NovA - Hoofdstuk 3 Bewegeng_beta0295/soul/soul3v5+7.doc · Web viewNatuurkunde 3 vwo Hoofdstuk 5+7...

SOUL-project Samenwerken, onderzoeken uitleggen en

lerenNatuurkunde 3 vwo

Hoofdstuk 5+7 Energie & Arbeid

Leerlingenbundel bij NovA

les datum klassikaal/groepje Bundel NovA

1 Herhaling Energie en warmte 3 en 4

2 Energie omzetten 5 en 6 theorie blz. 86 t/m 88vraag 3, 5, 7 en 8

3 Water verwarmen 7 en 8 werkbladen afronden

4 Elektrische energie omzetten 9 en 10 theorie blz. 89 t/m 92 vraag 16 en 17

5 Rendement waxinelichtje 11 en 12 theorie blz. 92 t/m 94 vraag 22, 25, 26, 28

6 Afronden §1 t/m 3; 13 en 14

7 §4 - Elektriciteit opwekken 15, 16 en 17

theorie blz. 95 t/m 98 vraag 36 en 37

8 Energiewaarde van een pinda 18 en 19 theorie blz. 99 t/m 101 vraag 47 t/m 51

9 De temperatuur van een gasvlam breinkraker

10 Toets hoofdstuk 5

11 Arbeid verrichten 21, 22 en 23

theorie blz. 118 en 119 vraag 4, 5, 7, 8 en 9

12 De sleephelling 24 en 25 theorie blz. 120 t/m 122 vraag 13, 14, 15, 18

13 §14 - Hefbomen en evenwicht 26, 27 en 28

theorie blz. 18 t/m 20vraag 4, 5, 7, 8 en 9

14 Afronding hefbomen en arbeid; 29 en 30

15 Meet je eigen vermogen 31 en 32 theorie blz. 123 t/m 125 vraag 26, 27, 28, 31, 32

16 Verbrandingsmotoren 33 en 34 theorie blz. 125 t/m 128vraag 36

17 Hoofdstuk afronden 35 en 36

18 Toets of SO over hoofdstuk 7 en §14

SOUL-project Natuurkunde

Het SOUL-project Natuurkunde is een lesmethode die ontwikkeld is door natuurkundedocenten op het St. Bonifatiuscollege in Utrecht. Het lesmateriaal is geschreven naast de methode NovA van uitgeverij Malmberg, waarvan het handboek gebruikt wordt als bronnenboel voor de theorie en een selectie van de opgaven uit het werkboek gemaakt wordt.

Samenwerken en onderzoekenBij het SOUL-project is gekozen om de leerlingen zoveel mogelijk in groepsvorm te laten werken. Het lesmateriaal is zo geschreven dat de docent alleen een korte inleiding op het onderwerp geeft. Door de vragen en opdrachten maken leerlingen kennis met de fenomenen en verschijnselen en worden ze uitgedaagd daarvoor verklaringen te vinden. De vragen zijn zo geformuleerd dat de meeste groepen door samenwerken een goed antwoord kunnen vinden. De experimenten en onderzoeken die in het lesmateriaal zijn opgenomen, zijn meestal gericht op het onderzoeken of herkennen van bepaalde verschijnselen of fenomenen. (reflectie op het geleerde) waarbij ook aandacht is voor samenhang en bredere verbanden. Bij het samenwerken in groepsverband wordt veel nadruk gelegd op het vinden van een antwoord waar alle groepsleden het mee eens zijn. Die manier van werken maakt dat leerlingen elkaar vaak aan het uitleggen zijn, en dat blijkt voor alle groepsleden een zeer effectieve activiteit te zijn.

Aandacht voor fenomenenBij natuurkunde worden altijd veel formules en berekeningen gebruikt. Een belangrijke pijler van het SOUL-project is dat er voorafgaand aan de formules ruim aandacht wordt besteed aan de fenomenen en verschijnselen die de grondslag vormen voor de formules. Daarbij wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van contexten die leerlingen herkennen.

SOUL-project Natuurkundebij lesmethode NoVa – uitgeverij MalmbergSt. Bonifatiuscollege, Utrechtschooljaar 2006-2007

Ontwikkeld door:Kees Hooyman

Deelnemende docenten:Antoon BoksRudolf BurggraafKees HooymanElie MaselaAd Migchielsen

Wouter TinbergenCarien Vruggink

Technische ondersteuning:Marti van IJzendoorn

SOUL - Hoofdstuk 5 EnergieHerhaling – Energie en warmte

1 Eenheden van energie

Bij elke natuurkundige grootheid hoort een eenheid. Bij sommige grootheden gebruiken we echter verschillende eenheden.

Welke eenheden voor energie ken je? Omcirkel alle woorden of afkortingen die een eenheid voor energie zijn.

kWh ampère joule watt kJ calorie voltmbar P warmte MJ batterij J kcal

Welke eenheid is de ‘officiële’ natuurkundige eenheid voor energie?

2 Geleiding van warmte (én elektriciteit)

Met het woord warmte bedoelen we een bepaald soort energie. In het dagelijks gebruik wordt warmte ook wel gebruikt voor de temperatuur.

Geef bij de volgende zinnen aan of het om energie of om temperatuur gaat.

Een gloeilamp geeft licht en warmte af. De soep is te warm om te eten. De warmte is drukkend, je krijgt het er benauwd van.

Sommige stoffen zijn een goede geleider van de warmte, ander stoffen isoleren juist goed.

Geef in de tabel aan of de stof een geleider of een isolator voor warmte is door een kruisje in de juiste kolom te zetten.

Als je alle stoffen vergelijkt die goed de warmte geleiden, dan valt op dat al die stoffen ook een goede geleider zijn voor de elektrische stroom. Dat geldt ook voor isolatoren. Kennelijk wordt geleiding van warmte en elektriciteit verzorgd door dezelfde deeltjes.

Welke deeltjes in de stof zorgen voor het transport van warmte en elektriciteit in een vaste stof?

3 Transport van warmte: geleiding, stroming en stralingEr zijn drie manieren waarop warmte getransporteerd kan worden: geleiding, stroming en straling. Bij één van deze transportvormen is geen (tussen)stof nodig. Het gaat dus ook door vacuüm.

Bij welke transportvorm is geen (tussen)stof nodig?

In de tekening hiernaast zie je de doorsnede getekend van een thermoskan.

Welke vorm van warmtetransport wordt tegengehouden door:

De dubbele wand van de glazen fles . . . . . . . . . . . . . . De spiegelende metaallaag . . . . . . . . . . . . . . De kurk op de bodem . . . . . . . . . . . . . .

SOUL-project Natuurkunde - Energie & Arbeid 3

stof geleider

isolator

aluminium

houtkoperleer

plasticrubberijzer

De dop op de thermoskan . . . . . . . . . . . . . .4 Geleiding in metalen

Jan voert de proef van de tekening hiernaast uit. De strips A, B en C zijn van verschillende metalen gemaakt. strip A is van aluminium strip B is van ijzer strip C is van koperIn elke strip zit een lucifer. De vlam verwarmt precies het midden van de metaalplaat M. De eerste lucifer die ontbrandt is de lucifer van strip A (aluminium).

Welke lucifer zal als 2e ontbranden?

Hoe komt het dat de lucifers niet alle drie tegelijk ontbranden?

Gerard doet de proef die hiernaast getekend is. De luciferskoppen zitten in een koperen buis.

Welke lucifer zal als eerste ontbranden?

Na lang wachten zijn vier van de vijf lucifers ontbrandt, maar de linkerlucifer wil maar geen vlam vatten.

Hoe kan dat? Leg uit.

Gerard meet vervolgens de temperatuur bij punt A en punt B. De staaf heeft bij A een temperatuur van 400 °C en bij B van 300 °C. Deze temperaturen blijken constant te zijn.

Leg uit dat er dan nog wel warmtetransport plaatsvindt van punt A naar punt B..

5 VerbrandingswarmteBij het verbranden van stoffen komt warmte vrij. De eenheid van verbrandingswarmte is bijvoorbeeld J/g, MJ/kg of MJ/m³.De verbrandingswarmte van droog hout is 16 miljoen joule per kilogram. De verbrandingswarmte van butagas is 110 miljoen joule per m³.

Hoeveel warmte komt er vrij als je 3,0 m³ butagas verbrandt?

Hoeveel kg droog hout moet verbrand worden om dezelfde hoeveelheid warmte te krijgen als bij de verbranding van 3,0 m³ butagas?

Als je één liter water aan de kook brengt met een gasbrander, kost dat 0,015 m³ aardgas. De verbrandingswarmte van aardgas is 30 miljoen J per m³.

Hoeveel energie moet de gasbrander leveren om één liter water aan de kook te brengen?


