PrOp 4 - HAVO - natuurkunde

Deze Praktische Opdracht gaat over elektriciteit, elektro-magnetisme, lorentzkracht en transformator. De bijbehorende hoofdstukken vind je in de PeriodePlanner bij Magister; daar staat ook het laatste tijdstip van inleveren vermeld.
De PrOp bestaat uit 11 deelvragen. De titels:

1. Oud en Nieuw
2. Helaas ...
3. Coole stroom
4. Schakeling
5. NorNed-kabel
6. Thermo-sensor
7. Staafmagneet
8. Rechte stroomdraad
9. Stroomschommel
10. Flux, flux, flux !
11. Astrid kan het schudden...



1. Oud en Nieuw

Lisette wil onderzoeken of er een verschil is tussen een nieuw en een oud fietslampje dat langdurig is gebruikt. Daartoe meet ze van beide lampjes de stroomsterke bij verschillende spanningen.
In het diagram hiernaast zie je de resultaten van Lisette`s metingen.

  1. Bepaal de weerstand van lampje 1 bij een spanning van 3,5 V


    Onder de microscoop bekeken blijkt de gloeidraad van het oude fietslampje op bepaalde plaatsen veel dunner dan die van het nieuwe lampje. De reden hiervoor is het verdampen van het metaal van de gloeidraad door de zeer hoge temperatuur tijdens het branden.

  2. Leg m.b.v. het diagram uit welke van de twee fietslampjes het nieuwe lampje is.
U,I-diagram
naar boven


2. Helaas ...

Hieronder zie je drie 'voorwerpen' waarin energie is opgeslagen: een batterij, een (bekende) pot pindakaas, en het i-Eloop systeem van de Mazda 6. Het is moeilijk te schatten hoeveel energie ze bevatten; maar daar komen we wel achter.

batterij pindakaas i-eloop


    De capaciteit van een batterij wordt meestal uitgedrukt in mAh: 1 mAh betekent dat de batterij 1 mA stroomsterkte 1 h lang kan leveren. Of een half uur lang 2 mA, etc.
    De afgebeelde batterij heeft volgens opschrift een capaciteit van 10000 mAh.

  1. Bereken hoeveel minuten deze batterij een stroomsterke kan leveren van 3,0 A.


    De hoeveelheid energie die in de batterij is opgeslagen, is niet alleen afhankelijk van de capaciteit, maar ook van de spanning. De afgebeelde batterij heeft een spanning van 1,5 V.

  2. Bereken de hoeveelheid energie die is opgeslagen in deze batterij.


    In 1,0 g pindakaas zit volgens de fabrikant 26,8 kJ energie. In de afgebeelde pot zit 350 g pindakaas.

  3. Bereken hoeveel energie in een pot pindakaas zit.


    Tot slot de i-Eloop. Dit systeem zet de energie bij het remmen om in elektrische energie. Zodra de bestuurder het gaspedaal loslaat, wordt een grote condensator opgeladen. Die geeft zijn energie tijdens stilstand weer af, zodat b.v. de radio en verlichting blijven werken terwijl de motor uit kan. Volgens Mazda kan de i-Eloop één minuut lang 180 Watt leveren.

  4. Zet de drie kandidaten in de juiste volgorde van energie-inhoud:
    the winner is ... second best ... last but least ...
naar boven


3. Coole stroom

Je gaat onderzoeken hoeveel energie wordt gebruikt voor koeling, in het huis waar jij woont. Ga als volgt te werk:

  1. Noteer op 2 tijdstippen met één week ertussen de meterstanden van de kWh-meter in de meterkast. Kies b.v. twee opeenvolgende zondagavonden. Alles noteren, dus ook de tijdstippen, de beginstand(en) en de eindstand(en) van de meter(s). Hoeveel kWh is er verbruikt in deze week ?

  2. Bereken hoeveel elektrische energie in deze week gebruikt is door koelkast(en) en diepvries. Het vermogen van deze apparaten staat op het typeplaatje. Is er geen typeplaatje te vinden, kijk dan op internet (bijvoorbeeld op milieucentraal.nl).

  3. Bereken welk percentage van het totale elektriciteitsverbruik in je huis is gebruikt voor koeling.

naar boven


4. Schakeling

Hiernaast zie je een nogal kleurige schakeling. Alle gegevens zijn in het schema vermeld.
De opdrachten:

  1. Bereken de vervangingsweerstand van de complete schakeling.

  2. Bereken de stroomsterkte die de amperemeter aangeeft.

  3. Bereken de spanning die de voltmeter aangeeft.
naar boven


5. NorNed-kabel

In 1998 is tussen Noorwegen en Nederland een 550 km lange kabel door de Noordzee gelegd. Door deze kabel kunnen beide landen elkaar van elektrische gelijkstroom voorzien.
De ronde, geleidende kern van deze kabel bestaat uit koper en is 4,00 cm dik.

  1. Bereken de weerstand van de NorNed-kabel.

    Bij normale belasting loopt er een stroom van 1250 A door de kabel.

