NovA - Hoofdstuk 3 Bewegen

NovA – 3 havo
Leerlingenbundel werkbladen
Hoofdstuk 5 Energie
Hoofdstuk 7 Arbeid
dag
1
2
3
4
5
Klassikaal/groepje
Bespreken toets
Werkblad 3 en 4 - Energie en warmte
§1 - Energie omzetten
Werkblad 5 en 6
Onderzoek 1: water verwarmen
Werkblad 7 en 8
§2 - Elektrische energie omzetten
Werkblad 9 en 10
Onderzoek 2: rendement waxinelichtje
§3 - Chemische energie; Werkblad 11 en 12
6
Afronden §1 t/m 3; werkblad 13 en 14
7
Voortgangstoets of SO
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
§4 - Elektriciteit opwekken
Werkblad 15, 16 en 17
Onderzoek 3: energiewaarde van een pinda
§5 - Energie in voedsel; werkblad 18 en 19
Hoofdstuk 5 afronden
§1 - Arbeid verrichten; werkblad 20, 21 en 22
Opdrachten
theorie blz. 86 t/m 88
vraag 3, 5, 7 en 8
werkbladen afronden
theorie blz. 89 t/m 92
vraag 16 en 17
theorie blz. 92 t/m 94
vraag 22, 25, 26, 28
theorie blz. 95 t/m 98
vraag 36 en 37
theorie blz. 99 t/m 101
vraag 47 t/m 51
theorie blz. 118 en 119
vraag 4, 5, 7, 8 en 9
Toets hoofdstuk 5 of voortgangstoets
Onderzoek 4: De sleephelling
§2 - Hefwerktuigen; werkblad 23 en 24
§14 - Hefbomen en evenwicht
Werkblad 25, 26 en 27
Afronding hefbomen en arbeid;
werkblad 28, 29
theorie blz. 120 t/m 122
vraag 13, 14, 15, 18
theorie blz. 18 t/m 20
vraag 4, 5, 7, 8 en 9
Voortgangstoets of SO
Onderzoek 5: Meet je eigen vermogen
§3 - Vermogen, rendement, werkblad 30, 31
§4 - Verbrandingsmotoren
werkblad 32 en 33
Extra opdrachten, werkblad 34
hoofdstuk 7 afronden
Toets of SO over hoofdstuk 7 en §14
St. Bonifatiuscollege, Utrecht -
3e druk
theorie blz. 123 t/m 125
vraag 26, 27, 28, 31, 32
theorie blz. 125 t/m 128
vraag 36
Project ‘Begrijpen door samenwerken’
bij lesmethode NoVa – uitgeverij Malmberg
Sectie natuurkunde - klas 2 en 3
St. Bonifatiuscollege, Utrecht
Deelnemende docenten:
Antoon Boks
Annette de Groot
Kees Hooyman
Ad Migchielsen
Aartjan van Pelt
Marjolein Vollebregt
Ron Vonk
Carien Vruggink
Technische ondersteuning:
Marti van IJzendoorn
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
Herhaling – Energie en warmte
1
Eenheden van energie
Bij elke natuurkundige grootheid hoort een eenheid. Bij sommige
grootheden gebruiken we echter verschillende eenheden.
 Welke eenheden voor energie ken je? Omcirkel alle woorden of afkortingen
die een eenheid voor energie zijn.
kWh
ampère
joule
watt
kJ
calorie
volt
mbar
P
warmte
MJ
batterij
J
kcal
 Welke eenheid is de ‘officiële’ natuurkundige eenheid voor energie?
2
Geleiding van warmte (én elektriciteit)
Met het woord warmte bedoelen we een bepaald soort energie. In het
dagelijks gebruik wordt warmte ook wel gebruikt voor de temperatuur.
 Geef bij de volgende zinnen aan of het om energie of om temperatuur gaat.
Een gloeilamp geeft licht en warmte af.
De soep is te warm om te eten.
 De warmte is drukkend, je krijgt het er benauwd van.


Sommige stoffen zijn een goede geleider van de warmte, ander stoffen
isoleren juist goed.
stof
geleider isolator
aluminium
hout
koper
leer
plastic
rubber
ijzer
 Geef in de tabel aan of de stof een geleider of een isolator voor warmte is
door een kruisje in de juiste kolom te zetten.
Als je alle stoffen vergelijkt die goed de warmte geleiden, dan valt op dat al
die stoffen ook een goede geleider zijn voor de elektrische stroom. Dat geldt
ook voor isolatoren. Kennelijk wordt geleiding van warmte en elektriciteit
verzorgd door dezelfde deeltjes.
 Welke deeltjes in de stof zorgen voor het transport van warmte en
elektriciteit in een vaste stof?
3
Transport van warmte: geleiding, stroming en straling
Er zijn drie manieren waarop warmte getransporteerd kan worden:
geleiding, stroming en straling. Bij één van deze transportvormen is geen
(tussen)stof nodig. Het gaat dus ook door vacuüm.
 Bij welke transportvorm is geen (tussen)stof nodig?
In de tekening hiernaast zie je de doorsnede getekend van een thermoskan.
 Welke vorm van warmtetransport wordt tegengehouden door:
De
De
 De
 De


dubbele wand van de glazen fles . . . . . . . . . . . . . .
spiegelende metaallaag
..............
kurk op de bodem
..............
dop op de thermoskan
..............
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
3
4
Geleiding in metalen
Jan voert de proef van de tekening hiernaast uit. De strips A, B en C zijn van
verschillende metalen gemaakt.

