Cours de physique générale (UNIL-FBM) PDF

Cours de physique générale (UNIL‐FBM Ecole de médecine module B1.1) François Bochud Raphaël Moeckli Ruud van Heeswijk Département Faculté de biologie et médecine de radiologie médicale BM1.1 ‐ Physique générale...

Cours de physique générale (UNIL‐FBM Ecole de médecine module B1.1) François Bochud Raphaël Moeckli Ruud van Heeswijk Département Faculté de biologie et médecine de radiologie médicale BM1.1 ‐ Physique générale Page 2 version du 06.09.2024  Sommaire Chapitre 1 : Introduction au cours de physique générale................................................................. 15 1.1 Résumé................................................................................................................... 15 1.2 Introduction............................................................................................................ 15 1.3 Objectifs du cours................................................................................................... 16 1.4 Physique et médecine : une relation qui dure....................................................... 16 1.5 Matières traitées dans le cours.............................................................................. 19 1.6 Stratégie pédagogique du cours............................................................................. 19 1.7 Livre de référence................................................................................................... 20 Chapitre 2 : Métrologie..................................................................................................................... 21 2.1 Résumé................................................................................................................... 21 2.2 Introduction............................................................................................................ 21 2.3 Système d'unités SI................................................................................................. 22 2.3.1 Constantes physiques 22 2.3.2 Unités de base 23 2.3.3 Unités physiques dérivées 24 2.3.4 Préfixes multiplicatifs 25 2.4 Cohérence des unités............................................................................................. 26 2.5 Traçabilité métrologique........................................................................................ 26 2.6 Incertitude de mesure............................................................................................ 27 2.6.1 Erreur ou incertitude ? 27 2.6.2 Composition des incertitudes 28 Chapitre 3 : Psychophysique............................................................................................................. 30 3.1 Résumé................................................................................................................... 30 3.2 Introduction............................................................................................................ 30 3.3 Instruments de mesure ou récepteurs du corps humain....................................... 30 3.3.1 Cinq sens ? 30 3.3.2 Transformée de Fourier 31 3.4 Réponses à des stimuli de faibles intensités.......................................................... 32 3.4.1 Détermination d'un seuil 32 3.4.2 Théorie ROC 33 3.5 Réponses à des stimuli plus intenses : Loi de Stevens........................................... 37 Chapitre 4 : Matière et interactions fondamentales........................................................................ 39 4.1 Résumé................................................................................................................... 39 4.2 Introduction............................................................................................................ 39 4.3 Modèle standard.................................................................................................... 40 4.3.1 Matière 40 4.3.2 Antimatière 41 4.3.3 Interactions 41 4.4 Interactions ou forces fondamentales.................................................................... 41 4.4.1 Quatre interactions fondamentales 42 4.4.2 Comparaison des interactions 45 Chapitre 5 : Energie, masse et temps................................................................................................ 46 BM1.1 ‐ Physique générale Page 3 version du 06.09.2024  5.1 Résumé................................................................................................................... 46 5.2 Introduction............................................................................................................ 46 5.3 Energie.................................................................................................................... 47 5.3.1 Définition 47 5.3.2 Unités de l’énergie 47 5.3.3 Sources d'énergie primaire et moyens de stockage 48 5.4 Masse...................................................................................................................... 49 5.4.1 Définition 49 5.4.2 Énergie négative ou énergie de liaison 50 5.4.3 Masses gravitationnelle et inertielle 50 5.5 Temps..................................................................................................................... 51 5.5.1 Définition et mesure 51 5.5.2 Le temps et le corps humain 51 Chapitre 6 : Ondes............................................................................................................................. 53 6.1 Résumé................................................................................................................... 53 6.2 Introduction............................................................................................................ 53 6.3 Qu'est‐ce qu'une onde ?......................................................................................... 53 6.3.1 Définition 53 6.3.2 Paramètres d'une onde et fonction d'onde 54 6.4 Propriétés distinguant les ondes des objets matériels........................................... 55 6.4.1 Interférence 55 6.4.2 Polarisation 55 6.4.3 Diffraction 56 6.4.4 Réflexion et transmission à une interface 57 6.4.5 Réfraction 58 6.4.6 Amortissement 59 6.4.7 Dispersion 59 6.5 Exemples d'ondes................................................................................................... 59 6.5.1 Vagues à la surface de l'eau 59 6.5.2 Onde sonore 60 6.5.3 Onde électromagnétique 60 6.5.4 Rayonnement laser 60 6.5.5 Onde de choc 60 6.5.6 Ondes stationnaires 61 6.5.7 Onde de probabilité 61 Chapitre 7 : Atome et noyau............................................................................................................. 62 7.1 Résumé................................................................................................................... 62 7.2 Introduction............................................................................................................ 62 7.3 Atome..................................................................................................................... 63 7.3.1 Comment a‐t‐on su que le modèle de l'atome décrit une certaine réalité ? 63 7.3.2 Orbitales électroniques 63 7.3.3 Energie d'ionisation et énergie de liaison 64 7.3.4 Rayonnement de fluorescence et transition stimulée 65 7.4 Noyau...................................................................................................................... 66 7.4.1 Composition du noyau et comparaison avec l'atome 66 7.4.2 Nomenclature du noyau 67 7.4.3 Carte des nucléides 68 7.4.4 Forces antagonistes à l'intérieur du noyau et énergie de liaison 68 7.4.5 Niveaux énergétiques des nucléons 69 7.4.6 Spin nucléaire et moment magnétique 70 7.5 Âge de l'Univers et origine de la matière............................................................... 