bronnen

Eindexamen natuurkunde havo 2009, tijdvak 1 (natuurkunde 1, bezemexamen)

opgave 1Opgave 1 Tsjernobyl, ruim 20 jaar later

In 1986 ontplofte in Tsjernobyl een kernreactor.
Grote hoeveelheden radioactieve stoffen werden bij dit ongeluk de lucht in
geblazen. Door de wind verspreidden de stoffen zich over een enorm gebied.
Bij de ontploffing kwam een grote hoeveelheid Cs-137 vrij met een totale
activiteit van 85·1015 Bq. In een gebied van 3,0·103 km2 (drieduizend vierkante
kilometer) in de directe omgeving van de centrale, de zogenoemde ‘verboden
zone’, veroorzaakte het neergeslagen cesium een gemiddelde activiteit van
2,0·106 Bq/m2.
13p
Bereken welk percentage van het vrijgekomen Cs-137 in dit gebied
terechtkwam.
Bij het verval van een Cs-137-kern komen een β-deeltje en een γ-deeltje
(γ-foton) vrij.
23p
Geef de vervalvergelijking van Cs-137.
In de verboden zone wonen nog steeds mensen. De stralingsbelasting die zij ten
gevolge van uitwendige bestraling oplopen, wordt voornamelijk bepaald door de
absorptie van γ-straling afkomstig van Cs-137; de β-straling van Cs-137 draagt
daar nauwelijks aan bij.
31p
Geef daarvan de reden.
Bij het verval van een Cs-137-kern komt een γ-deeltje vrij met een energie
van 1,06·10–13 J.
Voor de equivalente dosis (het dosisequivalent) die een persoon oploopt, geldt:
H = Q(E)/(m)
Hierin is:
− H de equivalente dosis (in Sv);
− Q de zogenoemde weegfactor; Q = 1 voor een γ-deeltje;
− E de energie die het lichaam absorbeert (in J);
− m de massa van de persoon (in kg).
Het gebied wordt af en toe bezocht door wetenschappers die de invloed van
ioniserende straling op flora en fauna onderzoeken. Geschat wordt dat een
persoon van 75 kg in dit gebied 2,4·105 γ-deeltjes per seconde absorbeert.
44p
Bereken hoeveel dagen deze persoon maximaal in het gebied mag blijven
zonder de dosislimiet per jaar te overschrijden voor individuele leden van de
bevolking.
De activiteit van het Cs-137 in de verboden zone is inmiddels afgenomen tot
1,2·106 Bq/m2 en zal met de jaren verder afnemen.
53p
Bereken de activiteit per m2 van het Cs-137 in het gebied over 90 jaar. Zoek
daartoe de halveringstijd van Cs-137 op en neem aan dat de activiteit ervan
alleen afneemt ten gevolge van radioactief verval.
In de verboden zone bevond zich een bos waarvan de bomen ernstig waren
besmet. Men besloot om de bomen niet te verbranden maar om ze onder een
dikke laag zand te begraven.
62p
Beantwoord de volgende twee vragen vanuit het oogpunt van
stralingsbescherming:
− Wat is het bezwaar tegen het verbranden van de bomen?
− Waarom is het begraven van de bomen onder een laag zand effectief?

opgave 2Opgave 2 Het parkietje van Tucker

Professor Tucker bestudeert al jaren het vliegen van vogels. Hij slaagde er in om een parkiet te leren vliegen in een windtunnel. Zie figuur 1. Als het vogeltje al vliegend op zijn plaats blijft, is zijn snelheid dus even groot als die van de lucht in de windtunnel. Door de parkiet een…

Professor Tucker bestudeert al jaren het vliegen van vogels. Hij slaagde er in om een parkiet te leren vliegen in een windtunnel. Zie figuur 1. Als het vogeltje al vliegend op zijn plaats blijft, is zijn snelheid dus even groot als die van de lucht in de windtunnel. Door de parkiet een zuurstofmasker op te zetten, kon hij bovendien zijn energieverbruik bepalen. figuur 1 Bij verschillende snelheden bepaalde Tucker figuur 2 het vermogen dat het vogeltje voor het vliegen moest leveren (het vliegvermogen P ). (W)1,2 Zie de grafiek in figuur 2. Tijdens één van deze metingen stond de windsnelheid in de tunnel ingesteld op 8,0 m/s . Uit het zuurstofverbruik bleek dat de parkiet daarbij in totaal 60 J energie had verbruikt. Van de energie die de parkiet verbruikt, is 25% nodig voor het vliegen.

