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2nde Thème : Santé Activités
Physique Le diagnostic médical Chap.12
I. Qu’est ce qu’un diagnostic ?
Le mot diagnostic vient du grec, « dia » signifiant à travers, et « gnôsi » la connaissance, le discernement.
Le médecin établit un diagnostic à partir :
des symptômes observés sur le patient (température, boutons, vomissement, etc.)
d’analyses chimiques (tests de l’urine, du sang, du liquide céphalorachidien, etc.)
d’imageries médicales faîtes à l’aide d’appareils permettant d’observer l’intérieur de l’organisme du patient.
Les appareils d’imagerie médicale utilisent des ondes, soit sonores, soit électromagnétiques, pour sonder l’organisme du patient. Pour comprendre leur fonctionnement, il faut commencer par comprendre ce qu’est une onde.
II. Phénomènes périodiques Exercice 1.
On place des électrodes sur une patiente de manière à étudier l’activité électrique de son cœur (ECG), de son cerveau (EEG - onde alpha) et d’un muscle responsable de la contraction d’une de ses paupières (AEP).
Les électrodes sont reliées à un ordinateur qui enregistre ces activités électriques. On récupère alors les courbes ci-contre.
1) Préciser la nature de la grandeur physique sur chaque axe.
2) Pour lequel ou pour lesquels retrouve-t-on un motif qui se répète à l’identique et à intervalle de temps régulier ?
3) L’intervalle de temps régulier séparant deux motifs identiques est appelé période et est noté T. Déterminer la période du ou des signaux périodiques.
A retenir : Un phénomène est dit périodique s’il se reproduit identique à lui-même et à intervalle de temps régulier appelé période et noté T.
Exercice 2.
Le nom colibri est un terme général regroupant plus de 330 espèces. Cet oiseau se nourrissant du nectar des fleurs à l’aide de son long bec détient de nombreux records.
Ses ailes par exemple, lui permettent de voler en avant, mais également sur place et même en arrière. Il lui suffit pour cela d’en modifier l’inclinaison. Certaines espèces de colibris peuvent battre des ailes jusqu’à 200 fois en une seconde !
Echographie I.R.M Radiographie
0 0,2 0,4
t (s) u (mV)
EEG
0 5 10
t (s) u (mV)
ECG
0 10 20
t (s)
u (mV) AEP
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Pour suivre un tel rythme, le cœur du colibri est surdimensionné : représentant 2,5% de la masse corporelle de l’oiseau, il bat jusqu’à 1200 fois à la minute.
En vol, certains colibris atteignent jusqu’à 90 km/h en conditions favorables. Proportionnellement à leur taille de moins de 10 cm, ils sont donc plus rapides qu’un avion de chasse.
1) Sachant que la fréquence d’un phénomène périodique est égale au nombre de fois que ce phénomène se répète en une seconde, déterminer la fréquence maximale fA de battement d’aile d’un colibri.
2) En déduire la durée qui sépare 2 battements d’aile. A quoi correspond cette durée ?
3) Déterminer la fréquence cardiaque fC du colibri. La comparer avec celle d’un homme en pleine activité sportive.
4) Déterminer la période cardiaque TC associée.
A retenir : La fréquence f d’un phénomène périodique est l’inverse de la période : f = 1
T. L’unité de la fréquence est le hertz (Hz).La période T doit impérativement être exprimée en secondes dans cette formule.
III. Les ondes périodiques
1. Caractéristiques des ondes périodiques
La houle à la surface de l’eau peut être considérée comme une onde périodique. C’est une succession de vagues de même forme qui se déplacent à vitesse constante à la surface de l’eau.
Exercice 3.
Sur le schéma ci-contre, on suit le déplacement d’une vague particulière de la houle.
1) Quel est le sens de propagation de la houle ? ………
2) Pourquoi peut-on dire que la houle est un phénomène périodique ?
3) Combien de temps faut-il au minimum à la surface de l’eau pour reprendre le même aspect ? ………
4) Déterminer la période T de cette houle.
5) En déduire la vitesse v des vagues.
A retenir : Pour une onde donnée, la longueur d’une perturbation est appelée longueur d’onde et est notée λ (lambda).
La durée nécessaire à une onde pour avancer d’une longueur égale à sa longueur d’onde λ correspond à la période T de l’onde.
La longueur d’onde λ de cette onde à la surface de l’eau est la distance séparant deux vagues successives. Ainsi, sur deux photos prises avec un intervalle de temps égal à la période T, l’onde semble ne pas avoir bougé.