70 Chapitre 8 : Radioactivité.................................................................................................................. 72 BM1.1 ‐ Physique générale Page 4 version du 06.09.2024  8.1 Résumé................................................................................................................... 72 8.2 Introduction............................................................................................................ 72 8.3 Stabilité du noyau et radioactivité.......................................................................... 73 8.3.1 Désintégration alpha 73 8.3.2 Désintégration bêta moins 74 8.3.3 Désintégration bêta plus et capture électronique 75 8.3.4 Emission de rayonnement gamma 75 8.3.5 Autres processus de désintégration 76 8.4 Dynamique de la désintégration............................................................................ 76 8.4.1 Décroissance exponentielle 76 8.4.2 Activité 77 8.4.3 Radioactivité naturelle 77 8.4.4 Production de nucléides en médecine 77 Chapitre 9 : Rayonnement électromagnétique................................................................................. 79 9.1 Résumé................................................................................................................... 79 9.2 Introduction............................................................................................................ 79 9.3 Dualité onde‐corpuscule......................................................................................... 80 9.3.1 C'est un corpuscule 80 9.3.2 C'est une onde 80 9.3.3 C'est aussi un corpuscule 81 9.3.4 Dualité onde‐corpuscule 82 9.3.5 Généralisation de la dualité onde‐corpuscule 82 9.4 Spectre électromagnétique et absorption dans la matière................................... 84 9.4.1 Domaines du spectre électromagnétique 84 9.4.2 Absorption du rayonnement électromagnétique : loi de Lambert‐Beer 85 9.5 Interactions photons matière dans le domaine des rayons X et γ......................... 87 9.5.1 Diffusion Thomson‐Rayleigh, ou élastique 87 9.5.2 Effet photoélectrique 88 9.5.3 Effet Compton 88 9.5.4 Création de paire 89 9.5.5 Effet photonucléaire 89 9.5.6 Prédominance des effets 89 Chapitre 10 : Mécanique – Cinématique linéaire............................................................................... 91 10.1 Résumé................................................................................................................... 91 10.2 Introduction............................................................................................................ 91 10.3 Variables d'un mouvement linéaire........................................................................ 92 10.3.1 Localisation 92 10.3.2 Vitesse linéaire 94 10.3.3 Accélération linéaire 94 10.4 Equations du mouvement uniformément accéléré............................................... 97 10.4.1 Equations du mouvement 1D 97 10.4.2 Equations du mouvement 3D 97 10.4.3 Trajectoire parabolique et portée d'un projectile 97 Chapitre 11 : Mécanique ‐ Cinématique angulaire........................................................................... 100 11.1 Résumé................................................................................................................. 100 11.2 Introduction.......................................................................................................... 100 11.3 Variable d'un mouvement angulaire.................................................................... 101 11.3.1 Système de coordonnées polaires 101 11.3.2 Position, déplacement et distance angulaires 102 11.3.3 Vitesse angulaire 102 11.3.4 Accélération angulaire 103 11.4 Equations du mouvement angulaire uniformément accéléré............................. 104 BM1.1 ‐ Physique générale Page 5 version du 06.09.2024  11.4.1 Pendant des équations du mouvement linéaire 104 11.4.2 Mouvement circulaire et uniforme 104 Chapitre 12 : Mécanique – Dynamique linéaire et lois de Newton.................................................. 106 12.1 Résumé................................................................................................................. 106 12.2 Introduction.......................................................................................................... 106 12.3 Quantité de mouvement...................................................................................... 106 12.4 Lois de Newton..................................................................................................... 107 12.4.1 Première loi de Newton : Loi d'inertie 107 12.4.2 Deuxième loi de Newton : Loi de l'accélération 109 12.4.3 Troisième loi de Newton : Loi des actions réciproques 111 12.5 Force gravitationnelle et poids............................................................................. 112 12.5.1 Loi de la gravitation universelle et accélération de la pesanteur 112 12.5.2 Poids et poids apparent 113 12.6 Equilibre de translation........................................................................................ 113 Chapitre 13 : Mécanique – Dynamique angulaire............................................................................. 115 13.1 Résumé................................................................................................................. 115 13.2 Introduction.......................................................................................................... 116 13.3 Moment d'une force............................................................................................. 116 13.3.1 Définition du moment d'une force 116 13.3.2 Leviers 117 13.4 Moment cinétique................................................................................................ 118 13.4.1 Moment cinétique d'un point matériel 118 13.4.2 Moment cinétique d'un objet rigide 118 13.4.3 Moment cinétique du corps humain 118 13.5 Moment d'inertie.................................................................................................. 119 13.5.1 Moment d'inertie d'un objet rigide 119 13.5.2 Moment d'inertie du corps humain 120 13.6 Equivalent des lois de Newton pour les mouvements angulaires........................ 121 13.6.1 Deuxième loi de Newton : Loi de l'accélération angulaire 121 13.6.2 Première loi de Newton : Loi d'inertie 122 13.6.3 Troisième loi de Newton : Loi des actions réciproques 122 13.7 Équilibre................................................................................................................ 123 13.7.1 Equilibre de rotation 123 13.7.2 Equilibre statique ou dynamique 123 13.7.3 Résolution des problèmes d'équilibre statique 123 Chapitre 14 : Mécanique – Lois de conservation.............................................................................. 125 14.1 Résumé................................................................................................................. 125 14.2 Introduction.......................................................................................................... 125 14.3 Lois de conservation............................................................................................. 125 14.3.1 Conservation de la quantité de mouvement 126 14.3.2 Conservation du moment cinétique 126 14.3.3 Conservation de l'énergie 127 14.4 Forces de frottement............................................................................................ 