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Sous la direction de
PROGRAMME 2010
Mathieu Ruffenach Sophie Decroix ■ Vous venez de recevoir, en spécimen, un extrait du manuel de Physique-Chimie 2de à paraître en août 2010. ■ Vous pourrez consulter l’intégralité du manuel sur www.bordas-espace.fr à partir du 10 juillet 2010. ■ Le livre du professeur sera disponible en ligne dès fin août 2010. ■ La version numérique du manuel (vidéo-projetable) sera disponible dès la rentrée 2010 pour les professeurs ayant adopté le manuel.
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Le 28 avril 2010
Madame, Monsieur,
Le nouveau programme de Physique-Chimie 2de sera applicable à la rentrée 2010. Dès la phase de consultation de ce nouveau programme, nos équipes ont travaillé pour concevoir un nouveau manuel qui permette, dans la continuité du collège et en cohérence avec les autres classes du lycée, l’acquisition des compétences (connaissances, capacités et attitudes) propres à la classe de 2de. Notre collection E.S.P.A.C.E. (Enseignement des Sciences Physiques par Activités Culturelles et Expérimentales) s’inscrit pleinement dans l’évolution de l’enseignement de la discipline. Vous trouverez dans cet extrait un des chapitres de notre nouveau manuel. – Vous pourrez, à partir de la mi-juillet 2010, découvrir tous les chapitres du manuel sur www.bordas-espace.fr. – Vous recevrez votre spécimen de Physique-Chimie 2de, dans votre établissement, dès le 25 août. – Les premiers éléments du livre du professeur seront disponibles pour la rentrée. – Le manuel numérique vidéo-projetable sera disponible en consultation sur notre site et téléchargeable gratuitement pour les professeurs ayant adopté notre manuel. Très cordialement.
Les Éditions Bordas
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PROGRAMME 2010 Sous la direction de
Mathieu Ruffenach Inspecteur d’académie, inspecteur pédagogique régional, académie de Lyon
Sophie Decroix Professeur en classes préparatoires, Montpellier
Thierry Cariat
Valérie Mora
Lycée Dhuoda, Nîmes
Lycée Victor-Hugo, Lunel
Pierre Fabre
Frédéric Patto
Lycée Joliot-Curie, Sète
Lycée français La Pérouse, San Francisco
Bastien Gravière
Stéphane Serrano
Lycée Lalande, Bourg-en-Bresse
Lycée Philippe-Lamour, Nîmes
Adeline Marois
Cédric Vial
Lycée Arago, Paris
Lycée Honoré-d’Urfé, Saint-Étienne
Dominique Mercier
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Avant d’aborder le chapitre Situation 1
Pour vérifier l’indispensable
Évaluation diagnostique Pour chaque situation présentée, proposer une réponse en argumentant.
Le modèle du rayon de lumière permet d’indiquer la direction et le sens de propagation de la lumière. Parmi les situations présentées, laquelle est correcte ?
Activités 1 et 3
Situation 2
Pour traquer les idées fausses
Lors d’un orage, on voit les éclairs avant d’entendre le tonnerre. Ces phénomènes qui accompagnent la foudre sont-ils de même nature ? Sontils produits en même temps ?
Activité 2
Situation 3
Pour vérifier l’indispensable
Le record de vitesse d’un train sur rail est de 574,8 km · h-1 ; il est détenu par un TGV. Combien de temps met un train lancé à cette vitesse pour parcourir une distance de 100 km ?
Activité 2 2
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PHYSIQUE
Imagerie médicale
CHAPITRE
2
t i a r Ext
L’échographie permet la visualisation d’un fœtus dès les premières semaines de vie.
Les acquis du collège
Les objectifs du chapitre
lumière se propage en ligne droite dans le vide et dans les milieux transparents.
Connaissances
un schéma, le rayon de lumière permet d’indiquer la direction et le sens de propagation de la lumière.
Savoir-faire
La
Dans
La vitesse de la lumière
c 3 ¥ 108 m · s-1.
dans le vide est
• Vitesses de propagation de la lumière et du son. • Identifier les phénomènes de réflexion et de réfraction. • Extraire et exploiter des informations sur la nature des ondes et leurs fréquences.
Culture • Principes de la radiographie, de l’échographie et de l’endoscopie.
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Activité 1
Activité de découverte
À la découverte du phénomène de réfraction La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent, mais que se passe-t-il lorsqu’elle rencontre un autre milieu de propagation ?
Analyse d’expériences A. L’expérience dite d’Archimède « Si tu poses un objet au fond d’un vase et si tu l’éloignes jusqu’à ce que l’objet en question ne se voie plus (Fig. 1), tu le verras réapparaître à cette distance dès que tu rempliras le vase d’eau (Fig. 2). » L’expérience proposée par Archimède (287-212 av. J.-C.) est réalisée avec une tasse et une pièce de monnaie. Une webcam remplace l’œil de l’expérimentateur.
webcam
webcam
Fig. 1 La tasse sans eau.
Fig. 2 La tasse avec de l’eau.
B. Réfraction d’un faisceau laser
matériau transparent
Pour suivre le trajet d’un faisceau de lumière lors d’un changement de milieu, il est possible d’utiliser un dispositif constitué d’un matériau transparent posé sur une surface plane. Sur la surface plane éclairée par un faisceau laser rasant, on visualise le trajet de la lumière, qui se propage respectivement dans l’air, puis dans le matériau transparent (Fig. 3).
surface plane
Fig. 3 Suivi d’un faisceau laser lors d’un changement de milieu.
Pistes de réflexion 1 À quelle condition un objet (la pièce dans la tasse par exemple) peut-il être vu par un observateur ? 2 La propagation rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène est rectiligne. On la modélise par un rayon de lumière (une droite orientée). a. Sachant que l’eau et l’air peuvent être considérés comme deux milieux homogènes et transparents, que peut-on dire de la propagation de la lumière dans ces deux milieux ? b. Utiliser le modèle du rayon de lumière pour expliquer que l’expérimentateur (son œil ou la webcam) ne voit pas la pièce de monnaie dans la situation de la figure 1. 4
3 a. Le phénomène observé dans la situation de la figure 3 est appelé réfraction de la lumière. Décrire ce phénomène. b. Utiliser le modèle du rayon de lumière pour expliquer que l’expérimentateur (son œil ou la webcam) voit la pièce de monnaie dans la situation de la figure 2.
