Examenstof NaSk1 vmbo Inhoud. 1. Stoffen en Materialen in huis. 2. Elektrische Energie in huis. 3. Licht en beeld. 4. Kracht en snelheid

Examenstof NaSk1 vmbo 2007 Inhoud 1. Stoffen en Materialen in huis 2. Elektrische Energie in huis 3. Licht en beeld 4. Kracht en snelheid 5. Energie 6. Bouw van de Materie

1

1. Stoffen en Materialen in huis Overzicht van gebruikte afkortingen en formules bij dit thema. De gebruikte afkortingen en symbolen zijn afkomstig uit BINAS vmbo KGT. K = temperatuur in Kelvin. o

C = temperatuur in graden Celsius.

ρ = dichtheid in gram per kubieke centimeter (g/cm3) of kilogram per kubieke meter. (kg/m3) m = massa in gram (g) of kilogram (kg) V = volume in kubieke centimeter (cm3) of kubieke meter (m3) Bepaling van dichtheid: ρ =

m V

Volume (blokje): V = l ⋅ b ⋅ h Volume(cilinder): V = π r 2 ⋅ h

Materialen in en om het huis Er zijn verschillende soorten materialen te vinden in het dagelijks leven. Materialen zoals hout, kunststof, textiel, metaal, steen, beton en glas. Elk materiaal heeft zijn eigen eigenschap. Er zijn dan ook verschillende eigenschappen te benoemen, zoals warmtegeleiding, stroomgeleiding, geleiding van geluid, de dichtheid van het materiaal, de uitzetting en inkrimping van materialen, de verspaanbaarheid, de corrosiebestendigheid en de mogelijkheid tot verbinden en samenstellen. Al deze materialen hebben praktische toepassingen, vooral bij het ontwerpen, bouwen en repareren van woningen, apparaten, meubels, kleding en voertuigen. Om voorwerpen te maken heb je materiaal nodig. Elk materiaal heeft bepaalde eigenschappen waardoor het geschikt is voor sommige toepassingen en ongeschikt is voor andere. Hieronder volgt een beknopte samenvatting van een aantal materiaalsoorten die je voor je examen moet kennen. Voor meer informatie verwijs ik je naar je tekstboek. Hout:

Makkelijk verspaanbaar (zagen, boren, schaven e.d.). Goed bestand tegen druk- en trekkrachten Makkelijk onderling te verbinden (met behulp van spijkers, schroeven, lijm e.d.). Hout is een goede warmte-isolator. Hout dient wel te worden behandeld (verven, beitsen e.d.) als het in aanraking komt met vocht. 2

Kunststof:

Relatief goedkoop en makkelijk te verkrijgen. Uitzondering is hardhout (tropisch hout). Over het algemeen is hardhout sterker en duurzamer dan ‘gewoon’ hout, alleen is de prijs hoger. Door een grote vraag naar hardhout wordt er veel (illegaal) gekapt. Het resultaat is dat er op grote schaal ontbossing plaatsvindt. Hout wordt o.a. toegepast in de bouw (huizen, gebouwen), meubelindustrie en botenbouw. Verzamelnaam voor een groot aantal materialen die worden gemaakt in een chemische fabriek. Een groot deel van alle kunststoffen worden gemaakt van aardolie. Door de grote variatie aan kunststoffen is er altijd wel een kunststof te vinden dat geschikt is voor een bepaald doel. Enkele eigenschappen van kunststoffen zijn: ze zijn lang houdbaar en kunnen vaak goed tegen allerlei agressieve stoffen en tegen weer en wind. Kunststoffen worden bijna overal toegepast; in de verpakkingsindustrie (b.v. plastic flessen voor frisdrank), in de kledingindustrie (waterdichte jassen, tenten), auto-industrie (bumpers, dashboard e.d.) en huishoudelijke artikelen. Nadeel van kunststoffen is dat ze niet of nauwelijks worden afgebroken door de natuur en dat verbranding van kunststoffen schadelijke stoffen met zich meebrengt.

Textiel:

Onderscheid tussen natuurlijke vezels en kunststofvezels. Natuurlijke vezels (katoen, vlas (linnen) en hennep) hebben als eigenschap dat ze gemakkelijk water opnemen. Dit maakt kleding van natuurlijke vezels prettig om te dragen. Kunststofvezels zijn er in zeer veel verschillende soorten. Afhankelijk van de eigenschappen wordt een keuze gemaakt waarvoor het gebruikt moet worden. Bijvoorbeeld polyester; dit is een sterk materiaal dat nauwelijks water opneemt en relatief licht is. Dit maakt polyester zeer geschikt voor het maken van tenten. Het nadeel van polyester is dat als het nat wordt, het erg gaat uitzetten, waardoor tenten er na een flinke regenbui ‘slap’ bij staan.

Metaal:

Elk metaal heeft zijn specifieke eigenschappen, die het geschikt maken voor een bepaalde toepassing. Metalen zoals goud, zilver, platina worden (bijna) niet door andere stoffen aangetast en worden daarom edelmetalen genoemd. Wolfraam wordt gebruikt in gloeilampen, vanwege zijn hoge smeltpunt. IJzer is zeer sterk (en goedkoop) en kan daarom voor constructies zoals bruggen en voor gereedschap worden gebruikt. Aluminium is erg sterk en licht. Daarom wordt het gebruikt in o.a. de vliegtuigindustrie.

Steen:

Onder steen verstaan we ook Beton. Het belangrijkste voordeel van steen is dat het erg goed bestand is tegen drukkrachten. Daardoor zie je het veel toegepast in de bouw. Het grote nadeel is dat steen erg slecht tegen trekkrachten kan. Om te voorkomen dat beton gaat scheuren als er trekkrachten op komen te werken, wordt er in beton ‘wapening’ aangebracht. Deze wapening bestaat uit een metalen mat. Het metaal vangt dan de trekkrachten op. 3

Glas:

Glas houdt zowel gassen en vloeistoffen tegen. Wat in de fles zit, kan er niet uit en andersom. Glas geeft ook geen stoffen af aan de vloeistof in de fles en het wordt niet aangetast door zuren. Daarnaast heeft glas de eigenschap dat het doorzichtig is. Groot nadeel aan glas is dat het vrij snel breekt.

Blokschema’s Elk product dat je gebruikt is het resultaat van een productieproces. Om dit productieproces weer te geven, wordt er vaak gebruikgemaakt van een blokschema. In dit schema worden de belangrijkste stappen van een productieproces weergegeven. Hieronder zie je het blokschema van de productie van een frisdrankblikje. Bij je examen is het ook belangrijk om rekening te houden met milieu-aspecten. Vergeet niet dat bij de productie van welk product dan ook, er veel energie voor nodig is. Deze energievraag wordt geleverd door energiecentrales, welke behoorlijk belastend zijn voor het milieu. Daarnaast zijn de grondstoffen schaars. Dat wil zeggen dat de grondstoffen aan het opraken zijn. Hierdoor moeten we zuinig doen met de grondstoffen. Blokschema productie frisdrankblikje.

Winning grondstof

Grondstof wordt chemisch bewerkt

Halffabrikaat

Eindproduct

IJzererts. Wordt gewonnen uit ijzermijnen.

IJzererts wordt in hoogovens verwerkt tot ruw ijzer.

Ruw ijzer wordt verwerkt tot blikstaal.

Van blikstaal wordt het eindproduct gemaakt. (blikjes)

Het scheiden van afval Schadelijke stoffen houden niet ineens op schadelijk te zijn zodra ze worden weggegooid. Veel stoffen die thuis of op school gebruikt worden, zijn schadelijk voor het milieu. Men moet ervoor zorgen dat ze niet in het milieu terechtkomen. Dat betekent dat men ze niet door de gootsteen moet spoelen, maar apart opbergt en inlevert. Hiermee bedoelt men stoffen zoals lege batterijen, lege verfblikken, verfkwasten, lege spuitbussen etc. Deze stoffen noemt men klein chemisch afval (KCA). Deze stoffen worden apart van het overige afval opgehaald en verwerkt. Het afval dat een mens produceert is in nog veel meer scheidingsmogelijkheden onderworpen. Zo mag papier niet bij het gewone afval gedeponeerd worden.

4

• • • •

•

Oud papier, zoals folders en kranten, worden apart opgehaald door verenigingen die daar geld mee verdienen voor hun vereniging. Glas, zoals wijnflessen of lege potjes, moeten in de glasbak gedeponeerd worden. Een glasbak staat meestal in de buurt van een supermarkt. Lege statiegeldflessen, zoals colaflessen of bierkratten, kunnen voor een vergoeding weer ingeleverd worden bij supermarkten Oude kleding, zoals schoenen of oude jassen, worden ook apart opgehaald, meestal door de zak van Max of het Leger des Heils. Deze stichtingen sturen onze oude kleding naar armere landen. Groente-, fruit- en tuinafval (GFT) mogen ook niet in de gewone afvalzak terechtkomen, dit afval wordt ook apart opgehaald. Sommige gemeentes werken met groene containers waar dit afval in gedaan mag worden. Andere gemeentes hebben een grote groene bak op straat staan, waar de buurtbewoners gebruik van kunnen maken.

Stoffen en hun gevaren Veel stoffen zijn erg gevaarlijk om mee om te gaan. Iemand die met stoffen werkt, moet dus goed weten wat hij aan het doen is en welke gevaren het werken met die stoffen met zich mee kan brengen. Dit geldt zowel voor medewerkers van een chemische fabriek, scheikunde- of natuurkundedocenten en leerlingen, als voor diegenen die in het dagelijkse leven met gevaarlijke stoffen omgaan, zoals schoonmakers, tuinmannen of schilders. Gevaarlijke middelen zijn; • • • • •

Bleekwater Wasbenzine Verfafbijtmiddelen Onkruidverdelgers Medicijnen etc.

Hieronder volgen een paar redenen waarom stoffen gevaarlijk kunnen zijn: • •

•

•

•

Sommige stoffen beschadigen de maag of de slokdarm als men ze binnenkrijgt, zoals bleekwater en schoonmaakazijn. Als men de verkeerde medicijnen inneemt, of te veel van een bepaald soort medicijn, dan kan men zichzelf vergiftigen. Dit gebeurt vaak bij kleine kinderen, die medicijnen voor snoepjes aanzien. Ook dampen van bepaalde stoffen en sommige gassen zijn gevaarlijk. Als men ze inademt, raakt men erdoor bedwelmd en kan men bewusteloos raken. Dat kan gebeuren als men in een afgesloten ruimte staat te verven. Of als men een bromfietsmotor laat draaien in een gesloten garage. Het aanraken van stoffen kan gevaarlijk zijn. De huid kan erdoor beschadigd raken en de stoffen kunnen via de huid alsnog in het lichaam komen. Vooral als er op de plek van aanraking met de stof wondjes aanwezig zijn. Er zijn ook stoffen die licht ontvlambaar zijn, oftewel snel in brand vliegen, zoals spiritus, terpentine, benzine en kwastenreiniger. Vuurwerk is ook een stof waarvan men vaak de gevaren onderschat.

5

Hieronder volgen aanwijzingen die men kan opvolgen, zodat men op een veilige manier met stoffen om kan gaan: • •

•

•

•

• • • •

Gebruik nooit medicijnen die al een tijd in de kast staan. Indien de gebruiksdatum overschreden is, moet men het medicijn inleveren bij de apotheek. Draag altijd een bril als er gewerkt wordt met chemische middelen om bijvoorbeeld de afvoer te ontstoppen. Er kunnen altijd spetters ontstaan van het middel, die schadelijk kunnen zijn voor de ogen. Zet een raam of deur open als er gewerkt wordt met stoffen die snel verdampen, zoals verf, beits, afbijtmiddelen etc. Of als men een butagaskachel of geiser zonder afvoer laat branden. Houd vluchtige brandbare stoffen op grote afstand van open vuur, bijvoorbeeld de waakvlam van de geiser. Rook niet als men met vluchtige brandbare stoffen werkt. Trek plastic handschoenen aan als er met bijtende stoffen gewerkt wordt. Bijvoorbeeld bij het verven van het haar of als er met een onkruidverdelger gewerkt wordt. Bewaar gevaarlijke stoffen altijd buiten bereik van kleine kinderen. Zet geen bleekmiddel op de grond van het toilet. Of wasbenzine en ammonia in het aanrechtkastje. Houd medicijnen hoog achter een gesloten kast. Bewaar nooit een gevaarlijke stof in een limonadefles. En zeker niet zonder etiket. Als laatste: lees altijd goed het etiket op de verpakking van een stof die men niet kent. Houd je precies aan de gebruiksaanwijzingen.

