opgave 1Opgave 1 Verwarmingslint
In de winter zorgen bevroren waterleidingen
voor problemen. Er is nu een verwarmingslint
op de markt dat bevriezing voorkomt door de
leidingen te verwarmen. Het lint wordt
vastgezet op de waterleiding en aangesloten
op een stopcontact. Zie figuur 1.
Het lint geeft niet bij elke temperatuur
evenveel warmte af. In figuur 2 is
weergegeven hoe het vermogen van één meter
lint afhangt van de buitentemperatuur.
Het is aan te bevelen om buiten het winterseizoen de stekker van het verwarmingslint uit
het stopcontact te halen.
12pLeg met behulp van figuur 2 uit waarom dit aan te bevelen is.
De spanning van het lichtnet is 230 V.
24pBepaal de weerstand van een lint van één meter als de buitentemperatuur –24 ° C is.
Het lint bestaat uit de volgende onderdelen
(zie figuur 3):
- twee koperdraden;
- een zogenoemde zelfregelende kern die de
enige verbinding vormt tussen deze twee
draden;
- een omhulling voor de elektrische isolatie.
Het principe van de werking is als volgt:
Via de zelfregelende kern kunnen kleine elektrische stroompjes tussen de ene draad en de
andere lopen. Onder invloed van de temperatuur rangschikt het materiaal van de kern zich
anders en zijn er meer of minder parallelle, geleidende verbindingen. Zie de figuren 4A
en 4B. De weerstand van de koperdraden is verwaarloosbaar klein. De weerstand die elk
van de elektrische stroompjes in de zelfregelende kern ondervindt, is daarentegen groot.
In figuur 4 zijn twee situaties weergegeven.
33pLeg met behulp van bovenstaande informatie uit welke situatie, A of B, bij een lage
buitentemperatuur hoort.
Voor een langere waterleiding is een langer verwarmingslint nodig.
43pLeg uit of de weerstand van een verwarmingslint met een lengte van 2 meter groter is dan,
kleiner is dan of gelijk is aan de weerstand van een lint met een lengte van 1 meter. Neem
daarbij aan dat de temperatuur van beide linten gelijk is.
Een lint werkt continu gedurende 5,0 dagen met een gemiddeld vermogen van 14 W.
1 kWh kost 15 eurocent.
53pBereken de energiekosten voor het verwarmingslint in die 5,0 dagen.
opgave 2Opgave 2 Castor-container
Het radioactief afval van Duitse kerncentrales wordt in zogenaamde Castor-containers per
trein naar de opwerkingsfabriek in La Hague aan de Franse kust afgevoerd. Zie figuur 5.
Een Castor-container is een cilindervormig vat met een stalen wand van 50 cm dikte, waarin
ongeveer 10 ton (1 ton = 1000 kg) aan afgewerkte splijtstofstaven bewaard kan worden.
Castor-containers worden luchtdicht afgesloten zodat de hoog radioactieve inhoud niet naar
buiten kan. De wand is niet alleen voor de stevigheid zo dik, maar biedt ook bescherming
tegen de straling.
63pGeef voor elk van de drie soorten straling ( α , β , γ ) aan of deze wel of niet bijdraagt aan de
stralingsbelasting buiten de Castor-container.
Technisch is het mogelijk om containers met een dunnere wand te maken die toch stevig
genoeg zijn. Bovendien zou een container met een wand van 30 cm dikte aanmerkelijk
goedkoper zijn dan eentje met een wand van 50 cm. De stralingsbelasting zou dan
toenemen.
De halveringsdikte van staal is voor de betrokken straling gelijk aan 2,5 cm.
73pBereken met welke factor de stralingsbelasting zou toenemen als een container een
wanddikte van 30 cm in plaats van 50 cm zou hebben.
Het transport van Castor-containers gaat meestal per trein. In verband met de veiligheid
rijden die treinen slechts 20 tot 30 km/h. Het transport vindt plaats onder politiebewaking.
Voor de manier van bewaken moest men kiezen uit twee alternatieven:
- óf een beperkte groep van ongeveer honderd agenten mee laten reizen met de trein, wat
betrekkelijk goedkoop is;
- óf een enorme groep van enkele duizenden agenten langs de spoorlijn posteren, wat veel
geld kost.
Tabel 99E in Binas bevat de stralingsnormen die in de Europese Gemeenschap worden
toegepast. Politieagenten worden in dit verband gerekend tot de categorie ‘individuele leden
van de bevolking’. De stralingsnorm voor de effectieve totale lichaamsdosis is van
toepassing.
