[PDF] Biophysique UE 3 QCM et exercices. Corrigés. •

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Biophysique

UE3 PACES

Biophysique

UE3 3 e

édition

Salah Belazreg

Professeur agrégé et docteur en physique, il enseigne au lycée Camille Guérin à Poitiers. Il a enseigné la biophysique en classes préparatoires aux concours de Médecine. Il est aussi interrogateur en classes préparatoires scienti“ques.

Rémy Perdrisot

Ancien élève de lENS-ULM, professeur de biophysique, assesseur du Doyen de la faculté de médecine de Poitiers, responsable du premier cycle.

Jean-Yves Bounaud

Docteur en sciences, docteur en pharmacie

et maître de conférences à la faculté de médecine de Poitiers. PACES

© EdiScience, 2006, 2009, 2010, 2014

EdiScience est une marque de

Dunod Éditeur, 5 rue Laromiguière, 75005 Paris

ISBN 978-2-10-071225-0

Table des matières

Partie 1 - Biophysique des solutions

Chapitre 1. Généralités sur les solutions aqueuses........................1

1.1 Étudedessolutions............................................ 2

1.2 Électrolytes.................................................. 5

QCMetexercices................................................... 11 Corrigés........................................................... 14 Chapitre 2. Thermodynamique chimique..................................19

2.1 Leséquilbresphysico-chimiques............................... 20

2.2 Fonctions thermodynamiques .................................. 21

2.3 Expressionsdupotentielchimique.............................. 25

QCMetexercices................................................... 25 Corrigés........................................................... 28 Chapitre 3. Propriétés acido-basiques des solutions......................32

3.1 Acidesetbasesensolutionaqueuse............................. 32

3.2 pHd"unesolutionaqueuse..................................... 35

3.3 Réactions acide-base : courbes de titrages ....................... 41

3.4 Les systèmes tampons......................................... 43

3.5 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques.............. 44

QCMetexercices................................................... 48 Corrigés........................................................... 52 Chapitre 4. Oxydo-réduction.............................................59

4.1 Définition .................................................... 60

?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit viTable des matières

4.2 Potentiel d"oxydo-réduction.................................... 62

QCMetexercices................................................... 68 Corrigés........................................................... 71 Chapitre 5. Transports transmembranaires................................74

5.1 Généralités sur les phénomènes de transport ..................... 74

5.2 Propriétés colligatives ......................................... 80

5.3 Phénomènesélectriques....................................... 88

5.4 Ultrafiltration................................................. 92

QCMetexercices................................................... 94 Corrigés........................................................... 99 Chapitre 6. Propriétés mécaniques des solutions..........................107

6.1 Statiquedesfluides............................................ 107

6.2 Dynamiquedesfluides........................................ 110

6.3 Dynamiquedesfluidesréels.................................... 111

6.4 Lesphénomènesdesurface.................................... 117

QCMetexercices................................................... 122 Corrigés........................................................... 130

Partie 2 - Biophysique cardiaque

Chapitre 7. Biophysique cardiaque.......................................142

7.1 Biomécanique cardiaque....................................... 143

7.2 Contrôle automatique biophysique du débit cardiaque - loi de

starling...................................................... 146

7.3 La mesure des paramètres hémodynamiques ..................... 149

7.4 Lesbruitsducœur............................................ 157

QCMetexercices................................................... 160 Corrigés........................................................... 162 Chapitre 8. L"activité électrique du cœur - ECG............................165

8.1 Cellulemyocardiqueisolée.................................... 165

8.2 Auniveauducœurentier...................................... 170

8.3 Lesdérivationsdel"ECG...................................... 173

8.4 L"axeélectriqueducœur....................................... 178

8.5 L"interprétationdel"ECG...................................... 180

QCMetexercices................................................... 181 Corrigés........................................................... 185

Table des matièresvii

Partie 3 - Les radiations ionisantes

Chapitre 9. Le noyau et les transformations nucléaires....................187

9.1 Lenoyauatomique............................................ 188

9.2 Stabilité des noyaux........................................... 192

9.3 Laradioactivité............................................... 194

9.4 Lesréactionsnucléairesprovoquées............................ 206

QCMetexercices................................................... 207 Corrigés........................................................... 216 Chapitre 10. Interactions des rayonnements avec la matière..............231

10.1 Les interactions des particules chargées avec la matière ........... 232

10.2 Atténuation des photons x etγ................................. 237

10.3 Application : la production des rayons x......................... 243

QCMetexercices................................................... 247 Corrigés........................................................... 250 Chapitre 11. La détection des rayonnements ionisants....................260

