IV - Applications médicales : la fibroscopie. - Free

1 TP 3 Réflexion totale. Fibre optique et applications
médicales Objectifs : - Connaître le phénomène de la réflexion totale
- Comprendre l'application de la réflexion totale (fibre
optique).
- Connaître les applications médicales et leurs intérêts
(fibroscopie)
I- Rappels sur le phénomène de réfraction
1- Expérience : passage de l'air dans le plexiglas (n1< n2)
- Envoyer un faisceau de lumière sur un demi-cylindre de verre
en faisant passer le pinceau lumineux de l'air dans le plexiglas. 2- Interprétation :
- Nommer les différents rayons (directement sur le schéma)
- Comment s'appellent les deux phénomènes observés ? 3- Conclusion : Lorsque la lumière passe d'un milieu 1 (transparent) à un autre milieu 2
(transparent), l'angle d'incidence i1 et l'angle de réfraction i2 vérifient
la relation : ............ = ............
dans laquelle n1 et n2 désignent les indices de réfraction des milieux.
2 II - Mise en évidence de la réflexion totale 1- Expérience : passage du plexiglas dans l'air (n1> n2)
- Reprendre l'expérience précédente en faisant passer le pinceau
lumineux du plexiglas dans l'air.
- Réaliser les mesures nécessaires pour compléter le tableau.
|angle |10° |20° |30° |40° |50° |60° |
|d'incidence| | | | | | |
|i1 | | | | | | |
|angle de | | | | | | |
|réfraction | | | | | | |
|i2 | | | | | | |
|angle de | | | | | | |
|réflexion | | | | | | |
|i1' | | | | | | |
2- Interprétation :
* Pour i1< ilimite : - la deuxième loi de Descartes est-elle vérifiée?
* Pour i1> ilimite : - les phénomènes de réflexion et de réfraction sont-
ils toujours observés ?
- la deuxième loi de Descartes est-elle encore valable ?
Comparer les intensités lumineuses du rayon réfléchi pour i1< ilimite et
pour i1> ilimite.
Que peut-on en conclure ?
* Pour i1= ilimite = ..... - Que peut-on dire du rayon réfracté ?
- En déduire la valeur de i2 = ....
- Retrouver par le calcul et en utilisant la
deuxième loi de Descartes la valeur de l'angle ilimite en sachant que n(air
) = 1,00 et n(plexiglas) = 1,50 : 3 - Conclusion :
Quelles sont les deux conditions pour observer le phénomène de réflexion
totale ? 3 III - Etude de la fibre optique. 1- Mise en évidence :
a) Expérience avec un prisme : voir l'expérience du professeur
- Compléter les schémas.
- Expliquer le phénomène observé.
b) Expérience de la fontaine lumineuse : voir l'expérience du
professeur - Compléter le schéma en ajoutant le rayon laser
- Voit-on le rayon laser sortir dans l'air ?
- Expliquer pourquoi le rayon laser se propage-t-il dans l'eau. c) Expériences photographiées :
voir expériences sur le site : http :
//cm1cm2.ceyreste.free.fr//sciencenfete.html 2- Etude de la fibre optique :
a) Expérience avec une fibre optique : voir l'expérience du
professeur
Où sort le rayon laser ? Pourquoi ? b) Interprétation :
Faire un schéma permettant de montrer comment la fibre canalise la lumière
en utilisant de multiples réflexions totales.
4 IV - Applications médicales : la fibroscopie. Répondre aux questions : on pourra faire une recherche documentaire.
1. Qu'appelle-t-on fibroscopie ?
2. Quels sont les constituants d'une fibre optique ?
3. Quelles sont les conditions pour que le faisceau de lumière subisse
une réflexion totale dans une fibre optique ?
4. Quel est son intérêt dans le milieu médical ?
5. Cette technique est-elle sans danger ? Est-elle indolore ?
6. Donner les noms des différents types de fibroscopie suivant l'organe
visité.
7. Quelles sont les évolutions techniques assez récentes de la
fibroscopie ?
Correction Réflexion totale. Fibre optique et
applications médicales I) Réfraction de la lumière.
Un rayon émis par la source lumineuse est dirigé vers le bloc semi-
circulaire en plexiglas.
Réglage préliminaire :
- La source lumineuse doit être alimentée par un générateur 12 V (non
représenté).
- Le point d'incidence I coïncide avec le milieu du diamètre du bloc de
plexiglas.
Faites tourner le disque pour que le rayon passe d'abord par le plexiglas
et que l'angle
d'incidence I1 = 10 ° (voir figure ci-dessous).
[pic]
. Observer le trajet du rayon lumineux; que constatez-vous ?
Le rayon lumineux est dévié à la sortie du demi cylindre
. Comment appelle t'on ce phénomène ?
C'est le phénomène de réfraction
. Mesurer l'angle réfracté i2
. Recommencer cette expérience pour les différentes valeurs de l'angle
d'incidence i1 et relevez i2.
[pic]
Loi de la réfraction :
[pic] II) Réflexion de la lumière.
