Physique Chimie 2nde - Collection E.S.P.A.C.E. - nouveau programme 2010

Sous la direction deMathieu Ruff enachSophie Decroix

Extrait

� Vous venez de recevoir, en spécimen, un extrait du manuel de Physique-Chimie 2de à paraître en août 2010.

� Vous pourrez consulter l’intégralité du manuel sur www.bordas-espace.frà partir du 10 juillet 2010.

� Le livre du professeur sera disponible en ligne dès fi n août 2010.� La version numérique du manuel (vidéo-projetable) sera disponible dès la

rentrée 2010 pour les professeurs ayant adopté le manuel.

2PROGRAMME 2010

de

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Le 28 avril 2010

Madame, Monsieur,

Le nouveau programme de Physique-Chimie 2de sera applicable à la rentrée 2010.

Dès la phase de consultation de ce nouveau programme, nos équipes ont travaillé pour concevoir un nouveau manuel qui permette, dans la continuité du collège et en cohérence avec les autres classes du lycée, l’acquisition des compétences (connaissances, capacités et attitudes) propres à la classe de 2de. Notre collection E.S.P.A.C.E. (Enseignement des Sciences Physiques par Activités Culturelles et Expérimentales) s’inscrit pleinement dans l’évolution de l’enseignement de la discipline.

Vous trouverez dans cet extrait un des chapitres de notre nouveau manuel.

– Vous pourrez, à partir de la mi-juillet 2010, découvrir tous les chapitres du manuel sur www.bordas-espace.fr.

– Vous recevrez votre spécimen de Physique-Chimie 2de, dans votre établisse-ment, dès le 25 août.

– Les premiers éléments du livre du professeur seront disponibles pour la rentrée.

– Le manuel numérique vidéo-projetable sera disponible en consultation sur notre site et téléchargeable gratuitement pour les professeurs ayant adopté notre manuel.

Très cordialement.

Les Éditions Bordas


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Sous la direction de

Mathieu Ruff enach Inspecteur d’académie, inspecteur pédagogique régional,

académie de Lyon

Sophie DecroixProfesseur en classes préparatoires, Montpellier

Thierry CariatLycée Dhuoda, Nîmes

Pierre FabreLycée Joliot-Curie, Sète

Bastien GravièreLycée Lalande, Bourg-en-Bresse

Adeline MaroisLycée Arago, Paris

Dominique Mercier

Valérie MoraLycée Victor-Hugo, Lunel

Frédéric PattoLycée français La Pérouse, San Francisco

Stéphane SerranoLycée Philippe-Lamour, Nîmes

Cédric VialLycée Honoré-d’Urfé, Saint-Étienne

2PROGRAMME 2010

de


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Avant d’aborder le chapitreÉvaluation

diagnostiquePour chaque situation présentée, proposer

une réponse en argumentant.

2 La santé

Situation 3 Pour vérifier l’indispensable

Le record de vitesse d’un train sur rail est de 574,8 km · h-1 ; il est détenu par un TGV.

Combien de temps met un train lancé à cette vitesse pour parcourir une distance de 100 km ?

Activité 2

Lors d’un orage, on voit les éclairs avant d’entendre le tonnerre.

Ces phénomènes qui accompagnent la foudre sont-ils de même nature ? Sont-ils produits en même temps ?

Activité 2

Situation 2 Pour traquer les idées fausses

Activités 1 et 3

Le modèle du rayon de lumière permet d’indiquer la direction et le sens de pro-pagation de la lumière.

Parmi les situations présentées, laquelle est correcte ?

Situation 1 Pour vérifier l’indispensable

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3

CHAPITRE

2 PHYSIQUE

Les acquis du collège � La lumière se propage en ligne droite dans

le vide et dans les milieux transparents.

� Dans un schéma, le rayon de lumière permet d’indiquer la direction et le sens de propagation de la lumière.

� La vitesse de la lumière dans le vide est c � 3 ¥ 108 m · s-1.

Les objectifs du chapitre

� Connaissances• Vitesses de propagation de la lumière et du son.

� Savoir-faire• Identifi er les phénomènes de réfl exion et de réfraction.• Extraire et exploiter des informations sur la nature des ondes et leurs fréquences.

� Culture• Principes de la radiographie, de l’échographie et de l’endoscopie.

Imagerie médicale

L’échographie permet la visualisation d’un fœtus dès les premières semaines de vie.

Extrait

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4 La santé

Activité 1 Activité de découverte

Pistes de réflexion1 À quelle condition un objet (la pièce dans la tasse par

exemple) peut-il être vu par un observateur ?

2 La propagation rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène est rectiligne. On la modélise par un rayon de lumière (une droite orientée).

a. Sachant que l’eau et l’air peuvent être considérés comme deux milieux homogènes et transparents, que peut-on dire de la propagation de la lumière dans ces deux milieux ?

b. Utiliser le modèle du rayon de lumière pour expliquer que l’expérimentateur (son œil ou la webcam) ne voit pas la pièce de monnaie dans la situation de la figure 1.

3 a. Le phénomène observé dans la situation de la figure 3 est appelé réfraction de la lumière. Décrire ce phénomène.

b. Utiliser le modèle du rayon de lumière pour expliquer que l’expérimentateur (son œil ou la webcam) voit la pièce de monnaie dans la situation de la figure 2.

Pour conclure4 Que se passe-t-il lorsqu’un faisceau laser arrive à la sur-

face de séparation entre deux milieux transparents diffé-rents comme l’eau et l’air ?

A. L’expérience dite d’Archimède« Si tu poses un objet au fond d’un vase et si tu l’éloignes jusqu’à ce que l’ob-jet en question ne se voie plus (Fig. 1), tu le verras réapparaître à cette distance dès que tu rempliras le vase d’eau (Fig. 2). »

L’expérience proposée par Archimède (287-212 av. J.-C.) est réalisée avec une tasse et une pièce de monnaie. Une webcam remplace l’œil de l’expérimen-tateur.