11.1 Émulsion photographique - autoradiographie.................... 261

11.2 La thermoluminescence....................................... 261

11.3 La calorimétrie ............................................... 261

11.4 L"effet cerenkov.............................................. 261

11.5 Les compteurs à gaz ou compteurs à décharge ................... 262

11.6 Les compteurs à scintillation ................................... 263

11.7 Les détecteurs à semi-conducteurs .............................. 264

11.8 Principe d"une chaîne de détection.............................. 264

11.9 Le comptage................................................. 265

11.10 La spectrométrie.............................................. 269

QCMetexercices................................................... 272 Corrigés........................................................... 278 Chapitre 12. Effets biologiques des rayonnements ionisants..............286

12.1 Dosimétrie des faisceaux de photons (x etγ)..................... 287

12.2 Cas des faisceaux de particules chargées......................... 290

12.3 Doses équivalente et efficace ................................... 290

12.4 Effets biologiques des rayonnements ionisants ................... 292

12.5 Les effets déterministes........................................ 294

12.6 Les effets stochastiques........................................ 299

QCMetexercices................................................... 299 Corrigés........................................................... 303 ?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit viiiTable des matières

Partie 4 - Biophysique sensorielle

Chapitre 13. Ondes sonores et audition..................................310

13.1 Propriétés des ondes sonores................................... 310

13.2 L"audition subjective .......................................... 320

13.3 L"audition objective ........................................... 323

QCMetexercices................................................... 328 Corrigés........................................................... 334 Chapitre 14. Optique et anomalies de la vision...........................338

14.1 Les troubles dioptriques des yeux............................... 338

14.2 Méthodes d"examen des caractéristiques oculaires................ 350

14.3 Le rôle de la rétine dans la vision des couleurs ................... 352

QCMetexercices................................................... 355 Corrigés........................................................... 359

Partie 5 - Imagerie

Chapitre 15. Imagerie par isotopes radioactifs............................361

15.1 Radiopharmaceutiques........................................ 362

15.2 Appareillages de détection ..................................... 363

15.3 Réalisation des examens scintigraphiques....................... 365

15.4 Traitement mathématique des images numériques ................ 367

QCMetexercices................................................... 369 Corrigés........................................................... 371 Chapitre 16. Bases physiques de l"échographie, applications..............373

16.1 Propriétés physiques des ultrasons - physique acoustique.......... 374

16.2 Formation des échos - impédance acoustique .................... 377

16.3 Atténuation du faisceau ultrasonore............................. 381

16.4 Imagerie médicale à l"aide des ultrasons......................... 382

16.5 L"échographie doppler......................................... 384

QCMetexercices................................................... 387 Corrigés........................................................... 389 Chapitre 17. Résonance magnétique nucléaire Imagerie RMN..............391

17.1 Les nombres quantiques ....................................... 392

17.2 Électromagnétisme............................................ 395

17.3 Les bases physiques de la RMN................................ 396

17.4 Notions d"imagerie RMN...................................... 403

Table des matièresix

QCMetexercices................................................... 407 Corrigés........................................................... 408 Annales 1. Poitiers - Janvier 2011.......................................411 Corrigés........................................................... 420 Annales 2. Poitiers - Juin 2011..........................................421 Corrigés........................................................... 424 Annales 3. Poitiers - Janvier 2012.......................................425 Corrigés........................................................... 433

Avant-propos

Cette 3

e édition du manuel de biophysique, de la collection Concours PCEM1, paru en janvier 2006 a été complètement revue et corrigée. Certains chapitres ont été réhaussés par des paragraphes traitant des applications médicales de la physique. Cet ouvrage destiné principalement aux étudiants de première année de médecine et de pharmacie est le complément au manuel de physique de la même collection. L"ensemble recouvre ainsi la majeure partie du programme de l"épreuve de Physique-

Biophysique.

Il intéressera également les étudiants de Licence de 1 er cycle.

Chaque chapitre propose :

•un cours exposé de façon détaillée, •des exemples concrets et quelques applications médicales pour mieux approfondir le cours, •des exercices et QCM de difficultés variées, •des corrections détaillées et comprenant de nombreuses illustrations, •enfin, des épreuves issues des concours de PCEM1 et PH1. On espère que cet ouvrage, fruit d"une longue expérience, rédigé avec beaucoup d"at- tention, apporte une aide efficace aux étudiants dans la préparation de leurs examens et concours.

