde électromagnétique d’une fréquence de 300 000 000 Hz (3.108 Hz) qui se propage dans le vide, a une longueur d’onde l = c / f = 3.108 / 3.108 = 1 m

Une onde électromagnétique est plus communément définie par sa longueur d’onde que par sa fréquence, l’une pouvant être calculé à partir de l’autre.

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