B. Réfraction d’un faisceau laserPour suivre le trajet d’un faisceau de lumière lors d’un changement de milieu, il est possible d’utiliser un dispo-sitif constitué d’un matériau transparent posé sur une surface plane. Sur la surface plane éclairée par un fais-ceau laser rasant, on visualise le trajet de la lumière, qui se propage respectivement dans l’air, puis dans le maté-riau transparent (Fig. 3).

Analyse d’expériences

À la découverte du phénomène de réfractionLa lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent, mais que se passe-t-il lorsqu’elle rencontre un autre milieu de propagation ?

webcam webcam

Fig. 1 La tasse sans eau. Fig. 2 La tasse avec de l’eau.

matériau transparent

surface planeFig. 3 Suivi d’un faisceau laser lors d’un changement de milieu.

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5Extrait Imagerie médicale

Activité 2 Activité documentaire

Pistes de réflexion1 La radiographie

a. Quel type d’onde électromagnétique est évoqué dans le document ?

b. De quoi dépend le pouvoir pénétrant de ces ondes ?

c. Pour se protéger des rayons X, qui sont dangereux en cas d’exposition répétée, le radiologue se place derrière un écran de plomb. Que peut-on en déduire sur le plomb ?

2 L’échographiea. Quel type d’onde permet une échographie ?

b. Pourquoi ces ondes ne sont-elles pas audibles (on pourra se référer à l’activité 4 du chapitre précédent) ?

c. De quoi dépend la vitesse du son ?

d. De quoi semble dépendre la réflexion des ondes ?

e. Expliquer le rôle du gel entre la sonde et la peau.

Pour conclure3 a. Peut-on utiliser des ondes électromagnétiques de

fréquences quelconques pour la radiographie ?

b. Pourquoi utilise-t-on des ondes sonores de plus de 1 MHz pour l’échographie ?

Étude de documentsLa radiographieLes rayons X sont des ondes électroma-gnétiques de hautes fréquences, de l’ordre de 1017 à 1019 Hz. Comme l’éner-gie d’une onde augmente avec sa fré-quence, ces rayons possèdent une éner-gie importante et pénètrent facilement la matière. On les utilise pour la radio-graphie.

Au cours de leur trajet dans la matière organique, les rayons X subis-sent une atténuation, qui dépend de la composition et de l’épaisseur des structures rencontrées. Quatre caté-gories de structures peuvent alors être distinguées par ordre croissant d’opa-

cité : l’air, la graisse, l’eau (les tissus mous et les liquides) et les os.

Les rayons non absorbés sont recueillis sur une surface sensible aux rayons X : les zones les plus sombres sur l’image correspondent aux tissus transmettant le mieux les rayons (Fig. 1).

L’échographieL’image échographique (Fig. 2) est obte-nue à l’aide d’un faisceau d’ultrasons, ondes sonores imperceptibles à l’oreille humaine. Les fréquences utilisées s’échelonnent de 1 à 20 MHz (106 à 20 ¥ 106 Hz), en fonction de l’organe exploré.

Dans l’air, la vitesse des ultrasons est de 340 m · s-1 ; dans l’eau, de 1 480 m · s-1 ; dans les tissus mous (peau, graisse, foie, muscle…), elle varie de 1 450 à 1 600 m · s-1 et dans les os, de 2 100 à 5 000 m · s-1.

Chaque fois qu’un faisceau d’ultra-sons rencontre une interface, c’est-à-dire un changement de milieu de pro-pagation, une partie des ultrasons est réfléchie. La proportion d’ultrasons réfléchis est faible au niveau d’une

interface entre deux tissus mous (6 % pour l’interface foie-rein), importante (40 %) au niveau d’une l’interface tis-sus mous-os, et quasi totale au niveau d’une interface tissus mous-air.

Une sonde, en contact avec la peau sur laquelle on a appliqué un gel, est déplacée sur la zone à étudier. Elle émet des salves (paquets d’ondes) brèves d’ultrasons et recueille les échos (sons réfléchis). La durée qui sépare l’émis-sion de la réception de chaque écho est mesurée et interprétée informatique-ment. On obtient finalement des images représentant des coupes de l’or-gane, visualisé à différentes profon-deurs.

Des ondes pour explorer le corps humainL’imagerie médicale a révolutionné la médecine en donnant accès à des informations jusqu’alors « invisibles » au diagnostic clinique.

Fig. 2 Échographie fœtale.

Fig. 1 Radiographie d’une main.

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6 La santé

Démarche d’investigationActivité 3

Expériences (recherche de validation)

Matériel⦁ une source de lumière laser ⦁ un disque gradué avec un demi-cylindre de verre

⦁ À l’aide de ce matériel, proposer différentes expériences pour observer le comportement d’un faisceau de lumière laser lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre.

⦁ Avec le faisceau laser, viser le demi-cylindre de verre sur sa face plane, en dirigeant le faisceau incident perpendicu-lairement à la face plane et en son centre.

2 Qu’observe-t-on ?

⦁ Faire varier de 0 à 90° l’angle d’incidence i défini sur la figure 3. Noter les phénomènes qui se produisent au niveau de la surface de séparation entre l’air et le verre.

Fig. 3 Dispositif expérimental.

40

40

40

60

200

60

8090

9080

80

80

20

60

4020

060

20

i

disque gradué

source laser

demi-cylindreen verre

3 Existe-t-il un faisceau réfléchi ? un faisceau réfracté ? Décrire leur position.

⦁ Placer le demi-cylindre de verre pour que le faisceau laser arrive sur sa face plane après avoir traversé le verre (Fig. 4).

4 Reprendre la question 3 avec ce nouveau dispositif.

Pour conclure5 a. Quelles sont les conditions nécessaires pour que le

faisceau réfracté ne soit plus observé lorsque la lumière change de milieu ?

b. Que devient alors le faisceau incident ?