Op de verpakking van een gevaarlijke stof moet een duidelijk etiket staan. Dat is wettelijk verplicht. De overheid heeft precies voorgeschreven welke informatie op het etiket moet worden gezet. Op het etiket wordt het gevaar aangegeven door een gevarensymbool. Verder kun je Rzinnen en S-zinnen tegenkomen. De R staat voor Risk (= risico) en geeft dus aan voor welk gevaar je moet oppassen. De S staat voor Safety (= veiligheid). Deze zin geeft dus aan welke veiligheidsmaatregelen je moet nemen. Zie ook onderstaande afbeelding.

6

Op veel scholen en instellingen waar met chemicaliën wordt gewerkt, beschikt men over veiligheidskaarten. Op zo’n kaart vind je de informatie over één stof. Op de veiligheidskaart staat wat de gevaren zijn en welke veiligheidsmaatregelen je moet nemen. Ook staat erop wat je moet doen bij een ongeluk met de stof. Onderstaand figuur geeft een voorbeeld van zo’n veiligheidskaart. In dit geval gaat het over Azijnzuur. De gegeven informatie geldt voor zuiver Azijnzuur, of een zeer sterke concentratie. Bij een verdunde oplossing zijn de risico’s minder groot.

7

De volgende gevarensymbolen dien je te kennen. Explosief

Corrosief, bijtend

(Licht)Ontvlambaar

(zeer) Giftig

Niet mengen.

Schadelijk (licht giftig) of irriterend.

8

Moleculen: Veel stoffen bestaan uit kleine deeltjes die moleculen genoemd worden. In een zuivere stof heb je maar één soort molecuul, bij mengsels zijn er meerdere soorten aanwezig. Van een bepaalde stof, bijvoorbeeld water, zijn alle moleculen gelijk. Eén molecuul water heeft dezelfde eigenschappen als een heleboel watermoleculen. De volgende algemene eigenschappen van stoffen moet je kennen voor je examen: -

De moleculen van een stof veranderen niet als de stof van fase verandert. De moleculen van een stof bewegen. Ze bewegen sneller naarmate de temperatuur van een stof hoger wordt. De moleculen van een stof trekken elkaar aan. De aantrekkingskracht wordt groter als de moleculen dichter bij elkaar in de buurt zijn.

Fasen en fase-overgangen De meeste stoffen kunnen voorkomen in drie verschillende fasen; deze zijn: -

Vaste stof: de moleculen trillen rond een vaste evenwichtsstand: elk molecuul heeft een eigen, vaste plaats. De afstand tussen de moleculen is klein en de onderlinge aantrekkingskracht is groot.

-

Vloeistof: de moleculen in een vloeistof bewegen langs elkaar heen. Ze hebben geen vaste plaats. De moleculen zijn nog wel bij elkaar. De onderlinge aantrekkingskracht is minder dan bij een vaste stof.

-

Gasvormig: de moleculen bewegen los van elkaar door de ruimte waarin het gas zich bevindt. De onderlinge afstand tussen de moleculen is erg groot. De aantrekkingskracht is klein.

In onderstaand figuur zie je schematisch de fasen en de fase-overgangen weergegeven.

Temeratuur stijgt

verdampen

condenseren

Vloeibaar

sublimeren

smelten

rijpen

stollen

Vast

Temeratuur daalt

Gas

Als een stof van fase verandert, dan stijgt of daalt de temperatuur van die stof. De pijlen, aan weerszijden van het figuur, geven dit aan. Als een stof van vast overgaat naar vloeibaar, dan is de temperatuur gestegen. Als waterdamp condenseert, dan is de temperatuur van het vloeibare water lager dan de waterdamp.

9

Stofeigenschappen Als je de eigenschappen van een stof wilt onderzoeken, moet je met de zuivere stof werken. Dan weet je zeker dar de eigenschappen die je vindt echt bij die stof horen. Sommige eigenschappen van stoffen kun je gemakkelijk vaststellen. Dat geldt bijvoorbeeld voor de fase waarin een stof zich bevindt. Je kunt zien dat suiker vast is, dat water vloeibaar is en dat aardgas gasvormig is (bij normale druk en kamertemperatuur). Naast fase zijn er de volgende stofeigenschappen: -

Geur Kleur Oplosbaarheid in water Kookpunt en Smeltpunt (dit wordt verderop toegelicht) Elektrische geleiding Dichtheid (dit wordt verderop toegelicht)

Koken en smelten In Binas staan van een aantal stoffen de smelt- en kooktemperaturen. Deze temperaturen worden weergegeven in Kelvin (K) LET OP: zeg geen ‘graden Kelvin’. Voor het omrekenen naar graden Celsius (oC) en andersom geldt de volgende berekening: Van Kelvin naar graden Celsius Æ Temperatuur in Kelvin - 273 = temperatuur in graden Celsius. Van graden Celsius naar Kelvin Æ Temperatuur in graden Celsius + 273 = temperatuur Kelvin. Of korter:

+ 273

o

C

K - 273

Voorbeeld: De kooktemperatuur van water is 100 oC. Hoeveel is dat in K?

1000 C + 273 = 373K De smelttemperatuur van ijzer is 1808 K. Hoeveel is dat in oC?

1808 K − 273 = 15350 C

10

Als je een stof gaat smelten, dan verandert de fase van de stof gedurende dit proces. Dit smeltproces kan je weergeven in een diagram, waarin je de tijd horizontaal uitzet en de temperatuur verticaal. Een bekend voorbeeld is het smelten van stearinezuur (een soort kaarsvet). Stearinezuur heeft een smeltpunt van 337 K (64 oC). Als je in een bekerglas stearinezuur gaat verwarmen, dan zal eerst de temperatuur van het stearinezuur toenemen tot aan de smelttemperatuur. Een klein deel van het stearinezuur zal al beginnen met smelten. De temperatuur van het vloeibare stearinezuur zal niet verder stijgen, net zolang tot al het stearinezuur vloeibaar is geworden. Pas dan zal de temperatuur weer verder stijgen. Je kunt dus zeggen dat tijdens de fase-overgang de temperatuur van zowel het vloeibare als het vaste deel van de stof, constant blijft. In onderstaande diagram is dit proces weergegeven.

In de grafiek is af te lezen dat de starttemperatuur van het stearinezuur 25 oC is geweest. De temperatuur neemt toe, totdat de lijn horizontaal gaat lopen. Vanaf dit moment vindt de faseovergang plaats (van vast naar vloeibaar). Deze faseovergang duurt net zolang totdat al het stearinezuur is gesmolten. Merk op dat tijdens dit proces de temperatuur constant blijft. Pas als al het stearinezuur gesmolten is, zal de temperatuur van het nu vloeibare stearinezuur verder toenemen. Fase-overgangen kun je in het algemeen herkennen aan een horizontale lijn in een grafiek, of het nu om smelten, stollen, koken of condenseren gaat. Een andere bekende toepassing is het gebruik van ijswater. Bij sommige proeven is het nodig om een temperatuur te hebben van 0 oC. Dit kan men makkelijk maken door ijsblokjes in een schaaltje te laten smelten. Tijdens de fase-overgang van vast (ijs) naar vloeibaar zal de temperatuur van het vloeibare water constant zijn, namelijk 0 oC.

11

Dichtheid: Onder de dichtheid van een stof verstaat men de massa per volume-eenheid van die stof. Het symbool voor de dichtheid is de letter ρ (spreek uit als rho). Bij vaste stoffen en vloeistoffen hangt de dichtheid samen met de temperatuur. Als de temperatuur toeneemt, zal het volume van de stof ook toenemen, waardoor de dichtheid kleiner wordt. Als de temperatuur afneemt, zal het volume van de stof ook afnemen, waardoor de dichtheid groter wordt. Gassen zijn gemakkelijk samen te persen. Hierdoor verandert de dichtheid van een gas. Als je de dichtheid van een stof weet, dan kun je opzoeken waarvan deze is gemaakt. De dichtheid bereken je met de volgende formule:

dichtheid =

massa m → ρ= Volume V

Je berekent de dichtheid in g/cm3 of kg/m3. Als je de massa in grammen neemt en volume in kubieke centimeters, dan krijg je als eenheid gram per kubieke centimeter (g/cm3). Neem je nu voor de massa kilogrammen en het volume in kubieke meters, dan komt de eenheid voor dichtheid op kilogram per kubieke meter (kg/m3). Voorbeeld: men bepaalt de massa en het volume van een onbekend blokje. De volgende gegevens zijn bekend: -

m = 120 g V = 13.5 cm3

Bereken de dichtheid van dit blokje en bepaal van welke stof het blokje is gemaakt.

ρ=

m 120 →ρ= → ρ = 8.9 g / cm3 V 13.5

De berekende dichtheid komt overeen met de dichtheid van brons, dus de stof is gemaakt van brons. Voorbeeld: Men vult een jerrycan met 5 liter benzine. Wat is de massa van de benzine in de jerrycan? Oplossing: -

5 liter = 5000 cm3 Dichtheid benzine = 0,72 g/cm3

m → m = ρ ⋅V → V m = 0, 72 ⋅ 5000 → m = 3600 g

ρ=

De massa van de benzine in de jerrycan is dus 3600 g. ofwel 3,6 kg.

12

Geheugensteuntje: 1 kg = 1000 g van kg naar g = vermenigvuldigen met 1000 van g naar kg = delen door 1000 1 m3 = 1000 dm3 = 1000000 cm3 1 dm3 = 1 liter (L)

Iedere ‘stap’ naar rechts is vermenigvuldigen met 1000. Iedere ‘stap’ naar links is delen door 1000.

1 cm3 = 1 milliliter (ml)

De massa wordt bepaald met een balans of weegschaal. Als de dichtheid en het volume bekend zijn, dan kun je de massa ook uitrekenen (zie ook bovenstaande voorbeeld). Bepaling van het volume: Van eenvoudige figuren (geometrische) is het mogelijk om het volume te berekenen. Hieronder staan twee voorbeelden. In tabel 5 van je Binas staan nog meer voorbeelden. Volume balk (of kubus) Voor de berekening van het volume van een balk ( of kubus) geldt de volgende formule:

Volume = lengte ⋅ breedte ⋅ hoogte V = l ⋅b ⋅ h

hoogte

breedte

Let erop dat je maten allemaal met dezelfde eenheid invult. Dus bijvoorbeeld alle maten in cm. Dit geeft een volume in cm3

lengte

Volume cilinder

Een cilinder kun je voorstellen als een grondvlak (een cirkel) en wand (de hoogte) Voor het berekenen van het volume geldt:

hoogte

Volume = grondvlak ⋅ hoogte Grondvlak = oppervlak cirkel → π ⋅ straal 2 → π ⋅ r 2

straal

diameter

of : oppervlak cirkel → 1 ⋅ π ⋅ diameter 2 → 1 ⋅ π ⋅ d 2 4 4 dus : V = π ⋅ r2 ⋅ h of V = 1 ⋅π ⋅ d 2 ⋅ h 4

13

Een andere methode om het volume te bepalen is de onderdompelmethode. Deze methode is zeer geschikt voor onregelmatige voorwerpen, zoals sleutels of kiezelstenen. Hieronder zie je een eenvoudige illustratie van de onderdompelmethode.