Bepaal de ‘afstand’ die de parkiet bij deze meting heeft afgelegd.
figuur 3 In figuur 2 valt op dat vogels bij lage snelheden een groot vermogen moeten leveren. Om dat te begrijpen is figuur 3 getekend. Daarin is te zien dat het vliegvermogen bestaat uit: − het vermogen P w nodig om de wrijvingskracht te overwinnen, − het vermogen dat is aangeduid met P k . Het…

figuur 3 In figuur 2 valt op dat vogels bij lage snelheden een groot vermogen moeten leveren. Om dat te begrijpen is figuur 3 getekend. Daarin is te zien dat het vliegvermogen bestaat uit: − het vermogen P w nodig om de wrijvingskracht te overwinnen, − het vermogen dat is aangeduid met P k . Het vermogen P k is uniek voor vogels; lopende dieren hebben alleen met P w te maken.

Beantwoord de volgende vragen: − Leg uit waarom P w een stijgende functie is. − Leg uit waarom vogels het vermogen P k moeten leveren en lopende dieren niet. Wanneer vogels grote afstanden moeten afleggen, vliegen ze met een snelheid (de zogenaamde kruissnelheid) waarbij de arbeid die ze per meter…

Beantwoord de volgende vragen: − Leg uit waarom P w een stijgende functie is. − Leg uit waarom vogels het vermogen P k moeten leveren en lopende dieren niet. Wanneer vogels grote afstanden moeten afleggen, vliegen ze met een snelheid (de zogenaamde kruissnelheid) waarbij de arbeid die ze per meter verrichten zo klein mogelijk is. Bij een snelheid van 10 m/s is de arbeid die de parkiet per meter verricht kleiner dan bij een snelheid van 8,0 m/s.

Toon dat aan met behulp van figuur 2 en een berekening.  In de figuur op de uitwerkbijlage zijn de zwaartekracht F z en de wrijvingskracht  F w op de parkiet getekend als hij met een constante horizontale snelheid vliegt.  Doordat hij met zijn vleugels lucht wegduwt, werkt er nog een derde kracht F…

Toon dat aan met behulp van figuur 2 en een berekening. In de figuur op de uitwerkbijlage zijn de zwaartekracht F z en de wrijvingskracht F w op de parkiet getekend als hij met een constante horizontale snelheid vliegt. Doordat hij met zijn vleugels lucht wegduwt, werkt er nog een derde kracht F op de parkiet. De massa van de parkiet is 36 g .

Construeer in de figuur op de uitwerkbijlage de vector F en bepaal de grootte van deze kracht in newton. figuur 4 Als de parkiet schuin omhoog vliegt, moet hij meer vermogen leveren omdat zijn zwaarte- energie dan toeneemt. Als de parkiet met een constante snelheid van 8,0 m/s onder een hoek van…

Construeer in de figuur op de uitwerkbijlage de vector F en bepaal de grootte van deze kracht in newton. figuur 4 Als de parkiet schuin omhoog vliegt, moet hij meer vermogen leveren omdat zijn zwaarte- energie dan toeneemt. Als de parkiet met een constante snelheid van 8,0 m/s onder een hoek van 5,0° schuin omhoog vliegt (zie figuur 4), blijkt hij 0,25 W meer vermogen te leveren dan bij dezelfde horizontale snelheid.