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energie§1 - Energie omzetten

1 Energiebron, energiesoort en energieomzetter (blz. 86)Met een energieomzetter bedoelen we een apparaat dat de ene energiesoort omzet in één of meerdere andere energiesoorten. Een windmolen zet bijvoorbeeld bewegingsenergie om in elektrische energie. Een energiebron levert de energie, het is een energievoorraad. Bij de windmolen is de wind de energiebron, en de molen de omzetter. Een batterij is zowel een energiebron als een energieomzetter (in een batterij zit chemische energie opgeslagen). Voorbeelden van energiebronnen zijn: de zon, fossiele brandstoffen, wind, kernenergie.

Schrijf de onderstaande woorden in de juiste kolom. Sommige woorden passen in meerdere kolommen.

chemische energie windmolen waterkracht hoogte-energie aardgas bewegingsenergie batterij

CD-speler windenergie veerenergie aardolie warmteelektrische energie de zon geluid

automotorgasbrander licht spieren voedsel

energiesoort energiebron energieomzetter

2 Energie omzettenIn een batterij zit chemische energie opgeslagen. Dat noemen we zo omdat er in de batterij enkele stoffen zitten die bij een scheikundige reactie elektriciteit leveren.

Lia laat een zaklamp branden op twee batterijen. Welke twee energie-omzettingen vinden daarbij plaats?

chemische energie --> . . . . . . . . . . . . energie

--> . . . . . . . . . . . . . . . . . + . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Elsje rijdt op haar fiets zonder bij te trappen van een helling af. Omdat het donker is brandt de fietsverlichting op de dynamo. Welke energie-omzettingen vinden daarbij plaats?


3 Energieschema’sEen energieschema is een overzichtelijke manier om te zien welke energieomzettingen er zijn. In het schema noteren we de energiesoorten, en de breedte van de pijl geeft aan om hoeveel energie het gaat.Michael Boogerd heeft net een lange bergklim voltooid. Daarbij heeft hij erg veel energie omgezet, maar het grootste gedeelte gaat ‘verloren’ aan warmte.

Hoeveel % van de energie is omgezet in hoogte-energie?

Een gewone gloeilamp zet 5% van de opgenomen elektrische energie om in licht. Een SL-lamp zet 25% van de opgenomen elektrische energie om in licht.

Maak de energieschema’s hieronder af. Teken nauwkeurig de breedte van de energiepijlen, en hou daarbij rekening met de hierboven genoemde percentages.

Welke lamp geeft het meeste licht?

4 Energie en vermogen: 1 watt = 1 joule per secondeOp elk elektrisch apparaat staat het vermogen P aangegeven in watt. Het vermogen geeft aan hoeveel energie het apparaat per seconde gebruikt (of beter: omzet). Een vermogen van 600 watt betekent dat het apparaat elke seconde 600 joule energie omzet. Dus:

Een gloeilamp van 75 W zet per seconde . . . . . . . . joule energie om.

Hiernaast zie je het typeplaatje van een strijkijzer (1200 W). Bereken hoeveel joule elektrische energie de strijkijzer in een half uur omzet.

Het elektriciteitbedrijf gebruikt bij de energierekening een andere eenheid voor de elektrische energie: de kilowattuur of kWh. (kWh = kW x uur)

Bereken hoeveel kWh elektrische energie het strijkijzer in een half uur omzet

. . . . . . . . . kW x . . . . . . . . . uur = . . . . . . . kWh De eenheden joule en kWh kun je altijd op dezelfde manier in elkaar omrekenen.

Reken om: 1 kWh = J


spier-energie warmte

hoogte-energie

Vervolgopdrachten §1Lees blz. 86 t/m 88 in je theorieboek, maak vraag 3, 5, 7 en 8


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 EnergieWater verwarmen met een dompelaar

Onderzoek 1 Water verwarmenOm water te verwarmen heb je energie nodig, maar hoeveel? Dat hangt natuurlijk af van de hoeveelheid water die je gebruikt, en hoeveel de temperatuur moet stijgen Onderzoeksvraag: “Hoeveel energie heb je nodig om de

temperatuur van 1 gram water met 1 ºC te laten stijgen?”

We willen deze vraag natuurlijk zo nauwkeurig mogelijk beantwoorden, en daarbij kunnen we de volgende instrumenten gebruiken: Een bekerglas Een thermometer Een dompelaar die per seconde 330 J energie omzet Een stopwatch Een weegschaal

Bij het onderzoek komen we twee problemen tegen: Het is niet mogelijk om 1 gram water te verwarmen met de

dompelaar. De thermometer is niet nauwkeurig genoeg om 1 ºC af te lezen

1 OnderzoeksplanVoordat je met het onderzoek begint moet je eerst bedenken wat je allemaal gaat meten tijdens het onderzoek, en wat je gaat doen om de onderzoeksvraag zo nauwkeurig mogelijk te beantwoorden.

Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoort.

Hoe ga je het onderzoek uitvoeren? Maak het onderstaande verhaaltje af.

“We vullen het bekerglas met . . . . . . gram water. Vervolgens houden we

de dompelaar en de thermometer in het bekerglas. Op het moment dat we de

stekker van de dompelaar in het stopcontact steken ...

Om een goed experiment te doen moet je wel steeds roeren met de dompelaar.

Wat gaat er fout als je niet roert?

2 MetingenVoer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen massa water . . . . . . gram begintemperatuur water . . . . . . C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


grootheid eenheidtijd seconde

De dompelaar moet steeds onder water

gehouden worden. Let ook goed op als je de

stekker uit het stopcontact haalt!

3 Berekeningen:Noteer hieronder de berekeningen om de onderzoeksvraag te beantwoorden.

4 Klopt het resultaat?Het resultaat van je metingen noemen we de soortelijke warmte van water. Elke stof heeft een andere soortelijke warmte. In de tabel zie je de soortelijke warmte van enkele stoffen (in joule per gram en per graad Celsius).

Hoe groot is volgens de tabel de soortelijke warmte van water?

Waarschijnlijk is de uitkomst van jouw metingen een stuk hoger dan de waarde in de tabel. Het verschil is waarschijnlijk ook te groot om te verklaren met de onnauwkeurigheid van je metingen.

Geef één (andere) reden waarom jouw uitkomst hoger is dan de waarde in de tabel.

Na afloop van het onderzoek kom je er vaak achter dat je tijdens het onderzoek iets vergeten bent, of dat je iets beter anders had kunnen doen.

Noem één verbetering van je onderzoek (behalve nauwkeuriger meten).

5 BerekeningenJe hebt een pan water met daarin 2,0 kg water dat een temperatuur heeft van 20 C. Je wilt het water aan de kook brengen, en daarvoor moet de temperatuur van het water 80 C stijgen.

Hoeveel warmte heb je tenminste nodig om het water aan de kook te brengen?

Waarschijnlijk heb je (veel) meer energie nodig dan je bij de vorige vraag hebt uitgerekend.

Noem twee redenen waarom je meer energie nodig hebt.

In dezelfde pan wil je 2,0 kg olijfolie verwarmen van 20 C tot 100 C. Heb je daar meer of minder energie voor nodig? Leg uit.


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energie§2 - Elektrische energie omzetten in warmte

1 Meten met de computerHet experiment uit de vorige les is ook gedaan met behulp van de computer. Een elektronische thermometer registreert steeds de temperatuur, en de computer slaat de gegevens op. Een voordeel van elektronisch meten is dat het een stuk nauwkeuriger is.

Noem nog een voordeel van het meten met de computer.

2 MeetgrafiekHieronder zie je de resultaten van de meting weergegeven in een grafiek. Het begin (twee minuten) van de grafiek is uitvergroot.

Het begin van de grafiek is een beetje vreemd: in de eerste 20 seconden van de grafiek stijgt de temperatuur nauwelijks.

Geef één reden waarom het even duurt voordat de temperatuur gaat stijgen.

De grafiek is niet recht maar duidelijk krom. De temperatuur stijgt kennelijk niet steeds even snel.

Leg uit waarom de temperatuur steeds minder snel stijgt.

Het laatste stuk van de grafiek is een horizontale lijn. Wat is er dan aan de hand?

De eerste twee minuten van de grafiek zijn vergroot weergegeven. De stippellijn geeft een hoe de temperatuur zou zijn gestegen als er geen warmte verloren zou zijn gegaan aan de omgeving. Met de stippellijn kun je nauwkeurig bepalen hoe snel de temperatuur van het water stijgt.

Hoeveel graden stijgt de stippellijn per minuut?


3 De onderzoeksvraag beantwoordenBij dit experiment is 150 gram water verwarmd met een dompelaar met een vermogen van 330 watt. In het begin stijgt de temperatuur van het water met een snelheid van 30 C per minuut.

Bereken uit dit experiment de soortelijke warmte van water.

Leontien heeft het experiment ook uitgevoerd. Ze heeft daarbij een dompelaar met een vermogen van 150 watt gebruikt, en een bekerglas met 1,2 kg water. Doordat ze een kleine dompelaar gebruikte, en een grote hoeveelheid water zijn haar metingen nauwkeuriger. Om warmteverlies te voorkomen heeft zij het bekerglas goed geïsoleerd. Van de metingen heeft Leontien een grafiek gemaakt.

