Fiche de révision : Bases de physique médicale

📋 Plan du Cours

1. Rôle de la physique en médecine
2. Phénomènes physiologiques étudiés
3. Grandeurs et instruments de mesure
4. Unités et qualité des mesures
5. Mouvement et cinématique
6. Forces et lois de Newton
7. Équilibre mécanique et principe d’inertie
8. Moments de force et équilibre de rotation
9. Applications biomécaniques du bras et de l’épaule
10. Travail mécanique, puissance et énergie
11. Pression hydrostatique et pression artérielle
12. Perfusion et transfusion par gravité
13. Débit et écoulement des fluides
14. Chaleur et transferts thermiques
15. Thermodynamique et thermorégulation
16. Électricité et signaux biologiques
17. Optique et formation des images
18. Ondes et explorations médicales

📖 1. Rôle de la physique en médecine

🔑 Notions clés & Définitions

• Physique : Étude des phénomènes naturels à partir de grandeurs mesurables ou calculables afin de les comprendre, de les décrire et de les expliquer.
• Mesure physique : Quantification d’un phénomène afin d’aider le médecin à poser un diagnostic ou à choisir un traitement.

★ À maîtriser

• En médecine, la physique aide à comprendre le fonctionnement du corps, à interpréter certains examens et à comprendre le fonctionnement des appareils médicaux.

• En médecine, la physique sert à comprendre le corps, mesurer des grandeurs liées à son fonctionnement et explorer le corps pour contribuer aux soins.

Compléments

• La physique fournit au soignant des outils pour apprécier l’état du patient et suivre l’évolution des grandeurs physiques examinées.

• Les outils cités sont :

  • la radiographie
  • l’échographie
  • le scanner
  • l’IRM
  • le laser

📖 2. Phénomènes physiologiques étudiés

🔑 Notions clés & Définitions

• Fréquence cardiaque : Nombre de battements du cœur par minute.

★ À maîtriser

• Les phénomènes physiologiques cités comprennent :

  • les battements du cœur
  • la circulation du sang
  • la respiration
  • la régulation de la température corporelle

• Le cœur se contracte et se relâche régulièrement pour faire circuler le sang dans les vaisseaux ; son fonctionnement fait intervenir des forces, des variations de pression et des mouvements.

• La circulation sanguine s’étudie à partir de :

  • la pression
  • le débit
  • la vitesse du sang
  • la résistance à son écoulement

• Les mouvements de la cage thoracique et du diaphragme permettent à l’air d’entrer dans les poumons et d’en sortir ; ils impliquent des variations de volume et de pression.

Compléments

• Un rétrécissement des vaisseaux peut gêner la circulation sanguine.

• Le déplacement de l’air dans les voies respiratoires relève de la mécanique des fluides.

📖 3. Grandeurs et instruments de mesure

🔑 Notions clés & Définitions

• Grandeur physique : Propriété d’un phénomène qui peut être mesurée et exprimée par un nombre accompagné d’une unité.
• Unité de mesure : Référence utilisée pour exprimer la valeur d’une grandeur physique.
• Appareil de mesure : Dispositif qui mesure une grandeur physique et fournit une valeur accompagnée d’une unité.

★ À maîtriser

📌 Une mesure directe se lit directement sur un instrument, tandis qu’une mesure indirecte se calcule à partir d’autres grandeurs mesurées au moyen d’une relation mathématique.

Compléments

• La température mesurée avec un thermomètre, la masse mesurée avec une balance et la pression artérielle mesurée avec un tensiomètre sont des exemples de mesures directes.

📐 Formule - La vitesse peut être déterminée indirectement à partir de la distance et du temps selon $v = \frac{d}{t}$.

• Les appareils associés aux grandeurs sont :

  • le chronomètre pour le temps
  • le thermomètre pour la température
  • la balance pour la masse
  • la règle ou le mètre pour la longueur
  • le tensiomètre pour la tension artérielle

• Un échographe produit une image à partir des ultrasons, tandis qu’une radiographie et un scanner produisent des images à partir des rayons X, le scanner fournissant des images en coupes.

• Une température écrite comme 38,5 sans unité est incomplète, alors que l’écriture 38,5 °C précise son unité.

