THEME : SPORT

THEME : SPORT
Chapitre 1 : Mouvement et inertie
I. Relativité du mouvement
1. Activité sur la roue d’un vélo
Une roue de vélo a deux trajectoires différentes suivant que l’on observe le mouvement
depuis le sol ou le vélo. Depuis le vélo, c’est un cercle et depuis l’extérieur, il s’agit d’une
courbe plus bizarre qu’avait étudiée Blaise Pascal et qui s’appelle une cycloïde.
On définit la trajectoire par l’ensemble des points que décrit l’objet pendant son
mouvement.
En fait, la nature du la description du mouvement dépend du référentiel considéré : dans le
premier cas, il s’agit du référentiel de la roue, dans le deuxième cas, il s’agit du référentiel
terrestre (celui de notre environnement).
2. Définition du référentiel
Un référentiel, c’est un solide de référence ou repère (un arbre, les murs d’une salle) et un
chronomètre ou une horloge.
+
1
II. Vitesse et chronométrage
Le mercredi après-midi, les élèves de l’Association sportive sont chronométrés avec deux
capteurs photoélectriques qui déclenchent puis arrêtent les chronomètres lorsque le(a)
jeune athlète passe devant. On calcule ensuite la vitesse moyenne entre les deux points par
la formule vue au collège :
Par exemple, sur 30 m, un élève réalise 5,3 secondes soit une vitesse entre les deux poteaux
de :
On veillera à mettre la bonne unité (mètre par seconde) et regarder de ne pas mettre trop
de chiffres significatifs.
Le chronométrage avec les capteurs est plus précis que le chronométrage humain :
Les réflexes comptent !
Les chronos sont plus ou moins précis que la cellule photoélectrique du stade.
Données issues de la course entre Romain et Arthur : les vitesses évoluent suivant le
référentiel.
II. Qu’est-ce qu’une force en sport ?
1. Activités préparatoires
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Mesure de la force exercée par une petite masse sur le dynamomètre en salle
de TP
Diagramme objet-actions de sportifs
Les actions à distance sont représentées par des tirets et de contact par des
lignes pleines.
2. Modélisation des actions par une force
On modélise une interaction par une force qui est
représentée en physique par un vecteur. Elle possède
quatre caractéristiques : un point d’application, une
direction, un sens, une valeur. Sa valeur est mesurée
grâce à un dynamomètre et son unité est le Newton
(symbole N).
Si l’action est à distance, on prend le centre de gravité
de l’objet mais si l’action est une action de contact, le
point d’application est tout simplement le point de
contact.
3. Les effets d’une force
Une force peut modifier à la fois la trajectoire d’un objet et
aussi augmenter ou diminuer sa vitesse. La modification de la vitesse dépend de la masse du corps
sur lequel agit cette force. En plus simple, il est plus facile de déplacer une bille légère qu'un boulet
de canon à force constante ! On parle d'une forte inertie de la boule, on a du mal à la tirer.
4. Le Principe d’Inertie
4a. Le principe d'après Richard Feynman.
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Un jour je jouais avec ma petite carriole, une sorte de chariot avec un timon pour le tirer. Une balle
se trouvait dessus, je m'en souviens comme si c'était hier : une balle était sur le chariot et il se
produisait quelque chose de bizarre quand je tirais. J'allais voir mon père :
- Dis papa, j'ai remarqué une chose : quand je tire le chariot, la balle roule vers l'arrière du chariot. Et
quand je tire et puis je m'arrête, la balle roule vers l'avant. Pourquoi ?
- Ça, personne ne le sait, répondit-il. Les choses qui bougent tendent à rester en mouvement, et les
choses qui ne bougent pas tendent à rester immobiles. Et il ajouta : "Cette tendance est appelée
inertie mais personne ne sait pourquoi c'est ainsi". Voilà ce que c'est que comprendre quelque chose
: mon père savait faire la différence entre connaître le nom d'une chose et connaître cette chose.