strip A is van aluminium

strip B is van ijzer

strip C is van koper
In elke strip zit een lucifer. De vlam verwarmt precies het midden van de
metaalplaat M. De eerste lucifer die ontbrandt is de lucifer van strip A
(aluminium).
 Welke lucifer zal als 2e ontbranden?
 Hoe komt het dat de lucifers niet alle drie tegelijk ontbranden?
Gerard doet de proef die hiernaast getekend is. De luciferskoppen zitten in
een koperen buis.
 Welke lucifer zal als eerste ontbranden?
Na lang wachten zijn vier van de vijf lucifers ontbrandt, maar de linkerlucifer
wil maar geen vlam vatten.
 Hoe kan dat? Leg uit.
Gerard meet vervolgens de temperatuur bij punt A en punt B. De staaf heeft
bij A een temperatuur van 400 °C en bij B van 300 °C. Deze temperaturen
blijken constant te zijn.
 Leg uit dat er dan nog wel warmtetransport plaatsvindt van punt A naar
punt B..
5
Verbrandingswarmte
Bij het verbranden van stoffen komt warmte vrij. De eenheid van
verbrandingswarmte is bijvoorbeeld J/g, MJ/kg of MJ/m³.
De verbrandingswarmte van droog hout is 16 miljoen joule per kilogram. De
verbrandingswarmte van butagas is 110 miljoen joule per m³.
 Hoeveel warmte komt er vrij als je 3,0 m³ butagas verbrandt?
 Hoeveel kg droog hout moet verbrand worden om dezelfde hoeveelheid
warmte te krijgen als bij de verbranding van 3,0 m³ butagas?
Als je één liter water aan de kook brengt met een gasbrander, kost dat
0,015 m³ aardgas. De verbrandingswarmte van aardgas is 30 miljoen J per
m³.
 Hoeveel energie moet de gasbrander leveren om één liter water aan de kook
te brengen?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
4
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
§1 - Energie omzetten
1
Energiebron, energiesoort en energieomzetter (blz. 86)
Met een energieomzetter bedoelen we een apparaat dat de ene energiesoort
omzet in één of meerdere andere energiesoorten. Een windmolen zet
bijvoorbeeld bewegingsenergie om in elektrische energie.
Een energiebron levert de energie, het is een energievoorraad. Bij de
windmolen is de wind de energiebron, en de molen de omzetter. Een batterij
is zowel een energiebron als een energieomzetter (in een batterij zit
chemische energie opgeslagen). Voorbeelden van energiebronnen zijn: de
zon, fossiele brandstoffen, wind, kernenergie.
 Schrijf de onderstaande woorden in de juiste kolom. Sommige woorden
passen in meerdere kolommen.
chemische energie
aardgas
windenergie
elektrische energie
gasbrander
energiesoort
2
windmolen
bewegingsenergie
veerenergie
de zon
licht
waterkracht
batterij
aardolie
geluid
spieren
energiebron
hoogte-energie
CD-speler
warmte
automotor
voedsel
energieomzetter
Energie omzetten
In een batterij zit chemische energie opgeslagen. Dat noemen we zo omdat
er in de batterij enkele stoffen zitten die bij een scheikundige reactie
elektriciteit leveren.
 Lia laat een zaklamp branden op twee batterijen. Welke twee energieomzettingen vinden daarbij plaats?
chemische energie --> . . . . . . . . . . . . energie
-->
................. + ...................
 Elsje rijdt op haar fiets zonder bij te trappen van een helling af. Omdat het
donker is brandt de fietsverlichting op de dynamo. Welke energieomzettingen vinden daarbij plaats?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
5
3
Energieschema’s
Een energieschema is een overzichtelijke manier om te zien welke
energieomzettingen er zijn. In het schema noteren we de energiesoorten, en
de breedte van de pijl geeft aan om hoeveel energie het gaat.
Michael Boogerd heeft net een lange bergklim voltooid. Daarbij heeft hij erg
veel energie omgezet, maar het grootste gedeelte gaat ‘verloren’ aan
warmte.
 Hoeveel % van de energie
hoogte-energie
is omgezet in hoogtespierenergie?
energie
warmte
Een gewone gloeilamp zet 5% van de opgenomen elektrische energie om in
licht. Een SL-lamp zet 25% van de opgenomen elektrische energie om in
licht.
 Maak de energieschema’s hieronder af. Teken nauwkeurig de breedte van de
energiepijlen, en hou daarbij rekening met de hierboven genoemde
percentages.
 Welke lamp geeft het meeste licht?
4
Energie en vermogen: 1 watt = 1 joule per seconde
Op elk elektrisch apparaat staat het vermogen P aangegeven in watt. Het
vermogen geeft aan hoeveel energie het apparaat per seconde gebruikt (of
beter: omzet). Een vermogen van 600 watt betekent dat het apparaat elke
seconde 600 joule energie omzet. Dus:
 Een gloeilamp van 75 W zet per seconde . . . . . . . . joule energie om.
Hiernaast zie je het typeplaatje van een strijkijzer (1200 W).
 Bereken hoeveel joule elektrische energie de strijkijzer in een half uur omzet.
Het elektriciteitbedrijf gebruikt bij de energierekening een andere eenheid
voor de elektrische energie: de kilowattuur of kWh. (kWh = kW x uur)
 Bereken hoeveel kWh elektrische energie het strijkijzer in een half uur omzet
. . . . . . . . . kW x . . . . . . . . . uur = . . . . . . . kWh
De eenheden joule en kWh kun je altijd op dezelfde manier in elkaar
omrekenen.
 Reken om: 1 kWh =
J
Vervolgopdrachten §1
Lees blz. 86 t/m 88 in je theorieboek, maak vraag 3, 5, 7 en 8
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
6
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
Water verwarmen met een dompelaar
Onderzoek 1
Water verwarmen
Om water te verwarmen heb je energie nodig, maar hoeveel? Dat hangt
natuurlijk af van de hoeveelheid water die je gebruikt, en hoeveel de
temperatuur moet stijgen
 Onderzoeksvraag: “Hoeveel energie heb je nodig om de temperatuur
van 1 gram water met 1 ºC te laten stijgen?”
We willen deze vraag natuurlijk zo nauwkeurig mogelijk beantwoorden, en
daarbij kunnen we de volgende instrumenten gebruiken:
 Een bekerglas
 Een thermometer
 Een dompelaar die per seconde 330 J energie omzet
 Een stopwatch
 Een weegschaal
De dompelaar moet steeds
onder water gehouden
worden. Let ook goed op als
je de stekker uit het
stopcontact haalt!
Bij het onderzoek komen we twee problemen tegen:
 Het is niet mogelijk om 1 gram water te verwarmen met de dompelaar.
 De thermometer is niet nauwkeurig genoeg om 1 ºC af te lezen
1
grootheid
eenheid
tijd
seconde
Onderzoeksplan
Voordat je met het onderzoek begint moet je eerst bedenken wat je allemaal
gaat meten tijdens het onderzoek, en wat je gaat doen om de
onderzoeksvraag zo nauwkeurig mogelijk te beantwoorden.
 Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in
de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoort.
 Hoe ga je het onderzoek uitvoeren? Maak het onderstaande verhaaltje af.
“We vullen het bekerglas met . . . . . . gram water. Vervolgens houden we
de dompelaar en de thermometer in het bekerglas. Op het moment dat we de
stekker van de dompelaar in het stopcontact steken ...
Om een goed experiment te doen moet je wel steeds roeren met de
dompelaar.
 Wat gaat er fout als je niet roert?
2
Metingen
Voer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen
 massa water
. . . . . . gram
 begintemperatuur water
. . . . . . C
 ..... ....... ....
......
 ..... ....... ....
......
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
7
3
Berekeningen:
Noteer hieronder de berekeningen om de onderzoeksvraag te
beantwoorden.
4
Klopt het resultaat?
Het resultaat van je metingen noemen we de soortelijke warmte van water.
Elke stof heeft een andere soortelijke warmte. In de tabel zie je de
soortelijke warmte van enkele stoffen (in joule per gram en per graad
Celsius).
 Hoe groot is volgens de tabel de soortelijke warmte van water?
Waarschijnlijk is de uitkomst van jouw metingen een stuk hoger dan de
waarde in de tabel. Het verschil is waarschijnlijk ook te groot om te
verklaren met de onnauwkeurigheid van je metingen.
 Geef één (andere) reden waarom jouw uitkomst hoger is dan de waarde in
de tabel.
Na afloop van het onderzoek kom je er vaak achter dat je tijdens het
onderzoek iets vergeten bent, of dat je iets beter anders had kunnen doen.
 Noem één verbetering van je onderzoek (behalve nauwkeuriger meten).
5
Berekeningen
Je hebt een pan water met daarin 2,0 kg water dat een temperatuur heeft
van 20 C. Je wilt het water aan de kook brengen, en daarvoor moet de
temperatuur van het water 80 C stijgen.
 Hoeveel warmte heb je tenminste nodig om het water aan de kook te
brengen?
Waarschijnlijk heb je (veel) meer energie nodig dan je bij de vorige vraag
hebt uitgerekend.
 Noem twee redenen waarom je meer energie nodig hebt.
 In dezelfde pan wil je 2,0 kg olijfolie verwarmen van 20 C tot 100 C. Heb
