CRPE 1992

retour accueil, sujets CRPE classés, planning PE1, cours PE1

Orléans Tours - 2ème épreuve d'admission

Sujet

I. Première partie
A. Analyse du document 1
1. Que cherche-t-on à montrer par ce dispositif expérimentale ?
2. Le dessin présente-t-il le montage en début de l'expérience ou les résultats observés un moment plus tard ? Justifiez votre réponse.
3. Quel est, dans ce montage, l'intérêt du bain thermostatique ? Pourquoi utilise-t-on un thermomètre ?
4. Obtiendrait-on des résultats comparables si on remplaçait la souris
- par des vers de terre ?
- par des champignons ?
- par une plante chlorophyllienne ?
Justifiez votre réponse dans chacun des trois cas.

B. Analyse du document 2
Dans les centres de médecine sportive, des appareils complexes permettent de mesurer à tout instant et avec précision le volume d'oxygène consommé au cours d'une activité musculaire (course sur un tapis roulant par exemple). Les résultats sont présentés par des graphes tels que le document 2.
1. Faites la liste des informations fournies par ce document.
2. Comment expliquez-vous les variations de la consommation d'oxygène ?

C. Analyse du document 3
Le document 3 présente les variations de la dépense énergétique d'un homme et d'une femme. Ces dépenses énergétiques sont exprimées en kilojoules par 24 heures.
1. Qu'appelle-t-on dépense énergétique d'un sujet ?
2. Quelles informations fournit le document ?
3. Quelle relation y-a-t-il entre le document 2 et le document 3 ?
4. Un sujet immobile (allongé sur une lit) présente une dépense énergétique importante (elle est,, en moyenne, de 6700 kilojoules par 24 heures pour un homme de 65 kg !). Comment l'expliquez-vous ?

D. Synthèse
Expliquez, en 10 lignes au maximum, ce qu'est la respiration cellulaire.

II - Deuxième partie
Le sujet "la respiration" figure au programme du Cours Moyen et les documents 4, 5, 6 et 7 sont extraits d'un manuel de l'école élémentaire.

E. Faites l'inventaire des notions exprimées par chacun de ces quatre documents.

F. Comment envisagez-vous l'étude de la respiration humaine au Cours Moyen ? Dans quel ordre pourrait-on intégrer les documents 4, 5, 6 et 7 dans cette étude ? Précisez pour chacun d'eux quels travaux pourraient précéder ou suivre leur distribution.

G. Résumez, par des phrases simples, les notions visées par l'étude de la respiration au Cours Moyen.


Document 1
(1. eau de chaux troublée; 2. eau colorée; 3. bain thermostatique; 4. souris; 5. thermomètre)


Document 2

 

activité
homme
kJ/24h
femme
kJ/24h

légère

11300
8400

modérée

12500
9200

forte

14600
10900

exceptionnelle

16700
12300
Document 3
(Ces valeurs sont fournies pour un homme et une femme de 25 ans pesant 65 kg et 55 kg et vivant sous un climat tempéré. Résultats moyens communiqués par le comité FAO/OMS, 1971)

Composition de 100 cm3 d'air

air inspiré

air expiré

oxygène

21 cm3

16 cm3

dioxyde de carbone

traces

4 à 5 cm3

azote

79 cm3

79 cm3


Document 4


Document 5

 


Document 6

 

Rythme respiratoire par minute

10
14
19
61

Volume d'oxygène consommé en litres par minute

0,2
0,3
0,8
2,6

Document 7

Corrigé - Indications de correction (du formateur)- barème de correction du formateur (i)

I. A. 1. (1) C'est une mesure ± quantitative de la consommation de dioxygène par la souris à température constante, et une mesure qualitative de la production de dioxyde de carbone dans les mêmes conditions.

2. (1) L'expérience est en cours car les niveaux d'eau sont différents dans les deux branches du tube en U (indiquant une dépression dans l'enceinte et donc la consommation d'un gaz) et l'eau de chaux est troublée indiquant la précipitation de CaCO3 qui piège le dioxyde de carbone.

3. (1) Si la souris avait froid (ou chaud) elle dépenserait plus d'énergie pour régler sa température (c'est un endotherme, comme tous les mammifères, qui effectue donc une thermorégulation). Le thermomètre sert à vérifier la température du bain qui doit être constante.
Certains d'entre vous ont confondu "thermostaté" ou "thermostatique" (température maintenue constante grâce habituellement à un thermostat) avec une mesure calorimétrique de la chaleur produite par l'animal et donc une évaluation de son métabolisme. Ce montage ne le permet pas car c'est l'ensemble du bain et de l'enceinte qu'il faudrait isoler du milieu extérieur, ce qui n'est pas le cas.