📖 4. Unités et qualité des mesures

🔑 Notions clés & Définitions

• Système international d’unités : Système de référence utilisé pour exprimer les grandeurs physiques ; il repose sur sept unités de base, et les autres unités en sont dérivées.
• Erreur de mesure : Différence entre la valeur mesurée et la valeur de référence.
• Incertitude de mesure : Marge de doute autour d’une valeur mesurée qui précise l’intervalle dans lequel se trouve probablement la valeur réelle.
• Chiffres significatifs : Chiffres d’une mesure qui indiquent le niveau de précision avec lequel elle est exprimée.
• Étalon : Valeur de référence connue utilisée pour vérifier qu’un instrument de mesure donne des résultats corrects.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le résultat d’une mesure s’écrit généralement $G = a\,u$, où $G$ est la grandeur physique, $a$ sa valeur numérique et $u$ son unité.

• Les sept unités de base du SI sont :

  • le mètre (m) pour la longueur
  • le kilogramme (kg) pour la masse
  • la seconde (s) pour le temps
  • l’ampère (A) pour l’intensité du courant électrique
  • le kelvin (K) pour la température thermodynamique
  • la mole (mol) pour la quantité de matière
  • la candela (cd) pour l’intensité lumineuse

• L’équation aux dimensions représente une grandeur à partir des grandeurs fondamentales dont elle dépend et permet de vérifier que les dimensions des deux côtés d’une formule sont identiques.

📌 La précision décrit la proximité entre des mesures répétées dans les mêmes conditions, tandis que l’exactitude décrit la proximité d’une mesure avec la valeur vraie ou de référence.

Compléments

• Les exemples de grandeurs dérivées et leurs unités sont :

  • la surface en m²
  • le volume en m³
  • la vitesse en m/s
  • la masse volumique en kg/m³

• Les préfixes et facteurs cités sont :

  • kilo (k) = 10³
  • méga (M) = 10⁶
  • giga (G) = 10⁹
  • téra (T) = 10¹²
  • micro (µ) = 10⁻⁶
  • nano (n) = 10⁻⁹
  • pico (p) = 10⁻¹²

• Les dimensions fondamentales principalement utilisées sont :

  • L pour la longueur
  • M pour la masse
  • T pour le temps
  • I pour l’intensité du courant électrique

• Une masse de référence de 1 kg indiquée à 1,02 kg par une balance présente une erreur de mesure de 0,02 kg, soit 20 g.

• Les erreurs de mesure peuvent provenir :

  • de l’instrument
  • de la méthode utilisée
  • des conditions de mesure
  • de la lecture de l’instrument
  • des variations naturelles du phénomène étudié

• Une température mesurée à (37,0 ± 0,2) °C se situe probablement entre 36,8 °C et 37,2 °C.

📌 L’écriture 5,2 kg indique une mesure connue au dixième de kilogramme, tandis que 5,20 kg indique une mesure connue au centième de kilogramme.

📖 5. Mouvement et cinématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Mouvement : État d’un objet dont la position change au cours du temps par rapport à un point de référence ou à un référentiel.
• Référentiel : Repère par rapport auquel on observe la position d’un objet.
• Trajectoire : Ensemble des positions successives occupées par un corps au cours de son mouvement, autrement dit le chemin qu’il suit.
• Distance parcourue : Longueur totale du trajet effectué.
• Déplacement : Le déplacement est la différence entre la position finale et la position initiale ; sur un axe, il vaut $\Delta x = x_f - x_i$ et peut être positif, négatif ou nul selon le sens positif choisi.
• Vitesse moyenne : La vitesse moyenne est la distance parcourue divisée par la durée du déplacement, soit $v_{\mathrm{moy}} = \frac{d}{\Delta t}$.
• Accélération : Variation de la vitesse au cours du temps.
• Cinématique : Discipline de la physique qui décrit les mouvements.
• Position : Endroit où se trouve un corps par rapport à un point de référence.

★ À maîtriser

📌 Un corps est au repos dans le référentiel choisi si sa vitesse est nulle, et son mouvement est rectiligne uniforme si sa vitesse est constante et sa trajectoire est une droite.