Pour conclure 4 Que se passe-t-il lorsqu’un faisceau laser arrive à la surface de séparation entre deux milieux transparents différents comme l’eau et l’air ?
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Activité 2
Activité documentaire
Des ondes pour explorer le corps humain L’imagerie médicale a révolutionné la médecine en donnant accès à des informations jusqu’alors « invisibles » au diagnostic clinique.
Étude de documents La radiographie Les rayons X sont des ondes électromagnétiques de hautes fréquences, de l’ordre de 1017 à 1019 Hz. Comme l’énergie d’une onde augmente avec sa fréquence, ces rayons possèdent une énergie importante et pénètrent facilement la matière. On les utilise pour la radiographie. Au cours de leur trajet dans la matière organique, les rayons X subissent une atténuation, qui dépend de la composition et de l’épaisseur des structures rencontrées. Quatre catégories de structures peuvent alors être distinguées par ordre croissant d’opa-
cité : l’air, la graisse, l’eau (les tissus mous et les liquides) et les os. Les rayons non absorbés sont recueillis sur une surface sensible aux rayons X : les zones les plus sombres sur l’image correspondent aux tissus transmettant le mieux les rayons (Fig. 1).
L’échographie L’image échographique (Fig. 2) est obtenue à l’aide d’un faisceau d’ultrasons, ondes sonores imperceptibles à l’oreille humaine. Les fréquences utilisées s’échelonnent de 1 à 20 MHz (106 à 20 ¥ 106 Hz), en fonction de l’organe exploré. Dans l’air, la vitesse des ultrasons est de 340 m · s-1 ; dans l’eau, de 1 480 m · s-1 ; dans les tissus mous (peau, graisse, foie, muscle…), elle varie de 1 450 à 1 600 m · s-1 et dans les os, de 2 100 à 5 000 m · s-1. Chaque fois qu’un faisceau d’ultrasons rencontre une interface, c’est-àdire un changement de milieu de propagation, une partie des ultrasons est réfléchie. La proportion d’ultrasons réfléchis est faible au niveau d’une
Fig. 2 Échographie fœtale.
interface entre deux tissus mous (6 % pour l’interface foie-rein), importante (40 %) au niveau d’une l’interface tissus mous-os, et quasi totale au niveau d’une interface tissus mous-air. Une sonde, en contact avec la peau sur laquelle on a appliqué un gel, est déplacée sur la zone à étudier. Elle émet des salves (paquets d’ondes) brèves d’ultrasons et recueille les échos (sons réfléchis). La durée qui sépare l’émission de la réception de chaque écho est mesurée et interprétée informatiquement. On obtient finalement des images représentant des coupes de l’organe, visualisé à différentes profondeurs.
Fig. 1 Radiographie d’une main.
Pistes de réflexion 1 La radiographie a. Quel type d’onde électromagnétique est évoqué dans le document ? b. De quoi dépend le pouvoir pénétrant de ces ondes ? c. Pour se protéger des rayons X, qui sont dangereux en cas d’exposition répétée, le radiologue se place derrière un écran de plomb. Que peut-on en déduire sur le plomb ? 2 L’échographie a. Quel type d’onde permet une échographie ?
b. Pourquoi ces ondes ne sont-elles pas audibles (on pourra se référer à l’activité 4 du chapitre précédent) ? c. De quoi dépend la vitesse du son ? d. De quoi semble dépendre la réflexion des ondes ? e. Expliquer le rôle du gel entre la sonde et la peau.
Pour conclure 3 a. Peut-on utiliser des ondes électromagnétiques de fréquences quelconques pour la radiographie ? b. Pourquoi utilise-t-on des ondes sonores de plus de 1 MHz pour l’échographie ? Extrait
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Activité 3
Démarche d’investigation
Le fibroscope pour voir à l’intérieur du corps Le fibroscope est un tuyau souple permettant d’explorer l’intérieur du corps. Il contient des fibres optiques qui ont la propriété de conduire la lumière.
Pour commencer (situation déclenchante)
Expériences (recherche de validation)
Une fibre optique est un fin tuyau constitué d’un cœur entouré d’une gaine (Fig 1). Le cœur et la gaine sont fabriqués avec des matériaux transparents choisis de telle sorte que la lumière a une vitesse plus faible dans le cœur que dans la gaine. Lorsque la fibre est éclairée à une extrémité, la lumière est transmise à l’autre extrémité en restant confinée dans le cœur de la fibre, quelle que soit la courbure de celle-ci (Fig. 2). Dans un fibroscope, les fibres optiques permettent d’éclairer la zone à explorer et d’en transmettre une image.
Matériel ⦁ une source de lumière laser ⦁ un disque gradué avec un demi-cylindre de verre ⦁ À l’aide de ce matériel, proposer différentes expériences pour observer le comportement d’un faisceau de lumière laser lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre. ⦁ Avec le faisceau laser, viser le demi-cylindre de verre sur sa face plane, en dirigeant le faisceau incident perpendiculairement à la face plane et en son centre.
2 Qu’observe-t-on ? Faire varier de 0 à 90° l’angle d’incidence i défini sur la figure 3. Noter les phénomènes qui se produisent au niveau de la surface de séparation entre l’air et le verre.
cœur
⦁
gaine
40 60 80 90
60 40 20 0
80 0
60 40 20 0
60 40 20 0
80
i
20
40 60 80 90
4 Reprendre la question 3 Fig. 4 Nouveau dispositif. avec ce nouveau dispositif.
Étude de document (recherche de validation) Le tableau suivant donne la vitesse de la lumière dans différents milieux transparents. air
eau
verre
3,0 ¥ 108
2,2 ¥ 108
2,0 ¥ 108
1 Quelle proposition des élèves ci-dessus peut-on facilement rejeter en s’appuyant sur des observations de la vie quotidienne et sur les données du tableau ? 6
20
80
(Fig. 4).
