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 = 5,0×10 9
GHz. Calculer la longueur d'onde l1 correspondante.
l1
=c / n1=3,00
10 8 / (5,0 10 15) =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 E 1 et E 2 des photons
correspondants aux rayonnements de longueur d'onde l1 et l2. On exprimera ces énergies
en électronvolts.
E 1 = h n1
=6,63 10 -34 x5,0 10 15= 3,31 10 -18 J ou
3,31 10 -18 / (1,6 10 -19)=20,72 ~21 eV.
E 2 = hc / l2=6,63
10 -34 x3,0 10 8 / 2,3 =8,65 10 -26 J ou
8,65 10 -26 / (1,6 10 -19)=5,4 10 -7 eV.
E 1 / E 2 ~4 10 7.
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.
|
|