|
Microscope3
PRÉSENTATION
REPÈRES
La partie « Repères » se termine par l'étude des microscopies en champ proche, apparues dans les années 1980 : microscopies à effet tunnel électronique, à force atomique, optique en champ proche. Leurs résolutions latérales et longitudinales se situent à l'échelle atomique. Tableau récapitulatif des différentes méthodes de microscopie (PDF, 14 ko)
Microscope optique à balayage Son principe Avec la microscopie optique à balayage, le champ n’est pas uniformément éclairé dans sa totalité, mais balayé de manière continue par l'image d'un point lumineux fournie par l'objectif lui-même, donc par un « spot » dont la dimension est du même ordre de grandeur que la limite de résolution. Le flux lumineux transmis ou réfléchi en chaque point de l'objet, donc à chaque instant du balayage, est recueilli par un photorécepteur unique fournissant une analyse spatiale du niveau photométrique de l’objet. L'image obtenue est donc construite séquentiellement point par point.La microscopie flying-spot est à l'origine de cette procédure. Le spot émis par l'écran d'un oscilloscope, ou tube analyseur, balayé selon une trame rectangulaire, est projeté dans le champ par le microscope (fig. 1). Un photorécepteur placé dans la pupille du condenseur capte l'information sur le facteur de transmission en chaque point de l'objet et délivre un signal photoélectrique qui, appliqué à un second oscilloscope ou tube moniteur dont le balayage est synchrone de celui du tube analyseur, permet l’affichage d’une image (signal appliqué au canon) ou une analyse photométrique de l’objet (signal appliqué à l'entrée).
Les améliorations La mise en œuvre de cette méthode de balayage optique présentant de sérieuses difficultés, celle-ci fut rapidement remplacée par la technique du balayage électronique de l'image à l’aide d’une chaîne de télévision classique captant l'image fournie par le microscope, facilitant l’observation collective mais limitant le champ analysé au nombre de points du standard télévision. Les possibilités actuelles des moyens informatiques et l’existence d’objectifs de microscope à champ plan qui permettent le traitement de l'information pour l'ensemble des points résolus de ce champ, ont favorisé un regain d’intérêt pour le balayage par l'image d'un point lumineux. Deux sortes de configuration se sont développées. La première, améliorant légèrement la résolution et permettant une analyse en profondeur de l'objet par sa faible latitude de mise au point, est dite confocale. Une source ponctuelle S étant projetée dans le plan de l'objet A, le flux lumineux transmis en ce point (fig. 2) est recueilli par un récepteur R, également ponctuel, par l'intermédiaire d'un second objectif identique au premier (de même ouverture numérique). L'objet doit être animé d'un double mouvement de translations orthogonales par rapport à l'ensemble des deux objectifs, ce qui n’est pas aisé à réaliser sans perturber la mise au point et sans limiter la fréquence de balayage compte tenu des masses des deux corps de microscope associés aux objectifs ou de celle de la platine porte-objet.
Microscope électronique à balayage De la microscopie électronique... La microscopie électronique (ME) emploie la propagation des électrons auxquels est associée une longueur d’onde beaucoup plus courte que celle de la lumière. Les électrons impressionnant la plaque photographique ou excitant la fluorescence, il est donc possible de recueillir des images agrandies formées avec ces corpuscules, à condition de les produire, de les propager, de pouvoir rassembler en un même point du récepteur tous les électrons issus d’un même point de l’objet, ce qui impose l’emploi d’optiques électroniques. De telles optiques présentent une certaine analogie avec les lentilles utilisées avec la lumière. En effet, soit un électron de charge élémentaire e et de masse m se propageant à la vitesse v1 dans un milieu où le potentiel électrique vaut -V1, donc d’énergie cinétique : 
   est assimilable à un indice de réfraction.Puisque mv = h/? et que la vitesse v varie comme , ? varie comme , de même qu’en optique, pour une onde de fréquence donnée, la longueur d’onde varie comme l’inverse de l’indice de réfraction. Ainsi, les trajectoires d’électrons réfractés peuvent être construites, comme en optique, par application du principe de Huygens.Les surfaces équipotentielles, perpendiculaires aux lignes de force, sont donc, pour les électrons, analogues aux dioptres pour la lumière. Il est alors possible de concevoir des lentilles électrostatiques (fig. 2), pourvu que, à la manière des dioptres des lentilles optiques, leur conception soit telle qu’elles engendrent des surfaces équipotentielles courbes.
Les particules sont émises, par effet thermoélectronique, par un canon à électrons, filament de tungstène à une température de l’ordre de 2 000 °C. Par rapport à une anode, ce filament est porté à une tension négative de 100 à 200 kV pour les microscopes courants, et jusqu’à 3 MV pour des instruments assez rares. Ce potentiel accélérateur définit l’énergie des électrons émis, c’est-à-dire leur vitesse ou leur longueur d’onde associée (de 40 à 25.10-4 nm pour les instruments courants). Une première lentille magnétique, le condenseur, éclaire l’échantillon placé dans la chambre objet. Un porte-objet permet son déplacement dans son plan et son orientation. Une seconde lentille magnétique de courte distance focale (de l’ordre du millimètre), l’objectif, donne une première image de l’objet, agrandie quelques dizaines de fois. Enfin, une lentille de projection fournit l’image définitive, au grandissement de l’ordre de 10 000, sur un écran fluorescent observable visuellement, l'écran pouvant être le miroir de renvoi dans la direction d'observation, ou sur une plaque photographique. L'ensemble de ces éléments est enfermé dans une enceinte étanche où règne une pression résiduelle au plus de l’ordre de 10-3 Pa. Quoique la longueur d’onde utilisée soit dix à vingt mille fois plus petite que celles que met en œuvre le microscope optique, la résolution du microscope électronique n’est pas améliorée dans le même rapport. Elle est en effet limitée par l’importance des aberrations chromatiques et géométriques des lentilles que, pour cette raison, il est hasardeux de multiplier, par la faible valeur de l’angle d’ouverture, de l’ordre du demi-degré, et également par des impératifs mécaniques. Dans les meilleurs des cas, on se contente d’une amélioration d’un facteur mille par rapport à l’optique, soit une limite de résolution de l’ordre de 20 nm.
... à la microscopie électronique à balayage Les microscopes électroniques à balayage ne fournissent pas comme les microscopes électroniques une image simultanée de l’ensemble du champ, mais ils la forment point par point en le balayant par un pinceau d’électrons très fin. Pratiquement en microscopie par transmission (fig. 4), un objectif forme sur l’objet une image très fine (de l’ordre de 0,2 nm) du faisceau d’électrons. Des bobines déflectrices assurent la déviation périodique du faisceau dans deux directions perpendiculaires pour que ce spot électronique balaie la partie observée de l’objet. Les électrons transmis, soumis à l’action de nouvelles bobines déflectrices, sont orientés vers un multiplicateur d’électrons ou une surface photosensible émettrice de photons transmis par un guide d’onde à un photomultiplicateur. L’intensité du signal de ce récepteur est adressée à un moniteur à balayage synchrone de celui du faisceau d’électrons.Ce type d’instrument est plus répandu dans sa version travaillant en microscopie par réflexion (fig. 5).
