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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.

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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 en mole

symbole mol

lettre n

nombre 6,02.1023

adjectif 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+ + SO4

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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