je daar meer of minder energie voor nodig? Leg uit.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
8
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
§2 - Elektrische energie omzetten in warmte
1
Meten met de computer
Het experiment uit de vorige les is ook gedaan met behulp van de computer.
Een elektronische thermometer registreert steeds de temperatuur, en de
computer slaat de gegevens op. Een voordeel van elektronisch meten is dat
het een stuk nauwkeuriger is.
 Noem nog een voordeel van het meten met de computer.
2
Meetgrafiek
Hieronder zie je de resultaten van de meting weergegeven in een grafiek.
Het begin (twee minuten) van de grafiek is uitvergroot.
Het begin van de grafiek is een beetje vreemd: in de eerste 20 seconden
van de grafiek stijgt de temperatuur nauwelijks.
 Geef één reden waarom het even duurt voordat de temperatuur gaat stijgen.
De grafiek is niet recht maar duidelijk krom. De temperatuur stijgt kennelijk
niet steeds even snel.
 Leg uit waarom de temperatuur steeds minder snel stijgt.
 Het laatste stuk van de grafiek is een horizontale lijn. Wat is er dan aan de
hand?
De eerste twee minuten van de grafiek zijn vergroot weergegeven. De
stippellijn geeft een hoe de temperatuur zou zijn gestegen als er geen
warmte verloren zou zijn gegaan aan de omgeving. Met de stippellijn kun je
nauwkeurig bepalen hoe snel de temperatuur van het water stijgt.
 Hoeveel graden stijgt de stippellijn per minuut?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
9
3
De onderzoeksvraag beantwoorden
Bij dit experiment is 150 gram water verwarmd met een dompelaar met een
vermogen van 330 watt. In het begin stijgt de temperatuur van het water
met een snelheid van 30 C per minuut.
 Bereken uit dit experiment de soortelijke warmte van water.
Leontien heeft het experiment ook uitgevoerd. Ze heeft daarbij een
dompelaar met een vermogen van 150 watt gebruikt, en een bekerglas met
1,2 kg water. Doordat ze een kleine dompelaar gebruikte, en een grote
hoeveelheid water zijn haar metingen nauwkeuriger. Om warmteverlies te
voorkomen heeft zij het bekerglas goed geïsoleerd. Van de metingen heeft
Leontien een grafiek gemaakt.
 Welke waarde vindt Leontien
voor de soortelijke warmte van
water? Geef een berekening.
Leontien herhaalt het experiment met 1,2 kg olijfolie in plaats van water. Ze
gebruikt dezelfde dompelaar.
 Schets in figuur 5 hoe de grafiek er nu uit zal zien.
4
Meten met een warmtemeter
Een warmtemeter is een vrij simpel apparaat: een erg goed geïsoleerde
beker met een verwarmingselement erin. Met een warmtemeter kun je
nauwkeurig onderzoek naar warmte uitvoeren.
 Waarom is het belangrijk dat de beker erg goed geïsoleerd is?
 Waarom is het belangrijk dat er een deksel op de warmtemeter zit?
De dompelaar bestaat uit een dunne ijzeren spiraal, die veel kleiner en
lichter is dan de dompelaar uit het experiment.
 Waarom is het een voordeel dat de dompelaar klein en licht is?
Vervolgopdrachten §2
Lees blz. 89 t/m 92 in je theorieboek, maak vraag 16 en 17
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
10
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
§3 - Chemische energie omzetten in warmte
Onderzoek 2
Het rendement van een waxinelichtje.
Bij het verbranden van waxine komt energie vrij. Die energie kun je
gebruiken om water te verwarmen, maar niet alle energie komt in het water
terecht. Het percentage van de energie dat wel in het water gaat zitten
noemen we het rendement.
Onderzoeksvraag: “Hoeveel procent van de energie van het waxinelichtje
wordt gebruikt om het water te verwarmen?”
We willen deze vraag natuurlijk zo nauwkeurig mogelijk beantwoorden, en
daarbij kunnen we de volgende instrumenten gebruiken:
 Een bekerglas, een thermometer en een driepoot
 Een waxinelichtje
 Een gewone weegschaal
 Een zeer nauwkeurige weegschaal
Bij het onderzoek heb je twee gegevens nodig:
 De soortelijke warmte van water is 4,2 J/g∙ºC
 De verbrandingswarmte van waxine bedraagt 40 kJ/g
1
grootheid
eenheid
temperatuur
ºC
Onderzoeksplan
Voordat je met het onderzoek begint moet je eerst bedenken wat je allemaal
gaat meten tijdens het onderzoek, en wat je gaat doen om de
onderzoeksvraag zo nauwkeurig mogelijk te beantwoorden.
 Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in
de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoor.,
 Hoe ga je het onderzoek uitvoeren? Maak het onderstaande verhaaltje af.
“We vullen het bekerglas met . . . . . . gram water. Met een thermometer
meten we de begintemperatuur van het water. Vervolgens gebruiken we een
zeer nauwkeurige weegschaal om . . . .
2
Metingen
Voer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
11
3
Berekeningen
Noteer hieronder de berekeningen om de onderzoeksvraag te
beantwoorden: “Hoeveel procent van de energie van het waxinelichtje wordt
gebruikt om het water te verwarmen?”
4
Conclusie
Vergelijk de uitkomst met de andere verwarmingsapparaten in de tabel.
Heeft het verwarmen met een waxinelichtje een hoog of een laag
rendement?
5
Verbrandingswarmte (lees blz. 93)
Een CV-ketel is tegenwoordig vaak een 'HR-ketel' (hoog-rendement-ketel),
zie de reclame. We kijken naar de ketel die de grootste capaciteit levert: 32
kW.
 Hoeveel joule warmte levert deze ketel per minuut, als hij voluit brandt?
De verbrandingswarmte van aardgas is 32 MJ/m³. Het rendement van de
ketel is 90%.
 Hoeveel warmte levert dan 1 liter aardgas uiteindelijk?
 Bereken hoeveel liter aardgas de ketel per minuut verbrandt.
Vervolgopdrachten §3
Lees blz. 92 t/m 94 in je theorieboek, maak vraag 22, 25, 26, 28
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
12
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
afronding §1 t/m 3
1
Experiment warmtemeter
Jos heeft eerst 100 g van een bepaalde vloeistof verwarmd in een warmtemeter (grafiek A). Daarna heeft hij een andere hoeveelheid van dezelfde
vloeistof gebruikt, en het experiment herhaald (grafiek B). Hij heeft in beide
gevallen hetzelfde
verwarmingselement van 12 W
A
gebruikt.
 Hoeveel energie levert het
verwarmingselement in 15
minuten?
B
 Heeft Jos bij het experiment B meer of minder van dezelfde vloeistof
gebruikt? Hoeveel gram? Leg uit of geef een berekening.
 Welke stof zou de vloeistof kunnen zijn? Geef een berekening en gebruik de
tabel op blz. 91.
2
Soortelijke warmte en vermogen
Een wasmachine moet 5,0 liter water (dat is gelijk aan 5,0 kg) in 10 minuten
kunnen verhitten van 10 °C tot 90 °C.
 Hoeveel kJ warmte is nodig om die hoeveelheid water te verhitten van 10 °C
tot 90 °C?
 Welk vermogen moet het verwarmingselement van de wasmachine op zijn
minst hebben?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
13
3
Een snelkoker of een langzaamkoker?
Hieronder zie je een reclame voor een waterkoker.
De waterkoker heeft een vermogen van 2200 W en een inhoud van 1,7 liter.
Het rendement van de waterkoker is niet gegeven, maar als de waterkoker
volledig gevuld is bedraagt het rendement 92%.
 Bereken hoe lang het duurt, voordat de geheel met water gevulde koker
water van kamertemperatuur (20 °C) aan de kook heeft gebracht.
4
Zuinig douchen
Familie de Vries heeft nog een oude geiser voor het douchen. Bij één
douchebeurt wordt 0,60 m³ aardgas verbrandt. Daarbij wordt 56 liter water
verwarmd van 15 °C tot 72 °C.
 Hoeveel energie is nodig om het water te verwarmen?
 Bereken het rendement van de geiser.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
14
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
§4 - Elektriciteit opwekken
1
Elektriciteitscentrale (blz. 95 & 96)
Een elektriciteitscentrale werkt meestal op fossiele brandstof, maar soms
wordt een andere energiebron gebruikt om elektriciteit op te wekken (zon,
wind, water en kernenergie).
 Wat is een fossiele brandstof?
Een normale elektriciteitscentrale bestaat uit vier onderdelen: de ketel, de
turbine, de generator en de condensor. In de ketel wordt water verwarmd
door een brander. De stoom uit de ketel zet een turbine in beweging, en de
turbine laat een generator (een grote dynamo) draaien. In de condensor
wordt de stoom weer omgezet in water. In fig. 13 zie je een schematische
tekening van de centrale.
D=........
C=...........
B=.......
A = condensor
 Noteer in de figuur de namen van de onderdelen B, C en D.
Bij het produceren van elektrische energie wordt de chemische energie van
de brandstof via een aantal tussenstappen omgezet in elektrische energie.
 Beschrijf voor de onderstaande onderdelen van de elektriciteitscentrale de
energieomzetting:

in de ketel wordt . . . . . . . . . . . . . . . .
omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

in de turbine wordt . . . . . . . . . . . . . . . .
omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

in de generator wordt . . . . . . . . . . . . . . . .
omgezet in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
In de condensor wordt de stoom uit de turbine gecondenseerd. De warmte
van de stoom wordt omgezet in warmte van het koelwater.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
15
2
Piekvermogen en brandstofverbruik
Als een grote elektriciteitscentrale op piekvermogen werkt, levert hij een
vermogen van 1200 MW aan het elektriciteitsnet. Een doorsnee-huishouden
neemt dan gemiddeld een elektrisch vermogen van 1,8 kW op.
 Bereken hoeveel huishoudens dan door de centrale van elektrische energie
kunnen worden voorzien.
Een elektriciteitscentrale gebruikt enorme hoeveelheden brandstof. Een
centrale die op steenkool werkt heeft meestal een rendement van 40%.
 Hoeveel elektrische energie levert 1 kg steenkool dan?
Het piekvermogen van de elektriciteitscentrale is 1200 MW.
 Hoeveel elektrische energie produceert de centrale dan in 1 uur?
 Bereken hoeveel kg steenkool er dan in één uur wordt verbrandt.
4
Stadsverwarming
Een elektriciteitscentrale produceert ook veel afvalwarmte. Bij sommige
centrales wordt die warmte gebruikt om huizen te verwarmen. Dat principe
heet stadsverwarming.
Centrale A levert alleen elektrische energie; centrale B levert ook warmte
voor stadsverwarming.
 Bepaal door opmeten het rendement van beide centrales.
centrale A:
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
centrale B:
16
5
Zonnecellen
Op een zomerse dag kan het zonlicht een vermogen van 1200 W afgeven
aan 1 m2 bestraald oppervlak. Het oppervlak moet daarvoor loodrecht op de
richting van het licht staan.
 Het maximale rendement van zonnecellen ligt op dit moment rond de 20%.
Bereken hoeveel watt elektrisch vermogen een paneel zonnecellen van 1 m2
kan leveren.
 Bereken hoeveel panelen van 1 m2 op z'n minst nodig zijn om een elektrische
pomp van 800 W te laten werken.
Carlijn beweert dat duurzame energie uiteindelijk allemaal zonne-energie is.
 Noteer zoveel mogelijk verschillende energiebronnen die indirect afkomstig
zijn van zonne-energie.
Vervolgopdrachten §4
Lees blz. 95 t/m 98 in je theorieboek, maak vraag 36 en 37
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
17
NovA 3HV - Hoofdstuk 5 Energie
§5 - Energie in voedsel
In geval van tijdnood wordt onderzoek 3 vervangen
door onderzoek 4, de sleephelling.
Onderzoek 3
De energiewaarde van een pinda
Een pinda bevat zoveel vet dat hij kan branden. In figuur 20 zie je de
opstelling waarmee we gaan bepalen hoeveel energie er vrijkomt bij het
verbranden van pinda’s.
 Onderzoeksvraag: hoe groot is de verbrandingswarmte van 100 gram
pinda’s?
In dit onderzoek gebruiken we de verbrandingswarmte van één pinda om
een kleine hoeveelheid water in een reageerbuis te verwarmen. Daarbij gaat
natuurlijk een deel van de warmte verloren. Neem aan dat het rendement
van het verwarmen gelijk is aan het rendement bij het waxinelichtje.
Let op!! Zorg dat er een papiertje onder de brandende pinda ligt, er komt
waarschijnlijk wat vet uit de pinda. Maak na afloop alles netjes schoon met
een papiertje.
1
grootheid
eenheid
temperatuur
ºC
Onderzoeksplan
Voordat je met het onderzoek begint moet je eerst bedenken wat je allemaal
gaat meten tijdens het onderzoek, en wat je gaat doen om de
onderzoeksvraag zo nauwkeurig mogelijk te beantwoorden.
 Welke grootheden ga je bij dit onderzoek meten? Noteer alle grootheden in
de tabel, en schrijf ook op welke eenheid bij die grootheid hoort.
 Hoe ga je het onderzoek uitvoeren? Maak het onderstaande verhaaltje af.
“We vullen de reageerbuis met een beetje water. Met een thermometer
meten we de begintemperatuur van het water. Vervolgens gebruiken we een
zeer nauwkeurige weegschaal om . . . .
2
Metingen
Voer het onderzoek uit, en noteer hieronder de metingen
3
Berekeningen:
Noteer hieronder de berekeningen om de onderzoeksvraag te
beantwoorden.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
18
4
Energiewaarde van voedsel (blz. 99 en 100)
In de tabel op blz. 99 kun je zien, hoe groot de energiewaarde is van 100
gram pinda's.
 Vergelijk jouw antwoord met deze energiewaarde, en verklaar het verschil.
Zoek in de tabel op welke voedingsmiddelen een zeer hoge energiewaarde
hebben.
 Welke overeenkomst hebben deze voedingsmiddelen?
 Waarom heeft komkommer zo’n lage energiewaarde?
5
Energiebehoefte
Hiernaast zie je de lunch van Gerard: een appel en enkele boterhammen
met kaas en jam.
 Bereken de totale energiewaarde van Gerards lunch met behulp van de
energiewijzer.
100 g appel
160 g bruinbrood
 24 g margarine
 20 g kaas
 20 g jam


 Gerard heeft elke dag ongeveer 12 miljoen joule energie nodig. Hoeveel
procent van Gerards energiebehoefte wordt door deze lunch geleverd?
 Over brood wordt vaak gezegd: 'Het beleg is de dikmaker'. Leg uit wat
daarmee bedoeld wordt.
 Wat gebeurt er, als je meer chemische energie binnenkrijgt dan je nodig
hebt?
Vervolgopdrachten §5
Lees blz. 99 t/m 101 in je theorieboek, maak vraag 47 t/m 51
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
19
NovA 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid
§1 - Arbeid verrichten
1
Wat is arbeid?
Bij het woord arbeid denk je al snel aan ‘werk’ of ‘je doet iets’ of ‘je wordt er
moe van’. Anderen denken aan een fabriek, of juist aan hersenarbeid.
Wat we bij natuurkunde verstaan onder arbeid blijkt uit het volgende
voorbeeld: Je tilt een blok klei op van de grond, en laat het vervolgens weer
vallen. In hoofdstuk 5 heb je gezien dat er dan verschillende energieomzettingen zijn.
spierenergie
hoogteenergie
spierkracht
bewegingsenergie
?
.............
kracht van de grond
Bij de drie energie-omzettingen wordt arbeid verricht door een kracht. De
arbeid is de hoeveelheid energie die omgezet wordt.
 Welke kracht zorgt voor het omzetten van hoogte-energie in bewegingsenergie?Noteer het antwoord in de figuur.
 De laatste energievorm is nog niet ingevuld. Door de kracht van de grond op
de klei wordt de bewegingsenergie omgezet in . . . . . . . . . Noteer het
antwoord in de figuur.
In welke van de onderstaande situaties wordt er arbeid verricht? Leg uit
waarom wel of niet.
 Je loopt langs een trap omhoog.

Je staat roerloos stil.

Je trapt een bal weg.

Op een luchtkussenbaan glijdt een voorwerp zonder wrijving.
De zwaartekracht is er altijd (en grijpt aan in het zwaartepunt van een
voorwerp), maar toch verricht de zwaartekracht niet altijd arbeid. Je merkt
zelf het verschil wanneer je tegen een brug op moet fietsen.
 Waarom verricht de zwaartekracht geen arbeid als je over een horizontale
weg fietst?
Conclusie: om arbeid te verrichten heb je niet alleen een kracht nodig,
maar ook een beweging in de richting van de kracht.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
20
2
Formule en eenheid van arbeid
De eenheid van energie is genoemd naar James Prescott Joule. Hij ontdekte
dat alle energiesoorten in elkaar omgezet kunnen worden, en ontdekte ook
hoe je de arbeid kunt uitrekenen:
 arbeid = kracht x afstand
of in symbolen: W = F∙s
Om de arbeid uit te rekenen heb je dus zowel de kracht als de afstand
nodig. De afstand is dan de afstand in de richting van de kracht, dus bij de
zwaartekracht gaat het alleen om de hoogte.
Joule wilde onderzoeken of bij het omzetten van energie de hoeveelheid
energie gelijk zou blijven. Er was alleen nog geen eenheid voor energie.
Joule bedacht een eenheid voor energie en arbeid, en die eenheid is naar
hem vernoemd. Voor die eenheid gebruikte hij natuurlijk de eenheden van
kracht en afstand.
 1 joule = 1 newton x 1 meter
of in symbolen: 1 J = 1 Nm
3
Het experiment van Joule
Voor zijn onderzoek ontwikkelde Joule een apparaat waarin een zwaar
gewicht aan een katrol een schoepenrad in een bak water liet ronddraaien.
Door het draaien werd het water een beetje warmer. Heel nauwkeurig kon
hij de temperatuurstijging van het water meten.
 Welke energie-omzettingen vonden er in dit onderzoek plaats?
Stel dat Joule voor zijn experiment een gewicht van 50 kg gebruikte, dat hij
over een afstand van 2,0 m naar beneden liet zakken.
 Hoeveel arbeid verricht de zwaartekracht als het voorwerp naar beneden
gaat?
Stel dat er in de bak water 0,5 kg water zat, en dat alle energie als warmte
in het water kwam.
 Met hoeveel C nam de temperatuur van het water dan toe?
Joule liet het gewicht niet slechts één keer naar beneden zakken. Hij takelde
het gewicht steeds weer op, en liet het bijvoorbeeld wel 20 keer achter
elkaar naar beneden zakken.
 Waarom zou hij dat gedaan hebben?
4
Arbeid op de fiets
Je fietst met een constante snelheid van 20 km/h van huis naar school.
Daarbij moet je een constante kracht van ongeveer 50 N leveren. De afstand
van school naar huis is 6,5 km.
 Hoeveel arbeid verricht je tijdens het fietsen?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
21
 Als je met een hogere snelheid naar school fietst, moet je dan ook meer
arbeid verrichten? Of moet je evenveel arbeid in een kortere tijd leveren?
Leg uit.
Je fietst bij het stoplicht weg, en je spieren zorgen daarbij voor een
constante voorwaartse kracht van 50 N. De tegenwerkende
wrijvingskrachten zijn dan nog niet zo groot: de eerste 200 m is de
gemiddelde tegenwerkende kracht 20 N.
 Hoeveel arbeid verrichten je spieren in de eerste 200 m?
 Hoeveel energie wordt daarbij door wrijving omgezet in warmte?
 Wat gebeurt er met de rest van de energie?
Vul de tabel verder in.
grootheid
symbool
eenheid
symbool
energie
F
m
arbeid
5
Arbeid bij transport
Om een schip met een constante snelheid van 2,5 km/h door een kanaal te
trekken, moeten twee mannen samen een trekkracht uitoefenen van 500 N.
Het kanaal waar ze het schip doorheen trekken, is 5,5 km lang.