La tension d’accélération des électrons incidents est réglable – entre 100 V et 30 kV environ – pour répondre aux différents types d’analyse. La résolution est donc variable. Dépendant de la tension d’accélération régissant la longueur d’onde associée aux électrons et de la faible ouverture du faisceau qui détermine le diamètre du spot, à forte tension, elle est aussi perturbée par les électrons rétrodiffusés. Sa valeur optimale est de l’ordre de 20 nm pour des tensions comprises entre 1 et 10 kV. Microscope acoustique L’intérêt de la microscopie acoustique La microscopie acoustique est la seule méthode de visualisation à fournir des images du cœur de la matière, à l’échelle du micromètre.En effet, elle fournit des « images » de la structure interne des matériaux opaques à la lumière mais transparents aux ultrasons. On peut obtenir des images acoustiques d’échantillons de quelques centimètres carrés de surface sur quelques dizaines de micromètres d’épaisseur.
Les images acoustiques obtenues peuvent fournir des informations sur les propriétés mécaniques (densité, élasticité, viscosité, porosité, etc.) et sur la structure (relief, microfissures, etc.). Le principe de fonctionnement La microscopie acoustique n’est ni corpusculaire, ni électromagnétique : elle utilise les ondes mécaniques longitudinales que sont les vibrations acoustiques. Elle permet ainsi l’obtention d’images en profondeur. Les ultrasons apportent des informations sur les propriétés mécaniques de la matière. À une fréquence de l’ordre du gigahertz, compte tenu de la vitesse du son dans les milieux solides ou liquides, leur longueur d’onde est de l’ordre du micromètre. Pratiquement (fig. 1), un générateur G fournit un signal électrique modulé agissant sur un cristal piézoélectrique très mince T1 placé entre électrodes métalliques produisant un faisceau d’ultrasons. Celui-ci est focalisé sur l'objet A immergé dans un liquide, telle l'eau, par une lentille Cd, convergente à face de sortie sphérique concave (son indice de réfraction ou impédance acoustique étant inférieur à celui du liquide d'immersion), généralement en saphir particulièrement transparent aux ultrasons. Le faisceau, après traversée d’une lentille objectif Ob redonne, grâce à un transducteur T2, un signal électrique adressé à un tube moniteur M dont le balayage peut être synchrone de celui de l’objet. Pour un champ de quelques dizaines de micromètres, des images au grandissement de 10 000 peuvent être obtenues avec une résolution au mieux de 0,1 µm.
Les applications Les ultrasons, rayonnements non ionisants et non destructifs, permettent un contrôle non destructif (CND) des matériaux, par l’observation des solides ou des tissus vivants sans les endommager (ultrasons de faible intensité, de quelques milliwatts à quelques centaines de milliwatts), en particulier sans recourir à une attaque chimique.Les applications sont nombreuses dans la recherche et l’industrie pour détecter des défauts dans des matériaux multicouches optiquement opaques, avec des résolutions allant de 1 µm à 1 mm. Cette technique est également utilisée dans les domaines médical et agroalimentaire. En microélectronique Les composants électroniques sont riches en structures géométriques et multicouches. L’inspection des microcircuits permet de détecter les nombreuses défaillances nuisibles à la fiabilité des composants (défauts, problèmes d’adhérence dans des zones soumises à de fortes densités de courant électrique, etc.).Dans la métallurgie On rencontre deux grands types d’applications : analyse en profondeur pour les problèmes de soudures, fractures, décollements ; analyse de la surface pour les revêtements, l’usure, etc.On peut ainsi distinguer une couche adhérente d’une couche décollée. Des microscopes acoustiques assistés de robots sont utilisés pour étudier en « environnement hostile » l’état d’endommagement des aciers soumis à des irradiations d’origine nucléaire (expérience en « cellule chaude »). L’instrument fonctionne à des fréquences de 15 MHz à 1 GHz, sur des épaisseurs de 3 à 600 µm, avec une résolution allant du millimètre au micromètre. Ainsi, l’oxydation des tubes contenant le combustible au sein d’un réacteur nucléaire, soumis à des pressions de 30 à 150 bars, à 350 °C, a été étudiée à la centrale nucléaire de Chinon (Indre-et-Loire). Concernant les polymères Il est possible de contrôler l’homogénéité de structure de nombreux polymères, la structure moléculaire locale, l’orientation des chaînes, etc.Des études sont faites sur le passage monomère/polymère sous l’action du rayonnement ultraviolet (UV), ainsi que sur le vieillissement des matières plastiques, affectées par les UV.