Welke waarde vindt Leontien voor de soortelijke warmte van water? Geef een berekening.

Leontien herhaalt het experiment met 1,2 kg olijfolie in plaats van water. Ze gebruikt dezelfde dompelaar.

Schets in figuur 5 hoe de grafiek er nu uit zal zien.

4 Meten met een warmtemeterEen warmtemeter is een vrij simpel apparaat: een erg goed geïsoleerde beker met een verwarmingselement erin. Met een warmtemeter kun je nauwkeurig onderzoek naar warmte uitvoeren.

Waarom is het belangrijk dat de beker erg goed geïsoleerd is?

Waarom is het belangrijk dat er een deksel op de warmtemeter zit?

De dompelaar bestaat uit een dunne ijzeren spiraal, die veel kleiner en lichter is dan de dompelaar uit het experiment.

Waarom is het een voordeel dat de dompelaar klein en licht is?


Vervolgopdrachten §2Lees blz. 89 t/m 92 in je theorieboek, maak vraag 16 en 17


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energie§3 - Chemische energie omzetten in warmte

Onderzoek 2 Het rendement van een waxinelichtje.Bij het verbranden van waxine komt energie vrij. Die energie kun je gebruiken om water te verwarmen, maar niet alle energie komt in het water terecht. Het percentage van de energie dat wel in het water gaat zitten noemen we het rendement.Onderzoeksvraag: “Hoeveel procent van de energie van het waxinelichtje wordt gebruikt om het water te verwarmen?”We willen deze vraag natuurlijk zo nauwkeurig mogelijk beantwoorden, en daarbij kunnen we de volgende instrumenten gebruiken: Een bekerglas, een thermometer en een driepoot Een waxinelichtje Een gewone weegschaal Een zeer nauwkeurige weegschaal

Bij het onderzoek heb je twee gegevens nodig: De soortelijke warmte van water is 4,2 J/g∙ºC De verbrandingswarmte van waxine bedraagt 40 kJ/g


Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoor.,


“We vullen het bekerglas met . . . . . . gram water. Met een thermometer meten we de begintemperatuur van het water. Vervolgens gebruiken we een zeer nauwkeurige weegschaal om . . . .

2 MetingenVoer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen


grootheid eenheidtemperatuur

ºC

3 BerekeningenNoteer hieronder de berekeningen om de onderzoeksvraag te beantwoorden: “Hoeveel procent van de energie van het waxinelichtje wordt gebruikt om het water te verwarmen?”

4 ConclusieVergelijk de uitkomst met de andere verwarmingsapparaten in de tabel. Heeft het verwarmen met een waxinelichtje een hoog of een laag rendement?

5 Verbrandingswarmte (lees blz. 93)Een CV-ketel is tegenwoordig vaak een 'HR-ketel' (hoog-rendement-ketel), zie de reclame. We kijken naar de ketel die de grootste capaciteit levert: 32 kW.

Hoeveel joule warmte levert deze ketel per minuut, als hij voluit brandt?

De verbrandingswarmte van aardgas is 32 MJ/m³. Het rendement van de ketel is 90%.

Hoeveel warmte levert dan 1 liter aardgas uiteindelijk?

Bereken hoeveel liter aardgas de ketel per minuut verbrandt.

Vervolgopdrachten §3Lees blz. 92 t/m 94 in je theorieboek, maak vraag 22, 25, 26, 28


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energieafronding §1 t/m 3

1 Experiment warmtemeterJos heeft eerst 100 g van een bepaalde vloeistof verwarmd in een warmtemeter (grafiek A). Daarna heeft hij een andere hoeveelheid van dezelfde vloeistof gebruikt, en het experiment herhaald (grafiek B). Hij heeft in beide gevallen hetzelfde verwarmingselement van 12 W gebruikt.

Hoeveel energie levert het verwarmingselement in 15 minuten?

Heeft Jos bij het experiment B meer of minder van dezelfde vloeistof gebruikt? Hoeveel gram? Leg uit of geef een berekening.

Welke stof zou de vloeistof kunnen zijn? Geef een berekening en gebruik de tabel op blz. 91.

2 Soortelijke warmte en vermogenEen wasmachine moet 5,0 liter water (dat is gelijk aan 5,0 kg) in 10 minuten kunnen verhitten van 10 °C tot 90 °C.

Hoeveel kJ warmte is nodig om die hoeveelheid water te verhitten van 10 °C tot 90 °C?

Welk vermogen moet het verwarmingselement van de wasmachine op zijn minst hebben?


A

B

3 Een snelkoker of een langzaamkoker?Hieronder zie je een reclame voor een waterkoker.

De waterkoker heeft een vermogen van 2200 W en een inhoud van 1,7 liter. Het rendement van de waterkoker is niet gegeven, maar als de waterkoker volledig gevuld is bedraagt het rendement 92%.

Bereken hoe lang het duurt, voordat de geheel met water gevulde koker water van kamertemperatuur (20 °C) aan de kook heeft gebracht.

4 Zuinig douchenFamilie de Vries heeft nog een oude geiser voor het douchen. Bij één douchebeurt wordt 0,60 m³ aardgas verbrandt. Daarbij wordt 56 liter water verwarmd van 15 °C tot 72 °C.

Hoeveel energie is nodig om het water te verwarmen?

Bereken het rendement van de geiser.

Familie de Vries schakelt over op een combiketel met een rendement van 90%. Jaarlijks wordt door de familie de Vries 1200 keer gedoucht.

Hoeveel m³ bespaart familie de Vries daardoor per jaar op het douchen?


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energie§4 - Elektriciteit opwekken

1 Elektriciteitscentrale (blz. 95 & 96)Een elektriciteitscentrale werkt meestal op fossiele brandstof, maar soms wordt een andere energiebron gebruikt om elektriciteit op te wekken (zon, wind, water en kernenergie).

Wat is een fossiele brandstof?

Een normale elektriciteitscentrale bestaat uit vier onderdelen: de ketel, de turbine, de generator en de condensor. In de ketel wordt water verwarmd door een brander. De stoom uit de ketel zet een turbine in beweging, en de turbine laat een generator (een grote dynamo) draaien. In de condensor wordt de stoom weer omgezet in water. In fig. 13 zie je een schematische tekening van de centrale.

Noteer in de figuur de namen van de onderdelen B, C en D.

Bij het produceren van elektrische energie wordt de chemische energie van de brandstof via een aantal tussenstappen omgezet in elektrische energie.

Beschrijf voor de onderstaande onderdelen van de elektriciteitscentrale de energieomzetting:

in de ketel wordt . . . . . . . . . . . . . . . . omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

in de turbine wordt . . . . . . . . . . . . . . . . omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

in de generator wordt . . . . . . . . . . . . . . . . omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

In de condensor wordt de stoom uit de turbine gecondenseerd. De warmte van de stoom wordt omgezet in warmte van het koelwater.


B = . . . . . . .

A = condensor

C = . . . . . . . . . . . D = . . . . . . . .

2 Piekvermogen en brandstofverbruikAls een grote elektriciteitscentrale op piekvermogen werkt, levert hij een vermogen van 1200 MW aan het elektriciteitsnet. Een doorsnee-huishouden neemt dan gemiddeld een elektrisch vermogen van 1,8 kW op.

Bereken hoeveel huishoudens dan door de centrale van elektrische energie kunnen worden voorzien.

Een elektriciteitscentrale gebruikt enorme hoeveelheden brandstof. Een centrale die op steenkool werkt heeft meestal een rendement van 40%.

Hoeveel elektrische energie levert 1 kg steenkool dan?

Het piekvermogen van de elektriciteitscentrale is 1200 MW. Hoeveel elektrische energie produceert de centrale dan in 1 uur?

Bereken hoeveel kg steenkool er dan in één uur wordt verbrandt.

4 StadsverwarmingEen elektriciteitscentrale produceert ook veel afvalwarmte. Bij sommige centrales wordt die warmte gebruikt om huizen te verwarmen. Dat principe heet stadsverwarming.

Centrale A levert alleen elektrische energie; centrale B levert ook warmte voor stadsverwarming.

Bepaal door opmeten het rendement van beide centrales.

centrale A: centrale B:


5 ZonnecellenOp een zomerse dag kan het zonlicht een vermogen van 1200 W afgeven aan 1 m2 bestraald oppervlak. Het oppervlak moet daarvoor loodrecht op de richting van het licht staan.

Het maximale rendement van zonnecellen ligt op dit moment rond de 20%. Bereken hoeveel watt elektrisch vermogen een paneel zonnecellen van 1 m2 kan leveren.

Bereken hoeveel panelen van 1 m2 op z'n minst nodig zijn om een elektrische pomp van 800 W te laten werken.

Carlijn beweert dat duurzame energie uiteindelijk allemaal zonne-energie is.