Vitesse de la lumière (m · s-1)
demi-cylindre en verre
Fig. 3 Dispositif expérimental.
3 Existe-t-il un faisceau réfléchi ? un faisceau réfracté ? Décrire leur position. ⦁ Placer le demi-cylindre de verre pour que le faisceau laser arrive sur sa face plane après avoir traversé le verre
Milieu transparent
i
40 60 80 9
source laser
0
20
Alors que la fibre optique est constituée de matériaux transparents, comment la lumière y reste-t-elle piégée ?
40 60 80 9
60 40 20 0
Investigation
Quelques idées (hypothèses)
20
disque gradué
Fig. 2 Fibre optique éclairée.
80
Fig. 1 Structure d’une fibre optique.
Pour conclure 5 a. Quelles sont les conditions nécessaires pour que le faisceau réfracté ne soit plus observé lorsque la lumière change de milieu ? b. Que devient alors le faisceau incident ? 6 Expliquer comment la lumière peut rester confinée dans le cœur d’une fibre optique.
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Activité 4
Activité expérimentale Capacités expérimentales évaluées : ⦁ Analyser des résultats expérimentaux. ⦁ Proposer une expérience répondant à un objectif précis.
Exploration par échographie Les propriétés des milieux de propagation ont une grande influence lors de l’acquisition d’une image échographique.
Principe
Observations
L’échographie (Fig. 1) utilisée en imagerie médicale est fondée sur l’émission d’une onde ultrasonore et la réception de son écho renvoyé par les tissus mous. L’eau favorise la transmission des ultrasons, contrairement à l’air. Les os et les poumons, qui contiennent de l’air, absorbent les ultrasons et « cachent » les organes situés en dessous.
⦁ Intercaler successivement trois plaques entre l’émetteur (E) et le récepteur (R) d’ultrasons : la première en carton, la deuxième en laine de verre et la troisième en toile de jute (Fig. 3).
2 Noter, pour chaque type de plaque intercalée, comment évolue le signal observé sur l’oscilloscope. ⦁ Placer l’émetteur (E) et le récepteur (R) d’ultrasons côte à côte dans le même sens et face à l’une des trois plaques précédentes (Fig. 4). 3 Noter, pour chaque type de plaque, comment évolue le signal observé sur l’oscilloscope. plaque E
R
R
environ 10 cm Fig. 3 Étude de la transmission. Fig. 1 Acquisition d’une image échographique.
Mise en œuvre au laboratoire Matériel ⦁ émetteur et récepteur d’ultrasons ⦁ un oscilloscope ⦁ plaques en carton, en toile de jute et en laine de verre ⦁ un mètre ⦁ Placer l’émetteur et le récepteur d’ultrasons face à face, à une dizaine de centimètres l’un de l’autre (Fig. 2). ⦁ Alimenter l’émetteur d’ultrasons et positionner le commutateur sur « Salve ». ⦁ Relier le récepteur à l’oscilloscope et le régler pour visualiser le signal qui traduit la réception des salves (paquets d’ondes) ultrasonores.
plaque
E
environ 10 cm Fig. 4 Étude de la réflexion.
Exploitation 4 Pour chaque matériau testé, indiquer : – s’il transmet les ondes ultrasonores ; – s’il réfléchit les ondes ultrasonores. 5 Conclure sur le comportement de chaque matériau en termes de réflexion et de transmission. Quel(s) matériau(x) absorbe(nt) les ultrasons ?
Pour conclure 6 Proposer une expérience permettant de déterminer la forme simple d’un objet en carton « caché » derrière une toile de jute et déposé sur une plaque de laine de verre (Fig. 5). Mettre en œuvre l’expérience proposée. E R objet en carton
toile de jute tendue
laine de verre
Fig. 5 La boîte contenant l’objet à explorer. Fig. 2 Montage expérimental.
1 Faire le schéma de l’expérience.
7 On modélise ainsi le principe de l’échographie. Quel matériau joue le rôle de la peau ? celui d’un tissu mou ? celui d’un os (ou d’un poumon) ? Extrait
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Cours
1 Les ondes et l’imagerie mÊdicale Des ondes à l’imagerie mÊdicale
ActivitĂŠ 2
La première radiographie a ÊtÊ rÊalisÊe en 1895 par Wilhelm RÜntgen, un physicien allemand, lorsqu’il dÊcouvrit fortuitement les rayons X. L’Êchographie ultrasonore est apparue en 1955, grâce à la technologie du sonar, dÊveloppÊ par les marins dès 1915. En 1973, le chimiste amÊricain Paul Lauterbur obtint le premier clichÊ d’imagerie par rÊsonance magnÊtique (IRM) en utilisant un champ magnÊtique (issu d’un aimant) et des ondes radio. La dÊcouverte de la radioactivitÊ artificielle, en 1934, a permis le dÊveloppement de la mÊdecine nuclÊaire, comme la scintigraphie (Fig. 1), qui analyse les rayons gamma Êmis par des ÊlÊments radioactifs introduits dans le corps humain.
Fig. 1 Image scintigraphique du corps humain.
L’imagerie mÊdicale utilise deux types d’ondes : les ondes ÊlectromagnÊtiques, qui peuvent se propager dans le vide, et les ondes sonores, qui ont besoin d’un milieu matÊriel pour se propager.
Les rayons X, les ondes radio et les rayons gamma sont des ondes ĂŠlectromagnĂŠtiques ; les ultrasons sont des ondes sonores.
