Apport de la physique au diagnostique médical. Thème : Santé

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1 Apport de la physique au diagnostique médical Thème : Santé

2 Objectifs Connaître et utiliser les définitions de la période et de la fréquence d un phénomène périodique. Identifier le caractère périodique d un signal sur une durée donnée. Déterminer les caractéristiques d un signal périodique. Connaître les notions de tension maximale et tension minimale. 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). 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. Connaître les notions d ondes sonores, ondes électromagnétiques.

3 I. Les phénomènes périodiques 1) Définition Un phénomène périodique est une phénomène qui se reproduit à l identique à intervalles de temps réguliers. Activité 1. Déterminer le phénomène périodique associé à chaque image. 2. Estimer la durée minimale au bout de laquelle le phénomène se reproduit à l identique. 3. Citer deux phénomènes périodiques chez l être humain.

4 I. Les phénomènes périodiques 2) Période et fréquence Définitions : Le motif est la partie du signal qui se répète La période est la durée du motif. Elle se note T et s exprime en seconde (s) La fréquence est le nombre de répétitions du motif par seconde. Elle se note f et s exprime en Hertz (Hz)

5 I. Les phénomènes périodiques La période et la fréquence sont reliées par : Unités : T en seconde et f en Hertz

6 II. Ondes sonores et ultrasonores 1) Nature des ondes sonores Les ondes sonores sont de nature mécanique. Elles se propagent en ligne droite dans un milieu matériel homogène. Une onde sonore ne se propage pas dans le vide. 2) Fréquence des ondes sonores 3) Vitesse de propagation dans l air Dans l air, la vitesse v des ondes sonores et ultrasonores est voisine de 340 m.s -1. 4) Exemple d utilisation Les ondes sonores et ultrasonores sont utilisées dans l Echographie

7 III. Ondes électromagnétiques 1) Fréquence des ondes électromagnétiques 2) Vitesse de la lumière La vitesse c de la lumière dans le vide est une constante universelle, fixée par le Bureau International des Poids et des Mesures. La vitesse de la lumière dans l air est sensiblement égale à celle dans le vide : c = 3, m.s -1 4) Exemple d utilisation Les ondes électromagnétiques sont utilisées dans la Radiographie.

8 IV. Réfraction et réflexion totale 1) Réfraction et réflexion Normale Rayon incident Rayon réfracté Rayon réfléchi L angle de réflexion est égal à l angle d incidence

9 IV. Réfraction et réflexion totale 2) Réflexion totale Le phénomène de réflexion totale n est possible que si on a n1>n2. Pour un angle limite on n a plus de rayon réfracté La lumière pénètre dans le cœur à une extrémité de la fibre optique, arrive sur le dioptre cœur/gaine avec une incidence i > i l. Le faisceau subit alors une réflexion totale et poursuit son chemin dans le cœur en effectuant de nombreuses réflexions totales sur la paroi du cœur. Fibre optique

10 La Réfraction de la Lumière Thème : Univers

11 Objectifs Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d une série de mesures et pour déterminer l indice de réfraction d un milieu. Connaître les lois de Snell-Descartes Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.

12 I. Les lois de Snell-Descartes 1) Le phénomène de réfraction Un dioptre est constitué d une surface séparant deux milieux transparents différents. Un dioptre est désigné par deux milieux transparents que rencontre successivement la lumière lorsqu elle traverse. AIR Dioptre EAU

13 I. Les lois de Snell-Descartes Définition : La réfraction est le changement de direction que subit un rayon de lumière quand il traverse la surface (le dioptre) séparant deux milieux transparents différents. AIR EAU

14 I. Les lois de Snell-Descartes 2) Première loi de Snell-Descartes Première loi de Snell-Descartes : Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont contenus dans le plan d incidence. Normale Plan d incidence Rayon incident Rayon réfracté

15 I. Les lois de Snell-Descartes 3) Deuxième loi de Snell-Descartes Deuxième loi de Snell-Descartes : Le rayon incident et le rayon réfracté sont situés de part et d autre de la normale. Normale Rayon incident Rayon réfracté

16 Extraction des espèces chimiques Thème : Santé

17 Objectifs Connaître les notions d extraction, séparation et identification d espèces chimiques. Interpréter les informations provenant d étiquettes et de divers documents. Elaborer et mettre en œuvre un protocole d extraction à partir d informations sur les propriétés physiques des espèces chimiques recherchées. Utiliser une ampoule à décanter, un dispositif de filtration, un appareil de chauffage dans les conditions de sécurité. Connaître les notions de densité et de masse volumique. Déterminer la masse d un échantillon à partir de sa densité, de sa masse volumique.

