CH 8 :Des ondes lumineuses pour explorer le corps humain la fibroscopie

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1 Thème santé Activité expérimentale CH 8 :Des ondes lumineuses pour explorer le corps humain la fibroscopie COMPÉTENCES ATTENDUES Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale. Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d exploration et l influence des propriétés des milieux de propagation Compétences travaillées : Analyser (Ana) : Extraire et exploiter des informations. Proposer un protocole. Réaliser (Réa) : Mettre en œuvre le protocole expérimental proposé. Observer les phénomènes. Communiquer (Com): Décrire par écrit ou à l aide d un schéma un protocole. Rédiger une explication sur le fonctionnement du montage réalisé. Etre autonome : Travailler en autonomie. Faire preuve d initiative. Problématique : Comment peut-on regarder l intérieur du corps humain (estomac, intestins ) sans avoir à pratiquer d incision? But de la séance : Illustrer au laboratoire le principe de la fibroscopie. Comprendre le principe de la propagation de la lumière dans une fibre optique. Répondre à la problématique. Document 1 : Le diagnostic médical a fait de grands progrès depuis que les praticiens disposent de méthodes d exploration de l intérieur du corps. Les endoscopes et fibroscopes permettent ainsi d observer les cordes vocales, l estomac, les poumons Le fibroscope, inventé dans la première moitié du XX e siècle, est un appareil utilisé en médecine pour observer les cavités ou les conduits internes du corps (tube digestif : estomac, œsophage, côlon, ) Il est constitué d un tube flexible ne dépassant pas 5 mm de diamètre et contenant deux faisceaux de fibres optiques : le premier est utilisé pour véhiculer la lumière d une source lumineuse annexe jusqu à la cavité afin de l éclairer. le deuxième ramène jusqu à l optique les images de la cavité étudiée (sur l optique, on place l œil ou une caméra suivant les besoins) Il est possible d ajouter différents dispositifs : pour souffler de l air, pour laver les parois de la cavité, pour aspirer les fluides, et même des pinces pour couper ou faire des prélèvements. Dans certains cas, une troisième fibre optique est utilisée pour amener la lumière d un laser qui, par effet thermique, permet la destruction ou la cautérisation de tissus malades. Document 2 : Structure d'une fibre optique Une fibre optique à saut d'indice est composée d'une âme centrale (le cœur) entourée d'une gaine. L'indice de réfraction du cœur est supérieur à celui de la gaine, le changement brutal de la valeur de l'indice explique la dénomination «à saut d'indice». Les rayons lumineux sont confinés à l'intérieur du cœur. Il faut noter l'existence d'une deuxième gaine utilisée pour ses propriétés protectrices de la fibre mais non pour des propriétés optiques. Le schéma cicontre représente une vue en coupe d'une fibre optique où seuls le cœur et la gaine optique sont représentés. Document 3 : Indices de réfraction de quelques milieux Milieu Air ou vide eau plexiglas Cœur de fibre Gaine de fibre indice 1,0 1,3 1,5 1,7 1,6 1

2 Document 4 : Les lois de Snell-Descartes Lorsque la lumière traverse successivement deux milieux transparents différents, sa direction de propagation change au niveau de la surface de séparation entre les deux milieux. Ce phénomène est appelé la réfraction de la lumière. Dans la première moitié du 17ème siècle l'anglais Snell et le français Descartes établissent indépendamment les lois qui portent aujourd'hui leurs noms. Première loi : le rayon réfracté est dans le plan d'incidence. Deuxième loi : l'angle d'incidence i 1 et l'angle de réfraction i 2 sont liés par la relation suivante : n sin( i ) n sin( i ) Document 5 : La réflexion totale Dans certains cas, il n'y a pas de rayon réfracté, on dit qu il y a réflexion totale. Ce phénomène est observable à deux conditions : l indice du milieu 1 doit être supérieur à celui du milieu 2 (n1 > n2) angle d incidence doit être supérieur à un angle limite défini par: n Sin( i1 ) lim ite n 2 1 Document 6 : Conseils pour la rédaction Faire des phrases simples et courtes. Utiliser des connecteurs logiques: or, donc, parce que (rappel de la méthode scientifique j'observe que (citation d'un document : «D après le Document xxx..») or je sais que (connaissance personnelle ou citation d'un autre document) donc je peux dire que (argument)) Détailler l'enchaînement logique de l'argumentaire au brouillon afin qu'il ressorte correctement dans votre réponse. Eviter les fautes d'orthographe et de grammaire. Préliminaire : Expérience de la fontaine de lumière. Compléter sur le schéma le trajet de la lumière sur le schéma après avoir observé l expérience du bureau. Pour répondre à la problématique, il est nécessaire de comprendre comment fait la lumière pour se propager dans une fibre optique courbée à l instar de la lumière dans le jet d eau. Pour cela vous allez étudier le comportement de la lumière : - lorsqu elle pénètre dans un matériau transparent (verre ou plastique) - lorsqu elle ressort d un milieu transparent Mots clefs à utiliser : Réfraction, réflexion, angle incident, angle réfractée, angle réfléchi, angle limite. 2

3 NOM : Feuille à compléter et à rendre en fin de séance Travail à faire Partie A : s approprier la problématique (5pts) 1. Un rayon lumineux situé dans l air peut-il toujours pénétrer dans un milieu transparent? Réaliser le dispositif schématisé ci-contre. (Ana-Réa) Répondre à la question précédente. (Com) 2. Un rayon lumineux se propageant dans le plexiglas peut-il toujours en ressortir? Réaliser le dispositif schématisé ci-contre. (Ana-Réa) Répondre à la question précédente. (Com) 3. Application à la fibre optique Le schéma simplifié ci-contre est celui d une fibre optique en verre (seul le cœur est représenté) On envoie un rayon lumineux à son extrémité. Représenter le trajet de ce rayon lumineux à travers la fibre. (Com) Expliquer votre tracé en citant notamment les phénomènes mis en jeu lors de cette propagation du rayon lumineux depuis l entrée jusqu à la sortie de la fibre. (Com) 3

4 Partie B : Synthèse argumentée (Com) (5pts) Rédiger une synthèse argumentée d une quinzaine de lignes qui réponde à la problématique de départ. Vous avez à votre disposition les différents documents ainsi que les petites expériences que vous avez menées. Vous expliquerez notamment : Comment éclairer l intérieur du corps qui est sombre a priori. Comment la lumière peut rester confinée dans le cœur d une fibre optique (pourquoi la lumière pénètre dans la fibre puis pourquoi elle ne peut pas en ressortir latéralement). Vous pouvez donner des ordres de grandeurs de différents paramètres physiques. 4

5 Notes à l enseignant : BAREME pour la synthèse (5pts) Argumentaire satisfaisant Argumentaire non satisfaisant Aucun argumentaire Les sont présents associés à des culturels ; ils permettent de répondre à la problématique. La réponse est organisée sous forme d un argumentaire correctement rédigé. Intégrant des solides mais sans culturels OU Intégrant des incomplets mais avec des culturels solides. Des culturels et des solides mais mal choisis Des culturels et des incomplets ou mal choisis Des culturels OU des mal choisis Pas d culturels, pas d Le correcteur a pour consigne de reculer le "curseur" d'un point par case. 5