• Les caractéristiques des mouvements sont :
  • MRU : vitesse constante et accélération nulle
  • MRUA : accélération constante et vitesse croissante
  • MRUD : accélération constante et vitesse décroissante

Compléments

• Un étudiant assis dans un bus est au repos par rapport au siège, mais en mouvement par rapport à un arbre au bord de la route.

• La position d’un corps se repère par une coordonnée x sur un axe, deux coordonnées x et y dans un plan, et trois coordonnées x, y et z dans l’espace.

• Une trajectoire rectiligne suit une droite, une trajectoire circulaire suit un cercle et une trajectoire curviligne suit un chemin courbé.

📌 Une roue qui tourne autour d’un axe fixe effectue un mouvement de rotation, tandis que le mouvement d’un point situé sur son bord suit une trajectoire circulaire.

• Un étudiant qui marche 6 m vers l’avant puis revient 2 m parcourt une distance totale de 8 m.

💡 Astuce mémo

La distance suit tout le trajet ; le déplacement relie seulement la position initiale à la position finale.

📖 6. Forces et lois de Newton

🔑 Notions clés & Définitions

• Force : Action exercée sur un corps par un autre corps ou par son environnement.
• Poids : Le poids est la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur un corps situé à proximité ; il vaut $P = mg$ et s’exprime en newtons.
• Résultante des forces : Force unique qui représente la somme vectorielle de toutes les forces agissant sur un corps.

★ À maîtriser

• Une force peut avoir un effet dynamique en mettant un corps en mouvement, en l’arrêtant ou en modifiant son mouvement, ou un effet statique en le déformant.

• Les quatre caractéristiques d’une force sont :

  • le point d’application
  • la direction
  • le sens
  • l’intensité ou la norme, exprimée en newtons

📌 Le frottement cinétique s’oppose au glissement de deux surfaces qui glissent l’une sur l’autre, tandis que le frottement statique apparaît sans glissement et empêche ou retarde son début.

• Un corps peut se mettre en mouvement ou modifier son mouvement lorsqu’une résultante des forces non nulle agit sur lui.

📐 Formule - La deuxième loi de Newton s’écrit $\sum \vec{F} = m\vec{a}$.

Compléments

• Les muscles exercent des forces internes sur les membres, le sol exerce une force externe sur les pieds pendant la marche et la Terre exerce une force de pesanteur sur les corps.

• La force est une grandeur physique mesurable dont l’unité SI est le newton, avec $1\,\mathrm{N} = 1\,\mathrm{kg\,m/s^2}$.

📌 Une force de contact agit lorsque deux corps sont en contact, tandis qu’une force à distance agit sans contact direct, comme la force de pesanteur exercée par la Terre.

📐 Formule - Les intensités des frottements cinétique et statique sont données par $f_c = \mu_c N$ et $0 \leq f_s \leq \mu_s N$, où $N$ est la force normale et $\mu_c$ et $\mu_s$ sont des coefficients sans unité.

• La masse indique la quantité de matière d’un corps et s’exprime en kilogrammes.

• Un patient de masse 60 kg a un poids approximatif de 588,6 N, dirigé verticalement vers le bas lorsqu’il se tient debout.

• Pour résoudre un problème de forces, on identifie le corps étudié et les forces appliquées, on représente celles-ci dans un diagramme, on choisit un repère, on applique et projette la deuxième loi de Newton sur les axes, puis on calcule la grandeur demandée.

📖 7. Équilibre mécanique et principe d’inertie

🔑 Notions clés & Définitions

• Référentiel inertiel : Repère dans lequel le principe d’inertie s’applique.

★ À maîtriser

📌 En équilibre de translation, les forces se compensent et leur somme vectorielle est nulle : $\sum \vec{F}=0$.

📌 Selon le principe d’inertie, si la résultante des forces sur un corps est nulle, un corps au repos reste au repos et un corps en mouvement rectiligne uniforme poursuit ce mouvement à vitesse constante.

Compléments

• Lorsqu’une personne est debout, son poids agit vers le bas et la réaction du sol agit vers le haut au niveau des pieds.

📐 Formule - Pour une personne debout en équilibre de translation, $\vec{P}+\vec{N}=0$.