18 I. Espèces chimiques 1) Espèces chimiques naturelles et synthétiques Il existe différents types d espèces chimiques : les espèces chimiques naturelles, présente dans la nature ; les espèces chimiques synthétiques, fabriquées par les chimistes en laboratoire. 2) L extraction des espèces chimiques Un extraction consiste à isoler un ou plusieurs produits de son milieu d origine.

19 I. Espèces chimiques 3) Techniques d extraction et de séparation

20 II. Solubilité 1) Définition La solubilité, exprimée en g.l -1, est la masse maximale d une espèce chimique dissoute dans un volume de solvant donné, à une température donnée. Pour un solvant donné, la solubilité augmente en général avec la température. 2) Saturation Une solution est dite saturée quand le solvant ne peut plus dissoudre l espèce chimique.

21 III. Extraction solide liquide

22 IV. Extraction liquide liquide 1) Miscibilité Deux liquides sont miscibles, s ils forment un mélange homogène. S ils forment un mélange hétérogène composé de deux phases distinctes, les liquides sont dits non miscibles. Exemples : Liquides miscibles : Eau et Ethanol Liquides non miscibles : Eau et Huile 2) Principe de l extraction Voir TP Extraction du Diiode de la Bétadine

23 IV. Extraction liquide liquide 3) Masse volumique et densité La masse volumique ρ d une espèce chimique est : Unités : Masse volumique ρ kg.m -3 (SI) mais on peut également utiliser d autres unités g.ml -1, kg.l -1 et g.l -1 La densité d est une grandeur sans unité définie par : Le corps de référence est l eau pure pour les liquides et les solides, avec ρ eau = 1,00 kg.l -1 = 1,00 g.ml -1

24 IV. Extraction liquide liquide 4) Application : Utilisation de l ampoule à décanter

25 V. Extraction par hydrodistillation 1) Principe Une extraction par hydrodistillation est une distillation en présence d une grande quantité d eau. L extrait, résultat de la distillation, est un mélange hétérogène appelé distillat, contenant l eau et l ensemble des espèces extraites. 2) Montage

26 L Atome Thème : Santé

27 Objectifs Connaître la constitution d un atome et de son noyau. Connaître et utiliser le symbole Savoir que l atome est électriquement neutre. Connaître le symbole de quelques éléments chimiques. Savoir que la masse de l atome est pratiquement égale à celle de son noyau. Savoir que le numéro atomique caractérise l élément. Mettre en œuvre un protocole pour identifier des ions. Pratiquer une démarche expérimentale pour vérifier la conservation des éléments au cours d une réaction chimique. Savoir caractériser un élément par son numéro atomique et son symbole. Connaître les notions d éléments chimiques, isotopes, ions monoatomiques.

28 Atome? Vous avez dit atome? Qu est-ce que pour vous un atome? Sur un quart de feuille A4, répondre à la question individuellement sans vous aider de votre livre. Vous pouvez écrire, dessiner, faire un schéma

29 I. Un modèle pour l atome Activité 1 : La longue histoire de l atome 1) Constitution L atome est constitué d un noyau central entouré de vide, dans lequel des électrons sont en mouvement. Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Il existe deux sortes de nucléons : les protons et les neutrons.

30 I. Un modèle pour l atome 2) Représentation symbolique du noyau Le numéro atomique est égal au nombre de protons contenus dans le noyau. Il est noté Z. Le nombre de nucléons (protons et neutrons) est noté A. Pour représenter un noyau de façon symbolique, on utilise un symbole chimique de l atome, noté X dans le cas général. Élément Aluminium Carbone Chlore Fer Magnésium Oxygène Zinc Symbole Al C Cl Fe Mg O Zn

31 I. Un modèle pour l atome 3) Charge électrique Le proton porte une charge électrique positive. L électron porte une charge négative. Les charges électriques du proton et de l électron sont opposées. 4) Neutralité de l atome L atome est électriquement neutre : sa charge électrique est nulle. L atome est composé de Z protons, Z électrons et A-Z neutrons Exemple : 13 protons / 13 électrons = 14 neutrons

32 II. Les ions monoatomiques 1) Définition Un ion monoatomique est formé par un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. 2) Charge d un ion Un atome X se transforme en un ion X n+ en perdant n électrons. Un atome X se transforme en un ion X p- en perdant p électrons. Exemples : Un atome d aluminium Al se transforme en un ion Al 3+ (il a perdu 3 électrons). Un atome de chlore Cl se transforme en un ion Cl - (il a gagné 1 électron).

