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ProgrammedeSpécialitéphysiquepremière–2019
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ONDESETSIGNAUX
16. Ondesmécaniques
Rappelsdelaclassedeseconde
Analysedel’électrocardiogramme
Le signal (battement de cœur) se répète à intervalle régulier, on dit qu’il estpériodique.Laduréeentredeuxbattementsestlapériode.
Verticalementnouslisonsunetensionenmicrovolt(µV).
Pourdéterminerlenombredebattementsparminute,c’estàdirelafréquencedebattementducœur, il fautconnaître lenombredepériodesparminute,etdonc laduréedecettepériode.
Cesdeuxvaleurssontliéesparlarelation:
Unités: festlafréquenceets’exprimeenHertz(Hz)(ouennombred’événementparunité
detemps). T est la période et exprime une durée en secondes (s) (dans le Système
International).
Exemple:Dansleschémaci-dessusonpeutmesurerlapériodeàplusieursendroits.Sinousprenonsdeux«pics»consécutifsdelacourbe,ilssont«éloignés»de25mm.Nous savons que la feuille avance à la vitesse de 40 ms/mm. Il faut donc 40 millisecondes pour parcourir 1 mm. Donc pour 25 mm il faudra T = 25 x 40 = 1000 ms ou 1 s.Lafréquencedebattementestdoncf=1/1=1Hertz(battementparsecondeici)etdoncde60battementsparminute.Cequicorrespondàunepersonnesaine.MmeXn’adoncpasàêtreinquièteàceniveau.
Période
Période
f T ou T f1 1= =
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Remarque:Lafréquencecardiaquenormalevarieentre50-60et90-100selonlesauteurs.En-dessousde50-60battementsparminute,onparledebradycardie,etau-dessusde90-100battementsparminute,c'estunetachycardie.
Tensionvariable
De lamême façon,sur l’électrocardiogrammeprécédent ilestpossibledemesurerverticalement la tension maximal (en haut) et minimale (en bas) en multipliantl’échelleparlamesureeffectuée.
Échographie
L’échographievautiliserdesondessonoresquenousnepouvonspaspercevoir:lesultra-sons,dontlesfréquencessontcomprisesentre20000Hzet70000Hz.
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 serventmêmepoursedirigerourepérerleursproiescommelesdauphinsouleschauves-souris.
Dansuneéchographie,lesultra-sonsenvoyésparlasondevontêtreréfléchisparlesinterfacesentretissusdenaturedifférentes.Lasondeémet lesultra-sonsetreçoitleurécho.Unordinateurvaensuiteconvertircetéchoenimagecompréhensibleparlemédecin.
Les sonarsdebateaux fonctionnent sur lemêmeprincipeet les radarségalement,maisenutilisantd’autrestypesd’ondes:desondesélectromagnétiques.
Propagationduson
Lesonabesoind’unsupportpoursepropager:l’airouunautregaz,unliquideouunsolide.Maislesonnepeutpassepropagerdanslevide,carleson,poursepropager,abesoindematièreàperturber:
SondePeau, muscle...(Tissus semi-transparents)
Emissiond'ultra-sons
Retour d'ondesréfléchies par lasurface de l'os
Os (Tissuopaque)
Echographie
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Envibrant,lamembraned’unhaut-parleur«pousse»lesmoléculesquisetrouventencontactavecelle.Ce chocva sepropagerauxmoléculesvoisinesà la façondesvaguesquisepropagentautourd’uncailloujetédansl’eau.
Vitesse(célérité)duson
Lavitesseduson,appelée«célérité»duson,vadépendredelaconcentrationdesmoléculesdumilieudanslequellesonsepropage.
Dansl’air,lesonsepropageàlavitessed’environ340m.s-1(à16°Csousunepressionnormalede1013hPa).
Dansdesmilieuxplusdenses,lesonpeutsepropagerbeaucoupplusrapidementcarlesmoléculessontplusprocheslesunesdesautresetlavibrationsetransmetdoncplusrapidement:
Matériaux Vitesseduson(enm.s-1) Air 340 Eau 1480 Glace 3200 Verre 5300 Acier Environ5700
Lavitessedusondansl’airdépenddoncaussidelatempératureetdelapressioncarcesdeuxvaleursontuneinfluencesurladistanceentrelesmoléculesd’air.
Pourlesultrasons,lavitessedepropagationestlamêmepuisquecesontsimplementdessonsdefréquenceélevés.Lestissushumainsayantunedensitéprochedel’eau(lecorpshumainenestcomposéà70%),lavitessedesultrasonsestdoncprochede1500m.s-1.
Cetteinformationpermetàlamachinedereconstituerl’imagedestissushumainenmesurantletempsmisauxultrasonspourreveniràl’émetteur,sachantqueceux-cisontrenvoyésàchaqueinterfaceentretissusdifférents(exemple:passagedumuscleàl’os).