Concernant les matériaux poreux La vitesse des ondes est fonction de la taille des pores par rapport à la longueur d’onde utilisée.Il existe des matériaux poreux naturels (pierre, sédiments, etc.) ou synthétiques (brique, ciment, béton, verre fritté, semi-conducteurs poreux, etc.). Le CND intervient à trois niveaux : contrôle pour des utilisations mécaniques, contrôle de capteurs à base de matériaux poreux, contrôle de la protection de ces matériaux. Certains capteurs qui associent le silicium poreux et des composants électroniques, peuvent être complètement contrôlés par ces méthodes. Des mesures de porosité ont été effectuées sur du combustible nucléaire vierge ou irradié, tel le dioxyde d’uranium UO2, mesures importantes pour définir la qualité du combustible nucléaire et connaître ses propriétés mécaniques. Ces tests permettent de quantifier le vieillissement des éléments exposés aux radiations, ce qui aide à déterminer la durée de vie des centrales et a donc une grande importance économique. Dans le domaine biomédical L’intérêt majeur est de pouvoir observer des organes ou des tissus vivants sans les colorer et sans perturber leur fonctionnement (biopsies en salle d’opération). Les applications médicales les plus courantes utilisent des fréquences de 5 à 30 MHz, pour étudier par micro-échographie les structures situées par exemple sous la peau (vaisseaux sanguins sous-cutanés).En particulier, plusieurs techniques d’imagerie par ultrasons permettent de mesurer la vitesse d’écoulement sanguin dans les vaisseaux. On trouve, d’une part des techniques utilisant l’effet Doppler (Christian Johann Doppler, 1842) : le décalage en fréquence entre l’onde incidente et l’onde réfléchie est proportionnel à la vitesse de déplacement des globules rouges ; d’autre part, la technique appelée imagerie vasculaire couleur (IVC) qui permet, grâce à un traitement élaboré du signal échographique, de mesurer la vitesse des globules rouges indépendamment de la fréquence des ultrasons et avec une meilleure résolution spatiale. À des fréquences de 400 MHz à 1 GHz, on peut explorer par microscopie acoustique des échantillons d’os ou de cartilage, étudier des pathologies telles que l’ostéoporose (par la mesure de la densité minérale de l’os) ou l’arthrose (mesure de l’élasticité du cartilage, constitué de fibres de collagène : voir paragraphe sur les applications concernant les polymères ci-dessus), ou même le mécanisme d’action de molécules thérapeutiques. C’est aussi par cette technique que, par exemple, on a pu étudier l’émail de dents fossiles rares. Dans le secteur agroalimentaire On commence à utiliser ces procédés microscopiques dans le contrôle de produits frais soumis à des techniques de conservation et de stockage diverses. Ainsi on peut suivre l’élasticité de certains composants de la viande en fonction de son état de maturation, ou bien contrôler la torréfaction des grains de café ou de cacao. Les principales techniques de microscopie acoustique
La micro-échographie acoustique Assez simple à mettre en œuvre, elle s’apparente à la technique du sonar ou de l’échographie médicale. Elle utilise le balayage X,Y avec un signal ultrasonore court (impulsion) et un faisceau de petit angle (voir fig. 2). L’étude de l’amplitude du signal réfléchi permet de réaliser des images acoustiques caractéristiques des propriétés de la surface de l’échantillon (géométriques ou mécaniques). Les informations recueillies sont qualitatives. Les signaux se déplacent dans le volume de l’objet. La mesure du temps mis par le signal transmis pour le traverser permet, connaissant la vitesse longitudinale dans le matériau, de calculer la profondeur d’un défaut, l’épaisseur de l’échantillon et quelques constantes élastiques.Remarque Dans le liquide de couplage, l’onde incidente est longitudinale (onde de compression). À l’interface liquide-solide, elle donne naissance à une onde réfléchie longitudinale et à deux ondes transmises : l’une longitudinale, l’autre transversale (phénomène analogue aux ondes sismiques de cisaillement, transversales, ou de compression, longitudinales), qui se propagent à des vitesses différentes. Ces ondes obéissent aux mêmes lois de réfraction qu’en optique pour les matériaux transparents.
La micro-interférométrie acoustique : images et signatures acoustiques La micro-interférométrie acoustique utilise un signal de durée plus longue (mode train d’ondes), à des fréquences de 25 à 300 MHz et un faisceau à grand angle. Le faisceau est dit alors « défocalisé » sur l’objet, et l’interaction des ultrasons et de l’objet génère des ondes de surface qui se propagent à la surface du matériau, d’une façon évanescente (ondes pseudo-périodiques amorties). Sur leur trajet, ces ondes rencontrent les ondes réfléchies issues des ondes arrivées en incidence normale. La « combinaison » de ces deux catégories d’ondes, à l’arrivée sur le capteur, fournit un signal V(z) appelé signature acoustique. Lorsque l’échantillon est déplacé vers la lentille suivant l’axe z (voir fig. 3), les trajets des deux types d’ondes sont modifiés et V(z) varie. Le trajet de l’onde évanescente dépend de sa vitesse à la surface, vitesse liée aux constantes élastiques du matériau : l’étude de V(z) renseigne donc quantitativement et point par point sur les propriétés du matériau.
Notons l’existence de microscopes acoustiques munis d’une pointe de microscope à force atomique comme détecteur, ce qui fournit une résolution spatiale liée à la dimension de cette pointe, indépendante de la longueur d’onde utilisée, et améliorée d’un facteur 10 par rapport au microscope acoustique classique. Microscopies en champ proche Les microscopes en champ proche, microscopes à balayage apparus dans les années 1980, ont des résolutions latérale et longitudinale à l'échelle atomique. L’un de ces instruments (STM ou Scanning Tunneling Microscope) met en œuvre l'effet tunnel électronique. La microscopie à effet tunnel électronique À la surface d'un conducteur existe un nuage d'électrons dont la densité décroît exponentiellement avec la distance à la surface. En approchant une pointe de dimension théoriquement monoatomique également conductrice à quelques dixièmes de nanomètre, les nuages d'électrons correspondant aux deux conducteurs se mélangent. Il leur est possible de franchir une barrière de potentiel (effet tunnel).Si l’on applique une différence de potentiel entre les deux conducteurs, cela donne naissance à un courant électrique décroissant exponentiellement avec la distance, ce qui permet de mesurer par balayage le profil de la surface au centième de nanomètre près avec une résolution latérale de quelques dixièmes de nanomètre. Pour une différence de potentiel de l’ordre du volt, la distance entre objet et pointe étant d’un nanomètre, ce courant est de l’ordre du nanoampère. Pratiquement (fig. 1), entre la pointe en tungstène et l’échantillon, une différence de potentiel V est appliquée. La pointe est solidaire de trois céramiques piézoélectriques CxCyCz pilotant le balayage de l’objet dans deux directions et réglant la distance de la pointe. En effet, on ne procède pas à la mesure du courant à hauteur de pointe constante, mais on opère à courant constant en asservissant la position à distance constante de la pointe par une tension Vz appliquée à la céramique Cz. L’enregistrement de cette tension de commande fournit la topographie de l’échantillon. De l’ordre de 5 pm, l’incertitude sur la distance peut être considérée comme l’ordre de grandeur de la résolution longitudinale. La résolution latérale, qui ne dépend que de la qualité de la pointe, est du domaine du nanomètre.
La microscopie à force atomique À quelques dixièmes de nanomètres, des forces atomiques s’exercent entre les atomes d’une pointe et ceux de la surface de l'objet. D’abord attractives et de quelques nanonewtons, elles deviennent répulsives en augmentant quand la distance décroît pour atteindre la centaine de nanonewtons. Les instruments conçus dans cet esprit (fig. 2) sont dotés des mêmes éléments de motorisation et d’asservissement que les précédents. La pointe, en diamant ou en silicium monocristallin, est solidaire d’une lame ressort dont les déplacements sont enregistrés pour restituer la topographie de l’échantillon. Ces déplacements peuvent être mis en évidence soit électriquement par effet capacitif, soit grâce à l’association d’un STM, soit encore optiquement en détectant la déflexion d’un faisceau lumineux ou par interférométrie. Avec de tels instruments, on atteint une résolution longitudinale de 10 pm et latérale de 0,3 nm.