4. (1) Avec des vers de terre les résultats seraient comparables mais les variations de plus faible intensité étant donné que s'est un animal (hétérotrophe, qui réalise des échanges gazeux de même nature que la souris) et hétérotherme (qui n'est pas capable de maintenir sa température fixe et qui n'a donc pas de dépense énergétique liée de façon très nette avec une augmentation ou une diminution de température par rapport à une température de référence).
Avec les champignons, toujours des résultats comparables à ceux de la souris : les champignons sont des organismes hétérotrophes et dont ,à ma connaissance, on ne sait rien sur une éventuelle température métabolique réglée.
Avec la plante chlorophyllienne, les résultats ne seraient pas comparables (même s'ils étaient identiques) car ces organismes sont autotrophes (et consomment donc du dioxyde de carbone pour leur synthèses organiques) et phototrophes (et produisent du dioxygène lors de la photolyse de l'eau). A ces phénomènes s'ajoute la respiration. Selon l'éclairement et le type de plante on pourrait donc avoir un bilan positif ou négatif pour ces deux gaz.

B. 1. (1) La consommation au repos est constante à 250 mL/min; lors de l'exercice, elle augmente pour atteindre un maximum en 4 min à 1,5 L/min; lors de la récupération, elle baisse progressivement pour revenir en 8 min à la consommation au repos.

2. (1) Au repos, tous les organes consomment du dioxygène (respiration cellulaire) correspondant au travail cellulaire de repos (de base). A l'exercice, à cette consommation de base s'ajoute une consommation liée au travail mécanique réalisé par les muscles (squelettiques et cardiaque qui se contractent). Cette augmentation du travail entraîne une augmentation de la consommation en dioxygène. Le maximum atteint dépend de la capacité de l'individu qui a une composante histologique (musculation) et physiologique (entraînement...). Lors de la récupération l'organisme reconstitue ses réserves (en fait phosphocréatine).

C. 1. (1/2) La dépense énergétique est l'estimation de la consommation énergétique d'un organisme évaluée à partir de la mesure de sa consommation en dioxygène. (on accepte : "C'est la quantité d'énergie consommée par unité de temps et de masse pour un organisme" mais il faut la notion d'estimation à partir de la consommation en dioxygène (le lien repose sur le coefficient thermique du dioxygène: 1L de dioxygène consommé correspondant environ à 20kJ utilisé par l'organisme; mais cette notion n'est pas demandée: j'ai cependant rajouté 1/2 point à ceux qui l'ont exprimé, parfois avec des mots différents).

2. (1) On observe les variations de la dépense énergétique en fonction du sexe et de l'activité: elle augmente avec l'intensité de l'activité et est plus importante, à masse égale, pour l'homme que pour la femme (il faudrait pouvoir faire les calculs mais vous n'avez pas de machine et les calculs manuels sont un peu longs). Il n'en reste pas moins que cette absence de relation avec la masse est importante donc voici les chiffres du tableau modifiés en les rapportant à l'unité de masse (l'homme pèse 65 kg et la femme 55 kg):

activité
homme
kJ/24h/kg
femme
kJ/24h/kg
différence homme-femme
kJ/24h
différence homme-femme
kJ/24h/kg

légère

174
152
2900
22

modérée

192
167
3300
25

forte

225
198
3700
27

exceptionnelle

257
223
4400
34

3. (1) Le document 2 montre les variations dynamiques alors que le document 3 montre des valeurs moyennes statiques. La consommation de dioxygène est directement proportionnelle à la dépense énergétique. (Étant donné que la question était, à mon avis, ambigu, j'ai accepté de prendre en compte la réponse du 1 dans le 3 et réciproquement).

4. (1/2) Le métabolisme de base désigne la dépense énergétique au repos, couché, en état d'équilibre thermique et à jeun. Ce métabolisme de base correspond à un travail cellulaire minimal qui inclut des dépenses liées à la thermorégulation (l'homme est endotherme).