Propagation du son
Haut-parleur
Membrane vibranteOndes sonoresdans l'air
Molécules dans l'air
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Laradiographie
Découvertsen1895par lephysicienallemandWilhelmRöntgen, lesrayonsXsontémisparuntubecontenantunfilamentchaufféalimentéparuncourantcontinudehautetension(del’ordrede100kV).
LestissushumainssontplusoumoinsperméablesauxrayonsX.Certainsrayonsvontêtrepartiellementabsorbés,d’autrestotalement.Uneplaquephotographiqueouundétecteur d’image va recevoir les photos et former une image des tissus. Afind’examinerendétailunezonetransparenteoutranslucide,onpeutinjecterunliquideàbased’iodeoudebaryumpouropacifierlestissus.
LesrayonsXsontdesfaisceauxdephotonsd’unelongueurd’ondede10-8à10-12m,correspondantàdesfréquencesde1016à1020Hz.
Lesondes
Une onde est une «ondulation», due à une perturbation du milieu, qui peut setransmettrepardifférentstypesdesupports:surfacedel’eau,moléculesdansl’air,lumière…
Peau, muscle...(Tissus semi-transparents)
Os (Tissuopaque)
Image
Radiographie
Emetteur derayons X
Rayons X
Plaque photosensible
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Lorsquecetteperturbationsepropagedansunmilieumatériel,ellepeutmodifierlaposition des objets (un bateau sur les vagues par exemple) et possède donc uneénergie,maisaprès lepassagede l’onde, l’objetresteoù ilétait:onparled’ondesmécaniques.
L’ondesepropage(sedéplace)danslemilieuendeux(vagues,ondesàlasurfacedel’eau)ouentroisdimensions(son,ondesélectromagnétiques),enrayonnantdepuislasourcequiaémisl’onde(antenne,haut-parleuroupierretombéedansl’eau).
Ondistinguedeuxtypesd’ondes:
• Ondes transversales où la perturbation dumilieu (et des objets dans cemilieu)estperpendiculaireàladirectiondepropagationdel’onde
• Ondeslongitudinalesoùlaperturbationdumilieusefaitparallèlementàladirectiondepropagationdesondes.
Propriétésd’uneonde:retardetcélérité
Les ondes possèdent deux caractéristiques principales: leur fréquence (vueprécédemment)etleuramplitude(«hauteur»del’onde).
Lorsque l’onde se déplace, elle n’atteint pas tous les points du milieu au mêmemoment.Onpeutdonccalculerleretarddel’ondeentrelemomentoùelleatteintunpointAetensuiteunpointB:
Ondes longitudinalesX
XMouvementde l'onde
Oscillations de X
ressort
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Leretardde l’onde,notéτ(tau)est laduréenécessairepourparcourir ladistanceentredeuxpointsAetBdumilieu(onpeutmesureràdifférentsendroitsdel’ondeàconditionquecesoitidentiquepourlespointsAetB:pointhautoupointbas).
Doncτ=tB-tA=t’B-t’A
Lacélérité(vitessedepropagation)del’ondepourraêtrecalculéeentredeuxpointsAetBaveclaclassiqueformule(enutilisantvoucpourlavitesse):
c =d!"𝜏
oùdABestladistanceentreAetBetτleretardentreAetB.
Lacélérités’exprimeenmètreparseconde(m.s-1)etvadépendredutyped’ondeetdumilieu(voirlesondessonoresplushaut).
Ondespériodiques
Certainstypesd’ondesmécaniques(oudesrayonnementsélectromagnétiques,dontfontpartielalumière,lesrayonsXoulesondesradios)sepropagentenformantunmotifquiserépète:onditqu’ellessontpériodiques.Onassociealorsgénéralementlafréquenceetlapériodeàlalongueurd’onde.
Lalongueurd’ondeestladistanceparcourueparl’ondeaucoursd’unepériode
Mouvementde l'onde
Retard d'une onde
A B tA
t'A
tB
t'B
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Lesondespeuventaussiêtrelesvaguesàlasurfacedelameroulescompressionsetdécompressionsdemoléculessousl’effetd’unson(ondessonores).
Longueurd’onde
Lalongueurd’ondeλ(quis’exprimeenmètre(m))représenteladistanceentredeuxsommetsconsécutifssionreprésentait l’ondesurunefeuilledepapier.Lapériodereprésente,elle,letempsquis’écouleentredeuxsommetsconsécutifs.
Exemple:uneondeélectromagnétiqued’unefréquencede300000000Hz(3.108Hz)quisepropagedanslevide,aunelongueurd’ondel=c/f=3.108/3.108=1m
Uneondeélectromagnétiqueestpluscommunémentdéfinieparsalongueurd’ondequeparsafréquence,l’unepouvantêtrecalculéàpartirdel’autre.
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5
-2,5
2,5
Caractéristiques d'une onde
Période
Période
Période
Valeur maximale
Valeur minimale
: (lambda) longueur d'onde en mètre
: célérité (vitesse) de l'onde en
Longueur d'onde : ou