Overal Natuurkunde 5 havo

Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen
Keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
1
a
b
c
Bij extreem weer moet je een veilig heenkomen kunnen zoeken, voldoende eten en een
noodelektriciteitsvoorziening hebben.
Zo kun je je op tijd voorbereiden.
Temperatuur, windrichting, windsnelheid, vochtigheid
AK.1 Het systeem aarde
3
a
b
Buiten de luchtlaag bevindt zich vacuüm.
De luchtlaag wordt aangetrokken door de zwaartekracht.
A4
De beweging van de aarde om haar as (dag en nacht), de beweging van de aarde om de zon en de
stand van de aardas (seizoenen), de hoeveelheid zonnestraling op het aardoppervlak en de verdeling
van land en water
A5
a
b
c
d
De atmosfeer maakt leven op aarde mogelijk.
Ozon houdt een groot deel van de schadelijke uv-straling tegen.
De zon
1008 mbar = 1008 hPa = 1008·102 Pa = 1,008·105 Pa
A6
a
b
Uit Binas tabel 30F volgt: 40 000 km.
De exosfeer
B7
Binas tabel 34: N2, O2, Ar, CO2, Ne, He, CH4, NO, Kr, Xe, H2
B8
a
b
c
B9
a
b
C10
a
b
Vlakbij het aardoppervlak is de kolom lucht die zich boven de moleculen bevindt veel hoger.
Door de druk van deze luchtkolom worden de onderste luchtmoleculen als het ware naar elkaar
toe geperst.
Hoger is er dus minder lucht boven je en is de lucht dus ijler.
Als je snel stijgt, neemt de luchtdruk af. Het trommelvlies is normaal in evenwicht. Bij een
plotselinge drukverandering is de druk aan de binnenkant hoger dan aan de buitenkant. Om
weer in evenwicht te komen ‘plopt’ je oor.
Boven op de Mount Everest is de lucht veel ijler. Er is een lagere druk en de hoeveelheid
zuurstof is veel lager. De longen krijgen dan minder zuurstof.
Gebruik p = ρ · h · g. Het hoogteverschil is 4808 m.
Het drukverschil is dan ∆p = ρ · ∆h · g = 1,293 × 4808 × 9,81 = 6,10·104 Pa.
De druk op de Mont Blanc zou dan zijn: 1,013·105 − 0,610·105 = 0,403·105 Pa (= 403 hPa).
De dichtheid van de lucht op de Mont Blanc is lager, dus zal ∆p kleiner zijn en de werkelijke
luchtdruk op de Mont Blanc dus hoger.
Huis B. De hoek die het zonnepaneel maakt zorgt ervoor dat rond het middaguur de zon bijna
loodrecht op de panelen kan vallen.
Rond het middaguur als de zon het hoogst staat, zal het zonnepaneel op huis B nu vrijwel geen
zonlicht opvangen. Er zal nu veel minder elektriciteit worden geproduceerd.
© Noordhoff Uitgevers Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
1
C11
a
b
C12
a
b
c
d
v = 20 km/h = 5,56 m/s
Fcoriolis = m · f · v = 60 × 1,15·10−4 × 5,56 = 0,038 N
Deze kracht is ten opzichte van de andere krachten (wrijvingskracht en spierkracht) erg klein.
De paarse lijn is een occlusiefront, de rode lijn een warmtefront en de blauwe lijn is een
koufront. Een occlusiefront is een plek waar een koufront en een warmtefront elkaar raken. Een
koufront beweegt zich sneller dan een warmtefront en haalt het warmtefront in.
Het koufront boven zee gaat naar het zuiden, het koufront rechts op de kaart naar het
zuidoosten, het warmtefront naar het noorden en het occlusiefront naar het noorden (en
oosten).
De wind waait boven zee evenwijdig aan de isobaren (met links de lage druk) en zal dus uit het
(zuid)westen komen.
De temperatuur zal toenemen omdat er een warmtefront in aantocht is.
C13
De troposfeer en de stratosfeer worden gescheiden door de tropopauze waar de temperatuur constant
is. In de tropopauze is hierdoor vrijwel geen verticale luchtstroming. De beide luchtlagen zullen zich
daardoor nauwelijks mengen.
C14
a
b
D15
a
b
Door het corioliseffect zal de wind niet langs een rechte lijn van hoge naar lage druk bewegen,
maar gaan draaien. Door dit effect blijven drukgebieden langere tijd bestaan.
Een krul met de klok mee (rond een lagedrukgebied) hoort bij het zuidelijk halfrond.
De corioliskracht heeft invloed op elk bewegend voorwerp op aarde.
De corioliskracht staat naar rechts ten opzichte van de snelheid van het voorwerp. Dus draait
het slingervlak rechtsom, met de klok mee.
AK.2 Wolken
16
Er zijn donkergrijze wolken zichtbaar, de kans dat het zal gaan regenen is dus groot.
