Eindexamen natuurkunde havo 2000 tijdvak 1 (natuurkunde 1)

opgave 1Opgave 1 LEDs

figuur 1 Veel elektrische apparaten hebben één of meer controlelampjes. Hiervoor gebruikt men vaak een LED. De naam LED is een afkorting van Light Emitting Diode. Er bestaan verschillende soorten LEDs, waarvan er in figuur 1 twee zijn afgebeeld, één met een bolle voorkant en één met een platte voorkant. Een LED wordt opgenomen in een figuur 2 elektrische schakeling, waarvan het schakelschema in figuur 2 is weergegeven. Om het verband te meten tussen de spanning over en de stroom door de LED, moet in de schakeling van figuur 2 een spanningsmeter en een stroommeter

worden opgenomen. Teken het schakelschema van de schakeling, waarin deze meters zijn opgenomen. In figuur 3 is het resultaat van de metingen figuur 3 weergegeven. Van de LED, die is doorgemeten, blijkt de zogenaamde ’doorlaatspanning’ 1,4 V te bedragen.

Beschrijf, gebruikmakend van de grafiek, wat men onder de ’doorlaatspanning’ van een LED verstaat.

Bepaal de weerstand van de LED wanneer de stroomsterkte door de LED 50 mA bedraagt. In de schakeling is een weerstand van 50 W opgenomen.

Bepaal de spanning die de spanningsbron levert, als er door de LED een stroom loopt van 100 mA. figuur 4 Een LED bestaat uit een puntvormige lichtbron P die gegoten is in een stukje doorzichtige kunststof. Zie figuur 4. We bekijken een LED met een bolvormige voorkant. M is het middelpunt van de bol. In figuur 4 zijn twee lichtstralen getekend die uit de lichtbron komen. Figuur 4 staat vergroot op de bijlage.

Bepaal met behulp van de figuur op de bijlage de brekingsindex van de kunststof.

figuur 5 Deze aan één kant bolvormige LEDs worden, behalve als controlelampje in elektrische apparatuur, ook toegepast in zogenaamde derde remlichten van auto’s. Het is belangrijk dat een automobilist achter de remmende auto dit extra remlicht fel ziet oplichten als de auto voor hem remt. De LED met de platte voorkant uit figuur 1 wordt niet gebruikt in derde remlichten. In figuur 5 is een lichtbundel getekend die op de voorkant van zo’n platte LED valt. Figuur 5 staat vergroot op de bijlage.

Schets, zonder berekening, in de figuur op de bijlage hoe deze lichtbundel gebroken wordt en leg uit waarom bolvormige LEDs in derde remlichten de voorkeur hebben boven platte LEDs.

opgave 2Opgave 2 Arsenicumvergiftiging?

Neutronen worden tegenwoordig bij allerlei onderzoeken gebruikt, onder andere bij de zogenaamde neutronenactiveringsanalyse. Dit is een onderzoeksmethode waarbij men zeer kleine hoeveelheden van een bepaalde stof kan aantonen door bestraling met neutronen. Men vermoedt dat iemand aan een arsenicumvergiftiging is overleden. Een haar van deze persoon wordt met de genoemde methode onderzocht op de aanwezigheid van arsenicum (arseen). Indien arseen-75 aanwezig is, wordt dit door de bestraling met neutronen omgezet in arseen-76 ( 76 As).Arseen-76 is radioactief en vervalt onder uitzending van b -straling en g -straling.

Geef de vergelijking van het verval van 76 As. Om arseen aan te tonen maakt men gebruik van zijn halveringstijd. Eerst meet men met een Geiger-Müllerteller de achtergrondstraling. De teller geeft ten gevolge van de achtergrondstraling 24 pulsen per minuut aan. De achtergrondstraling mag als constant beschouwd worden. Vervolgens wordt de straling gemeten van de verdachte mensenhaar, die met neutronen is bestraald. De teller meet nu 164 pulsen per minuut. Na 53,6 uur herhaalt men deze meting. Men meet dan 59 pulsen per minuut. Neem aan dat door de neutronenbestraling één stof radioactief is geworden.

Leg met behulp van een berekening uit of men uit deze metingen de conclusie kan trekken dat deze stof arseen zou kunnen zijn.

opgave 3Opgave 3 Autolamp

93p

102p

Een amp zet e ektrische energie om

licht en warmte

Jamila doet een proef om h re e

bepalen waarmee een bepaalde lamp

elek rische ener ie

a r

lamp staat ”12 V; 45 W”.

eken eers d a d am

hij aangesloten is op 12 V.

Jamila maakt de opstelling die in

schema h w rge ve

In het bekerglas heeft zij gedest

water gedaan.

