Epreuve de Physique sur 20 points

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1 Institut de Formation de Techniciens de Laboratoire Médical CONCOURS D ENTREE VENDREDI 2 MAI 216 Epreuve de Physique sur 2 points Durée : 1 heure Calculatrices NON programmables autorisées. Page 1 sur 5

2 Ce sujet comporte deux problèmes indépendants que le candidat peut traiter dans l ordre de son choix Problème 1 : Doppler veineux 1 points. L'échographie est une méthode d'imagerie médicale utilisant les ondes ultrasonores qui ont une très bonne directivité et le pouvoir de se réfléchir lors des changements de milieu. Cette onde ultrasonore se propage dans l'ensemble du corps humain à des vitesses variées selon le milieu traversé. Généralités. 1. A quelle catégorie d ondes appartiennent les ondes ultrasonores? Donner une caractéristique essentielle de ces ondes. 2. Dans quel domaine de fréquences se situent-elles? Résolution de l image. Document 2. milieu Vitesse de propagation (m.s -1 ) Air 3,3.1 2 Eau 1,5.1 3 Tissus mous 1, ,7.1 3 os 3,.1 3 4,.1 3 Dans l'imagerie, une des priorités est l'amélioration des techniques pour avoir une plus belle qualité d'image. Mais il y a toujours des phénomènes parasites qui viennent perturber la qualité de la restitution. Pour les ultrasons, la résolution de l'image est limitée par les phénomènes de diffraction. Par exemple, une onde ultrasonore de 1, MHz ne permettra pas de détecter dans les tissus mous des détails inférieurs à environ 1,6 x 1-3 m. 3. Calculer la période d une onde ultrasonore de 1, MHz. 4. Calculer un encadrement de la longueur d'onde d'une onde ultrasonore de fréquence 1, MHz se propageant dans des tissus mous. 5. Proposer une explication pour justifier la dernière phrase en italique. 6. Sera-t-il plus avantageux d'utiliser des ultrasons de fréquences plus faibles ou plus grandes? Document 1. En médecine, en analysant la variation de fréquence de l'onde ultrasonore émise et de celle qui est réfléchie par les globules rouges du sang, on peut en déduire la vitesse avec laquelle ils s'éloignent ou s'approchent de la sonde, et donc déterminer le sens et la vitesse de l'écoulement du sang dans les vaisseaux. D'après C. Ray et J.-C. Poizat, La physique par les objets quotidiens, Belin, 27 Doppler veineux. Document 3. v= f f 2.cosα.f.c c : célérité de l onde ultrasonore Page 2 sur 5

3 document 4 surface relative vitesse d'écoulement sanguin m/s Dans la technique médicale appelée «Doppler veineux» (voir document 2), on utilise une sonde munie d'un émetteur qui produit un signal ultrasonore de fréquence f E = 4, MHz. La sonde est également équipée d'un récepteur qui capte le signal réfléchi et mesure sa fréquence f R. Comme le montre le schéma du document 3, l'angle α entre la direction sonde-globules rouges et la direction de déplacement des globules rouges est à prendre en compte. La célérité des ultrasons dans le milieu considéré est de 154 m.s Quel est le phénomène physique exploité dans cette technique médicale? 8. Au cours d'une échographie Doppler, le décalage en fréquence mesuré est de 46 khz, pour un angle α = 3. Calculer la vitesse d'écoulement du sang. 9. Pour cette échographie, quel type de vaisseaux sanguins a-t-on exploré? 1. Bien que la célérité de l'onde soit connue, l'angle α est difficile à fixer de manière rigoureuse. a) S'il varie entre 25 et 35, quelle est la variation correspondante de la vitesse mesurée? b) S'agit-il d'une méthode très précise? Problème 2 : Expérience de J. J. Thomson 1 points Le montage ci-dessous reprend le principe de la deuxième expérience de Thomson. Il comporte un tube à vide dans lequel un faisceau d'électrons est dévié entre deux plaques de charges opposées. On mesure la déviation verticale du faisceau d'électrons lors de la traversée des plaques sur une longueur L, afin de déterminer la valeur du rapport e/m. Plaque positive Canon à électrons y r j O r i v uur E ur x L Plaque négative Page 3 sur 5

4 Données de l'expérience : Les électrons sortent du canon à électrons avec une vitesse v = 2, m.s 1. La charge électrique d un électron est : q = - e = - 1, C Le faisceau d'électrons passe entre les deux plaques chargées et est dévié d'une hauteur h quand il sort des plaques. L'intensité du champ électrostatique entre les deux plaques est : E = 15, kv.m 1. La longueur des plaques est : L = 8,5 cm. La force électrostatique a pour expression : F = q.e On fait l'hypothèse que le poids des électrons est négligeable par rapport à la force électrostatique F. L électron n est donc soumis qu à la force électrostatique. 1. Dans quel sens (vers quelle plaque) est dévié le faisceau d électrons lors de sa traversée entre les plaques? 2. Sur le schéma en annexe à rendre avec la copie, tracer sans souci d échelle les vecteurs F puis E. Etude dynamique du mouvement d un électron. 3. En appliquant la deuxième loi de Newton à l'électron, montrer que les relations donnant les coordonnées de son vecteur accélération sont : a x = et a y = ee m 4. Etablir les équations horaires du mouvement d un électrons et montrer qu elles sont : x= v.t y= e.e.t² 2.m 5. En déduire que la courbe décrite par les électrons entre les plaques admet pour équation : y= e.e.x² 2.m.v À la sortie des plaques, en x = L, la déviation verticale du faisceau d'électrons par rapport à l'axe (Ox) a une valeur h = 1,85 cm. 6. Calculer alors la masse m d un électron. Page 4 sur 5

5 ANNEXES A RENDRE AVEC LA COPIE y Canon à électrons O x L Page 5 sur 5