La microscopie optique en champ proche En microscopie optique classique, on utilise, à distance plus grande que la longueur d'onde de la lumière (en champ lointain), les ondes propagées après diffraction par l'objet. La résolution latérale est nécessairement limitée à la demi-longueur d'onde de la lumière car l’angle d’ouverture de l’objectif ne peut dépasser 90°. Ainsi la direction de propagation des ondes est limitée à l'incidence rasante. Or un objet plus petit que cette limite détectable, correspondant à des fréquences supérieures à 2/?, diffracte une onde possédant des composantes non radiatives à ces fréquences. Celles-ci ne se propagent pas et restent localisées au voisinage de l'objet (constituant le champ proche) avec une amplitude décroissant exponentiellement avec la distance à sa surface (onde évanescente). Il est donc nécessaire de pouvoir capter les informations qu’elles contiennent sur ces hautes fréquences. Or, par principe de réciprocité, si un petit objet placé dans une onde propagative crée une onde évanescente, à l'inverse, placé dans une onde évanescente, il en transforme une partie en onde propagative pouvant être détectée par une optique classique. Il suffit alors d’éclairer l’objet au travers d’un trou de dimension inférieure à la demi-longueur d’onde ou par la pointe effilée d’une fibre optique, définissant ainsi la résolution latérale, pour créer l’onde évanescente. Les premiers instruments apparus dans les laboratoires (NFOS pour Near Field Optical Scanning microscopes) étaient conçus suivant ce principe. Plus récemment ont été développés d’autres instruments (STOM pour Scanning Tunneling Optical Microscope ou PSTM pour Photon Scanning Tunneling Microscope) basés sur un autre principe de production de l’onde évanescente.Une onde évanescente confinée au voisinage d'une surface peut être produite par réflexion totale (fig. 3). Une onde se propageant dans un milieu d'indice n1 subit une réflexion totale interne à l'interface avec un milieu d'indice n2 inférieur à n1 quand l'angle d'incidence ?1?est supérieur à l'angle limite ?L?tel que sin ?L = n2 / n1.
Dans un instrument construit en application de ce principe (fig. 4), l'objet est déposé sur la face plane d'un prisme hémicylindrique. Un laser He - Ne l'éclaire au travers de ce support sous un angle d’incidence supérieur à l'angle limite et réglable afin d'adapter la distance de pénétration à l'épaisseur de l'objet. Un polariseur permet d’agir sur le niveau d’intensité du faisceau d'éclairage. L'onde évanescente est recueillie par la pointe d’une fibre optique de rayon de courbure inférieur à 50 nm. Des composants piézoélectriques pilotent le déplacement de la fibre dans trois directions afin d'assurer pointage et balayage. Pour une résolution latérale inférieure à 10 nm, la résolution longitudinale est inférieure à 0,5 nm. Ce type de réalisation, assez proche de celles des STM ou AFM, peut profiter des mêmes éléments périphériques.
EN PRATIQUE
Les propriétés des ultrasons
Séance de TP cours proposée Fiche professeur Objectifs
Prérequis Ce TP nécessite :– d’avoir déjà étudié le principe de fonctionnement de l’oscilloscope ; – d’avoir effectué un TP de manipulation de l’oscilloscope ; – d’avoir mis en évidence les ultrasons à l’oscilloscope. Matériel Pour chaque binôme : – un générateur d’ultrasons ; – un émetteur et un récepteur d’ultrasons ; – un oscilloscope ; – une plaque métallique ; – un grand rapporteur sur papier, une grande règle. Déroulement du TP cours Fiche élève imprimableI. Expérience révélant la directivité des ultrasons Brancher l’émetteur au générateur d’ultrasons.Brancher l’émetteur et le récepteur respectivement sur les voies A et B de l’oscilloscope. Déplacer le récepteur d'ultrasons sur un arc de cercle dont le centre est l'émetteur et observer à l'oscilloscope. Prendre la peine de bien régler l’oscilloscope du point de vue sensibilité. Demander au professeur de vérifier. Comment varie le signal donné par le récepteur pendant ce déplacement ? Conclure. Proposition de réponses Observation La tension détectée est maximale lorsque le récepteur se situe sur l'axe de l'émetteur. La tension reste constante dans un cône étroit : – 5° < a < + 5°, tandis qu'elle diminue rapidement dès que a dépasse 8 degrés. Conclusion Un faisceau d'ultrasons est directif. II. Expérience pour étudier la propagation et l’absorption des ultrasons dans l’air Placer l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre et collés l’un contre l’autre.Éloigner progressivement le récepteur de l’émetteur le long de l’axe de l’émetteur. 1. Observer comment varie la réception du signal dans l’air pendant l’éloignement du récepteur (penser à modifier la sensibilité de la voie B de l’oscilloscope en conséquence). 2. Évaluer la distance minimale pour laquelle le récepteur ne détecte plus les ultrasons émis par l'émetteur. 3. Quelle(s) conclusion(s) cette expérience permet-elle de tirer sur la propagation et la réception des ultrasons dans l’air ? 4. Les ultrasons sont utilisés pour mesurer la profondeur des fonds sous-marins (sonar). Ils sont également utilisés en échographie prénatale grâce à la présence du liquide amniotique entourant le fœtus. Quelle hypothèse peut-on émettre quant à la propagation des ultrasons dans les liquides ? Proposition de réponses La réception détectée décroît rapidement quand le récepteur s’éloigne de l’émetteur : les ultrasons sont rapidement atténués. L’air absorbe beaucoup les ultrasons. Les ultrasons sont moins absorbés par les liquides que par l’air. III. Expérience mettant en évidence la réflexion des ultrasons 1. Placer côte à côte et dans le même sens l'émetteur et le récepteur d'ultrasons. Observer.2. Tourner légèrement le récepteur pour qu'il fasse un petit angle avec l'émetteur. Observer. 3. Ajouter une plaque métallique face aux deux transducteurs. Observer. 4. Dans quel cas le récepteur détecte-t-il un signal ? Conclure. Proposition de réponses Le récepteur ne détecte un signal qu'en présence d'une plaque métallique placée devant les deux transducteurs (si la sensibilité de l’oscilloscope est bien réglée). Les ondes ultrasonores ont donc été réfléchies sur l'écran métallique pour pouvoir atteindre le récepteur. IV. Expérience pour étudier la réflexion des ultrasons Faire pivoter l'écran métallique placé devant les deux transducteurs pour détecter la position de l'écran qui permet d'obtenir une amplitude maximale de l'onde détectée. Observer l’évolution de la mesure de l’angle d’incidence et celle de la mesure de l’angle de réflexion. Proposition de réponses Conclusion : la mesure de l’angle d’incidence devient sensiblement égale à la mesure de l’angle de réflexion. On énonce avec les élèves les deux lois de Descartes sur la réflexion. L'échographie
