La physique et la chimie au service du sport, bac STi2d Stl Métropole 09/ 2017 .


En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts.




Partie A : les examens médicaux.
Dans le cadre d’un diagnostic médical, un sportif peut être amené à effectuer des examens dans le cadre de l’imagerie médicale. On se propose dans cette partie d’étudier et de comparer deux techniques : le scanner et l’IRM (imagerie par résonance magnétique).
A.1. Les ondes électromagnétiques dans les deux techniques d'imagerie médicale : scanner et IRM.
A.1.1. À quel domaine de fréquence correspond le rayonnement électromagnétique utilisé par un scanner ?
Les rayons X.
A.1.2. La fréquence des ondes utilisées lors d'un examen réalisé avec un scanner est n1 = 5,0×109 GHz. Calculer la longueur d'onde l1 correspondante.
l1 =c /n1=3,00 108 / (5,0 1015) =6,0 10-8 m.
A.1.3. Reporter la valeur de la longueur d'onde l1 sur le spectre des ondes électromagnétiques.

A.1.4. Quelle est la valeur de la longueur d'onde l2 de l'onde correspondant à une IRM utilisant un champ magnétique de 3,0 T ?
l2 = 2,3 m.
A.1.5. Reporter la valeur de la longueur d'onde l2 sur le spectre des ondes électromagnétiques. En déduire le nom du domaine du spectre auquel appartient cette onde.
Ondes hertziennes.
A.1.6. Calculer puis comparer les énergies E1 et E2 des photons correspondants aux rayonnements de longueur d'onde l1 et l2. On exprimera ces énergies en électronvolts.
E1 = hn1 =6,63 10-34 x5,0 1015= 3,31 10-18 J ou 3,31 10-18 / (1,6 10-19)=20,72 ~21 eV.
E2 = hc / l2=6,63 10-34 x3,0 108 / 2,3 =8,65 10-26 J ou 8,65 10-26 / (1,6 10-19)=5,4 10-7 eV.
E1 / E2 ~4 107.
A.1.7. Comparer la dangerosité des rayonnements utilisés dans le scanner et dans l'IRM.
Le scanner utilise un rayonnement ionisant ( endommage les tissus ou les organes en fonction de la dose reçue ); l'IRM met en oeuvre un rayonnement non ionisant.
A.2. Le champ magnétique et l'IRM.
A.2.1. Un électroaimant supraconducteur utilisé pour générer un champ magnétique de 3,0 T possède une bobine 25 000 spires par mètre. En supposant que la bobine est assimilable à un solénoïde, calculer l'intensité I du courant électrique circulant dans le circuit.
 B = 4 p 10-7 nI ; I = B / (4 p 10-7) = 3,0 / (4 x3,14 10-7 x 25000)=95,5 ~96 A.
A.2.2. Commenter la valeur de l'intensité I obtenue et justifier l'intérêt d‘utiliser un électroaimant supraconducteur.
Une telle intensité produirait un dégagement de chaleur important par effet Joule dans un conducteur. Il faudrait refroidir. Par contre dans un supraconducteur, le dégagement de chaleur est nul.
A.2.3. Rédiger une synthèse de quelques lignes qui présente les avantages et inconvénients de l'IRM par rapport au scanner.
L'examen au scanner est plus rapide, mais il utilise un rayonnement ionisant.
L'examen par IRM est plus long, il nécessite un dispositif de perfusion et un respirateur. Le rayonnement n'est pas ionisant. L'IRM permet de bien différencier les tissus de composition différente.
....

.....
Partie B : Test à l’effort.
Dans le cadre de son entraînement, un sportif de haut niveau doit effectuer un ou plusieurs tests à l’effort par an pour évaluer les effets de son entrainement.
Cet examen lui permet en autre de déterminer le volume maximal de dioxygène (VO2max) que l'organisme peut prélever, transporter, et consommer par unité de temps. La connaissance de son VO2max lui permettra de rendre son entraînement plus efficace.
B.1. Le MET (Metabolic Equivalent of Task) est utilisé comme unité de mesure de l’intensité d’une activité physique. Quelle est la valeur en MET correspondant à une course à pied parcourue la vitesse moyenne de 12 km.h-1 ?
13,2 MET.
B.2. En déduire le volume VO2 de dioxygène O2 consommé par minute par les muscles du sportif (âge 20 ans,  la masse est 60 kg , le DAV = 0,20 et VES = 111 mL par battement ), s’il court à la vitesse de 12 km.h-1.
1 MET correspond à 3,5 mL/kg/min de dioxygène O2 consommé par les muscles.
13,2 x 60 x 3,5 =2,772 103 ~ 2,8 103 mL / min.
B.3. Vérifier alors que son débit cardiaque volumique DC est égal à 1,4.10+4 mL/min
DC = VO2 / DAV =2,772 103 / 0,20 ~1,4 104 mL /min. .
B.4. Vérifier que la fréquence cardiaque FC du sportif lorsqu’il court à 12 km.h-1 est égale à 126 battements par minute.
FC = DC / VES = 1,4 104 / 111 ~126 battements par minute
B.5. Lors de son entraînement, le sportif souhaite travailler dans la zone «endurance de base» en utilisant comme source d’énergie ses réserves de graisse. Est-il dans ce cas de figure en courant à 12 km.h-1 ?