Noteer zoveel mogelijk verschillende energiebronnen die indirect afkomstig zijn van zonne-energie.

Vervolgopdrachten §4Lees blz. 95 t/m 98 in je theorieboek, maak vraag 36 en 37


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energie§5 - Energie in voedsel

Onderzoek 3 De energiewaarde van een pindaEen pinda bevat zoveel vet dat hij kan branden. In figuur 20 zie je de opstelling waarmee we gaan bepalen hoeveel energie er vrijkomt bij het verbranden van pinda’s. Onderzoeksvraag: hoe groot is de verbrandingswarmte van 100

gram pinda’s?

In dit onderzoek gebruiken we de verbrandingswarmte van één pinda om een kleine hoeveelheid water in een reageerbuis te verwarmen. Daarbij gaat natuurlijk een deel van de warmte verloren. Neem aan dat het rendement van het verwarmen gelijk is aan het rendement bij het waxinelichtje.Let op!! Zorg dat er een papiertje onder de brandende pinda ligt, er komt waarschijnlijk wat vet uit de pinda. Maak na afloop alles netjes schoon met een papiertje.


Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoort.


“We vullen de reageerbuis met een beetje water. Met een thermometer meten we de begintemperatuur van het water. Vervolgens gebruiken we een zeer nauwkeurige weegschaal om . . . .

2 MetingenVoer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen



grootheid eenheidtemperatuu

rºC

4 Energiewaarde van voedsel (blz. 99 en 100)In de tabel op blz. 99 kun je zien, hoe groot de energiewaarde is van 100 gram pinda's.

Vergelijk jouw antwoord met deze energiewaarde, en verklaar het verschil.

Zoek in de tabel op welke voedingsmiddelen een zeer hoge energiewaarde hebben.

Welke overeenkomst hebben deze voedingsmiddelen?

Waarom heeft komkommer zo’n lage energiewaarde?

5 EnergiebehoefteHiernaast zie je de lunch van Gerard: een appel en enkele boterhammen met kaas en jam.

Bereken de totale energiewaarde van Gerards lunch met behulp van de energiewijzer.

100 g appel 160 g bruinbrood 24 g margarine 20 g kaas 20 g jam

Gerard heeft elke dag ongeveer 12 miljoen joule energie nodig. Hoeveel procent van Gerards energiebehoefte wordt door deze lunch geleverd?

Over brood wordt vaak gezegd: 'Het beleg is de dikmaker'. Leg uit wat daarmee bedoeld wordt.

Wat gebeurt er, als je meer chemische energie binnenkrijgt dan je nodig hebt?

Vervolgopdrachten §5Lees blz. 99 t/m 101 in je theorieboek, maak vraag 47 t/m 51


SOUL 3HV - Hoofdstuk 5 Energie

Onderzoek 4 De temperatuur van een gasvlamAls je een ijzeren schroef in een gasvlam houdt, is de temperatuur van de schroef na enkele minuten (bijna) even hoog als de temperatuur van de vlam.Als de hete schroef daarna snel in een bekerglas met water wordt ondergedompeld, zal de temperatuur van het water stijgen (het water neemt warmte op), en de temperatuur van de schroef dalen (de schroef staat warmte af). Uiteindelijk wordt het water en de schroef even warm.Als er geen warmte verloren is gegaan heeft het water evenveel warmte opgenomen als de schroef heeft afgestaan. Je kunt dit gegeven gebruiken om de temperatuur van de schroef te bepalen. Onderzoeksvraag: hoe hoog is de temperatuur van een

gasvlam?


Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoort, en welk meetinstrument je gebruikt.

Welke extra gegevens heb je nodig?

2 MetingenVoer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen.


Breinkraker CampinggeiserOp een camping kunnen kampeerders voor € 0,50 een emmer met 10 liter warm water uit een geiser tappen. Daarvoor gelden de volgende gegevens: Begintemperatuur water: 9 °C Eindtemperatuur water: 52 °C De eigenaar betaalt € 0,26 voor 1 m³ aardgas. De geiser heeft een rendement van 74%.

Bereken hoeveel procent winst de eigenaar maakt met deze voorziening. De ontbrekende benodigde gegevens moet je zelf opzoeken.


grootheid eenheidtemperatuur ºC

SOUL 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid§1 - Arbeid verrichten

1 Wat is arbeid?Bij het woord arbeid denk je al snel aan ‘werk’ of ‘je doet iets’ of ‘je wordt er moe van’. Anderen denken aan een fabriek, of juist aan hersenarbeid.Wat we bij natuurkunde verstaan onder arbeid blijkt uit het volgende voorbeeld: Je tilt een blok klei op van de grond, en laat het vervolgens weer vallen. In hoofdstuk 5 heb je gezien dat er dan verschillende energie-omzettingen zijn.

Bij de drie energie-omzettingen wordt arbeid verricht door een kracht. De arbeid is de hoeveelheid energie die omgezet wordt.

Welke kracht zorgt voor het omzetten van hoogte-energie in bewegings-energie?Noteer het antwoord in de figuur.

De laatste energievorm is nog niet ingevuld. Door de kracht van de grond op de klei wordt de bewegingsenergie omgezet in . . . . . . . . . Noteer het antwoord in de figuur.

In welke van de onderstaande situaties wordt er arbeid verricht? Leg uit waarom wel of niet. Je loopt langs een trap omhoog.

Je staat roerloos stil.

Je trapt een bal weg.

Op een luchtkussenbaan glijdt een voorwerp zonder wrijving.

De zwaartekracht is er altijd (en grijpt aan in het zwaartepunt van een voorwerp), maar toch verricht de zwaartekracht niet altijd arbeid. Je merkt zelf het verschil wanneer je tegen een brug op moet fietsen.

Waarom verricht de zwaartekracht geen arbeid als je over een horizontale weg fietst?

Conclusie: om arbeid te verrichten heb je niet alleen een kracht nodig, maar ook een beweging in de richting van de kracht.

2 Formule en eenheid van arbeidDe eenheid van energie is genoemd naar James Prescott Joule. Hij ontdekte dat alle energiesoorten in elkaar omgezet kunnen worden, en ontdekte ook hoe je de arbeid kunt uitrekenen: arbeid = kracht x afstand of in symbolen: W = F∙s


spier-energie

bewegings-energie

?

spierkracht . . . . . . . . . . . . .

kracht van de grond

hoogte-energie

Om de arbeid uit te rekenen heb je dus zowel de kracht als de afstand nodig. De afstand is dan de afstand in de richting van de kracht, dus bij de zwaartekracht gaat het alleen om de hoogte.Joule wilde onderzoeken of bij het omzetten van energie de hoeveelheid energie gelijk zou blijven. Er was alleen nog geen eenheid voor energie. Joule bedacht een eenheid voor energie en arbeid, en die eenheid is naar hem vernoemd. Voor die eenheid gebruikte hij natuurlijk de eenheden van kracht en afstand. 1 joule = 1 newton x 1 meter of in symbolen: 1 J = 1 Nm

3 Het experiment van JouleVoor zijn onderzoek ontwikkelde Joule een apparaat waarin een zwaar gewicht aan een katrol een schoepenrad in een bak water liet ronddraaien. Door het draaien werd het water een beetje warmer. Heel nauwkeurig kon hij de temperatuurstijging van het water meten.

Welke energie-omzettingen vonden er in dit onderzoek plaats?

Stel dat Joule voor zijn experiment een gewicht van 50 kg gebruikte, dat hij over een afstand van 2,0 m naar beneden liet zakken.

Hoeveel arbeid verricht de zwaartekracht als het voorwerp naar beneden gaat?

Stel dat er in de bak water 0,5 kg water zat, en dat alle energie als warmte in het water kwam.

Met hoeveel C nam de temperatuur van het water dan toe?

Joule liet het gewicht niet slechts één keer naar beneden zakken. Hij takelde het gewicht steeds weer op, en liet het bijvoorbeeld wel 20 keer achter elkaar naar beneden zakken.

Waarom zou hij dat gedaan hebben?

4 Arbeid op de fietsJe fietst met een constante snelheid van 20 km/h van huis naar school. Daarbij moet je een constante kracht van ongeveer 50 N leveren. De afstand van school naar huis is 6,5 km.

Hoeveel arbeid verricht je tijdens het fietsen?

Als je met een hogere snelheid naar school fietst, moet je dan ook meer arbeid verrichten? Of moet je evenveel arbeid in een kortere tijd leveren? Leg uit.


Je fietst bij het stoplicht weg, en je spieren zorgen daarbij voor een constante voorwaartse kracht van 50 N. De tegenwerkende wrijvingskrachten zijn dan nog niet zo groot: de eerste 200 m is de gemiddelde tegenwerkende kracht 20 N.

Hoeveel arbeid verrichten je spieren in de eerste 200 m?

Hoeveel energie wordt daarbij door wrijving omgezet in warmte?

Wat gebeurt er met de rest van de energie?