A17
a
b
B18
a
b
B19
a
b
H2O, CO2, CH4
De zon warmt de aarde op. De langgolvige straling die de aarde uitzendt ten gevolge van de
opwarming wordt voor een groot deel geabsorbeerd door broeikasgassen.
Bij westenwind is de wind afkomstig van de Noordzee. Door verdamping van zeewater bevat de
lucht die afkomstig is van boven zee meer waterdamp dan lucht die afkomstig is van boven
land. De kans op benauwd en vochtig weer is dus het grootst bij westenwind.
100%
In de vroege ochtend is de temperatuur laag, de lucht kan dan minder waterdamp bevatten en
waterdamp zal condenseren op het gras.
Het condenseren op kleine druppels is vanwege de kromtestraal veel lastiger.
© Noordhoff Uitgevers Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
2
B20
Zie onderstaand figuur.
B21
a
b
B22
a
b
B23
a
b
B24
a
b
Bij 13 °C kan de lucht 11,5 g waterdamp per m3 bevatten. De relatieve luchtvochtigheid is dan
7,1
× 100% = 62%.
11, 5
Aflezen uit figuur AK.24 bij 7,1 g/m3 geeft 5 °C.
Boven de polen is de lucht veel kouder, koude lucht kan minder waterdamp bevatten.
Volgens het molecuulmodel hebben deeltjes in de gasvormige fase geen interactie met elkaar.
De druk hangt daarom niet van andere aanwezige gassen af.
Als vochtige lucht langs een bergwand stijgt, zal naarmate de temperatuur lager wordt, de lucht
minder waterdamp kunnen bevatten. De waterdamp gaat condenseren, hierbij komt warmte vrij.
De vochtige lucht zal daarom minder snel afkoelen dan de droge lucht.
C, B, A, D, E
De damp is eerst nog zo warm dat hij nog niet condenseert. Op een afstand van 50 cm zal de
temperatuur van de lucht zodanig zijn dat de waterdamp gaat condenseren.
In de winter zal deze afstand kleiner zijn dan in de zomer, de lucht buiten de pijp heeft een
lagere temperatuur, waardoor de damp sneller kan gaan condenseren.
© Noordhoff Uitgevers Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
3
B25
a
b
Zie onderstaand figuur.
Om 16.00 uur is het verschil tussen temperatuur en dauwpunt het grootst. Daar is de
luchtvochtigheid het laagst.
B26
Cumuluswolken ontstaan door de snelle verticale stijging van vochtige lucht.
Stratuswolken ontstaan door veel langzamer stijging van (vochtige) lucht.
B27
De zon staat dan lager en de temperatuur daalt. Als de temperatuur daalt tot onder het dauwpunt,
ontstaat condensatie en dat kan leiden tot regen.
C28
a
b
c
d
Bij 18 °C is de verzadigingsdruk 2065 Pa.
10  102
De relatieve luchtvochtigheid is dan
× 100% = 48%.
2065
De partiële dampdruk blijft dus 10 hPa, de verzadigingsdruk is nu 1403 Pa (zie Binas tabel
10  102
13A). De relatieve luchtvochtigheid is dan
× 100% = 71%.
1403
Dan is de damp verzadigd. Een verzadigingsdampdruk van 10 hPa hoort bij 7,0 °C.
Kleiner, want de druk en dus de massa nemen af met de hoogte.
AK.3 Het klimaat
29
Hoge temperaturen en veel regen, dus een hoge luchtvochtigheid
A30
a
b
B31
a
b
Door kortgolvige zonnestraling die wordt geabsorbeerd
Door langgolvige straling die wordt uitgezonden
Minder bewolking betekent dat er minder zonnestraling wordt weerkaatst. De albedo zal dus
afnemen. De temperatuur op aarde zal daardoor toenemen.
Overigens betekent het tegelijkertijd dat de teruggekaatste straling van de aarde minder
geabsorbeerd kan worden. Waarschijnlijk is het eerste effect het sterkst.
Als ijs verdwijnt, neemt de albedo op die plaats sterk af en van de aarde als geheel ook. De
zeespiegel zal gaan stijgen en de warme golfstroom kan van richting veranderen of zelfs
stoppen, waardoor het in bijvoorbeeld Europa kouder kan worden.
© Noordhoff Uitgevers Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
4
B32
a
b
B33
a
b
c
C34
a
b
c
C35
a
b
Het effect dat broeikasgassen in de atmosfeer kortgolvige straling (van de zon) doorlaten en
langgolvige straling (van de aarde) absorberen. Door meer broeikasgassen in de atmosfeer zal
de absorptie toenemen.
Door uitstoot van broeikasgassen wordt het broeikaseffect versterkt.
De breedtegraad, de verdeling water en land en bergketens
Nederland met een zeeklimaat ligt op dezelfde breedtegraad als Montreal (in Canada) met een
landklimaat.
De vochtige lucht die van de oceaan afkomstig is bereikt het gebied ten oosten van de bergen
niet, omdat door het ontstaan van bewolking er aan de westkant regen zal vallen. Het klimaat
ten oosten van de bergen zal daarom veel droger zijn.