Les ondes et leur domaine de frĂŠquences
ActivitĂŠ 2
L’oreille humaine ne perçoit les sons que dans une certaine plage de frÊquences, qui, selon les individus et leur âge, se situe environ entre 20 Hz et 20 kHz. Audelà de 20 kHz, ce sont les ultrasons. Les sons de frÊquences infÊrieures à 20 Hz sont appelÊs infrasons (Fig. 2). Les ondes ÊlectromagnÊtiques s’Êtendent sur une très large gamme de frÊquences. La lumière visible n’y occupe qu’une bande très Êtroite, de 4 ¼ 1014 à 8 ¼ 1014 Hz (Fig. 3). Dans les frÊquences supÊrieures, on trouve notamment les ultraviolets et les rayons X. Les ondes radio ou les infrarouges sont des ondes de plus faibles frÊquences que la lumière visible.
domaine des frĂŠquences infrasons ultrasons audibles
20 Hz
20 kHz
FrĂŠquences
Fig. 2 Domaines de frĂŠquences des ondes sonores.
Exercices 1 Ă 7
ondes radio
infrarouges
108
109
1010
1011
rayons gamma
visible
micro-ondes
107
ultraviolets
1012
1013
1014
1015
rayons X
1016
1017
1018
1019
1020 FrĂŠquences (en Hz)
Fig. 3 Domaines de frĂŠquences des ondes ĂŠlectromagnĂŠtiques. 8
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Cours
2 Vitesses de propagation des ondes Les ondes sonores
ActivitĂŠs 2 et 4
Quelle que soit leur frÊquence, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide. Elles ont besoin d’un milieu matÊriel : gaz, liquide ou solide. Exemple Lors d’une Êchographie, les ultrasons se propagent dans les diffÊrentes structures organiques : graisse, muscle, sang, os, poumons‌
La vitesse de propagation d’une onde sonore dÊpend essentiellement des caractÊristiques (densitÊ, tempÊrature‌) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz (Fig. 4).
gaz
liquides
Milieu
v (en m ¡ s-1)
air (0 °C)
331
air (20 °C)
343
hĂŠlium
972
eau
1 480
mercure
1 450
diamant
12 000
verre
5 640
or
3 240
solides
Fig. 4 Vitesse de propagation d’un son dans diffÊrents milieux.
Exemples Dans l’air, la vitesse des ondes sonores est de 340 m ¡ s-1 ; dans l’eau, de 1 480 m ¡ s-1 ; dans les tissus organiques mous (peau, graisse, foie, muscle‌), elle varie de 1 450 à 1 600 m ¡ s-1 et dans les os, de 2 100 à 5 000 m ¡ s-1. Les ondes sonores ont besoin d’un milieu matÊriel pour se propager. Dans l’air, à tempÊrature ambiante, la vitesse du son est 340 m ¡ s-1.
Les ondes ĂŠlectromagnĂŠtiques
ActivitĂŠ 3
Dans le vide, les ondes ÊlectromagnÊtiques se propagent toutes à la même vitesse (ou cÊlÊritÊ) c 299 792 458 m ¡ s-1. Leur vitesse de propagation dans l’air est très proche de celle dans le vide (Fig. 5). La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (et dans l’air) est notÊe c, sa valeur est 3,00 ¼ 108 m ¡ s-1.
Dans les milieux matÊriels, les ondes ÊlectromagnÊtiques se propagent plus ou moins bien. Leur vitesse de propagation est toujours infÊrieure à celle dans le vide. Elle dÊpend de la nature du milieu de propagation et de la frÊquence des ondes. Exemple Les rayons X (frÊquences de 1017 à 1019 Hz) utilisÊs pour la radiographie pÊnètrent dans de très nombreux milieux (l’air, la graisse, les tissus mous, les os‌), alors que la lumière (frÊquence de l’ordre de 1014 Hz) ne se propage que dans les milieux dits transparents (l’air, l’eau, le verre‌). Dans un milieu transparent, la lumière se propage à une vitesse infÊrieure ou Êgale à c. Si le milieu est homogène, elle se propage en ligne droite.
Fig. 5 Tir laser entre l’Observatoire de Paris et la butte Montmartre pour mesurer la vitesse de la lumière, à l’occasion de l’annÊe mondiale de la Physique, en 2005.
Vocabulaire Homogène : se dit d’un milieu dont les propriÊtÊs sont les mêmes partout.
Exemple L’air, le verre, l’eau sont des milieux transparents. La lumière s’y propage avec des vitesses v diffÊrentes : vair ª c 3,00 ¼ 108 m ¡ s-1 ; veau 2,26 ¼ 108 m ¡ s-1 ; vverre 2,00 ¼ 108 m ¡ s-1. Exercices 8 à 15
Extrait
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Cours
3 La réflexion et la réfraction Changement de milieu de propagation
Activités 3 et 4
Lorsqu’une onde (sonore ou électromagnétique) arrive à la surface de séparation entre deux milieux, une partie de l’énergie transportée par l’onde est renvoyée dans le milieu initial et l’autre est transmise dans le second milieu. Les fractions d’énergie renvoyée et d’énergie transmise dépendent des caractéristiques des deux milieux, mais aussi de la nature et de la fréquence de l’onde. Exemples Une vitrine laisse voir l’intérieur d’un magasin, mais elle fait aussi fonction de miroir. Lors d’une échographie, les impulsions ultrasonores pénètrent dans les tissus et se réfléchissent partiellement à chaque changement de milieu.
La réflexion de la lumière
Activité 3
miroir
Les phénomènes de réflexion de la lumière sont fréquents dans notre environnement : les reflets à surface de l’eau, les miroirs… Un faisceau de lumière laser est renvoyé dans une seule direction lorsqu’il arrive à la surface d’un miroir : c’est le phénomène de réflexion (Fig. 6).
Fig. 6 Tracé d’un rayon de lumière lors d’une réflexion.
Si un faisceau laser arrive sur une surface qui n’est pas parfaitement lisse, une partie ou la totalité de la lumière peut être renvoyée dans toutes les directions : c’est le phénomène de diffusion. Exemple Un écran blanc diffuse toute la lumière qu’il reçoit.
La réfraction de la lumière
Activités 1 et 3
Un faisceau de lumière laser est dévié lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre (par exemple : de l’air à l’eau, ou le contraire). C’est le phénomène de réfraction. Exemple
Fig. 7 La paille cassée.
Une paille dans l’eau paraît cassée à l’interface air-eau à cause de la réfraction (Fig. 7).