Remerciements

Nous remercions tout particulièrement monsieur Marc Violino, ancien professeur en classes préparatoires aux grandes écoles au lycée Camille Guérin, ainsi que le Dr Frédérique Belazreg, médecin gériatre, pour leur relecture attentive de la plupart des chapitres de cet ouvrage et leurs remarques judicieuses. ?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit xiiAvant-propos Nos remerciements vont également au Pr Laurence Bordenave, de la faculté de méde- cine de Bordeaux, au Dr Damien Huglo, de la faculté de médecine de Lille, pour les annales qu"ils nous ont fournies, ainsi qu"au Dr Laurent Vervueren, médecin nucléaire au CHU de Poitiers, pour l"iconographie IRM. Que toutes les personnes des éditions Dunod, et plus particulièrement Monsieur Éric d"Engenières,quiontcru en cet ouvrageet apportébeaucoupde soinsà sa réalisation, en soient chaleureusement remerciés. Que les lecteurs, collègues enseignants et étudiants, qui voudront bien nous formu- ler leurs remarques constructives et critiques, ou nous présenter leurs suggestions susceptibles d"améliorer cet ouvrage, en soient par avance remerciés.

Poitiers, avril 2014.

Généralités

sur les solutions aqueuses 1

Plan Objectifs

Cours

1.1Étude des solutions

1.2Électrolytes

QCM et exercices

Corrigés•Reconnaître un électrolyte fort d"un électrolyte faible

•Savoir calculer :

- un taux de dissociation, - un coefficient d"ionisation, - les différentes concentrations molaires, particulaires, équi- valentes, ... Cours L"eau est le constituant fondamental de la matière vivante; elle est indispensable à la vie. La teneur en eau d"un tissu atteste de sa vitalité et la déshydratation est un des signes les plus nets du veillissement. D"un point de vue pondéral, un adulte renferme

70 à 75 % d"eau alors que chez l"enfant jeune cette valeur peut dépasser 80 %.

Les propriétés physicochimiques particulières de la molécule d"eau en font un bon solvant biologique des composés ioniques et moléculaires.

On traitera dans ce chapitre :

•les diverses façons d"exprimer la concentration d"un constituant dans une solu- tion;

•les électrolytes forts et faibles.

2Chap. 1. Généralités sur les solutions aqueuses

1.1 ÉTUDE DES SOLUTIONS

1.1.1 Étude structurale de l"eau

Structuredelamoléculed"eau

La molécule d"eauH

2 Oest une molécule coudée et l"angle de liaison est

HOH=104,5

.La longueur d"une liaisonO-Hestd=0,96Å. 3.10 -29 C.m) (Fig. 1.1). H H O

Figure 1.1

La liaison hydrogène

Laliaisonhydrogène(Fig. 1.2)estuneliaisonintermoléculaireattractiveetbeaucoup plus puissante que la force de Van der Waals. Sa longueur est de l"ordre de 2,5à3Å. H O H H OH liaison hydrogène

Figure 1.2

Elle est de nature électrostatique, environ 20 fois supérieure à une liaison de Van der Waals mais 20 fois inférieure à une liaison covalente.

Les trois états de l"eau

L"eau existe sous les trois états : l"état solide, liquide et gazeux. L"existence d"une liaison hydrogène intermoléculaire entraîne des anomalies sur les propriétés physiques de l"eau. En effet, on observe une élévation des températures de fusion et d"ébullition. Les graphes de lafigure 1.3donnent les évolutions des températures de fusion et d"ébullition de quelques composés hydrogénés de typeH 2 X.

1.1 Étude des solutions3

-80-60-40-20020406080100120 H2O H 2SH 2SeH 2Te qf (°C)qe (°C) -90-80-70-60-50-40-30-20-100H2O H 2SH 2SeH 2Te

Evolution de la température d'ébullition Evolution de la température de fusion

Figure 1.3

?Concentrations Une solution est obtenue par dissolution d"une ou plusieurs espèces chimiques, appe- lées solutés, dans un solvant (généralement l"eau). Le soluté peut être solide, liquide ou gazeux, moléculaire ou ionique.

Concentration massique d"une espèce chimique

Elle représente la masse de soluté par litre de solution, soit c=m V (men g,Ven L etcen g.L -1 (1.1) Concentration molaire d"une espèce chimique - molarité

Elle est numériquement égale à la quantité de matière de l"espèce chimique dissoute

par litre de solution, soit C=n V (nen mol,Ven L etCen mol.L -1 (1.2) SiMreprésente la masse molaire moléculaire du soluté, alors : c=C×M (c:eng.L -1 ,Cen mol.L -1 etMen g.mol -1 (1.3)

Concentration molale - molalité

Elle représente la quantité de matière de l"espèce chimique dissoute par unité de masse de solvant. Elle s"exprime en mol.kg -1 ?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit

4Chap. 1. Généralités sur les solutions aqueuses

Concentration pondérale

Elle représente la masse de l"espèce chimique dissoute par unité de masse de solvant.

