Physique-Biophysique - Première Année Médecine

Première Année Médecine Physique-biophysique Pr H’mida Latelli Département de physique Laboratoire de Physique et Chimie des Matériaux Equipe: Modélisation et Simulation des Matériaux 1  Programme de biophysique ❑ Electricité et phénomènes bioélectrique...

Première Année Médecine Physique-biophysique Pr H’mida Latelli Département de physique Laboratoire de Physique et Chimie des Matériaux Equipe: Modélisation et Simulation des Matériaux 1  Programme de biophysique ❑ Electricité et phénomènes bioélectriques (H. Latelli), S1 ❑ Biophysique des solutions et applications médicales (O. Meglali), S1 ❑ Optique géométrique – l’œil (B. Assaous), S2 ❑ Biophysique des rayonnements (N. Baadji), S2 Electrostatique Electrocinétique Bioélectricité membranaire et cellulaire 2  Introduction La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie. La biophysique tente d’expliquer le milieu vivant en utilisant les outils de la physique. La biophysique est une science interdisciplinaire : Médecine Pharmacologie Biophysique Biochimie Nanotechnologie Pour le traitement et pour le suivi du malade par de nombreux appareils de haute technologie qui repose sur des principes physiques, un bon médecin doit avoir un bagage solide en sciences fondamentales, en général, et en biophysique médicale en particulier. 3  Objectifs ❑ Connaitre les bases physiques et biophysiques utiles à la compréhension des échanges et au maintien des équilibres au sein de l’organisme, ❑ Comprendre les processus physiques à la base des différentes méthodes d’imagerie et exploration fonctionnelle, ❑ Acquérir les bases physiques du fonctionnement du microscope optique. 4  Electrostatique, électrocinétique et bioélectricité Electrostatique : L'électrostatique est la branche de la physique qui 5. Vecteur densité de courant étudie les phénomènes créés par des charges 6. Loi d’Ohm microscopique électriques immobiles (statiques) pour l'observateur. 7. Loi d’Ohm macroscopique 8. Loi de Joule 1. Phénomènes d’électrisation 9. Les réseaux électriques. 2. La charge électrique 3. Rappel mathématique (vecteurs) Bioélectricité : 4. La force électrique (force de Coulomb) 5. Champ électrique (E) La bioélectricité qualifie une électricité produite par 6. Potentiel électrique (V) des êtres vivants. Elle est un secteur particulier de 7. Energie potentiel électrique l'électricité lié aux effets des organismes vivants. Les 8. Caractéristiques importantes entre E et V éléments principaux sont le cerveau est les neurones. 9. Dipôles électriques 1. Transport des particules chargées 2. Canaux ioniques Electrocinétique : 3. Conductivité L’électrocinétique est l’étude du mouvement de 4. Modèle électrique d’une membrane l’ensemble des charges dans un circuit que l’on 5. Introduction à la propagation de l’influx nerveux appelle courant électrique. Les charges se déplacent 6. Activité électrique du cœur 7. Potentiels provoqués ou évoqués sous l’effet d’un champ électrique extérieur créé par une différence de potentiel. 1. Rupture d’un équilibre électrostatique 2. Obtention d’un courant permanent 3. Sens conventionnel du courant 5 4. Intensité du courant Electricité et phénomènes bioélectriques Partie 1 : Electrostatique https://elearning.univ-msila.dz/moodle/ 6  1. Electrostatique 0. La matière À l'échelle microscopique, la matière est formée d'un ensemble d'atomes ou de molécules reliées entre elles par des forces d’interactions de VAN DER WALLS. électron (0.0000001 fm) proton neutron Matière Molécule Atome Noyau (4 cm) (0.4 nm) (0.1 nm) (1 fm) 7  1. Electrostatique La matière Neutre Chargé positivement Chargé négativement + − 8  1. Electrostatique 1. Phénomènes d’électrisation Ce sont les grecs qui découvrirent les premiers phénomènes d’électrisation. Thalès de Milet observa que de l’ambre frottée par de la laine attirait des brins de paille. Thalès de Milet (625−547 av. J.C) Expérience : On frotte un morceau de verre avec de la laine. Si on approche le verre frotté à de petits morceaux de papier : Les morceaux de papier sont alors attirés par le verre. 9  1. Electrostatique Expérience réelle n° 1 : Frottez une "paille" en plastique avec un mouchoir en papier. Approchez cette paille électrisée à de petits morceaux de papiers ou d'aluminium posés sur une table isolante. Ils sont attirés et restent comme collés dessus. Vidéo Expérience réelle n° 2 : Frottez une "paille" en plastique avec un mouchoir en papier. Approchez-la d'un filet d'eau : il est puissamment dévié. Vidéo 10  1. Electrostatique Explication : Expérience réelle n° 1 En frottant le verre, il se charge positivement. Les électrons ont été arrachés par la laine. + En approchant le verre à ces petits morceaux de papier, ces derniers sont attirés par attraction. Comme ils sont neutres, leurs extrémités opposées seront chargées positivement : + 11  1. Electrostatique Explication : Expérience réelle n° 2 Quand on approche du jet une paille chargée négativement, les molécules d’eau s’orientent de telle manière que le barycentre des charges positives soit plus proche de la paille que le barycentre des charges négatives. La