III2 Activité 1 Des études sur les modifications physiologiques à l'effort Problème : Comment le corps se modifie lors d'un exercice physique? Mo.3 Corps humain et santé Situation de départ : Un jeune marathonien débute dans cette discipline. Il a réalisé son premier marathon. Il a du suivre un régime alimentaire particulier riche en féculent. De plus, au cours du marathon, sa respiration et son cœur ont été beaucoup sollicités, sans parler des fourmillements dans certains de ses membres. Malheureusement, il n'a pas réalisé un bon temps. Il n'a pas pu aller plus vite malgré son entraînement. Il aimerait comprendre comment son corps réagit lorsqu'il fait un marathon et voudrait comprendre pour son corps ne lui a pas permis de faire une bonne performance. Consignes : 1 Formuler des hypothèses permettant de rendre compte des modifications du corps à l'effort. (Ra.2) Il faudra faire 6 groupes de 3 élèves. Chaque groupe sera en charge d'un ensemble d'ateliers : soit les ateliers 1, 2 et 3 ; soit les ateliers 4, 5 et 6. 2 Par groupe, exploiter l'ensemble des 3 ateliers mise à disposition. (I.1 Ré.1 Ré.6) 3 Par groupe, rédiger un compte rendu sous la forme de son choix en utilisant un traitement de texte. Il devra être rendu à la fin. (Ré.6 Co.3) Évaluation de la compétence I.1 Ré.1 Ré.6 Ra.2 Co.3 Critères de réussite et d'évaluation INTÉGRALITÉ : Toutes les informations nécessaires sont relevées. PERTINENCE : Les informations sont utiles. EXACTITUDE : Il n'y a pas d'erreur de lecture et d'information déformée. INTÉGRALITÉ : Toutes les étapes du protocole sont suivies. CONFORMITÉ : Il y a un respect des consignes pas à pas (lecture des consignes). EXACTITUDE : Utiliser l'outil informatique de façon correcte (fiche technique). PERTINENCE : L'utilisation de l'outil informatique doit répondre à la consigne. SOIN : Le matériel doit être respecté. PERTINENCE : Exprimer une solution provisoire (ou partielle) en rapport avec le problème. COHÉRENCE : La solution exprimée doit être plausible et non contradictoire. PERTINENCE : La représentation choisie doit être adaptée au problème ou la situation. CONFORMITÉ : La représentation respecte les conventions de réalisation (dessin, schéma, tableau, graphique, etc.). EXACTITUDE : Les informations présentées sont sans erreur. SOIN : La représentation est propre et soignée.
Atelier 1 : Mise en évidence de la consommation de dioxygène lors d'un effort physique A Expliquer comment on pourrait montrer que le dioxygène est nécessaire lors d'un effort. B Suivre le protocole suivant : Ouvrir le fichier «respiration_humaine_expi_et_inspi». Le fichier est à récupérer sur le serveur élève. Data Studio s'ouvre alors (bien regarder que la console est allumée). Choisir un seul élève dans le groupe. Respirer dans l embout jetable pendant 1 minute avant de lancer l expérience (Ne respirer que par la bouche, se boucher le nez! Attention, il faut utiliser qu'un embout jetable par élève!). Lancer l enregistrement en appuyant sur «Démarrer)» sans interruption. Respirer au repos pendant 2 minutes (sans regardez l écran) : c est la phase de repos. Faire des flexions (1 flexion toutes les 3 secondes) pendant 2 minutes : c est la phase d exercice. Retour au repos pendant les 3 minutes restantes, rester debout : c est la phase de récupération. Arrêter l'enregistrement. Appeler le professeur pour vérification. C Analyser et interpréter la courbe. Cette courbe est la consommation de dioxygène en fonction du temps qu'on appelle VO2. Calculer également le coefficient directeur de chaque droite de la courbe. Conclure. Graphique de secours : Graphique montrant l'évolution de la VO2 en fonction du temps avant et pendant un effort
Atelier 2 : Mise en évidence d'une limite aux performances du corps la VO2max et la perte de poids A A partir des documents 1 et 2, expliquer comment on détermine les limites aux performances du corps (notamment la VO2max et la PMA). Document 1 : Le principe de l'épreuve d'effort L'épreuve d'effort, obligatoirement pratiquée sous contrôle médical, consiste à mesurer divers paramètres au cours d'exercices de puissance croissante (ici, on augmente la puissance de 2 W toutes les minutes). Les paramètres mesurés sont notamment le volume de dioxygène consommé, le volume de dioxyde de carbone rejeté, la fréquence cardiaque, la ventilation pulmonaire. Document 2 : La détermination de la VO2max et de la PMA La VO2max est la consommation maximale de dioxygène, c'est-à-dire le volume maximal de dioxygène que l'organisme peut délivrer aux muscles en temps donné. Elle renseigne sur la capacité maximale des muscles à utiliser les mécanismes respiratoires pour subvenir à leurs besoins énergétiques. La VO2max s'exprime en ml de O2 consommé par kg et par minute ou en ml (ou l) de O2 consommé par minute. Au-delà de cette limite (VO2max), l'augmentation des besoins peut être couverte pour une durée limitée par d'autres mécanismes producteurs d'énergie comme la fermentation lactique (un autre métabolisme que la respiration cellulaire). La PMA est la puissance maximale