Vul de tabel verder in.grootheid symbool eenheid symboolenergie

Fm

arbeid

5 Arbeid bij transportOm een schip met een constante snelheid van 2,5 km/h door een kanaal te trekken, moeten twee mannen samen een trekkracht uitoefenen van 500 N. Het kanaal waar ze het schip doorheen trekken, is 5,5 km lang.

Welke kracht werkt hier vooral de beweging tegen?

Hoe groot is de arbeid die de mannen samen verrichten?

Jeroen wil weten hoeveel kracht nodig is op een auto te duwen. In de tekening zie je hoe hij dat probeert te meten. De weegschaal wijst 15 kg aan.

Met welke kracht duwt Jeroen?

Hoeveel arbeid moet hij verrichten om de auto naar het benzinestation op 1,0 km afstand te duwen?

Vervolgopdrachten §1Lees blz. 118 en 119 in je theorieboek, maak vraag 4, 5, 7, 8 en 9


SOUL 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid§2 - Hefwerktuigen

Onderzoek 5 De sleephellingBij de ingang van grote gebouwen zie je naast de trap vaak een sleephelling. Deze helling die wordt gebruikt voor het omhoog slepen van zware goederen, en natuurlijk voor kinderwagens en rolstoelen. Bij het aanleggen van de sleephelling kan de architect kiezen voor een korte, steile helling of een lange en minder steile helling. In dit onderzoek gaan we kijken naar de trekkracht en de arbeid die nodig is bij verschillende lengtes van de helling.

Onderzoeksvragen: “Hoe hangt de trekkracht

af van de lengte van de sleephelling?”

“Hoe hangt de arbeid af van de lengte van de sleephelling?”

Bij dit onderzoek gebruiken we de opstelling van figuur 11, met de volgende instrumenten: Een stapel boeken van ongeveer 20 cm hoog Een lange plank Een krachtmeter of veerunster Een karretje

Bij het onderzoek moet de lengte van de helling veranderen, maar de hoogte moet wel steeds gelijk blijven. In plaats van een stapel boeken kun je ook een statief gebruiken.Om de onderzoeksvraag goed te beantwoorden moet je veel en nauwkeurige metingen doen. Doe metingen bij veel verschillende lengtes, en meet vooral de kracht nauwkeurig.

1 MetingenNoteer de metingen in de tabel. Bedenk van welke grootheden je een grafiek tekent.


lengte helling(cm)

trekkracht(N)

arbeid(J)

20

40

60

80

100

120

lengte helling

2 ConclusieBeantwoord zo goed mogelijk de twee onderzoeksvragen.

3 Koffer op sleephellingIn de vertrekhal van een vliegveld trekt een reiziger zijn koffer met wieltjes tegen een helling omhoog. De helling is 6,0 m lang en 0,8 m hoog. De koffer heeft een massa van 20 kg. De wieltjes lopen zo soepel dat de wrijving te verwaarlozen is.De kracht waarmee de reiziger aan de koffer moet trekken is natuurlijk veel kleiner dan de zwaartekracht op de koffer. Neem aan dat de wrijving in de wieltjes te verwaarlozen is.

Hoe groot is de kracht waarmee de reiziger zijn koffer omhoog moet trekken? Laat zien dat je dat kunt uitrekenen met behulp van de arbeid.

Bij de terugreis blijken de wieltjes flink versleten zijn. De wrijvingskracht van de wieltjes bedraagt 10 N. Bovendien heeft de reiziger veel souvenirs gekocht, en weegt de koffer nu 28 kg.

Bereken de arbeid die de reiziger nu moet verrichten om de koffer de helling op te trekken.

4 Arbeid bij takelenMieke gebruikt een katrol om een zware kist omhoog te hijsen. De kist weegt 60 kg, en moet vanaf de grond 12 m omhoog gehesen worden.

Hoeveel arbeid is nodig om de kist op te hijsen?

Mieke moet niet alleen arbeid verrichten, maar ook een kracht leveren. Mieke denkt dat ze met een katrol minder kracht hoeft te leveren dan zonder een katrol.

Leg uit dat het idee van Mieke niet klopt. Gebruik in je uitleg de begrippen arbeid en afstand.

Vervolgopdrachten §2Lees blz. 120 t/m 122 in je theorieboek, maak vraag 13, 14, 15, 18


SOUL 3HV - Hoofdstuk 1 Krachten§4 - Hefbomen en evenwicht

Met een hefboom bedoelen we een apparaat waarmee je je kracht kunt vergroten (of verkleinen). Veel gereedschap maakt gebruikt van het hefboomprincipe, bijvoorbeeld een koevoet, een schroevendraaier, een nijptang of een pincet.

1 Een steen en een hefboomEgbert probeert met een plank een zware steen van 900 N op te tillen. Op het eerste plaatje zie je dat hij maar 300 N nodig heeft om de steen omhoog te duwen.

Leg in je eigen woorden uit hoe het komt dat de kracht die Egbert nodig is veel kleiner is de 900 N van de steen.

Egbert wil de steen 20 cm optillen. In de tekening zie je dat hij het uiteinde van de plank daarvoor 60 cm naar beneden moet duwen.

Hoeveel arbeid moet Egbert daarbij verrichten?

De steen is 20 cm hoger gekomen. Hoeveel arbeid had Egbert moeten verrichten als hij de steen zonder

hefboom had moeten optillen?

De werking van de hefboom heeft ook iets te maken met de lengte van de plank en de plaats van het draaipunt.

Hoe zou je met behulp van de tekening kunnen uitleggen dat de kracht die Egbert naar beneden moet uitoefenen drie keer zo klein is als de 900 N van de steen?

Bij hefbomen zegt men wel: “Wat je wint aan kracht verlies je aan afstand.”

Leg uit wat met deze uitspraak bedoeld wordt.


2 Een wip als hefboomBram (40 kg) en Neelie (30 kg) zitten op de wip. De stoeltjes op de wip zitten even ver van het draaipunt.

Waarom is de wip niet in evenwicht?

De wip kan in evenwicht gebracht worden als Bram op een andere plek gaat zitten.

Teken waar Bram ongeveer moet gaan zitten om evenwicht te maken.

Waarom kan de wip niet in evenwicht gebracht worden als Neelie op een andere plaats gaat zitten?

3 De evenwichtsregel bij een hefboomEen mobile is ook een soort hefboom. De twee visjes zijn niet even zwaar.

Hoeveel gram weegt het rechtervisje? Leg uit.

Bij een hefboom hangt de krachtversterking af van de afstanden tot het draaipunt. Die afstand noemen we de arm van de kracht. Er geldt een eenvoudige regel: kracht x armlinks = kracht x armrechts

Voor de kracht mag je ook de massa in gram invullen.Het gewicht van het stokje mag je verwaarlozen.

Vul de regel in voor de mobile van twee visjes:

. . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . .

4 Een takel als hefboomEen takel bestaat uit tenminste twee katrollen, waarbij het gewicht aan een losse katrol hangt. Deze katrol hangt dan in twee touwen. De kist heeft een massa van 60 kg, de katrol is 2,0 kg. De kist moet 12 m omhoog gehesen worden.

Hoeveel arbeid is er nodig om de kist (met katrol) op te takelen?

Deze katrol hangt dan in twee touwen, en er zijn ook twee krachten die de kist omhoog trekken. Aan de linkerkant van de takel moet iemand trekken. Om de kist op te hijsen moet die


persoon een kracht en arbeid leveren. Bovendien moet hij (of zij) het touw een aantal meter naar beneden trekken.

Hoe groot is de kracht waarmee aan het touw getrokken moet worden?

Bereken hoeveel arbeid de trekkracht aan het touw verricht.

Geldt bij deze takel ook de regel “Wat je wint aan kracht verlies je aan afstand.”? Leg uit.

5 Een hefboom bij gereedschapHiernaast zie je drie verschillende gereedschappen die allemaal volgens het hefboomprincipe werken.

Leg in eigen woorden uit waarom de kracht die je uitoefent vergroot wordt.

Geef in elk figuur met een rode stip de draaias aan.

Teken in elk figuur de spierkracht op het uiteinde.

Meet bij elke hefboom:

1 de afstand tussen de spierkracht en de draaias;2 de afstand tussen de kracht die je moet uitoefenen en de draaias.

voorwerp afstand 1 afstand 2 krachtnotenkraker koevoet flesopener

Bij elk apparaat wordt op het uiteinde een kracht van 10 N uitgeoefend.

Bereken hoe groot de kracht wordt die de hefboom op het voorwerp uitoefent. Noteer alle getallen in de tabel.


SOUL 3HV afronding: Hefbomen, evenwicht en arbeid

1 Rekenen met evenwichten en hefbomenDe mobile van figuur 21 is ingewikkelder. Het rechtervisje weegt 10 gram. De lengtes van de stokjes staan in de tekening. Je mag het gewicht van de stokjes verwaarlozen.

Bereken het gewicht van de visjes A en B.