33 III. L élément chimique 1) Atomes et ions isotopes Des atomes ou des ions isotopes ont le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents. Ainsi les isotopes ont le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents. Des atomes isotopes ont le même nombre d électrons : c est la raison pour laquelle ils ont des propriétés chimiques identiques. Exemple : Ces deux atomes de cuivre sont des isotopes. Leur numéro atomique Z est identique mais les nombres de nucléons A sont différents (A=63 pour le premier et A=65 pour le second)

34 III. L élément chimique 2) Définition de l élément chimique Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z et représenté par son symbole chimique. Les entité (atomes, ions monoatomiques) ayant le même nombre de protons dans leur noyau sont des formes différentes d un même élément chimique. Le symbole chimique est constitué d une ou de deux lettres provenant du nom de l élément. La première lettre est toujours majuscule et la seconde minuscule. EXERCICES : 9 et 11 p 65

35 III. L élément chimique Au cours des réactions chimiques, les noyaux n étant pas modifiés, les différents éléments sont conservés. Aucun élément ne peut apparaître ou disparaître dans une réaction chimique. «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.»

36 Cortège électronique et réactivité des atomes Thème :Santé

37 Objectifs Savoir que les électrons se répartissent suivants différentes couches appelées K, L et M. Connaître la répartition des électrons des éléments de numéro atomique compris entre 1 et 18. Dénombrer les électrons de la couche externe. Connaître et appliquer les règles du «duet» et de l octet pour rendre compte des charges des ions monoatomiques usuels. Connaître la démarche de Mendeleïev pour établir sa classification périodique. Connaître les critères actuels de la classification : numéro atomique et nombre d électrons de la couche externe. Utiliser la classification périodique pour retrouver la charge des ions monoatomiques.

38 I. Configuration électronique 1) Le nuage électronique Dans un modèle simplifié, les électrons se répartissent sur des couches électroniques notées K, L et M. Chaque couche électronique ne peut contenir qu un nombre limité d électrons, qui varient selon la couche : Couche K L M Nombre maximal d électrons de la couche Une couche est dite saturée lorsqu elle contient son nombre maximal d électrons. La couche externe est la dernière couche électronique occupée.

39 I. Configuration électronique Donner la structure électronique d un atome, c est indiquer le nombre d électrons sur chaque couche. Cette structure électronique s exprime en plaçant entre parenthèses la lettre indiquant la couche, et en exposant le nombre d électrons s y trouvant. Exemple : L aluminium possède 13 électrons. La couche K est saturée avec 2 électrons. Il reste 13 2 = 11 électrons. La couche L est saturée avec 8 électrons. Il reste 11 8 = 3 électrons. On ajoute donc 3 électrons à la couche M. (K) 2 (L) 8 (M) 3

40 I. Configuration électronique 2) Règle du duet et règle de l octet La structure électronique des ions monoatomiques des éléments chimiques de numéro atomique Z 20 présente 2 ou 8 électrons externes. Règle du duet : Les atomes des éléments de numéro atomique 2 Z 4 tendent à acquérir une structure électronique (K)² à 2 électrons externes. Règle de l octet: Les atomes des éléments de numéro atomique 4 Z 20 tendent à acquérir une structure électronique à 8 électrons externes.

41 I. Configuration électronique Exemple : Structure électronique de l atome d aluminium : (K) 2 (L) 8 (M) 3 Pour avoir 8 électrons externes, il peut soit : Gagner 5 électrons pour adopter la structure (K) 2 (L) 8 (M) 8 Perdre 3 électrons pour avoir la structure (K) 2 (L) 8 L atome tend à perdre le moins d électrons possible. Il va donc seulement perdre 3 électrons. L ion monoatomique d un élément chimique de numéro atomique Z 20 a le même nombre d électrons, donc aussi la structure électronique, que l atome du gaz noble de numéro atomique le plus proche.

42 II. La Classification périodique 1) Dmitri Mendeleïv La classification périodique est un tableau créé par Dimitri Mendeleïv en Il a réalisé son classement à partir de deux critères : Masses atomiques croissantes F a m i l l e d é l é m e n t s a u x propriétés voisines

43 II. La Classification périodique 2) Classification actuelle La classification actuelle comporte 7 lignes, également appelées périodes, et 18 colonnes. Les 118 éléments connus sont rangés en lignes et colonnes, par numéros atomiques Z croissants, de façon à ce que les éléments ayant des propriétés chimiques voisines soient placés dans la même colonne.