6 Expliquer comment la lumière peut rester confinée dans le cœur d’une fibre optique.

Pour commencer (situation déclenchante)

Une fibre optique est un fin tuyau constitué d’un cœur entouré d’une gaine (Fig 1). Le cœur et la gaine sont fabriqués avec des matériaux transparents choisis de telle sorte que la lumière a une vitesse plus faible dans le cœur que dans la gaine. Lorsque la fibre est éclairée à une extrémité, la lumière est transmise à l’autre extrémité en restant confinée dans le cœur de la fibre, quelle que soit la courbure de celle-ci (Fig. 2).

Dans un fibroscope, les fibres optiques permettent d’éclai-rer la zone à explorer et d’en transmettre une image.

Fig. 1 Structure d’une fibre optique.

gaine

cœur

Fig. 2 Fibre optique éclairée.

InvestigationAlors que la fibre optique est constituée de matériaux transparents, comment la lumière y reste-t-elle piégée ?

Quelques idées (hypothèses)

Étude de document (recherche de validation)

Le tableau suivant donne la vitesse de la lumière dans dif-férents milieux transparents.

Milieu transparent air eau verre

Vitesse de la lumière (m · s-1) 3,0 ¥ 108 2,2 ¥ 108 2,0 ¥ 108

1 Quelle proposition des élèves ci-dessus peut-on facile-ment rejeter en s’appuyant sur des observations de la vie quotidienne et sur les données du tableau ?

Le fibroscope pour voir à l’intérieur du corpsLe fibroscope est un tuyau souple permettant d’explorer l’intérieur du corps. Il contient des fibres optiques qui ont la propriété de conduire la lumière.

Fig. 4 Nouveau dispositif.

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Activité expérimentaleActivité 4

Observations ⦁ Intercaler successivement trois plaques entre l’émetteur (E) et

le récepteur (R) d’ultrasons : la première en carton, la deux i ème en laine de verre et la troisième en toile de jute (Fig. 3).

2 Noter, pour chaque type de plaque intercalée, comment évolue le signal observé sur l’oscilloscope.

⦁ Placer l’émetteur (E) et le récepteur (R) d’ultrasons côte à côte dans le même sens et face à l’une des trois plaques précédentes (Fig. 4).

3 Noter, pour chaque type de plaque, comment évolue le signal observé sur l’oscilloscope.

Fig. 3 Étude de la transmission.

E R

environ 10 cm

plaque

Fig. 4 Étude de la réflexion.

E

R

environ 10 cm

plaque

Exploitation4 Pour chaque matériau testé, indiquer :

– s’il transmet les ondes ultrasonores ;– s’il réfléchit les ondes ultrasonores.

5 Conclure sur le comportement de chaque matériau en termes de réflexion et de transmission. Quel(s) matériau(x) absorbe(nt) les ultrasons ?

Pour conclure6 Proposer une expérience permettant de déterminer la

forme simple d’un objet en carton « caché » derrière une toile de jute et déposé sur une plaque de laine de verre (Fig. 5). Mettre en œuvre l’expérience proposée.

Fig. 5 La boîte contenant l’objet à explorer.

E R

toile de jute tendueobjet en carton

laine de verrelaine de verre

7 On modélise ainsi le principe de l’échographie. Quel matériau joue le rôle de la peau ? celui d’un tissu mou ? celui d’un os (ou d’un poumon) ?

PrincipeL’échographie (Fig. 1) utilisée en imagerie médicale est fon-dée sur l’émission d’une onde ultrasonore et la réception de son écho renvoyé par les tissus mous.

L’eau favorise la transmission des ultrasons, contrairement à l’air. Les os et les poumons, qui contiennent de l’air, absor-bent les ultrasons et « cachent » les organes situés en des-sous.

Fig. 1 Acquisition d’une image échographique.

Mise en œuvre au laboratoireMatériel⦁ émetteur et récepteur d’ultrasons ⦁ un oscilloscope ⦁ plaques en carton, en toile de jute et en laine de verre ⦁ un mètre

⦁ Placer l’émetteur et le récepteur d’ultrasons face à face, à une dizaine de centimètres l’un de l’autre (Fig. 2).

⦁ Alimenter l’émetteur d’ultrasons et positionner le commu-tateur sur « Salve ».

⦁ Relier le récepteur à l’oscilloscope et le régler pour visua-liser le signal qui traduit la réception des salves (paquets d’ondes) ultrasonores.

Fig. 2 Montage expérimental.

1 Faire le schéma de l’expérience.

Exploration par échographieLes propriétés des milieux de propagation ont une grande influence lors de l’acquisition d’une image échographique.

Capacités expérimentales évaluées : ⦁ Analyser des résultats expérimentaux. ⦁ Proposer une expérience répondant à un objectif précis.

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8 La santé

Cours

Fig. 2 Domaines de fréquences des ondes sonores.

domainedes fréquences

audiblesinfrasons

20 Hz 20 kHz

ultrasons

Fréquences

Fig. 1 Image scintigraphique du corps humain.

1 Les ondes et l’imagerie médicaleDes ondes à l’imagerie médicale � Activité 2

La première radiographie a été réalisée en 1895 par Wilhelm Röntgen, un phy-sicien allemand, lorsqu’il découvrit fortuitement les rayons X.

L’échographie ultrasonore est apparue en 1955, grâce à la technologie du sonar, développé par les marins dès 1915.

En 1973, le chimiste américain Paul Lauterbur obtint le premier cliché d’ima-gerie par résonance magnétique (IRM) en utilisant un champ magnétique (issu d’un aimant) et des ondes radio.

La découverte de la radioactivité artificielle, en 1934, a permis le développe-ment de la médecine nucléaire, comme la scintigraphie (Fig. 1), qui analyse les rayons gamma émis par des éléments radioactifs introduits dans le corps humain.

L’imagerie médicale utilise deux types d’ondes : les ondes électromagné-tiques, qui peuvent se propager dans le vide, et les ondes sonores, qui ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.

Les rayons X, les ondes radio et les rayons gamma sont des ondes électroma-gnétiques ; les ultrasons sont des ondes sonores.