Réaliser le montage suivant : Un rayon émis par la source lumineuse est
dirigé vers un miroir disposé sur le disque gradué. [pic]
Réglage préliminaire :
- La source lumineuse doit être alimentée par un générateur 6 V (non
représenté).
- Le miroir doit être perpendiculaire à la normale N.
- Le point d'incidence I coïncide avec le centre du disque.
Tourner le disque afin que l'angle d'incidence i = 10° et mesurer l'angle
de réflexion r.
Augmenter l'angle d'incidence i et relever r.
[pic] Conclusion : l'angle d'incidence et l'angle de réflexion sont identiques
Loi de la réflexion :
i = r
3. Conclusion :
Les deux conditions pour observer la réflexion totale sont :
-Il faut que le premier milieu ai un indice de réfraction supérieur au
second milieu : n1> n2
- L'angle limite pour que ce phénomène apparaisse, est i2=42°.
III. Etude de la fibre optique.
1. Mise en évidence.
a- Expérience avec un prisme : Faisons tomber sur la face d'un prisme un
rayon lumineux perpendiculairement à cette face. (la section du prisme est
un triangle rectangle isocèle). Ce rayon entre sans déviation et atteint
alors l'hypoténuse sous un angle de 45°. Si l'angle limite (qui dépend des
deux milieux) est inférieur à 45°, alors le rayon va subir la réflexion
totale. L'angle de réflexion vaut alors 45° (i=r), ce qui fait sortir le
rayon du prisme, perpendiculairement à l'autre face (pas de déviation de
sortie).
[pic]
b-Expérience de la fontaine lumineuse. Dans le jet, la lumière subit
des réflexions totales successives aux surfaces de séparation eau /
air.
2- Etude de la fibre optique :
a- Expérience avec une fibre optique : La fibre optique se compose d'un
c?ur en verre optique d'indice de réfraction élevé et d'une enveloppe
en verre d'indice de réfraction faible. Pour assurer la réflexion
totale dans la fibre, l'enveloppe doit avoir une épaisseur minimale
(pour le spectre visible) de 2.10-9 m.
La fibre optique est utile dans le transport d'informations, de
lumière. Ce dernier cas est fort utile à de nombreuses personnes :
o les archéologues : observation d'un tumulus sans y accéder
o les médecins : endoscopies
o [pic]
Interprétation : Les rayons lumineux qui entrent par une extrémité
dans la fibre sont guidés dans le coeur par réflexion totale tout au
long de la fibre malgré les courbures infligées et ressortent à
l'autre extrémité.
[pic] IV. Applications médicales : la fibroscopie.
1.La fibroscopie est une technique d'endoscopie permettant l'exploration
visuelle de certains conduits et de certaines cavités du corps. Elle se
fait au moyen d'un fibroscope, qui est une sorte d'endoscope souple muni
d'un système lumineux. Cette technique permet d'explorer l'oropharynx,
l'?sophage, l'estomac, le duodénum, le côlon, les bronches, etc.
La fibroscopie est fondée sur le principe de la réflexion totale : la
lumière qui traverse le "tube" est réfléchie, sans exceptions, même
lorsqu'on tord le fil.
2. Les trois composants de la fibre optique sont :
a. Le coeur - en silice, quartz fondu, ou plastique - dans lequel se
propagent les ondes optiques. Diamètre : 50?m ou
62.5?m pour la fibre multimode.
b. La gaine optique (cladding) - en général, dans les mêmes matériaux que
le coeur mais avec des additifs - qui confine les ondes optiques dans le
coeur.
c. Le revêtement de protection (coating) - généralement en plastique - qui
assure la protection mécanique de la fibre. [pic]
3. Le rayon lumineux entrant en A subit un très grand nombre de réflexions
totales (i > ?) et sort
finalement en B.
Applications en médecine (endoscopie) et en électronique (transmission de
données). 4°- Grâce à la fibroscopie, on peut explorer, observer, faire des
photographies et des films, faire des prélèvements (biopsies), des
ponctions, détruire des calculs ou des tumeurs, retirer des corps
étrangers, coaguler des vaisseaux, réaliser un lavage alvéolaire (sérum
physiologique sous aspiration continue).
L'endoscopie est une méthode d'exploration et d'imagerie médicale ou
industrielle qui permet de visualiser l'intérieur (endon en grec) de
conduits ou de cavités inaccessible à l'?il. L'endoscope est composé d'un
tube optique muni d'un système d'éclairage. Couplé à une caméra vidéo on
peut ainsi retransmettre l'image sur un écran.
L'endoscopie peut être utilisée, soit pour le diagnostic, soit pour traiter
une maladie (endoscopie opératoire). Il s'agit d'un terme générique qui
recouvre des examens spécifiques par organe. Ainsi, la bronchoscopie est
l'exploration des bronches, la coloscopie, celle du côlon, la cystoscopie,
celle de la vessie, la fibroscopie celle de l'?sophage ou estomac, etc.
Les endoscopies se font par les voies naturelles lorsque cela est possible,
par incision sinon (Endoscopie chirurgicale).
L'endoscopie industrielle regroupe trois technologies (boros