128 14.4.1 Complexité des processus 128 14.4.2 Frottements secs 128 14.4.3 Frottements visqueux 130 Chapitre 15 : Mécanique – Résolutions de problèmes et collisions................................................. 132 15.1 Résumé................................................................................................................. 132 15.2 Introduction.......................................................................................................... 132 15.3 Résolution des problèmes de mécanique............................................................ 133 15.3.1 Méthodologie 133 BM1.1 ‐ Physique générale Page 6 version du 06.09.2024  15.3.2 Exemple de problème : cerceau en rotation dans un looping 135 15.4 Collisions entre deux corps................................................................................... 136 15.4.1 Collisions purement élastique et purement inélastique 136 15.4.2 Exemple de problème : Collision purement élastique 138 15.4.3 Exemple de problème : Collision purement inélastique 140 Chapitre 16 : Electromagnétisme ‐ Propriétés électriques de base................................................. 142 16.1 Résumé................................................................................................................. 142 16.2 Introduction.......................................................................................................... 142 16.3 Loi de Coulomb..................................................................................................... 142 16.4 Champ électrique................................................................................................. 143 16.5 Potentiel électrique.............................................................................................. 144 16.6 Courant électrique................................................................................................ 144 16.7 Résistance............................................................................................................. 145 16.8 Loi d’Ohm.............................................................................................................. 145 16.9 Association de résistances.................................................................................... 146 16.10 Circuit électrique.................................................................................................. 146 16.11 Lois de Kirchhoff................................................................................................... 148 16.11.1 Loi des nœuds 148 16.11.2 Loi des mailles 148 16.12 Diviseur de tension............................................................................................... 149 16.13 Mise en pratique des différentes lois................................................................... 149 Chapitre 17 : Electromagnétisme ‐ Influx nerveux............................................................................ 151 17.1 Résumé................................................................................................................. 151 17.2 Introduction.......................................................................................................... 151 17.3 La capacité............................................................................................................ 152 17.4 La structure et conduction des neurones............................................................. 152 17.5 Les ions et le potentiel de repos........................................................................... 154 17.6 La réponse des axones à des stimuli faibles......................................................... 155 17.7 Le potentiel d’action............................................................................................. 156 Chapitre 18 : Electromagnétisme ‐ Mesure de signaux électriques et magnétiques....................... 159 18.1 Résumé................................................................................................................. 159 18.2 Introduction.......................................................................................................... 159 18.3 Voltmètre et ampèremètre.................................................................................. 160 18.3.1 Placement d’un voltmètre et d’un ampèremètre dans un circuit 160 18.3.2 La force magnétique sur une charge en mouvement 160 18.3.3 La force magnétique sur un fil parcouru par un courant 161 18.3.4 Fonctionnement d’un voltmètre et d’un ampèremètre 162 18.3.5 Champs magnétiques produits par des courants 162 18.4 Courants et champs induits.................................................................................. 163 18.4.1 La loi de Faraday 163 Chapitre 19 : Electromagnétisme ‐ Imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM).............. 165 19.1 Résumé................................................................................................................. 165 19.2 Introduction.......................................................................................................... 165 19.3 Composition de l’appareillage.............................................................................. 167 19.3.1 L’aimant principal 167 19.3.2 Les gradients 167 19.3.3 Les antennes de transmission et réception 167 19.4 Formation de l’image............................................................................................ 167 19.4.1 L’équilibre 167 19.4.2 La perturbation de l’équilibre 168 19.4.3 Principes de la relaxation 169 BM1.1 ‐ Physique générale Page 7 version du 06.09.2024  19.4.4 Le signal IRM 170 19.4.5 Production d’image 170 Chapitre 20 : Rayonnements EM non‐ionisants – Effets sur la santé.............................................. 172 20.1 Résumé................................................................................................................. 172 20.2 Introduction.......................................................................................................... 172 20.3 Sources de rayonnement non‐ionisant................................................................ 172 20.4 Rayonnement optique.......................................................................................... 173 20.4.1 Rayonnement ultraviolets (UV) 174 20.4.2 Rayonnement visible 175 20.4.3 Rayonnement infrarouges (IR) 176 20.4.4 Rayonnement optique – Gestion légale du risque 176 20.5 Mécanismes de dépôt d'énergie des CEM dans les tissus.................................... 178 20.6 CEM hautes fréquences : microondes et ondes radio.......................................... 178 20.6.1 Effets thermiques 179 20.6.2 Effets non‐thermiques 180 20.7 CEM basses fréquences........................................................................................ 180 20.7.1 Effets démontrés 180 20.7.2 Autres effets 181 20.8 Cas particulier de l'IRM......................................................................................... 181 20.8.1 Champ magnétique statique 181 20.8.2 Gradients de champ et radiofréquence 181 20.8.3 Recommandations particulières pour les femmes enceintes et les patients pédiatriques 182 20.9 Gestion du risque lié aux CEM.............................................................................. 182 20.9.1 Position de l'Organisation mondiale de la santé (OMS) 182 20.9.2 Restrictions de base et niveaux de référence selon l'ICNIRP 182 Chapitre 21 : Rayonnement optique – Miroirs, lentilles, et vision humaine................................... 183 21.1 Résumé................................................................................................................. 