Lorsque la lumière se propage plus lentement dans le second milieu (par exemple, lors du passage de l’air vers le verre), le rayon réfracté se rapproche de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux (Fig. 8). Dans ce cas, la lumière peut toujours pénétrer dans le second milieu. Lorsque la lumière se propage plus rapidement dans le second milieu (par exemple, lors du passage du verre vers l’air), le rayon réfracté s’écarte de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux (Fig. 9a). Dans ce cas, la lumière ne peut pas toujours pénétrer dans le second milieu. Cela dépend de l’angle d’incidence i que fait le rayon incident avec la normale : – si l’angle d’incidence i est inférieur à un angle limite (qui est caractéristique des deux milieux), la lumière pénètre dans le second milieu (Fig. 9a) ; 10
normale à la surface de séparation
air
i
eau
Fig. 8 La lumière se propage plus lentement dans le second milieu.
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Cours – si l’angle d’incidence i dÊpasse l’angle limite, la lumière ne peut plus passer dans le second milieu : elle est complètement renvoyÊe dans le milieu initial. C’est le phÊnomène de rÊflexion totale (Fig. 9b). a
b air
air
eau
eau i
i
Fig. 9 La lumière se propage plus rapidement dans le second milieu.
Exemple La lumière est guidÊe par rÊflexion totale dans les fibres optiques, utilisÊes par exemple dans les fibroscopes mÊdicaux (Fig. 10).
Fig. 10 Les endoscopes utilisĂŠs en mĂŠdecine sont des exemples de fibroscopes.
Exercices 16 Ă 22
Les compĂŠtences Ă acquĂŠrir du chapitre
1
Savoir extraire et exploiter des informations sur la nature des ondes et leurs frĂŠquences
⌠L’œil humain ne perçoit qu’une toute petite partie des ondes ÊlectromagnÊtiques, correspondant à la lumière visible. ⌠Les rayons X utilisÊs en radiologie sont des ondes ÊlectromagnÊtiques dont la frÊquence est beaucoup plus grande que celle de la lumière visible. ⌠Les ultrasons utilisÊs lors d’une Êchographie sont des ondes sonores non audibles, car de grandes frÊquences.
2
ConnaÎtre les vitesses de propagation de la lumière et du son
âŚ
Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite.
âŚ
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (ou dans l’air) est :
c 3,00 ¼ 108 m ¡ s-1
âŚ
La vitesse de propagation du son dans l’air à tempÊrature ambiante est :
v 340 m ¡ s-1
3
.
.
Savoir identifier les phÊnomènes de rÊflexion et de rÊfraction
⌠À la surface de sĂŠparation entre deux milieux de propagation, on observe des phĂŠnomènes de rĂŠflexion et de rĂŠfraction. âŚ
Après rÊflexion, l’onde reste dans son milieu de propagation initial.
⌠Lors du passage dans un autre milieu, la direction de propagation de l’onde est dÊviÊe : c’est la rÊfraction.
Extrait
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Exercices Objectif 1 Extraire et exploiter des informations
sur la nature des ondes et leurs fréquences
Donnée. Domaine des fréquences audibles pour l’homme : 20 Hz à 20 kHz.
1 Communication Terre-Lune 1. Pourquoi une éventuelle communication par onde sonore entre la Terre et la Lune ne serait-elle pas possible ? 2. Donner un exemple d’onde pouvant se propager dans le vide.
2 Fréquence audible ? Une onde sonore de période T 45 ms est-elle audible ?
3 Absorption sonore Les ultrasons sont plus absorbés par l’air que les sons. En déduire comment varie l’absorption avec la fréquence.
4 Grenouille et perroquet Une grenouille perçoit des sons de 60 à 10 000 Hz, un perroquet, de 40 à 14 000 Hz. 1. Quel animal a un domaine de fréquences audibles le plus proche de celui de l’oreille humaine ? 2. Ces animaux perçoivent-ils les ultrasons ?
5 Voir à travers la matière grâce aux rayons T « Voir à travers les habits (comme dans les scanners corporels pour aéroport […]) [pour] lutter contre le bioterrorisme ; repérer des cancers invisibles ; examiner les œuvres d’art ou percer les secrets du ciel : les ondes térahertz (THz) ou rayons T […] sont promis à moult applications.
Dans le spectre, ces ondes se trouvent entre l’infrarouge de la télécommande TV et les micro-ondes du four. Leur domaine englobe des fréquences comprises entre 0,1 et 30 térahertz (donc 100 à 30 000 milliards de hertz […]). […] Leurs propriétés s’avèrent intéressantes : elles possèdent comme les micro-ondes un fort pouvoir pénétrant. 12
Et, comme la lumière visible, elles se laissent focaliser, pouvant révéler des détails fins, de l’ordre du millimètre voire moins. Surtout, à l’inverse des rayons X, qui ionisent la matière et sont donc délétères à hautes doses, ces rayons T, 10 000 fois moins énergisants, semblent être inoffensifs. » Le Temps, 16 janvier 2010, article d’Olivier Dessibourg
1. a. Écrire « 100 à 30 000 milliards de hertz » sous la forme a ¥ 10n où 1 ⩽ a < 10. b. En déduire à quelle puissance de 10 correspond le préfixe « téra ». c. Vérifier l’affirmation : « ces ondes se trouvent entre l’infrarouge de la télécommande TV et les micro-ondes du four ». 2. Donner un exemple d’images réalisées par rayons X. 3. Pourquoi les rayons T sont-ils intéressants ? Données. Infrarouges : fréquences autour de 1013 Hz. Micro-ondes : fréquences autour de 1011 Hz.
6 Fréquence d’une onde sonore La tension aux bornes coefficient de balayage : 10 ms · div–1 d’un récepteur d’ondes sonores est visualisée sur l’écran d’un oscilloscope : 1. Déterminer la période de l’onde sonore. 2. En déduire sa fréquence f. 3. Les ondes sonores réceptionnées sont-elles audibles ? Justifier.