Zonder steen is het volume in de maatcilinder 24 cm3. Als de steen erin is gelegd, is het volume 46 cm3. De volumetoename is het volume van de steen. In dit geval dus 46-24 = 22 cm3.

Zinken, zweven en drijven. Of een voorwerp zinkt, blijft drijven of zweeft in een vloeistof, hangt af van de dichtheid. -

Als de dichtheid van het voorwerp groter is dan de dichtheid van de vloeistof waarin het zich bevindt, dan zinkt het voorwerp. Als de dichtheid van het voorwerp gelijk is aan de dichtheid van de vloeistof waarin het zich bevindt, dan blijft het zweven (het zinkt niet, maar blijft ook niet drijven). Als de dichtheid van het voorwerp kleiner is dan de dichtheid van de vloeistof waarin het zich bevindt, dan blijft het voorwerp drijven.

Zie ook onderstaande afbeelding:

14

Enkele voorbeelden: -

-

Een baksteen heeft een dichtheid van 1,8 g/cm3. Als je deze in water gooit, dan zal de steen zinken. De dichtheid van water is 1 g/cm3. Echter, zou je dezelfde baksteen in kwik (ρ = 13.6 g/cm3) leggen, dan zou de baksteen blijven drijven, omdat de dichtheid van kwik vele male hoger is dan die van baksteen. Onderzeeërs kunnen op iedere diepte blijven zweven. Er wordt dan gezorgd dat de dichtheid exact hetzelfde is als de dichtheid van het zeewater. Zeeschepen hebben een dichtheid die lager is dan de dichtheid van zee water, ondanks dat het schip gemaakt is van staal. Je spreekt hier dan eerder van een gemiddelde dichtheid van het schip. De gemiddelde dichtheid van het schip moet wel lager zijn dan de dichtheid van zeewater, anders zou het schip zinken. Als je zou kijken hoe hoog een schip boven het water uitsteekt, dan kun je zeggen dat een zelfde schip op zee hoger boven het water uitsteekt dan wanneer het schip zou varen op zoetwater. Dit komt omdat de dichtheid van zeewater hoger is dan de dichtheid van zoetwater.

Chemische reacties: Een chemische reactie is een reactie waarbij er stoffen verdwijnen en nieuwe stoffen voor in de plaats komen. Bij een chemische reactie is het niet mogelijk om met het eindproduct het beginproduct weer te maken. Bijvoorbeeld het koken van een ei. Eenmaal gekookt is het onmogelijk om het ei weer in zijn begintoestand (vloeibaar) te krijgen. Er zijn vele chemische reacties waarneembaar in het dagelijks leven, zowel gewenste als ongewenste. Enkele voorbeelden van gewenste reacties zijn: -

Het bakken van een eitje Het afstrijken van een lucifer Ontwikkelen van een foto Het uitharden van gips Bakken van potten

Enkele voorbeelden van ongewenste reacties zijn: -

Het roesten van ijzer, bijvoorbeeld je fiets Het aanbranden van vlees op de barbecue Het ontstaan van chloorgas als iemand bleekwater mengt met wc-reiniger Het verbleken van kunststoffen onder invloed van ultraviolette straling

Bij een chemische reactie zet je de beginproducten voor de reactiepijl en de eindproducten na de reactiepijl. Hieronder zie je het reactieschema van het ontstaan van roest. ijzer + zuurstof + water Æ roest 15

Er zijn een aantal verschillende chemische reactie te onderscheiden, namelijk: -

-

-

-

Ontleden: veel stoffen ontleden als ze verhit worden. Dat betekent dat de moleculen onder invloed van warmte kapot gaan. Je krijgt dan nieuwe stoffen met nieuwe eigenschappen. De korst van brood wordt bruin tijdens het bakken omdat het zetmeel ontleedt. Er zijn ook stoffen die ontleden onder invloed van licht. Balpeninkt ontleedt door het UV in zonlicht. Water ontleedt als men er een elektrische stroom door laat lopen. Verkolen: als brood te lang in de over zit, dan verkoolt de buitenkant en wordt pikzwart. Het ontledingsproces is dan te lang doorgegaan. De zwarte stof die dan overblijft, wordt koolstof genoemd. Stoffen die bij verhitting verkolen worden organische stoffen genoemd. Verbranden: veel stoffen reageren met zuurstof uit de lucht. Als dat snel gaat en met vlammen, dan noem je dat verbranden. Om een verbrandingsreactie in gang te zetten, zijn er drie dingen nodig: - er is een brandbare stof aanwezig - er is voldoende zuurstof - de temperatuur is hoog genoeg. De ontbrandingstemperatuur is voor iedere stof weer anders. Corrosie: veel metalen worden aangetast door stoffen uit de lucht. In sommige gevallen, zoals bij roest, is het corrosielaagje poreus. Het ijzer onder het laagje roest wordt ook weer aangetast door deze stoffen. Op den duur is het ijzer dan ook helemaal doorgeroest. Op sommige metalen ontstaat een beschermende corrosielaag. Hierdoor wordt het onderliggende metaal niet meer aangetast. Voorbeelden van metalen die deze eigenschappen hebben, zijn: aluminium, koper en chroom. Er zijn ook metalen die helemaal niet gevoelig zijn voor corrosie. Goud en zilver zijn de bekendste voorbeelden.

16

2. Elektrische Energie in huis Overzicht van gebruikte afkortingen en formules bij dit thema. De gebruikte afkortingen en symbolen zijn afkomstig uit BINAS vmbo KGT. U = spanning in Volt (V) I = stroomsterkte in Ampère (A) R = weerstand in Ohm (Ω) P = vermogen in Watt (W) of kiloWatt (kW) t = tijd in seconde (s) of uren (h) E = (elektrische) energie in kiloWattuur (kWh) of Joule (J)

η = rendement in procenten (%)

U I Vervangingsweerstand bij serie : Rv = R1 + R2 + ...

Wet van Ohm : R =

Vervangingsweerstand bij parallel :

1 1 1 = + + ... Rv R1 R2

Vermogen : P = U ⋅ I Elektrische energie : E = P ⋅ t Rendement :η =

E nut ⋅ 100% E op

Verhouding transformator :

of

η=

Pnut ⋅ 100% Pop

UP NP = UP NS

Vermogen ideale transformator : PP = PS Elke keer als je een apparaat aanzet, maak je een gesloten stroomkring. Door de schakelaar te sluiten, zorg je ervoor dat er een stroom kan lopen van de plus-pool van de spanningsbron naar de min-pool. (zie onderstaande tekening)

+

Tip: Denk aan de tekenafspraken;

A

Verbindingsdraden altijd horizontaal of verticaal. Gebruik je Binas voor de juiste (elektrotechnische) symbolen als je ze even niet meer weet.

V

17

De spanning meet je over de lamp en de stroomsterkte meet je door de lamp/kring. Om een stroomkring te maken, heb je geleiders nodig. Dat zijn stoffen die de elektrische stroom goed doorlaten. Alle metalen zijn goede elektrische geleiders. Koper wordt vooral veel toegepast, omdat het beter geleidt dan de meeste ander metalen. Een andere (vaste) stof dat ook goed geleid is Koolstof. Water wordt een goede geleider door er bijvoorbeeld een zuur of zout aan toe te voegen. Zo’n geleidende vloeistof heet dan een elektrolyt. Stoffen die geen elektrische stroom doorlaten worden isolatoren genoemd. Over het algemeen kan je zeggen dat alle niet-metalen slecht geleiden en dus een isolator zijn. Enkele voorbeelden zijn: - Plastic - Hout - Rubber - Lucht Serie en parallelschakelingen. Er zijn twee soorten schakelingen, namelijk: - Serieschakeling - Parallelschakeling Serieschakeling Voor een serieschakeling geldt het volgende: - Alle elektrische componenten (lamp, weerstand, apparaat) staan ‘achter elkaar’. Als je één component uit de schakeling haalt, dan doen geen van allen het meer. Denk aan de ‘ouderwetse’ kerstboomverlichting. Die kan je uitzetten door één lampje los te draaien. -

De stroomsterkte door de kring blijft overal gelijk.

-

De spanning wordt verdeeld over de verschillende componenten. Anders gezegd; de totale spanning Utot is gelijk aan de som van de spanningen van alle afzonderlijke componenten. Er geldt:

U tot = U 1 + U 2 + U 3 + ... Utot = 10 V

I = 0,2 A R1 = 15 Ω

R2 = 10 Ω

U1 = 3 V

U2 = 2 V

R3 = 25 Ω

Serieschakeling. De spanning wordt verdeeld over de verschillende weerstanden. De stroom blijft overal gelijk

U3 = 5 V

18

-

Weerstanden die in serie geschakeld zijn, mag je bij elkaar optellen. Er geldt:

Rv = R1 + R2 + R3 + ... Uit bovenstaande tekening blijkt dat de vervangingsweerstand gelijk is aan 50 Ω Parallelschakeling Voor een parallelschakeling geldt het volgende; -

In een parallelschakeling kun je ieder onderdeel apart aan- en uitzetten.

-

Elk component is aangesloten op de dezelfde spanning.

-

De totale stroom Itot wordt verdeeld over de verschillende takken van de schakeling Met andere woorden; Alle stromen van de verschillende takken bij elkaar opgeteld, levert de totale stroomsterkte. Er geldt:

I t = I 1 + I 2 + I 3 + ... Ub = 10 V

Itot = 1 A

R1

R2

R3

I1 = 0,5 A

Parallelschakeling: de spanning over de weerstanden is gelijk aan de bronspanning. De stroom wordt verdeeld over de verschillende takken.

I2 = 0,33 A

I3 =0,17 A

Uit bovenstaande tekening blijkt dat de totale stroomsterkte 1 Ampère is.

19

Wet van Ohm Indien men twee stroomkringen gebruikt, waarbij de gebruikte batterijen precies dezelfde spanning leveren, dan kan het zo zijn dat de lampjes die in de schakeling aanwezig zijn niet allebei even fel branden. Dit kan komen doordat de weerstand van het ene lampje groter is dan de weerstand van het andere lampje. Als een lampje een grotere weerstand heeft dan betekent dat, dat er moeilijker stroom door heen kan. De stroom wordt meer tegengehouden dan in een lampje met een lage weerstand. Het is mogelijk om de weerstand van een lampje te bepalen als de stroomsterkte en de spanning gegeven is. Hiervoor geldt de volgende formule:

R=

U I

Voorbeeld: Op een lamp staat 12 V / 0,50 A. Bereken de weerstand van de lamp. U = 12 Volt

R=

I = 0,50 Ampère

U 12 →R= → R = 24Ω I 0,50

R=? Vervangingweerstand berekenen Serieschakeling Weerstanden worden vaak in serie geschakeld. Je mag hun weerstanden bij elkaar optellen. In formulevorm:

Rv = R1 + R2 + R3 + ... Om de stroomsterkte in onderstaande serieschakeling te berekenen, moet je eerst de vervangingsweerstand bepalen. Daarna kun je de stroomsterkte bepalen met behulp van de wet van Ohm. Utot = 10 V

I=?A R1 = 15 Ω

Rv =

R2 = 10 Ω

R3 = 25 Ω

Utot = 10 V

I=?A Rv = 50 Ω

Ut 10 10 → 50 = →I = → I = 0,2 A 50 I I

20

Parallelschakeling Als twee of meer weerstanden parallel zijn geschakeld, dan kan je deze weerstanden vervangen door een vervangingsweerstand. Zie onderstaande tekening. Ub = 10 V Ub = 10 V R1 = 200 Ω Rv = 100 Ω

R2 = 300 Ω

R3 = 600 Ω

In formulevorm geldt er:

1 1 1 1 = + + + ... Rv R1 R2 R3 Voor bovenstaande tekening geldt de volgende berekening:

1 1 1 1 1 1 1 1 = + + → = + + Rv R1 R2 R3 Rv 200 300 600 1 = 0,01 → Rv = 100Ω Rv Met behulp van de vervangingsweerstand kan je de totale stroomsterkte berekenen. Deze is 0,1 A Bijzondere weerstanden Onder normale omstandigheden verandert de weerstand van elektronicaweerstandjes nauwelijks. Er zijn echter ook weerstanden die wel erg veranderlijk zijn. Bekende voorbeelden zijn: NTC en LDR NTC: Æ (Negatieve Temperatuur Coëfficiënt) Een NTC is gevoelig voor temperatuursveranderingen. De weerstand wordt kleiner als de temperatuur van de NTC stijgt. LDR:Æ (Light Dependant Resistance = Licht afhankelijke weerstand). De weerstand van de LDR is afhankelijk van de hoeveelheid licht die er op valt. In het donker is de weerstand hoog (+/- 10 000 Ω) en als er fel licht op valt, is de weerstand laag (+/- 100 Ω).