2 Een katrollampBij Marlies en Geert hangt een katrollamp (figuur 5). De lampenkap kan op en neer worden bewogen. Als de lamp omhoog gaat dan zakt het gewichtje C naar beneden. Het touw beweegt dan langs twee katrollen. De wrijving in de katrollen is zeer klein, zodat je daar geen rekening mee hoeft te houden. De lamp aan de linkerkant wordt in evenwicht gehouden door het gewichtje aan de rechterkant. Je mag bij de berekeningen het gewicht van de losse katrol en het touw verwaarlozen. Lamp L heeft een massa van 1,6 kg.

Hoe groot moet de massa van de metalen cilinder C zijn om de lamp op z'n plaats te houden?

Marlies duwt de lamp 20 cm omhoog. Waarom heeft ze daar (bijna) geen kracht voor nodig?

Hoeveel gaat de metalen cilinder omlaag, als Marlies de lamp 20 cm omhoog duwt?

Hoeveel arbeid moet Marlies verrichten om de lamp 20 cm omhoog te tillen?


3 Gereedschap met hefboom

In figuur 23 zie je twee manieren om een kist op een kruiwagen te laden.

Welke kruiwagen kun je het gemakkelijkst optillen? Waarom?

Je kunt een flesopener op twee manieren gebruiken om een fles te openen (figuur 24).

Geef met een rode stip aan waar zich de draaias bevindt in beide gevallen.

In welk geval heb je de minste spierkracht nodig? Waarom?


SOUL 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid§3 - Vermogen en rendement

Onderzoek 6 Meet je eigen vermogenJe spieren kunnen ook arbeid verrichten. De energie die je spieren per seconde kunnen leveren noemen we het vermogen. Voor topsporters zoals wielrenners, roeiers en schaatsers is het (duur)vermogen heel belangrijk. Lance Armstrong kan bij een lange beklimming in de Tour de France continu een vermogen van 450 W leveren.

Bij traplopen til je je eigen gewicht omhoog, en daarbij wordt de energie uit je spieren omgezet in hoogte-energie. Om de arbeid te bepalen moet je dus je gewicht en de hoogte van de trap meten. Onderzoeksvraag: Hoe groot is het maximale vermogen dat je

bij traplopen kunt leveren?

Voor het onderzoek moet je dus zo snel mogelijk een aantal trappen oplopen. Bij de uitvoer van het onderzoek moet je keuzes maken: Je kunt het gewicht aanpassen door in een rugzak extra gewicht

mee te nemen. Je gaat dan wel iets langzamer, dus je moet ook niet teveel extra gewicht meenemen.

Je kunt zelf het aantal trappen kiezen. Meet het hoogteverschil.

Bij elke groep rent één persoon de trappen op. Zorg wel dat de omstandigheden steeds hetzelfde zijn, dus rust steeds eerst uit voordat je nog een keer omhoog sprint.

1 MeetresultatenNoteer de resultaten in de tabel.

totale massa( )

tijd( )

hoogte( )

vermogen( )

2 ConclusieHoe groot is het maximaal vermogen?

Vergelijk het maximaal vermogen met het vermogen dat Lance Armstrong levert tijdens de Tour de France. Wat valt je op? Heb je daar een verklaring voor?


3 Elektrisch vermogen bij een hijskraanJanita heeft een opstelling gebouwd waarmee ze een hijskraan nabootst. Met een elektromotor hijst zij een gewichtje omhoog. Daarbij meet zij de volgende resultaten: spanning: 6,0 volt stroomsterkte: 250 mA massa gewichtje: 400 gram hoogte: 1,5 m tijd: 6,7 s

Met het opgenomen vermogen van een elektromotor bedoelen we het elektrisch vermogen dat door de voeding geleverd wordt.

Met welke formule kun je het opgenomen vermogen van een elektromotor berekenen?

Met het nuttige vermogen van de elektromotor bedoelen we hoeveel arbeid de elektromotor per seconde verricht bij het ophijsen van het gewichtje.

Bereken hoeveel het nuttige vermogen van de elektromotor in dit proefje is.

Bereken het rendement van de elektromotor van Janita.

Een echte hijskraan hijst een voorwerp van 5,0 ton met een constante snelheid van 0,50 m/s omhoog (1 ton = 1000 kg).

Bereken het nuttig vermogen van de hijskraan.

4 Elektrisch vermogen van een locomotiefEen elektrische locomotief trekt een rij goederenwagons van Zwolle naar Groningen. De (gemiddelde) trekkracht is 135 kN, de afstand 100 km en de reisduur een uur en een kwartier.

Bereken de arbeid die de locomotief verricht.

Bereken het (gemiddelde) nuttige vermogen.

Het rendement van de elektromotor in de locomotief is erg hoog, wel 90%.

Bereken hoeveel energie er voor de reis nodig was. Geef het antwoord in joule en in kWh.

Vervolgopdrachten §3


Lees blz. 123 t/m 125 in je theorieboek, maak vraag 26, 27, 28, 31, 32


SOUL 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid§4 - Verbrandingsmotoren

In een verbrandingsmotor wordt chemische energie omgezet in beweging. Bij een verbrandingsmotor moet aan twee zaken aandacht besteed worden: de brandstof moet steeds opnieuw in de cilinder gebracht

worden, en na de verbranding moeten de afvalstoffen afgevoerd worden.

de warmte moet gebruikt worden om iets in beweging te zetten.Er zijn verschillende soorten verbrandingsmotoren.

1 De benzinemotor (lees blz. 126) In een benzinemotor wordt dat allemaal verzorgd door een cilinder met een zuiger, een bougie en inlaat- en uitlaatkleppen. De zuiger in de cilinder van een benzinemotor maakt telkens vier verschillende slagen.

Hoe heet de slag waarbij:

de verbrandingsgassen worden afgevoerd de brandstof met lucht aangevoerd wordt het mengsel van lucht en benzinedamp wordt samengeperst; hete verbrandingsgassen onder hoge druk de zuiger naar

beneden drukken.

Een van de 'slagen' van een benzinemotor is de arbeidsslag. Bij arbeid moet er sprake zijn van een kracht en een afstand.

Waardoor ontstaat er een grote kracht op de zuiger?

Welke afstand wordt bedoeld, als wordt gezegd dat er bij deze slag arbeid wordt verricht? Teken deze afstand in de bovenstaande figuur.

2 Andere verbrandingsmotorenNaast benzine worden ook andere brandstoffen gebruikt voor transport.

Noem drie andere brandstoffen die voor transport gebruikt worden.

Er zijn ook voertuigen die niet op een brandstof, maar op elektrische energie rijden.

Noem drie voertuigen die op elektrische energie rijden.


3 Verbranding en rendementEen verbrandingsmotor heeft niet zo’n hoog rendement. Een flink deel van de warmte die bij de verbranding vrijkomt wordt niet gebruikt voor de beweging van de auto.

Hoe noemen we de energie die niet gebruikt wordt voor de beweging van de auto?

Als je spieren arbeid verrichten, zoals bij het traplopen, gaat ook nogal wat energie ‘verloren’. Het rendement is meestal niet hoger dan 25%. Als je stevig aan het sporten bent kun je dat goed merken.

Hoe merkje dat?

Maak de onderstaande energie-stroomdiagrammen af. Teken nauwkeurig de energiepijlen aan de rechterkant, en noteer daarin de energiesoorten.

4

Welke brandstof kies je?In Nederland kun je kiezen uit drie brandstoffen voor de auto: benzine, diesel en LPG. De meeste automobilisten willen vooral weten welke brandstof het goedkoopst in gebruik is. In de tabel zie je de verbrandingswarmte van de drie brandstoffen gegeven.

Bart beweert dat dieselmotoren de goedkoopste motoren zijn, omdat ze op de brandstof met de grootste verbrandingswarmte werken. Hij vergeet dat er nog andere factoren een rol spelen, zoals de prijs van de auto en de brandstof.

Welke natuurkundige factor is hierbij ook nog belangrijk?

Een auto verbruikt bij een snelheid van 90 km/h gemiddeld 1,0 liter benzine op een afstand van 12 km. Het rendement van de motor is 27%.

Bereken hoeveel arbeid de motor verricht met 1,0 liter benzine.

Hoe groot is de kracht die de automotor bij deze snelheid levert?

Vervolgopdrachten §4Lees blz. 125 t/m 128 in je theorieboek, maak vraag 36


brandstof warmtediesel 36 MJ/lbenzine 33 MJ/lLPG 24 MJ/l

Extra opgaven hefbomen en arbeid

1 ZiekenhuisbedEen ziekenhuisbed heeft een soort krik om het bed omhoog te krikken. Als het pedaal van de krik 20 cm omlaag wordt geduwd, gaat het bed 3,0 cm omhoog. Een verpleger moet dan een kracht van 165 N op het pedaal uitoefenen.