L u wa m g d rd te

figuur 6

gebruikt en geen leidingwater.

Nadat de schakelaar s gesloten, meet Jam la, terwijl ze h

figuur 7

tempe- 26 ratuur (˚C) 24 22 20 18 16 14 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tijd (minuten)

De hoeveelheid warmte die de lamp per seconde aan het bekerglas met water afg

noemt men het warmtevermogen van de lamp.

Om het warmtevermogen te bepalen, berekent Jamila eerst de warmtecapaciteit v

bekerglas met inhoud. De uitk

Z verw ar d mt ar d e e Z e bo

dat a het licht het bekerglas verlaat.

114p

Be aa e

e g e

w d a de warmt p t

warmtevermogen van de autolamp.

Uit het elektrisch vermogen en het warmtevermogen berekent zij

d au la p

123p

Leg uit hoe het ichtrendement van de auto amp kan worden berekend.

Jamila’s vriendin Coby stelt voor om de proef nog eens te

alum niumfolie om het bekerglas e

133p

opgave 4Opgave 4 Autotest

In autot jdschriften staan vaak testrapporten van nieuwe auto’s. Zo’n testrappor

u n bes ek v e jg g

t e n ove c m e t

gegevens i de vorm van tabellen en grafieken. In figuur 8 is zo’n overzicht afgedr

Onder brandstof- of benzineverbruik wordt verstaan het aantal liters benzine dat w

verbruikt als een auto 100 km aflegt. Het brandstofverbruik hangt onder ande e

snelheid van de auto en de rijstijl van de chauffeur. In het testrapport staat het m

maximale en gem ddelde v b e m l

d a rad u e ve D

afstand die een auto af kan leggen me één volle tank. De inhoud van de brand

staat ook in het

143p

e e i et el v n d g o e b a e b u k

act eradius bepaald is.

Onder de remweg verstaat men de afstand die de auto aflegt vanaf het moment

bestuurder op de rem trapt. De remweg van een auto hangt af van zijn sn

van een aantal ander factoren, zoals bijvoorbeeld het profiel van

h vi o wi d bui s w g m

d da n l

153p

Noem nog drie factoren die van invloed zijn op de remweg van een auto.

Als de auto met topsnelheid rijdt, levert de motor het topvermogen. Volgens he

testrapport is zijn to

164p

u km k n a t t

deze met topsnelheid rijdt.

Uitlaatgassen van auto’s belasten het milieu.

Tus en Annabel en Jochem ontstaat een discussie over de vraag wanneer een aut

lucht meer vervuilt: als een auto met gemidde d 120 km/h van Arnhem naar Ni

rij t of als dezelfde auto deze afstand aflegt met een gemiddelde snelheid 8

Jochem zegt „Het maakt niets uit. Bij hoge snelheid verbruikt de auto meer ben

maar dat wo dt gecompenseerd doord

Annabel zegt: „De tijd doet er niet toe. B

172p

figuur 8

autotest MOTOR BRANDSTOF plaats dwars voor octaanbehoefte 95 aantal cilinders 4 actieradius (km) 750 cilinder opstelling lijn verbruik (liter per 100 km) cilinderinhoud (cm3) 1581 • minimaal 7,4 boring x slag (mm) 86 x 67 • maximaal 9,3 compressieverhouding (:1) 10,2 • gemiddeld 8,4 brandstofvoorziening multipointinj. verbruik als functie van de snelheid kleppen per cilinder 4 nokkenas 2, bovenliggend topvermogen (kW) 76 koppel (Nm bij r/min) 144/4000 PRESTATIES topsnelheid (km/h) 180 optrekken vanaf stilstand REMWEG (m) • 80 km/h 32 • 120 km/h 72 M ATEN l x b x h (cm) 449 x 174 x 151 optrekken vanaf 60 km/h wielbasis 254 (s) - (m) massa volgens kenteken (kg) 1175 •60 - 80 km/h 6,4 - 124 maximaal toegelaten massa (kg) 1795 •60 - 100 km/h 13,1 - 291 inhoud brandstoftank (liter) 63 •60 - 120 km/h 20,0 - 504 bagageruimte •60 - 140 km/h 28,0 - 792 • b x d x h (cm) 112 x 99 x 49 •60 - 160 km/h - - • inhoud (liter) 520 )h/mk( diehlens 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 t (s) )mk001/retil( kiurbrev 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 60 80 100 120 140 160 180 v (km/h) tijd afstand

