Partie 3 : L'organisme en fonctionnement. Chapitre 1 : Adaptation de l organisme à l effort physique

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1 Partie 3 : L'organisme en fonctionnement Chapitre 1 : Adaptation de l organisme à l effort physique Introduction : Acquis du collège : Les efforts physiques sont réalisés grâce à la contraction des muscles. - La cellule musculaire produit l énergie nécessaire à sa contraction par le mécanisme de la respiration cellulaire (oxydation des nutriments, en particulier le glucose, grâce au dioxygène). - Les nutriments, résultats de la digestion des aliments, sont apportés aux cellules sous forme dissoute dans le sang. - Le dioxygène, prélevé dans l air au niveau des alvéoles pulmonaires, est apporté par le sang aux cellules. Questions : Quelles sont les modifications physiologiques de mon corps lors d un effort physique? I] Les modifications des activités cardiaques et respiratoires au cours d un effort physique Activité 1 / TP : Les variations physiologiques associées à l effort Activité 1 / TP : Les variations physiologiques associées à l effort Problème de départ : Quelles sont les modifications physiologiques de mon corps lors d un effort physique? (répondre à la fin dans le bilan) Partie 1 : Utiliser l ExAO pour mesurer la consommation en dioxygène de l organisme Matériel et mesures : - Placer un embout buccal et un filtre antibactérien à l extrémité du tuyau, puis inspirer et expirer normalement, en pinçant ou non le nez. Remarque : il faut entendre les valves ; - Quand la respiration est devenue régulière, démarrer les mesures Question 1 : Annoter le schéma simplifié du montage ci-dessous 1) Effort et activité respiratoire : spirographie 1

2 Expérience : - Choisir "spirographie". - Régler les paramètres : durée = 120 secondes - Respirer en tenant l'embout entre les lèvres, bouche fermée. - Lancer la mesure avec le bouton "Démarrer". Faire les mesures 30 secondes au repos. - Effectuer 1 flexion toute les 10 secondes pendant 1 minute. - Se reposer 30 secondes avant d'arrêter les mesures. - Appeler le professeur puis imprimer. Refaire l expérience en réalisant : 20 flexions rapides pendant 1 minute (1 flexion toute les 3 secondes). Exploitation des résultats : Présentez vos résultats (question 2 et 3) dans un tableau. Question 2 : a) Calculer au repos : la fréquence respiratoire (nombre de cycles [inspiration / expiration] par minute) et le volume d'air ventilé (volume d'air entrant ou sortant à chaque mouvement). b) Faire le même calcul à l'effort. Question 3: En déduire au repos comme à l'effort, le débit ventilatoire. Débit ventilatoire = fréquence respiratoire x volume d'air inspiré (en L/min). Question 4 : Comparer repos et effort puis conclure sur les variations des paramètres respiratoires lors d'une activité physique. 2) Effort et activité respiratoire : consommation d oxygène Expérience : - Régler les paramètres : durée = 240 secondes - Respirer en tenant l'embout entre les lèvres, bouche fermée. - Lancer la mesure avec le bouton "Démarrer". Faire les mesures 1 minute au repos. - Effectuer 1 flexion toute les 10 secondes pendant 1 minute. - Se reposer 2 minutes avant d'arrêter les mesures. - Appeler le professeur puis imprimer. Refaire l expérience en réalisant : 20 flexions rapides pendant 1 minute (1 flexion toute les 3 secondes). Exploitation des résultats : Présentez vos résultats (question 2 et 3) dans un tableau. Question 5 : a) Calculer le volume de dioxygène consommé par minute (= pente de la courbe) au repos, en activité puis en récupération. b) Faire le même calcul pour l exercice plus intense Question 6 : Comparer repos et effort puis conclure sur les variations des paramètres respiratoires lors d'une activité physique. Partie 2 : Effort physique et activité cardiaque On se propose d'étudier un paramètre lié à l'activité cardiaque : la fréquence cardiaque (nombre de battements par minute) Expérience : Prenez votre pouls au cou (fréquence cardiaque) pendant 1 minute et notez-en la valeur : - au repos (assis) - juste après 20 flexions lentes 2

3 - juste après 20 flexions rapides. (1/2 temps par rapport aux précédentes) Exploitation des résultats : Présentez-les dans un tableau. Question 7 : Comparer les résultats obtenus et indiquer comment évolue la fréquence cardiaque. Question 8 : Comment le cœur s'adapte-t-il à l'effort? Partie 3 : Les limites de l'adaptation Un jeune sportif de 16 ans subit un test à l'effort dans un centre spécialisé. Il réalise un exercice musculaire de puissance croissante sur une bicyclette ergonomique. Toutes les deux minutes, le vélo est réglé pour que la puissance musculaire développée pour effectuer l'exercice augmente. Les résultats de fréquence cardiaque et de débit ventilatoire dont données dans le tableau cidessous. Question 9 : Décrire les variations observées et les comparer. Que peut-on en conclure? Question 10 : Indiquer la fréquence cardiaque max de cette personne et son VO 2 max (= débit ventilatoire maximal). Relier ces deux valeurs. Faire une phrase bilan permettant de répondre au problème de départ. Bilan : L effort physique s accompagne de variations de paramètres circulatoires et respiratoires. Lors d un effort physique, la fréquence cardiaque et le volume de sang éjecté par le cœur augmentent fortement d où l importante élévation du débit cardiaque. On appelle fréquence cardiaque le nombre de battements du cœur par minute. Au cours d un effort physique la fréquence cardiaque augmente en fonction de l intensité de l effort. Elle peut augmenter de façon importante mais sans jamais dépasser une limite propre à chacun : la fréquence cardiaque maximale. Fréquence cardiaque max = 220 âge (en années) Le débit cardiaque correspond au volume de sang expulsé par le cœur en une minute : Débit cardiaque = fréquence cardiaque x volume de sang éjecté par le cœur 3