Maak een tekening van de situatie. Teken de krik als een hefboom, en teken de lengtes van de armen ongeveer in de juiste verhouding.

De arm van het pedaal heeft een lengte van 36 cm. Bereken hoe lang de andere arm van de hefboom is.

Bereken de arbeid die de verpleger heeft verricht, als het bed 20 cm omhoog is gekrikt.

2 NagelknipperIn figuur 7 is een nagelknipper getekend. De nagelknipper bestaat uit twee hefbomen, en heeft dus ook twee draaipunten. Het draaipunt van de eerste hefboom is punt B.Bij A wordt een kracht van 5,0 N naar beneden uitgeoefend. Door de eerste hefboom wordt deze kracht omgezet in een kracht van punt C op punt E.

Teken in de figuur het draaipunt en de armen van de eerste hefboom.

Laat met een berekening zien dat op punt E een kracht van 35 N uitgeoefend wordt.

De tweede hefboom gaat om de punten D, E en F. Welke punt is het draaipunt van de tweede hefboom?

Bereken de kracht bij punt F.

Met welke factor wordt je spierkracht vergroot bij de nagelknipper?

Het uiteinde F van de nagelknipper kan 2,5 mm naar beneden bewegen.

Laat zien dat het uiteinde A dan 12,5 mm naar beneden gedrukt moet worden.


3 HefboomIrene heeft een opstelling gemaakt van een lat met gaatjes die steeds even ver uit elkaar zitten. Het middelpunt van de lat is het draaipunt van de opstelling. Aan de rechterkant hangt ze op een aantal plaatsen gewichtjes (figuur 42).

Bereken hoeveel gram ze aan de linkerkant op de aangegeven plaats moet hangen, zodat de hefboom in evenwicht is.

4 MassabepalingRoelof bedenkt een manier om van een plankje met een lengte van 60 cm de massa te bepalen zonder een balans. Hij heeft een blokje van 100 g en plaatst dit op het uiteinde van het plankje. Daarna schuift hij het voorzichtig over de rand van de tafel (figuur 43).

Het plankje staat op het punt te kantelen, als Roelof de voorkant 20 cm naar rechts geduwd heeft.

Bereken de massa van het plankje.


1 Energie omzetten

1 a Elektrische energie, chemische energie, warmte. licht, geluid, zwaarte-energie en bewegingsenergie.

b De zon, de wind, een batterij, aardgas, aardolie en steenkool.

c De eenheid van energie is de joule (J).

2 a Chemische energie wordt omgezet in elektrische energie.

b Elektrische energie wordt omgezet in licht en warmte.

3 a 1 Snelkoker; 2 koffiezetapparaat; 3 elektrische oven.

b 1 CV-ketel, 2 lasapparaat; 3 gaskachel.

4 a Chemische energie --> elektrische energie b Elektrische energie --> chemische energie

5 1 Elektrische oven: warmte. 2 Betonmolen: beweging. 3 Gloeilamp: licht. 4 Batterijader: chemische energie. 5 Radio: geluid.

6 a Zie de figuur.

b De spaarlamp verbruikt veel minder elektrische energie dan een gewone gloeilamp.

c Beide lampen geven evenveel licht. d Een SL-lamp verbruikt veel minder

elektrische energie om dezelfde hoeveelheid licht te produceren.

7 2,7 MJ = 2700 kJ 1,1 MJ = 100 kJ 2,1 MJ = 2100 kJ

2 Elektrische energie omzetten in warmte

10 a Een gloeilamp van 75 W neemt 75 joule elektrische energie per seconde op.

b ... in kWh. c 1 kWh = 3 600 000 J

11 a Met een warmtemeter kun je nagaan hoeveel warmte nodig is om een bepaalde hoeveelheid water op een bepaalde temperatuur te brengen.

b Er is 3,9 J warmte nodig om 1 gram van de melk 1 °C in temperatuur te doen stijgen.

12 a E = 2 1600001 = 0,6 kWh b E = 34 700 J = 0,0965 kWh

13 a Q = 15 750J b P = 17,5W c Het water zal niet alle warmte opnemen

die het element produceert. Er 'lekt' altijd wel wat warmte weg.

14 a Vloeistof B heeft de grootste soortelijke warmte. b De hoeveelheden vloeistof zijn gelijk (100

g) en zijn met dezelfde verwarmingsspiraal (12 W) verwarmd. De temperatuur van vloeistof B stijgt minder snel en heeft dus de grootste c.

c Stof A heeft een warmtecapaciteit van 2,16 J/g∙°C. Stof A zou dus alcohol kunnen zijn. (Het gaat om een vloeistof!) Na 15 min (900 s) stijgt de temperatuur van vloeistof B met 25 °C. Opgenomen warmte Q = P∙t = 12 x 900 = 10 800 J ---> cB = 4,32 J/g∙ºC. Deze vloeistof kan water zijn.

15 a 5000 g b Q = 1 680 000 J = 1,68 MJ c P = 2800 W

16 a t = 147 seconden ( = 2,5 min.) b Niet alle warmte die het

verwarmingselement ontwikkelt, wordt door het water opgenomen. Het opwarmen duurt dus langer dan bij a berekend is.

17 P = 150 W

18 Ongeveer 260 seconden (aangenomen dat de ontwikkelde warmte van de snelkoker geheel door het water is opgenomen).


3 Chemische energie omzetten in warmte

20 De verbrandingswarmte van een stof is de hoeveelheid warmte die vrijkomt als een bepaalde hoeveelheid van die stof verbrandt.

21 a Dit betekent dat 90% van de geproduceerde warmte nuttig wordt gebruikt.

b Als het rendement laag is, verdwijnt er veel verbrandingswarmte naar buiten. Je moet dan meer aardgas verbranden, en dat kost geld.

22 a 2,7 MJ b 1320 MJ c 9600 MJ

23 a 32 kW b 32 000 J/s (ketel met de grootste capaciteit) c 1 liter

24 a Van zonne-energie (licht) naar elektrische energie + warmte.

b Een hoger rendement betekent dat er meer elektriciteit uit zonlicht verkregen kan worden. (Dat maakt de opgewekte elektriciteit minder duur.)

25 TL-buis: 20% geiser: 74% elektriciteitscentrale: 38%

26 a In de TL-buis: 16 J/s; in de SL-lamp: 9 J/s b De TL-buis geeft iets meer licht. c De SL-lamp heeft een hoger rendement.

27 Enut = 7 056 000 J; Etot = 9 600 000 J; = 73,5 %

28 a Etot = 40 800 J; Enut = 25 200 J; r) = 62 b oorzaak 1: Aan de bovenkant van de

flessenwarmer kan warmte ontsnappen. oorzaak 2: Niet alle warmte die de flessenwarmer levert, komt ten goede aan het verwarmen van het water. De zuigfles zelf wordt ook verwarmd.

4 Elektriciteit opwekken

31 a Stoom wordt met grote snelheid tegen de schoepen van een turbine geblazen.

b Wind blaast tegen de wieken. c Stromend water zet waterturbines in

beweging. Deze turbines drijven op hun beurt de generatoren van de centrale aan.

32 a 1 500 000 huishoudens. b Het grootste deel van de dag ('s nachts)

kan het geleverde vermogen onder het piekvermogen blijven.

33 a 600 MW, ofwel 600 000 000 J/s b Enut = 600 MJ; = 40% --> Etot = 1500 MJ c Per seconde wordt ca. 52 kg steenkool

verbrand. d 187 200 kg

34 a/b centrale A: nuttige energie is elektrische energie; ij = 40% centrale B: nuttige energie is elektrische energie en warmte voor stadsverwarming; = 80%

35 a 200 W b Minstens nodig zijn 4 panelen van 1 m2.

36 a Zie de figuur.

b 175 200 kWh c Het gemiddelde vermogen ligt veel lager

dan het topvermogen. d De zonnecelcentrale zou zich na ruim 9

jaar hebben terugverdiend.

37 a In België zijn meer sterk stromende rivieren dan in Nederland.

b 3529 MW c Ze heeft gelijk. Ook waterkracht en

windkracht ontstaan door de zon.

+5 Energie in voedsel

41 Om je lichaam op temperatuur te houden.

42 a De persoonlijke energiebehoefte is afhankelijk van: 1 de hoeveelheid energie die je verbruikt, 2 of je een jongen of een meisje bent.

b Dan word je dik.

43 Je lichaam produceert 's winters meer warmte dan in de zomer. Het heeft daarvoor meer voedsel nodig.

44 a appel 170 kJ bruinbrood 1920 kJ margarine 744 kJ kaas 300 kJ jam 220 kJ totaal 3354 kJ

b Ongeveer 34% c Het beleg levert een grote bijdrage aan de

totale energiewaarde van een boterham.

45 a cola 2000 kJ pinda's 2000 kJ


chips 1150 kJ kaas 1800 kJ totaal 6950 kJ

b 12 600 kJ c Pieter heeft tijdens de verjaardag al meer

dan de helft van zijn dagelijkse energiebehoefte achter de kiezen.