D. (3) Le niveau mitochondrial est inutile mais pas forcément pris en compte négativement si l'on ne dépasse pas le niveau d'une 1ère S. Pour ce genre de texte à rédiger le correcteur recherche des mots-clés d'une part et une compréhension d'autre part (il s'efforce de savoir si le candidat comprend ce qu'il écrit ou pas: un mauvais français est donc très pénalisant car, si l'on ne peut savoir si l'erreur vient de l'expression ou de la compréhension, on considère que la notion n'est pas acquise: c'est un concours !)
Les mots-clés sont : nutriments (glucides, lipides, aa), oxydo-réduction (ce qui peut être formulé par le verbe "brûler"), dioxygène réduit en eau (accepteur d'électrons) et nutriments oxydés et décarboxylés (dioxyde de carbone produit). Ces deux étapes peuvent être formulé par exemple comme ceci : "l'oxygène est consommé lors de la combustion des nutriments et de l'eau est produite ainsi que du dioxyde de carbone"; énergie (ATP, énergie directement utilisable pour la cellule mais non transportable d'une cellule à l'autre). Pour le primaire les concepts sont différents, voir le cours sur la nutrition.

Une petite perle pour se détendre : Séverine nous propose "d'émettre une supothèse": voilà ce qui permettrait enfin de se séparer définitivement du mot d'«hypothèse» galvaudé par les mathématiciens : une réconciliation de l'intuition et de la conception....

II. E. (3 = 1/2 + 1 + 1/2 + 1) Doc 4 : La respiration permet au niveau des poumons une absorption de dioxygène et un rejet de dioxyde de carbone. L'azote, inerte, n'est pas utilisé. On peut même chiffrer 21% d'O2 dans l'air entrant contre 16% dans l'air sortant et 0,003% de CO2 dans l'air entrant pour 4à5% dans l'air sortant.
Doc 5: C'est la dynamique des systèmes respiratoires et circulatoires qui est principalement présentée : les mouvements (respiration pulmonaire rythmique: mouvement alternatif ; échange continu air-sang; circulation continue malgré la contraction rythmique cardiaque; échange continu entre le sang et les organes), les volumes, les surfaces d'échanges, le sens et la nature des échanges gazeux (absorption et rejet): ce schéma n'a qu'une légende très incomplète qui doit être enrichie.
Doc 6: Schéma d'anatomie simplifiée: trajet (voies respiratoires) de l'air, schématisation simpliste de l'arborisation pulmonaire.
Doc 7 : Évolution du rythme respiratoire et du volume de dioxygène consommé par un individu en fonction de son activité: plus l'activité est intense, plus le rythme respiratoire augmente ainsi que le volume de dioxygène consommé. Une analyse plus fine permet de supposer que l'adaptation du rythme respiratoire est peut-être plus lente (dans le sens où l'on passe successivement aux quatre types d'activités) et donc consécutive à celle de la consommation de dioxygène...(toujours l'absence de machine.... mais quand on passe de la position couché à debout on a une variation de 40% du rythme respiratoire, puis 26% entre la position debout et la marche, et 221% de la marche à la course; pour le volume de dioxygène consommé les chiffres sont de 50%, 167% et 225% et donc du même ordre de grandeur sauf pour la marche où le volume de dioxygène consommé augmente plus "vite" que le rythme respiratoire).

