Activité physique et modifications cardio

PARTIE 1 • L’organisme en fonctionnement • 9
•Objectifs généraux du chapitre
Ce premier chapitre est d’abord l’occasion de revoir
certaines connaissances construites au collège, et sur
lesquelles s’appuieront les notions développées dans les
chapitres suivants. On observera en effet que les conte-
nus indiqués dans la première partie du programme
diffèrent peu des acquis de 5eet de 3e. Traitée en début
d’année, cette approche devrait donc permettre à la fois
de rassurer les élèves à leur entrée en Seconde et de dé-
velopper leur motivation.
•Les acquis
Les acquis proviennent pour l’essentiel du cycle cen-
tral du Collège (5e). Les élèves ont ainsi appris que la
nutrition des organes reposait sur la réalisation
d’échanges. Ces échanges (gaz respiratoires, nutri-
ments, etc.) s’effectuent entre organes et sang. Lors
d’un effort physique, les besoins des muscles augmen-
tent, ce qui se traduit par une augmentation de la
consommation de nutriments et de dioxygène, et du
rejet de dioxyde de carbone. On relie déjà l’augmenta-
tion des fréquences cardiaque et respiratoire à l’aug-
mentation des besoins musculaires.
La réalisation des échanges gazeux au niveau pulmo-
naire est étudiée avec les caractéristiques d’une surface
d’échanges et l’établissement de la ventilation.
En 3eest explicitée l’utilisation cellulaire des nutri-
ments, alors envisagés comme source d’énergie, et du
dioxygène.
Par rapport à ces acquis, on notera que le programme
en Seconde se focalise exclusivement sur les échanges de
dioxygène, les objectifs n’étant pas la réalisation de la
fonction de nutrition des organes mais de montrer à
terme comment un paramètre (concentration sanguine
en dioxygène) peut être maintenu lors des variations
d’activité de l’organisme. Ce qui est relatif aux nutri-
ments se situe donc hors programme.
•Progression proposée
Ce premier chapitre est surtout l’occasion d’aborder
des notions sans doute connues, par l’approche expéri-
mentale motivante de l’ExAO. Ces techniques ont peut-
être été entrevues au collège, mais en démonstration
collective, conduite par le professeur. Elles seront ici vé-
ritablement pratiquées par l’élève et pourront conduire
à des analyses critiques intéressantes sur les informa-
tions recueillies par les capteurs et sur leur traitement
ultérieur par les logiciels exploités.
CHAPITRE
1
Activité physique et modifications
cardio-respiratoires
Manuel, pages 11 à 18
Activité
Enregistrement de l’activité cardiaque
et de l’activité respiratoire
Manuel, pages 12 et 13
■Objectifs de l’activité
Il s’agit de mesurer les paramètres cardiaques et ventilatoires et de montrer leurs variations
entre une situation de repos et un exercice. Ces mesures sont faites par ExAO.
Cette étude devra être conduite en mettant en relation les activités des pages 12 et 13
d’une part, des pages 14 et 15 d’autre part. Le découpage proposé entre les deux activités
n’est motivé que par le souci de présenter simultanément activités cardiaque et respira-
toire, pour en faire apparaître les variations conjointes.
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Par ailleurs, l’absence de maîtrise par l’élève de l’outil ExAO impose une familiarisation et
un apprentissage préalable des dispositifs expérimentaux, ce qui apparaît plus aisé dans
une situation de repos. C’est le sens des enregistrements de la page 13, que l’on ne man-
quera donc pas d’étudier de manière comparée avec ceux de la page 15.
Utilisation des logiciels :
Différents types de matériels, proposés par divers fabricants peuvent être utilisés. Les logi-
ciels exploitants fournissent des informations plus ou moins complexes, dont certaines
peuvent être hors programme : il apparaît par exemple inutile d’utiliser un logiciel affi-
chant le calcul du métabolisme, obtenu à partir de la consommation de dioxygène ou en-
core l’intensité respiratoire, sans intérêt dans le cadre de l’étude.
On notera également la différence entre donnée mesurée (par exemple le pouls) et don-
née calculée (par exemple la fréquence cardiaque).
On « n’enregistre » pas la fréquence cardiaque ; elle est calculée par le logiciel, à partir
des valeurs du pouls.
Le logiciel retenu dans cette présentation (Cassylab, Leybold Didactic) permet de réaliser
cette distinction, essentielle dans l’acquisition d’une rigueur scientifique par les élèves.
■Correction de l’exploitation
1. Entre la première contraction (premier pic à gauche de l’écran) et la dernière repré-
sentée s’écoulent 14,7 secondes, qui correspondent à 14 cycles : la fréquence cardiaque
est donc d’environ : 14 x60 / 14,7 = 57 battements par minute.
On pourrait aussi faire calculer la durée d’un cycle cardiaque : 14,7 / 14 = 1,05 s.
