7 Arbeid, vermogen en energie 7.1 Arbeid 7.1.1
advertisement
Fysica – hoofdstuk 1 : Mechanica 1ejaar 2egraad (2uur) - 69 - 7 Arbeid, vermogen en energie 7.1 Arbeid 7.1.1 Definitie Een kracht kan gebruikt worden om een voorwerp te verplaatsen over een bepaalde afstand. Voorbeelden: Ik plaats mijn boekentas op de tafel. Ik duw de kast vooruit. .................................................................................... We zeggen dat een kracht die op een voorwerp werkt arbeid verricht als het voorwerp zich hierdoor verplaatst Symbool: W (work) Bij alle voorbeelden werd er arbeid geleverd want: er werd een ……………………………………………… gebruikt er werd een ……………………………………………… veroorzaakt De geleverde arbeid vergroot als de gebruikte kracht …………………………… is. W en F zijn dus …………………………………………… De geleverde arbeid vergroot als de afgelegde weg …………………………..… is. W en ∆s zijn dus ……………………………………………………… Definitie van arbeid De arbeid die een (constante) kracht levert is het product van de kracht met haar verplaatsing, gemeten volgens haar eigen richting. Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 70 7.1.2 Formule: W = F . ∆s (met F // ∆s) W: arbeid F: grootte van de kracht (eenheid : N ) ∆s : afgelegde weg ( eenheid : J ) (eenheid : m ) Let op : de kracht moet minstens in dezelfde richting werken van de afgelegde weg. F en ∆s lopen minstens evenwijdig. Eenheid Eenheid arbeid = eenheid kracht . eenheid verplaasting = N = J . m ( joule) Een joule is de arbeid geleverd door een kracht van 1 N, waardoor het voorwerp een verplaatsing van 1 m ondergaat. Merk op: 1 J is naar mensenmaat een erg kleine arbeid. Om je een idee te geven: je verricht ongeveer 1 J arbeid als je 1 kg suiker 10 cm omhoog beweegt. We zullen daarom dus ook veel gebruik maken van de afgeleide eenheden: 1 MJ = ................... 1 kJ = ...................... James Prescott Joule (1818 – 1889) James Joule was de zoon van een rijke brouwer uit Salford, bij Manchester. Aanvankelijk werkte hij in de brouwerij, maar al snel besliste hij zich aan de wetenschap te wijden. Hij deed onderzoekingen op het gebied van electriciteit en onderzocht de warmteontwikkeling bij een electrische stroom. Gaandeweg legde hij zich toe op de warmteleer. Joule kan worden beschouwd als de proefondervindelijke grondlegger van de energetische warmtetheorie. Joule bestudeerde de kenmerken van warmte, en ontdekte de relatie met energie. Dit leidde tot de wet van behoud van energie (eerste wet van de Thermodynamica). De SI eenheid voor energie, de joule, is naar hem genoemd. Hij ontwikkelde met Lord Kelvin de absolute temperatuurschaal, beschreef magnetostrictie, en vond de relatie tussen elektrische stroom door een weerstand en warmtedissipatie, bekend als de wet van Joule. Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 71 7.1.3 Positieve en negatieve arbeid 1. Als de kracht en de verplaatsing dezelfde zin hebben dan spreken we van ........................... arbeid. Als kracht en verplaatsing een tegengestelded zin hebben dan spreken we van .................................... arbeid. F Verplaatsing : F ∆s Positieve arbeid Verplaatsing : ∆s Negatieve arbeid 7.1.4 Het behoud van arbeid bij hefbomen. Bij de hefbomen hebben we reeds opgemerkt dat er met een winst aan kracht een evenredig verlies aan afgelegde weg gepaard gaat. => F . ∆s = constante Bij hefbomen in evenwicht is er sprake van het behoud van arbeid. (Dit geldt voor alle werktuigen!!!!) 7.1.5 Als kracht en verplaatsing NIET evenwijdig zijn Als de kracht niet evenwijdig is aan de verplaatsing wordt er ook arbeid verricht. Om dan de arbeid te berekenen kan de kracht ontbonden worden in een krachtcomponent die evenwijdig is met de verplaatsing = F1 F1 is …………………………… oorzaak van verplaatsing in een krachtcomponent die loodrecht staat op de verplaatsing = F2 is …………………………… oorzaak van verplaatsing Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 F2 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 72 7.1.6 Denk na en antwoord: 1. Als je een boekentas met gestrekte arm voor je houdt, word je wel moe en je bent aan het werken. Maar heb je arbeid verricht? …………………………… Waarom? …………………………………………………………………………………………… 2. Je loopt rond met een stapel boeken in je armen. Je armen verrichten een kracht om de stapel te tillen, je benen leveren een kracht om de stapel rond te dragen. Wie van beide heeft er arbeid verricht? ………………………………………………………… Waarom? ………………………………………………………………………………………… 3. Je tilt een stapel boeken op van de grond en legt ze op tafel. Heb je arbeid verricht? …………………………… Waarom? …………………………………………………………………………………………………………… Hoe groot was de kracht? