D1 Explorer le corps humain à l aide de l électricité

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1 FICHE 1 Fiche à destination des enseignants Type d'activité Démarche d'investigation-activité expérimentale Notions et contenus Compétences attendues Signaux périodiques : période, fréquence, tension maximale, tension minimale. Connaître et utiliser les définitions de la période et de la fréquence d un phénomène périodique. Identifier le caractère périodique d un signal sur une durée donnée. Déterminer les caractéristiques d un signal périodique. Socle commun de connaissances et de compétences [Pilier 1] Comprendre un énoncé, une consigne. Répondre à une question par une phrase complète. [Pilier 3] Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes. Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer. Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l aide d un langage adapté. Utiliser des graphiques. Mener à bien un calcul à la calculatrice. Réaliser des mesures (longueurs, durées, ), calculer des valeurs (période fréquence, ) en utilisant différentes unités. Commentaires sur l activité proposée Cette activité illustre le thème et le sous thème en classe de Seconde. Santé Le diagnostic médical Conditions de mise en œuvre Remarques Une séance expérimentale de 1 h 30 qui peut être prolongée par les activités D4 ECG et D6 EEG. Des informations peuvent être trouvées sur les sites : : l

2 FICHE 2 LISTE DU MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS Matériel disposé sur la paillasse du professeur : Rouleau de papier de ticket de caisse pouvant se dérouler autour d'un axe vertical constitué par une potence. Au préalable, tracer sur le papier du rouleau, 2 traits horizontaux à environ 0,5 cm des bords supérieur et inférieur sur au moins une longueur de 1 m ) Stylo feutre Règle Chronomètre

3 FICHE 3 DOCUMENT DESTINÉ AUX ÉLÈVES Objectifs : - Comprendre comment est tracé un électrocardiogramme (E.C.G.). - Mesurer expérimentalement une période. I. Phénomènes périodiques et corps humain Un phénomène est dit périodique lorsqu il se répète de la même manière à intervalles de temps réguliers. Sa période T correspond à la plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se répète. Question 1 Compléter le tableau : Noter des exemples que vous connaissez dans la colonne de gauche et la valeur de la période correspondante dans la colonne de gauche. Phénomène périodique lié au fonctionnement du corps humain Période T II. Comment visualiser les battements cardiaques et leur périodicité? Voici la discussion d'un patient avec son médecin : Patient Dupont : Docteur, je connais quelques techniques classiques pour mesurer la période de mes battements cardiaques. Mais vous me prescrivez maintenant un électrocardiogramme. De quoi s'agit-il? Docteur Cardio : Des impulsions électriques provoquent la contraction et la dilatation du muscle cardiaque. L électrocardiogramme ECG est l enregistrement graphique de l activité électrique liée aux contractions du cœur. En voici un exemple :

4 Patient Dupont : En pratique, comment enregistre-t-on cette activité électrique et comment mesure-ton la période des battements cardiaques? Docteur Cardio : Avec un simple morceau de papier et en simulant l activité électrique d un battement cardiaque par un aller retour vertical d un crayon, vous pouvez trouver le principe du tracé d un ECG et mesurer la période des battements du cœur. Question 2 Le patient Dupont connaît quelques techniques pour mesurer la période de battements cardiaques. En donner deux exemples : Question 3 D après ce que dit le docteur Cardio, un ECG est la représentation graphique, mais de quelles grandeurs? Cocher la bonne réponse : électrique entre deux points du corps en fonction de la distance qui les sépare. dimensions du cœur en fonction du temps. électrique entre deux points du corps en fonction du temps. A. de la tension B. des C. de la tension III. À la découverte du principe du tracé de l ECG Le docteur Cardio conseille de simuler l activité électrique d un battement cardiaque par l'aller-retour vertical d'un crayon : un aller-retour du crayon correspond à un battement cardiaque. 1. Première manipulation Avec un crayon, tracer sur une feuille à un rythme régulier plusieurs allers-retours verticaux de même amplitude. On veut mesurer la période T de ces allers retour à l aide d un chronomètre. Question 4 Proposer une méthode expérimentale qui permette de mesurer le plus précisément possible la période T du mouvement du crayon : Question 5 Réaliser la manipulation et noter la période du battement simulé :

5 Question 6 Quel type de courbe obtient-on sur la feuille de papier? Ressemble-t-elle à un ECG? Question 7 Sans chronomètre, serait-il possible de déterminer la période T à partir du seul tracé de la feuille? 2. Problème La méthode qui vient d'être expérimentée nécessite l'utilisation d'un chronomètre dont on souhaite pouvoir se passer. On veut donc mettre au point une expérience permettant d obtenir un tracé représentant le rythme des battements du cœur et permettant de le mesurer sur le tracé, comme dans le cas d'un ECG. Question 8 Faire différents essais et proposer un protocole qui permette de répondre à cette exigence. Pour chaque expérience réalisée, décrire la courbe obtenue, commenter puis éventuellement améliorer l expérience pour pouvoir déterminer la période T de l'aller-retour du crayon qui correspond à un battement cardiaque. Protocole expérimental de l expérience aboutie : Courbe obtenue : Représenter la période T des battements du cœur simulés sur le tracé et la calculer :