Welke kracht werkt hier vooral de beweging tegen?
 Hoe groot is de arbeid die de mannen samen verrichten?
Jeroen wil weten hoeveel kracht nodig is op een auto te duwen. In de
tekening zie je hoe hij dat probeert te meten. De weegschaal wijst 15 kg
aan.
 Met welke kracht duwt Jeroen?
 Hoeveel arbeid moet hij verrichten om de auto naar het benzinestation op
1,0 km afstand te duwen?
Vervolgopdrachten §1
Lees blz. 118 en 119 in je theorieboek, maak vraag 4, 5, 7, 8 en 9
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
22
NovA 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid
§2 - Hefwerktuigen
Onderzoek 4
De sleephelling
Bij de ingang van grote gebouwen zie je naast de trap vaak een
sleephelling. Deze helling die wordt gebruikt voor het omhoog slepen van
zware goederen, en natuurlijk voor kinderwagens en rolstoelen.
Bij het aanleggen van de sleephelling kan de architect kiezen voor een korte,
steile helling of een lange en minder steile helling. In dit onderzoek gaan we
kijken naar de trekkracht en de arbeid die nodig is bij verschillende lengtes
van de helling.
Onderzoeksvragen:
 “Hoe hangt de trekkracht af
van de lengte van de
sleephelling?”
 “Hoe hangt de arbeid af van
de lengte van de
sleephelling?”
lengte helling
Bij dit onderzoek gebruiken we
de opstelling van figuur 11, met de volgende instrumenten:
 Een stapel boeken van ongeveer 20 cm hoog
 Een lange plank
 Een krachtmeter of veerunster
 Een karretje
Bij het onderzoek moet de lengte van de helling veranderen,
maar de hoogte moet wel steeds gelijk blijven. In plaats van een stapel
boeken kun je ook een statief gebruiken.
Om de onderzoeksvraag goed te beantwoorden moet je veel en
nauwkeurige metingen doen. Doe metingen bij veel verschillende lengtes,
en meet vooral de kracht nauwkeurig.
1
lengte helling
(cm)
Metingen
Noteer de metingen in de tabel. Bedenk van welke grootheden je een
grafiek tekent.
trekkracht
(N)
arbeid
(J)
20
40
60
80
100
120
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
23
2
Conclusie
Beantwoord zo goed mogelijk de twee onderzoeksvragen.
3
Koffer op sleephelling
In de vertrekhal van een vliegveld trekt een reiziger zijn koffer met wieltjes
tegen een helling omhoog. De helling is 6,0 m lang en 0,8 m hoog. De koffer
heeft een massa van 20 kg. De wieltjes lopen zo soepel dat de wrijving te
verwaarlozen is.
De kracht waarmee de reiziger aan de koffer moet trekken is natuurlijk veel
kleiner dan de zwaartekracht op de koffer. Neem aan dat de wrijving in de
wieltjes te verwaarlozen is.
 Hoe groot is de kracht waarmee de reiziger zijn koffer omhoog moet
trekken? Laat zien dat je dat kunt uitrekenen met behulp van de arbeid.
Bij de terugreis blijken de wieltjes flink versleten zijn. De wrijvingskracht van
de wieltjes bedraagt 10 N. Bovendien heeft de reiziger veel souvenirs
gekocht, en weegt de koffer nu 28 kg.
 Bereken de arbeid die de reiziger nu moet verrichten om de koffer de helling
op te trekken.
4
Arbeid bij takelen
Mieke gebruikt een katrol om een zware kist omhoog te hijsen. De kist
weegt 60 kg, en moet vanaf de grond 12 m omhoog gehesen worden.
 Hoeveel arbeid is nodig om de kist op te hijsen?
Mieke moet niet alleen arbeid verrichten, maar ook een kracht leveren.
Mieke denkt dat ze met een katrol minder kracht hoeft te leveren dan
zonder een katrol.
 Leg uit dat het idee van Mieke niet klopt. Gebruik in je uitleg de begrippen
arbeid en afstand.
Vervolgopdrachten §2
Lees blz. 120 t/m 122 in je theorieboek, maak vraag 13, 14, 15, 18
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
24
NovA 3HV - Hoofdstuk 1 Krachten
§4 - Hefbomen en evenwicht
Met een hefboom bedoelen we een apparaat waarmee je je kracht kunt
vergroten (of verkleinen). Veel gereedschap maakt gebruikt van het
hefboomprincipe, bijvoorbeeld een koevoet, een schroevendraaier, een
nijptang of een pincet.
1
Een steen en een hefboom
Egbert probeert met een plank een zware steen van 900 N op te tillen. Op
het eerste plaatje zie je dat hij maar 300 N nodig heeft om de steen omhoog
te duwen.
 Leg in je eigen woorden uit hoe het komt dat de kracht die Egbert nodig is
veel kleiner is de 900 N van de steen.
Egbert wil de steen 20 cm optillen. In de tekening zie je dat hij het uiteinde
van de plank daarvoor 60 cm naar beneden moet duwen.
 Hoeveel arbeid moet Egbert daarbij verrichten?
De steen is 20 cm hoger gekomen.
 Hoeveel arbeid had Egbert moeten verrichten als hij de steen zonder
hefboom had moeten optillen?
De werking van de hefboom heeft ook iets te maken met de lengte van de
plank en de plaats van het draaipunt.
 Hoe zou je met behulp van de tekening kunnen uitleggen dat de kracht die
Egbert naar beneden moet uitoefenen drie keer zo klein is als de 900 N van
de steen?
Bij hefbomen zegt men wel: “Wat je wint aan kracht verlies je aan afstand.”
 Leg uit wat met deze uitspraak bedoeld wordt.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
25
2
Een wip als hefboom
Bram (40 kg) en Neelie (30 kg) zitten op de wip. De stoeltjes op de wip
zitten even ver van het draaipunt.
 Waarom is de wip niet in evenwicht?
De wip kan in evenwicht gebracht worden als Bram op een andere plek gaat
zitten.
 Teken waar Bram ongeveer moet gaan zitten om evenwicht te maken.
 Waarom kan de wip niet in evenwicht gebracht worden als Neelie op een
andere plaats gaat zitten?
3
De evenwichtsregel bij een hefboom
Een mobile is ook een soort hefboom. De twee visjes zijn niet even zwaar.
 Hoeveel gram weegt het rechtervisje? Leg uit.
Bij een hefboom hangt de krachtversterking af van de afstanden tot het
draaipunt. Die afstand noemen we de arm van de kracht. Er geldt een
eenvoudige regel:
 kracht x armlinks = kracht x armrechts
Voor de kracht mag je ook de massa in gram invullen.Het gewicht van het
stokje mag je verwaarlozen.
 Vul de regel in voor de mobile van twee visjes:
......  ...... = .......  .......
4
Een takel als hefboom
Een takel bestaat uit tenminste twee katrollen, waarbij het gewicht aan een
losse katrol hangt. Deze katrol hangt dan in twee touwen. De kist heeft een
massa van 60 kg, de katrol is 2,0 kg. De kist moet 12 m omhoog gehesen
worden.
 Hoeveel arbeid is er nodig om de kist (met katrol) op te takelen?
Deze katrol hangt dan in twee touwen, en er zijn ook twee krachten die de
kist omhoog trekken. Aan de linkerkant van de takel moet iemand trekken.
Om de kist op te hijsen moet die persoon een kracht en arbeid leveren.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
26