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 7.1.7 Samenvatting: De arbeid die een (constante) kracht levert is het product van de ........................................ met haar ............................................., gemeten volgens haar eigen richting. W = ...................................... W: ............................. ( eenheid : .... ) F: ........................... (eenheid : ..... ) ∆s : .................. .......... (eenheid : ..... ) Let op: Kracht en verplaatsing moeten ........................... Positieve arbeid : ......................................................... Negatieve arbeid : ......................................................... Bij hefbomen geldt de wet van ...................................... Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 73 7.1.8 Vraagstukken: 1. Om een wagentje horizontaal voort te bewegen is er een kracht nodig van 50 N. Hoeveel arbeid is er verricht als het wagentje 30 m verder is? (Oplossing: 1,5 . 103 J ) 2. We heffen onze boekentas, gewicht 20 N , 50 cm op. Bereken de (Oplossing: 10 J ) verricht arbeid. 3. Bepaal de totale arbeid in volgend voorbeeld: a. We gaan met onze boekentas, gewicht 20 N, naar de bushalte op 300 m van de school. b. We staan met onze boekentas in de hand te wachten op de bus. c. Dan lopen we van de bushalte naar huis, 200 m. (Oplossing: 104 J ) 4. Een kracht verricht 4 kJ arbeid om een voorwerp 80 m te verplaatsen. Hoe groot is de kracht? (Oplossing: 5,0 . 10 N ) 5. Om een rotsblok 500 m te verplaatsen leverden de Egyptische slaven 15 MJ aan arbeid. Wat was de massa van het rotsblok? (Oplossing: 3,06 . 103 kg ) 6. Bepaal de arbeid die verricht is als je volgend karretje zonder bloemkolen 5 km verder trekt. (1 cm => 1 N ) (Oplossing: 2,0 . 101 kJ) 7. Een man van 75 kg klimt met een zak aardappelen van 45 kg op zijn rug 9,0 m hoog op een ladder. Bereken de arbeid die hij heeft verricht. (oplossing: 1,06 . 104 J) 8. Een groentenhandelaar moet een kracht van 196 N uitoefenen om zijn wagen in beweging te houden.Welke arbeid heeft hij verricht als hij een weg van 2 km aflegt. (Oplossing: 3,92 .105 J ) Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 74 7.1.9 Samenvatting: 7.1.10 Noteer hier je eigen opmerkingen en aanvullingen: ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 75 7.2 Vermogen 7.2.1 Definitie Voorbeeld: Als er op een bouwwerf 5000 N stenen , 10 m hoog moeten gebracht worden, dan moet er een arbeid geleverd worden van 50 kJ. De aannemer kan dan overwegen om de metserdiender de klus te laten klaren in 2 uur of een kraan te laten aanrukken die de arbeid verricht in 10 minuten. De verhouding tussen de geleverde arbeid en de tijd, daarvoor nodig, noemen we het vermogen. Symbool: P (power) Het vermogen vergroot als de geleverde arbeid ……………………………….....………… is. P en W zijn ……………………………………………………………………… Het vermogen vergroot als de tijd (nodig om de arbeid te leveren) ……………………………… is. P en ∆t zijn …………………………………………………………………….... Definitie van vermogen : De arbeid die per tijdseenheid verricht wordt of De verhouding van de verrichte arbeid op de tijd die nodig is om de arbeid te verrichten. 7.2.2 Formule: P = W ∆t P : Vermogen W : Arbeid ∆t : Tijdsverloop ( eenheid : W ) ( eenheid : J ) ( eenheid : s ) Merk op : ∆t is het tijdsverschil tussen de aanvang en het beëindigen van de arbeid. 