Activité documentaire Fiche professeur
Niveau Section SMS, classe de première en sciences physiques.Compétences mises en œuvre Capacité de l'élève à savoir utiliser les TICE (recherche documentaire et utilisation d’un logiciel de traitement de texte), à réinvestir ses connaissances, à exploiter les documents et à rédiger un exposé sur un sujet précis.Activité documentaire Fiche imprimable pour l’élèveOn peut demander aux élèves de travailler en binôme. Travail à réaliser 1. Rechercher sur Internet, sur l’Intranet du lycée ou dans une encyclopédie le principe de l’échographie et répondre aux questions suivantes :a) Quel objet place-t-on sur le corps du patient ? b) Quel est le rôle joué par cet objet ? c) Quel est le principe d’une échographie ? d) Quels avantages l’échographie présente-t-elle par rapport à d’autres techniques d’imagerie médicale plus dangereuses ? Justifier la réponse. 2. Rédiger le principe de l’échographie en faisant une synthèse à partir de la lecture des documents recueillis et en utilisant les réponses aux questions précédentes. 3. Mentionner obligatoirement les références de ces sources. 4. Présenter le travail à l’aide d’un logiciel de traitement de texte. Le rendre au début de la séance suivante. Propositions de réponses 1. a) L’objet placé sur le corps du patient est une sonde. b) La sonde joue à la fois le rôle d’émetteur et de récepteur d’ultrasons. c) L'échographie utilise les ultrasons. C'est une technique médicale consistant à visualiser certains organes à l'aide de sons à haute fréquence (ultrasons). d) Les sons, de même que les ultrasons, sont des vibrations mécaniques, donc non dangereuses. 2. L’échographie utilise la réflexion et la transmission des ondes ultrasonores par les différents milieux du corps humain : les ondes ultrasonores pénètrent dans les tissus et se réfléchissent en partie chaque fois qu'elles changent de milieu. La sonde reçoit les sons réfléchis par les organes. Connaissant le temps de retour de l'onde réfléchie, son amplitude et sa vitesse de propagation, on en déduit des informations sur l'organe : nature et épaisseur des milieux traversés. L'ordinateur couplé à la sonde compile toutes les informations et réalise une image de synthèse des organes sondés. Cette technique n’est pas dangereuse, car elle utilise les ultrasons qui sont des ondes mécaniques, par opposition à la radiographie qui utilise des ondes électromagnétiques de courtes longueurs d’onde. La microscopie acoustique (1re)
Travail sur texte Fiche professeur
Niveau Section SMS, classe de première en sciences physiques.Compétences mises en œuvre
Objectifs
Travail à réaliser Fiche élève imprimableLes élèves doivent répondre à un questionnaire après la lecture d’un passage d’un texte relatif à la microscopie acoustique figurant dans la partie Repères de ce dossier. Après avoir lu attentivement le texte ci-dessous relatif à la microscopie acoustique, répondre aux questions.
Questions Les questions en italique se rapportent au cours. Les autres questions se rapportent au texte et permettent de réinvestir les connaissances du cours. 1. Quelles sont les ondes utilisées en microscopie acoustique ? De quelle nature sont-elles ? 2. Nommer deux ondes de nature électromagnétique. 3. Les ultrasons apportent des informations sur les différents tissus traversés dans le corps humain. Quelles sont les propriétés des ondes ultrasonores qui permettent de déterminer la nature et l'épaisseur des milieux traversés en échographie ? 4. En parlant de la microscopie acoustique, le texte précise : « Elle permet ainsi l'obtention d'images en profondeur. » Plusieurs techniques d'imagerie médicale permettent d’obtenir des informations sur la structure de l’intérieur d’un objet opaque à la lumière, matériau vivant ou inerte ; citer deux de ces techniques que vous avez étudiées cette année. Quelle est la nature des ondes utilisées pour chaque technique ? 5. En parlant des ultrasons, le texte précise que : « À une fréquence de l'ordre du gigahertz, compte tenu de la vitesse du son dans les milieux solides ou liquides, leur longueur d’onde (en parlant des ultrasons) est de l'ordre du micromètre. » Exploiter cette phrase pour retrouver l'ordre de grandeur de la vitesse de propagation du son dans ces milieux en utilisant la relation V = ?f. Propositions de réponses 1. Les ondes ultrasonores. Ce sont des ondes mécaniques.2. Les ondes lumineuses, les ondes ultraviolettes. 3. La réflexion et la transmission des ultrasons. 4. L'échographie qui utilise les ondes ultrasonores, donc des ondes mécaniques ; la radiographie aux rayons X qui utilise des ondes électromagnétiques. 5. Ordre de grandeur de la vitesse du son dans les milieux traversés : V = 1 000 m/s. La microscopie acoustique (Tle)
Travail sur texte Fiche professeur Niveau Lycée, terminale S en sciences physiques pour les connaissances théoriques mises en jeu, et en SVT pour certaines applications.Compétences mises en œuvre Lecture et exploitation d’un texte scientifique.Réinvestissement des connaissances du cours dans des situations voisines. Situation Cette activité fait appel à des connaissances relatives essentiellement à la partie A (ondes) du tronc commun de physique. Ainsi peut-elle être proposée assez tôt dans l’année scolaire. Elle s’inscrit également dans le thème « Images » des TPE de terminale.Objectifs Comprendre le principe du microscope acoustique et son intérêt dans de nombreuses applications.Réinvestir des notions rencontrées dans le programme de physique. Travail à réaliser Fiche élève imprimableAprès une lecture attentive du texte sur la microscopie acoustique, répondez aux questions proposées.