183 21.2 Introduction.......................................................................................................... 183 21.3 Instruments optiques simples.............................................................................. 184 21.3.1 Miroir 184 21.3.2 Lentilles 185 21.4 Optique de l'œil.................................................................................................... 186 21.4.1 Formation de l'image sur la rétine 186 21.4.2 Corrections optiques de la focalisation de la lumière 187 21.4.3 Détection de la lumière par la rétine 188 21.5 Vision et psychophysique..................................................................................... 189 21.5.1 Comparaison de l'œil avec une caméra numérique 189 21.5.2 Couleur d'un objet 190 21.5.3 Perception de la couleur 190 21.5.4 Fonction de transfert de contraste 192 21.6 Mesure de la lumière............................................................................................ 193 21.6.1 Flux lumineux (unité : lumen) 193 21.6.2 Eclairement (unité : lux) 194 Chapitre 22 : Rayonnement optique – Applications médicales et laser.......................................... 195 22.1 Résumé................................................................................................................. 195 22.2 Introduction.......................................................................................................... 195 22.3 Interaction du rayonnement optique avec le tissu biologique............................ 196 22.4 Rayonnement laser............................................................................................... 197 22.4.1 Propriétés du rayonnement laser 197 22.4.2 Principe de fonctionnement d'un laser 198 22.4.3 Pompage à trois niveaux et inversion de population 199 BM1.1 ‐ Physique générale Page 8 version du 06.09.2024  22.4.4 Miroirs du laser 200 22.4.5 Types de laser utilisés en médecine 200 22.5 Exemples d'utilisations pratiques du rayonnement optique en médecine.......... 201 22.5.1 Effet photothermique – Ablation de tissus et oncologie 201 22.5.2 Effet photothermique – Correction de la cornée de l'œil 201 22.5.3 Effet photoacoustique – Imagerie et lithotripsie 202 22.5.4 Absorption spectrométrique – Microscope optique à fluorescence 202 Chapitre 23 : Qualité d'image........................................................................................................... 204 23.1 Résumé................................................................................................................. 204 23.2 Introduction.......................................................................................................... 204 23.3 Qualité d'image de niveau 1 – technique............................................................. 205 23.3.1 Contraste 206 23.3.2 Résolution spatiale 206 23.3.3 Bruit 208 23.3.4 Rapport contraste sur bruit 209 23.4 Qualité d'image de niveau 2 – tâche diagnostique et modèle d'observateur..... 209 23.5 Qualité d'image de niveau 3 – Certitude sur le diagnostic................................... 210 Chapitre 24 : Ondes sonores – Audition et production d'un son..................................................... 211 24.1 Résumé................................................................................................................. 211 24.2 Introduction.......................................................................................................... 211 24.3 Définition et caractéristique d'une onde sonore................................................. 212 24.3.1 Vitesse du son et impédance acoustique 212 24.3.2 Absorption d'une onde sonore 213 24.3.3 Réflexion et transmission d'une onde sonore entre deux milieux 213 2 24.3.4 Pression acoustique et intensité de l'onde en W/m 214 24.3.5 Mesure des sons 215 24.4 Ondes stationnaires et résonance........................................................................ 217 24.4.1 Vibration sur une corde et fréquences harmoniques 217 24.4.2 Onde sonore dans un tube creux rempli d'air 217 24.5 Production d'un son par l'être humain................................................................. 218 24.6 Audition humaine................................................................................................. 219 24.6.1 Oreille externe 220 24.6.2 Oreille moyenne 220 24.6.3 Oreille interne 221 24.7 Risque pour la santé et gestion légale.................................................................. 222 Chapitre 25 : Ondes sonores – Applications médicales des ultrasons............................................. 223 25.1 Résumé................................................................................................................. 223 25.2 Introduction.......................................................................................................... 223 25.3 Échographie.......................................................................................................... 224 25.3.1 Principe général 224 25.3.2 Fréquences utilisées en échographie médicale 224 25.3.3 Production et collection de l'onde 225 25.3.4 Réflexions dans les tissus 226 25.3.5 Obtention du signal US 226 25.3.6 Artéfacts échographiques 226 25.4 Échographie Doppler............................................................................................ 227 25.4.1 Expression mathématique du décalage Doppler 228 25.4.2 Exemples d'images US par effet Doppler 228 25.5 Thérapies aux US.................................................................................................. 228 Chapitre 26 : Thermodynamique – Température et rayonnement thermique............................... 230 26.1 Résumé................................................................................................................. 230 BM1.1 ‐ Physique générale Page 9 version du 06.09.2024  26.2 Introduction.......................................................................................................... 230 26.3 Température......................................................................................................... 231 26.3.1 Température et énergie cinétique d'un gaz parfait 231 26.3.2 Vitesses des particules et distribution de Maxwell‐Boltzmann 231 26.3.3 Mesure de la température 232 26.4 Mouvement des particules et émission de rayonnement électromagnétique.... 233 26.4.1 Corps noir et loi de Planck 233 26.4.2 Emissivité 235 26.4.3 Émissivité = absorptivité : loi du rayonnement de Kirchhoff 236 26.4.4 Thermographie 237 26.5 Perception de la température.............................................................................. 238 Chapitre 27 : Thermodynamique – Chaleur et états de la matière................................................. 239 27.1 Résumé................................................................................................................. 239 27.2 Introduction.......................................................................................................... 239 27.3 Etats de la matière................................................................................................ 240 27.3.1 Solide 240 27.3.2 Liquide 241 27.3.3 Gaz 241 27.3.4 Plasma 242 27.3.5 Autres "états" 242 27.4 Apport de chaleur à un corps sans changement d'état........................................ 243 27.4.1 Chaleur et capacité thermique massique 243 27.4.2 Chaleur et rayonnement ionisant 244 27.5 Apport de chaleur et changements d'état............................................................ 244 27.5.1 Enthalpie de changement d'état 244 27.5.2 Nomenclature des changements d'état 245 27.5.3 Diagrammes de phase de l'eau 247 Chapitre 28 : Thermodynamique – Transfert d'énergie.................................................................... 