4 Le débit respiratoire est le volume d air respiré en une minute (L/min). Débit respiratoire = nombre de respirations par minute x volume d air inspiré Lors d un effort physique, on observe une augmentation importante du volume d air circulant dans les poumons par minute. Le débit respiratoire augmente car : - Le rythme respiratoire (nombre de respirations par minute) augmente - Le volume d air inspiré augmente Donc au cours d un effort physique : - la fréquence cardiaque augmente - le volume de sang éjecté par le cœur augmente - le rythme respiratoire (nombre de respirations par minute) augmente - le volume d air inspiré augmente Néanmoins lorsque l effort demandé est trop important, le corps ne peut plus s adapter, la personne atteint alors : - la VO 2 max : consommation maximale en dioxygène par minute - la fréquence cardiaque maximale La VO 2 max peut être améliorée par un entraînement sportif, mais pas la fréquence cardiaque maximale. II] Les consommations des nutriments et du dioxygène selon l effort Activité 2 LES BESOINS DES CELLULES MUSCULAIRES Le rythme cardiaque et la ventilation pulmonaire s accélèrent à l effort. C est l approvisionnement des muscles qui est ainsi favorisé. Nous nous intéressons ici aux besoins des cellules musculaires. Objectifs : analyser des documents, raisonner, compléter un schéma bilan. 4

5 Questionnement de départ : Quel est le but des adaptations circulatoires et respiratoires au cours d un effort? I. LA RESPIRATION DES CELLULES MUSCULAIRES. Nous savons qu une cellule respire pour fournir de l énergie ; il en va de même pour les cellules musculaires. 1. Rappelez l équation de la respiration cellulaire. Quels sont les déchets de la respiration? Quels sont les besoins des cellules pour respirer? ÉQUATION DE LA RESPIRATION CELLULAIRE : C 6 H 12 O O ADP + 38 P -----> 6 CO H 2 O + 38 ATP ÉQUATION SIMPLIFIÉE DE LA RESPIRATION CELLULAIRE : C 6 H 12 O O > 6 CO H 2 O + ÉNERGIE 2. Sous quelle(s) forme(s) peut exister l énergie libérée? 3. Toute l énergie est-elle utilisable? II. LES BESOINS EN GLUCOSE DES CELLULES MUSCULAIRES. Doc. 1 : Coupe transversale de muscle avant (à gauche) et après contraction (à droite) ; le glycogène est coloré en noir 4. Déduisez du document 1 le rôle du glycogène. 5. Quelle molécule utilisable par respiration peut être produite par dégradation du glycogène? 300 Doc. 2 : Performance et réserves de glycogène chez 3 individus au cours d une même course 6. Exploitez le document 2 et précisez l importance de cette molécule par rapport au glucose circulant dans le sang. 5

6 7. Complétez les schémas ci-dessous concernant les besoins en matière organique d une cellule musculaire au repos et en activité. Bilan de la respiration pour une cellule musculaire au REPOS Glucose + dioxygène Energie + CO 2 + H 2 O Glycogène Pour la vie de la cellule Sous forme de chaleur Bilan de la respiration pour une cellule musculaire en CONTRACTION Glucose + dioxygène Energie + CO 2 + H 2 O Glycogène Pour la vie de la cellule Sous forme de chaleur Pour la contraction musculaire III. LES BESOINS EN DIOXYGENE DES CELLULES MUSCULAIRES. Les jeux olympiques d été de 1968 se sont déroulés à Mexico, à une altitude de 2235 m. Les performances enregistrées ont fourni des données sur l influence de l altitude sur l effort physique. Le tableau donne, pour les différentes épreuves olympiques de course à pied, l augmentation du temps de course enregistré à Mexico par rapport aux performances réalisées à cette époque au niveau de la mer. Distance de la course 100 m 200 m 400 m 800 m 1500 m 3000 m 5000 m m m (marathon) Augmentation du temps de course par rapport au niveau de la mer 2/10 e s 2/10 e s 2/10 e s 3/10 e s 4 s 55 s 62 s 150 s s Les graphiques ci-dessous fournissent deux informations importantes : 6

7 - la variation de la VO 2 max en fonction de l altitude (exprimée en pourcentage de la valeur mesurée chez les mêmes sujets au niveau de la mer), - la variation de la pression partielle en dioxygène de l air en fonction de l altitude. 3 : consommation maximale de dioxygène en fonction de l altitude. Document 4 : pression partielle de dioxygène en fonction de l altitude. 8. Commentez les performances enregistrées à Mexico. 9. Comment varie la consommation maximale de dioxygène en fonction de l altitude? 10. Quelle relation faites-vous entre le document 3 et le document 4? 11. Expliquez la baisse des performances sportives en mettant en relation les graphiques et vos connaissances s Faire une phrase bilan permettant de répondre au questionnement de départ. BILAN : Un effort physique s accompagne de toute une série d adaptations circulatoires et respiratoires dont le but et d alimenter les muscle en dioxygène et en nutriments nécessaires à leur contraction : La quantité de dioxygène prélevée par minute augmente en fonction de la puissance de l effort jusqu à un maximum : c est la VO2 max. L apport en nutriments est assuré par la mobilisation des réserves (en particulier le glycogène musculaire.) 7

8 L accroissement de chaleur résultant de l accélération de la respiration cellulaire fait augmenter la température corporelle. La vaporisation de l eau au niveau des pores de la peau, ainsi que la dilatation des vaisseaux cutanés (rougeur) permet d évacuer cet excès de chaleur. 8