7.2.3 Eenheid Eenheid van vermogen: = eenheid arbeid eenheid tijdsverloop J = s = W (Watt, naar de Engelsman James Watt 1736-1819) Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica James Watt ( 1736-1819) James Watt wordt beschouwd als de uitvinder van de stoommachine.De allereerste stoommachine was echter al rond 1700 gemaakt. Het was een pomp die in de mijnen werd gebruikt om grondwater uit de mijnengangen te pompen. Watt heeft deze echter aangepast en wordt daarom als de uitvinder van de stoommachine beschouwd. Het vermogen is kenmerkend voor elk toestel. Hieronde enkele voorbeelden: menselijk hart mens paard auto (90 pk) locomotief vliegtuigmotor Elektrische centrale Lancering Space Shuttle 1,5 W 74 W 512 W 750 W – 1 500 000 W 220 000 W – 2 200 000 W 7 500 000 W 400 MW (opm: kerncentrale : 477 MW) 350 000 kW 7.2.4 Arbeid en vermogen De elektriciteitsproductie drukt men uit in MJ : 1 MJ = .................. J Wat betalen we dan aan de maatschappij? Arbeid of vermogen?.................... Merk op: Halen we uit de formule van vermogen de arbeid dan krijgen we P = Dus: W ∆t ⇒ W = .......... .......... Eenheid voor arbeid = eenheid vermogen . eenheid tijdsverloop = 1 kW . 1h = 1 kWh We hebben echter gezien dat de eenheid van arbeid Joule is!!!!! Wat is nu het verband tussen 1 J en 1 kWh ? 1kWh = ………… Wh = …………. W = ………… = ……… ⋅ …… h W ⋅ ……….....… s J ⋅ …………..... s s = …………….... Besluit : J 1kWh = …….........….. J = ......... MJ Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 pag. 76 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 77 7.2.5 WW: Vermogen bepalen ontwikkeld door een leerling. Naam: ........................................................................ Klas: .................... Bepaal het vermogen ontwikkeld door een leerling Datum: ............... We bepalen het vermogen door een leerling ontwikkeld door 10x op een stoel te gaan staan. Werkwijze: 1. Een leerling (m1) gaat 10x op een stoel staan. De andere leerlingen van de groep bepalen met de chronometer de tijd ( ∆t1 ) die deze leerling hiervoor ∆s nodig heeft. 2. Een tweede leerling (m2)doet dezelfde proef en de andere lln bepalen opnieuw de tijd ( ∆t 2 ) die deze leerling hiervoor nodig heeft. 3. Die tweede leerling (m2)doet opnieuw de proef, maar tracht zijn tijd (∆t 3 ) van daarnet te verbeteren. . Metingen: Massa ........................... : m1 = ...................................... Massa ........................... : m2 = ...................................... Hoogte van de stoel : h stoel = ............. ⇔ ∆s tot = ..................................... Tijd van de 1e lln : ∆t1 = .................................... Tijd van de 2e lln (traag) : ∆t 2 = .................................... Tijd van de 2e lln : ∆t 3 = .................................... (snel) Berekeningen: Kracht Arbeid Vermogen F = .................. in N W = ...................... in J P = ................ in W ............................... ............................... .............................. ............................... ............................... .............................. .............................. ................................ ............................. Leerling 1 : .............................. Leerling 2 (traag) : .............................. Leerling 2 (snel) : ................................ Besluit: 1. Leerling 2 heeft in beide gevallen (traag en snel) evenveel …………………………… geleverd. 2. Het maximum vermogen dat de leerlingen ontwikkeld hebben is ………………………… Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 78 7.2.6 ZW : Vermogen bepalen van enkele toestellen. Naam: ........................................................................ Opgave: Zoek thuis het vermogen op van de volgende huishoudtoestellen. Dit kan je vinden op het identificatieplaatje Bepaal het vermogen ontwikkeld door een leerling Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Klas: .................... Datum: ............... Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 79 7.2.7 Samenvatting: Het vermogen is de .........................die per .......................... verricht wordt of Het vermogen is de ........................................ van de verrichte ...................................... op ............................................ die nodig is om .................................. te verrichten. P= ............... .................. P : ........................... ( eenheid : ...... ) W : ........................... ( eenheid : ...... ) ∆t : .......................... ( eenheid : ...... ) Merk op : 1kWh = …….........….. J ( eenheid van ......................) 