7 Who discovered X-rays? German physicist, Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923), discovered X-rays in 1895 while he was experimenting with electricity. Since he did not really understand what these rays were, he called them X-rays, because in mathematics X stands for the unknown. A week after his discovery, Roentgen took an X-ray photograph of his wife’s hand, which clearly revealed her wedding ring and her bones. By 1900, doctors were using X-rays to take pictures (called radiographs) of bones, which helped them treat injuries more effectively. In 1901, Roentgen was awarded the first Physics Nobel Prize for his discovery. 1. Why did Roentgen call the new radiation X-rays? 2. What was the first application of this discovery? 3. What award did Roentgen receive for his discovery?
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Exercices Objectif 2 Savoir utiliser les vitesses de propagation
de la lumière et du son
8 L’indispensable Corriger les propositions inexactes. 1. La lumière peut se propager dans n’importe quel milieu. 2. Dans un milieu matériel, la lumière va plus vite que dans le vide. 3. Dans l’eau, la lumière et le son se propagent plus vite que dans l’air. 4. Comme les ultrasons ont une fréquence plus grande que les sons audibles, ils se propagent plus vite dans l’air.
9 La bonne valeur Parmi les valeurs suivantes, quelles sont celles qui correspondent à la vitesse de propagation de la lumière dans le vide ? b. 3 ¥ 108 m · s-1 ; a. 300 000 m · s-1 ; -1 c. 300 000 km · s ; d. 3 ¥ 1018 m · s-1 ; -1 e. 300 000 km · h ; f. 3 ¥ 105 km · s-1.
10 Une histoire d’Indien Pourquoi les Indiens d’Amérique mettaient-ils leur oreille contre les rails de chemin de fer pour savoir si un train arrivait ?
11 Son et lumière 1. Dans l’air, quelle distance parcourt la lumière en : a. une seconde ? b. un jour ? c. un an ? 2. Mêmes questions pour un son. 3. Des valeurs précédentes, déduire, sans calcul, quelle est environ la durée nécessaire au son pour parcourir la même distance que la lumière en 1 s.
2. Avec la vitesse du son v 340 m · s-1, la durée du trajet 1, 50 ¥ 1011 serait Dt' 4,41 ¥ 108 s ª 14 ans ! 340 3. Le son ne peut pas se propager dans le vide entre la Terre et le Soleil, il a besoin d’un milieu matériel.
13 Télécommande infrarouge Quel temps met un signal infrarouge émis par une télécommande pour atteindre un poste de télévision placé à 3,5 m ?
14 Rapide, la lumière ! Dans l’air, les sons se propagent beaucoup plus lentement que la lumière. 1. Donner la vitesse de propagation des ondes sonores et de la lumière dans l’air. 2. Pour mieux concevoir la différence de valeur entre ces deux vitesses, on imagine un monde où la vitesse de la lumière serait celle d’un avion de ligne sur Terre, soit environ 1 000 km · h-1. Toute proportion gardée, quelle serait la vitesse de propagation du son dans ce monde ? Commenter la réponse trouvée.
15 Vitesse des ultrasons Un émetteur et un récepteur d’ultrasons, placés dans un même milieu, en regard l’un de l’autre et à une distance ℓ 20,0 cm, sont reliés à la carte d’acquisition d’un ordinateur. Les graphiques ci-dessous donnent le signal capté par le récepteur, lorsqu’une salve ultrasonore a été émise à l’instant t 0 s. Selon les milieux traversés, on obtient les deux enregistrements des figures a et b ci-dessous. u (V)
a
L’eau est le milieu de propagation
EXERCICE RÉSOLU
12 Lumière solaire La distance Terre-Soleil est D 1,50 ¥ 108 km. 1. Combien de temps faut-il à la lumière solaire pour nous parvenir ? 2. Combien de temps mettrait un son pour parcourir la même distance ? 3. Dans la question précédente, pourquoi a-t-on écrit « mettrait » et non « met » ?
0 u (V)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 t (ms) b
L’air est le milieu de propagation
Aides et méthodes 1. Penser à convertir la distance en mètre. Solution
D c avec pour la vitesse de la lumière c 3,00 ¥ 108 m · s-1 1, 50 ¥ 1011 soit Dt 500 s = 8 min 20 s. 3, 00 ¥ 10 8 1. La durée Dt mise par la lumière vérifie Dt
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 t (ms)
1. Sans faire de calcul, expliquer, à l’aide des graphiques, dans quel milieu la propagation des ultrasons est la plus rapide. 2. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air et dans l’eau. Extrait
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Exercices Objectif 3
2. Pour qu’il y ait réflexion, il faut que la surface de l’eau soit plane et lisse. Or en b , l’eau est agitée. Elle se comporte comme une surface rugueuse. La lumière solaire est diffusée comme par un écran. 3. À la surface de séparation air-eau, la lumière incidente est en partie réfléchie dans l’air (et éventuellement diffusée), l’autre partie pénètre dans l’eau en étant déviée : c’est la réfraction.
Savoir identifier les phénomènes de réflexion
et réfraction
Donnée. Un rayon lumineux n’est pas dévié lorsqu’il arrive à la surface de séparation entre deux milieux avec un angle d’incidence nul par rapport à la normale à cette surface.
16 Réflexion ou réfraction Dans chaque cas, indiquer si la situation est le résultat d’une réflexion ou d’une réfraction. a. Un reflet dans un miroir. b. Le transport d’informations par fibres optiques. c. Le fil de canne à pêche qui semble « se casser » au niveau de la surface de l’eau.
19 Phénomènes sonores Citer deux exemples concrets de réflexion et d’absorption sonore.
20 Le bon schéma Un rayon lumineux arrive à la surface de séparation entre deux milieux : l’air et l’eau (en bleu sur les schémas).