21

Elektrische componenten In de elektronica worden vele verschillende componenten gebruikt. Hieronder volgt een overzicht van enkele bekenden. -

Diode Æ Een elektrisch onderdeel dat de stroom maar in één richting doorlaat.

-

LED (Light Emitting Diode) Æ Een lichtgevende diode. Zeer veel toegepast in allerlei gebieden. Voorbeeld: Het stand-by lampje van de TV.

-

Condensator Æ Component waar men voor korte tijd elektrische energie in kan opslaan.

-

Relais Æ Een elektrische schakelaar. Met een kleine stroom kan je een grote stroom inschakelen.

-

Reed contact Æ Een magnetische schakelaar. Meestal zo geschakeld, dat als een magneet bij het contact is, de schakelaar gesloten is en als de magneet verwijderd is, dan is de schakelaar open en kan er dus geen stroom lopen.

-

Transistor Æ Een transistor heeft twee functies:

1) Een transistor kan kleine veranderingen in een stroom versterkt doorgeven. 2) Een transistor kan werken als schakelaar Een transistor heeft drie aansluitpunten: de Emitter (E), de Basis (B) en de Collector (C). De werking van de transistor is als volgt: een klein stroompje door de basis ‘duwt’ de verbinding tussen de emitter en de collector open. Er kan nu een grote stroom lopen van C naar E. Zonder stroom door B wordt de doorgang van C naar E vanzelf afgesloten. C B Symbool voor een transistor E

Vermogen Het vermogen geeft aan, hoeveel elektrische energie een apparaat per seconde gebruikt. Hoe groter het vermogen van een elektrisch apparaat is, des te meer energie het in een bepaalde tijd gebruikt. Zo zal een lamp met een vermogen van 100 Watt in één uur vier keer meer energie gebruiken als een lamp van 25 Watt. Het vermogen van een elektrisch apparaat geeft aan ‘hoe krachtig’ het apparaat is. Het vermogen druk je uit in Watt (W) of kiloWatt (kW)

22

Het vermogen van een apparaat bereken je als volgt:

P =U ⋅I Waarbij U de spanning is in Volt en I de stroomsterkte is in Ampère. Voorbeeld: Een wasmachine werkt op 230V. Tijdens het opwarmen van het water loopt er een stroom van 8,7 A. Bereken het vermogen van het verwarmingselement.

P = U ⋅ I → P = 230 ⋅ 8,7 → P = 2001W Elektrische energie Elektrische apparaten gebruiken energie als ze aanstaan. De hoeveelheid energie dat ze gebruiken hangt af van het vermogen en de tijd dat de apparaten aanstaan. Voor elektrische energie geldt de volgende formule:

E = P ⋅t Let op: er zijn twee manieren om de elektrische energie uit te rekenen. -

Het vermogen in kW en de tijd in uren. Dit geeft als antwoord de energie in kWh (kiloWattuur).

-

Het vermogen in W en de tijd in seconden. Dit geeft als antwoord de energie in J (Joule).

Voorbeeld: Het verwarmingselement van een wasmachine heeft een vermogen van 2300 W. Het doet er 10 minuten over om het water op te warmen. Bereken hoeveel energie het verwarmingselement heeft gebruikt. (in kWh)

E = P ⋅ t → E = 2,3 ⋅ 0,17 → E = 0,39 kWh P = 2300 W = 2,3 kW 1 t = 10 min. = uur = 0,17 h 6 (in Joule)

E = P ⋅ t → E = 2300 ⋅ 600 → E = 1380000 J P = 2300 W t = 10 min. = 600 s

23

Rendement Percentage van de energie of vermogen dat nuttig wordt gebruikt. Er wordt bij rendement gekeken naar de functie van de energieomzetter. Bijvoorbeeld een lamp. Daarin wordt elektrische energie omgezet in licht (energie). Dat er ook warmte ontstaat, is niet interessant als we praten over het rendement. Voor rendement (η) geldt: (als er gerekend wordt met energie)

η=

E nut ⋅ 100% E op

(als er gerekend wordt met vermogen)

η=

Pnut ⋅ 100% Pop

Het opgenomen vermogen geeft aan hoeveel energie de energieomzetter per seconde opneemt. Op elektrische apparaten staat altijd het opgenomen vermogen vermeld. Het nuttig vermogen geeft aan, hoeveel energie per seconde nuttig gebruikt wordt. Anders gezegd: hoeveel energie wordt omgezet in de gewenste energiesoort. Veiligheid in huis In huis zijn een aantal maatregelen genomen om veilig met elektriciteit om te gaan. -

De elektrische huisinstallatie is verdeeld in groepen. Elke groep heeft zijn eigen beveiliging. Bij overbelasting valt zo niet in het hele huis de stroom uit.

-

Een zekering schakelt de stroom uit bij overbelasting of kortsluiting.

-

Overbelasting ontstaat als er teveel apparaten zijn ingeschakeld op één groep.

-

Kortsluiting ontstaat bijvoorbeeld als de twee draden in een stekker elkaar raken. De stroom gaat dan direct terug naar de meterkast.

-

Randaarde voert stroom af naar de aarde als de buitenkant van een apparaat onder spanning staat.

-

De aardlekschakelaar meet de inkomende en uitgaande stroom. De aardlekschakelaar schakelt de stroom uit als er stroom naar de aarde lekt.

-

Apparaten worden dubbel geïsoleerd uitgevoerd. Hierdoor kan de buitenkant van het apparaat niet onder spanning staan.

24

De werking van een transformator Een transformator verhoogt of verlaagt spanning en stroomsterkte. Hierdoor kan een apparaat op de juiste spanning en stroom werken. Een transformator bestaat uit een primaire spoel en een secundaire spoel die om een ijzeren juk bevestigd zijn. De spanning waarop de primaire spoel aangesloten wordt, noemt men de primaire spanning of Up. De spanning die de secundaire spoel levert, noemt men de secundaire spanning of Us. De werking van een transformator: -

Als de primaire spoel wordt aangesloten op een wisselspanning, loopt er een wisselstroom doorheen. Daardoor wordt de primaire spoel een elektromagneet. Doordat de stroom steeds van grootte en richting verandert, doet het opgewekte magneetveld dat ook.

-

Het ijzeren juk wordt op deze manier gemagnetiseerd. De magnetisering verandert mee met het magneetveld van de primaire spoel.

-

Het gevolg is dat er ook in de secundaire spoel een veranderend magneetveld ontstaat. Dit magneetveld wekt een wisselspanning op tussen de uiteinden van de secundaire spoel.

Met een transformator kan men een spanning omhoog transformeren of omlaag transformeren. Of de spanning hoger of lager wordt, hangt af van het aantal windingen van de beide spoelen. Als de secundaire spoel meer windingen heeft, dan de primaire spoel, wordt de spanning omhoog getransformeerd. Als de secundaire spoel minder windingen heeft dan de primaire spoel, wordt de spanning omlaag getransformeerd. Het aantal windingen van de spoel wordt aangegeven met NP (aantal windingen primaire spoel) en NS (aantal windingen secundaire spoel) Hiervoor geldt de volgende formule:

UP NP = US NS -

Als NS 5 keer zo groot is als NP, dan is Us ook 5 keer zo groot als UP. Wanneer Ns 5 keer zo klein is als Np, is Us ook 5 keer zo klein als Up.

Bij het maken van berekeningen wordt vaak aangenomen dat een transformator een rendement heeft van 100%. Dit noemen we een ideale transformator. Er geldt dan dat vermogen aan de primaire kant gelijk is aan het vermogen aan

PP = PS de secundaire kant. In formulevorm:

25

De werking van een dynamo Een dynamo bestaat uit een spoel die ronddraait in een magneet. De uiteinden van de spoel zijn de polen van de dynamo. In een dynamo wordt bewegingsenergie omgezet in elektrische energie. Een dynamo levert een spanning die steeds verandert, een wisselspanning. Hieronder wordt de werking van een fietsdynamo beschreven: -

De magneet in de dynamo magnetiseert het ijzer van het juk.

-

Wanneer de magneet draait, verandert de magnetisering van het ijzer voortdurend.

-

Daardoor verandert het magneetveld door de spoel ook telkens van grootte en richting.

-

Op deze manier wordt een spanning opgewekt tussen de uiteinden van de spoel.

Als het magneetveld in een spoel verandert, ontstaat er een spanning tussen de uiteinden van de spoel. Als het magneetveld in een spoel niet verandert, wordt er ook geen spanning opgewekt. In een elektriciteitscentrale bevindt zich een grote dynamo, die generator wordt genoemd. Automatische schakelingen Een automatische schakeling heeft drie belangrijke onderdelen. -

Een sensor Een schakelaar. Een actuator (een onderdeel dat in actie komt als dat nodig is).

Er zijn vele verschillende automatische schakelingen. Hieronder volgt een voorbeeld van een waarschuwingssysteem bij een kapotte achterruitverwarming. Als schakelaar wordt gebruik gemaakt van een transistor en als actuator een (waarschuwings)lamp.

1 2

26

Werking: Als de stroom weerstand 1 heeft gepasseerd, dan splitst de stroom in tweeën. Het grootste deel (meer dan 99,9 %) loopt via de achterruitverwarming terug naar de accu. Door weerstand 2 en de basis (B) loopt maar een heel klein stroompje. Te zwak om de transistor te schakelen. Als de achterruitverwarming kapot is, dan moet de stroom wel via weerstand 2 en de basis terug naar de batterij. Hierdoor loopt er voldoende stroom om de transformator te laten schakelen. Het lampje brandt nu.

27

3. Licht en Beeld Overzicht van gebruikte afkortingen en formules bij dit thema. De gebruikte afkortingen en symbolen zijn afkomstig uit BINAS vmbo KGT. F = brandpunt f = brandpuntsafstand in cm V = voorwerp v = voorwerpsafstand in cm B = beeld b = beeldafstand in cm

terugkaatsingswet : ∠i = ∠t b B (lineaire) vergroting : N = of N = v V Let op: lichtstralen teken je met pijltjes in de stralen. Lichtstralen Een voorwerp dat licht uitzendt, kan men zien. De lichtstralen bereiken het oog. Voorwerpen die licht uitstralen worden lichtbronnen genoemd. Voorbeelden van lichtbronnen zijn: -

Een schemerlamp Een zaklamp Een kaars De zon

Men kent twee soorten lichtbronnen, namelijk -

Een kunstmatige lichtbron die door de mensen gemaakt is. Een natuurlijke lichtbron, is ontstaan zonder toedoen van de mens, zoals de zon en de sterren.

De meeste voorwerpen om ons heen geven zelf geen licht. Je kunt ze alleen zien als ze worden verlicht door en lichtbron. Het licht dat wordt weerkaatst door het voorwerp en rechtstreeks je ogen bereikt, kun je zien. Zo’n voorwerp wat je kan zien, wordt een indirecte lichtbron genoemd. Indirecte lichtbronnen geven zelf dus geen licht, maar zijn zichtbaar omdat ze worden verlicht. Voorbeeld: De maan is een indirecte lichtbron. Zelf geeft de maan geen licht, maar is toch zichtbaar, omdat hij wordt verlicht door de zon.