📌 L’équilibre de translation ne suffit pas à assurer la stabilité d’une posture debout, qui nécessite aussi l’équilibre de rotation.

💡 Astuce mémo

Repos conservé ou mouvement rectiligne uniforme : sans résultante, pas d’accélération.

📖 8. Moments de force et équilibre de rotation

🔑 Notions clés & Définitions

• Moment d’une force : Capacité d’une force à faire tourner un objet autour d’un point ou d’un axe.
• Bras de levier : Distance perpendiculaire entre l’axe de rotation et la ligne d’action de la force.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le moment d’une force est donné par $M=Fd$, où F est l’intensité de la force et d le bras de levier, distance perpendiculaire entre l’axe de rotation et la ligne d’action de la force.

📌 À l’équilibre de rotation, la somme des moments des forces est nulle : $\sum M=0$.

Compléments

• Le moment d’une force s’exprime en newtons-mètres (N·m).

📐 Formule - Lorsque la force est perpendiculaire au bras de levier, le moment vaut $M=Fd$.

📌 La convention de signe attribue un moment positif à une rotation antihoraire et un moment négatif à une rotation horaire.

• Une force appliquée loin des charnières d’une porte produit un moment de force plus important qu’une force appliquée près des charnières.

💡 Astuce mémo

Une porte tourne plus facilement quand on pousse loin des charnières.

📖 9. Applications biomécaniques du bras et de l’épaule

🔑 Notions clés & Définitions

• Flexion de l’épaule : Mouvement qui consiste à lever le bras vers l’avant, jusqu’à environ 180°.
• Extension de l’épaule : Mouvement qui consiste à déplacer le bras vers l’arrière, généralement jusqu’à environ 45 à 60° depuis la position anatomique.

★ À maîtriser

• Lorsqu’un avant-bras immobile soutient une charge, le moment de la force musculaire du biceps compense le moment du poids de l’avant-bras et de la charge.

📐 Formule - Dans le modèle simplifié de l’avant-bras en équilibre, $F_m d_m=P d_P$, où F_m et d_m désignent la force musculaire et son bras de levier, et P et d_P le poids et son bras de levier.

📌 L’abduction écarte le bras du tronc sur le côté, sur environ 0° à 180°, tandis que l’adduction ramène le bras vers le corps, sur environ 0° à 40°.

Compléments

• Lors de la flexion de l’avant-bras, le biceps exerce une force qui fait tourner l’avant-bras autour du coude.

• Dans le modèle de l’avant-bras pivotant, le coude est le pivot, le biceps est assimilé à un câble et l’avant-bras porte le poids de l’avant-bras, de la main et de la charge éventuelle.

• Dans le modèle de l’avant-bras en équilibre, la réaction de l’articulation du coude a un moment nul autour du pivot situé au coude.

📌 La rotation externe tourne le bras vers l’extérieur avec le coude fléchi à 90°, tandis que la rotation interne tourne le bras vers l’intérieur sur environ 0° à 70°.

📖 10. Travail mécanique, puissance et énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Travail mécanique : Force qui provoque le déplacement d’un objet ou d’une partie du corps.
• Puissance mécanique : Rapidité avec laquelle un travail est effectué ou une énergie transférée.
• Énergie cinétique : Énergie liée au mouvement d’un objet.
• Énergie potentielle de pesanteur : Énergie qu’un corps possède en raison de sa position en hauteur par rapport à un niveau de référence.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le travail d’une force constante est donné par $W=Fd\cos\theta$, où F est la force, d le déplacement et θ l’angle entre la force et le déplacement.

📐 Formule - L’énergie cinétique d’un objet de masse m se déplaçant à la vitesse v est $E_c=\frac{1}{2}mv^2$.

📌 L’énergie ne se crée pas et ne se détruit pas : elle se transforme d’une forme à une autre.

Compléments

📌 Une force exercée sur un objet immobile, comme une poussée sur un mur qui ne se déplace pas, n’effectue aucun travail mécanique sur cet objet.

📌 Une force et un déplacement de même sens donnent un travail positif, de sens opposés un travail négatif, et perpendiculaires un travail nul.

• Le travail mécanique s’exprime en joules (J).