Les ondes et leur domaine de fréquences � Activité 2

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. Les sons de fréquences inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons (Fig. 2).

Les ondes électromagnétiques s’étendent sur une très large gamme de fré-quences. La lumière visible n’y occupe qu’une bande très étroite, de 4 ¥ 1014 à 8 ¥ 1014 Hz (Fig. 3). Dans les fréquences supérieures, on trouve notamment les ultraviolets et les rayons X. Les ondes radio ou les infrarouges sont des ondes de plus faibles fréquences que la lumière visible.

� Exercices 1 à 7

Fig. 3 Domaines de fréquences des ondes électromagnétiques.

Fréquences (en Hz)107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020

ondes radio

micro-ondes

infrarouges ultraviolets

rayons X

rayons gamma

visible

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Cours

Homogène : se dit d’un milieu dont les propriétés sont les mêmes partout.

Vocabulaire

Fig. 4 Vitesse de propagation d’un son dans différents milieux.

Milieu v (en m · s-1)

gaz

air (0 °C) 331

air (20 °C) 343

hélium 972

liquideseau 1 480

mercure 1 450

solides

diamant 12 000

verre 5 640

or 3 240

Fig. 5 Tir laser entre l’Observatoire de Paris et la butte Montmartre pour mesurer la vitesse de la lumière, à l’occasion de l’année mondiale de la Physique, en 2005.

2 Vitesses de propagation des ondesLes ondes sonores � Activités 2 et 4

Quelle que soit leur fréquence, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide. Elles ont besoin d’un milieu matériel : gaz, liquide ou solide.

Lors d’une échographie, les ultrasons se propagent dans les différentes structures organiques : graisse, muscle, sang, os, poumons…

Exemple

La vitesse de propagation d’une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques (densité, température…) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz (Fig. 4).

Dans l’air, la vitesse des ondes sonores est de 340 m · s-1 ; dans l’eau, de 1 480 m · s-1 ; dans les tissus organiques mous (peau, graisse, foie, muscle…), elle varie de 1 450 à 1 600 m · s-1 et dans les os, de 2 100 à 5 000 m · s-1.

Exemples

Les ondes sonores ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.Dans l’air, à température ambiante, la vitesse du son est 340 m · s-1.

Les ondes électromagnétiques � Activité 3

Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent toutes à la même vitesse (ou célérité) c � 299 792 458 m · s-1. Leur vitesse de propagation dans l’air est très proche de celle dans le vide (Fig. 5).

La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (et dans l’air) est notée c, sa valeur est 3,00 ¥ 108 m · s-1.

Dans les milieux matériels, les ondes électromagnétiques se propagent plus ou moins bien. Leur vitesse de propagation est toujours inférieure à celle dans le vide. Elle dépend de la nature du milieu de propagation et de la fréquence des ondes.

Les rayons X (fréquences de 1017 à 1019 Hz) utilisés pour la radiographie pénètrent dans de très nombreux milieux (l’air, la graisse, les tissus mous, les os…), alors que la lumière (fréquence de l’ordre de 1014 Hz) ne se propage que dans les milieux dits transparents (l’air, l’eau, le verre…).

Exemple

Dans un milieu transparent, la lumière se propage à une vitesse inférieure ou égale à c. Si le milieu est homogène, elle se propage en ligne droite.

L’air, le verre, l’eau sont des milieux transparents. La lumière s’y propage avec des vitesses v différentes :v

air ª c � 3,00 ¥ 108 m · s-1 ;

veau

� 2,26 ¥ 108 m · s-1 ;v

verre � 2,00 ¥ 108 m · s-1.

Exemple


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10 La santé

Cours

Fig. 6 Tracé d’un rayon de lumière lors d’une réflexion.

miroir

Fig. 7 La paille cassée.

Fig. 8 La lumière se propage plus lente-ment dans le second milieu.

air

eau

i

normale à la surfacede séparation

3 La réflexion et la réfractionChangement de milieu de propagation � Activités 3 et 4

Lorsqu’une onde (sonore ou électromagnétique) arrive à la surface de sépa-ration entre deux milieux, une partie de l’énergie transportée par l’onde est renvoyée dans le milieu initial et l’autre est transmise dans le second milieu. Les fractions d’énergie renvoyée et d’énergie transmise dépendent des carac-téristiques des deux milieux, mais aussi de la nature et de la fréquence de l’onde.

Une vitrine laisse voir l’intérieur d’un magasin, mais elle fait aussi fonction de miroir.Lors d’une échographie, les impulsions ultrasonores pénètrent dans les tissus et se réfléchissent partiellement à chaque changement de milieu.

Exemples

La réflexion de la lumière � Activité 3

Les phénomènes de réflexion de la lumière sont fréquents dans notre envi-ronnement : les reflets à surface de l’eau, les miroirs…

Un faisceau de lumière laser est renvoyé dans une seule direction lorsqu’il arrive à la surface d’un miroir : c’est le phénomène de réflexion (Fig. 6).

Si un faisceau laser arrive sur une surface qui n’est pas parfaitement lisse, une partie ou la totalité de la lumière peut être renvoyée dans toutes les directions : c’est le phénomène de diffusion.

Un écran blanc diffuse toute la lumière qu’il reçoit.

Exemple

La réfraction de la lumière � Activités 1 et 3

Un faisceau de lumière laser est dévié lorsqu’il passe d’un milieu transpa-rent à un autre (par exemple : de l’air à l’eau, ou le contraire). C’est le phé-nomène de réfraction.

Une paille dans l’eau paraît cassée à l’interface air-eau à cause de la réfraction (Fig. 7).

Exemple

Lorsque la lumière se propage plus lentement dans le second milieu (par exemple, lors du passage de l’air vers le verre), le rayon réfracté se rapproche de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux (Fig. 8). Dans ce cas, la lumière peut toujours pénétrer dans le second milieu.

Lorsque la lumière se propage plus rapidement dans le second milieu (par exemple, lors du passage du verre vers l’air), le rayon réfracté s’écarte de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux (Fig. 9a).