Bovendien moet hij (of zij) het touw een aantal meter naar beneden
trekken.
 Hoe groot is de kracht waarmee aan het touw getrokken moet worden?
 Bereken hoeveel arbeid de trekkracht aan het touw verricht.
 Geldt bij deze takel ook de regel “Wat je wint aan kracht verlies je aan
afstand.”? Leg uit.
5
Een hefboom bij gereedschap
Hiernaast zie je drie verschillende gereedschappen die allemaal volgens het
hefboomprincipe werken.
 Leg in eigen woorden uit waarom de kracht die je uitoefent vergroot wordt.
 Geef in elk figuur met een rode stip de draaias aan.
 Teken in elk figuur de spierkracht op het uiteinde.
 Meet bij elke hefboom:
1 de afstand tussen de spierkracht en de draaias;
2 de afstand tussen de kracht die je moet uitoefenen en de draaias.
voorwerp
afstand 1
afstand 2
kracht
notenkraker
koevoet
flesopener
Bij elk apparaat wordt op het uiteinde een kracht van 10 N uitgeoefend.
 Bereken hoe groot de kracht wordt die de hefboom op het voorwerp
uitoefent. Noteer alle getallen in de tabel.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
27
NovA 3HV
afronding: Hefbomen, evenwicht en arbeid
1
Rekenen met evenwichten en hefbomen
De mobile van figuur 21 is ingewikkelder. Het rechtervisje weegt 10 gram.
De lengtes van de stokjes staan in de tekening. Je mag het gewicht van de
stokjes verwaarlozen.
 Bereken het gewicht van de visjes A en B.
2
Een katrollamp
Bij Marlies en Geert hangt een katrollamp (figuur 5). De lampenkap kan op
en neer worden bewogen. Als de lamp omhoog gaat dan zakt het gewichtje
C naar beneden. Het touw beweegt dan langs twee katrollen.
De wrijving in de katrollen is zeer klein, zodat je daar geen rekening mee
hoeft te houden. De lamp aan de linkerkant wordt in evenwicht gehouden
door het gewichtje aan de rechterkant. Je mag bij de berekeningen het
gewicht van de losse katrol en het touw verwaarlozen. Lamp L heeft een
massa van 1,6 kg.
 Hoe groot moet de massa van de metalen cilinder C zijn om de lamp op z'n
plaats te houden?
 Marlies duwt de lamp 20 cm omhoog. Waarom heeft ze daar (bijna) geen
kracht voor nodig?
 Hoeveel gaat de metalen cilinder omlaag, als Marlies de lamp 20 cm
omhoog duwt?
 Hoeveel arbeid moet Marlies verrichten om de lamp 20 cm omhoog te tillen?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
28
3
Gereedschap met hefboom
In figuur 23 zie je twee manieren om een kist op een kruiwagen te laden.
 Welke kruiwagen kun je het gemakkelijkst optillen? Waarom?
Je kunt een flesopener op twee manieren gebruiken om een fles te openen
(figuur 24).
 Geef met een rode stip aan waar zich de draaias bevindt in beide gevallen.
 In welk geval heb je de minste spierkracht nodig? Waarom?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
29
NovA 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid
§3 - Vermogen en rendement
Onderzoek 5
Meet je eigen vermogen
Je spieren kunnen ook arbeid verrichten. De energie die je spieren per
seconde kunnen leveren noemen we het vermogen. Voor topsporters zoals
wielrenners, roeiers en schaatsers is het (duur)vermogen heel belangrijk.
Lance Armstrong kan bij een lange beklimming in de Tour de France continu
een vermogen van 450 W leveren.
Bij traplopen til je je eigen gewicht omhoog, en daarbij wordt de energie uit
je spieren omgezet in hoogte-energie. Om de arbeid te bepalen moet je dus
je gewicht en de hoogte van de trap meten.
 Onderzoeksvraag: Hoe groot is het maximale vermogen dat je bij
traplopen kunt leveren?
Voor het onderzoek moet je dus zo snel mogelijk een aantal trappen
oplopen. Bij de uitvoer van het onderzoek moet je keuzes maken:
 Je kunt het gewicht aanpassen door in een rugzak extra gewicht mee te
nemen. Je gaat dan wel iets langzamer, dus je moet ook niet teveel extra
gewicht meenemen.
 Je kunt zelf het aantal trappen kiezen. Meet het hoogteverschil.
Bij elke groep rent één persoon de trappen op. Zorg wel dat de
omstandigheden steeds hetzelfde zijn, dus rust steeds eerst uit voordat je
nog een keer omhoog sprint.
1
Meetresultaten
Noteer de resultaten in de tabel.
totale massa
(
)
2
tijd
(
)
hoogte
(
)
vermogen
(
)
Conclusie
Hoe groot is het maximaal vermogen?
 Vergelijk het maximaal vermogen met het vermogen dat Lance Armstrong
levert tijdens de Tour de France. Wat valt je op? Heb je daar een verklaring
voor?
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
30
3
Elektrisch vermogen bij een hijskraan
Janita heeft een opstelling gebouwd waarmee ze een hijskraan nabootst.
Met een elektromotor hijst zij een gewichtje omhoog.
De resultaten van het
 spanning:
 stroomsterkte:
 massa gewichtje:
 hoogte:
 tijd:
experiment van Janita zijn:
6,0 volt
250 mA
400 gram
1,5 m
6,7 s
Met het opgenomen vermogen van een elektromotor bedoelen we het
elektrisch vermogen dat door de voeding geleverd wordt. Het elektrisch
vermogen hangt af van de spanning en de stroomsterkte die de elektrische
voeding levert.
 Met welke formule kun je het opgenomen vermogen van een elektromotor
berekenen? Hoeveel watt levert de voeding?
Met het nuttige vermogen van de elektromotor bedoelen we hoeveel arbeid
de elektromotor per seconde verricht bij het ophijsen van het gewichtje.
 Bereken hoeveel het nuttige vermogen van de elektromotor in dit proefje is.
 Bereken het rendement van de elektromotor van Janita.
Een echte hijskraan hijst een voorwerp van 5,0 ton met een constante
snelheid van 0,50 m/s omhoog (1 ton = 1000 kg).
 Bereken het nuttig vermogen van deze hijskraan.
Vervolgopdrachten §3
Lees blz. 123 t/m 125 in je theorieboek, maak vraag 26, 27, 28, 31, 32
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
31
NovA 3HV - Hoofdstuk 7 Arbeid
§4 - Verbrandingsmotoren
In een verbrandingsmotor wordt chemische energie omgezet in beweging.
Bij een verbrandingsmotor moet aan twee zaken aandacht besteed worden:
 de brandstof moet steeds opnieuw in de cilinder gebracht worden, en na
de verbranding moeten de afvalstoffen afgevoerd worden.
 de warmte moet gebruikt worden om iets in beweging te zetten.
Er zijn verschillende soorten verbrandingsmotoren.
1
De benzinemotor (lees blz. 126)
In een benzinemotor wordt dat allemaal verzorgd door een cilinder met een
zuiger, een bougie en inlaat- en uitlaatkleppen. De zuiger in de cilinder van
een benzinemotor maakt telkens vier verschillende slagen.
 Hoe heet de slag waarbij:
de verbrandingsgassen worden afgevoerd
 de brandstof met lucht aangevoerd wordt
 het mengsel van lucht en benzinedamp wordt samengeperst;
 hete verbrandingsgassen onder hoge druk de zuiger naar beneden
drukken.