17 Réflexion sur la réflexion et la réfraction Corriger, si nécessaire, les affirmations suivantes. a. Quand il y a réfraction, le rayon réfracté se rapproche toujours de la normale. b. Si l’angle d’incidence est nul, il n’y a pas de réfraction. c. Un rayon lumineux peut traverser la surface de séparation de deux milieux transparents, quel que soit son angle d’incidence. d. Lorsqu’il y a réflexion totale de la lumière, la surface de séparation des deux milieux se comporte comme un miroir. EXERCICE RÉSOLU
18 Jeu de lumière On a photographié la « vieille prison » à Annecy. a
b
1. Quel phénomène observe-t-on à la surface de l’eau sur la photographie a ? 2. Comment expliquer que ce phénomène est pratiquement inexistant sur la photographie b ? 3. Dans les deux cas, que devient la lumière solaire qui arrive sur la surface de séparation air-eau ? Aides et méthodes 2. Observer attentivement la surface de l’eau. Solution 1. En a , l’eau se comporte comme un miroir : on observe un phénomène de réflexion. 14
a
d
c
b
e
f
Les schémas proposés correspondent-ils tous à des comportements possibles de la lumière ? Si oui, préciser le phénomène physique illustré. Justifier toutes les réponses.
21 Comme un poisson dans l’eau 1. Sur un schéma, représenter un rayon lumineux pour expliquer que le chat voit le poisson en regardant au-dessus de la surface de l’aquarium. 2. a. Qu’arrive-t-il au rayon lumineux ? b. Comment s’appelle ce phénomène ? c. Comment se produit-il ? d. Quelle est la conséquence pour le chat s’il veut attraper le poisson ? 3. Où le chat doit-il se placer pour que ce phénomène ne se produise plus ? Justifier la réponse.
22
Le point de vue du poisson
Un poisson dans l’eau d’un lac regarde vers le haut et voit à la surface de l’eau un disque lumineux de rayon r, centré sur sa verticale, dans lequel il aperçoit tout ce qui est audessus de l’eau. Expliquer cette observation.
air
r
eau
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Exercices Exercices de synthèse 23 Le stationnement facile
ondes sonores
Une voiture est équipée d’un système comportant un émetteur et un récepteur d’ultrasons placés côte à côte à l’arrière du véhicule. Lors d’une marche arrière, une salve ultrasonore est envoyée sur un obstacle ; l’écho est détecté par le récepteur 9,0 ms après l’émission. 1. À quel phénomène physique correspond l’écho détecté par le récepteur ? 2. À quelle distance se trouve l’obstacle de la voiture ?
24 Mesure échographique Lors d’une échographie, la sonde émet des salves ultrasonores de très courte durée. La même sonde enregistre les échos renvoyés par les surfaces de séparation des différents milieux. Sur l’enregistrement ci-dessous, 1 division (div) correspond à une durée de 50 µs. peau A sonde gel
B
d
structure explorée C
écho issu de A écho issu de B écho issu de C
1 div
1. Déterminer la durée qui s’écoule entre la réception des échos issus de B et de C. 2. Calculer la dimension d de la structure explorée dans les tissus mous, sachant que la vitesse de propagation des ultrasons dans ces tissus est de l’ordre de 1,5 ¥ 103 m · s-1.
25 L’orage Lors d’un orage, la foudre tombe à 5 km d’un promeneur. L’éclair et le tonnerre sont émis simultanément au moment où la foudre tombe. 1. a. Au bout de combien de temps le promeneur verra-t-il l’éclair ? b. Au bout de combien de temps entendra-t-il le tonnerre ? 2. Justifier la technique qui consiste à compter les secondes entre éclair et tonnerre et à les diviser par 3 pour obtenir la distance (en kilomètres) à laquelle la foudre est tombée.
écho
1. Quel type d’ondes sonores une chauve-souris émet-elle ? 2. Si, une fois l’impulsion sonore émise, la chauve-souris continuait son vol en ligne droite horizontalement, au bout de combien de temps atteindrait-elle le mur ? 3. Au bout de quelle durée reçoit-elle un écho ? (La vitesse de l’onde est telle qu’on peut supposer que la chauve-souris n’a quasiment pas avancé entre l’émission et la réception.) 4. Peut-elle éviter le mur, sachant que par réflexe naturel son temps de réaction est de 100 ms ?
27 Écho laser Depuis 1969, cinq réflecteurs ont été déposés sur la Lune : ils sont utilisés régulièrement pour mesurer la distance entre la Terre et la Lune. À l’aide d’un télescope optique, on vise de la Terre un réflecteur. Une impulsion laser est alors envoyée vers la Lune et réfléchie par le réflecteur vers la Terre. Le temps de parcours est mesuré par une horloge très précise. Les mesures de la distance Terre-Lune effectuées depuis plusieurs dizaines d’années montrent que la Lune s’éloignerait de la Terre de plusieurs centimètres par an. 1. Faire un schéma de la situation décrite, où figurent la Terre, la Lune et le chemin suivi par l’impulsion laser. 2. Quelle relation existe-t-il entre la durée de parcours de l’impulsion et la distance qui sépare la Terre de la Lune ? 3. Une mesure de la durée de parcours de l’impulsion est 2,536 s. En déduire la distance Terre-Lune.
28
Instantanée, la lumière ?
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Vol de chauve-souris
La chauve-souris possède un véritable sonar naturel : elle émet des impulsions sonores, de fréquence pouvant atteindre 100 kHz, qu’elle réceptionne après réflexion sur les obstacles. Une chauve-souris émet une impulsion sonore alors qu’elle se trouve à 2,0 m d’un mur et qu’elle se déplace vers cet obstacle avec une vitesse de 5,0 m · s-1.