📐 Formule - La puissance mécanique moyenne est donnée par $P=\frac{W}{\Delta t}$, où W est le travail et Δt la durée.

📐 Formule - Le travail de la résultante des forces est égal à la variation de l’énergie cinétique : $W=\Delta E_c=E_{cf}-E_{ci}$.

📐 Formule - Par rapport à un niveau de référence, l’énergie potentielle de pesanteur vaut $E_p=mgh$.

📐 Formule - Dans les situations où l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de pesanteur sont considérées, l’énergie mécanique est leur somme : $E_m=E_c+E_p$.

📌 En l’absence de frottements et d’autres transferts d’énergie, l’énergie mécanique totale reste constante.

• Lors de la chute d’un objet, son énergie potentielle de pesanteur diminue tandis que son énergie cinétique augmente.

💡 Astuce mémo

Une force qui déplace produit un travail ; sans déplacement, le travail est nul.

📖 11. Pression hydrostatique et pression artérielle

★ À maîtriser

• Dans un liquide au repos, la pression augmente avec la profondeur.

📐 Formule - À la profondeur h sous une surface où la pression est P_0, la pression vaut $P=P_0+\rho gh$ et la contribution hydrostatique vaut $\Delta P=\rho gh$.

• Un fluide s’écoule d’une région de pression élevée vers une région de pression plus faible.

Compléments

📐 Formule - La pression est le rapport entre la force exercée perpendiculairement à une surface et l’aire de cette surface : $P=\frac{F}{S}$.

📐 Formule - La différence de pression entre deux points A et B d’un liquide au repos, B étant plus bas que A, est $P_B-P_A=\rho g(h_A-h_B)$.

• Un bras placé sous le niveau du cœur tend à donner une pression artérielle mesurée plus élevée, tandis qu’un bras placé au-dessus tend à donner une valeur plus faible.

• Pour limiter l’influence de la différence de hauteur lors d’une mesure de pression artérielle, le bras doit être placé à la hauteur du cœur.

• Le modèle hydrostatique décrit la contribution de la gravité pour un liquide au repos, tandis que la pression artérielle réelle dépend aussi de l’activité cardiaque, des résistances vasculaires et de la circulation dans des vaisseaux déformables.

• Changer le niveau de référence dans le calcul ne change pas les pressions physiques aux différents niveaux, mais la hauteur réelle du point de mesure par rapport au cœur influence la pression mesurée.

• Lors de la première mesure de pression artérielle, il est préférable de vérifier les deux bras et de retenir ensuite celui qui donne la valeur la plus élevée.

• Dans l’exemple pédagogique d’un cœur à 100 mmHg et de pieds situés 0,80 m plus bas, avec une masse volumique sanguine de 1060 kg/m³ et g=9,81 m/s², la contribution hydrostatique est d’environ 62 mmHg et la pression aux pieds de 162 mmHg.

• La pression mesurée à la cuisse peut différer de celle mesurée au bras en raison de la hauteur par rapport au cœur et des différences physiologiques entre les artères des membres supérieurs et inférieurs.

💡 Astuce mémo

Plus bas dans le liquide → pression hydrostatique plus élevée.

📖 12. Perfusion et transfusion par gravité

★ À maîtriser

📌 Dans le modèle hydrostatique d’une perfusion, placer la poche au-dessus du point d’injection crée une différence de pression qui favorise l’écoulement vers la veine.

📌 Lorsque la poche de transfusion est placée au-dessus du point d’insertion du cathéter, la différence de hauteur crée une pression hydrostatique qui peut favoriser l’écoulement du sang vers la veine.

Compléments

📐 Formule - La différence de pression hydrostatique entre la poche de perfusion et le point d’injection est $\Delta P=\rho gh$.

📌 Le débit réel d’une perfusion dépend aussi de la résistance du tube et du cathéter ainsi que du réglage de la pince à roulette, et une pompe peut contrôler le débit plus précisément.

• Lors d’une transfusion sanguine, le sang d’une poche est acheminé vers la circulation veineuse par gravité ou à l’aide d’un dispositif de transfusion adapté.