Dans ce cas, la lumière ne peut pas toujours pénétrer dans le second milieu. Cela dépend de l’angle d’incidence i que fait le rayon incident avec la nor-male :

– si l’angle d’incidence i est inférieur à un angle limite (qui est caractéristique des deux milieux), la lumière pénètre dans le second milieu (Fig. 9a) ;

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Cours

Fig. 10 Les endoscopes utilisés en méde-cine sont des exemples de fibroscopes.

– si l’angle d’incidence i dépasse l’angle limite, la lumière ne peut plus passer dans le second milieu : elle est complètement renvoyée dans le milieu initial. C’est le phénomène de réflexion totale (Fig. 9b).

Fig. 9 La lumière se propage plus rapidement dans le second milieu.

a b

ii

air

eau

air

eau

La lumière est guidée par réflexion totale dans les fibres optiques, utilisées par exemple dans les fibroscopes médicaux (Fig. 10).

Exemple


Les compétences à acquérir du chapitre

⦁ L’œil humain ne perçoit qu’une toute petite partie des ondes électromagnétiques, correspon-dant à la lumière visible.

⦁ Les rayons X utilisés en radiologie sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence est beaucoup plus grande que celle de la lumière visible.

⦁ Les ultrasons utilisés lors d’une échographie sont des ondes sonores non audibles, car de grandes fréquences.

1 Savoir extraire et exploiter des informations sur la nature des ondes et leurs fréquences

⦁ Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite.

⦁ La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (ou dans l’air) est : c � 3,00 ¥ 108 m · s-1 .

⦁ La vitesse de propagation du son dans l’air à température ambiante est : v � 340 m · s-1 .

2 Connaître les vitesses de propagation de la lumière et du son

⦁ À la surface de séparation entre deux milieux de propagation, on observe des phénomènes de réflexion et de réfraction.

⦁ Après réflexion, l’onde reste dans son milieu de propagation initial.

⦁ Lors du passage dans un autre milieu, la direction de propagation de l’onde est déviée : c’est la réfraction.

3 Savoir identifier les phénomènes de réflexion et de réfraction

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12 La santé

Exercices Et, comme la lumière visible, elles se laissent focaliser, pou-vant révéler des détails fins, de l’ordre du millimètre voire moins. Surtout, à l’inverse des rayons X, qui ionisent la matière et sont donc délétères à hautes doses, ces rayons T, 10 000 fois moins énergisants, semblent être inoffensifs. »

Le Temps, 16 janvier 2010, article d’Olivier Dessibourg

1. a. Écrire « 100 à 30 000 milliards de hertz » sous la forme a ¥ 10n où 1 ⩽ a < 10.b. En déduire à quelle puissance de 10 correspond le préfixe « téra ».c. Vérifier l’affirmation : « ces ondes se trouvent entre l’infra-rouge de la télécommande TV et les micro-ondes du four ».

2. Donner un exemple d’images réalisées par rayons X.

3. Pourquoi les rayons T sont-ils intéressants ?

Données. Infrarouges : fréquences autour de 1013 Hz. Micro-ondes : fréquences autour de 1011 Hz.

Fréquence d’une onde sonoreLa tension aux bornes d’un récepteur d’ondes sonores est visualisée sur l’écran d’un oscillo-scope :

1. Déterminer la période de l’onde sonore.

2. En déduire sa fré-quence f.

3. Les ondes sonores réceptionnées sont-elles audibles ? Jus-tifier.

Who discovered X-rays?

German physicist, Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923), discovered X-rays in 1895 while he was experimenting with electricity. Since he did not really understand what these rays were, he called them X-rays, because in mathema-tics X stands for the unknown. A week after his discovery, Roentgen took an X-ray photograph of his wife’s hand, which clearly revealed her wedding ring and her bones.

By 1900, doctors were using X-rays to take pictures (cal-led radiographs) of bones, which helped them treat inju-ries more effectively. In 1901, Roentgen was awarded the first Physics Nobel Prize for his discovery.

1. Why did Roentgen call the new radiation X-rays?

2. What was the first application of this discovery?

3. What award did Roentgen receive for his discovery?

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� Extraire et exploiter des informations sur la nature des ondes et leurs fréquences

Donnée. Domaine des fréquences audibles pour l’homme : 20 Hz à 20 kHz.

Communication Terre-Lune1. Pourquoi une éventuelle communication par onde sonore entre la Terre et la Lune ne serait-elle pas possible ?

2. Donner un exemple d’onde pouvant se propager dans le vide.

Fréquence audible ?Une onde sonore de période T � 45 ms est-elle audible ?

Absorption sonoreLes ultrasons sont plus absorbés par l’air que les sons. En déduire comment varie l’absorption avec la fréquence.

Grenouille et perroquetUne grenouille perçoit des sons de 60 à 10 000 Hz, un perro-quet, de 40 à 14 000 Hz.

1. Quel animal a un domaine de fréquences audibles le plus proche de celui de l’oreille humaine ?

2. Ces animaux perçoivent-ils les ultrasons ?

Voir à travers la matière grâce aux rayons T

« Voir à travers les habits (comme dans les scanners cor-porels pour aéroport […]) [pour] lutter contre le bioter-rorisme ; repérer des cancers invisibles ; examiner les œuvres d’art ou percer les secrets du ciel : les ondes térahertz (THz) ou rayons T […] sont promis à moult applications.

Dans le spectre, ces ondes se trouvent entre l’infrarouge de la télécommande TV et les micro-ondes du four. Leur domaine englobe des fréquences comprises entre 0,1 et 30 térahertz (donc 100 à 30 000 milliards de hertz […]). […] Leurs propriétés s’avèrent intéressantes : elles possè-dent comme les micro-ondes un fort pouvoir pénétrant.

Objectif 1

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coefficient de balayage : 10 ms · div–1

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Exercices

� Savoir utiliser les vitesses de propagation de la lumière et du son

L’indispensableCorriger les propositions inexactes.