Agenten die met de trein meereizen, zouden een dosisequivalent oplopen van ongeveer
0,2 mSv per uur.
83pLeg uit waarom men niet de goedkopere maar de duurdere manier van bewaken gekozen
heeft. Uit je antwoord moet blijken dat je tabel 99E van Binas hebt gebruikt.
Het is uiteraard de bedoeling dat een Castor-container aan de buitenkant ’schoon’ is. Toch
komt het wel eens voor dat bij het vullen van de container wat radioactief materiaal op de
buitenkant terechtkomt. Op de website van de milieuorganisatie Greenpeace zijn af en toe
berichten te lezen over ’besmette’ Castor-transporten. Lees het onderstaande bericht.
bericht Franse minister boos op Duitse transporten
Uit Duitsland afkomstige treinen met kernafval bleken na aankomst in het Franse La
Hague te zijn besmet met kobalt-60. Inspecteurs stelden dit vast bij controle van de
buitenkant van de Castor-containers waarin het afval vervoerd werd. De Franse minister
van milieu heeft scherp geprotesteerd bij haar Duitse collega. Volgens de Franse minister
betekent de besmetting een gezondheidsrisico voor degenen die beroepshalve met de
containers in aanraking komen. De Franse inspecteurs hebben waarden van
2000 becquerel per vierkante centimeter vastgesteld en dat is ver boven de toegestane
norm. Het kobalt-60 is waarschijnlijk door slordigheid tijdens het vullen op de buitenkant
van de container gekomen.
naar: www.greenpeace.de (uit het Duits vertaald)
93pGeef de vervalvergelijking van kobalt-60.
Besmette containers horen niet vervoerd te worden. Als in Duitsland een besmetting op de
buitenkant geconstateerd wordt, plaatst men de wagon met de desbetreffende container
apart.
Pas als er geen risico meer is, wordt het transport hervat. Men heeft daarbij moeten kiezen
uit twee methoden:
1 enige tijd wachten totdat de activiteit van de besmetting door radioactief verval op
natuurlijke wijze voldoende is afgenomen;
2 de container aan de buitenkant afspoelen met water (er voor zorgend dat er geen
spoelwater in het milieu terecht komt).
103pLeg uit welke van deze twee methoden in het geval van een besmetting met kobalt-60 de
voorkeur heeft. Gebruik bij je uitleg een natuurkundig argument.
opgave 3Opgave 3 Digitale camera
Figuur 6 toont een foto van een auto. De foto is genomen met een digitale fotocamera.
Door de snelheid waarmee de auto rijdt, is zijn afbeelding op de foto onscherp.
De onscherpte van de auto op de foto is niet het gevolg van een onjuiste scherpstelling van
de camera.
112pHoe is dat aan de foto van figuur 6 te zien?
De onscherpte in de foto van figuur 6 is ontstaan doordat de sluiter van de fotocamera bij
het nemen van de foto enige tijd open stond, in dit geval 1/30 seconde.
De wielen van de gefotografeerde auto hebben in werkelijkheid een diameter van 65 cm.
124pMaak, met behulp van de onscherpte van het achterwiel in figuur 6 en een berekening, een
schatting van de snelheid waarmee de auto reed.
Bij een digitale fotocamera bevindt zich op de plaats waar het beeld gevormd wordt een
chip met een lichtgevoelig vlak. Dit vlak bestaat uit een groot aantal lichtsensoren.
Elke sensor zet het licht dat hij ontvangt om in een elektrisch signaal.
De ijkgrafiek van zo'n sensor is afgebeeld in figuur 7.
134pBepaal de gevoeligheid van deze sensor.
Het lichtgevoelige vlak heeft een lengte ℓ en
143pbestaat uit 640 bij 480 kleine vierkante
lichtsensoren. Zie figuur 8.
De auto, zoals gefotografeerd in figuur 6,
bevond zich op een afstand van 12 m van de
digitale camera.
De camera stond ingesteld op 12 m.
De brandpuntsafstand van de lens is 48 mm.
Onder deze omstandigheden beeldt de camera
de auto 2,5·102 maal kleiner af.
Toon aan dat de auto dan 2,5·102 maal kleiner
wordt afgebeeld.
Het effect van beweging is niet zichtbaar op een foto als tijdens de opname de verplaatsing
van het beeld kleiner blijft dan de afmeting van één sensor.
De foto van figuur 6 zou geen bewegingsonscherpte hebben vertoond als de auto zich
tijdens de opname 1,5 cm of minder had verplaatst.
153pBereken de lengte ℓ van het lichtgevoelige vlak.
opgave 4Opgave 4 Space Shot
Lees de tekst uit de folder.