📌 La relation hydrostatique explique l’effet de la hauteur de la poche de transfusion, mais ne suffit pas à déterminer le débit réel, qui dépend aussi de la pression veineuse, de la viscosité du sang et de la résistance du filtre, du tube et du cathéter.

💡 Astuce mémo

Poche surélevée → différence de pression → écoulement favorisé.

📖 13. Débit et écoulement des fluides

🔑 Notions clés & Définitions

• Débit volumique : Volume de fluide traversant une section donnée par unité de temps.
• Viscosité : Résistance d’un fluide à l’écoulement, liée aux frottements entre ses couches et avec les parois du conduit.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le débit moyen est donné par $Q=\frac{\Delta V}{\Delta t}$, où $\Delta V$ est le volume écoulé pendant la durée $\Delta t$.

📐 Formule - Pour un fluide de vitesse moyenne $v$ circulant dans un conduit de section $S$, le débit volumique vaut $Q=Sv$.

📐 Formule - Pour un fluide visqueux dans un tube cylindrique, la loi de Poiseuille s’écrit $Q=\frac{\pi r^{4}\Delta P}{8\eta L}$, où $r$ est le rayon, $\Delta P$ la différence de pression, $\eta$ la viscosité et $L$ la longueur du conduit.

📐 Formule - Le débit cardiaque est donné par $Q_c=f_cV_s$, où $f_c$ est la fréquence cardiaque et $V_s$ le volume de sang éjecté par le ventricule à chaque contraction.

Compléments

• Le débit sanguin quantifie le volume de sang transporté vers les organes par unité de temps, tandis que le débit respiratoire caractérise le volume d’air inspiré ou expiré pendant une durée donnée.

• Selon la loi de Poiseuille, une diminution du rayon d’une artère augmente fortement la résistance à l’écoulement et rend la circulation du sang plus difficile.

📐 Formule - La relation entre le débit, la différence de pression et la résistance à l’écoulement est $Q=\frac{\Delta P}{R}$.

• Si la fréquence cardiaque est exprimée en battements par minute et le volume d’éjection systolique en millilitres par battement, le débit cardiaque s’exprime en millilitres par minute.

• Un écoulement est laminaire si $Re<2000$, transitoire dans la zone intermédiaire indiquée entre 2000 et 3000 ou 4000, et turbulent au-delà de 3000 ou 4000 selon le seuil retenu.

📖 14. Chaleur et transferts thermiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaleur : Énergie transférée d’un corps plus chaud vers un corps plus froid.
• Température : Grandeur physique qui caractérise l’état thermique d’un corps et indique s’il est chaud ou froid.

★ À maîtriser

• Lorsque deux corps de températures différentes sont mis en contact sans échange de chaleur avec l’extérieur, ils échangent de la chaleur jusqu’à atteindre la même température.

📐 Formule - Sans changement d’état, la chaleur échangée lors d’une variation de température est $Q=mc\Delta T=mc(T_f-T_i)$.

📌 La conduction transfère la chaleur entre des corps en contact, la convection est associée au mouvement d’un fluide et le rayonnement transfère de l’énergie par ondes électromagnétiques sans nécessiter de contact ni de milieu matériel.

Compléments

📐 Formule - La température en kelvins et en degrés Celsius est liée par $T(\mathrm K)=T(^{\circ}\mathrm C)+273{,}15$.

• La capacité thermique massique utilisée pour l’eau liquide est approximativement de 4180 J·kg⁻¹·K⁻¹.

• Lors de l’évaporation de la sueur à la surface de la peau, le passage du liquide à l’état gazeux prélève de l’énergie thermique et contribue au refroidissement du corps.

📐 Formule - Lors d’un changement d’état, la chaleur échangée s’écrit $Q=mL$, où $m$ est la masse et $L$ la chaleur latente massique en joules par kilogramme.

📖 15. Thermodynamique et thermorégulation

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermorégulation : Ensemble des mécanismes qui maintiennent la température du corps humain autour de 37 °C malgré les variations de l’environnement.
• Entropie : Fonction d’état qui traduit la dispersion de l’énergie dans un système et aide à comprendre l’évolution spontanée des transformations vers un état d’équilibre.

★ À maîtriser

📐 Formule - La première loi de la thermodynamique s’écrit $\Delta U=Q+W$, où $Q$ est la chaleur reçue par le système et $W$ le travail reçu par le système.