46 a 100 gram knackebrod bevat 10,0 g eiwit, 1,5 gram vet en 64,6 gram koolhydraten en suikers.

b Energiewaarde van 100 gram knäckebröd: (10,0 x 16,8 kJ) + (64,6 x 16,8 kJ) + (1,5 x 37,8 kJ) = 1310 kJ

c Die waarden komen vrijwel overeen. De overige bestanddelen in knackebrod dragen dus vrijwel niet bij aan de energiewaarde.

47 Dan gaat je lichaam het eigen lichaamsvet (de reserve) gebruiken voor de benodigde energie. Je verliest lichaamsgewicht.

48 manier 1:sporten (lichaamsbeweging). manier 2: minder eten dan je nodig hebt.

49 a 1,8 kg rijst. b Ongeveer 1 kg varkensvlees en 2 kg

eieren; dat zijn ongeveer 36 eieren, aangenomen dat een ei ongeveer 55 g weegt.

50 a Zie de figuur.

b P = 58 J/s (voor 50 kg water)

Test jezelf

1 a Elektrische energie -> warmte b Er wordt ook warmte geproduceerd die

wordt afgestaan aan de omgeving (lucht). Niet alle warmte komt dus ten goede aan het strijkproces

2 a Zie de figuur.

b Het rendement bedraagt 28,6%.

3 a E = 7,2∙105 J b 4500 seconden (75 minuten)

4 Eindtemperatuur = 23,7 °C

5 1400 seconden = ca. 24 minuten

6 a cporselein = 2,4 J/g∙°C b Kleiner.

7 a Ja. Als je het paneel op de zon richt b 36 MJ/m³

8 a Ongeveer 150 ml b P = 1785 W (aangenomen dat de

begintemperatuur van het water 15 °C is.)

9 = 43 %

10 a E = 588 kWh b De centrale zou 143 huishoudens van elektriciteit kunnen voorzien. c = 32%

11 a Zonne-energie --> elektrische energie + warmte

b = 8,6% c Zie de figuur.

+12 a Gemiddeld vermogen van een mens: P = 116 W

b Energie-inhoud van een bepaalde appel = 300 kJ


1 Arbeid verrichten

1 Zie de tabel. grootheid symbool eenheid symbool kracht F newton N afstand s meter m arbeid W newtonmeter Nm

2 a De nettokracht is nul. b De nettokracht is niet nul en werkt in de

richting van de beweging, c Als het voorwerp stilstaat, werken er geen

voortstuwende krachten. Er is dus ook geen nettokracht.

d De nettokracht is niet nul en werkt tegen de bewegingsrichting in.

3 W = F∙s waarin: W = verrichte arbeid; F = kracht; s = afstand

4 a stroomlijnen b harde banden (wielen) over een harde en

vlakke ondergrond te laten rijden. c de oppervlakken die langs elkaar wrijven,

in te smeren.

5 a De wrijvingskracht tussen slee-glijders en de sneeuw.

b De snelheid is constant, dus Fnetto = 0 N

6 a Tijdens het bewegen oefent het water een tegenwerkende kracht uit op het schip. (De tegenkracht kan eventueel vergroot worden door de stroming van het water.)

b 500 N c W = 2,75.6 Nm

7 a W = 0,46 Nm b W = 4,42∙103 Nm c W = 1,56∙106 Nm d W = 1,5∙1010 kNm e W = 2,875∙1013 kNm

9 a Boomstammen. b De wrijvingskracht tussen de steen en de

grond.

c De rolweerstand. d De tegenwerkende kracht is het grootst als

er geen boomstammen (rollers) worden gebruikt.

e De rollers zakken dan deels in de grond en rollen niet goed meer, ofwel de rolweerstand wordt erg groot.

2 Hefwerktuigen

11 a De zwaartekracht is de kracht die de aarde op een voorwerp uitoefent.

b Een takel bestaat uit een vaste en een losse katrol.

c Een takel maakt je sterker. De kracht waarmee je een voorwerp omhoog moet hijsen, wordt kleiner.

12 De verkleining in kracht is (rekenkundig gezien) gelijk aan de vergroting in afstand.

13 a W = 0,078 J b W = 174 J c W = 3,29∙104 J d W = 9,45∙105 J

14 a t = FZ = 120N b 8 m c W = 960J

15 a Ft = 0,5 x Fz = 60 N b 16 m c W = 960 J d Als je een takel gebruikt in plaats van een

katrol, heb je de helft minder kracht nodig om dezelfde hoeveelheid arbeid te verrichten.

16 W = 160 J

17 a 8 N b De katrol maakt haar tweemaal zo sterk. c 40 cm

18 a De manier van Maria is de beste. b Het knippen kost minder kracht, omdat de 'knipafstand' groter is.

19 a G = 1100 N b De verpleger zal in werkelijkheid een iets

grotere kracht moeten zetten dan 165 N. Er zal namelijk altijd wel iets wrijving optreden.

c W = 220 J

20 a Punt B. b Punt D. c F gaat 2,5 mm naar beneden. Uit de

verhoudingen: DF: DE = 7 : 5 en AB : CB = 7 : 1 kun je berekenen dat punt A naar beneden moet gaan: 5 x 7 x 2,5 mm : 7 = 12,5 mm

d Je spierkracht is met een factor vijf vergroot.


3 Vermogen en rendement

22 a Opgenomen vermogen: de hoeveelheid elektrische energie die de elektromotor per seconde opneemt.

b Opgenomen vermogen P = U∙I

23 a Nuttig vermogen: de hoeveelheid arbeid die de motor per seconde verricht.

b Nuttig vermogen Pnut = W/t

24 1 = Enut/Eop x 100% 2 = Pnut/Pop x 100%

25 Pnut = 25 kW

26 a Pop = 9 V x 0,20 A = 1,8 W b Eop = 1,8 W x 5 s = 9 Ws = 9 J c W = 2 N x 1,8 m = 3,6 Nm = 3,6 J d = 40%

27 = 45%

28 a W = 2448 Nm b P = 40,8 W

29 a W = 1,35∙1010 Nm b Pnut = 3,0∙106 W = 3,0 MW c Pop = 3,3 MW (3333 kW) d Eop = 4166 kWh

30 a Pnut = 29,4 kW b Pop = 147 kW c 147 kW = 147 000 J/s

Hiervoor moet verbrand worden: 147 000 J/s : 33 000 000 J/l = 4,45 x 10-3 l = 4,45 ml (afgerond 4,5 ml) benzine.

31 a W = 300 J b F = 2 N c 1 = 0,75 A

32 Pnut = 50,6 J/s

4 Verbrandingsmotoren

33 a Voorbeelden van voertuigen die chemische energie verbuiken: 1 scooter; 2 personenauto; 3 vrachtwagen.

b Voorbeelden van voertuigen die elektrische energie verbuiken: 1 trolleybus; 2 snorfiets; 3 elektrische trein.

34 a Uitlaatslag. b Aanzuigslag. c Compressieslag. 4 Arbeidsslag.

35 Afvalwarmte van een verbrandingsmotor: te warmte tie mét de hete verbrandingsgassen door te uitlaat naar buiten verdwijnt.

36 a Chemische energie. b Voedsel (fietser) en benzine (scooter).

37 a Tijdens het sporten word je warm. b Je gaat zweten. Het zweet verdampt en

onttrekt de daarvoor benodigde warmte aan je huid.

39 a Door te hoge temperatuur en te gevormde verbrandingsgassen wordt de druk in de cilinder hoog. Deze hoge druk oefent een grote kracht uit op het oppervlak van te cilinder, er wordt arbeid verricht.

b De slaglengte van van te zuiger.

40 diesel: ? kerosine: 9,2 kWh/I steenkool: 8,0 kWh/kg

Test jezelf

1 W = 4000 J

2 a Bewegingsenergie -* veerenergie -> zwaarte-energie -> bewegingsenergie

b 3840 J c Er zal altijd energie verloren gaan. Zo zal

niet alle bewegingsenergie worden omgezet in zwaarte-energie, omdat de springer bovenin nog bewegingsenergie heeft.

3 a 19,2 kJ b 76,8 kJ

4 3,5 kW

5 a 40 s b 900 W c t = 67 s d 1200 W e 5,2 A.

6 a 81 m b De lift stopt onderweg regelmatig. c 7,9∙105 J d 1,8∙104 n e 2,9∙104 n

7 a Antwoord A. b Antwoord B. c Antwoord B.

+8 a 68 pk b 15 000 J c 750 N d 5,1 ml


NovA - Hoofdstuk 3 Bewegeng_beta0295/soul/soul3v5+7.doc · Web viewNatuurkunde 3 vwo Hoofdstuk 5+7...

Documents

Transcript of NovA - Hoofdstuk 3 Bewegeng_beta0295/soul/soul3v5+7.doc · Web viewNatuurkunde 3 vwo Hoofdstuk 5+7...