Questions sur le texte et autour du texte Les questions en italique portent sur les connaissances du cours de terminale S.Les autres questions portent sur le document proprement dit. 1. Par qui et à quelle époque ont été découverts et utilisés les ultrasons ? 2. Dans un solide, les ondes mécaniques peuvent être longitudinales ou transversales. Qu’appelle-t-on onde longitudinale ? Qu’appelle-t-on onde transversale ? Citez un phénomène naturel dans lequel les deux types d’ondes se propagent. 3. Dans un fluide (air ou liquide) les ultrasons sont des ondes progressives mécaniques périodiques longitudinales. Pour une onde sonore ou ultrasonore, quelle est la grandeur physique liée au milieu de propagation qui varie alors de façon périodique en chaque point de ce milieu ? 4. Lors de la propagation d’une onde mécanique, y a-t-il transport de matière ? d’énergie ? 5. Qu’appelle-t-on des hypersons ? 6. La vitesse de propagation (ou célérité) d’une onde mécanique est une propriété du milieu de propagation. En particulier, plus un milieu est rigide, plus les ondes mécaniques s’y propagent rapidement. Expliquez pourquoi la célérité des ultrasons est plus grande dans les solides (saphir) que dans les liquides (eau) et que dans l’air. 7. Rappelez la relation liant la fréquence f d’une onde périodique et sa longueur d’onde ? dans un milieu où sa célérité est v. Précisez les unités de ces trois grandeurs dans cette relation. Calculez la longueur d’onde dans un cristal d’un hyperson de fréquence 1013 Hz (10 THz) sachant que sa célérité dans ce cristal est de 3,3 km.s-1. 8. Qu’appelle-t-on résolution spatiale de l’instrument ? Quel est l’ordre de grandeur de la meilleure résolution obtenue ? Que peut-on faire pour l’améliorer ? Cette solution est-elle applicable pour toutes les observations ? 9. D’après le texte, quel est l’ordre de grandeur de la longueur d’onde dans le saphir des ultrasons de fréquence 1 GHz ? En déduire leur célérité dans le saphir (vsaphir ) puis dans l’eau (veau). Que vaut la longueur d’onde de ces ultrasons dans l’eau ? En déduire la résolution spatiale d’un microscope utilisant ces ultrasons. 10. Lorsque l’onde ultrasonore traverse le dioptre saphir/eau, quelle grandeur reste constante : la célérité ? la fréquence ? la longueur d’onde ? 11. La résolution spatiale de l’instrument est limitée par la diffraction qui élargit la tache focale. Expliquez en quoi consiste le phénomène de diffraction d’une onde. Réponses aux questions sur le texte et autour du texte 1. Les ultrasons ont été découverts par Galton en 1883. Il s’agissait de vibrations de fréquences juste supérieures aux fréquences audibles (c’est-à-dire juste supérieures à 20 000 Hz), produites par un sifflet dit « sifflet à chien ».2. Une onde est dite longitudinale lorsque le déplacement local des points du milieu de propagation s’effectue parallèlement à la direction de propagation. Des exemples classiques sont les ondes de « compression-dilatation » des spires le long d’un ressort hélicoïdal ou les ondes sonores dans un milieu élastique (gaz, liquide ou solide). Une onde est dite transversale lorsque le déplacement local des points du milieu de propagation s’effectue perpendiculairement à sa direction de propagation. Il s’agit par exemple des ondes le long d’une corde tendue, ou à la surface de l’eau. Les ondes sismiques peuvent être transversales (ondes de cisaillement) ou longitudinales (ondes de compression). 3. Au passage d’une onde sonore ou ultrasonore dans un fluide, la grandeur physique affectée au cours du temps est la pression (du gaz ou du liquide), qui varie périodiquement à la même fréquence que la source sonore. Chaque point du milieu reproduit, avec un retard, la vibration de la source. 4. La propagation d’une onde mécanique correspond à une propagation d’énergie depuis la source. Il n’y a pas de transport de matière de la source jusqu’à un point atteint par l’onde. 5. Les hypersons sont des ultrasons de fréquences très élevées, comprises dans la bande de 200 MHz à 100 GHz et jusqu’à 10 THz depuis peu. 6. Les solides sont plus rigides que les liquides, eux-mêmes plus rigides que les gaz. 7. La relation entre la longueur d’onde ? , la fréquence f et la vitesse de propagation ou célérité v est : ? = v / f avec ? en mètres (m), v en m.s–1 et f en hertz (Hz) ? = 3 300 / 1013 = 3,3. 10-10 m = 0,33 nm (ordre de grandeur de la dimension des atomes). 8. La résolution spatiale du microscope est la dimension du plus petit détail observable grâce à l’instrument. La meilleure résolution est actuellement de l’ordre du micromètre (µm = 10-6 m). On peut l’améliorer en refroidissant le milieu de propagation (ce qui diminue la célérité, donc la longueur d’onde, donc la taille la plus petite « visible »). Cette solution n’est pas utilisable pour observer les milieux biologiques vivants. 9. Dans le paragraphe « Principes d'un microscope acoustique », on trouve que pour f = 1 GHz = 109 Hz ? ˜ 1 µm = 10-6 m. On en déduit vsaphir = ? . f = 10-6. 109 = 1 000 m.s-1 . On nous indique que veau/vsaphir = 0,135. Donc veau = 0,135. vsaphir = 135 m.s-1 . La longueur d’onde de ces ultrasons (hypersons) dans l’eau est ?eau = veau / f = 135 / 109 = 1,35. 10-7m = 0,135 µm. La résolution spatiale de l’instrument étant de l’ordre de la demi-longueur d’onde dans le liquide de couplage, elle est ici de l’ordre de ?eau/2 ˜ 0,07 µm, soit 0,1 µm pour l’ordre de grandeur . 10. A la traversée d’un dioptre, la fréquence f de l’onde ne change pas. Comme la célérité n’est pas la même dans deux milieux différents, la longueur d’onde ? change lors du passage d’un milieu de propagation à un autre (voir question 9). 11. Il y a diffraction d’une onde lorsque la propagation de cette onde arrivant sur un obstacle ou une ouverture est modifiée. Par exemple lorsqu’une onde plane est diffractée, on observe après l’obstacle une onde circulaire (ou sphérique). Le phénomène de diffraction est d’autant plus marqué que les dimensions de l’ouverture sont petites. Il devient en général observable pour des dimensions de l’obstacle voisines de la longueur d’onde de l’onde incidente. POINT DOC