Controleer dit extra vermogen met een berekening. Bereken daartoe eerst hoeveel meter het parkietje stijgt in één seconde.

opgave 3Opgave 3 Moderne koplamp

Er is tegenwoordig een koplamp in de handel
figuur 1
van het type dat in figuur 1 is afgebeeld.
In de koplamp zitten drie parallel geschakelde
lampjes (LEDjes) die ieder op een spanning
van 4,5 V branden.
Deze spanning wordt geleverd door een
spanningsbron bestaande uit drie batterijen die
ieder een spanning leveren van 1,5 V.
In figuur 2 zijn de batterijen en de lampjes
figuur 1
schematisch getekend.
De drie batterijen moeten zo met elkaar
figuur 2
122puitwerkbijlage
132puitwerkbijlage
verbonden worden dat de spanning tussen de
pluspool en de minpool van de spanningsbron
(de punten P en M) 4,5 V is.
Figuur 2 staat ook op de uitwerkbijlage.
Teken in de figuur op de uitwerkbijlage de
verbindingsdraden tussen de batterijen.
Teken in de figuur op de uitwerkbijlage hoe de
drie lampjes op de punten P en M van de
spanningsbron zijn aangesloten.
Met volle batterijen kan de spanningsbron
50 kJ elektrische energie leveren.
Als de drie lampjes branden, levert de
+ + + - - - M
figuur 2 De drie batterijen moeten zo met elkaar
figuur bij de opgave
figuur bij de opgave
spanningsbron een stroom van 0,028 A.
144p
Bereken hoeveel uur de koplamp kan branden.
Op de koplamp zit een drukschakelaar die drie functies heeft:
1 Bij eenmaal drukken gaat de koplamp aan.
2 Bij nog een keer drukken gaat de koplamp knipperen.
3 Bij de derde keer drukken gaat de koplamp uit.
In figuur 3 is een automatische schakeling getekend die zorgt voor de eerste
twee functies.
figuur 3
pulsgenerator EN-poort & 0 5 Hz druk- teller schakelaar telpulsen 8 OF-poort 4 naar 2 1 lampjes reset 1
152p
Leg uit hoe de schakeling ervoor zorgt dat de lampjes aangaan wanneer de
drukschakelaar eenmaal wordt ingedrukt.
163p
Leg uit hoe de schakeling ervoor zorgt dat de lampjes gaan knipperen wanneer
de drukschakelaar nog een keer wordt ingedrukt.
Wanneer de schakelaar voor de derde keer wordt ingedrukt, gaan de lampjes
uit. Bovendien wordt de schakeling dan in zijn begintoestand gezet zodat bij de
volgende druk op de schakelaar de lampjes weer aangaan.
Figuur 3 staat ook op de uitwerkbijlage.
172puitwerkbijlage
Breid de schakeling op de uitwerkbijlage uit zodat deze ook functie drie kan
uitvoeren.

opgave 4Opgave 4 Terugkeer in de dampkring

figuur 1 Figuur 1 is een tekening van een space shuttle die in de dampkring terugkeert. In figuur 2 is de baan van de shuttle schematisch weergegeven. In punt A komt de shuttle met grote snelheid de buitenste lagen van de dampkring binnen. Door de grote luchtweerstand verliest hij in korte tijd…

figuur 1 Figuur 1 is een tekening van een space shuttle die in de dampkring terugkeert. In figuur 2 is de baan van de shuttle schematisch weergegeven. In punt A komt de shuttle met grote snelheid de buitenste lagen van de dampkring binnen. Door de grote luchtweerstand verliest hij in korte tijd veel van zijn energie. In punt B is de snelheid zo veel afgenomen dat de shuttle als een gewoon vliegtuig naar de landingsbaan kan vliegen. figuur 2 In figuur 3 is het ( v,t )-diagram getekend tussen de punten A ( t = 0 s) en B ( t = 15·10 2 s) . figuur 3 (10 Figuur 3 staat ook op de uitwerkbijlage.