1. La lumière peut se propager dans n’importe quel milieu.

2. Dans un milieu matériel, la lumière va plus vite que dans le vide.

3. Dans l’eau, la lumière et le son se propagent plus vite que dans l’air.

4. Comme les ultrasons ont une fréquence plus grande que les sons audibles, ils se propagent plus vite dans l’air.

La bonne valeurParmi les valeurs suivantes, quelles sont celles qui correspon-dent à la vitesse de propagation de la lumière dans le vide ?a. 300 000 m · s-1 ; b. 3 ¥ 108 m · s-1 ; c. 300 000 km · s-1 ; d. 3 ¥ 1018 m · s-1 ;e. 300 000 km · h-1 ; f. 3 ¥ 105 km · s-1.

Une histoire d’IndienPourquoi les Indiens d’Amérique mettaient-ils leur oreille contre les rails de chemin de fer pour savoir si un train arrivait ?

Son et lumière1. Dans l’air, quelle distance parcourt la lumière en :a. une seconde ? b. un jour ? c. un an ?

2. Mêmes questions pour un son.

3. Des valeurs précédentes, déduire, sans calcul, quelle est environ la durée nécessaire au son pour parcourir la même distance que la lumière en 1 s.

E X E R C I C E R É S O L U

Lumière solaireLa distance Terre-Soleil est D � 1,50 ¥ 108 km.

1. Combien de temps faut-il à la lumière solaire pour nous parvenir ? 2. Combien de temps mettrait un son pour parcourir la même distance ?3. Dans la question précédente, pourquoi a-t-on écrit « met-trait » et non « met » ?

Aides et méthodes1. Penser à convertir la distance en mètre.

Solution

1. La durée Dt mise par la lumière vérifie Dt � Dc

avec pour la vitesse de la lumière c � 3,00 ¥ 108 m · s-1

soit Dt � 1 50 103 00 10

11

8

,,¥¥

� 500 s = 8 min 20 s.

Objectif 2

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2. Avec la vitesse du son v � 340 m · s-1, la durée du trajet

serait Dt' � 1 50 10

340

11, ¥ � 4,41 ¥ 108 s ª 14 ans !

3. Le son ne peut pas se propager dans le vide entre la Terre et le Soleil, il a besoin d’un milieu matériel.

Télécommande infrarougeQuel temps met un signal infrarouge émis par une télécom-mande pour atteindre un poste de télévision placé à 3,5 m ?

Rapide, la lumière !Dans l’air, les sons se propagent beaucoup plus lentement que la lumière.

1. Donner la vitesse de propagation des ondes sonores et de la lumière dans l’air.

2. Pour mieux concevoir la différence de valeur entre ces deux vitesses, on imagine un monde où la vitesse de la lumière serait celle d’un avion de ligne sur Terre, soit environ 1 000 km · h-1.

Toute proportion gardée, quelle serait la vitesse de propaga-tion du son dans ce monde ? Commenter la réponse trouvée.

Vitesse des ultrasonsUn émetteur et un récepteur d’ultrasons, placés dans un même milieu, en regard l’un de l’autre et à une distance ℓ � 20,0 cm, sont reliés à la carte d’acquisition d’un ordinateur.

Les graphiques ci-dessous donnent le signal capté par le récep-teur, lorsqu’une salve ultrasonore a été émise à l’instant t � 0 s. Selon les milieux traversés, on obtient les deux enregistre-ments des figures a et b ci-dessous.

1000 200 300 400 500 600 700 800 900 t (ms)

u (V) L’eau est le milieu de propagation

L’air est le milieu de propagation

a

b

1000 200 300 400 500 600 700 800 900 t (ms)

u (V)

1. Sans faire de calcul, expliquer, à l’aide des graphiques, dans quel milieu la propagation des ultrasons est la plus rapide.

2. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air et dans l’eau.

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14 La santé

Exercices

� Savoir identifier les phénomènes de réflexion et réfraction

Donnée. Un rayon lumineux n’est pas dévié lorsqu’il arrive à la surface de séparation entre deux milieux avec un angle d’incidence nul par rap-port à la normale à cette surface.

Réflexion ou réfractionDans chaque cas, indiquer si la situation est le résultat d’une réflexion ou d’une réfraction.a. Un reflet dans un miroir.b. Le transport d’informations par fibres optiques.c. Le fil de canne à pêche qui semble « se casser » au niveau de la surface de l’eau.

Réflexion sur la réflexion et la réfractionCorriger, si nécessaire, les affirmations suivantes.a. Quand il y a réfraction, le rayon réfracté se rapproche tou-jours de la normale.b. Si l’angle d’incidence est nul, il n’y a pas de réfraction.c. Un rayon lumineux peut traverser la surface de séparation de deux milieux transparents, quel que soit son angle d’inci-dence.d. Lorsqu’il y a réflexion totale de la lumière, la surface de sépa-ration des deux milieux se comporte comme un miroir.

E X E R C I C E R É S O L U

Jeu de lumièreOn a photographié la « vieille prison » à Annecy.

a b

1. Quel phénomène observe-t-on à la surface de l’eau sur la photographie a ?2. Comment expliquer que ce phénomène est pratique-ment inexistant sur la photographie b ?3. Dans les deux cas, que devient la lumière solaire qui arrive sur la surface de séparation air-eau ?

Aides et méthodes2. Observer attentivement la surface de l’eau.

Solution1. En a , l’eau se comporte comme un miroir : on observe un phénomène de réflexion.

Objectif 3

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2. Pour qu’il y ait réflexion, il faut que la surface de l’eau soit plane et lisse. Or en b , l’eau est agitée. Elle se comporte comme une surface rugueuse. La lumière solaire est diffu-sée comme par un écran.3. À la surface de séparation air-eau, la lumière incidente est en partie réfléchie dans l’air (et éventuellement diffu-sée), l’autre partie pénètre dans l’eau en étant déviée : c’est la réfraction.

Phénomènes sonoresCiter deux exemples concrets de réflexion et d’absorption sonore.

