opgave 1Opgave 1 Collegedemonstratie

Professor Schrödinger voerde in een van zijn natuurkundecolleges een demonstratie uit, waarmee hij zijn rotsvast vertrouwen in de wetten van de natuurkunde tot uitdrukking wilde brengen. Daarbij maakte hij gebruik van een slinger, bestaande uit een massieve, loden bol aan een touw. De loden bol had een massa van 120 kg. Hij trok de slinger uit zijn evenwichtsstand, ging met zijn rug tegen de muur staan en hield de bol tegen het puntje van zijn neus. Vervolgens liet hij de bol vrij slingeren en bleef hij zelf zo stil mogelijk staan. Zie figuur 1. De periode van de slinger bleek 6,10 s te zijn. De straal van de bol is 13,6 cm.


→ Bereken de lengte van het touw vanaf het bevestigingspunt aan het plafond tot aan het bevestigingspunt aan de bol. Professor Schrödinger is niet zo dapper als het lijkt. Hij had de slingering vóór de demonstratie uitvoerig laten doormeten. Daarbij werd het zwaartepunt van de bol 1,52 m horizontaal uit de evenwichtsstand gebracht, even ver als bij de collegedemonstratie zou moeten gaan gebeuren. Bij de eerste doorgang door de evenwichtsstand bleek de bol een snelheid te hebben van 1,54 ms ‑1 .

→ Bereken hoeveel deze snelheid lager is dan bij een ongedempte harmonische beweging met een amplitudo van 1,52 m. Uit de test bleek dat de amplitudo als volgt afhangt van de tijd: r(t) = r(0) ⋅ e - α t Hierin is: → r ( t ) de amplitudo als functie van de tijd; → r ( 0 ) de beginamplitudo, gelijk aan 1,52 m; → α de dempingsconstante, gelijk aan 3,1.10 ‑3 s ‑1 .

→ Bereken hoe ver de professor maximaal van de muur naar voren kan komen zonder dat de bol na één periode zijn neus raakt. In de nacht vóór het college-experiment was de professor wakker geworden uit een nare droom, waarin de bol hard tegen zijn neus was gebotst. De oorzaak hiervan was dat de bol door de luchtwrijving warm geworden was, daardoor was gaan uitzetten en zo kans had gezien zijn neus te raken. De professor was meteen uit bed gestapt en aan het rekenen geslagen. De diameter van de bol neemt 7,9 μ m toe per graad temperatuurstijging.

opgave 2Opgave 2 Optimate





opgave 3Opgave 3 Basketbal

Bij basketbal is de basket (een ring met een netje) bevestigd aan een bord. Als een speler de ring raakt of er aan gaat hangen, kan schade aan het bord ontstaan. Om de kans op schade te verminderen, maakt men gebruik van een zogenaamde klapring. Deze ring is scharnierend aan het bord bevestigd en wordt door een licht ingedrukte veer in horizontale stand gehouden. Zie figuur 5. Als een speler aan de ring hangt, ziet de situatie eruit als in figuur 6. Het midden van het scharnier treedt op als draaipunt van de klapring. De kracht ` F b van de basketballer op de ring grijpt aan in punt P. Deze kracht is gelijk aan de zwaartekracht op de basketballer. Behalve ` F b werkt er een veerkracht ` F v op de klapring in punt Q. Deze kracht is horizontaal naar rechts gericht. De vragen 9 en 10 {de volgende twee vragen} gaan over de mechanica van de basket en de basketballer Figuur 6 is vergroot op de bijlage weergegeven. Deze figuur is op schaal getekend.

→ Bepaal de grootte van F v als een speler van 90 kg aan de ring hangt. Schets daartoe ` F b en ` F v in de figuur op de bijlage en teken hun armen ten opzichte van het draaipunt. Verwaarloos de massa van de ring zelf. Geef de uitkomst in twee significante cijfers. Er zijn spelers die zó hoog kunnen springen, dat ze de bal van bovenaf door de ring kunnen drukken ('dunken'). Van een speler van 90 kg is de sprongkracht F s , die hij in verticale richting op de grond uitoefent, gemeten als functie van de tijd. De sprongkracht is de extra kracht die een speler op de grond uitoefent bij het omhoog springen. Het resultaat van de meting is in figuur 7 vereenvoudigd weergegeven. Op t = 0,30 s kwam de speler los van de grond.