7.2.8 Denk na en antwoord: Voor welke grootheden staan volgende eenheden? a) kW =>........................ b) kN => ........................ c) MJ => ........................ d) kWh => ........................ Het vermogen van een toestel heeft geen vaste waarde, maar hangt af van de omstandigheden waarin het toestel gebruikt wordt: Een lamp die wordt aangesloten op een lagere spanning dan op de lamp is vermeld, verbruikt een .................................... vermogen en geeft dus ....................... licht. Als je met een auto rustig vertrekt, is het vermogen ………………….... dan wanneer je snel optrekt. Voor het menselijk lichaam is het vermogen afhankelijk van de spiergroepen die gebruikt worden. De beenspieren ( ....................................) hebben het ................... vermogen. Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 80 Het maximale vermogen van een toestel kan je aflezen op het informatieplaatje. Dit koffiezetapparaat heeft een maximaal vermogen van ............ W, want het moet het water snel kunnen ........................................ Deze ventilator heeft een vermogen van .....W Waarom zo weinig? ......................................................... Als het snoer in deze kabelbox is opgerold dan kan er een apparaat op worden aangesloten met een vermogen van ....................... W en als het snoer uitgerold is dan kan er een apparaat worden aangesloten van ................... W. Zet om naar de aangegeven eenheid, noteer in wetenshappelijke notatie: a. 5000320 Ncm = s W b. 2,5 kWh J c. 0,0025 kWh J d. 372820 J h Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 W Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 81 7.2.9 Vraagstukjes: 1. Je brengt 100 kg stenen langs een ladder naar de eerste verdieping, 3 m hoog. Dit doe je in 10 minuten. Een kraan heeft hiervoor 30 seconden nodig. Bereken voor beide de verrichte arbeid en het ontwikkelde vermogen om de stenen naar boven te brengen.. (Oplossing: 2,94 103 J ; 4,9 W ; 9,8 101 W) 2. Als jij (massa 65 kg) een toren, 82 m hoog, kan bestijgen in 15 min. Welke arbeid heb je dan verricht, hoe groot is het ontwikkelde vermogen. (Oplossing: 5,22 104 J ; 5,80 101 W) 3. Welke arbeid moet men verrichten om een massa van 200 kg tot op een hoogte van 5 m te trekken. Welk vermogen moet mijn kraan hebben als ik dat op 1 minuut wil doen? (Oplossing: 9,8 103 J ; 1,63 102 W ) 4. Een kraan ontwikkelt een vermogen van 20 kW. In welke tijd kan een last van 38 000 N op een hoogte van 6 m gebracht worden? (Oplossing: 1,14 101 s) 5. Een man van 75 kg klimt met een zak aardappelen van 45 kg op zijn rug in 20,0 s 9,0 m hoog op een ladder. Hoeveel arbeid heeft hij verricht en hoe groot is het ontwikkelde vermogen? (Oplossing: 1,06 104 J ; 5,29 102 W ) 6. Een sprinter loopt 100 m in 10,6 s en verricht daarbij een arbeid van 22,5 kJ. Bereken zijn gemiddeld vermogen tijdens de sprint. (Oplossing: 2,12 103 W) 7. Een tractor ploegt 200 m in een tijd van 4 min 30 s en oefent daarbij een kracht van 960 N uit. Bereken het vermogen van de tractor. (Oplossing: 7,11 102 W) 7.2.10 Samenvattting: Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 82 7.2.11 Noteer hier je eigen opmerkingen: ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica 7.3 Energie 7.3.1 Definitie Voorbeelden: Na arbeid krijgen we honger want onze energie is opgebruikt. Voedsel is onze energiebron. Voedsel is letterlijk de brandstof voor ons lichaam. In onze maatschappij halen we vooral energie uit olieproducten, kernergie en gas. Een motor heeft brandstof (energie) nodig om arbeid te leveren. Met energie kan je een auto in beweging brengen. Benzine kan een motor doen draaien, het bezit energie. Er wordt dan arbeid verricht op de auto. De gewichten aan een koekoeksklok doen het uurwerk draaien, ze bezitten energie. De veer of batterij in je polsuurwerk bezit energie. Spierkracht stelt ons in staat van arbeid te verrichten, de spieren bezitten energie. We kunnen dus zeggen dat een voorwerp energie bezit als het arbeid kan leveren. Symbool E Definitie Een voorwerp bezit energie als het ..............................kan verrichten. Eenheid Energie: Eenheid Energie = = Eenheid arbeid J (joule) Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 pag. 83 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 84 7.3.2 Soorten energie: 7.3.2.1 Chemische energie: Door verbranding kan een stof arbeid leveren. De verbranding is een chemisch proces. Als een stof .................. kan leveren door een .................................................................... bezit ze chemische energie. Kenmerk: de materie verandert ……………. Voorbeelden: ................................................................................ ................................................................................ ................................................................................ 7.3.2.2 Mechanische energie: Het water achter een stuwdam bezit ook energie. Het kan immers langs buizen geleid worden en zo de schoepen van een turbine in beweging zetten. De wind (dit is lucht in beweging) bezit energie: Hij kan windmolens doen draaien, zeilschepen voortdrijven. Als hij tot een orkaan aangroeit kan hij bomen ontwortelen en huizen omver werpen. Kenmerk: De materie verandert ....................... Voorbeelden: .......................................................... .......................................................... .......................................................... Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 85 Mechanische energie Potentiële gravitatie-energie Kinetische energie De energie die een voorwerp bezit omdat De energie die een voorwerp bezit het zich in een speciale toestand bevindt. omdat het in beweging is. Omdat er verschillende soorten krachten (Ook wel beweginsgenergie genoemd) zijn, zijn er verschillende soorten potentiële energie. Potentiële energie als gevolg van de zwaartekracht levert potentiële gravitatie-energie op. Voorbeelden: Voorbeelden: • Opgespannen veer • een rijdende auto • Gebogen lat • een draaiend wiel • Opgespannen pees van een boog • roterende schroef • Water in een stuwmeer Berekening (formule): Berekening (formule): Om een voorwerp omhoog Naarmate het voorwerp een grotere te brengen moeten we een snelheid heeft en een grotere massa kracht uitoefenen tegen de zal het meer kinetische energie zwaartekracht in. Deze bezitten. energie wordt als potentiële energie opgeslagen. Voor een voorwerp met massa m geldt op hoogte h met bekende zwaarteveldsterkte g de volgende relatie met betrekking tot de zwaartekrachtenergie van het voorwerp Ep = m⋅ g ⋅h Ek = 1 m v2 2 E p : ......................... (eenheid:.........) m : .......................... (eenheid: .......) E k ........................(eenheid: ......) g : ........................... (eenheid: ......) m : ........................(eenheid: ......) h : ........................... (eenheid: .......) v : ........................(eenheid: Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 m ) s Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 86 7.4 Behoud van mechanische energie bij een vallend voorwerp. Valt een voorwerp, dan krijgt het snelheid. De potentiële energie wordt dan omgezet in kinetische energie. Wet behoud van mechanische energie : E k +E p= constant De mechanische energie (de som van potentiële en kinetische energie) blijft behouden: Ep = 10 000J Ek = 0 J Bij een valbeweging in het luchtledige • Ep = 7 500 J Ek = 2 500 J • Ep = 5 000 J Ek = 5 000 J • Wordt de potentiële energie van het lichaam omgezet in kinetische energie; Is de toename aan kinetische energie gelijk aan de afname van potentiële energie: ∆E k = - ∆E p Blijft de som van de kinetische en potentiële energie onveranderd: E k + E p = C ste Ep = 2 500J Ek = 7 500 J Ep = 0 J Ek = 10 000 J Voorbeeld: Tarzan heeft een massa van 72,6 kg. Hij valt uit een boom van een hoogte van 3,00 m. a) Bereken zijn potentiële energie voordat hij uit de boom valt: Epot = .................... b) Wat gebeurt er met de potentiële energie bij het vallen? : ...................................... a) Hoeveel is de kinetische energie vlak voordat hij de grond raakt? E kin = ........ b) Hoeveel is de potentiële energie op het ogenblik dat hij de grond raakt: E c) Bereken zijn potentiële en kinetische energie op 2 m hoogte: E pot = ................ en E kin = ............................ Noteer hier de gebruikte formules en berekeningen: Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 pot= ..... Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica Andere energievormen en omzettingen: • pag. 87 Wiel van Maxwell = de jojo na opdraaien van het touwtje ………………………… energie ………………………… energie ………………………… energie Waar is de energie als de jojo na een tijd tot rust komt? .................................................................................................... • Een batterij: Omzetting van …………………………………… energie in ……………………………………………… energie • Een stuwmeer: Omzetting van ……………………………… energie naar ………………………………………… energie (in de dynamo) en dan in ……………………… energie • Een kachel: Omzetting van ……………………………………energie in thermische energie • Boormachine: Omzetting van …………………………………… energie in …………………………………………… energie Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica • Een kerncentrale pag. 88 Omzetting van …………………………… .......energie naar …………………………………………… energie naar ……………………………………………energie naar ……………………………………… ........energie • De radiometer van Crookes: Omzetting van ……………………………… energie in ……………………………………… energie Besluit: Energie kan van de ene vorm in de andere omgezet orden. Energie kan van het ene voorwerp op het andere overgaan. Door gebruik van een toestel kan de ene energievorm in de andere omgezet worden. Een toestel is dus geen energieverbruiker maar een energieomzetter! 7.6 Wet van behoud van energie Wet van behoud van energie: In een afgesloten stelsel kan de energie wel van één vorm in een andere overgaan of van een voorwerp op een ander overgedragen worden, de som van alle energieën verandert niet. De wet van het behoud van energie is even fundamenteel voor de natuurkunde als het behoud van massa , wet van Lavoisier, voor de chemie. Einstein heeft er echter op gewezen dat beide wetten afzonderlijk onjuist zijn, aangezien massa in energie omgezet kan worden en omgekeerd, volgens de formule E = m.c². De wet zou dus moeten luiden: de som van massa en enrgie blijft constant Het “perpetuum mobile” Soms horen we van een uitvinder die denkt een toestel gevonden te hebben dat meer energie voortbrengt dan het verbruikt. Een eeuwig durende beweging, eens gestart voor altijd in beweging, is zo een andere droom van enkele fantasten. Volgens de energiewet kan dit echter niet. Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 89 7.7 Rendement: Als een machine energie verbruikt dan willen we daar graag zoveel mogelijk nuttige (geleverde) energie terug uit halen. Uitstromende of nuttige energie Instromende energievorm (= toegevoerde) Energie omzetter + Warmte (verlies ?!) Defintie van rendement: De verhouding tussen nuttige of uitstromende energie en de toegevoerde energie De nuttige energie …………………………… dan de toegevoerde energie. Het rendement is dus een getal …………………………… dan 1. Waar is de rest van de energie naar toe? …………………………………………………………… η = E nuttig E toevoer eenheid: onbenoemd Voorbeeld: Bereken het rendement van een fietsdynamo als 80 kJ kinetische energie toegevoerd wordt om 62 kJ elektriciteit te bekomen. Geg: ........................................ ......................................... Gevr:........................................ Opl: Formules: ....................................... Berekening: .................................... .................................... .................................... Antwoord: ................................................ Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 90 7.8 Samenvatting: Energie = ………………………………………………………… Mechanische energievormen: 1. Potentiële energie : .………………………………………………………. Formule potentiële energie : Ep =…………………………. m: ……………………(eenheid : ………….) g : ……………………(eenheid : ………….) h : ……………………(eenheid : ………….) 2. Kinetische energie: …………………………………........................................... Formule kinetische energie : Ek = …………………………. m : ……………………(eenheid : ………….) v : ……………………(eenheid : ………….) 3. Behoud van mechanische energie: ………………………...... ................................................................................ 