Histoire des sciences
Dans le Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, publié en 1632, Galilée met en scène trois personnages : Sagrédo, qui représente l’« honnête » homme, c’est-à-dire l’homme ouvert aux idées nouvelles ; Salviati, qui représente Galilée lui-même, et Simplicio, qui expose les idées traditionnelles. Extrait
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Exercices « Sagrédo : Comment estimer la vitesse de la lumière ? Peut-être est-elle instantanée, momentanée, ou aussi, comme les autres mouvements, temporaire ? Pourronsnous, avec une expérience, nous en assurer ? Simplicio : L’expérience quotidienne le montre, la propagation de la lumière est instantanée ; lorsqu’un canon tire à une grande distance, l’éclat de la flamme s’offre immédiatement à nos yeux, mais il faut un intervalle de temps notable pour que le son arrive à notre oreille. Sagrédo : Eh, M. Simplicio, cette expérience très connue n’apporte pas autre chose que le son arrive à notre ouïe en un temps moins bref que la lumière n’y arrive ; mais il ne m’assure pas que l’arrivée de la lumière soit instantanée, plutôt que temporaire mais très rapide. […] Salviati : Le peu qu’on peut conclure de ces observations, et d’autres semblables, me fit autrefois penser à quelque moyen de pouvoir nous en assurer sans erreur […]. Je prends deux aides, avec chacun une chandelle qu’ils placent dans une lanterne, de façon à pouvoir la masquer et la découvrir à la vue de l’autre par interposition de la main ; se tenant face à face, à quelques coudées de distance, chacun s’exerce à dévoiler et à dissimuler sa lumière à la vue de son compagnon, découvrant la sienne propre dès qu’il aperçoit celle de l’autre […]. L’habitude étant acquise sur une courte distance, nos deux compagnons s’éloigneront de deux ou trois milles avec deux lanternes semblables, et, accomplissant de nuit la même expérience, observeront attentivement si les ouvertures et les occultations ont lieu de la même manière que plus près […]. Sagrédo : L’expérience me semble d’invention non moins sûre qu’ingénieuse. Mais dites-nous ce que, dans la pratique, vous avez conclu. Salviati : À vrai dire, je ne l’ai expérimenté que sur de petites distances, c’est-à-dire moins d’un mille, de quoi je n’ai pas pu m’assurer si vraiment l’apparition de la lumière opposée est instantanée, ou bien très rapide, et quasi instantanée. » 1. a. Quelle question se pose Sagrédo à propos de la vitesse de la lumière ? b. Quel est le point de vue de Simplicio sur cette question ? 2. Faire un schéma de l’expérience proposée par Salviati. 3. Exploitation de l’expérience réalisée a. Calculer la durée Dt mise par la lumière pour parcourir la distance entre les deux lanternes, sachant qu’un mille vaut environ 1 600 m. b. Pourquoi l’expérience n’a-t-elle pas permis de répondre à la question que se posait Sagrédo ? c. L’expérience aurait-elle été plus fructueuse si la distance entre les deux lanternes avait été de 2 ou 3 milles ? d. Quelle distance aurait dû séparer les deux lanternes pour que la durée à mesurer soit d’environ une seconde ? 16
En route vers la Première 29
Modélisation d’une échographie
Dans un récipient rempli d’eau, on place une plaque de Plexiglas d’épaisseur e. L’eau simule les tissus mous, la plaque de Plexiglas un muscle dense. Une sonde échographique, constituée d’un émetteur et d’un récepteur, est plongée dans l’eau. Le schéma de principe est représenté ci-dessous :
sonde S
air eau
objet réflecteur
B A plaque ondes ultrasonores de Plexiglas d e
R
D
Les signaux émis et reçus par la sonde sont très brefs. Sur les oscillogrammes, on représente par un pic simple les signaux nécessaires à l’exploitation. On choisit l’origine des dates à l’instant de l’émission du signal.
t=0s
tR
Oscillogramme 1
t=0s
tA tB
t'R
Oscillogramme 2
Donnée. Durée de balayage de l’oscilloscope : kx = 20 µs · div-1.
L’oscillogramme 1 est obtenu sans la plaque de Plexiglas. À l’instant t 0 s, on visualise le signal émis par la sonde. À l’instant tR on visualise l’écho réfléchi sur l’objet réflecteur. L’oscillogramme 2 est obtenu avec la plaque de Plexiglas. tA et tB sont les dates auxquelles la sonde détecte les ondes réfléchies par les faces de la plaque de Plexiglas et t'R celle du nouvel écho sur l’objet réflecteur. 1. À l’aide de l’oscillogramme 1, déterminer tR. 2. Établir que l’expression de la date tR en fonction de la distance D 2D et de la vitesse v des ultrasons dans l’eau est : tR = . v 3. D’après les oscillogrammes 1 et 2, les ultrasons se propagent-ils plus vite dans l’eau ou dans le Plexiglas ? 4. Montrer que la longueur L du trajet total du signal dans l’eau uniquement est : L 2(D - e). 5. a. Donner l’expression de la date tA, date à laquelle la sonde reçoit l’écho dû à la réflexion partielle au point A, en fonction de d et v. b. Montrer que l’expression de la date tB, date à laquelle la sonde reçoit l’écho dû à la réflexion partielle au point B, est : 2d 2e où v' est la vitesse des ultrasons dans le Plexiglas. tB = v v'
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Les sciences et Une caméra à avaler La vidéo-capsule vidéo-capsule, utilisée depuis 2001, est un instrument d’observation miniature (endoscope) utilisé en médecine, qui tient dans une gélule de 11 × 27 mm. Avalée par le patient, elle progresse librement à travers les organes de digestion, qu’elle peut filmer pendant cinq heures d’affilée.
L’IRM Depuis les années 1980, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) fournit des images numériques 3D et en coupe des organes et de leurs lésions éventuelles, avec une grande précision. Elle utilise les ondes radio et les propriétés magnétiques du noyau de l’atome le plus présent dans l’organisme humain, l’hydrogène.
Sciences et culture
L’image cachée Cette gravure d’István Orosz (artiste hongrois) est une anamorphose.. Elle représente un paysage du roman de Jules Verne, L’Île mystérieuse.. Mais elle contient également une image cachée, un portrait de l’écrivain, qui n’apparaît par réflexion que lorsque l’on place convenablement un miroir cylindrique.
Fiche
métier
Le manipulateur en électroradiologie médicale est un professionnel de santé qui participe à la réalisation d’examens cliniques approfondis qui utilisent l’imagerie médicale. Il participe aussi aux soins, puisqu’il a la charge des traitements en radiothérapie. Cette profession, en plein essor, conjugue deux fonctions : soignant et technicien.
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Imprimé en France par Loire Offset Titoulet N° de projet : 10170355 - Dépôt légal : mai 2010
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