F (3) Les démarches sont innombrables car personnelles: la démarche la plus "classique" est de partir de l'anatomie (6) pour continuer sur la physiologie (les gaz : 4 et l'adaptation à l'effort : 7) pour finir par le schéma de synthèse (5) à compléter avec les enfants. Des expériences (eau de chaux, oxymètre...) des activités d'EPS et des observations sur le réel (dissection d'appareils respiratoires...) sont nécessaires (1 point sur les 3). MAIS voici quelques remarques, les corrections restant individuelles:
* je conseille encore une fois de se donner la peine de rédiger sa réponse sous forme d'une fiche de préparation : c'est un excellent exercice.
* je cite C. : «On peut demander aux enfants d'"imaginer" à quoi ressemble un poumon (et le reste de l'appareil respiratoire) et en faire un dessin légendé. Le document 6 sera apporté comme un élément de correction ou validation de leurs conceptions». A mon avis cette démarche est caricaturale (je l'ai qualifiée d'inepte sur la copie): un travail sur les conceptions demande d'identifier un obstacle qui n'est pas un savoir mais un concept erroné: cela ne peut pas être simplement un savoir anatomique. Le document 6 véhicule aussi des concepts erronés du fait de sa simplification extrême. Le travail de didactique sur le concept de respiration à l'école a abouti à la présentation de certains savoirs anatomiques qui doivent être maîtrisés: deux (ou trois) orifices externes - un orifice interne pour un tube (trachée artère) qui se divise en deux (bronches) puis en des centaines de milliers de petits tubes terminés chacun par un petit sac (alvéole). Comment pouvez-vous demander à un enfant de représenter ces concepts sans travail préliminaire ? On perd un temps fou à vouloir chercher les blocages éventuels, avant d'aborder une notion.
* certains d'entre vous proposent une dissection de lapin pour monter l'appareil respiratoire. A mon avis c'est un leurre: la transposition lapin-homme pour l'ensemble de l'appareil respiratoire est assez difficile. Par contre un travail sur un poumon frais de grenouille est possible et instructif : on voit-touche (par les sens) la finesse, l'élasticité, la vascularisation de la paroi pulmonaire (lorsque l'on gonfle le poumon): évidemment les poumons des amphibiens sont peux divisés mais c'est justement pour cela qu'on peut les gonfler; les poumons des mammifères sont beaucoup trop ramifiés pour que l'on voit la finesse de la paroi autrement que par une coupe et un microscope et une préparation microscopique de poumon n'est pas disponible dans une école habituelle. Même remarque pour le poumon de bœuf avec les problèmes de l'ESB en plus.
* il est inutile de signaler une expérience possible si vous ne prenez pas la peine de construire réellement une séance réalisable (c'est là la partie professionnelle de l'épreuve du CRPE): par exemple pour une séance de 30 min environ : « les élèves disposent par groupe de deux d'une paille et de deux pots de verre contenant un peu d'eau de chaux claire; on leur demande de concevoir une expérience pouvant prouver la relation entre la composition en CO2 de l'air entrant et sortant du poumon qui a été par exemple mis en évidence à partir du document 4; les protocoles doivent d'abord être rédigés (schémas); le maître en prend connaissance avant de laisser l'expérience être réalisée; les résultats sont notés et la conclusion rédigée; une synthèse globale est faite pour le groupe classe». Les objectifs spécifiques sont aussi l'apprentissage de la démarche expérimentale.
* Un concept erroné a été présenté par certains ( à moins que ce ne soit en fait une maladresse d'expression): «le dioxygène entre dans l'organisme à l'inspiration et le dioxyde de carbone ressort à l'expiration». C'est FAUX si on se réfère aux organes ou au sang, ou au mieux inexact si l'on se réfère au corps dans son entier. Il est évident que les échanges gazeux entre le sang et l'air sont CONTINUS (même si la rythmicité du mouvement respiratoire se voit peut-être de façon extrêmement fine au niveau des capillaires !?), notamment du fait que le renouvellement de l'air alvéolaire est faible en respiration courante (non forcée): de l'ordre d'1/5: voir cours sur la respiration. C'est le même danger qui guette celui qui écrit : «le document 4 nous permet de dire que l'air qui rentre n'est pas le même que celui qui sort». Cette phrase est fausse dans sa généralité. Une bonne partie (4/5) de l'air est bien le même, moléculairement parlant.

G (2) Ce qui est demandé est en quelque sorte une trace écrite; en voici une un peu trop complète peut-être...
Les mouvements pulmonaires permettent l'entrée et la sortie de l'air depuis l'extérieur vers les poumons en passant par les voies aériennes (trois orifices possibles, un conduit unique (la trachée artère) qui se divise en deux bronches qui vont chacune vers un poumon et s'y ramifient en d'innombrables petits tubes terminés chacun par un petit sac ou alvéole pulmonaire). La glotte régule notamment le passage des aliments vers l'œsophage et non vers la trachée artère (on peut s'étouffer si une grosse bouchée passe par "le mauvais trou").
La paroi des alvéoles est élastique, très fine et fortement irriguée. A chaque inspiration les alvéoles se remplissent d'air et les échanges gazeux peuvent se faire entre le sang et l'air alvéolaire. A chaque expiration les alvéoles se vident presque totalement. Mais il n'y a qu'1/5 de l'air qui est renouvelé à chaque cycle inspiration-expiration étant donné que beaucoup d'air reste dans les tuyaux.
Le sang se charge de dioxygène au niveau des poumons et rejette son dioxyde de carbone. Le cœur est la pompe principale qui fait circuler le sang dans les vaisseaux.
Au niveau des organes de nouveaux échanges gazeux ont lieu mais dans le sens inverse par rapport aux poumons: le dioxygène passe depuis le sang vers les organes qui nécessitent du dioxygène (tout ceux qui travaillent nécessitent du dioxygène et tous les organes vivants travaillent) et le dioxyde de carbone est rejeté par les organes qui travaillent et passe dans le sang.
Lors d'un exercice les muscles et le cœur (qui est aussi un muscle) travaillent plus et nécessitent plus de dioxygène (et rejettent plus de dioxyde de carbone) et l'organisme s'adapte à l'effort en augmentant le rythme respiratoire et le rythme cardiaque.