aérobie correspondant à cette consommation maximale de dioxygène. C'est donc la performance maximale du sujet. Elle est mesuré en watts (W). Cette PMA et donc la VO2max peuvent être dépassés par l'entraînement. B A l aide d'un tableur style «LibreOffice», construire le graphique de la VO2 en fonction de la puissance imposée : Ouvrir le «Classeur LibreOffice» ou «LibreOffice Calc». Rentrer les données du document 3. Cliquer sur Insertion / Objet / Diagramme, sélectionner le diagramme «Dispersion avec courbes lissées». Ne pas oublier les légendes des axes et le titre du graphique. Appeler le professeur. Le graphique devra être intégré au compte-rendu. Déterminer alors la VO2max et la PMA de Monsieur W. Document 3 : Tableau des résultats de mesure de la VO 2 chez Monsieur W lors d'un test d'effort Dans un centre sportif, Monsieur W effectue un exercice sur une bicyclette qui lui impose des efforts de puissance croissante. Pour chaque puissance imposée, on mesure sa consommation en dioxygène ou VO2. Ses résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous :
Puissance imposée (en W = Watts) 1 2 3 4 5 VO2 consommé (en ml/min/kg) 4,1 18 31,5 56,1 78 78 C En utilisant les documents 4 et 5, suivre le protocole suivant afin d'aider le frère de Monsieur W de maigrir car il commence à être en surpoids : Préciser la valeur de la VO2max (à montrer sur le graphique). Décrire l'évolution de l'utilisation des lipides lorsque l'intensité de l'exercice physique varie. Déterminer quelle intensité de l'effort physique assure une utilisation optimale des lipides. Indiquer alors la vitesse de course la plus favorable pour que le frère de Monsieur W perdre du poids. Document 4 : Consommation de dioxygène en fonction de la vitesse de l'exercice Document 5 : Consommation des lipides en fonction de l'intensité de l'exercice (mesurée en pourcentage de VO2max) Graphique de secours : Graphique de la VO2 consommé en fonction de la puissance imposée 9 VO2 max VO2 consommé (en ml/min/kg) 8 7 6 5 VO2 consommé (en ml/min/kg) 4 3 2 1 1 2 3 4 Puissance imposée (en Watts) 5 6
Atelier 3 : Mise en évidence de la consommation de glucose lors d'un effort physique A partir des documents 1 à 4, valider ou invalider l'hypothèse proposée en début de séance. Préciser s'il n'existe pas d'autres sources d'énergie que le glucose et quand elles sont utilisées. Document 1 : Besoins du corps en fonction de l intensité de l effort Remarque : L'oxydation est la transformation des molécules par le métabolisme des cellules. Exemple : l'oxydation des glucides se passent essentiellement par la respiration cellulaire. Document 2 : Evolution des dépenses énergétiques en fonction du temps et suivant l'utilisation des réserves du corps
Définition : Le glycogène est un glucide composé de molécule de glucose liées entre elles. C'est une molécule qui permet de mettre en réserve le glucose dans les cellules. Document 3 : Valeurs de la concentration de glucose dans le sang sortant d'un muscle lors d'un exercice physique de puissance variable. Document 4 : Fibres musculaires avant (a) et après (b) un effort de longue durée. Le glycogène est en rose violet grâce à la coloration APS.
Atelier 4 : Mise en évidence des modifications du système ventilatoire A Expliquer comment on pourrait montrer les modifications du système ventilatoire. B Suivre le protocole suivant : Ouvrir le fichier «respiration_humaine_expi_et_inspi». Le fichier est à récupérer sur le serveur élève. Data Studio s'ouvre alors (bien regarder que la console est allumée). Choisir un seul élève dans le groupe. Respirer dans l embout jetable pendant 1 minute avant de lancer l expérience (Ne respirer que par la bouche, se boucher le nez! Attention, il faut utiliser qu'un embout jetable par élève!). Lancer l enregistrement en appuyant sur «Démarrer)» sans interruption. Respirer au repos pendant 2 minutes (sans regardez l écran) : c est la phase de repos. Faire des flexions (1 flexion toutes les 3 secondes) pendant 2 minutes : c est la phase d exercice. Retour au repos pendant les 3 minutes restantes, rester debout : c est la phase de récupération. Arrêter l'enregistrement. Appeler le professeur pour vérification. C On retrouve ci-contre un exemple type de l'enregistrement que l'on a effectué. Analyser et interpréter les deux graphiques. Pour cela calculer la fois la fréquence ventilatoire et relever le volume ventilé au repos et à l'effort (détailler les calculs). Document : Enregistrements de la fréquence ventilatoire et du volume ventilé au repos et lors d'un effort Quelques définitions : Cycle respiratoire = une inspiration suivie d une expiration Fréquence ventilatoire = nombre de cycle respiratoire par minute Volume ventilé (=volume courant) = volume d air renouvelé dans les poumons à chaque cycle respiratoire D On peut en déduire le débit, c'est-à-dire le volume d air inspiré ou expiré par unité de temps. Débit ventilatoire (en L.min-1) = fréquence ventilatoire (en cycle.min-1) x volume d'air ventilé (L). Calculer alors le débit ventilatoire au repose à l'effort et conclure.
