Fiche de Révision : Ondes

M1 Biophysique - Médical Tours

1. Définition et Nature des Ondes

• Onde : phénomène de propagation d'une perturbation sans transport de matière (transfert d'énergie uniquement).
• La perturbation est souvent une vibration périodique.
• Types d'ondes étudiées :
  • Ondes mécaniques (ex. : ondes sonores, ondes sur un liquide)
  • Ondes électromagnétiques (OEM, ex. lumière)
  • Ondes gravitationnelles (propagation dans l'espace-temps, étudiées via la relativité générale)

Onde mécanique : propagation d'une perturbation dans un milieu matériel compressible par déformations successives (compressions et dilatations).
Onde électromagnétique (OEM) : onde qui se propage dans le vide et dans certains milieux, sans support matériel (ex. lumière, ondes radio).

2. Ondes Mécaniques

• La propagation s'effectue de proche en proche dans un milieu matériel pouvant subir des déformations élastiques.
• La perturbation correspond localement à une variation de pression ou d'autres grandeurs physiques (ex. champ électrique variable).
• Ne peuvent pas se propager dans le vide, contrairement aux ondes électromagnétiques.
• Le passage de l'onde ne modifie pas la nature de la matière mais peut provoquer des effets physiques transitoires.

Types d'ondes mécaniques :

• Onde progressive : progression d'une perturbation dans une direction (ex. onde sonore qui s'éloigne de la source).
• Onde stationnaire : oscillation locale dans un milieu clos due à la superposition d'ondes incidentes et réfléchies (ex. vibration d’une corde de guitare).

3. Onde Périodique : Paramètres clés

Exemple concret :
Pour un son dans l'air ([Formule]), la distance jusqu'à un orage peut être estimée en mesurant le temps entre le flash d'éclair et le tonnerre.

[Diagramme]

4. Perception des Ondes

Ondes lumineuses (OEM)

• L’œil humain est un récepteur sensible à une bande limitée de longueur d’onde: 400 nm à 750 nm (lumière visible).
• La lumière blanche est une superposition de plusieurs ondes monochromatiques (couleurs).

Ondes sonores

• L’oreille humaine perçoit des sons entre 20 Hz et 20 kHz (gamme auditive).
• Sons graves → basses fréquences → grandes longueurs d’onde.
• Sons aigus → hautes fréquences → petites longueurs d’onde.
• Sons en dehors de cette gamme :
  • Infrasons < 20 Hz
  • Ultrasons > 20 kHz (utilisés par certains animaux et en applications médicales).

5. Propagation des Ondes : Phénomènes principaux

• Absorption : atténuation progressive de l’onde liée aux interactions avec le milieu (dépend de la fréquence et du matériau).
• Réfraction : changement de direction de l’onde lorsqu’elle passe d’un milieu à un autre avec un indice différent.
• Réflexion : retour partiel ou total de l’onde vers le milieu initial.

6. Absorption

• Définition : diminution de l’intensité de l’onde par conversion en énergie interne du milieu.
• Ex. rayons X en imagerie :
  • Os très denses → forte absorption → apparaissent blancs.
  • Tissus moins denses → moindre absorption → nuances de gris.
• La différence d’absorption créée le contraste nécessaire à l’image médicale.

7. Réflexion et Réfraction de la Lumière

• À la surface de séparation entre deux milieux d’indices optiques différents ([Formule] et [Formule]), l’onde incidente se divise en :

  • Réflexion (intensité [Formule]), renvoyée dans le milieu d’origine.
  • Transmission (intensité [Formule]), pénétrant le second milieu.

• Cas particulier : surface miroir → [Formule].

Lois de Snell-Descartes :

• Rayon incident, réfléchi et réfracté sont coplanaires.
• Angle d’incidence = angle de réflexion ([Formule]).
• Relation de réfraction :

[ n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2 ]

• Si incidence normale ([Formule]), pas de déviation ([Formule]).
• Si [Formule], rayon réfracté se rapproche de la normale; inversement sinon.

[Diagramme]

Synthèse : Ondes en Biophysique Médicale

• Ondes mécaniques : nécessitent un support matériel, utilisées en échographie (ultrasons).
• Ondes électromagnétiques : propagation sans support, utilisées en imagerie (rayons X).
• La compréhension des paramètres d’onde (période, fréquence, célérité, longueur d’onde) et des phénomènes de réflexion, réfraction, absorption est essentielle.
• Les limitations de chacun des types (gamme de fréquences détectées par les organes sensoriels, conditions de propagation) déterminent les applications médicales possibles.

Cette fiche permet de comprendre les bases physiques des ondes, essentielles pour aborder leurs applications en biophysique médicale.

Si vous voulez, je peux enrichir avec des exemples ou approfondir les équations sur une notion précise !