• La deuxième loi indique que la chaleur passe naturellement d’un corps chaud vers un corps froid et ne passe pas spontanément d’un corps froid vers un corps chaud.

• À l’équilibre thermique, la chaleur produite par le corps est égale à la chaleur perdue par celui-ci.

• La fièvre est une élévation régulée de la température, souvent en réponse à une infection ou une inflammation, tandis que l’hyperthermie survient lorsque les mécanismes de perte thermique sont dépassés ou insuffisants.

Compléments

• Le corps humain est un système ouvert, car il échange continuellement de la matière et de l’énergie avec son environnement.

📌 Dans la convention de signe adoptée, la chaleur et le travail reçus par le système sont positifs, tandis que ceux fournis par le système à l’environnement sont négatifs.

📐 Formule - À pression constante, le travail est donné par $W=-p(V_f-V_i)$.

• Le corps humain utilise l’énergie chimique des aliments pour produire du travail mécanique et de la chaleur, dont une partie est évacuée notamment par la transpiration, le rayonnement et la respiration.

• Une machine ne peut pas transformer toute la chaleur reçue en travail mécanique, car une partie de la chaleur est toujours rejetée vers l’environnement.

📐 Formule - Pour une transformation réversible isotherme à la température T, la variation d’entropie est $\Delta S=\frac{Q_{\mathrm{rev}}}{T}$ et s’exprime en J/K.

• L’hypothermie correspond chez l’adulte à une température centrale inférieure à 35 °C.

💡 Astuce mémo

Production de chaleur supérieure aux pertes → température augmente ; pertes supérieures à la production → elle diminue.

📖 16. Électricité et signaux biologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel de membrane : Différence de potentiel électrique créée par la répartition inégale des ions de part et d’autre de la membrane cellulaire.

★ À maîtriser

📌 Dans un circuit métallique, les électrons se déplacent de la borne négative vers la borne positive, alors que le sens conventionnel du courant va de la borne positive vers la borne négative.

📐 Formule - La loi d’Ohm pour un conducteur ohmique s’écrit $U=RI$.

• L’électrocardiogramme enregistre, à l’aide d’électrodes placées sur la peau, l’activité électrique du cœur sous forme d’un tracé utile notamment pour mesurer la fréquence cardiaque et détecter certaines anomalies du rythme.

Compléments

• Dans la matière, les protons portent une charge positive, les électrons une charge négative et les neutrons aucune charge électrique.

• Dans la cellule, les ions potassium K⁺ sont principalement à l’intérieur, tandis que l’extérieur est riche en ions sodium Na⁺, chlorure Cl⁻ et calcium Ca²⁺ et pauvre en ions potassium K⁺.

📐 Formule - L’intensité du courant est la quantité de charge traversant une section par unité de temps : $I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$.

📐 Formule - La tension électrique entre deux points est la différence de potentiel et vérifie $U=\frac{E}{q}$, où $E$ est l’énergie transférée et $q$ la charge transférée.

• Le potentiel de membrane d’une cellule nerveuse au repos est d’environ −70 mV, l’intérieur étant négatif par rapport à l’extérieur.

• Les potentiels de membrane au repos indiqués sont d’environ −90 mV pour les cellules musculaires ventriculaires, −80 mV pour les cellules musculaires auriculaires et −60 mV pour les cellules du nœud sinusal.

📐 Formule - La résistance électrique d’un conducteur est donnée par la loi de Pouillet : $R=\rho\frac{L}{S}$, où $\rho$ est la résistivité, $L$ la longueur et $S$ la section du conducteur.

📐 Formule - La puissance électrique est donnée par $P=UI$ et, pour un conducteur résistif, également par $P=RI^2=\frac{U^2}{R}$.

📐 Formule - L’énergie électrique consommée ou fournie pendant une durée $t$ est $E=Pt=UIt$.

📌 En série, le même courant traverse les résistances, leur résistance équivalente est leur somme et la tension totale est la somme des tensions ; en parallèle, les résistances sont branchées entre les mêmes points et la tension est identique dans chaque branche.