Een van de 'slagen' van een benzinemotor is de arbeidsslag. Bij arbeid moet
er sprake zijn van een kracht en een afstand.
 Waardoor ontstaat er een grote kracht op de zuiger?
 Welke afstand wordt bedoeld, als wordt gezegd dat er bij deze slag arbeid
wordt verricht? Teken deze afstand in de bovenstaande figuur.
2
Andere verbrandingsmotoren
Naast benzine worden ook andere brandstoffen gebruikt voor transport.
 Noem drie andere brandstoffen die voor transport gebruikt worden.
Er zijn ook voertuigen die niet op een brandstof, maar op elektrische energie
rijden.
 Noem drie voertuigen die op elektrische energie rijden.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
32
3
Verbranding en rendement
Een verbrandingsmotor heeft niet zo’n hoog rendement. Een flink deel van
de warmte die bij de verbranding vrijkomt wordt niet gebruikt voor de
beweging van de auto.
 Hoe noemen we de energie die niet gebruikt wordt voor de beweging van de
auto?
Als je spieren arbeid verrichten, zoals bij het traplopen, gaat ook nogal wat
energie ‘verloren’. Het rendement is meestal niet hoger dan 25%. Als je
stevig aan het sporten bent kun je dat goed merken.
 Hoe merkje dat?
 Maak de onderstaande energie-stroomdiagrammen af. Teken nauwkeurig de
energiepijlen aan de rechterkant, en noteer daarin de energiesoorten.
4
brandstof
diesel
benzine
LPG
warmte
36 MJ/l
33 MJ/l
24 MJ/l
Welke brandstof kies je?
In Nederland kun je kiezen uit drie brandstoffen voor de auto: benzine,
diesel en LPG. De meeste automobilisten willen vooral weten welke
brandstof het goedkoopst in gebruik is. In de tabel zie je de
verbrandingswarmte van de drie brandstoffen gegeven.
Bart beweert dat dieselmotoren de goedkoopste motoren zijn, omdat ze op
de brandstof met de grootste verbrandingswarmte werken. Hij vergeet dat
er nog andere factoren een rol spelen, zoals de prijs van de auto en de
brandstof.
 Welke natuurkundige factor is hierbij ook nog belangrijk?
Een auto verbruikt bij een snelheid van 90 km/h gemiddeld 1,0 liter benzine
op een afstand van 12 km. Het rendement van de motor is 27%.
 Bereken hoeveel arbeid de motor verricht met 1,0 liter benzine.
 Hoe groot is de kracht die de automotor bij deze snelheid levert?
Vervolgopdrachten §4
Lees blz. 125 t/m 128 in je theorieboek, maak vraag 36
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
33
Extra opgaven hefbomen en arbeid
1
Ziekenhuisbed
Een ziekenhuisbed heeft een soort krik om het bed omhoog te krikken. Als
het pedaal van de krik 20 cm omlaag wordt geduwd, gaat het bed 3,0 cm
omhoog. Een verpleger moet dan een kracht van 165 N op het pedaal uitoefenen.
 Maak een tekening van de situatie. Teken de krik als een hefboom, en teken
de lengtes van de armen ongeveer in de juiste verhouding.
 De arm van het pedaal heeft een lengte van 36 cm. Bereken hoe lang de
andere arm van de hefboom is.
 Bereken de arbeid die de verpleger heeft verricht, als het bed 20 cm omhoog
is gekrikt.
2
Hefboom
Irene heeft een opstelling gemaakt van een lat met gaatjes die steeds even
ver uit elkaar zitten. Het middelpunt van de lat is het draaipunt van de
opstelling. Aan de rechterkant hangt ze op een aantal plaatsen gewichtjes
(figuur 42).
Bereken hoeveel gram ze aan de linkerkant op de aangegeven plaats moet
hangen, zodat de hefboom in evenwicht is.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
34
2 Elektrische energie omzetten in warmte
1
2
3
1 Energie omzetten
10
a Elektrische energie, chemische energie,
warmte. licht, geluid, zwaarte-energie en
bewegingsenergie.
b De zon, de wind, een batterij, aardgas,
aardolie en steenkool.
c De eenheid van energie is de joule (J).
a Een gloeilamp van 75 W neemt 75 joule
elektrische energie per seconde op.
b ... in kWh.
c 1 kWh = 3 600 000 J
11
a Met een warmtemeter kun je nagaan
hoeveel warmte nodig is om een bepaalde
hoeveelheid water op een bepaalde
temperatuur te brengen.
b Er is 3,9 J warmte nodig om 1 gram van de
melk 1 °C in temperatuur te doen stijgen.
12
a E = 2 1600001 = 0,6 kWh
b E = 34 700 J = 0,0965 kWh
13
a Q = 15 750J
b P = 17,5W
c Het water zal niet alle warmte opnemen
die het element produceert. Er 'lekt' altijd
wel wat warmte weg.
14
a Vloeistof B heeft de grootste soortelijke
warmte.
b De hoeveelheden vloeistof zijn gelijk (100
g) en zijn met dezelfde verwarmingsspiraal
(12 W) verwarmd. De temperatuur van
vloeistof B stijgt minder snel en heeft dus
de grootste c.
c Stof A heeft een warmtecapaciteit van 2,16
J/g∙°C.
Stof A zou dus alcohol kunnen zijn. (Het
gaat om een vloeistof!)
Na 15 min (900 s) stijgt de temperatuur
van vloeistof B met 25 °C.
Opgenomen warmte Q = P∙t = 12 x 900 =
10 800 J ---> cB = 4,32 J/g∙ºC.
Deze vloeistof kan water zijn.
15
a 5000 g
b Q = 1 680 000 J = 1,68 MJ
c P = 2800 W
16
a t = 147 seconden ( = 2,5 min.)
b Niet alle warmte die het
verwarmingselement ontwikkelt, wordt
door het water opgenomen. Het opwarmen
duurt dus langer dan bij a berekend is.
17
P = 150 W
18
Ongeveer 260 seconden (aangenomen dat de
ontwikkelde warmte van de snelkoker geheel
door het water is opgenomen).
a Chemische energie wordt omgezet in
elektrische energie.
b Elektrische energie wordt omgezet in licht
en warmte.
a 1 Snelkoker; 2 koffiezetapparaat; 3
elektrische oven.
b 1 CV-ketel, 2 lasapparaat; 3 gaskachel.
4
a Chemische energie --> elektrische
energie
b Elektrische energie --> chemische energie
5
1
2
3
4
5
6
a Zie de figuur.
Elektrische oven: warmte.
Betonmolen: beweging.
Gloeilamp: licht.
Batterijader: chemische energie.
Radio: geluid.
b De spaarlamp verbruikt veel minder
elektrische energie dan een gewone
gloeilamp.
c Beide lampen geven evenveel licht.
d Een SL-lamp verbruikt veel minder
elektrische energie om dezelfde
hoeveelheid licht te produceren.
7
2,7 MJ = 2700 kJ
1,1 MJ = 100 kJ
2,1 MJ = 2100 kJ
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
35
3 Chemische energie omzetten in warmte
20
De verbrandingswarmte van een stof is de
hoeveelheid warmte die vrijkomt als een
bepaalde hoeveelheid van die stof verbrandt.
21
a Dit betekent dat 90% van de
geproduceerde warmte nuttig wordt
gebruikt.
b Als het rendement laag is, verdwijnt er veel
verbrandingswarmte naar buiten. Je moet
dan meer aardgas verbranden, en dat kost
geld.
22
a 2,7 MJ
b 1320 MJ
c 9600 MJ
23
a 32 kW
b 32 000 J/s (ketel met de grootste
capaciteit)
c 1 liter
24
a Van zonne-energie (licht) naar elektrische
energie + warmte.
b Een hoger rendement betekent dat er
meer elektriciteit uit zonlicht verkregen kan
worden. (Dat maakt de opgewekte
elektriciteit minder duur.)
25
TL-buis: 20%
geiser: 74%
elektriciteitscentrale: 38%
26
a In de TL-buis: 16 J/s; in de SL-lamp: 9 J/s
b De TL-buis geeft iets meer licht.
c De SL-lamp heeft een hoger rendement.
27
Enut = 7 056 000 J; Etot = 9 600 000 J;  =
73,5 %
28
a Etot = 40 800 J; Enut = 25 200 J; r) = 62
b oorzaak 1: Aan de bovenkant van de
flessenwarmer kan warmte ontsnappen.
oorzaak 2: Niet alle warmte die de
flessenwarmer levert, komt ten goede
aan het verwarmen van het water. De
zuigfles zelf wordt ook verwarmd.
33
a 600 MW, ofwel 600 000 000 J/s
b Enut = 600 MJ;  = 40% --> Etot = 1500
MJ
c Per seconde wordt ca. 52 kg steenkool
verbrand.
d 187 200 kg
34
a/b centrale A: nuttige energie is elektrische
energie; ij = 40%
centrale B: nuttige energie is elektrische
energie en warmte voor stadsverwarming;  =
80%
35
a 200 W
b Minstens nodig zijn 4 panelen van 1 m2.
36
a Zie de figuur.
b 175 200 kWh
c Het gemiddelde vermogen ligt veel lager
dan het topvermogen.
d De zonnecelcentrale zou zich na ruim 9
jaar hebben terugverdiend.
37
+5 Energie in voedsel
41
Om je lichaam op temperatuur te houden.
42