Il continua : "Si tu regardes bien, tu verras que la balle ne va pas vers l'arrière du chariot quand tu le
tires ; c'est l'arrière du chariot qui vient vers elle. La balle reste à peu près immobile."
Je retournai en courant vers mon chariot, je le tirais dans tous les sens en observant bien la balle :
elle restait bien plus ou moins immobile. Elle reculait par rapport au chariot, mais par rapport au sol,
elle avançait légèrement.
The pleasure of finding things out, Richard Feynman
Helix Books/ Perseus Books 1999 (disponible sur amazon.fr)
4b. Énoncé du principe.
Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme si les
forces qui s'exercent sur lui sont nulles ou se compensent.
Il est donc équivalent de dire "un corps est soumis à des forces qui se compensent" et "un
corps n'est soumis à aucune force".
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Chapitre 2 Transformations chimiques dans la pratique sportive
Souvent, les sportifs doivent absorber du glucose ou suivre des régimes très stricts suivant
leur discipline. Il faut donc doser les aliments par exemple et savoir exactement le nombre
de molécules ingérées. Ces molécules vont ensuite être transformées dans l’organisme pour
fournir éventuellement de l’énergie (chaleur, énergie musculaire etc.).
I.
Peser, c’est savoir compter les molécules…
Lorsque l’on prépare une solution de sucre à un sportif, on voudrait bien savoir combien l’on
met de molécules de sucre dans l’organisme. Il est alors nécessaire de savoir « compter » les
molécules.
1. La mole.
On ne les compte pas une par une microscopiquement mais il existe des techniques macroscopiques
efficaces déterminées par le comte Avogadro (Turin 1776 et mort en 1856) et Jean Perrin (1870 à
Lille - 1942 à New York) entre autres pour compter les molécules.
Pour connaître le nombre de grains de sucre dans un verre, il faut connaître le nombre de grains
présents dans un gramme de sucre. Cela n’a pas été déterminé pour un gramme de sucre mais on a
calculé le nombre d’atomes de carbone présents dans un gramme ce qui conduit au nombre
d’Avogadro NA :
NA=6,023.1023
le nombre d’Avogadro est le nombre d’atomes de carbone dans 12 grammes de carbone 12
(isotope 612C).
Par exemple, dans une salle de classe, on a 35/6,02×1023 mol d’élèves (soit pas grand-chose !).
Quantité de matière
symbole
lettre
nombre
adjectif
en mole
mol
n
6,02.1023
molaire
On effectue en fait une règle de quatrième proportionnelle ce qui conduit à la formule suivante :
n (en mole) = Nombre / constante d’Avogadro
2. Relation masse-quantité de matière
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Quand on prépare des échantillons, on n’a hélas pas directement la quantité de matière et
on doit utiliser une balance car il s’agit d’un des seuls paramètres mesurables facilement.
Dans le tableau périodique, on donne la masse molaire : la masse molaire est la masse d’une
mole d’une entité. Par exemple, une mole de carbone 12 a une masse molaire de 12
grammes. Parmi les autres atomes :
M(O) = 16 g/mol M(H) = 1 g.mol-1 M(C)=12 g/mol M(Cu)=63,5 g/mol M(S)=28g/mol
Exercice : on veut connaître la quantité de matière d’eau présente dans un verre de 20 mL.
1mL pèse 1 g donc on a 20 g d’eau. La quantité de matière est de :
1 mol d’eau
?
18 g
20 g
n(mol)= 20 g/(2× M(H) + M(O)) × 1 mol =1,11 mol
En général, on relie masse et quantité de matière par la relation :
n (mol) = m (en g) / M (en g/mol)
Mais comment déterminer la masse molaire d’une molécule ? Prenons l’exemple simple de
l’eau : la masse d’une mole d’eau est tout simplement la somme des masses molaires de ses
atomes donc :
M(H20)=2×M(H)+M(O)= 2×1+16=18 g.mol-1
On a fait de la même manière en cours pour le sulfate de cuivre pentahydraté CuSO4, 5 H2O :
M(CuSO4, 5H2O )=M(Cu)+M(S)+4×M(O)+5×M(H2O)= 63,5+32,1+4×16,0+5×18,0=249,6 g.mol-1
3. La concentration molaire – dissolution
Une solution est un mélange homogène d’espèces dissoutes (le soluté) dans un liquide (le
solvant). Pour les solutions aqueuses, le liquide est l’eau. Lorsque vous mettez de l’aspirine
dans l’eau, vous obtenez une solution aqueuse d’aspirine.