28

Het licht beweegt in alle richtingen van de lichtbron vandaan. Dit laat men meestal zien aan de hand van lichtstralen. Een heleboel lichtstralen bij elkaar, wordt een lichtbundel genoemd. Een lichtbundel geeft aan welke richting het licht volgt. Lichtbundels zijn altijd rechte lijnen, omdat licht zich voortplant in een rechte lijn. Schaduw Een lichtbron kan tegengehouden worden. Dit gebeurt als het licht op een voorwerp valt. Als het voorwerp niet doorzichtig is, dan wordt het licht tegengehouden. Men ziet dan achter het voorwerp een schaduw ontstaan. Er ontstaat achter het voorwerp een rand die de overgang van donker naar licht aangeeft. Dit is de plek waar de schaduw van het voorwerp ophoudt. Die rand wordt de randstralen genoemd. Het beeld wat men waarneemt op het scherm wordt het schaduwbeeld genoemd. Zie ook onderstaande tekening.

schaduw Lichtbron

ondoorzichtig voorwerp

Er wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende soorten lichtbundels. Hieronder zie je de verschillende soorten:

Evenwijdige bundel

Convergente bundel

Divergente bundel

Kleur Wit licht bestaat uit verschillende kleuren. Als wit licht op een prisma valt, dan wordt dit licht gebroken.

29

Dit betekent dat het licht uiteen valt in allerlei kleuren. De volgorde van de kleuren die ontstaan is: rood, oranje, geel, groen, blauw en violet. Deze kleuren worden spectraalkleuren genoemd en de hele verzameling van kleuren wordt het spectrum of kleurspectrum van zichtbaar licht genoemd. Populair gezegd: wit licht bestaat uit alle kleuren van de regenboog. Kleuren kunnen worden teruggekaatst, doorgelaten of geabsorbeerd. -

Als kleuren teruggekaatst worden, dan betekent dat, dat men de kleuren ziet aan de voorkant van het voorwerp dat in het licht staat

-

Als kleuren doorgelaten worden, dan betekent dat, dat men de kleuren ziet, aan de achterkant van het voorwerp dat in het licht staat.

-

Als kleuren geabsorbeerd worden, dan betekent dat, dat men de kleuren niet ziet. De kleuren worden door het voorwerp opgenomen, die verdwijnen.

Let op: de voorbeelden die hieronder beschreven staan, hebben niks te maken met het mengen van verf. -

Als men een wit voorwerp ziet, dan worden alle kleuren van het spectrum teruggekaatst, want alle kleuren samen geven wit licht.

-

Als men een zwart voorwerp ziet, dan worden alle kleuren van het spectrum geabsorbeerd. De kleuren worden door het voorwerp als het ware ‘opgegeten’, zodat men geen kleur meer ziet en het voorwerp als zwart gezien wordt

-

Als men een geel voorwerp ziet, dan worden alle kleuren geabsorbeerd door dat voorwerp, behalve de kleur geel, die wordt teruggekaatst.

-

Als een aantal kleuren worden teruggekaatst, dan zie je een mengkleur.

-

Als men een doorzichtig rood filterpapier voor een lamp houdt, dan ziet men alles rood. Dit komt doordat alle keuren van het spectrum door het rode papiertje worden geabsorbeerd, behalve de rode kleur die wordt doorgelaten oftewel teruggekaatst.

-

Als men met een zuiver rode lamp op een zuiver blauw voorwerp schijnt, dan zal men het voorwerp zwart waarnemen. Dit komt omdat het blauwe voorwerp alleen maar blauw licht kan weerkaatsen, alle andere kleuren worden geabsorbeerd.

-

Nog een voorbeeld: als twee auto’s (één is wit,de andere is groen) ’s avonds een tunnel inrijden die verlicht wordt door (zuiver) geel licht (natruim lampen), dan zal de witte auto en geel uit zien en de groene auto wordt zwart. Witte voorwerpen kunnen alle kleuren weerkaatsen, dus ook

30

geel. Groene voorwerpen kunnen alleen maar groen licht weerkaatsen en dus geen geel, dus is deze auto zwart. Ultra Violet (UV) en Infra Rood (IR) Er zijn twee kleuren die ook bij het spectrum van wit licht horen, maar die men niet ziet. Deze twee kleuren zitten aan beide uiteinden van het spectrum, namelijk -

Ultraviolet straling of UV-straling

-

Infrarood straling of IR-straling

Ultraviolette straling is afkomstig van de zon. Door deze straling wordt men bruin. Dit is meteen de reden waarom men niet te lang in de zon mag zitten, men wordt dan te lang blootgesteld aan de onzichtbare UV-straling. UV-straling kan huidkanker veroorzaken. Een goed middel om het lichaam te beschermen tegen UV-straling is zonnebrandcrème. Deze crème beschermt het lichaam gedurende een half uur tegen de UV-straling. Na dit halve uur moet men beslissen of men zich opnieuw insmeert of uit de zon gaat. Er bestaan ook UV-lampen, deze worden gebruikt in: -

Zonnebanken, ze worden ook wel snelbruinlampen genoemd en bestaan vooral uit UV-A lampen.

-

Controle van bankbiljetten. Op bankbiljetten is met bijzonder inkt een teken gemaakt, die tevoorschijn komt als men het bankbiljet onder de UVlampen houdt. Zo kan men vals geld achterhalen.

UV-straling kan sommige stoffen sterk laten oplichten. Je zegt dan dat zo’n stof fluoresceert. Fluorescerende stoffen worden onder meer toegepast in tl-buizen, kleding en de al eerder genoemde bankbiljetten. Infraroodstraling is ook afkomstig van de zon. Men kan deze straling heel goed voelen als men buiten loopt en de zon schijnt op je huid. Infraroodstraling is namelijk een vorm van warmtestraling. Alle voorwerpen stralen warmte uit. Er geldt dat: hoe hoger de temperatuur van het voorwerp, des te meer IR-straling er uitgezonden wordt. Een infrarood sensor is gevoelig voor deze warmtestraling, vandaar dat in detectieapparatuur een IR-lampje zit, die reageert op warmtestraling. Zo kan er een alarm afgaan, indien een menselijk lichaam langs een IR-sensor loopt. Andere voorbeelden waar IR-straling voor gebruikt wordt zijn: -

Als afstandsbediening. Als men een hand voor de afstandsbediening houdt, dan zal het apparaat zijn werk niet kunnen doen.

-

Als schakelaar, zodat een winkeldeur automatisch opent als er een persoon voor de deur staat.

-

Als soort sauna, ook wel een warmtecabine genoemd. Die cabine bestaat uit IR-lampen, waardoor er warmte vrij komt. Dit is goed voor de ontspanning van de spieren van de mens.

31

Spiegelende en diffuse terugkaatsing Onder terugkaatsing verstaat men het terugzenden van een lichtstraal dat op een voorwerp is gevallen. Er zijn twee soorten terugkaatsing bekend, namelijk -

Een spiegelende terugkaatsing Diffuse terugkaatsing

Onder spiegelende terugkaatsing verstaat men de terugkaatsing die plaatsvindt als licht op een glad oppervlak valt, zoals spiegels. Als licht op een spiegel valt, dan ziet men een spiegelbeeld, dit is een vorm van spiegelende terugkaatsing. Onder diffuse terugkaatsing verstaat men terugkaatsing die zich voordoet als licht op ruwe oppervlakken valt. Als je op een ruw oppervlak een evenwijdige lichtbundel laat vallen, worden de lichtstralen in alle mogelijke richtingen teruggekaatst. Bij terugkaatsing tegen een ruw oppervlak zie je geen spiegelbeeld.

A: Spiegelende terugkaatsing

B:

Niet-spiegelende terugkaatsing

De terugkaatsingwet De terugkaatsingwet geldt alleen voor voorwerpen waarbij een spiegelende terugkaatsing plaats kan vinden, dus niet op voorwerpen met een ruw oppervlak. Spiegels zijn er speciaal voor gemaakt om licht spiegelend terug te kaatsen. Hieronder zie je hoe een spiegel een smalle lichtbundel terugkaatst. Op de plaats waar de lichtbundel de spiegel raakt, is een lijn getekend die loodrecht op de spiegel staat. De lijn wordt de normaal genoemd. -

De hoek tussen de invallende lichtstraal en de normaal heet de hoek van inval. De hoek tussen de teruggekaatste lichtstraal en de normaal heet de hoek van terugkaatsing.

32

De wet van de terugkaatsing ziet er in formulevorm zo uit: Hoek van inval = hoek van terugkaatsing

∠i = ∠t Het construeren van spiegelbeelden Een spiegel tekent men vaak als een lijn. Men moet zich dan voorstellen, dat er op die lijn een spiegel precies rechtop staat.

In de tekening hierboven staat een spiegel sp afgebeeld, een punt A en zijn spiegelbeeld A’. Hiervoor geldt; -

A en A’ hebben dezelfde afstand tot de spiegel.

De lijn tussen A en A’ staat loodrecht op de spiegel. Deze verbindingslijn wordt zoals bekend de normaal genoemd. Deze normaal maakt dus een hoek van 90° met de spiegel. Voor een vlakke spiegel geldt: -

Een punt en zijn spiegelbeeld liggen even ver van een spiegel af.

-

De verbindingslijn tussen een punt en zijn spiegelbeeld staat loodrecht op de spiegel.

-

De verbindingslijn tussen een punt en zijn spiegelbeeld heet een normaal.

In de onderstaande tekening ziet men, hoe men zonder doorkijkspiegel kan construeren (= nauwkeurig tekenen).

De opdracht is om het spiegelbeeld van punt A te construeren. 1. Teken de normaal van punt A. Door A moet je dus een stippellijn tekenen, die loodrecht op de spiegel staat. 2. Teken het spiegelbeeld van punt A. 3. Let erop, dat dit beeld precies even ver van de spiegel af ligt als het punt A.

33

Zet punt A’ bij het spiegelbeeld

Het spiegelbeeld van lijnstuk AB kan men nu ook tekenen: 1. Teken het spiegelbeeld van lijnstuk A en noem dit A’. 2. Teken het spiegelbeeld van B en noem dit B’. 3. Teken het lijnstuk A’B’. A’B’ is het spiegelbeeld van AB.

Gezichtsveld Als een lichtbundel op een spiegel valt, wordt hij teruggekaatst. Je kunt de teruggekaatste bundel tekenen met behulp van de spiegelwet, maar er is een handiger manier. Zie onderstaande afbeelding. P stelt hier een lichtbron voor.

34

Ga als volgt te werk; -

Teken P’. Teken de twee lichtstralen die door de randen van de spiegel teruggekaatst worden. Let op: de teruggekaatste lichtstralen lijken uit punt P’ te komen. Maak daar gebruik van. De teruggekaatste lichtbundel ligt tussen de twee lichtstralen in. Je kunt dit gebied kleuren of arceren.

Op deze wijze kun je ook het gezichtsveld van een spiegel bepalen. Voorwerpen zien via een spiegel (virtuele beelden) Men kan voorwerpen bekijken door er via een spiegel naar te kijken. Denk bijvoorbeeld aan de achteruitkijk spiegel die in auto’s aanwezig is. In de spiegel kan de bestuurder W W

K K’

K

zien wat er achter hem gebeurt, zonder dat hij zijn hoofd hoeft te draaien. Omdat je niet weet onder welke hoek de stralen invallen, kan je geen gebruik maken van de spiegelwet. Om dit soort problemen op te lossen maak je gebruik van virtuele beelden. Virtuele beelden zijn beelden die niet echt zijn, zoals spiegelbeelden. Bekijk het volgende voorbeeld. Een waarnemer (W) kijkt naar een kaars (K) via een spiegel. Laat zien hoe de stralengang is. Bedenk dat de waarnemer de kaars ziet in de spiegel. De waarnemer kijkt dus naar het virtuele beeld. Het lijkt voor de waarnemer alsof de kaars achter de spiegel staat Ga als volgt te werk: -

Teken het virtuele beeld van de kaars (K’) op gelijk afstand aan de achterzijde van de spiegel. Stippel deze lijn.