FCM = 220 -âge = 220-20 = 200.
Pourcentage de la fréquence cardiaque maximale : 126 / 200 =0,63 ( 63 %).
Le sportif est dans ce cas de figure.




Partie C : Un entraînement dans les meilleures conditions.
Le sportif souhaite s’entraîner dans les meilleures conditions au niveau de son équipement (textile) et de son alimentation.
C1. Un textile innovant.
Au cours d’un effort prolongé la fréquence cardiaque augmente aussi en raison de la déshydratation du sportif et de la mise en route de sa thermorégulation (régulation de sa température corporelle). Pour cela il souhaite utiliser un textile adapté pour son confort et sa performance.
Données :
Enthalpie de changement d’état de vaporisation de l’eau : Lv = 2,26.106 J.kg-1
Masse totale des microcapsules de paraffine : 150 g
Enthalpie de changement d’état de fusion de la paraffine : Lf = 218.103 J.kg-1.
C.1.1. Lors de la transpiration, l’eau contenue dans la sueur s’évapore. Lors de ce changement d’état, reçoit-elle ou perd-elle de l’énergie ? Justifiez votre réponse. Montrer que la valeur de l'énergie correspondant à l’évaporation de 200 g d’eau est égale à 452 kJ.
L'eau nécessite un apport d'énergie pour s'évaporer. L'eau reçoit de l'énergie de la part du corps qui se refroidit.
0,200 x 2,26 106 =4,52 105 J = 452 kJ.
C.1.2. En déduire pourquoi la transpiration permet alors de maintenir la température du corps.
L'eau de la sueur s'évapore; elle recoit de l'énergie de la part du corps. Ce dernier cède de l'énergie et se refroidit.
C.1.3. Après s’être renseigné sur les vêtements techniques adaptés à la course à pied, le sportif a opté pour un tee-shirt thermo régulant.
C.1.3.a. En quoi le textile thermo régulant facilite-t-il la régulation de la température corporelle lors d’un effort physique ?
Lorsque le corps produit de la chaleur au cours d'un effort, la paraffine se liquéfie en absorbant cette chaleur et crée ainsi un effet fraîcheur.
C.1.3.b. On souhaite savoir dans quelle mesure ce textile permet de diminuer la déshydratation du sportif dans ce cadre donné. Pour cela, calculer la masse d’eau économisée grâce au textile.
0,150 kg de paraffine se liquéfient et absorbe 0,150 x 218 103 =3,27 104 J.
Masse d'eau économisée : 3,27 104 / (2,26 106) =1,45 10-2 kg soit 14,5 g.
C.1.3.c. Quel est l’intérêt de ce textile lorsque le sportif a fini sa course ?
Lorsque la température diminue, lors d’une pause dans l’activité sportive par exemple, le liquide contenu dans les microcapsules redevient solide et émet la chaleur préalablement stockée.










C2. La phase d’entraînement.
C.2.1. Lors d’une course à pied le sportif doit lutter principalement contre la gravité d’où la nécessité d’un apport énergétique lors de cet effort.
Données :
Masse du sportif: m = 60 kg
Intensité de pesanteur : g = 9,8 N.kg-1.
C.2.1.a. Calculer l'intensité du poids P du sportif.
P = mg = 60 x9,8 = 588 N.
C.2.1.b. Sur le document réponse représenter le vecteur poids P .
Échelle : 1 cm pour 200 N.

C.2.2. Lors d'un effort, le muscle est un convertisseur d'énergie. Compléter la chaîne simplifiée du document avec les termes suivants : énergie thermique, énergie mécanique, énergie chimique.

C.2.3. Le sportif a couru une distance15 km.
Le rendement moyen du muscle est de 25 %. On estime qu'en course à pied, l'énergie absorbée est de 4,18 kJ. kg-1. km-1.
C.2.3.a. Donner l'expression du rendement du muscle en précisant la nature de chaque énergie mise en jeu.
Rendement = énergie mécanique / énergie chimique.
C.2.3.b. Calculer l'énergie mécanique Em développée par le sportif pendant sa course.
Eabsorbée = 4,18 x 60 x15 =3,762 103 kJ.
Em = 0,25 x3,762 103 ~9,4 102 kJ.
C.2.4. Les fruits secs constituent une excellente source d’énergie naturelle. Sur une étiquette d’un paquet d’amande, on peut lire l’indication suivante :Valeur énergétique pour 100 g : 2576 kJ
Calculer la masse d’amandes nécessaire pour effectuer cet effort.
3,762 103 / 2576 = 1,46 soit 146 g d'amande.

.



  

menu