De oppervlakte van een bol kun je berekenen met: A = 4πR2.
Invullen: A = 4πR2 = 4π × (6,963·108)2 = 6,093·1018 m2.
P = I · A = σ · T4 · A = 5,6704·10−8 × 57804 × 6,093·1018 = 3,856·1026 W
De afstand van de aarde tot de zon is (gemiddeld) 0,1496·1012 m.
3, 85  1026
3, 85  1026
De energie is dan:
=
= 1,37·103 W/m2.
2
4πR
4π(0,1496  1012 ) 2
Dit is gelijk aan de zonneconstante op aarde (zie ook Binas tabel 32C).
P = I · A = σ · T4 · A = 5,670·10−8 × 2834 × 1,0·106 = 3,6·108 W
P1 = I · A = σ · T4 · A = 5,670·10−8 × 2734 × 0,50·106 = 1,57·108 W
P2 = I · A = σ · T4 · A = 5,670·10−8 × 2934 × 0,50·106 = 2,09·108 W
En dat is totaal 3,7·108 W.
C36
a
5,79·1010 m
b
De energie is dan:
c
3, 85  1026
3, 85  1026
=
= 9,14·103 W/m2.
2
4πR
4π  (5,79  1010 )2
Het totale vermogen dat Mercurius bereikt is dan: 9,14·103 × πR2 = 9,14·103 × π × (2,440·106)2
= 1,71·1017 W. Daarvan absorbeert Mercurius 0,94 × 1,71·1017 W = 1,61·1017 W.
Totale oppervlakte van Mercurius is A = 4πR2 = 4π × (2,440·106)2 = 7,48·1013 m2.
P
1, 61 1017
P = σ · T4 · A → T4 =
=
= 3,78·1010 → T = 4 3, 78  1010 = 441 K =
σA
5, 670  10 8  7, 48  1013
168 °C.
AK.4 De vaste aarde
37
Door de uitbarsting komen kleine asdeeltjes in de atmosfeer. De bewolking neemt tijdelijk toe.
A38
a
b
c
Convectie in de aardmantel die de platen in de korst erboven meenemen
232
4
228
90Th  2 He + 88 Ra
A3, B1 en C2
A39
Door de uitstoot van as neemt de bewolking toe.
De as uit de vulkaan zorgt voor vruchtbare grond.
© Noordhoff Uitgevers Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
5
B40
a
b
c
d
Subductie wil zeggen dat platen tegen elkaar aankomen, waarbij de ene plaat onder de andere
schuift.
De platen zullen zich verplaatsen, waarbij een deel van een van de platen zal verdwijnen.
2, 5  10 2
2,5 cm/ jaar, dat is
= 7,9·10−10 m/s
365  24  60  60
100 × 2,5 = 250 cm = 2,5 m
B41
C
B42
a
b
D43
a
b
c
D44
a
s
15000
=
= 6,8·102 km/h
t
22
Water zelf verplaatst zich vrijwel niet horizontaal, wel verticaal. De energie wordt doorgegeven
door het water.
v=
Invullen in de formule: 10 log E = 6,8 + 1,5 × 4,0 = 12,8 → E = 6,3·1012 J
In een dag ontvangt de aarde 1,74·1017 × 24 × 60 × 60 = 1,50·1022 J aan energie.
Vul dit getal in de gegeven formule in: 10log 1,50·1022 = 6,8 +1,5 × M → 1,5 × M = 22,18 − 6,8 =
15, 38
15,38 → M =
= 10
1,5
De energie die vrijkomt bij M = 7: 10log E = 6,8 + 1,5 × 7 = 17,3 → E = 2,0·1017 J
2,0  1017
Daar zijn
= 3·104 bevingen van M = 4 voor nodig.
6, 3  1012
Bij de eerste geldt: 160 = 11,3 d → d = 200 m.
Bij de tweede geldt: 80 =11,3 d → d = 50 m.
b
De snelheid van de tsunami is: v = 11,3 3, 0  103 = 619 km/h.
s=v·t→t=
c
D45
a
b
c
s
150
=
= 0,24 h = 15 min.
v
619
d 
Vul in: h2 =  1 
 d2 
0,25
 1000 
 h1 = 
 10 
0,25
× 0,60 = 1,9 m.
De aarde is een bol met een volume van:
4
3
πR3 =
4
3
π × (6,371·106)3 = 1,083·1021 m3, de
massa is dan m = ρ · V = 5513 × 1,083·1021 = 5,972·1024 kg (zie ook Binas tabel 31).
Q = 5,0·10−12 × 5,972·1024 = 3,0·1013 W
Het aardoppervlak is A = 4πR2 = 4π × (6,371·106)2 = 5,101·1014 m2.
44  1012
Dus
= 0,086 W/m2.
5,101 1014
Het verschil is 44·1012 − 30·1012 = 14·1012 W komt van radioactief verval.
© Noordhoff Uitgevers Overal Natuurkunde 5 havo
Uitwerkingen keuzehoofdstuk Aarde en klimaat
6