Bibliographie Extrait des actes des 8es Journées Informatique et pédagogie des sciences physiques de l'Union des physiciens (UDP)ATTAL Jacques ; DESPAUX Gilles ; AUGEREAU Franck Montpellier, 1998. L’avancée des techniques de caractérisation microacoustiques dans le monde des microtechniques. Laboratoire d’analyse des interfaces et de nanophysique - UPRESA-CNRS 5011. Université Montpellier-II, Sciences et techniques du Languedoc. La Microscopie acoustique ATTAL Jacques La Recherche, 1983, volume 14, n° 144, p. 664-667. Article de vulgarisation portant sur la méthode, ses problèmes et ses applications à la connaissance des matériaux. Microscopie quantitative DE HOFF R. T. ; RHINES F. N. Masson, 1972. Présentation détaillée de cette microscopie. Microscopie ROBLIN Gérard Techniques de l'Ingénieur, décembre 1998. Tour d'horizon sur les différentes méthodes de microscopie (optique, électronique, acoustique, champ proche), leurs applications, leurs perspectives. Contient l'historique de la microscopie. La Microscopie optique ROBLIN Gérard Techniques de l'Ingénieur, septembre 1999. Microscopies optiques à balayage ROBLIN Gérard Techniques de l'Ingénieur, 1999. Présentation détaillée des microscopies optiques à balayage : confocale à balayage laser et champ proche. Microscopie par effet tunnel SALVAN F. Techniques de l’Ingénieur, 1989. Présentation détaillée de cette microscopie (purement électronique). Web Applications récentes de la microscopie Nucléaire : détection des fissures des installations nucléairesDes chercheurs du Laboratoire des interfaces et de nanophysique, unité associée CNRS-Université Montpellier 2, viennent, en collaboration avec les ingénieurs d'EDF, de créer un microscope acoustique, en partie robotisé, apte à détecter l'usure des matériaux irradiés ou la porosité du combustible. www.cnrs.fr/ Visualisation des gradients de structure dans les matériaux Le développement du microscope acoustique à balayage travaillant en réflexion a permis la visualisation des gradients de structure dans les matériaux. Les images acoustiques obtenues contiennent des informations relatives aux propriétés mécaniques et à la structure des matériaux (densité, élasticité, viscosité, adhérence, topographie, etc.). www.bls.fr/ Évolution des techniques Du microscope électronique à la microscopie en champ procheConférence du vendredi 6 juillet 2001 de Jean Klein, diffusée par le site du Monde, au format Real audio. www.lemonde.fr/ Le microscope ultime Les physiciens du Centre européen de recherche nucléaire (CERN) étudient les constituants de la matière au niveau subatomique. Comment les physiciens étudient les particules ? les accélérateurs : le microscope absolu. http://public.web.cern.ch/ À propos Ce dossier présente, dans la collection « Thém@doc », un ensemble de références et de pistes de travail pour répondre aux besoins des programmes de lycée en physique-chimie. Les caractéristiques essentielles que nous souhaitons promouvoir à travers lui tirent parti des potentialités de l'Internet : - il est évolutif ; - il est mutualiste (échanges et capitalisation des données et des méthodes d'enseignement sur ce thème) ; - il instaure des liens nombreux avec un monde en constante mutation ; - il est le plus objectif possible avec des données chiffrées issues de sources les plus récentes. Les conditions d'usage de « Thém@doc » précisent l'exploitation de ces dossiers ainsi que les clauses légales relatives à la collection et à chacun des dossiers. Ce dossier a été réalisé par le CNDP. Directeur de publication : Claude Mollard, directeur général. Auteurs : Gérard Roblin, ancien directeur de recherche au CNRS d'Orsay, département d'optique ; Madeleine Masles, Catherine Bouyssou, professeurs de sciences physiques et chimiques. Expertise pédagogique : Gérard Roblin, ancien directeur de recherche au CNRS d'Orsay, département d'optique ; Françoise Ribière, IA-IPR de sciences physiques et chimiques ; Yves Kaminsky, professeur de sciences physiques et chimiques ; Catherine Bouyssou, chef de projet. Avec la participation de Max Horn, IA-IPR de sciences physiques et chimiques, et de Jacques Treiner, président du groupe d'experts sur les programmes scolaires de physique-chimie. Crédits photos : Microscope électronique à balayage, Microscope à force atomique, Surface de silice, Surface d'une vitro-céramique, © Institut d'optique d'Orsay. Texture interne d'une résine époxy, Surface d'un échantillon de résine et sa structure interne visualisées au microscope acoustique, © CRTBT CNRS Grenoble. Remerciements
Documents
microscopie quantitative La numérisation des images consiste à quantifier les informations qu’elles contiennent en affectant à chacun de leurs points, repérés par leur position sur une ligne (abscisse) et le rang de cette dernière (ordonnée), un nombre représentatif de leur niveau photométrique. Le signal analogique fourni par une caméra de télévision ou, plus généralement, par le récepteur de tout type d'instrument à balayage, permet le développement de cette procédure.La fréquence d’une horloge, calculée à partir de la durée d'un balayage, du nombre de points par ligne et du nombre de lignes balayées, permet d’échantillonner le champ suivant une trame de points représentés par une succession de bits correspondant au nombre de niveaux analysés. Il est fréquent d’effectuer l’analyse suivant 256 niveaux (8 bits) ou 512 niveaux (16 bits). Cette suite de bits est mise en mémoire ; elle peut ainsi être restituée en temps différé ou être traitée par un ordinateur éventuellement préprogrammé pour fournir des mesures de longueurs, de périmètres, de surfaces, compter des structures de même forme, de même dimension ou de même niveau, les localiser dans le champ, comparer des images successives pour déterminer les variations de ces grandeurs ou la mobilité de constituants en direction et vitesse, etc. Ce traitement peut être fait en temps réel si la capacité mémoire de l’ordinateur est suffisante et si sa vitesse d’acquisition est compatible avec celle du balayage. En introduisant des tests d’intercomparaison locale pour corriger les défauts d’éclairage du champ, on peut afficher des particularités, contours de niveau ou tri de forme ou de dimension identique. Évoluant rapidement, les équipements fournis aux utilisateurs sont dotés de logiciels de plus en plus nombreux, d’utilité non toujours avérée, alors que certains problèmes spécifiques en exigeraient de plus particuliers. Il serait souhaitable que ces matériels laissent plus d’initiative à l’utilisateur. Ils pourraient également être associés avec profit à des méthodes purement optiques, filtrage des fréquences spatiales en grandeur et en direction ou analyse des couleurs, permettant, par un prétraitement économique, de réduire la capacité mémoire de l’ordinateur et de simplifier les procédures de calcul. La caméra de télévision classique, limitée en définition, peut être remplacée, mais à cadence de prise de vue plus faible, par une barrette de 1 024 ou 2 048 photodétecteurs associée au déplacement de la platine du microscope dans une direction perpendiculaire à celle de la barrette. Le développement des caméras à mosaïques CCD a été un facteur de progrès non négligeable, sous réserve que leur définition soit suffisante, mais il ne faut pas oublier que les points de la trame, comme pour les barrettes, sont physiquement séparés de vides non analysés. On doit donc en toute rigueur diminuer la capacité réelle du récepteur afin qu’un point résolu du champ soit couvert par plusieurs pixels. fiche élève imprimable Fiche élève Objectif Découvrir les propriétés des ultrasons à partir d'expériences simples.Expériences