Le bon schémaUn rayon lumineux arrive à la surface de séparation entre deux milieux : l’air et l’eau (en bleu sur les schémas).

a b c

d e f

Les schémas proposés correspondent-ils tous à des compor-tements possibles de la lumière ? Si oui, préciser le phéno-mène physique illustré. Justifier toutes les réponses.

Comme un poisson dans l’eau1. Sur un schéma, représen-ter un rayon lumineux pour expliquer que le chat voit le poisson en regardant au-des-sus de la surface de l’aqua-rium.

2. a. Qu’arrive-t-il au rayon lumineux ?b. Comment s’appelle ce phénomène ?c. Comment se produit-il ?d. Quelle est la conséquence pour le chat s’il veut attraper le poisson ?

3. Où le chat doit-il se placer pour que ce phénomène ne se produise plus ? Justifier la réponse.

� Le point de vue du poissonUn poisson dans l’eau d’un lac regarde vers le haut et voit à la surface de l’eau un disque lumineux de rayon r, centré sur sa verticale, dans lequel il aperçoit tout ce qui est au-dessus de l’eau.

Expliquer cette observation.

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rair

eau

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Exercices

Le stationnement facileUne voiture est équipée d’un système comportant un émet-teur et un récepteur d’ultrasons placés côte à côte à l’arrière du véhicule. Lors d’une marche arrière, une salve ultrasonore est envoyée sur un obstacle ; l’écho est détecté par le récep-teur 9,0 ms après l’émission.

1. À quel phénomène physique correspond l’écho détecté par le récepteur ?

2. À quelle distance se trouve l’obstacle de la voiture ?

Mesure échographiqueLors d’une échographie, la sonde émet des salves ultrasonores de très courte durée. La même sonde enregistre les échos ren-voyés par les surfaces de séparation des différents milieux. Sur l’enregistrement ci-dessous, 1 division (div) correspond à une durée de 50 µs.

A B Cdstructure explorée

peau

sonde

gel

1 div

écho issu de A écho issu de Bécho issu de C

1. Déterminer la durée qui s’écoule entre la réception des échos issus de B et de C.

2. Calculer la dimension d de la structure explorée dans les tissus mous, sachant que la vitesse de propagation des ultra-sons dans ces tissus est de l’ordre de 1,5 ¥ 103 m · s-1.

L’orageLors 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.

1. a. Au bout de combien de temps le promeneur verra-t-il l’éclair ?b. Au bout de combien de temps entendra-t-il le tonnerre ?

2. 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.

� Vol de chauve-sourisLa chauve-souris possède un véritable sonar naturel : elle émet des impulsions sonores, de fréquence pouvant atteindre 100 kHz, qu’elle réceptionne après réflexion sur les obstacles.

Une chauve-souris émet une impulsion sonore alors qu’elle se trouve à 2,0 m d’un mur et qu’elle se déplace vers cet obstacle avec une vitesse de 5,0 m · s-1.

Exercices de synthèse23

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ondes sonoresondes sonores

écho

1. Quel type d’ondes sonores une chauve-souris émet-elle ?

2. Si, une fois l’impulsion sonore émise, la chauve-souris conti-nuait son vol en ligne droite horizontalement, au bout de com-bien de temps atteindrait-elle le mur ?

3. Au bout de quelle durée reçoit-elle un écho ? (La vitesse de l’onde est telle qu’on peut supposer que la chauve-souris n’a quasiment pas avancé entre l’émission et la réception.)

4. Peut-elle éviter le mur, sachant que par réflexe naturel son temps de réaction est de 100 ms ?

Écho laserDepuis 1969, cinq réflec-teurs ont été déposés sur la Lune : ils sont utilisés régulièrement pour mesu-rer la distance entre la Terre et la Lune.

À l’aide d’un télescope optique, on vise de la Terre un réflecteur. Une impulsion laser est alors envoyée vers la Lune et réfléchie par le réflecteur vers la Terre. Le temps de parcours est mesuré par une horloge très précise.

Les mesures de la distance Terre-Lune effectuées depuis plu-sieurs dizaines d’années montrent que la Lune s’éloignerait de la Terre de plusieurs centimètres par an.

1. Faire un schéma de la situation décrite, où figurent la Terre, la Lune et le chemin suivi par l’impulsion laser.

2. Quelle relation existe-t-il entre la durée de parcours de l’im-pulsion et la distance qui sépare la Terre de la Lune ?

3. Une mesure de la durée de parcours de l’impulsion est 2,536 s. En déduire la distance Terre-Lune.

� Instantanée, la lumière ? � Histoire des sciences

Dans le Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, publié en 1632, Galilée met en scène trois personnages : Sagrédo, qui représente l’« honnête » homme, c’est-à-dire l’homme ouvert aux idées nouvelles ; Salviati, qui repré-sente Galilée lui-même, et Simplicio, qui expose les idées traditionnelles.

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16 La santé

Exercices« Sagrédo : Comment estimer la vitesse de la lumière ? Peut-être est-elle instantanée, momentanée, ou aussi, comme les autres mouvements, temporaire ? Pourrons-nous, avec une expérience, nous en assurer ?

Simplicio : L’expérience quotidienne le montre, la propa-gation de la lumière est instantanée ; lorsqu’un canon tire à une grande distance, l’éclat de la flamme s’offre immé-diatement à nos yeux, mais il faut un intervalle de temps notable pour que le son arrive à notre oreille.

Sagrédo : Eh, M. Simplicio, cette expérience très connue n’apporte pas autre chose que le son arrive à notre ouïe en un temps moins bref que la lumière n’y arrive ; mais il ne m’assure pas que l’arrivée de la lumière soit instantanée, plutôt que temporaire mais très rapide. […]

Salviati : Le peu qu’on peut conclure de ces observations, et d’autres semblables, me fit autrefois penser à quelque moyen de pouvoir nous en assurer sans erreur […]. Je prends deux aides, avec chacun une chandelle qu’ils pla-cent dans une lanterne, de façon à pouvoir la masquer et la découvrir à la vue de l’autre par interposition de la main ; se tenant face à face, à quelques coudées de distance, cha-cun s’exerce à dévoiler et à dissimuler sa lumière à la vue de son compagnon, découvrant la sienne propre dès qu’il aperçoit celle de l’autre […]. L’habitude étant acquise sur une courte distance, nos deux compagnons s’éloigneront de deux ou trois milles avec deux lanternes semblables, et, accomplissant de nuit la même expérience, observeront attentivement si les ouvertures et les occultations ont lieu de la même manière que plus près […].