249 28.1 Résumé................................................................................................................. 249 28.2 Introduction.......................................................................................................... 249 28.3 Alimentation et métabolisme énergétique humain............................................. 250 28.3.1 Énergie contenue dans les aliments 250 28.3.2 Emissions de gaz à effet de serre associées à l'alimentation 250 28.3.3 Métabolisme basal 252 28.3.4 Métabolisme en activité et efficacité énergétique 252 28.4 Echanges de chaleur du corps humain................................................................. 254 28.4.1 Rayonnement 254 28.4.2 Convection 255 28.4.3 Conduction 257 28.4.4 Evaporation 258 28.4.5 Gamme de température où la vie est possible 260 Chapitre 29 : Thermodynamique – Principes et flèche du temps.................................................... 261 29.1 Résumé................................................................................................................. 261 29.2 Introduction.......................................................................................................... 261 29.3 Systèmes thermodynamiques.............................................................................. 262 29.4 Principe zéro : mesure de la température............................................................ 262 29.5 Premier principe : conservation de l'énergie....................................................... 263 29.5.1 Energie interne 263 29.5.2 Expression du premier principe 263 29.6 Deuxième principe : irréversibilité des phénomènes physiques.......................... 264 29.6.1 Approche calorique 264 29.6.2 Approche statistique 265 BM1.1 ‐ Physique générale Page 10 version du 06.09.2024  29.6.3 Vie et entropie 269 29.6.4 Flèche du temps 269 29.7 Troisième principe : impossibilité d'atteindre le zéro degré absolu.................... 269 Chapitre 30 : Thermodynamique – Réchauffement et effet de serre.............................................. 271 30.1 Résumé................................................................................................................. 271 30.2 Introduction.......................................................................................................... 271 30.3 La planète se réchauffe........................................................................................ 273 30.3.1 Changements atmosphériques 273 30.3.2 Changements dans les océans 274 30.3.3 Changements dans la cryosphère 275 30.3.4 Changements dans la biosphère 275 30.4 Origine du réchauffement : paramètres astronomique ou gaz à effet de serre ? 276 30.4.1 Paramètres astronomiques 276 30.4.2 Effet de serre 277 30.5 Emissions de GES.................................................................................................. 280 30.5.1 Augmentation récente de la concentration des GES dans l'atmosphère 280 30.5.2 Estimation de la concentration de CO2 avant la période instrumentale 281 30.5.3 Preuves de l’origine humaine de l’augmentation des GES 282 30.5.4 Tout ça était connu depuis bien longtemps 284 Chapitre 31 : Thermodynamique – Evolution du climat et atténuation de notre impact................ 286 31.1 Résumé................................................................................................................. 286 31.2 Introduction.......................................................................................................... 286 31.3 Modélisation du climat......................................................................................... 287 31.3.1 Interconnexion des paramètres climatique 287 31.3.2 Scénarios et modèles 290 31.4 Adaptation au changement climatique................................................................ 291 31.5 Atténuation de notre impact sur le climat........................................................... 293 31.5.1 Transition énergétique 293 31.5.2 Géoingénierie du climat 297 Chapitre 32 : Rayonnements ionisants ‐ Ionisation et dosimétrie.................................................... 299 32.1 Résumé................................................................................................................. 299 32.2 Introduction.......................................................................................................... 299 32.3 Rayonnements ionisants...................................................................................... 299 32.4 Interaction des particules chargées...................................................................... 300 32.4.1 Interaction des électrons 300 32.4.2 Interaction des particules chargées lourdes 302 32.5 Dosimétrie............................................................................................................ 302 32.5.1 Dose absorbée D 302 32.5.2 Dose équivalente H 303 32.5.3 Dose efficace 303 32.5.4 Exemples typiques de doses efficace 304 Chapitre 33 : Rayonnements ionisants ‐ Effets sur la santé.............................................................. 305 33.1 Résumé................................................................................................................. 305 33.2 Introduction.......................................................................................................... 305 33.3 Tableau général des effets des rayonnements ionisants..................................... 306 33.3.1 Séquence des effets des rayonnements ionisants sur la matière vivante 306 33.3.2 Comparaison des réactions tissulaires et des effets stochastiques 307 33.4 Réactions tissulaires............................................................................................. 307 33.5 Effets stochastiques.............................................................................................. 309 33.5.1 Caractéristiques des effets 309 33.5.2 Modèle linéaire sans seuil 309 BM1.1 ‐ Physique générale Page 11 version du 06.09.2024  33.6 Effets des rayonnements sur l’embryon et le fœtus............................................ 311 33.7 Impact de l’utilisation du rayonnement ionisant en médecine sur le changement climatique 311 Chapitre 34 : Rayonnements ionisants ‐ Risque et protection......................................................... 312 34.1 Résumé................................................................................................................. 312 34.2 Introduction.......................................................................................................... 312 34.3 Risque................................................................................................................... 312 34.3.1 Appréciation du risque 312 34.3.2 Quantification de la vraisemblance 313 34.4 Traitement du risque............................................................................................ 315 34.4.1 Principes de base de la radioprotection 316 34.4.2 Valeurs limites de dose 316 34.4.3 Expositions aux rayonnements ionisants et contrôles individuels 318 34.4.4 Doses délivrées 318 Chapitre 35 : Rayons X en médecine : radiographie et radioscopie................................................. 321 35.1 Résumé................................................................................................................. 321 35.2 Introduction.......................................................................................................... 