44 II. La Classification périodique Moyens Mnémotechniques Lili Becta Bien Chez Notre Oncle Ferdinand Nestor Napoléon Mangea Allègrement Six Poulets Sans Claquer

45 II. La Classification périodique 3) Notion de famille d éléments chimiques Les éléments d une famille donnée ont le même nombre d électrons sur la couche externe : leur comportement chimique est directement lié à ce nombre.

46 II. La Classification périodique

47 II. La Classification périodique 4) Utilisation de la classification Colonne Colonne Colonne Colonne Colonne Colonne Colonne Colonne K H He L Li Be B C N O F Ne M Na Mg Al Si P S Cl Ar Détermination de la charge des ions monoatomiques : Les atomes des colonnes 1, 2 ou 13 de la classification ont 1, 2 ou 3 électrons sur la couche externe. Ils peuvent le(s) perdre pour donner des cations de formule M +, M 2+ ou M 3+ Les atomes des colonnes 15, 16 ou 17 de la classification ont 5, 6 ou 7 électrons sur la couche externe. Ils peuvent gagner 3, 2 ou 1 électron(s) pour donner des anions X 3-, X 2- EXERCICES ou X - : 4p80 + 5p80 + 6p p81 + 9p80

48 Molécules de la Santé Thème : Santé

49 Objectifs Représenter des formules développées et semi-développées correspondant à des modèles moléculaires. Savoir qu à une formule brute peuvent correspondre plusieurs formules semi-développées. Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de représentation. Connaître les notions de formules et modèles moléculaires / formules développées et semi-développées / isomérie. Connaître les notions de principe actif, excipient, formulation. Analyser la formulation d un médicament.

50 I. Molécule, vous avez dit molécule? 1) Qu est-ce qu une molécule? Une molécule est un édifice électriquement neutre, formée d un nombre limité d atomes liés les uns aux autres. 2) Modélisation La formule brute d une molécule est l écriture la plus compacte décrivant la nature et le nombre des atomes de cette molécule. Exemples : H 2 O : molécule d eau présentant 2 atomes d Hydrogène et 1 atome d Oxygène. C 6 H 12 O 6 : molécule de glucose présentant 6 atomes de Carbone, 12 atomes d Hydrogène et 6 atomes d Oxygène.

51 I. Molécule, vous avez dit molécule?

52 I. Molécule, vous avez dit molécule? Modèle moléculaire compact : Espèce chimique Eau Formule chimique Modèle moléculaire compact Ammoniac Chlorure d hydrogène Dioxygène Dioxyde de carbone Méthane

53 I. Molécule, vous avez dit molécule? 3) Liaisons dans une molécule Une liaison assemble deux atomes A et B d une même molécule. Elle est symbolisée par un tiret : A B. Un atome peut former deux liaisons avec un seul autre atome : il existe alors une liaison double entre ces atomes, représentée par un double tiret : A = B. Symbole Nom Nombre de H Hydrogèn liaison qui 1 C e Carbone 4 N Azote 3 O Oxygène 2 F Fluor 1 Cl Chlore 1

54 II. Représentation des molécules 1) Les différentes formules Méthode de représentatio n Formule brute Elle comprend le symbole de l élément et le nombre d atomes présents, Formule développée L ordre d assemblage des atomes est indiqué ; les liaisons sont représentées par Formule semidéveloppée Les tirets représentent les liaisons avec les atomes d hydrogène n apparaissant pas ; le Exemple de l éthanol C 2 H 6 O Limite de la représentatio n Elle n indique pas l ordre d assemblage des atomes et ne donne aucune idée Ces représentations sont planes, alors qu en réalité la plupart des molécules présentent une géométrie complexe liée à l orientation dans l espace des liaisons entre les atomes.

55 II. Représentation des molécules 2) Isomérie Définition : Deux molécules de même formule brute et de formules développées différentes sont appelées isomères. Deux isomères n ont ni le même nom, ni les mêmes propriétés chimiques et physiques. Exemple : Ethanol : Méthoxyméthane : Quelles sont leurs formules brutes? Sont-ils isomères?

56 III. Mélange et corps pur 1) Corps pur Définition : Un corps pur est constitué d une seule espèce chimique, représentée par sa formule chimique. 2) Mélange Définition : Un mélange est constitué d espèces chimiques différentes.

57 III. Mélange et corps pur 3) Formulation, principe actif et excipient Définitions : Un principe actif est un ensemble de composants d un médicament qui possèdent un effet thérapeutique. Un excipient est une espèce chimique qui permet de rendre le principe actif plus efficace. Il est souvent dépourvu d activité thérapeutique La formulation est une des étapes essentielles de la conception d un médicament qui consiste à déterminer la nature et les proportions des différents ingrédients qui le composent.