Sagrédo : L’expérience me semble d’invention non moins sûre qu’ingénieuse. Mais dites-nous ce que, dans la pra-tique, vous avez conclu.

Salviati : À vrai dire, je ne l’ai expérimenté que sur de petites distances, c’est-à-dire moins d’un mille, de quoi je n’ai pas pu m’assurer si vraiment l’apparition de la lumière opposée est instantanée, ou bien très rapide, et quasi ins-tantanée. »

1. a. Quelle question se pose Sagrédo à propos de la vitesse de la lumière ?b. Quel est le point de vue de Simplicio sur cette question ?

2. Faire un schéma de l’expérience proposée par Salviati.

3. Exploitation de l’expérience réaliséea. Calculer la durée Dt mise par la lumière pour parcourir la distance entre les deux lanternes, sachant qu’un mille vaut environ 1 600 m.b. Pourquoi l’expérience n’a-t-elle pas permis de répondre à la question que se posait Sagrédo ?c. L’expérience aurait-elle été plus fructueuse si la distance entre les deux lanternes avait été de 2 ou 3 milles ?d. Quelle distance aurait dû séparer les deux lanternes pour que la durée à mesurer soit d’environ une seconde ?

� � Modélisation d’une échographieDans un récipient rempli d’eau, on place une plaque de Plexi-glas d’épaisseur e. L’eau simule les tissus mous, la plaque de Plexiglas un muscle dense.

Une sonde échographique, constituée d’un émetteur et d’un récepteur, est plongée dans l’eau. Le schéma de principe est représenté ci-dessous :

air objet réflecteur

eausonde

ondesultrasonores

plaquede Plexiglas

AS

d e

D

B R

Les signaux émis et reçus par la sonde sont très brefs. Sur les oscillogrammes, on représente par un pic simple les signaux nécessaires à l’exploitation. On choisit l’origine des dates à l’instant de l’émission du signal.

Oscillogramme 1 Oscillogramme 2

t = 0 s t = 0 stR

t'R

tB

tA

Donnée. Durée de balayage de l’oscilloscope : kx = 20 µs · div-1.

L’oscillogramme 1 est obtenu sans la plaque de Plexiglas. À l’ins-tant t � 0 s, on visualise le signal émis par la sonde. À l’instant t

R on visualise l’écho réfléchi sur l’objet réflecteur.

L’oscillogramme 2 est obtenu avec la plaque de Plexiglas. t

A et t

B sont les dates auxquelles la sonde détecte les ondes

réfléchies par les faces de la plaque de Plexiglas et t'R celle du

nouvel écho sur l’objet réflecteur.

1. À l’aide de l’oscillogramme 1, déterminer tR.

2. Établir que l’expression de la date tR en fonction de la distance D

et de la vitesse v des ultrasons dans l’eau est : tR =

2Dv

.

3. D’après les oscillogrammes 1 et 2, les ultrasons se propa-gent-ils plus vite dans l’eau ou dans le Plexiglas ?

4. Montrer que la longueur L du trajet total du signal dans l’eau uniquement est : L � 2(D - e).

5. a. Donner l’expression de la date tA, date à laquelle la sonde

reçoit l’écho dû à la réflexion partielle au point A, en fonction de d et v.b. Montrer que l’expression de la date t

B, date à laquelle la

sonde reçoit l’écho dû à la réflexion partielle au point B, est :

tB =

2 2dv

ev�

' où v' est la vitesse des ultrasons dans le Plexiglas.

En route vers la Première29

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nousLes sciences et


L’IRMDepuis les années 1980, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) fournit des images numériques 3D et en coupe des organes et de leurs lésions éventuelles, avec une grande précision. Elle utilise les ondes radio et les propriétés magnétiques du noyau de l’atome le plus présent dans l’organisme humain, l’hydrogène.

Une caméra à avaler

La vidéo-capsule, utilisée depuis 2001, est un instrument d’observation miniature (endoscope) utilisé en médecine, qui tient dans une gélule de 11 × 27 mm. Avalée par le patient, elle progresse librement à travers

les organes de digestion, qu’elle peut fi lmer pendant cinq heures d’affi lée.

La La vidéo-capsuleun instrument d’observation miniature (endoscope) utilisé en médecine, qui tient dans une gélule de 11 × 27 mm. Avalée par le patient, elle progresse librement à travers


La


� Sciences et culture� Sciences et culture

L’image cachéeCette gravure d’István Orosz (artiste hongrois) est une anamorphose. Elle représente un paysage du roman de Jules Verne, L’Île mystérieuse. Mais elle contient également une image cachée, un portrait de l’écrivain, qui n’apparaît par réfl exion que lorsque l’on place convena-blement un miroir cylindrique.

Cette gravure d’István Orosz (artiste hongrois) est . Elle représente un paysage

du roman de Jules Verne, . Mais elle

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que lorsque

L’image cachéeCette gravure d’István Orosz (artiste hongrois) est

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Le manipulateur en électroradio-logie médicale est un professionnel de santé qui participe à la réalisation d’examens cliniques approfondis qui utilisent l’imagerie médicale. Il participe aussi aux soins, puisqu’il a la charge des traitements en radio-thérapie.Cette profession, en plein essor, conju-gue deux fonctions : soignant et tech-nicien.

Fiche métier

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Imprimé en France par Loire Offset TitouletN° de projet : 10170355 - Dépôt légal : mai 2010

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Physique Chimie 2nde - Collection E.S.P.A.C.E. - nouveau programme 2010