321 35.3 Procédure radiologique........................................................................................ 321 35.3.1 Production des rayons X 322 35.3.2 Domaine d’énergie utilisé 323 35.4 Interaction des rayons X avec le patient.............................................................. 323 35.4.1 Origine de l’information radiologique 324 35.4.2 Problématique du rayonnement diffusé 325 35.4.3 Résolution et distorsions géométriques 326 35.5 Systèmes de détection en radiographie............................................................... 326 35.6 Exposition du patient en radiographie................................................................. 326 35.7 Systèmes de détection en radioscopie................................................................. 326 Chapitre 36 : Rayons X en médecine : CT.......................................................................................... 327 36.1 Résumé................................................................................................................. 327 36.2 Introduction.......................................................................................................... 327 36.3 Limites de l’imagerie par projection et fondements de l’imagerie CT................. 327 36.4 Principe de fonctionnement du CT....................................................................... 328 36.5 Reconstruction des images CT.............................................................................. 328 36.5.1 Rétroprojection filtrée 328 36.5.2 Méthodes itératives 329 36.6 Représentation des images en CT........................................................................ 330 36.6.1 De l’imagerie par coupe à l’imagerie 3D 331 36.7 Qualité d’image en CT........................................................................................... 332 36.7.1 Contraste 332 36.7.2 Résolution spatiale 332 36.7.3 Bruit 332 36.8 Exposition du patient en tomodensitométrie...................................................... 333 36.9 CT à double énergie et CT spectral....................................................................... 333 Chapitre 37 : Rayonnement gamma en médecine : médecine nucléaire......................................... 334 37.1 Résumé................................................................................................................. 334 37.2 Introduction.......................................................................................................... 334 37.3 Médicament radiopharmaceutique...................................................................... 335 37.3.1 Traceur et marqueur 335 37.3.2 Caractéristiques d’un marqueur 335 37.3.3 Production des radionucléides 335 37.4 Imagerie en médecine nucléaire.......................................................................... 336 BM1.1 ‐ Physique générale Page 12 version du 06.09.2024  37.4.1 Caméra de Anger : scintigraphie (imagerie de projection) 336 37.4.2 Imagerie SPECT 337 37.4.3 Imagerie PET 338 37.5 Qualité d’image en imagerie fonctionnelle.......................................................... 339 37.6 Imagerie fonctionnelle et exposition du patient.................................................. 340 Chapitre 38 : Thérapies basées sur le rayonnement ionisant........................................................... 341 38.1 Résumé................................................................................................................. 341 38.2 Introduction.......................................................................................................... 341 38.3 Fenêtre thérapeutique......................................................................................... 342 38.4 Etapes d’un traitement de radiothérapie............................................................. 342 38.4.1 Localisation 342 38.4.2 Planification 344 38.4.3 Traitement 344 38.5 Modalités de traitement....................................................................................... 345 38.5.1 Radiothérapie par irradiation externe 345 38.5.2 Radiothérapie par irradiation interne 348 38.5.3 Motivations physiques pour le choix d'une modalité de traitement 350 Chapitre 39 : Annexe 1 : Guide de survie mathématique................................................................. 352 39.1 Introduction.......................................................................................................... 352 39.2 Logarithme............................................................................................................ 352 39.3 Trigonométrie....................................................................................................... 353 39.3.1 Angle en radians ou en degrés 353 39.3.2 Quelques fonctions trigonométriques 354 39.4 Scalaires................................................................................................................ 354 39.5 Vecteurs................................................................................................................ 355 39.5.1 Opérations de base 355 39.5.2 Produit scalaire 355 39.5.3 Produit vectoriel 356 39.6 Calcul différentiel et intégral................................................................................ 356 39.7 Somme.................................................................................................................. 358 Chapitre 40 : Annexe 2 : Problèmes additionnels de mécanique avec des exemples de résolution 359 40.1 Introduction.......................................................................................................... 359 40.2 Boule en équilibre statique................................................................................... 359 40.2.1 Problème 359 40.2.2 Solution qualitative 359 40.2.3 Solution quantitative 359 40.3 Boule en déséquilibre........................................................................................... 361 40.3.1 Problème 361 40.3.2 Solution qualitative 361 40.3.3 Solution quantitative 361 40.4 N corps en mouvement relatif.............................................................................. 363 40.4.1 Problème 363 40.4.2 Solution 363 40.5 Energie cinétique d'un corps rigide animé d'un mouvement linéaire et angulaire364 40.5.1 Problème 364 40.5.2 Solution 364 40.6 Machine en équilibre statique.............................................................................. 364 40.6.1 Problème 364 40.6.2 Solution qualitative 364 40.6.3 Solution "bourrin" 365 40.6.4 Solution plus directe 365 40.6.5 Validation de la solution 365 BM1.1 ‐ Physique générale Page 13 version du 06.09.2024  40.7 Machine en équilibre de translation.................................................................... 366 40.7.1 Problème 366 40.7.2 Solution 366 40.8 Amorce d'un virage avec un vélo ou une moto.................................................... 366 40.8.1 Problème 366 40.8.2 Solution expérimentale 367 40.8.3 Solution théorique 367 40.9 Frottement et poids.............................................................................................. 368 40.9.1 Problème 368 40.9.2 Solution – premières réflexions 368 40.9.3 Solution – application des relations physiques 369 40.9.4 Solution – validation de la solution obtenue 369 Chapitre 41 : Annexe 3 : Déroulement pratique des exercices......................................................... 370 41.1 Accès à la plateforme i‐structures........................................................................ 370 41.2 Liste des séries d'exercice et délais...................................................................... 