Space Shot. Nieuw in de Benelux!
folder Een sensationele lancering met een
snelheid van 85 km/h, 60 meter omhoog.
Een rit valt te vergelijken met een lancering
van de Space Shuttle, waarbij je de
spanning kan voelen die de astronauten
ervaren als zij vertrekken vanaf Cape
Canaveral.
naar: reclamefolder van Six Flags
Evrim en Teun hebben de folder gelezen.
Ze besluiten om als praktische opdracht de
getallen die genoemd worden te controleren.
Van hun natuurkundeleraar krijgen ze een
versnellingsmeter en bijbehorende apparatuur
mee. Met de versnellingsmeter maken ze een
rit met de Shuttle.
Terug op school lezen ze hun metingen in een
computer in. Deze bewerkt de meetwaarden
tot een (snelheid, tijd)-diagram. Zie figuur 9.
figuur 9
In het diagram is af te lezen dat op t = 0 s de versnellingsmeter begonnen is met meten en
dat op t = 1,0 s de lancering van de ’Shuttle’ is gestart. Het laatste deel van de beweging is
in dit diagram niet weergegeven.
163pLeg met behulp van figuur 9 uit of de in de folder genoemde snelheid bereikt is.
De Shuttle wordt loodrecht omhoog geschoten. Op t = 5,1 s bereikte hij zijn hoogste punt.
172pLeg uit hoe uit figuur 9 blijkt dat hij op dat tijdstip zijn hoogste punt bereikt.
184pGa met behulp van figuur 9 na of de Shuttle een hoogte van 60 m heeft bereikt.
Vanaf het tijdstip t = 5,1 s valt de Shuttle een paar seconden naar beneden.
Evrim en Teun vragen zich af of de versnelling waarmee hij dan valt, gelijk is aan g .
194pBeantwoord hun vraag met behulp van figuur 9.
Uit hun metingen leiden Evrim en Teun af dat op het tijdstip t = 1,50 s de snelheid van de
Shuttle gelijk is aan 12 m/s. Ook leiden ze af dat de hoogtetoename dan 3,0 m is.
De massa van de Shuttle met passagiers is 2,0·103 kg.
Neem aan dat de arbeid die de lanceerinstallatie op de Shuttle verricht, gelijk is aan de
toename van de kinetische energie en zwaarte-energie van de Shuttle.
204pBereken met behulp van deze aanname het gemiddelde nuttige vermogen van de
lanceerinstallatie tussen t = 1,00 s en t = 1,50 s.
opgave 5Opgave 5 Walkman
Bij het afspelen van een cassette in een walkman is de snelheid waarmee de band de
weergavekop passeert constant.
In figuur 10 zie je de walkman bij het begin van het afspelen.
Arjen wil weten hoe snel de band langs de weergavekop gaat.
Hij meet de diameter van de volle rol bij het begin van het afspelen.
Deze blijkt 4,8 cm te zijn.
Hij zet de walkman aan en meet de tijd waarin de volle rol precies 10 rondjes maakt.
Dat blijkt 35,3 seconden te zijn.
De band is zo dun dat je de afname in diameter van de rol kunt verwaarlozen.
214pBereken, gebruikmakend van de metingen van Arjen, de bandsnelheid.
De snelheden waarmee de assen A en B draaien, passen zich voortdurend aan de constante
snelheid van de geluidsband aan.
223pLeg uit of het aantal omwentelingen per seconde van as B bij het begin van het afspelen
kleiner is dan, groter is dan of gelijk is aan het aantal omwentelingen per seconde van as A.
In de walkman wordt de energie geleverd door twee batterijen van 1,5 V. Zie figuur 11.
Zowel de versterker als de motor werken op 3,0 V.
Figuur 11 staat ook op de bijlage.
233pTeken in de figuur op de bijlage verbindingsdraden, zodat de versterker en de motor op de
juiste manier op de batterijen zijn aangesloten.
De walkman heeft tijdens het afspelen een vermogen van 170 mW.
242pBereken de totale stroomsterkte die de batterijen van de walkman leveren tijdens het
afspelen.
Arjen wil weten hoe het zit met de energie die de walkman verbruikt tijdens het afspelen en
tijdens het spoelen. Hij meet hoe lang de walkman kan afspelen op twee nieuwe batterijen.
Dat is 6 uur en 40 minuten. Hij doet twee nieuwe batterijen in de walkman en meet hoe lang
de walkman daarmee kan spoelen. Dat blijkt 35 minuten te zijn.
254pBereken met behulp van de metingen van Arjen het vermogen dat de batterijen leveren
tijdens het spoelen.
Einde