Exercice 4.
On excite une corde à sauter en lui faisant faire des vaguelettes régulières de fréquence f = 1,40 Hz. Chaque vaguelette a alors une longueur de L = 20 cm. Déterminer :
1) La longueur d’onde λ de cette onde périodique. = ………
2) Sa période T.
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3) Sa vitesse v de propagation le long de la corde.
A noter : Comme une onde parcourt une distance d’une longueur d’onde λ pendant une durée d’une période T, la vitesse de progression d’une onde peut donc s’écrire : = v T
2. Les ondes sonores
A retenir : Les ondes sonores peuvent être de trois types :
Les infrasons : sons non audibles ayant une fréquence inférieure à 20 Hz
Les sons audibles : sons ayant une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz
Les ultrasons : sons non audibles ayant une fréquence supérieure à 20 kHz
A noter : La vitesse des ondes sonores dépend du milieu matériel qu’elles traversent.
Dans l’air, v = 340 m.s-1 (à 15°C) ; dans l’eau, v = 1500 m.s-1 , dans le fer, v = 5600 m.s-1 ; aucune vitesse dans le vide.
Exercice 5.
A l’aide d’un microphone, on enregistre le son provenant d’un instrument de musique et on affiche son signal sur l’écran d’un ordinateur. On observe alors le graphe ci-contre :
1) Sachant que chaque division horizontale représente une durée de 2 ms, quelle est la période T du signal périodique affiché à l’écran ?
2) En déduire la fréquence f du son joué par l’instrument. Ce son est-il audible ?
3) Si l’instrument jouait un son plus aigu, verrait-on apparaître plus de périodes ou moins de périodes à l’écran ? Justifier.
4) Sachant que le son se propage à 343 m.s-1dans un air à 20°C, déterminer la longueur d’onde λ de cette onde sonore.
IV. Les ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques sont des fluctuations, non pas de la matière, mais d’un champ électrique E et d’un champ magnétique B conjugués. Ce ne sont donc pas des ondes mécaniques car elles peuvent se déplacer en l’absence de matière.
Tout comme pour le son, il existe différents types d’ondes
électromagnétiques dont certains ne sont pas visibles par l’œil humain.
Exercice 6.
1) Quelle observation prouve chaque jour que les ondes électromagnétiques se déplacent bien dans le vide ?
2) Comment nomme-t-on couramment les ondes électromagnétiques perceptibles par l’œil humain ?
3) Quelle est la particularité des ondes dites mécaniques ?
Il existe différents types d’ondes électromagnétiques. L’œil humain n’est sensible qu’à un type d’ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 400 nm et 800 nm.
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Quelques types d’ondes électromagnétiques :
A noter : L’énergie que transporte un rayon de lumière est proportionnelle à sa fréquence. Ainsi, plus la fréquence d’un rayon est grande plus il possède d’énergie.
Les ondes électromagnétiques allant des ultraviolets aux rayons gamma sont toutes dangereuses pour la vie.
Les ondes électromagnétiques se déplacent toutes à 300 000 km/s dans le vide.
Exercice 7.
1) Dans le domaine du visible, quelle est la couleur de la lumière la plus énergétique ?
2) A partir des longueurs d’onde délimitant les ondes visibles par l’œil humain, retrouver les fréquences limites du domaine du visible.
V. Applications à la médecine 1. L’échographie
Une sonde émet des ondes ultrasonores (ondes mécaniques) qui traversent le ventre de la future maman jusqu’au bébé baignant dans le liquide amniotique.
Exercice 8.
A l’aide du schéma ci-contre, expliquer le mécanisme qui permet à la sonde de localiser et d’afficher sur un écran le bébé dans le ventre de la future maman.
2. La radiographie
La radiographie « classique » utilise les rayons X.
Ces rayons sont capables de plus ou moins bien traverser les différentes parties du corps humain.
Par exemple, les os arrêtent ces rayons alors que les muscles ou le sang les laissent bien passer.
A noter : Les rayons X sont dangereux pour les cellules vivantes. Lors d’une radio, on utilise donc une dose de rayon X suffisamment faible pour être considérée comme inoffensive. Le risque d’effets indésirables devient très faible, et le bénéfice de la radiographie est de permettre les soins adéquats.
3. Conclusion
L’échographie utilise le principe du sonar.
La radiographie est basée sur le principe de l’ombre projetée, où la chair et la peau se comportent comme des objets transparents, et les os comme des objets opaques.