📐 Formule - Pour deux résistances en parallèle, la résistance équivalente vaut $R_{eq}=\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}$.

• L’électroencéphalogramme enregistre l’activité électrique du cerveau au moyen d’électrodes placées sur le cuir chevelu.

💡 Astuce mémo

Dans le métal, les électrons vont de − vers + ; le courant conventionnel va de + vers −.

📖 17. Optique et formation des images

🔑 Notions clés & Définitions

• Lumière : Rayonnement électromagnétique visible par l’œil humain.
• Lentille : Dispositif transparent qui dévie les rayons lumineux par réfraction.

★ À maîtriser

📌 Lors de la réflexion, le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale se trouvent dans un même plan, et l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence : $i=r$.

📐 Formule - La loi de Snell-Descartes s’écrit $n_1\sin i=n_2\sin r$.

📌 Une lentille convergente rassemble les rayons parallèles en un foyer image et est plus épaisse au centre qu’aux bords, tandis qu’une lentille divergente fait diverger ces rayons et est généralement plus mince au centre qu’aux bords.

Compléments

• La vision repose sur la lumière provenant des objets ou réfléchie par eux, qui traverse les milieux transparents de l’œil et contribue à former une image sur la rétine.

• Dans un milieu transparent, homogène et isotrope, la lumière se propage en ligne droite et sa vitesse dans le vide est approximativement de 3 × 10⁸ m/s.

📐 Formule - L’indice de réfraction d’un milieu est relié à la vitesse de la lumière dans le vide et dans ce milieu par $n=\frac{c}{v}$.

• La vergence d’une lentille est l’inverse de sa distance focale, $V=1/f$ ; elle est positive pour une lentille convergente et négative pour une lentille divergente.

📌 Une image réelle se forme par la rencontre effective des rayons après la lentille, tandis qu’une image virtuelle résulte du croisement de leurs prolongements et ne peut pas être recueillie directement sur un écran.

📐 Formule - La relation de conjugaison d’une lentille mince est $\frac{1}{f'}=\frac{1}{\overline{OA'}}-\frac{1}{\overline{OA}}$.

💡 Astuce mémo

Une image réelle résulte de rayons qui se croisent ; une image virtuelle, de leurs prolongements.

📖 18. Ondes et explorations médicales

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde : Perturbation qui se propage dans l’espace et au cours du temps, transporte de l’énergie et de l’information sans nécessairement entraîner un déplacement global de matière.

★ À maîtriser

📌 Les ondes mécaniques nécessitent un milieu matériel pour se propager, tandis que les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide.

📌 Dans l’air, les infrasons ont une fréquence inférieure à environ 20 Hz, les sons audibles sont approximativement compris entre 20 Hz et 20 000 Hz et les ultrasons ont une fréquence supérieure à environ 20 000 Hz.

• Lors d’une échographie, la sonde émet des ultrasons qui traversent les tissus ; une partie est réfléchie aux interfaces entre tissus, les échos reviennent à la sonde et l’appareil les traite pour construire une image.

Compléments

📐 Formule - La fréquence est l’inverse de la période : $f=\frac{1}{T}$, et s’exprime en hertz.

📐 Formule - La vitesse d’une onde est reliée à sa longueur d’onde et à sa fréquence par $v=\lambda f$.

• En échographie, l’appareil construit une image à partir des échos reçus, mais c’est le médecin qui identifie l’organe exploré.

• La radiographie utilise des rayons X, davantage absorbés par les os que par les tissus mous ; sur l’image, les os apparaissent généralement blancs et les tissus mous dans des nuances de gris.

• 🔄 La perception auditive suit ces étapes :
  1. Les vibrations sonores atteignent l’oreille et font vibrer le tympan.
  2. Les vibrations sont transmises à l’oreille interne.
  3. Elles sont transformées en signaux nerveux envoyés au cerveau.
  4. Le cerveau permet de percevoir et d’interpréter les sons.

• L’IRM utilise un puissant champ magnétique et des ondes radiofréquences agissant sur les noyaux d’hydrogène du corps ; les signaux émis par ces noyaux sont détectés et traités par ordinateur pour former des images.

💡 Astuce mémo

Échographie : émission des ultrasons → échos des tissus → image.