371 41.3 Valeurs numériques.............................................................................................. 371 41.4 Corrigé des exercices............................................................................................ 372 41.5 Répétition d'une série d'exercices en mode "auto‐corrigé"................................ 372 41.6 Conseils de travail................................................................................................. 372 41.7 Demande de délai supplémentaire...................................................................... 373 41.8 Problèmes techniques.......................................................................................... 373 Chapitre 42 : Annexe 4 : Tableau périodique des éléments............................................................. 374 Chapitre 43 : Annexe 5 : Changement climatique – Informations complémentaires....................... 375 43.1 Réchauffement et effet de serre – compléments................................................ 375 43.1.1 Changements atmosphériques 375 43.1.2 Changements dans les océans 377 43.1.3 Changement dans la cryosphère 379 43.1.4 Paramètres astronomiques du flux solaires 381 43.1.5 Effet de serre 383 43.1.6 Estimation de la concentration du CO2 385 43.1.7 Actions de l'industrie pétrolière face avant la crise climatique 387 43.2 Evolution du climat et atténuation de notre impact – Compléments.................. 391 43.2.1 Boucles de feedback 391 43.2.2 Eléments de basculement 392 43.2.3 Scénarios et modèles 397 43.2.4 Mesures d'atténuation 399 43.3 Bibliographie relative au changement climatique................................................ 413 43.3.1 Généralité sur le réchauffement climatique 413 43.3.2 Physique et chimie du changement climatique 415 43.3.3 Climatologie 416 43.3.4 Arguments des négationnistes 417 BM1.1 ‐ Physique générale Page 14 version du 06.09.2024 Chapitre 1 : Introduction au cours de physique générale Objectifs généraux du cours  Contextualiser le rôle et l'importance des principes physiques présents dans les processus biomédicaux  Prendre en considération les principes physiques en jeu lors de l'utilisation d'un instrument diagnostique ou thérapeutique  Rapporter aux patients les principes physiques qui sous‐tendent les actes médicaux 1.1 Résumé Un cours de physique générale en première année de médecine est non seulement indispensable pour prendre en compte le cadre que la Nature impose aux êtres vivants, mais également pour fonder toute réflexion diagnostique ou thérapeutique sur la raison. Pour s'en convaincre, un paragraphe de ce chapitre rappelle les exemples emblématiques qui ont jalonné l'histoire commune de la physique et la médecine, et qui sont souvent issus de la recherche fondamentale. Ce chapitre se termine par une description des matières abordées dans ce cours ainsi que la démarche pédagogique. 1.2 Introduction Le désir de comprendre le monde qui nous entoure est une caractéristique essentielle de l'être humain, et la science est un outil qui a largement démontré sa capacité à y répondre. Parmi les branches scientifiques, la physique est étymo7logiquement au cœur de cette problématique puisque le mot "physique" vient du grec ἡ φυσική qui signifie "connaissance de la Nature". Malgré les liens historiques forts entre la physique et la médecine (voir section 1.4), d'aucuns pourraient se demander pourquoi un cursus de formation médicale débute par une présentation des lois relatives aux objets inanimés. La réponse est simple : qu'il soit animé ou non, tout corps fait partie de l'Univers et ne peut se soustraire à ses lois fondamentales. Ainsi, la physique (avec la chimie) donne un cadre qui définit les lois microscopiques sous‐jacentes de la biologie et sert de base à la plupart des spécialités médicales (voir Figure 1). Une autre motivation pour placer un cours de physique générale en première année de médecine est que l'on accorde généralement une très grande importance aux connaissances à acquérir sans réaliser qu'elles sont intimement liées à l’ignorance de leur existence. En effet : La connaissance et l’ignorance se tiennent par la barbichette : Ignorer qu’on ignore, c’est, de fait, ne rien savoir ; tandis que savoir qu’on ignore, c’est vraiment savoir, puisque cela suppose de connaître tout ce qui est déjà établi, et d’être capable de détecter ce qui fait encore trou dans la connaissance, de déceler ses manques et ses lacunes1. Un module d'enseignement ne suffisant pas à creuser des matières aussi vastes que la physique moderne, notre objectif n’est donc pas de couvrir les différents chapitres de manière exhaustive mais de présenter de manière rationnelle et scientifique des phénomènes courants de la vie de tous les jours. 1France Culture, La Conversation scientifique, par Etienne Klein, https://www.franceculture.fr/emissions/la‐conversation‐ scientifique/ce‐quon‐sait‐ce‐quon‐ne‐sait‐pas‐15‐du‐vrai‐et‐du‐faux‐sur‐internet BM1.1 ‐ Physique générale Page 15 version du 06.09.2024  Figure 1 : Principaux liens existant entre divers domaines de la physique et quelques spécialité spécialités médicales (FMH). 1.3 Objectifs du cours Ce cours s'est donné trois objectifs d'apprentissage généraux. Ils sont rappelés dans le Tableau 1 avec des exemples de questions qui leurs sont liées. Tableau 1 : Objectifs d'apprentissage principaux du cours de physique générale et exemples de questions auxquelles ce cours devrait permettre d'avoir un début de réponse. Objectifs Exemples de questions liées aux objectifs  Quel que soit le processus biologique ou médical, que se passe‐t‐il au 1. Contextualiser le rôle et l'importance niveau atomique ? des principes physiques présents dans  Pourquoi transpirons‐nous lorsqu'il fait chaud ? les processus biomédicaux  Quel avantage avons‐nous de percevoir la lumière ? 2. Prendre en considération les principes  Pourquoi utilisons‐nous des rayons X plutôt que des ultraviolets pour physiques en jeu lors de l'utilisation d'un obtenir des images des organes internes ? instrument diagnostique ou  Comment un téléphone peut‐il compter nos pas ? thérapeutique  Comment peut‐on obtenir une image fœtale avec une onde sonore ? 3. Rapporter aux patients les principes  Quel danger y a‐t‐il à faire une radiographie ? physiques qui sous‐tendent les actes  Quelles effets biologiques sont raisonnablement possibles avec un médicaux téléphone 5G ? 1.4 Physique et médecine : une relation qui dure2 Dès que l'être humain a commencé à comprendre le fonctionnement de la Nature, il a utilisé ce savoir pour fabriquer des outils ou des armes, diversifier ses aliments, s'adapter à son environnement ou le modifier. Il n'est donc pas étonnant qu'au cours de l'Histoire, nos ancêtres aient également appliqué les découvertes de la physique à la médecine. Il y a plus de 2400 ans, Hippocrate (vers 460‐377 av. J.