opgave 5Opgave 5 Megawatt-turbine

figuur 9 Het onderstaande artikel gaat over een windturbine. Dit is het onderdeel van een moderne windmolen dat windenergie omzet in elektrische energie. Op de foto bij het artikel wordt de windturbine omhoog gehesen. Lees het artikel. Zie figuur 9. artikel Megawatt-turbine wisselt van gedaante Op de plek waar al in 1985 de experimentele Newecs-45 windturbine stond, iets ten noor- den van Medemblik, staat sinds kort een nieuwe, de NedWind 50 met een elektrisch vermogen van 1,0 megawatt (MW). De oude windturbine werd in april gesloopt, waarna de mast werd ingekort en de nieuwe computergestuurde turbine erop werd gemon- teerd (zie foto). Rotor, turbine en mast wegen samen 150 ton. De jaaropbrengst wordt geschat op 2,3 giga- wattuur (GWh), wat voldoende is voor 870 gemiddelde huishoudens. Uit:Technisch Weekblad, juni 1995 We gaan er vanuit dat de windturbine steeds het in het artikel vermelde elektrisch vermogen levert als hij in bedrijf is. Bij te veel of te weinig wind is de turbine niet in bedrijf. Dat is ook het geval als er onderhoudswerkzaamheden verricht moeten worden.

Bereken, gebruikmakend van de gegevens in het artikel, het aantal dagen per jaar dat de windturbine in bedrijf is. Berekeningen aan dit type windturbine hebben uitgewezen dat bij een windsnelheid van 16 m/s (harde wind) er per seconde 37 10 3 m 3 lucht het gebied passeert dat de wieken bestrijken. De kinetische energie van deze lucht wordt door de turbine (gedeeltelijk) omgezet in elektrische energie. De dichtheid van de lucht is 1,29 kg/m 3 .

Bereken hoeveel procent van de kinetische energie van de lucht door de turbine in deze omstandigheden wordt omgezet in elektrische energie. Elektrische energie die wordt opgewekt door een windturbine wordt ’groene stroom’ genoemd.

Noem twee voordelen en één nadeel van deze manier van energie-opwekking. De foto van figuur 9 is gemaakt met een camera waarvan de lens een brandpuntsafstand heeft van 40 mm. De hoogte van de mast van de turbine is 1,4 10 3 maal groter dan het beeld van de mast op het negatief. De foto bij het artikel is 3,4 maal groter dan het negatief. De hoogte van de mast op de foto is met een witte, gestreepte pijl aangegeven. Zie figuur 9.

Bereken op welke afstand van de mast de foto genomen is.

opgave 6Opgave 6 Ophaalbrug

In Friesland zijn veel kleine vaarten. Over deze vaartjes liggen m kl

ophaalbruggen. Sommige van deze bruggen zijn onbemand. Een watersport

wil passeren moet hem zelf openen door aan een ketting t

opend

figuur 10

2,6 m 3,2 m E D C ketting 5,9 102 N A Z B

figuur 11

Het wegdek van de brug draait om punt A. Wrijvingskrachten in de scharnieren w

verwaarloosd. Om de brug te openen, oefen

5 9

p e ein n e

bev ndt zich midden tussen A en B. Zie

233p

Bepaal de massa van het wegdek van de brug

Om de brug te openen trekt de watersp t

e n t E. Aa t

van de topl t EC is een extra massa aangebracht van 63 kg. De massa van de topla

te verwaarlozen De topl

244p

B a d o te n de ch a d

min ns n d

trekken om de brug te openen.

Op het wegdek van de b ug ligt een baksteen me een massa van 1,4 kg. Als de b

geopend wordt, schuift d a e n

e a d d a br

sne heid langs het wegdek naar beneden. In die stand is de hoek die h

254p

e a

k c u b e

opgave 7Opgave 7 Temperatuurregeling

Voor het regelen van de temperatuur in huis zijn systemen ontworpen met meerdere temperatuursensoren. Het systeem dat hier besproken wordt heeft twee temperatuursensoren die de volgende temperaturen meten: • de temperatuur in de huiskamer, • de temperatuur van het water in de verwarmingsketel. Het systeem moet voldoen aan de volgende eisen: I In de kamer kan de temperatuur ingesteld worden op een bepaalde waarde.Als de temperatuur in de kamer lager is dan deze waarde slaat de gasbrander in de ketel aan en wordt het water verwarmd. Is de temperatuur in de kamer hoger dan de ingestelde temperatuur dan gaat de gasbrander weer uit. II Als de temperatuur van het water in de ketel hoger wordt dan 85 ºC dan wordt de gasbrander altijd uitgeschakeld. De producent van dit systeem moet een keuze maken uit verschillende sensoren. Hij wil voor de huiskamer de gevoeligste sensor met een passend meetbereik in het systeem opnemen. In figuur 12 zijn de karakteristieken getekend van vier sensoren. figuur 12