III2 – Activité 1 Des études sur les modifications physiologiques à l'effortProblème : Comment le corps se modifie lors d'un

exercice physique ?Mo.3 Corps humain et santé

Situation de départ : Un jeune marathoniendébute dans cette discipline. Il a réalisé sonpremier marathon. Il a du suivre un régimealimentaire particulier riche en féculent. Deplus, au cours du marathon, sa respiration etson cœur ont été beaucoup sollicités, sansparler des fourmillements dans certains deses membres. Malheureusement, il n'a pasréalisé un bon temps. Il n'a pas pu aller plusvite malgré son entraînement. Il aimeraitcomprendre comment son corps réagitlorsqu'il fait un marathon et voudraitcomprendre pour son corps ne lui a paspermis 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 detexte. Il devra être rendu à la fin. (Ré.6 – Co.3)

Évaluation de lacompétence

Critères de réussite et d'évaluation

I.1• 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.

Ré.1 • INTÉGRALITÉ : Toutes les étapes du protocole sont suivies.• CONFORMITÉ : Il y a un respect des consignes pas à pas (lecture des consignes).

Ré.6• 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.

Ra.2• PERTINENCE : Exprimer une solution provisoire (ou partielle) en rapport avec le problème.• COHÉRENCE : La solution exprimée doit être plausible et non contradictoire.

Co.3

• 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 effortphysique

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 parélève !).

➢ 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 fonctiondu temps qu'on appelle VO2. Calculer également le coefficient directeur de chaque droite de lacourbe. Conclure.

Graphique de secours : Graphique montrant l'évolution de la VO2 en fonction du temps avant etpendant un effort

Atelier 2 : Mise en évidence d'une limite aux performances du corps – laVO2max et la perte de poids

A – A partir des documents 1 et 2, expliquer comment on détermine les limites aux performancesdu 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 diversparamètres au cours d'exercices de puissance croissante (ici, on augmente la puissance de 20 Wtoutes 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 dedioxygène que l'organisme peut délivrer aux muscles en temps donné. Elle renseigne sur lacapacité maximale des muscles à utiliser les mécanismes respiratoires pour subvenir à leurs besoinsénergétiques. La VO2maxs'exprime en ml de O2 consommépar kg et par minute ou en ml (ou l)de O2 consommé par minute.Au-delà de cette limite (VO2max),l'augmentation des besoins peutêtre couverte pour une duréelimitée par d'autres mécanismesproducteurs d'énergie comme lafermentation lactique (un autremétabolisme que la respirationcellulaire).La PMA est la puissance maximaleaérobie correspondant à cetteconsommation maximale dedioxygène. C'est donc laperformance maximale du sujet.Elle est mesuré en watts (W). CettePMA et donc la VO2max peuventêtre dépassés par l'entraînement.

B – A l’aide d'un tableur style « LibreOffice », construire le graphique de la VO2 en fonction de lapuissance 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 VO2 chez Monsieur W lors d'un test d'effort

Dans un centre sportif, Monsieur W effectue un exercice sur une bicyclette qui lui impose desefforts de puissance croissante. Pour chaque puissance imposée, on mesure sa consommation endioxygène ou VO2. Ses résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous :

Puissance imposée (en W =Watts)

0 100 200 300 400 500

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 Wde 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 enfonction de la vitesse de l'exercice

Document 5 : Consommation des lipides enfonction de l'intensité de l'exercice (mesurée

en pourcentage de VO2max)

Graphique de secours :

0 100 200 300 400 500 6000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Graphique de la VO2 consommé en fonction de la puissance imposée

VO2 consommé (en ml/min/kg)

Puissance imposée (en Watts)

VO

2 c

on

som

mé

(e

n m

l/min

/kg

)

VO2 max

Atelier 3 : Mise en évidence de la consommation de glucose lors d'un effortphysique

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'utilisationdes réserves du corps

Définition : Le glycogène est un glucide composé de molécule de glucose liées entre elles. C'estune molécule qui permet de mettre en réserve le glucose dans les cellules.

Document 3 : Valeurs de la concentration deglucose dans le sang sortant d'un muscle lorsd'un exercice physique de puissance variable.

Document 4 : Fibres musculaires avant (a) etaprès (b) un effort de longue durée. Leglycogène 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 parélève !).

➢ 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 etinterpréter les deux graphiques. Pour cela calculer la fois la fréquence ventilatoire et relever levolume ventilé au repos et à l'effort (détailler les calculs).

Document : Enregistrements de la fréquenceventilatoire et du volume ventilé au repos et lors

d'un effort

Quelques définitions :Cycle respiratoire = une inspiration suivie d’uneexpirationFréquence ventilatoire = nombre de cyclerespiratoire par minuteVolume ventilé (=volume courant) = volume d’airrenouvelé dans les poumons à chaque cyclerespiratoire

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 – Lecœur

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 20 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 expérimentalementet avec précision les battements cardiaquegrâce à un ECG. Analyser et interpréter lesdeux graphiques du document 1. Pour cela,calculer la fréquence cardiaque (Fc) de lapersonne (appelée Monsieur W), au repos, etsuite à un effort physique de 120 Watts(détailler les calculs).

Document 1 : Electrocardiogrammes d'unhomme au repos (a) et lors d'un effortphysique intense – environ 120 W (b).

Grâce à des électrodes placées à la surface dela peau, il est possible de mesurer etenregistrer les courants électriquesaccompagnant les contractions du cœur : c’estla technique de l’électrocardiographie (ECG). Un électrocardiogramme est une représentationgraphique 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 lapuissance 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 desefforts de puissance croissante. Pour chaque puissance imposée, on mesure son volume d’éjectionsystolique. Ses résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous :

Puissance imposée ( en W =Watts)

0 30 50 100 120 150

VES (en mL) 70 110 125 135 136 137

(a)

(b)

Le cœur est un muscle. Il a pour rôle de pomper le sang de tout l'organisme. Suivant l'effort, il peutaugmenter sa force de pompage. Il va donc éjecter plus de sang, on parle de volume d'éjectionsystolique 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 parunité de temps.

Débit cardiaque (en L.min-1) = fréquence cardiaque (battements.min-1) x volume d'éjectionsystolique (L).

Calculer le débit cardiaque au repos et le débit cardiaque maximal de Monsieur W. Conclure.

Graphique de secours :

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

20

40

60

80

100

120

140

160

Graphique du VES en fonction de la puissance imposée

VES (en mL)

Puissance imposée (en Watts)

Vo

lum

e d

'éje

ctio

n s

ysto

liqu

e (

en

mL

)

VES max

Atelier 6 : Mise en évidence des modifications du système circulatoire – Lesvaisseaux 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 quipermettent 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 àl'effort

Lors d'un effort physique, les variations du débit sanguin au niveau des muscles sont dues à lamodification de leur irrigation sanguine.En effet, le muscle est tissu très irrigué : 1500 à 3000 capillaires par mm2 de coupe transversale.Pourtant au repos 10% seulement de ces capillaires sont ouverts à la circulation sanguine : lesautres 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 épongegorgée de sang.

Document 3 : L'irrigation sanguine des muscles varie en fonction de l'activité