Principe de la fibroscopie Alors que la fibre optique est constituée ...

Thème : santé Sous-thème : le diagnostic médical
Chapitre 2 : Les ondes au service de la médecine Tp 6
Principe de la fibroscopie
Objectifs:
- Découvrir les phénomènes de réflexion, réfraction et réflexion totale de la lumière.
- Comprendre le principe d’une fibre optique.
La fibroscopie est une technique de diagnostic médical qui utilise la
propagation de la lumière dans des fibres optiques. Le fibroscope permet
l’exploration de nombreux organes : estomac, cordes vocales, poumons...
Une série de fibres optiques conduit la lumière d’une lampe vers la zone à
examiner et une autre série conduit la lumière de la zone observée vers
l’œil du médecin ou vers une caméra.
Une fibre optique est un fin tuyau constitué d’un cœur entouré d’une
gaine. Le cœur et la gaine sont fabriqués avec des matériaux
transparents choisis de telle sorte que la vitesse de la lumière est plus
faible dans le cœur que dans la gaine.
Expérience : Placer une fibre optique contre une diode laser. Allumer.
Observer.
Alors que la fibre optique est constituée de milieux
transparents (c'est-à-dire de milieux dans lequel la lumière peut se propager), comment la
lumière y reste-t-elle piégée ?
Quelle proposition des personnages ci-dessus peut-on
facilement rejeter en s’appuyant sur des observations de la
vie quotidienne et sur les données du tableau ?
1. Mise en évidence du phénomène de réfraction
Expérience n°1 :
On plonge une tige dans un verre d’eau.
Qu’observez-vous?
Expérience n°2 :
On dirige un faisceau laser obliquement vers la surface de séparation air-verre d’un parallélépipède en verre.
Faire un schéma de l’expérience.
Qu’observez-vous ?
Définir la réfraction.
2. Réfraction et réflexion totale
2.1. Observation du passage de la lumière de l’air dans le plexiglas
Le dispositif comporte une source de lumière blanche, un
rapporteur circulaire comportant une graduation angulaire
et un demi–cylindre en plexiglas.
Eclairer le demi–cylindre sur la face rectangulaire (dioptre)
avec un pinceau de lumière dirigé vers son centre.
Disposer le demi–cylindre de telle façon que les rayons
incident et réfracté ne forment qu’un trait lumineux sur
la graduation 0° .
Milieu transparent air eau verre
Vitesse de la lumière
(m/s)
3,0.10 8 2,2.10 8 2,0.10 8

A l’aide du disque gradué, faire varier l’angle d’incidence i de 0° à environ 70°.
a) Que devient le rayon lumineux après avoir atteint l’interface air-plexiglas ?
b) Représenter par un schéma la situation.
c) Existe –t-il un rayon réfracté quelque soit l’angle d’incidence i ? Si oui, l’angle réfracté est–il plus grand ou
plus petit que l’angle incident ?
d) Simulation réfraction
http://www.discip.crdp.ac-caen.fr/phch/lycee/terminale/refraction/refraction.htm
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/descartes.swf
E:\2nde\2nde générale 2011-2012\santé\réfraction.swf
2.2. Observation du passage de la lumière du plexiglas dans l’air
Placer le demi- cylindre de plexiglas pour que le faisceau laser arrive
sur sa face plane après avoir traversé le plexiglas.
Faire varier l’angle d’incidence de 0° à 70° , observer.
a) Pour un angle d’incidence petit, que devient le faisceau lumineux après avoir atteint la surface plane
séparant le plexiglas et l’air ?
b) Quelle différence observe-t-on par rapport à l’expérience précédente ?
c) Pour un angle d’incidence plus grand, le rayon réfracté existe-t-il pour n’importe que angle i ?
d) Même question pour le rayon réfléchi.
e) Pour quelle raison nomme-t-on ce phénomène réflexion totale ?
f) Représenter à l’aide de schéma les deux situations observées en a et c.
3. Conclusion
a) Le phénomène de réflexion totale ne se produit que dans certaines conditions. L’une d’elles dépend de la
vitesse de propagation de la lumière dans les deux milieux traversés (voir tableau dans l’introduction)
Quelles sont les 2 conditions nécessaires pour que le faisceau réfracté ne soit plus observé lorsque la
lumière change de milieu ?
b) Expliquer comment la lumière peut rester confinée dans le cœur d’une fibre optique.
c) «la vitesse de la lumière est plus faible dans le coeur que dans la gaine ».
En utilisant la relation n =
,
(n : indice de réfraction du milieu ; c : vitesse de la lumière dans le vide ; v : vitesse de la lumière dans le
milieu), quel est l’indice de réfraction le plus petit, ncoeur ou ngaine ?