  2. Bereken de hoeveelheid warmte die de NorNed-kabel per dag afgeeft aan het zeewater.
de NorNed-kabel
naar boven


6. Thermo-sensor

Twee leerlingen willen een thermo-sensor bouwen. Ze hebben een schakeling ontworpen zoals in de figuur hiernaast. Enige onduidelijkheid is er nog over de plaats van de voltmeter.
Bij kamertemperatuur hebben de weerstand R en de NTC elk een waarde van 12 kΩ.

De leerlingen stellen de volgende eis aan het ontwerp:
Wanneer de temperatuur stijgt, moet ook de spanning van de voltmeter toenemen.

Leg in duidelijke stappen uit, over welke van de twee weerstanden de voltmeter moet worden aangesloten.

naar boven


7. Staafmagneet

Op de website van professor Fendt staat een Java-applet over het magetische veld van een staafmagneet. Hiernaast zie je een schermafdruk van het applet.
Maak nu de volgende opdrachten, waarbij de rode noordpool van de magneet zich aan de rechter kant bevindt (dus GroenLinks :-)

  1. Probeer het patroon van veldlijnen hiernaast zo goed mogelijk na te maken door de compasnaald enkele keren te verplaatsen in het applet. Maak dan - via een screenshot - een afbeelding voor je PrOp.

  2. Welke richting heeft de magnetische veldlijn in punt 1 ?

  3. Leg uit in welk punt het magnetische veld sterker is: in punt 2 of in punt 3.

  4. Teken in je afbeelding de magnetische inductie B op de veldlijn bij punt 4.
naar boven


8. Rechte stroomdraad

Er is ook een applet waarmee je het magnetisch veld rondom een rechte stroomdraad kunt laten zien.
In de schermafdruk hiernaast zie je dat de stroomsterkte omhoog is gericht (rode pijl).
In het applet zie je vele stippeltjes in de stroomdraad omlaag bewegen.

  1. Wat beweegt er in de stroomdraad omlaag?

  2. Neem de afbeelding als schets over en teken dan bij punt 1 de magnetische inductie B.

    Bij een wisselstroom verandert voortdurend de richting van de stroomsterkte. Dat kun je met het applet simuleren door herhaaldelijk op "Ompolen" te klikken.

  3. (Hoe) verandert daardoor het magnetische veld rondom de stroomdraad?

    De laatste vragen kon je beantwoorden door de rechterhandregel te gebruiken. Die geldt immers voor een rechte stroomdraad. Er bestaat echter nóg een rechterhandregel voor elektromagnetische zaken.

  4. Waarvoor wordt die regel gebruikt?
naar boven


9. Stroomschommel

En alweer het laatste applet, jammer... over de Lorentzkracht. Een stroomdraad in een magneetveld wordt door deze lorentzkracht opzij geduwd. De richting is te voorspellen met de LINKERhandregel (LHR). Met het applet kun je dat mooi uitproberen; zie het als een ultieme test voor het (school-)examen.

Haal eerst de twee vinkjes weg bij Stroomrichting en Magnetisch veld; alleen Lorentz-kracht staat nog aan. Doe nu met z'n tweeën (Partner en JIJ) enkele keren de volgende stappen:

  • JIJ kijkt weg
  • Partner klikt willekeurig op "Ompolen stroom" en/of "Magneet draaien".
  • JIJ voorspelt de stroomrichting bij punt 1
  • JIJ voorspelt de magnetische veldrichting bij punt 1
  • JIJ voorspelt richting van lorentzkracht bij punt 1 op de draad: LHR gebruiken
  • Partner en JIJ verwisselen van rol

Na ca. 26 keer ruilen kun je de LHR dromen.

  1. Geef in een schets je prestatie-leercurve weer.

  2. Leg uit waarom het geval "stroomschommel" heet. Simuleer een wisselstroom door enkele keren op "Ompolen stroom" te klikken...

naar boven


10. Flux, flux, flux !

In het leerboek (havo5) wordt het verschil uitgelegd tussen flux φ en inductie B.

  1. De magnetische flux φ is een maat voor ... ?

  2. De magnetische inductie B is een maat voor ... ?

  3. Wat is de eenheid van de magnetische inductie B ?

    De inductie B van het aardmagnetisch veld is klein, zie Wikipedia. Daar gebruikt men een andere naam voor de inductie, maar aan de eenheid kun je zien wat er bedoeld wordt.

  4. Welke naam gebruikt Wikipedia voor onze B, en hoe groot is de aardmagnetische inductie aan de evenaar?

  5. Aan de Radboud Universiteit staat een van de sterktste magneten ter wereld. Hoe groot is de inductie B die men daar kan bereiken?

    In het applet fluxverandering kun je een magneet door een spoel heen en weer bewegen (change magnet position); gebruik hiervoor de schuifregelaar. Doe dat enkele keren en kijk naar de stroommeter.

  6. Beschrijf wat de stroommeter aanwijst wanneer de magneet van rechts naar links door de spoel beweegt.

  7. Beschrijf welk effect een kleinere straal van de spoel heeft op de stroomsterkte.

  8. Beschrijf welk effect meer spoelwindingen hebben op de stroomsterkte.

naar boven


11. Astrid kan het schudden...

Maak de opdrachten 8 t/m 12 uit dit eindexamen, over de schuddynamo.






naar VAVO matters