L’espèce dissoute peut être moléculaire (aspirine, sucre) ou ionique (chlorure de sodium
dissout Na++Cl- ou sulfate de cuivre Cu2+ + SO42-)
On prépare les solutions suivant leurs concentrations molaires c (en mol/L) qui est la
quantité de matière par unité de volume (le litre L en chimie) soit :
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c, la concentration molaire est en mol/L, n est toujours en mol et V en Litre (L).
On note (aq) l’état aqueux des entités en solution comme le chlorure de sodium par
exemple :
Na+(aq)+Cl-(aq)
Exercice : Comment préparer 100 mL d’une solution de sulfate de cuivre pentahydraté
CuSO4,5H2O de concentration molaire 0,1 mol.L-1 ?
4. Dilution d’une solution
Souvent, on souhaite aussi diluer les solutions. Il faut un matériel bien adapté comme une
fiole jaugée (avec un trait de jauge), une pipette jaugée.Par exemple, si l’on veut diluer une
solution mère de 100 mL d’un facteur 10 (un peu comme on le fait avec du sirop), alors on
prélève à la pipette jaugée un volume de 10 mL de la solution mère que l’on dépose ensuite
dans une fiole. Ensuite, on complète au trait de jauge puis on renverse la fiole trois fois pour
homogénéiser la solution fille préparée. Si l’on applique la conservation de la quantité de
matière dans la pipette, on obtient :
c1×v1=c2×v2 et c2=c1×v1/v2
On trouve bien une concentration c2 plus faible de 1/10 par rapport à la solution mère c1.
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II.
La réaction chimique
1. Notion de système chimique
Activité préliminaire
D’après chapitre 11, page 179, Bordas, collection espace.
Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques (réactifs et produits) à des conditions de
température et de pression connues. Cet état est bien décrit lorsque l’on connaît :
Les espèces chimiques qui constituent le mélange réactionnel
Le température et la pression
Les quantités de matière en mol.
A l’état initial, les réactifs disparaissent : ils sont consommés peu à peu. A l’état final, les produits
sont apparus. C’est le manque de réactifs qui va produire l’arrêt de la transformation.
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2. Réaction chimique
Une transformation chimique est modélisée par une réaction chimique, qui rend compte des
interactions ayant lieu entre les entités chimiques au niveau microscopique. La réaction
chimique est associée à la transformation. L’équation chimique symbolise la réaction
chimique.
Réaction de dégradation aérobie du glucose dans les cellules du corps :
C6H12O6 + 6 O2(g) → 6 CO2(g) + 6 H2O(g)
Réaction de dégradation anaérobie du glucose en acide lactique :
C6H12O6 → 2 C3H6O3
3. Equation de la réaction chimique
-
Lors d'une réaction chimique, il y a conservation du nombre d'atomes. On doit donc trouver
autant d'atomes de chaque espèce dans les réactifs et dans les produits
Méthode pour équilibrer l'équation chimique :
Identifier les différents types d'atomes (C : carbone; H : hydrogène; O : oxygène; Fe : fer ;S :
soufre; Mg : magnésium; P : phosphore)
A l'aide du chiffre placé juste après le symbole de l'atome, déterminez le nombre de chaque
atome d'un côté de la flèche (en commençant par le nombre le plus grand)
Vérifiez qu'il y a le même nombre de cet atome de l'autre côté de la flèche, sinon placez le
chiffre devant la formule moléculaire qui permet d'obtenir ce même nombre d'atomes
Procédez de la même façon pour chaque type d'atome
Pour terminer, vérifiez que l'équation chimique est bien équilibrée en recomptant les atomes
de chaque type présents dans les réactifs
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