6 FICHE 4 Correction. Fiche à destination des enseignants Les élèves sont regroupés de manière à ce que le professeur ait au maximum 7 groupes à gérer. Pour gagner du temps, il peut demander aux élèves de préparer au préalable les premières questions. I. Phénomènes périodiques et corps humain Correction à l oral : Exemples de réponses données par des élèves : battements cardiaques ; respiration ; sommeil ; sensation de faim ; règles ; sommeil. Pour la période des battements cardiaques, les élèves donnent souvent une fréquence en nombre de battements par min. Cela permet d'aborder la différence fréquence-période. II- Comment visualiser les battements cardiaques et leur périodicité? Correction à l oral : 2. Réponses proposées par des élèves : stéthoscope, pouls, échographie. 3. La tension électrique entre deux points du corps. III- À la découverte du principe du tracé de l'eeg 4. L intérêt de cette question est que les élèves comprennent que les battements cardiaques vont être simulés par des allersretours verticaux et non par un tracé en deux dimensions (certains ont tendance à retracer directement un ECG). Il faut bien insister sur cette notion de tracé vertical. 5. Cette question ne pose pas de problème. 6. Cette question permet de vérifier que les élèves ont bien compris. 7. Cette partie est un travail des élèves en autonomie avec vérification du professeur. Dans le cadre de la démarche d investigation, elle permet l appropriation du problème qui suit. Les groupes d élèves écrivent rapidement un protocole qu ils soumettent au professeur avant de réaliser la manipulation. Le professeur les amène à améliorer le protocole le cas échéant. Protocoles proposés : Mesurer la durée d un aller-retour (pas assez précis) ; Mesurer plusieurs fois la durée d un aller-retour et en faire la moyenne ; Mesurer la durée pour tracer 10 allers-retours et diviser le résultat par 10. Vérifier que le tracé est bien vertical. De rares élèves essaient de tracer en même temps que leur pouls. Les élèves oublient souvent les unités. À la fin de ce paragraphe, le professeur corrige à l oral les questions 5 et 6 qui permettent de faire la transition avec le problème et de lancer la démarche d investigation. 8. Problème Conjectures et résolution du problème par l expérience. Les groupes cherchent à répondre au problème en autonomie, le professeur circulant pour les aider. Assez spontanément, les élèves ont l idée de déplacer la feuille tout en traçant les battements de cœur (comme un sismographe diront certains). Pour les groupes en panne d idées, en repartant du QCM de la question 2 et en leur demandant comment on pourrait visualiser le temps, ils ont l idée de déplacer la feuille.

7 Autre idée proposée : au cours du tracé vertical, on mesure la hauteur du déplacement à différents instants chronométrés puis on trace la courbe de la hauteur en fonction du temps. Pour améliorer l expérience, le professeur leur conseille d utiliser le rouleau de papier sur la potence. À partir de tracé(s) du groupe, souligner la non régularité du tracé et leur demander la ou les raisons. Les élèves prennent conscience de l importance de tirer le papier à vitesse constante et de tracer régulièrement. Pour faire avancer le problème, le professeur demande de représenter sur le tracé la période du battement de cœur et de réfléchir aux mesures à effectuer pour déterminer sa valeur. Certains groupes pensent à mesurer la durée écoulée pour une certaine longueur de défilement du papier puis après avoir mesuré la distance correspondant à la période sur le tracé, à calculer par proportionnalité la période T correspondante. On peut leur faire remarquer que cela revient à mesurer la vitesse de défilement du papier puis qu on peut, à partir de la distance correspondant à la période du tracé, accéder à la période T. Pour les élèves manquant d idées, on peut leur indiquer que le problème revient à transformer une distance en une durée et leur demander quelle grandeur relie distance et durée. Ces élèves aboutissent à l idée de mesurer la vitesse de défilement du papier puis au calcul de la période à partir de la distance correspondant à la période mesurée sur le tracé. Quelques élèves pensent qu il faut mesurer la vitesse du crayon pour avoir accès à T. On peut leur montrer leur erreur en leur demandant d indiquer la période T sur le tracé. Suivant l évolution des groupes, une mise au point en classe entière peut s avérer utile après le tracé sur le papier du rouleau et/ou durant la phase où est abordée la nécessité de mesurer la vitesse de défilement du papier pour accéder à la période T. Remarque : Il est possible de réaliser l'enregistrement d'un ECG en classe à l'aide du matériel présent au laboratoire de SVT. On utilise trois électrodes : la première placée au poignet gauche, la deuxième au poignet droit et la troisième à la cheville gauche. Voici un exemple d'ecg obtenu avec ce protocole :