Elle s"exprime en g.kg

-1

1.1.2 Fraction molaire

Pour l"espèce chimiqueA

i dissoute dans un solvant, on définit sa fraction molairef i par : f i =n i i n i ( toutes les espèces chimiques présentes y compris le solvant) (1.4)

1.1.3 Dissolution d"un gaz dans un liquide

Considérons un gaz et un liquide de natures différentes, en équilibre dans un vase clos. Une certaine quantité du gaz est dissoute dans le liquide; de même, quelques molé- cules du liquide passent à l"état vapeur. On définit le coefficient de solubilitéspar : s=c 1 c 2 c 1 : concentration du gaz dans le liquide (masse du gaz dissoute dans l"unité de volume du liquide), c 2 : concentration de la phase gazeuse surmontant le liquide (masse de vapeur renfer- mée dans l"unité de volume du gaz). À l"équilibre, le volumevde gaz dissous dans les conditions standard est donné par : v=sP i V ( Loi de Henry ) oùP i en litres.

1.1.4 Miscibilité des liquides

Un mélange de deux liquides miscibles (soluté avec solvant) sera caractérisé par le titrede la solution obtenue et non par la concentration. On définit letitre d"une solutionpar le rapport de la masse du soluté à la masse totale de la solution, soit

τ=100×m

soluté m solution ,avecm solution =m soluté +m solvant (1.5)

1.2 Électrolytes5

Deux cas peuvent se présenter :

•Les liquides sont miscibles en toutes proportions. Le titreτpeut prendre toutes les valeurs comprises entre 0 et 100 %. Exemple de liquides miscibles en toutes proportions : l"eau et l"éthanol. •Les liquides ne sont pas miscibles en toutes proportions. Exemple : étude de la dissolution du phénol dans l"eau Cette étude nous amène aux observations suivantes : du phénol et le mélange reste homogène jusqu"à un certain titreτen phénol, •lorsque le titre atteind une certaine valeurτ m , il n"y a plus dissolution, mais on observe l"apparition d"une seconde couche liquide qui, contrairement à la première, renferme plus de phénol que d"eau : on dit qu"il y asaturation.

Le titreτ

m augmente avec la température et pour des températures supé- rieures à une certaine valeurθ(température critique de miscibilité), les liquides deviennent miscibles en toutes proportions.

1.2 ÉLECTROLYTES

Un électrolyte est une solution qui permet le passage du courant électrique. L"étude de telles solutions conduit Arrhénius (Svante), chimiste et physicien sué- dois, en 1887 à postuler l"existence d"ions se déplaçant sous l"action d"un champ

électrique-→Equi règne entre deux électrodes. Il constata, par conséquent, qu"il y a

transport de matière dans la solution : les cations (ions positifs) se déplacent vers la cathode et les anions (ions négatifs) se déplacent vers l"anode.

1.2.1 Conductivité d"un électrolyte

On rappelle les principaux résultats suivants.

Pour une solution contenant l"anionA

x-

à la concentrationC

et le cationC y+

à la concentrationC

et siSreprésente la surface des électrodes, on montre que l"intensité du courant qui traverse un tel électrolyte est donnée par : I=dQ dt=(C z +C z )ESF(1.6) etμ representent les mobilités des ions,μ <0etμ >0; •z etz représentent lesvalences des ionsA x- etC y+

•F=N

A trons et vaut : 1F=N A e=96 500C.mol -1 (1.7)?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit

6Chap. 1. Généralités sur les solutions aqueuses

Exemples

•Solution contenant des ionsK

etCl pour l"ionK :z =+1 etμ >0, pour l"ionCl :z =-1etμ <0

•Solution contenant des ionsNa

etSO 2- 4 pour l"ionNa :z =+1 etμ >0, pour l"ionSO 2- 4 :z =-2etμ <0

Si on désigne par

-→jle vecteur densité de courant et parγla conductivité électrique de la solution, on montre que : -→j=ρ -→v →v i i -→v i (cas de plusieurs ions) (1.8)

Dans le cas de plusieurs ions, si on note parz

i la valence de l"espèceA i ,parC i sa concentration et parμ i sa mobilité, alors -→j=? i i -→v i =γ-→Eavecγ=(? iquotesdbs_dbs14.pdfusesText_20

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