a De persoonlijke energiebehoefte is
afhankelijk van: 1 de hoeveelheid energie
die je verbruikt, 2 of je een jongen of een
meisje bent.
b Dan word je dik.
43
Je lichaam produceert 's winters meer warmte
dan in de zomer. Het heeft daarvoor meer
voedsel nodig.
44
a appel 170 kJ
bruinbrood 1920 kJ
margarine 744 kJ
kaas 300 kJ
jam 220 kJ
totaal 3354 kJ
b Ongeveer 34%
c Het beleg levert een grote bijdrage aan de
totale energiewaarde van een
boterham.
45
a cola 2000 kJ
pinda's 2000 kJ
4 Elektriciteit opwekken
31
a Stoom wordt met grote snelheid tegen de
schoepen van een turbine geblazen.
b Wind blaast tegen de wieken.
c Stromend water zet waterturbines in
beweging. Deze turbines drijven op hun
beurt de generatoren van de centrale aan.
32
a 1 500 000 huishoudens.
b Het grootste deel van de dag ('s nachts)
kan het geleverde vermogen onder het
piekvermogen blijven.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
a In België zijn meer sterk stromende
rivieren dan in Nederland.
b 3529 MW
c Ze heeft gelijk. Ook waterkracht en
windkracht ontstaan door de zon.
36
chips 1150 kJ
kaas 1800 kJ
totaal 6950 kJ
b 12 600 kJ
c Pieter heeft tijdens de verjaardag al meer
dan de helft van zijn dagelijkse
energiebehoefte achter de kiezen.
46
47
a 100 gram knackebrod bevat 10,0 g eiwit,
1,5 gram vet en 64,6 gram koolhydraten en
suikers.
b Energiewaarde van 100 gram knäckebröd:
(10,0 x 16,8 kJ) + (64,6 x 16,8 kJ) + (1,5 x
37,8 kJ) = 1310 kJ
c Die waarden komen vrijwel overeen. De
overige bestanddelen in knackebrod
dragen dus vrijwel niet bij aan de
energiewaarde.
Dan gaat je lichaam het eigen lichaamsvet (de
reserve) gebruiken voor de benodigde
energie. Je verliest lichaamsgewicht.
48
manier 1:sporten (lichaamsbeweging).
manier 2: minder eten dan je nodig hebt.
49
a 1,8 kg rijst.
b Ongeveer 1 kg varkensvlees en 2 kg
eieren; dat zijn ongeveer 36 eieren,
aangenomen dat een ei ongeveer 55 g
weegt.
50
a Zie de figuur.
5
1400 seconden = ca. 24 minuten
6
a cporselein = 2,4 J/g∙°C
b Kleiner.
7
a Ja. Als je het paneel op de zon richt
b 36 MJ/m³
8
a Ongeveer 150 ml
b P = 1785 W (aangenomen dat de
begintemperatuur van het water 15 °C is.)
9
 = 43 %
10
a E = 588 kWh
b De centrale zou 143 huishoudens van
elektriciteit kunnen voorzien.
c  = 32%
11
a Zonne-energie --> elektrische energie +
warmte
b  = 8,6%
c Zie de figuur.
+12 a
Gemiddeld vermogen van een mens:
P = 116 W
b Energie-inhoud van een bepaalde appel =
300 kJ
b P = 58 J/s (voor 50 kg water)
Test jezelf
1
a Elektrische energie -> warmte
b Er wordt ook warmte geproduceerd die
wordt afgestaan aan de omgeving (lucht).
Niet alle warmte komt dus ten goede aan
het strijkproces
2
a Zie de figuur.
b Het rendement bedraagt 28,6%.
3
a E = 7,2∙105 J
b 4500 seconden (75 minuten)
4
Eindtemperatuur = 23,7 °C
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
37
c De rolweerstand.
d De tegenwerkende kracht is het grootst als
er geen boomstammen (rollers) worden
gebruikt.
e De rollers zakken dan deels in de grond en
rollen niet goed meer, ofwel de
rolweerstand wordt erg groot.
1 Arbeid verrichten
1
Zie de tabel.
grootheid symbool
kracht
F
afstand
s
arbeid
W
2
eenheid
newton
meter
newtonmeter
symbool
N
m
Nm
11
a De zwaartekracht is de kracht die de aarde
op een voorwerp uitoefent.
b Een takel bestaat uit een vaste en een
losse katrol.
c Een takel maakt je sterker. De kracht
waarmee je een voorwerp omhoog
moet hijsen, wordt kleiner.
12
De verkleining in kracht is (rekenkundig
gezien) gelijk aan de vergroting in afstand.
13
a
b
c
d
14
a t = FZ = 120N
b 8m
c W = 960J
15
a
b
c
d
a Tijdens het bewegen oefent het water een
tegenwerkende kracht uit op het schip. (De
tegenkracht kan eventueel vergroot
worden door de stroming van het water.)
b 500 N
c W = 2,75.6 Nm
16
W = 160 J
17
a
b
c
d
e
a 8N
b De katrol maakt haar tweemaal zo sterk.
c 40 cm
18
a De manier van Maria is de beste.
b Het knippen kost minder kracht, omdat de
'knipafstand' groter is.
19
a G = 1100 N
b De verpleger zal in werkelijkheid een iets
grotere kracht moeten zetten dan 165 N.
Er zal namelijk altijd wel iets wrijving
optreden.
c W = 220 J
20
a Punt B.
b Punt D.
c F gaat 2,5 mm naar beneden. Uit de
verhoudingen: DF: DE = 7 : 5 en AB : CB =
7 : 1 kun je berekenen dat punt A naar
beneden moet gaan: 5 x 7 x 2,5 mm : 7 =
12,5 mm
d Je spierkracht is met een factor vijf
vergroot.
a De nettokracht is nul.
b De nettokracht is niet nul en werkt in de
richting van de beweging,
c Als het voorwerp stilstaat, werken er geen
voortstuwende krachten. Er is dus ook
geen nettokracht.
d De nettokracht is niet nul en werkt tegen
de bewegingsrichting in.
3
W = F∙s waarin: W = verrichte arbeid; F =
kracht; s = afstand
4
a stroomlijnen
b harde banden (wielen) over een harde en
vlakke ondergrond te laten rijden.
c de oppervlakken die langs elkaar wrijven,
in te smeren.
5
6
7
9
2 Hefwerktuigen
a De wrijvingskracht tussen slee-glijders
en de sneeuw.
b De snelheid is constant, dus Fnetto = 0 N
W = 0,46 Nm
W = 4,42∙103 Nm
W = 1,56∙106 Nm
W = 1,5∙1010 kNm
W = 2,875∙1013 kNm
a Boomstammen.
b De wrijvingskracht tussen de steen en de
grond.
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
W = 0,078 J
W = 174 J
W = 3,29∙104 J
W = 9,45∙105 J
Ft = 0,5 x Fz = 60 N
16 m
W = 960 J
Als je een takel gebruikt in plaats van een
katrol, heb je de helft minder kracht nodig
om dezelfde hoeveelheid arbeid te
verrichten.
38
35
Afvalwarmte van een verbrandingsmotor: te
warmte tie mét de hete verbrandingsgassen
door te uitlaat naar buiten verdwijnt.
36
a Chemische energie.
b Voedsel (fietser) en benzine (scooter).
37
a Tijdens het sporten word je warm.
b Je gaat zweten. Het zweet verdampt en
onttrekt de daarvoor benodigde warmte
aan je huid.
39
a Door te hoge temperatuur en te gevormde
verbrandingsgassen wordt de druk in de
cilinder hoog. Deze hoge druk oefent een
grote kracht uit op het oppervlak van te
cilinder, er wordt arbeid verricht.
b De slaglengte van van te zuiger.
40
diesel: ?
kerosine: 9,2 kWh/I steenkool: 8,0 kWh/kg
3 Vermogen en rendement
22
a Opgenomen vermogen: de hoeveelheid
elektrische energie die de elektromotor per
seconde opneemt.
b Opgenomen vermogen P = U∙I
23
a Nuttig vermogen: de hoeveelheid arbeid
die de motor per seconde verricht.
b Nuttig vermogen Pnut = W/t
24
1  = Enut/Eop x 100%
2  = Pnut/Pop x 100%
25
Pnut = 25 kW
26
a
b
c
d
Pop = 9 V x 0,20 A = 1,8 W
Eop = 1,8 W x 5 s = 9 Ws = 9 J
W = 2 N x 1,8 m = 3,6 Nm = 3,6 J
 = 40%
27
 = 45%
28
a W = 2448 Nm
b P = 40,8 W
29
a
b
c
d
30
a Pnut = 29,4 kW
b Pop = 147 kW
c 147 kW = 147 000 J/s
Hiervoor moet verbrand worden:
147 000 J/s : 33 000 000 J/l = 4,45 x 10-3 l
= 4,45 ml (afgerond 4,5 ml) benzine.
31
32
W = 1,35∙1010 Nm
Pnut = 3,0∙106 W = 3,0 MW
Pop = 3,3 MW (3333 kW)
Eop = 4166 kWh
a W = 300 J
b F=2N
c 1 = 0,75 A
34
1
W = 4000 J
2
a Bewegingsenergie -* veerenergie ->
zwaarte-energie -> bewegingsenergie
b 3840 J
c Er zal altijd energie verloren gaan. Zo zal
niet alle bewegingsenergie worden
omgezet in zwaarte-energie, omdat de
springer bovenin nog bewegingsenergie
heeft.
3
a 19,2 kJ
b 76,8 kJ
4
3,5 kW
5
a
b
c
d
e
40 s
900 W
t = 67 s
1200 W
5,2 A.
6
a
b
c
d
e
81 m
De lift stopt onderweg regelmatig.
7,9∙105 J
1,8∙104 n
2,9∙104 n
7
a Antwoord A.
b Antwoord B.
c Antwoord B.
+8
a 68 pk
b 15 000 J
c 750 N
Pnut = 50,6 J/s
4 Verbrandingsmotoren
33
Test jezelf
a Voorbeelden van voertuigen die
chemische energie verbuiken:
1 scooter; 2 personenauto; 3 vrachtwagen.
b Voorbeelden van voertuigen die
elektrische energie verbuiken:
1 trolleybus; 2 snorfiets; 3 elektrische trein.
a
b
c
4
Uitlaatslag.
Aanzuigslag.
Compressieslag.
Arbeidsslag.
d 5,1 ml
HOOFDSTUK 5 & 7 - ENERGIE & ARBEID
39