-

Vanuit K’ trek je nu een stippellijn naar de waarnemer. Teken deze niet verder dan de spiegel. Vanaf de spiegel tot W is het een lichtstraal.

-

Vanuit K trek je nu een lijn naar het punt op de spiegel waar het licht vandaan lijkt te komen.

35

Lenzen Er zijn twee soorten lenzen: positieve en negatieve lenzen. Er zijn drie grote verschillen tussen beide soorten lenzen. Voor een positieve lens geldt: -

Als je een positieve lens vlak boven een stukje tekst uit een boek houdt, zie je de tekst vergroot.

-

Positieve lenzen zijn in het midden dikker dan aan de rand.

-

Een positieve lens heeft een convergerende werking. Hiervoor geldt, hoe sterker de lens hoe sterker de lichtstralen naar elkaar toe gebogen worden.

Voor een negatieve lens geldt: -

Bij een negatieve lens, wordt de tekst juist verkleind.

-

Negatieve lenzen zijn in het midden dunner dan aan de rand.

-

Een negatieve lens heeft een divergerende werking.

Een reëel beeld tekenen Je kunt de beeldvorming door een lens weergeven door er tekening van te maken. Daarbij maak je gebruik van de constructiestralen. Van deze lichtstralen weet je hoe ze na de lens verder lopen; -

Lichtstraal 1 gaat door het midden van de lens en verandert daarbij niet van richting. Lichtstraal 2 loopt eerst evenwijdig aan de hoofdas. NA de lens gaat deze straal door het brandpunt F.

De twee constructiestralen komen samen in één punt. Dit is het beeld. Als je hier een scherm neerzet, dan zie je een scherpe afbeelding. Alle lichtstralen die vanuit L op de lens vallen, worden naar dit punt toe gebroken. Met behulp van de constructiestralen kun je tekenen hoe een lens een beeld afbeeldt. Je gaat als volgt te werk. 1 -Teken het voorwerp als een pijl L1L2. L2 ligt op de hoofdas, L1 daarboven. Het voorwerp wordt weergegeven met een (hoofdletter) V

36

2 – Teken de twee constructiestralen vanuit L1. Teken het beeldpunt B1 waar de twee lichtstralen samenkomen.

3 – Teken het beeld als een pijl B1B2. B2 ligt op de hoofdas, B1 daaronder. Het beeld wordt weergegeven met een (hoofdletter) B Het beeld staat dus (vergeleken met het voorwerp) op de kop. B

Het voorwerp kan best groter zijn dan de lens. In dat geval mag je de lens groter tekenen dan hij in werkelijkheid is. Voor de plaats en het beeld maakt dat niets uit. De afstand vanaf de lens tot het voorwerp wordt de voorwerpsafstand genoemd en wordt weergegeven met een (kleine) v. De afstand vanaf de lens tot het beeld wordt de beeldafstand genoemd en wordt weergegeven met een (kleine) b De vergroting (N) van het beeld kan op verschillende manieren worden uitgerekend. Mogelijkheid 1; de grootte van het beeld gedeeld door de grootte van het voorwerp. In formulevorm:

N=

B V

37

Mogelijkheid 2; de beeldafstand gedeeld door de voorwerpsafstand. In formulevorm

N=

b v

Men spreekt in dit laatste geval ook wel van de lineaire vergroting. In Binas wordt dit weergegeven met:

N lin =

b v

Het oog Met onze ogen kunnen wij licht waarnemen. Lichtstralen die ons oog binnenvallen, worden omgezet in elektrische prikkels. Die zenuwprikkels worden via de oogzenuwen naar de hersenen geleid waar dan beelden worden waargenomen.

Het menselijk oog is een hoog ontwikkeld orgaan met een doorsnede van maar 2,5 cm. De volgende vliezen zijn te onderscheiden: Het vaatvlies: aan de binnenkant van de oogrok bevindt zich het vaatvlies. Deze bevat vele bloedvaten en een zwart pigment. Het gaat aan de voorkant over in het regenboogvlies (iris) met daarin een rond gat (pupil), waardoor het licht naar binnen kan vallen. De spiertjes de iris regelen hoe ver de pupil geopend is. Bij weinig licht is de pupil groot en bij veel licht is de pupil klein. De hoeveelheid pigmentcellen in de iris bepalen de kleur van de iris, bij veel pigmentcellen is de iris meer bruin en bij weinig pigmentcellen is de iris meer blauw. Het netvlies: in dit vlies bevinden zich de zintuigcellen; de zogenaamde staafjes en kegeltjes. De kegeltjes zijn gevoelig voor kleuren en zorgen er voor dat mensen voorwerpen scherp kunnen zien. Er zijn drie soorten kegeltjes; namelijk gevoelig voor roodachtig, groenachtig en blauwachtig licht. De staafjes reageren al bij weinig licht maar zijn niet gevoelig voor kleuren. De staafjes en kegeltjes zetten de lichtenergie om in zenuwprikkels, die in de hersenen verwerkt worden. Met de gele vlek kunnen mensen het beste zien. Hier bevinden zich alleen maar kegeltjes in een heel hoge concentratie.

38

Als er licht op het oog terechtkomt, passeert het achtereenvolgens: -

Het hoornvlies

-

De voorste oogkamer

-

De pupil

-

De ooglens

-

Het glasachtig lichaam

Brillen Als je bijziend bent, zijn je ooglenzen te sterk. Voorwerpen die wat verder weg zijn kun je dan niet zien. De ooglens vormt het beeld van het voorwerp niet op, maar voor het netvlies. Iemand die bijziend is, heeft een bril met negatieve lenzen nodig. Het licht wordt dan minder sterk gebroken. Als je verziend bent, zijn je ooglenzen te zwak. Voorwerpen die vlakbij zijn, kun je dan niet goed zien. De ooglens breekt het licht niet goed genoeg om een scherp beeld op het netvlies te laten ontstaan. Iemand die verziend is, heeft een bril met positieve glazen nodig. Het licht wordt dan sterker gebroken. De ooglens kan accommoderen (van vorm veranderen): hij kan platter en boller worden. Om voorwerpen van veraf te kunnen waarnemen heb je een platte ooglens nodig, om voorwerpen van dichtbij te kunnen zien heb je een bolle lens nodig.

39

4. Kracht en Snelheid Overzicht van gebruikte afkortingen en formules bij dit thema. De gebruikte afkortingen en symbolen zijn afkomstig uit BINAS vmbo KGT. F = kracht in Newton (N) p = druk in N/m2 (=Pa) of N/cm2 A = oppervlakte in m2 of cm2 M = Moment in Nm l = lengte arm in meter (m) m = massa in kg s = afstand in m (bij bewegingen) t = tijd in s v = snelheid in m/s vgem = gemiddelde snelheid in m/s a = versnelling (of vertraging) in m/s2 g = valversnelling in m/s2

constante beweging : s = v ⋅ t gemiddelde snelheid : v gem = versnelling : a =

(v + v2 ) s of v gem = 1 2 t

Δv Δt

eenparig versnelde beweging : s =

1 ⋅a ⋅t2 2

resulterende kracht : F = m ⋅ a F druk : p = A moment : M = F ⋅ l evenwichtsvoorwaarde : M 1 = M 2

40

Verschillende soorten krachten Krachten komt men in het dagelijks leven regelmatig tegen. Krachten zijn niet zichtbaar, maar hun effecten zijn wel merkbaar. We maken onderscheid tussen twee verschillende (hoofd)effecten. Dit zijn: - Beweging: Krachten kunnen een voorwerp doen versnellen of van richting veranderen. - Vervorming: Onder invloed van een kracht kan een voorwerp plastisch of elastisch vervormen. Bij een plastische vervorming blijft het voorwerp in de vorm die heeft gekregen toen er een kracht op werkte (denk aan een stuk klei dat is ingedeukt). Bij een elastische vervorming komt het voorwerp weer terug in zijn oude vorm als de kracht er niet meer op werkt. (denk aan een tennisbal die je kan indrukken, maar weer terugkeert is zijn normale vorm als je stopt met knijpen) Hieronder volgen een paar voorbeelden van verschillende soorten krachten: -

Zwaartekracht: De aarde oefent op ieder voorwerp een aantrekkende kracht uit, de zwaartekracht Fz. Dit is de reden waardoor voorwerpen altijd naar beneden vallen. Het zwaartepunt is het punt van een voorwerp waar de zwaartekracht op aangrijpt.

-

Gewicht: Vaak rust een voorwerp op een tafel of hangt het aan een koord. Het voorwerp oefent dan een kracht uit op de tafel of het koord. Deze kracht heet het gewicht Fg van het voorwerp.

-

Spierkracht: met behulp van de spierkracht kan men een tas met boeken optillen. De spierkracht wordt aangegeven met de afkorting Fs.

-

Magnetische kracht: als men aan een touwtje een ijzeren spijker hangt en daar dan een magneet in de buurt houdt, wordt de spijker aangetrokken. De krachten die dan optreden noemt men magnetische krachten.

-

Elektrische kracht: elektrisch geladen voorwerpen oefenen krachten op elkaar uit. Fe. Als je bij een positieve staaf een negatieve staaf houdt trekken de staven elkaar aan. Deze kracht kun je niet zien, maar de gevolgen ervan wel.

-

Wrijvingskracht: als een voorwerp langs een ruw oppervlak beweegt, ontstaat er een wrijvingskracht, die tegengesteld is aan de bewegingsrichting van het voorwerp. Deze kracht wordt Fw genoemd. Deze kracht werkt de beweging tegen.

-

Veerkracht: als men op een duikplank staan, dan buigt de plank door. De plank ‘verzet’ zich tegen deze doorbuiging. Daardoor ontstaat er een veerkracht, Fv

41

Bovengenoemde krachten hebben allemaal een verschillende werking op bepaalde voorwerpen. Toch hebben deze krachten ook overeenkomsten. Dit worden de eigenschappen van krachten genoemd, namelijk: -

Een kracht heeft een grootte, met als eenheid Newton.

-

Een kracht heeft een richting, deze kan dezelfde richting hebben als het voorwerp, maar ook tegengesteld zijn.

-

Een kracht heeft een aangrijpingspunt, van waaruit de kracht uitgeoefend wordt.

In een tekening wordt een kracht weergegeven met een pijl. De lengte van de pijl geeft de grootte van de kracht aan, terwijl de richting wordt weergegeven door de richting van de pijl. Het beginpunt van de pijl geeft aan waar de kracht op werkt. Het hefboomprincipe Het hefboomprincipe is een soort evenwichtsprincipe. Indien de uiteinden van de hefboom aan beide kanten even zwaar zijn, dan is de hefboom in evenwicht. Indien er aan de ene kant van de hefboom een zwaarder voorwerp hangt zou de hefboom naar de zwaarste kant gaan hangen. Ook hangt het evenwicht van de hefboom af van de plaats waar het blokje neergehangen wordt. Een blokje kan namelijk ook heel dichtbij of heel ver weg van de draai-as van de hefboom hangen. Een voorwerp dat dichter bij de draai-as is, is lichter dan een even zwaar voorwerp dat verder van de draai-as afhangt. In veel situaties is de spierkracht te klein om iets los te krijgen. Bijvoorbeeld een dop van een fles los maken. In zo’n situatie gebruik men vaak een hefboom om de spierkracht te vergroten. Een flessenopener is een goed voorbeeld van een hefboom.

42

Om erachter te komen of een hefboom in evenwicht is, moet je naar de momenten van de krachten kijken. Het moment van een kracht is de grootte van de kracht keer de lengte van de arm, dit kan men weervinden in de volgende formule:

M = F ⋅l M = het moment in Newtonmeter (Nm) F = de grootte van de kracht in Newton l = de arm van de kracht in meter Voorbeeld: Van een fiets wil men weten hoe groot het moment is van de kracht die men op de trapper uitoefent als men aan het fietsen is. De kracht die men levert is 80 Newton. De arm is 20 cm lang.