4. Behoud van energie : ………………………………………… …………………………………………………………………… 5. Rendement: …………………………………………………………… Formule rendement: E nuttig E toevoer η η = .................. ................. : ……………………(eenheid : ………….) : ……………………(eenheid : ………….) : ……………………(eenheid : ………….) Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 91 7.9 Kringloop van de energie: Alle energie vindt zijn oorsprong bij de ………………………………………………………… of ………………………………………………………… van de zon. De mens ontwikkelde toestellen om deze energie om te zetten in andere vormen. Maar uiteindelijk eindigt elke energievorm weer in ……………………………. 7.10 Energievreters Door klimaatverandering en uitputting van fossiele brandstoffen staat het verbruik van olie, gas en kolen volop ter discussie. De samenleving staat voor de uitdaging om duurzaam om te gaan met energie. Hebt u ooit gehoord van een A++-label koelkast? Die is bijzonder zuinig. In de winkel kunt u aan het energielabel zien hoeveel energie apparaten verbruiken. Het A-label is het zuinigst, het G-label het minst zuinig. Sommige apparaten zijn zo zuinig, dat ze een A met twee plussen krijgen: A++. Sommige apparaten verbruiken erg veel energie. De airco is een echte energieslurper, net als het waterbed en de vijverpomp. Maar ook een oude koelkast vreet energie. Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 92 7.11 Denk na en antwoord: 1. Bij elektrische huisverwarming wordt alle elektriciteit in warmte omgezet. Is elektrische verwarming vanuit energiestandpunt dan zo voordelig? Waar is het verlies eventueel gebeurd? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1. Rik eet een chocoladereep van 100g op. Op de verpakking staat : ‘energie 2236 kJ per 100g’. a. Welke energiesoort is opgeslagen in de chocolade? ...................................................... b. Rik heeft een massa van 70 kg en gaat een berg beklimmen. Hoe hoog kan hij klimmen met de energie van de reep chocolade? Geg. Gevr. Opl. Formules: Berekeningen: Antwoord: c. Leg uit waarom het resultaat niet klopt met de werkelijheid. .................................................................................................................. Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 93 7.12 Vraagstukjes: 1. In een spaarlamp wordt 240 kJ elektrische energie toegevoerd. Het rendement van de lamp is 65% Bereken hoeveel nuttige energie onder de vorm van licht ontstaat. (Oplossing: 1,56 102 kJ) 2. Een batterij produceert 40 kJ elektrische energie bij een rendement van 85%. Hoeveel energie heeft men er ingestopt? (Oplossing: 4,71 101 kJ) 3. Welke potentiële energie bekom jij als je naar de tweede verdieping( 2 maal 4 m hoog) van het schoolgebouw gaat? Stel je massa gelijk aan 75 kg. (Oplossing: 5,88 103 J) 4. Een machine ontvangt 3 kJ arbeid en verricht op haar beurt 2800 kJ arbeid. Hoe groot is het rendement? Hoeveel energie gaat er verloren in warmte? (Oplossing: 2 102 J) 5. Tot welke hoogte moet men een bal van 320 g omhoogwerpen om hem een potentiële energie van 125 J te geven. (Oplossing: 3,98 101 m) 6. Bereken de potentiële energie van een heilblok met massa 500 kg, dat zich 10 m boven de grond bevindt. (Oplossing: 4,9 104 J) 7. Een electrische centrale haalt energie uit een waterbekken dat 400 m hoger gelegen is. Hoeveel m3 water moeten de turbines minstens per s verwerken om een vermogen van 10 000 kW te leveren. (Oplossing: 2,55 103 l) 8. Een trein rijdt eenparig met een snelheid van 120 km . Hij heeft een massa h van 350 ton. Bereken ook de kinetische energie van deze trein. (Oplossing: 1,94 108 J) 9. Bereken de kinetische energie van m . (Oplossing: 2 J) s m b. een kogel van 50 g die beweegt met een snelheid van 400 . s a. een wagen van 1 kg dat rijdt met een snelheid van 2 (Oplossing: 4,0 103 J) 10. Een voorwerp met massa van 1 kg bezit een kinetische energioe van 200 J. Bereken zijn snelheid. (Oplossing: 2 101 m ) s Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010 Fysica 1ejaar 2egraad (2uur): hoofdstuk 1 : Mechanica pag. 94 7.13 Noteer hier je eigen opmerkingen en geheugensteuntjes. ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ ................................................................................................................ Neva - FYSICA3H1_2u_deel6_arbeid_vermogen_energie_opgave - 15/08/2010