Atelier 5 : Mise en évidence des modifications du système circulatoire Le cœur A Expliquer comment on pourrait montrer les modifications du système cardiaque. B Suivre le protocole suivant pour mesurer son pouls (= perception des battements du cœur) : Placer un doigt au niveau de la jugulaire (artère du cou) ou au niveau du poignet. Mesurer son pouls au repos et après 2 flexions. Pour mesurer un pouls, on compte les battements ressentis au poignet ou à la jugulaire pendant une minute. Si jamais le nombre de battements n'est pas significatif, augmenter le nombre de flexions. Quel est le paramètre mesuré? Que peut-on en conclure? C On peut mesurer aussi expérimentalement et avec précision les battements cardiaque grâce à un ECG. Analyser et interpréter les deux graphiques du document 1. Pour cela, calculer la fréquence cardiaque (Fc) de la personne (appelée Monsieur W), au repos, et suite à un effort physique de 12 Watts (détailler les calculs). (a) Document 1 : Electrocardiogrammes d'un homme au repos (a) et lors d'un effort physique intense environ 12 W (b). Grâce à des électrodes placées à la surface de la peau, il est possible de mesurer et enregistrer les courants électriques (b) accompagnant les contractions du cœur : c est la technique de l électrocardiographie (ECG). Un électrocardiogramme est une représentation graphique sur papier de l activité électrique du cœur en fonction du temps. D A l aide d'un tableur style «LibreOffice», construire le graphique du VES en fonction de la puissance imposée : Ouvrir le «Classeur LibreOffice» ou «LibreOffice Calc». Rentrer les données du document 2. Cliquer sur Insertion / Objet / Diagramme, sélectionner le diagramme «Dispersion avec courbes lissées». Ne pas oublier les légendes des axes et le titre du graphique. Appeler le professeur. Le graphique devra être intégré au compte-rendu. Document 2 : Tableau des résultats du VES de Monsieur W lors d'un test d'effort Dans un centre sportif, Monsieur W effectue un exercice sur une bicyclette qui lui impose des efforts de puissance croissante. Pour chaque puissance imposée, on mesure son volume d éjection systolique. Ses résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous : Puissance imposée ( en W = Watts) 3 5 1 12 15 VES (en ml) 7 11 125 135 136 137
Le cœur est un muscle. Il a pour rôle de pomper le sang de tout l'organisme. Suivant l'effort, il peut augmenter sa force de pompage. Il va donc éjecter plus de sang, on parle de volume d'éjection systolique ou VES. Systolique est l'adjectif de systole (= contraction du muscle cardiaque). 5 On peut en déduire le débit cardiaque, c'est-à-dire est le volume de sang fourni par le cœur par unité de temps. Débit cardiaque (en L.min-1) = fréquence cardiaque (battements.min-1) x volume d'éjection systolique (L). Calculer le débit cardiaque au repos et le débit cardiaque maximal de Monsieur W. Conclure. Graphique de secours : Graphique du VES en fonction de la puissance imposée 16 VES max Volume d'éjection systolique (en ml) 14 12 1 8 VES (en ml) 6 4 2 2 4 6 8 1 Puissance imposée (en Watts) 12 14 16
Atelier 6 : Mise en évidence des modifications du système circulatoire Les vaisseaux sanguins Faire une petite synthèse à partir des questions ci-dessous et des documents 1 à 3 suivants : Rappeler l'organisation de la circulation sanguine ce qu'est une veine, ce qu'est une artère, un capillaire. «La circulation générale et les poumons (circulation pulmonaire) sont en série» : justifier cette affirmation et expliquer l intérêt de cette disposition. En déduire l intérêt que les organes de la circulation générale soient en parallèle. Expliquer comment varie le débit sanguin total et le débit sanguin de chaque organe quand on fait un effort. Décrire les adaptations qui permettent ces variations de débit sanguin. Chaque organe est irrigué par des tout petits vaisseaux sanguins qu'on appelle capillaire qui permettent des échangent de nutriments et de gaz entre le sang et les organes. Document 1 : Circulation générale et débits locaux au repos Document 2 : Variation du débit sanguin global et au niveau de différents organes au repos et à l'effort
Lors d'un effort physique, les variations du débit sanguin au niveau des muscles sont dues à la modification de leur irrigation sanguine. En effet, le muscle est tissu très irrigué : 15 à 3 capillaires par mm 2 de coupe transversale. Pourtant au repos 1% seulement de ces capillaires sont ouverts à la circulation sanguine : les autres sont fermés par de petits muscles circulaires, appelés sphincters pré-capillaires. Pendant l'effort tous les sphincters s'ouvrent transformant ainsi le muscle en véritable éponge gorgée de sang. Document 3 : L'irrigation sanguine des muscles varie en fonction de l'activité