On observera que le sujet a, dans le cas étudié, une fréquence de repos relativement
basse (valeur souvent donnée : 70) et une durée du cycle plus élevée que la valeur habi-
tuelle (0,8 s). Il s’agit de différences individuelles qui s’inscrivent dans un intervalle de va-
riations normal (sujet plus ou moins entraîné…).
2. L’air expiré est mesuré positivement, c’est-à-dire vers le haut, l’air inspiré est compté
négativement, c’est-à-dire vers le bas : les déviations vers le haut correspondent donc à
des inspirations, les déviations vers le bas à des expirations. Un cycle respiratoire comprend
une inspiration suivie d’une expiration. On peut compter 5 cycles en 13,5 secondes, soit
une fréquence respiratoire d’environ 5 x60 / 13,5 = 22 cycles par minute.
3. Le point correspondant au volume total de dioxygène consommé appartient à la
courbe « consommation cumulée d’O2au repos » et a pour abscisse t= 15 s. Le volume
consommé est mesuré par l’ordonnée, soit environ 0,3 L, ce qui correspond à une valeur
par minute d’environ 1,2 L de dioxygène.
On observera que cette valeur est élevée pour une valeur de repos (chapitre 4) ; elle peut
être mise en relation avec la fréquence respiratoire, également excessive (on peut par
exemple penser à une respiration légèrement forcée du sujet en situation expérimentale).
Activité
Variations de l’activité cardiaque
et de l’activité respiratoire
au cours d’un exercice physique
Manuel, pages 14 et 15
■Objectifs de l’activité
Cette activité s’appuie à nouveau sur l’ExAO, avec des mesures conjointes de la fréquence
cardiaque, du débit ventilatoire et de la consommation de dioxygène. Ces mesures sont
pratiquées sur le même sujet que celles effectuées dans l’activité précédente, ce qui auto-
rise les comparaisons. Le sujet réalise un exercice de pédalage sur un vélo d’entraînement.
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CHAPITRE 1 • Activité physique et modifications cardio-respiratoires
PARTIE 1 • L’organisme en fonctionnement • 11
■Correction de l’exploitation
1. On conduit un calcul analogue à celui effectué page 13 : 23 cycles cardiaques en
14,5 s, soit une fréquence d’environ 95 battements par minute (on pourrait calculer la
durée d’un cycle cardiaque, environ 0, 63 s). La fréquence cardiaque est donc plus impor-
tante que celle observée au repos et calculée page 13. Cette augmentation est constatée
sur le document 1, lorsque l’on compare les mesures avant et après exercice.
2. L’amplitude des mouvements respiratoires correspond à la différence d’ordonnée entre
inspiration (vers le haut) et expiration (vers le bas) : elle apparaît beaucoup plus impor-
tante qu’au repos : davantage d’air est échangé à chaque cycle ; on note 10 cycles respi-
ratoires en 13,5 secondes, soit une fréquence d’environ 44 cycles par minute. La fré-
quence et le volume échangé augmentent lors de l’exercice ce qui traduit l’accroissement
de la ventilation pulmonaire.
3.a. Le point correspondant au volume total de dioxygène consommé appartient à la
courbe « consommation cumulée d’O2au repos et a pour abscisse t= 15 s. Le volume
consommé est mesuré par l’ordonnée, soit environ 0,5 L, ce qui correspond à une valeur
d’environ 2 L de dioxygène par minute.
On pourrait aussi observer cette consommation accrue par l’amplitude des histogrammes
(consommation moyenne au cours des différents intervalles de temps). L’amplitude ac-
crue de ces histogrammes peut être mise en relation avec la pente plus importante de la
courbe donnant la consommation cumulée d’O2.
4. Les mesures effectuées au repos et au cours de l’exercice montrent que l’effort phy-
sique est associé à la variation de l’activité des systèmes circulatoire et ventilatoire : la fré-
quence cardiaque augmente et la ventilation pulmonaire s’accroît par augmentation de
la fréquence respiratoire et du volume d’air échangé à chaque cycle.
COMPLÉMENTS
SCIENTIFIQUES
1. À propos de la dernière activité
La première partie de l’activité (Document 1 : mesure du pouls) a pour intérêt d’expli-
quer à l’élève la signification d’une mesure couramment effectuée en EPS et qu’il est
conseillé de pratiquer lors de tout exercice.
On observe, avant le test d’endurance, des variations importantes d’un sujet à l’autre.
• Fréquence cardiaque de repos et fréquence cardiaque avant l’exercice.
La fréquence cardiaque de repos est d’environ 60 à 80 battements par minute. Elle peut
être beaucoup plus faible chez des sujets très sportifs et entraînés. Elle peut varier en
fonction de nombreux paramètres : elle tend en général à diminuer avec l’âge ; elle peut
aussi varier avec des paramètres de l’environnement : augmentation avec la tempéra-
ture ambiante ou l’altitude, par exemple.