F = 80 N l = 20cm = 0,20m M = F ⋅ l → M = 80 ⋅ 0,20 → M = 16 Nm De momentenwet Als twee kinderen op een wip zitten, dan is deze wip in evenwicht indien beide momenten van de beide gewichtskrachten even groot zijn. De wip is in evenwicht als het moment van kracht 1 F1 even groot is als het moment van kracht F2. Een hefboom is in evenwicht als de som van de momenten linksom gelijk zijn aan de som van de momenten rechtsom. Dit wordt de momentenwet genoemd en de volgende formule geeft de wet weer:

M 1 + M 2 + ....(linksom) = M 1 + M 2 + ....(rechtsom) Voorbeeld Met een snoeischaar wordt een boom gesnoeid.

43

De snoeischaar wordt dichtgeknepen met een spierkracht van 6,0 Newton. De handvaten van de snoeischaar zijn 12 cm lang en het scherpe gedeelte van de schaar is 3 cm lang. Bereken de krachten die de schaar uitoefent op de tak. Er geldt het volgende:

M1 = M 2 F1 ⋅ l1 = F2 ⋅ l 2 6,0 ⋅ 0,12 = F2 ⋅ 0,03 F2 =

0,72 → F2 = 24 N 0,03

Druk Druk is kracht per oppervlakte-eenheid. Als een bepaalde kracht op een heel klein oppervlak werkt, dan is de druk groot. Dit is het geval bij de punt van een injectienaald. Dezelfde kracht zorgt bij een veel groter oppervlak een veel kleinere druk. Druk kan je berekenen door de kracht te delen door het oppervlak. In formulevorm:

p=

F A

p = druk in N/m2. 1 N/m2 is gelijk aan 1 Pa (pascal) F = kracht in N A = oppervlak in m2 Je kunt het oppervlak ook in cm2 uitdrukken. Dan wordt de eenheid van druk N/cm2. LET OP: 1 N/cm2 = 10000 N/m2 Krachten samenstellen en ontbinden Als twee krachten op één voorwerp werkt, dan mag je de krachten optellen. Dit mag je doen als je werkt met een krachtenschaal. Met een krachtenschaal geef je aan dat de lengte van de pijl zich verhoudt tot de werkelijke kracht. Voorbeeld: Als er voor een krachtenschaal is gekozen van 1cm = 20 N, dan wil dat zeggen dat 1 cm in de tekening overeenkomt met 20 N in werkelijkheid. Je bent zelf vrij om te kiezen welke krachtenschaal je kiest, als je maar elke kracht in die tekening met die zelfde krachtenschaal tekent. Zie onderstaande tekening voor het samenstellen van twee krachten. F2

FR

Twee krachten werken op een voorwerp. Het voorwerp ervaart een kracht en een richting die gelijk is aan FR. FR is de resulterende kracht. Merk op dat het samenstellen van krachten neerkomt op het tekenen van een parallellogram.

F1

44

Bij het ontbinden van krachten wordt er gekeken naar de effecten die een kracht heeft in verschillende richtingen. Zie onderstaand voorbeeld. F

Via een touw wordt er een kist over de vloer getrokken. Omdat de kracht schuin staat, zal de kist niet alleen naar voren gaan, maar ook een beetje van de grond komen. Alleen het deel van de kracht dat horizontaal werkt zorgt ervoor dat de kist vooruit komt. Door kracht F te ontbinden in een horizontale en een verticale component, kun je erachter komen met welke kracht de kist werkelijk vooruit wordt getrokken. F

F2

F1

Met behulp van de krachtenschaal kun je nu meten hoelang F1 is. De snelheid en de gemiddelde snelheid Onder snelheid verstaat men de tijd die men erover doet om een bepaalde afstand af te leggen Zo kan men een snelheid hebben van 30 km/h. Als men gedurende een uur deze snelheid blijft rijden, dan heeft men na dat uur 30 km afgelegd. Men kan ook spreken over een gemiddelde snelheid van 30 km/h. Hiermee wordt bedoeld, dat men gemiddeld gezien op 30 km/h komt. Dit betekent dat men een half uur 20 km/h kan rijden en een half uur 40 km/h. Maar ook hier geldt dat men naar een uur tijd 30 km afgelegd heeft. De volgende formule geldt voor het berekenen van de gemiddelde snelheid:

v gem =

s t

vgem = de gemiddelde snelheid in m/s s = de afgelegde weg in meters t = de bijbehorende tijd in seconde De snelheid wordt meestal aangegeven in m/s. Indien men van m/s naar km/h wil omrekenen, of andersom, dan geldt de volgende formule: Aantal m/s Æ km/h: vermenigvuldigen met 3,6. Voorbeeld: 15 m/s = 54 km/h

45

Aantal km/h Æ m/s = delen door 3,6. Voorbeeld: 108 km/h = 30 m/s Je kan ook de gemiddelde snelheid bepalen van een voorwerp als het voorwerp van snelheid verandert. Je moet dan wel de beginsnelheid en de eindsnelheid weten. Voorbeeld: Een auto rijdt met een snelheid van 20 m/s. Na een poosje rijdt de auto 5 m/s. zijn gemiddelde snelheid in dat poosje is dan 12,5 m/s.

v gem =

vb + v e (20 + 5) → v gem = → 12,5m / s 2 2

(je bepaalt hier het rekenkundige gemiddelde) De eenparige rechtlijnige beweging Bij een eenparige rechtlijnige beweging blijven de snelheid en de richting van het voorwerp het hele proces constant. Hiervoor geldt de volgende formule:

s = v ⋅t s = de afgelegde weg in meters v = de constante snelheid in m / s t = de tijdsduur van de beweging in seconde De diagrammen van een eenparige rechtlijnige beweging zijn er als volgt uit: Een (s,t)-diagram ziet er als volgt uit: (in dit voorbeeld heeft een voorwerp een snelheid van 3 m/s. 35 30

s (m)

25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t (s)

In een (s,t)-diagram van een eenparige rechtlijnige beweging is de grafiek een rechte diagonale lijn In een (v,t)-diagram van een eenparige rechtlijnige beweging is de grafiek een horizontale lijn.

46

Een (v,t)-diagram ziet er als volgt uit: 3,5 3

v (m/s)

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t (s)

Versnelling en vertraging Een versnelling betekent dat het voorwerp in snelheid toeneemt. Een vertraging betekent dat het voorwerp snelheid mindert. Oftewel een versnelling of een vertraging is gelijk aan de snelheidsverandering per seconde. De eenheid van de snelheidsverandering is de m/s2. De eenparige versnelde of vertraagde beweging Bij een eenparige versnelde of vertraagde beweging blijft de versnelling of vertraging steeds gelijk. Dit geeft de volgende formule weer;

a=

Δv Δt

a = de versnelling of vertraging in m/s2 Δv = de verandering van de snelheid in m/s Δt = de bijbehorende verandering van de tijd in s Indien men van een versnellend of vertragend voorwerp de snelheid wil weten op een gegeven tijdstip dan kan men gebruik maken van de volgende twee formules; Voor een eenparige versnelde beweging geldt:

vt = v0 + a ⋅ t Voor een eenparige vertraagde beweging geldt:

vt = v0 − a ⋅ t vt = de snelheid na t seconde in m /s v0 = de snelheid op het tijdstip t = 0 in s a = de versnelling of vertraging in m / s2 t = de tijdsduur in s

47

Stel; een auto vertrekt vanuit stilstand met een eenparige versnelling van 3 m/s2. Hoe ver heeft hij gereden na 10 sec. Een eenparig versnelde beweging ziet er in een s,t-diagram als volgt uit.

160 140

s (m)

120 100 80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

t (s)

De auto heeft in 10 seconde 150 meter afgelegd. Merk op dat een versnelde beweging een parabool is in een s,t-diagram. Als je de versnelling weet en je weet hoelang een auto over het versnellen doet, dan kun je de volgende formule gebruiken:

s=

Als de opgave gaat over val problemen, dan kan je voor a ook g invullen.

1 ⋅a ⋅t2 2

Als we dezelfde beweging in een v,t diagram zetten, dan krijgen we de volgende grafiek. 35 30

v (m/s)

25 20 15 10 5 0 0

2

4

6

8

10

t (s)

Over het algemeen is het handigere om alleen een v,t-diagram te maken van een beweging, omdat hierin zowel informatie staat van de snelheid, de versnelling en de

48

afgelegde afstand. Om de afgelegde afstand te berekenen vanuit een v,t-diagram ga je als volgt te werk. Bepaal het oppervlak onder de grafiek. In bovenstaand diagram heeft de grafiek de vorm van een driehoek. Volgends de wiskunde geldt er voor de oppervlakte van een driehoek:

oppervlak =

1 1 ⋅ basis ⋅ hoogte → ⋅ b ⋅ h 2 2

Voor de natuurkunde geldt dan:

s=

1 1 ⋅ veind ⋅ t → s = ⋅ 30 ⋅ 10 → s = 150m 2 2

Resulterende kracht De kracht die nodig is om een voorwerp te versnellen is afhankelijk van hoe groot de versnelling is en hoe groot de massa is van het voorwerp is. De kracht die het voorwerp doet versnellen wordt de resulterende kracht (FR) genoemd. In formulevorm:

FR = m ⋅ a De auto uit bovenstaand voorbeeld heeft een massa van 1200 kg. Bereken de resulterende kracht die de motor levert.

FR = m ⋅ a → FR = 1200 ⋅ 3 → FR = 3600 N = 3,6kN Traagheid De snelheid van een voorwerp kan men veranderen door een kracht op dat voorwerp te laten werken. Dit veranderen van snelheid gaat bij het ene voorwerp gemakkelijker dan bij het andere voorwerp. Men zegt dan dat het ene voorwerp een kleinere traagheid bezit dan het andere voorwerp. Ieder voorwerp wil zo lang mogelijk op die snelheid blijven, die hij heeft. De eerste wet van Newton is de wet van de traagheid. Hieronder volgt een voorbeeld: Als een volle bus ineens moet remmen, dan ziet men dat alle passagiers ineens naar voren schieten om vervolgens naar achteren te vallen. We zeggen dan dat de passagiers traagheid bezitten. De traagheid van een voorwerp heeft te maken met de massa van een voorwerp. Als een voorwerp een grotere massa heeft, kost het veel moeite om de grootte of de richting van de snelheid van het voorwerp te veranderen. Een voorwerp met een grotere massa heeft dus een grotere traagheid. Tip: rekenwerk aan bewegingen kan soms erg lastig zijn. Schrijf eerst al de gegevens op die in de opgave staan en bedenk in je hoofd een strategie om die opgave aan te pakken. Werk dan vervolgens stapsgewijs. Bedenk altijd ‘welke grootheid willen ze weten’ en zoek in je Binas een bijpassende formule. Gebruik de ruimte op je papier. Door heel beknopt te werken ga je (onnodige) fouten maken. Liever het

examen uitgewerkt op 5 kantjes dan op 1 A4-tje !

49

5. Energie Overzicht van gebruikte afkortingen en formules bij dit thema. De gebruikte afkortingen en symbolen zijn afkomstig uit BINAS vmbo KGT. m = massa in kg h = hoogte in m s = afstand in m F = kracht in N v = snelheid in m/s g = valversnelling in m/s2 Eelek = Elektrische energie in Joule (J) (zie voor formule hoofdstuk over elektriciteit) Ez = Zwaarte energie Joule (J) Ek = kinetische energie in Joule (J) W = Arbeid in Joule (J)

Zwaarte energie : E z = m ⋅ g ⋅ h Kinetische energie : E k =

1 ⋅ m ⋅ v2 2

Arbeid : W = F ⋅ s

Energiebron Alles wat een bruikbare soort energie kan leveren, noem je een energiebron. In een energiebron is een soort energie opgeslagen die door een energieomzetter benut kan worden. Er zijn verschillende energie soorten: -

Chemische energie: komt vrij bij de verbranding van een brandstof

-

Kernenergie: komt vrij bij de splijting (en fusie) van atoomkernen.