I. Expérience révélant la directivité des ultrasons Brancher l’émetteur au générateur d’ultrasons.Brancher l’émetteur et le récepteur respectivement sur les voies A et B de l’oscilloscope. Déplacer le récepteur d'ultrasons sur un arc de cercle dont le centre est l'émetteur et observer à l'oscilloscope. Prendre la peine de bien régler l’oscilloscope du point de vue sensibilité. Demander au professeur de vérifier. Comment varie le signal donné par le récepteur pendant ce déplacement ? Conclure. II. Expérience pour étudier la propagation et l’absorption des ultrasons dans l’air Placer l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre et collés l’un contre l’autre.Éloigner progressivement le récepteur de l’émetteur le long de l’axe de l’émetteur. 1. Observer comment varie la réception du signal dans l’air pendant l’éloignement du récepteur (penser à modifier la sensibilité de la voie B de l’oscilloscope en conséquence). 2. Évaluer la distance minimale pour laquelle le récepteur ne détecte plus les ultrasons émis par l'émetteur. 3. Quelle(s) conclusion(s) cette expérience permet-elle de tirer sur la propagation et la réception des ultrasons dans l’air ? 4. Les ultrasons sont utilisés pour mesurer la profondeur des fonds sous-marins (sonar). Ils sont également utilisés en échographie prénatale grâce à la présence du liquide amniotique entourant le fœtus. Quelle hypothèse peut-on émettre quant à la propagation des ultrasons dans les liquides ? III. Expérience mettant en évidence la réflexion des ultrasons Placer côte à côte et dans le même sens l'émetteur et le récepteur d'ultrasons. Observer.Tourner légèrement le récepteur pour qu'il fasse un petit angle avec l'émetteur. Observer. Ajouter une plaque métallique face aux deux transducteurs. Observer. Dans quel cas le récepteur détecte-t-il un signal ? Conclure. IV. Expérience pour étudier la réflexion des ultrasons Faire pivoter l'écran métallique placé devant les deux transducteurs pour détecter la position de l'écran qui permet d'obtenir une amplitude maximale de l'onde détectée. Observer l’évolution de la mesure de l’angle d’incidence et celle de la mesure de l’angle de réflexion. Fiche imprimable pour l’élève Fiche élève Travail en binôme 1. Rechercher sur Internet, sur l’Intranet du lycée ou dans une encyclopédie le principe de l’échographie et répondre aux questions suivantes :a) Quel objet place-t-on sur le corps du patient ? b) Quel est le rôle joué par cet objet ? c) Quel est le principe d’une échographie ? d) Quels avantages l’échographie présente-t-elle par rapport à d’autres techniques d’imagerie médicale plus dangereuses ? Justifier la réponse. 2. Rédiger le principe de l’échographie en faisant une synthèse à partir de la lecture des documents recueillis et en utilisant les réponses aux questions précédentes. 3. Mentionner obligatoirement les références de ces sources. 4. Présenter le travail à l’aide d’un logiciel de traitement de texte. Le rendre au début de la séance suivante. fiche élève imprimable Fiche élève
Objectifs
Travail à réaliser Après avoir lu attentivement le texte ci-dessous relatif à la microscopie acoustique, répondre aux questions.
Questions Les questions en italique se rapportent au cours. Les autres questions se rapportent au texte et permettent de réinvestir les connaissances du cours. 1. Quelles sont les ondes utilisées en microscopie acoustique ? De quelle nature sont-elles ? 2. Nommer deux ondes de nature électromagnétique. 3. Les ultrasons apportent des informations sur les différents tissus traversés dans le corps humain. Quelles sont les propriétés des ondes ultrasonores qui permettent de déterminer la nature et l'épaisseur des milieux traversés en échographie ? 4. En parlant de la microscopie acoustique, le texte précise : « Elle permet ainsi l'obtention d'images en profondeur. » Plusieurs techniques d'imagerie médicale permettent d’obtenir des informations sur la structure de l’intérieur d’un objet opaque à la lumière, matériau vivant ou inerte ; citer deux de ces techniques que vous avez étudiées cette année. Quelle est la nature des ondes utilisées pour chaque technique ? 5. En parlant des ultrasons, le texte précise que : « À une fréquence de l'ordre du gigahertz, compte tenu de la vitesse du son dans les milieux solides ou liquides, leur longueur d’onde (en parlant des ultrasons) est de l'ordre du micromètre. » Exploiter cette phrase pour retrouver l'ordre de grandeur de la vitesse de propagation du son dans ces milieux en utilisant la relation V = ?f. Fiche élève imprimable Fiche élève Objectifs Comprendre le principe du microscope acoustique et son intérêt dans de nombreuses applications.Réinvestir des notions rencontrées dans le programme de physique. Travail à réaliser Après une lecture attentive du texte sur la microscopie acoustique, répondre aux questions proposées.
Questions sur le texte et autour du texte Les questions en italique portent sur les connaissances du cours de terminale S.Les autres questions portent sur le document proprement dit. 1. Par qui et à quelle époque ont été découverts et utilisés les ultrasons ? 2. Dans un solide, les ondes mécaniques peuvent être longitudinales ou transversales. Qu’appelle-t-on onde longitudinale ?Qu’appelle-t-on onde transversale ? Citez un phénomène naturel dans lequel les deux types d’ondes se propagent. 3. Dans un fluide (air ou liquide) les ultrasons sont des ondes progressives mécaniques périodiques longitudinales. Pour une onde sonore ou ultrasonore, quelle est la grandeur physique liée au milieu de propagation qui varie alors de façon périodique en chaque point de ce milieu ? 4. Lors de la propagation d’une onde mécanique, y a-t-il transport de matière ? d’énergie ? 5. Qu’appelle-t-on des hypersons ? 6. La vitesse de propagation (ou célérité) d’une onde mécanique est une propriété du milieu de propagation. En particulier, plus un milieu est rigide, plus les ondes mécaniques s’y propagent rapidement. Expliquez pourquoi la célérité des ultrasons est plus grande dans les solides (saphir) que dans les liquides (eau) et que dans l’air. 7. Rappelez la relation liant la fréquence f d’une onde périodique et sa longueur d’onde ? dans un milieu où sa célérité est v. Précisez les unités de ces trois grandeurs dans cette relation. Calculez la longueur d’onde dans un cristal d’un hyperson de fréquence 1013 Hz (10 THz) sachant que sa célérité dans ce cristal est de 3,3 km.s-1. 8. Qu’appelle-t-on résolution spatiale de l’instrument ? Quel est l’ordre de grandeur de la meilleure résolution obtenue ? Que peut-on faire pour l’améliorer ? Cette solution est-elle applicable pour toutes les observations ? 9. D’après le texte, quel est l’ordre de grandeur de la longueur d’onde dans le saphir des ultrasons de fréquence 1 GHz ? En déduire leur célérité dans le saphir (vsaphir ) puis dans l’eau (veau). Que vaut la longueur d’onde de ces ultrasons dans l’eau ? En déduire la résolution spatiale d’un microscope utilisant ces ultrasons. 10. Lorsque l’onde ultrasonore traverse le dioptre saphir/eau, quelle grandeur reste constante : la célérité ? la fréquence ? la longueur d’onde ? 11. La résolution spatiale de l’instrument est limitée par la diffraction qui élargit la tache focale. Expliquez en quoi consiste le phénomène de diffraction d’une onde. |