Bepaal met behulp van de figuur op de uitwerkbijlage de afstand die de shuttle aflegt tussen de punten A en B . Onder de mechanische energie van een voorwerp verstaat men de som van zijn kinetische energie en zijn zwaarte-energie, in formulevorm: E mech = E k + E z . Tijdens de terugkeer in de…

Bepaal met behulp van de figuur op de uitwerkbijlage de afstand die de shuttle aflegt tussen de punten A en B . Onder de mechanische energie van een voorwerp verstaat men de som van zijn kinetische energie en zijn zwaarte-energie, in formulevorm: E mech = E k + E z . Tijdens de terugkeer in de dampkring wordt mechanische energie van de shuttle omgezet in warmte. In punt A is zijn zwaarte-energie 1,1·10 11 J en in punt B 7,2·10 9 J .

De massa van de shuttle is 92·10 3 kg . Toon aan dat op het traject AB per seconde gemiddeld 1,9·10 9 J mechanische energie wordt omgezet in warmte. Gebruik daarbij bovenstaande gegevens en figuur 3.
Bij de twee volgende vragen mag je er vanuit gaan dat tijdens de hele vlucht het hitteschild van de shuttle per seconde 50% van deze 1,9·10 9 J aan warmte opneemt. De warmtecapaciteit van het hitteschild is 2,2·10 7 J/K .
Bereken na hoeveel seconden de temperatuur van het hitteschild 1000 K is gestegen. Het hitteschild verliest ook warmte; dat gebeurt (vrijwel) geheel door uitstraling. Na enige tijd wordt daardoor een bepaalde evenwichtstemperatuur bereikt. Het uitgestraalde vermogen is dan gelijk aan het opgenomen…

Bereken na hoeveel seconden de temperatuur van het hitteschild 1000 K is gestegen. Het hitteschild verliest ook warmte; dat gebeurt (vrijwel) geheel door uitstraling. Na enige tijd wordt daardoor een bepaalde evenwichtstemperatuur bereikt. Het uitgestraalde vermogen is dan gelijk aan het opgenomen vermogen. Voor het uitgestraalde vermogen P uitstraling geldt de formule: P uitstraling = kT 4 Hierin is T de temperatuur van het hitteschild (in K ) en k een constante waarvan de waarde gelijk is aan 1,1·10 –4 W/K 4 .

Bereken de evenwichtstemperatuur die het hitteschild bereikt. Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.

opgave 5Opgave 5 Elektrische deken

In een elektrische deken zitten twee even lange verwarmingsdraden. Door de
draden op verschillende manieren op de netspanning aan te sluiten, heeft de
deken drie verwarmingsstanden: I, II en III.
In figuur 1 is getekend hoe de draden op de
figuur 1
221p
233p
netspanning zijn aangesloten in stand I.
De weerstand van de draad tussen de punten A en C
is gelijk aan de weerstand van de draad tussen de
punten B en C: RAC = RBC = 529 Ω.
De weerstand tussen de punten A en B, die op de
netspanning zijn aangesloten, is in stand I gelijk aan
1058 Ω.
Leg dit uit met behulp van figuur 1.
Bereken het elektrisch vermogen van de deken in
C B 230 V A stand I
stand I .
figuur 2
242p
252p
In stand II zijn de punten A en C op de netspanning
aangesloten. Zie figuur 2.
Leg uit dat de weerstand in stand II tweemaal zo
klein is als de weerstand in stand I.
In stand III blijven de punten A en C aangesloten op
de netspanning, maar zijn de punten A en B met
elkaar verbonden. Zie figuur 3.
Leg uit dat het vermogen in stand III tweemaal zo
C B 230 V A
groot is als het vermogen in stand II.
figuur 3
264p
C B 230 V A stand III
Volgens de fabrikant zijn de verwarmingsdraden
van nichroom (ρ= 1,1·10–6 Ωm) gemaakt en is de
totale lengte van de twee draden 19,3 m.
Bereken de diameter (dikte) van de draad.
De hier beschreven elektrische deken wordt niet
veel meer gebruikt omdat er zich soms problemen
voordoen met de brandveiligheid.
Een fabrikant schrijft in de gebruiksaanwijzing:
Gebruik de deken alleen om de matras voor te verwarmen! Spreid de elektrische deken gelijkmatig uit over de matras. Leg geen kussen(s) op de elektrische deken!
271p
Leg uit waarom het veiliger is om geen kussen op de elektrische deken te
leggen.