-

Elektrische energie: Energie die geleverd wordt door elektriciteit.

50

-

Stralingsenergie: Licht, infrarood en andere vormen van straling bevatten energie.

-

Kinetische energie: alles wat beweegt heeft kinetische energie.

-

Zwaarte energie: energie die afhankelijk is van de hoogte van een voorwerp.

-

Warmte energie: energie die in warmte zit. Warmte kan ook een ongewenst bijproduct zijn, een energiesoort die je liever niet had.

Enkele voorbeelden van energieomzetters zijn: -

CV-ketel: Chemische energie (aardgas) wordt omgezet in warmte.

-

Gloeilamp: Elektrische energie wordt omgezet in licht

-

Een automotor: chemische energie wordt omgezet in beweging.

De wet van behoud van energie Bij energie omzettingen gaat nooit energie verloren. Er komt ook nooit nieuwe energie bij. De totale hoeveelheid energie is voor en na de energieomzetting even groot. De wet van behoud van energie zegt alleen iets over de totale hoeveelheid energie. De wet zegt niets over hoe waardevol de energie is. Voorbeeld: Een gloeilamp heeft als functie om licht te maken. Bij de omzetting van elektrische energie naar licht(energie) komt er ook een heleboel warmte vrij. Deze warmte is ook energie, maar niet bruikbaar. Met de restwarmte kun je niets nuttigs doen. De hoeveelheid energie berekenen Voor elk soort energie bestaat een formule waarmee je de hoeveelheid energie kan berekenen. De hoeveelheid energie druk je uit in Joule (J) Zie hieronder`:

Elektrische energie : E el = P ⋅ t = U ⋅ I ⋅ t U in volt, I in A en t in s. Æ Je krijgt dan de energie in Joule

Zwaarte − energie : E z = m ⋅ g ⋅ h De m staat voor de massa in kg, de g voor d zwaartekracht versnelling en h voor de hoogte in m. Het antwoord is in Joule.

51

1 Kinetische − energie : ⋅ m ⋅ v 2 2 De m staat voor massa in kg en de snelheid (v) in m/s. Let op dat je hier de snelheid moet kwadrateren. Aangezien alle vormen van energie uitgedrukt worden in Joule, kan je de hoeveelheid energie van de ene soort omrekenen naar de andere soort van energie. Voorbeeld: In Utrecht staat de Domtoren. Deze is 100 meter hoog. Men laat een steentje (200 gram) vallen vanaf deze hoogte. Met welke snelheid komt het steentje op de grond?

h = 100 m

In deze situatie bezit het steentje op 100 m hoogte energie. Tijdens de val naar beneden wordt de zwaarte energie omgezet in kinetische energie. In formulevorm:

E z = Ek 1 ⋅ m ⋅ v2 2 1 0,200 ⋅ 10 ⋅ 100 = ⋅ 0,200 ⋅ v 2 2 200 = 0,1 ⋅ v 2 200 v2 = → v 2 = 2000 0,1 m⋅ g ⋅h =

v = 2000 → v = 44,7 m / s m = 200 g = 0,200 kg g = 10 m/s2 h = 100 m

52

Merk op dat zowel in de formule voor de zwaarte energie als in de formule voor de kinetische energie de massa staat. In dat geval mag je deze tegen elkaar weg strepen. Dat levert uiteindelijk een makkelijkere berekening op.

E z = Ek m⋅ g ⋅h =

1 ⋅ m ⋅ v2 2

1 2 ⋅v 2 v2 = 2 ⋅ g ⋅ h → v = 2 ⋅ g ⋅ h g ⋅h =

v = 2 ⋅ 10 ⋅ 100 = 44,7m / s Arbeid Een vorm van energie, maar die niet helemaal in het rijtje thuis hoort is arbeid. Arbeid hangt af van kracht en afstand. Als je weet over welke afstand je een bepaalde kracht laat werken, dan kan je de arbeid berekenen met:

W = F ⋅s F in Newton en s in meters. De eenheid van arbeid is in Joule (!) Aangezien de eenheid in Joule is, mogen we de arbeid gelijk stellen aan een energiesoort. voorbeeld: Een auto van1100 kg rijdt met een snelheid van 15 m/s. Hij remt tot stilstand. De remweg is 25 meter. Bereken de remkracht. In dit geval wordt de kinetische energie omgezet in arbeid. Er geldt het volgende:

Ek = W 1 ⋅ m ⋅ v2 = F ⋅ s 2 1 ⋅ 1100 ⋅ 15 2 = F ⋅ 25 2 123750 = F ⋅ s 123750 F= → F = 4950 N 25

53

6. Bouw van de Materie Veel zuivere stoffen bestaan uit moleculen: kleine deeltjes die allemaal precies aan elkaar gelijk zijn. De moleculen van een zuivere stof zijn onderling precies gelijk, maar ze verschillen van de moleculen van andere zuivere stoffen. Een waterstofmolecuul ziet er bijvoorbeeld heel anders uit dan een ammoniakmolecuul of een methaanmolecuul. Moleculen zijn heel klein. In 1 mm3 water bevinden zich bijvoorbeeld 3,3 * 1019 (33 miljard miljard) moleculen. Een paar kenmerken van moleculen: -

De moleculen van een stof veranderen niet als een stof van fase verandert: het zijn steeds dezelfde moleculen, of de stof nu vast, vloeibaar of gasvormig is. De moleculen van een stof bewegen. Ze bewegen sneller naarmate de temperatuur van een stof hoger wordt. De moleculen van een stof trekken elkaar aan. De aantrekkingskracht wordt sterker als de moleculen dichter bij elkaar in de buurt komen; de aantrekkingskracht wordt zwakker as de moleculen bij elkaar vandaan bewegen.

Moleculen gedragen zich wel anders als ze van fase veranderen. Hieruit vloeien de volgende kenmerken: -

-

-

In een vaste stof trillen de moleculen rond een vaste evenwichtsstand; elk molecuul heeft een eigen vaste plaats op de evenwichtsstand. De afstand tussen de moleculen is klein, dus de onderlinge aantrekkingskracht is groot. De moleculen in een vloeistof bewegen langs elkaar heen; ze hebben geen vaste plaats meer. De onderlinge aantrekkingskracht is kleiner dan wanneer de stof vast is. Toch is die kracht nog wel groot genoeg om de moleculen bij elkaar te houden. De moleculen van een gas bewegen los van elkaar door de ruimte waarin het gas zich bevindt. De afstand tussen de moleculen is erg groot; de onderlinge aantrekkingskracht is heel erg klein.

Moleculen zijn opgebouwd uit nog weer kleinere deeltjes: de atomen. Een waterstofmolecuul bestaat bijvoorbeeld uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Waterstof en zuurstof worden elementen genoemd. Een element is een stof die niet verder kan worden ontleed. Zie ook het Atoommodel hieronder.

54

Kristallen Veel vaste stoffen vormen kristallen. Als je suikerkristallen onder de microscoop of met een vergrootglas bekijkt, valt hun regelmatige vorm direct op. Je ziet ook dat de grensvlakken mooi glad zijn. Zie ook de onderstaande foto’s van een suikerkristal en kwarts.

Suikerkristal

Kwarts kristal

Dat kristallen een vaste vorm hebben kun je verklaren met het model van een stof. Omdat de moleculen van een stof allemaal gelijk zijn, kunnen ze op een heel regelmatige manier ‘gestapeld’ worden. Zie ook onderstaande foto.

Zo ontstaat er een kristalrooster waarin elk molecuul zijn vaste plaats heeft. De onderlinge aantrekkingskracht tussen de moleculen zorgt ervoor dat ze stevig aan elkaar vast blijven zitten.

55

Atoommodel Een zuiver stof bestaat uit moleculen. Deze moleculen zijn opgebouwd uit deeltjes die nog kleiner zijn. Deze deeltjes heten atomen. Atomen worden ook wel elementen genoemd. Deze atomen kun je niet verder ontleden. Dat komt doordat de atomen van één element scheikundig gezien niet van elkaar te onderscheiden zijn: ze hebben dezelfde scheikundige eigenschappen. Een atoom bestaat uit een kern met daaromheen een wolk van elektronen. De kern van het atoom is vele male kleiner dan het atoom zelf. De kern is opgebouwd uit twee soorten deeltjes, namelijk protonen en neutronen. Uitzondering is het atoom van waterstof. Het waterstofatoom heeft slechts een proton in de kern en geen neutron. Hieronder zie je een schematische afbeelding van een atoom.

Protonen Het aantal protonen in de kern bepaalt welk element het is. Zo is een atoom met 6 protonen is de kern het element Koolstof. Het aantal protonen in de kern wordt ook wel het atoomnummer genoemd. Een proton heeft een positieve lading. In tabel 29 van Binas vind je een lijst met enkele elementen. Tabel 31 van Binas geeft het periodiek systeem weer, waar o.a. het atoomnummer wordt weergegeven. Neutronen Neutronen vormen samen met de protonen de kern van een atoom. De massa van een neutron is even groot als de massa van een proton. Een neutron heeft geen lading. De massa van de kern wordt bepaald door het aantal protonen en neutronen in de kern. Deze massa wordt weergegeven door het massagetal. Aan de hand van het atoomnummer (aantal protonen) en het massagetal (aantal protonen +neutronen samen) kun je bepalen hoeveel neutronen er in de kern zitten. Voorbeeld: (tabel 31 Binas) Koolstof heeft atoomnummer 6 en een massagetal van 12. Dat wil dus zeggen dat er 12 - 6 = 6 neutronen in een koolstofatoom zitten.

56

Bovenstaande afbeelding van het atoommodel is het atoommodel van Lithium. Atoomnummer is 3, massagetal = 7. Dat wil dus zeggen dat er 7 - 3 = 4 neutronen in de kern zitten. Elektronen Een elektron is een zeer klein (vele malen kleiner dan een proton of neutron) negatief geladen deeltje. De lading van een elektron is even groot als de lading van een proton, alleen tegengesteld. Het aantal elektronen in een atoom is gelijk aan het aantal protonen is de kern (dus gelijk aan het atoomnummer). Isotopen Het aantal protonen bepaalt het atoomsoort. Dit is per atoomsoort een vast getal. Het aantal neutronen in de kern wil wel eens verschillen. Zo zijn er van koolstof ook atomen met 8 neutronen in de kern (in plaats van 6). Als een atoomsoort meer neutronen in zijn kern heeft dan gebruikelijk, spreekt men van een isotoop. Een bekend voorbeeld is Koolstof-14. Meestal komt er in de natuur koolstof voor met een massagetal van 12 (6 protonen, 6 neutronen). Een zeer klein percentage van al de koolstof op aarde heeft 8 neutronen in zijn kern. Het massagetal is nu 14 geworden (6 protonen, 8 neutronen = 14). Men spreekt in deze situatie van het isotoop Koolstof 14, of nog korter: C-14. Tabel 29 geeft een overzicht van verschillende isotopen. Ioniseren Normaal is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen in de kern. De positieve lading wordt dan opgeheven door de negatieve lading en je kan dan spreken van een neutraal geladen atoom. Onder sommige omstandigheden is het mogelijk dat een atoom één of twee elektronen ‘verliest’ of extra opneemt. De lading van het atoom is nu niet meer neutraal, maar positief of negatief geladen. Als dat het geval is, spreekt men over een ion. Een ion is een geladen atoom. Als een atoom geladen wordt, dan noem je dat ioniseren. Als een atoom elektronen ‘verliest’, dan is er meer positieve lading dan negatieve lading. In dit geval wordt de netto lading positief. Je spreekt dan van een positief ion. Als een atoom extra elektronen opneemt, is er sprake van meer negatieve lading dan positieve. In deze situatie is de netto lading negatief. Je spreekt dan van een negatief ion.

57