Enfin, la fréquence cardiaque peut augmenter même avant le début d’un exercice. Il
s’agit en effet d’une réponse anticipée à l’effort, qui est déterminée par la stimulation
du système nerveux sympathique, et qui conduit à la sécrétion d’adrénaline par la mé-
dullo-surrénale et à la libération de noradrénaline à l’extrémité des fibres sympa-
thiques. Cette réponse anticipée fait intervenir différents centres nerveux dont des
centres corticaux et sera envisagée dans le chapitre 6. Les valeurs un peu élevées obser-
vées dans ce tableau, avant le test d’endurance, pourraient donc aussi être utilisées pour
introduire certains aspects du contrôle de l’activité cardiaque. Pour mesurer plus préci-
sément la véritable fréquence cardiaque de repos, il faudrait se placer dans des condi-
tions de relaxation totale, le matin au réveil, par exemple.
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Restitution des connaissances
3. Une cellule peut stocker des molécules organiques
prélevées sous forme de nutriments dans le sang. Elle ne
peut pas stocker du dioxygène. L’approvisionnement en
dioxygène doit donc être permanent.
Application des connaissances
4. Consommation de dioxygène et activité phy-
sique
On observe que la consommation de dioxygène aug-
mente avec l’activité. Les organes en activité ont des be-
soins accrus en dioxygène.
5. Volume d’air inspiré et exercices physiques
L’analyse des courbes fournit trois informations : au cours
d’un exercice, le volume d’air inspiré par unité de temps
s’accroît ; l’augmentation est d’autant plus importante
que l’exercice est intense ; durant un exercice d’inten-
sité donnée, le volume d’air inspiré par unité de temps
s’établit cependant à une valeur plus ou moins
constante (ce que révèlent les trois plateaux).
Les cellules consomment d’autant plus de dioxygène
qu’elles sont actives. Le dioxygène consommé est pré-
levé dans le milieu extérieur, au niveau des poumons,
puis transporté jusqu’aux cellules par le sang. Un exer-
cice intense s’accompagne de besoins accrus des cellules
en dioxygène, qui sont alors couverts par un accroisse-
ment de la ventilation pulmonaire. Les plateaux obser-
vés traduisent des entrées de dioxygène dans l’organisme
satisfaisant les besoins.
6. Fréquence cardiaque et exercice physique
a. Le titre proposé ne traduit pas rigoureusement ce
qui est représenté par le graphique. Il faudrait donc in-
diquer : « variation de la fréquence cardiaque en fonc-
tion de la consommation de dioxygène ». On sait ce-
pendant que la consommation de dioxygène
augmente avec l’intensité de l’exercice, ce qui justi-
fiera malgré tout le titre.
b. On observe que la fréquence cardiaque s’accroît avec
la consommation de dioxygène, elle-même accrue au
cours de l’exercice. L’activité accrue des cellules aug-
mente leurs besoins en dioxygène, apporté par le sang.
Cet approvisionnement plus important est permis par
une accélération de la fréquence cardiaque.
Correction des exercices
Manuel, page 18
12
• Fréquence cardiaque au cours de l’exercice
On note immédiatement après le test d’endurance une augmentation de la fréquence
cardiaque. On pourra observer sur cet exemple qu’aucun élève n’a dépassé la fréquence
de 200 battements par minute, qui compte tenu de l’âge des élèves n’est pas très éloi-
gnée de la fréquence cardiaque maximale (estimée à : FC max. = 220 – âge en années).
Au cours d’un exercice d’intensité constante, on pourra observer que la fréquence car-
diaque augmente relativement rapidement avant de présenter un plateau. Celui-ci
constitue la fréquence cardiaque d’équilibre, qui correspond à celle qui satisfait exacte-
ment les besoins de l’organisme. Si l’on augmentait l’intensité de l’exercice, on obtien-
drait un nouveau palier au bout de une à deux minutes. Le délai nécessaire à l’obten-
tion du palier croît cependant avec l’intensité. Cette fréquence cardiaque d’équilibre,
fréquemment mesurée dans des tests d’efforts, est un bon indicateur des capacités car-
diaques : celle-ci est d’autant meilleure qu’à même intensité d’exercice, la fréquence
cardiaque d’équilibre est plus basse.
2. Les différents types d’exercices physiques
Il s’agit de montrer dans ce chapitre l’augmentation de la consommation de dioxygène
au cours d’un exercice physique. Il faut donc que celui-ci fasse principalement interve-
nir le métabolisme aérobie. On privilégiera des exercices prolongés de type jogging (sur
tapis roulant) ou pédalage (vélo d’entraînement). Les exercices habituellement prati-
qués de flexion (conception de certains logiciels calculant le métabolisme) ne peuvent
convenir puisqu’ils font principalement intervenir le métabolisme anaérobie. L’utilisa-
tion d’un tapis roulant ou d’un vélo permet par ailleurs de quantifier l’exercice (mesure
de la distance parcourue, modification de la pente du tapis, du frottement de la
roue…). La connaissance des différentes voies métaboliques ne s’inscrit pas dans le
programme.
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