‐C.) a décrit une méthode pour mesurer la température corporelle, qui est sans doute le premier exemple d'imagerie diagnostique3 (Figure 2‐a). Plus d'un millénaire 2 Ce paragraphe est largement inspiré de l'article de S.F. Keevil, " Physics and medicine: a historical perspective", The Lancet:379, 1517‐ 1524 (2012); https://www.thelancet.com/series/physics‐and‐medicine 3 La thermographie infrarouge remonte à 1957, bien que l'idée ait été décrite plus d'un siècle plus tôt par John Herschel (1792‐1871). BM1.1 ‐ Physique générale Page 16 version du 06.09.2024 plus tard, l'irakien Alhazen (vers 965‐1039) a particulièrement contribué à l'optique avec une description de la physique de la vision et la première démonstration expérimentale que la vue est causée par des rayons de lumière qui pénètrent dans l'œil, plutôt que par la lumière émanant de l'œil pour sonder des objets comme on le pensait auparavant. Bien plus récemment, Leonardo da Vinci (1452‐1519) est cité comme le premier "physicien médical" en raison de ses études détaillées de la mécanique du corps humain, ses travaux sur l'optique et sa découverte du principe de la lentille de contact. La révolution intellectuelle du 17ème siècle a conduit la science et la raison à supplanter la religion comme source principale de connaissance de la Nature. Le travail d'Anton van Leeuwenhoek (1632‐1723) sur le microscope, tout comme ceux de Santorio Sanctorius (1561‐1636) sur la mesure clinique de la température, de la fréquence du pouls et de la masse corporelle sont des exemples dont les retombées sont encore bien présentes à l'heure actuelle. Au siècle suivant, les recherches fondamentales sur l'électricité permirent la fondation de l'électrophysiologie grâce à Luigi Galvani (1737‐1798) et Alessandro Volta (1745‐1827) qui démontrèrent qu’un courant électrique déclenche une activité musculaire. Le 19ème siècle voit l'éclosion d'un grand nombre de travaux de recherche fondamentale qui peuvent avoir des conséquences cliniques immédiates, comme René Laennec (1781‐1826) qui invente le stéthoscope, ou plus indirectes avec les travaux d'Adolph Fick (1829‐1901) sur la diffusion, la physique des poumons et l'application de la thermodynamique au corps humain. Le soir du 8 novembre 1895 est sans contexte un instant‐clef de l'histoire commune de la physique et de la médecine, car c'est à ce moment‐là que Wilhelm Röntgen (1845‐1923) découvre "un nouveau genre de rayon", que nous appelons encore "rayons X" en référence à ses propriétés initialement mystérieuses. Dans les quatre années qui suivent, Henri Becquerel (1852‐1908) découvre la radioactivité, et Pierre et Marie Curie (1859‐1906 et 1867‐1934 respectivement) découvrent le radium et isolent des isotopes radioactifs. Aucune de ces recherches n'était inspirée par la perspective d'applications médicales, mais lorsque Röntgen fit circuler des radiographies de la main de sa femme à des collègues scientifiques en janvier 1896 (Figure 2‐ b), le potentiel médical apparut immédiatement. Le fait que Röntgen – connu pour ses qualités humanistes – renonce à tout brevet, permit une diffusion rapide sa découverte. Les effets nocifs de ces nouveaux rayonnements ont très vite été identifiés. En 1898, la Société Röntgen créa un Comité sur les dommages par rayons X, initiant la discipline de la radioprotection. La reconnaissance des effets biologiques de la radioactivité allait donner naissance à la brachythérapie. En 1910, les principales applications des rayonnements ionisants en imagerie par rayons X ainsi qu'en radiothérapie par rayons X et par radium étaient déjà fermement établies. Les développements techniques rapides de la qualité d'image et la standardisation des traitements ont suivi. Les points forts comprenaient le développement de tubes à rayons X plus fiables par William Coolidge (1873‐1975) et la standardisation de la mesure des rayonnements par Rolf Sievert (1896‐1966). La médecine nucléaire est la dernière pièce du puzzle de la physique des radiations en médecine. Le premier radioélément employé cliniquement était l'iode‐131, qui a d'abord été utilisé pour des investigations thyroïdiennes avant de l'être pour traiter l'hyperthyroïdie et le cancer de la thyroïde. Un large éventail d'autres isotopes artificiels est devenu disponible par la suite, et des préparations chimiques appropriées ont permis l'étude d'une large gamme d'organes différents. Suite à l'idée de Bernard George Ziedses des Plantes (1902‐ 1993) de placer un détecteur Geiger‐Müller à la surface d'un organe contenant de la radioactivité pour en cartographier la distribution (Figure 2‐a), la médecine nucléaire est progressivement devenue une technique d'imagerie fonctionnelle à part entière. BM1.1 ‐ Physique générale Page 17 version du 06.09.2024  (a) (b) Figure 2 : Exemples de liens historiques entre la physique et la médecine4. (a) Reconstitution de la première image thermographique, telle que proposée par Hippocrate (460‐377 A. J.‐C.). Cette image a été prise 8 minutes après qu'un tissu imbibé de terre de potier a été appliqué sur le dos du volontaire. La vitesse à laquelle le tissu sèche est liée à la température de la peau sous‐jacente. La région sur le côté droit avait été auparavant chauffée avec une compresse. (b) Première radiographie réalisée par Röntgen sur la main de sa femme le 22.12.1895. La disponibilité de radionucléides produits dans les réacteurs nucléaires a aussi permis d’améliorer dès 1952 l’efficacité des traitements du cancer en utilisant le cobalt‐60 comme source très pénétrante de rayonnement. A cause de leur forme apparentée à celle des premières bombes atomiques, les appareils utilisant cet élément ont été désignés comme "bombe au cobalt" capables de tuer… les cellules cancéreuses. La diffusion mondiale de leurs utilisations dans les années 1960 a donné ses titres de noblesse à la radiothérapie externe. Parallèlement à cela, le développement des accélérateurs pour la recherche en physique nucléaire a permis la mise en place d'une thérapie par rayons X à haute énergie. Les accélérateurs linéaires d'électrons (linacs), qui sont une retombée indirecte de la recherche militaire sur le radar, ont été utilisés en clinique dès 1953. Aujourd'hui encore, ces machines sont le cheval de trait de la radiothérapie par irradiation externe, délivrant à la fois des rayons X pour les organes en profondeur et des électrons pour les traitements superficiels. (a) (b) (c) Figure 3 : (a) Premier scanner à rayons X, en 1973. (b) Jacques Dubochet devant un instrument de microscopie électronique. L'imagerie par ultrasons a été introduite dans les années 1930 pour des essais industriels non destructifs. Les applications médicales n'ont suivi que dans les années 1950. En 1973, Godfrey Hounsfield (1919‐2004) a décrit ce qui allait devenir le premier scanner à rayons X, ou CT (Figure 3‐a). L'imagerie par résonnance magnétique (IRM) a été inventée par Paul Lauterbur (1929‐2007) et Peter Mansfield (1933‐2017). Elle est basée sur la 4 The Lancet:379, 1517‐1524 (2012); https://www.thelancet.com/series/physics‐and‐medicine BM1.1 ‐ Physique générale Page 18 version du 06.09.2024 résonance magnétique nucléaire (RMN) développée pour la physique nucléaire par Felix Bloch (1905‐1983) et Edward Purcell (1912‐1997). Les instruments modernes d'IRM ont été rendus possibles par l'avènement des aimants supraconducteurs, un autre développement de la physique fondamentale5. Les contributions de la physique à la médecine ont souvent été récompensées par l'attribution du Prix Nobel aux chercheurs qui ont étudié la science fondamentale sous‐jacente et à ceux qui ont permis ses applications cliniques. Röntgen a remporté le premier prix Nobel de physique en 1901, suivi par Becquerel, les époux Curie, et plus tard par Bloch et Purcell. Le prix Nobel de physiologie ou de médecine a été décerné à Hounsfield et Allan Cormack (1924‐1998) pour leurs travaux sur le CT et à Lauterbur et Mansfield pour IRM. Le prix Nobel de chimie a été décerné à Irène Joliot‐Curie (1897‐1956) pour la synthèse de nouveaux éléments radioactifs qui a ouvert la voie à la médecine nucléaire, ainsi qu'à Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910‐1994) qui a permis la détermination des structures de substances biochimiques importantes grâce aux rayons X. Plus récemment, en 2017, le physicien lausannois Jacques Dubochet (1942‐) s'est également vu décerner le prix Nobel de chi