résultante des forces d’attraction entre les charges négatives de la paille et le centre des charges positives des molécules d’eau est plus intense que la résultante des forces de répulsion entre les charges négatives de la paille et le centre des charges négatives des molécules d’eau. 12  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement (C₈H₈)ₙ https://www.youtube.com/watch?v=_scdoJMZkFY&list=PPSV 13  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement 14  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement 15  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement 16  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement 17  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement 18  1. Electrostatique Il existe trois types d’électrisation : Par frottement, par influence et par contact. Par frottement ❶ : verre frotté ❷ : cuivre frotté ❸ : cuivre frotté L’expérience (1) montre que les charges acquises par frottement restent localisées dans la partie frottée du verre et ne se répondent pas sur toute la surface: le verre le PVC, l’ébonite etc. sont des isolants. L’expérience (2) montre que les charges dues à l’électrisation par frottement se déplacent dans le cuivre et s’écoulent vers la terre à travers le corps humain. Dans l’expérience (3), le gant empêche l’écoulement vers la terre. Cette exp. Montre que les métaux sont des conducteurs. 19  1. Electrostatique ❹ : Mise en évidence de 2 types d’électricité V.f Pvc.f V.f Pvc.f Pvc.f V.f ‫تنافر‬ ‫تنافر‬ ‫تجاذب‬ Répulsion Répulsion Attraction Ces expériences mettent en évidence 2 types d’électricité: Benjamin Franklin (1709−1790) les appela: ▪ Electricité positive + : portée par le verre frotté, ▪ Electricité négative − : portée par la résine frottée. Conclusion : 2 corps chargés de mêmes signes se repoussent , alors qu’ils s’attirent s’ils sont chargés de signes opposés. − + − + − +− − ++ − − − ++ + +− + +− + − + −+ −+ + +− + −+ −+ + − − + − Il ne se passe rien Répulsion Attraction 20  1. Electrostatique Par influence ❶ : Approchons un corps neutre d’un corps chargé positivement : − + − ++ + +− −++ −+ Dans cette expérience, les charges positives en excès du − corps chargé + vont attirer les électrons du corps neutre qui vont se concentrer sur la partie la plus proche du corps. C’est l’électrisation par influence. + −− + +− + + POLARISATION + − + +−− ❷ : Approchons un corps neutre d’un corps chargé négativement : − + − − + +− +− + Il en est de même pour (2). − − IMPORTANT : − + − +− Par influence, les charges ne se déplacent pas d’un corps à POLARISATION − ++ − + un autre. 21 − −  1. Electrostatique Par contact Lorsqu’un corps chargé touche brièvement un corps neutre, le corps neutre prend le même type de charges que celui du corps chargé. B A B A − +− − ++ − +− − −− + + − −+ −+ + + + − −+ −+ + B A B A − +− − ++ − +− − −− + + −+ −+ + + −+ −+ − + − + B A B A + + − − IMPORTANT : Ce sont toujours les électrons qui sont transférés. 22  1. Electrostatique Expérience réelle : le carillon électrostatique Vidéo 23  1. Electrostatique Explication : + - + - + + - - + - + + - - + - + - + - - -- + - ++ - -- - -- -- + - + - + - - - -- -- + - + - + - + - ++ - - + - - + + - - - + - + + - - + - + - + - + - + - + + - A B A B + - + + - + - - + + - + + + - - - -- + - - -- + -- -- + + -- -- + + - + - + - + - - - - + + + + - + - + - + - + - + 24 A B A B  1. Electrostatique Exemple : 1. Quelle est le type de charges du ballon E ? + + + − − − − + A B B C C D D E 2. Que se passe t-il si on approche A de D ? + − − + + + + + Répulsion A B B C C D A D 25  1. Electrostatique Exercice : expliquez le phénomène ! 26  1. Electrostatique 2. La charge électrique (q ouQ ) Un corps électrisé se caractérise d’un corps non électrisé par une propriété supplémentaire qui est l’électrisation. ▪ Il existe deux sortes de charges électriques : les charges positives et les charges négatives. ▪ Les charges négatives sont portées par des particules très petites appelées : électrons, ▪ Les charges positives sont portées par des particules moins petites appelées : protons. ▪ Tout corps contient à la fois les charges négatives et les charges positives. ▪ Dans un corps neutre les charges négatives et les charges positives se compensent : la charge totale est nulle. ▪ L’unité de la charge électrique est : le coulomb (C) , ampère-heure (Ah) : 27  1. Electrostatique 3. Rappel mathématique (les vecteurs) a) Définition Un vecteur non nul ( 𝑉  0 ) est défini par une direction (droite ), un sens (donné par une flèche) et une norme (sa longueur). norme B A extrémité origine () B 𝑉 𝐴𝐵 A 𝑢 𝑉 𝐴𝐵 𝐴𝐵 𝐴𝐵 = 𝐴𝐵 = 𝐴𝐵, , , , , 𝑢 = ⟶ 𝑢 =1 𝐴𝐵 28  1. Electrostatique b) Opérations sur les vecteurs 𝑉1 ❑ Opposé d’un vecteur : B 𝐴𝐵 A 𝑉2 B 𝑉 𝐵𝐴 A 𝐵𝐴 = − 𝐴𝐵 𝑉 = 𝑉1 + 𝑉2 ❑ Somme de deux vecteurs : 𝑉1 𝑉1 𝑉 𝑉2 𝑉2 29  1. Electrostatique ❑ Différence de deux vecteurs : 𝑉1 𝑉2 𝑉 −𝑉2 𝑉 = 𝑉1 − 𝑉2 = 𝑉1 + −𝑉2 𝑉1 𝑉1 −𝑉2 30  1. Electrostatique ❑ Produit d’un vecteur par un réel : ❑ Produit scalaire de deux vecteurs :  𝑉1 𝑉1  𝑉1 𝑉2 𝑉1 A 𝑉1 ()  O 𝑉2 B  𝑉1 à la même direction que 𝑉1 𝑉1. 𝑉2 = 𝑉1. 𝑉2 𝑐𝑜𝑠  𝑉1 à le même sens que 𝑉1 si >0 ou le sens contraire de 𝑉1 si 