De vragen 11 tot en met 14 {de volgende drie vragen} gaan over de baan van de basketbal Een andere speler schiet van afstand de bal door de ring. De baan die de bal maakt is opgemeten en weergegeven in figuur 8 als grafiek a. Het blijkt dat de luchtweerstand invloed heeft gehad op deze baan. Voor de grootte van de luchtwrijvingskracht F w op de bal geldt: F w = k v 2 Hierin is: → k een constante; → v de snelheid van de bal.

→ Druk de eenheid van k uit in grondeenheden van het S.I. Zie daarvoor tabel 3A van het informatieboek BINAS. Een basketbal heeft een massa van 600 g. De baan die de bal maakt vanaf het moment dat hij losgelaten wordt tot aan de ring kun je simuleren door een rekenkundig model te maken. In het model is rekening gehouden met de luchtwrijving op de bal. Het model met startwaarden staat hieronder weergegeven, waarbij één regel niet volledig is uitgeschreven. Het volledige model berekent de baan van de bal en geeft die in een grafiek weer. De grafiek die dan ontstaat bij de gegeven startwaarden is in figuur 8 weergegeven als grafiek b.

MODEL STARTWAARDEN Fz = mg v v = (v x 2 + v y 2 ) ½ a a = arctan (v y /v x ) v x F w = kv 2 v y F w,x = -F w cos ( α ) x F w,y = -F w sin ( α ) y a x = F w,x /m d t ay = t t = t + d t k v x = v x +a x d t g v y = v y +a y d t m x = x + v x d t y = y + v y d t arctan = tan -1 = invtan In het model is de regel voor a y onvolledig.


→ Bereken met dit model de eerstvolgende waarde van x . Geef de uitkomst in vier significante cijfers. De baan volgens het model (grafiek b) blijkt nog niet geheel overeen te komen met de werkelijk gemeten baan (grafiek a). Men probeert de benadering te verbeteren door de startwaarde van k aan te passen.


opgave 4Opgave 4 Pluto

Lees het krantenartikel. krantenartikel ZONDER PLUTONIUM GEEN begin volgende eeuw langs de buitenste planeet REIS NAAR PLUTO Hoe hou je een ruimtesonde aan de praat? Zelfs de beste batterijen gaan niet lang genoeg mee. Een windmolen werkt niet in het vacuüm van de ruimte en zonnepanelen leveren op die grote afstand veel te weinig energie. heelal in werd geschoten. Maar de afgelopen Bij de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA weten ze hoe het moet. De Pluto Fast (Bron: de Volkskrant, 5 november 1994) De baan van Pluto om de zon moet als cirkelvormig worden opgevat. Het ruimtescheepje Pluto Fast Flyby zal Pluto passeren in een baan die in figuur 9 geschetst is. Deze figuur is niet op schaal. In punt Q ondervindt het ruimtescheepje evenveel aantrekkingskracht van de zon als van Pluto.

→ Bereken de afstand van Q tot het middelpunt van Pluto. De energievoorziening van het ruimtescheepje blijkt een probleem te zijn. Het ruimtescheepje moet 7,0 jaar actief blijven en heeft voor alle meet-, ontvangst- en zendapparatuur voortdurend een vermogen nodig van 15 kW. Volgens het artikel is de opslag van chemische energie in batterijen of accu's voor deze toepassing niet bruikbaar. Toch kunnen accu's die bijvoorbeeld in dieselauto's worden gebruikt, relatief veel energie leveren. Ze geven een spanning af van 12 V en hebben een 'capaciteit' van 120 Ah (ampère- uur). Dit wil zeggen, dat ze bijvoorbeeld gedurende 60 uur een stroom kunnen leveren van 2,0 A. Voor de maximale tijd t max waarin zo'n accu een bepaalde stroom I kan leveren geldt: I t max = 120 Ah


→ Bereken hoeveel van dit soort accu's er minimaal nodig zouden zijn om de Pluto Fast Flyby gedurende 7,0 jaar van energie te voorzien. Een andere mogelijkheid voor de energievoorziening zou het opvangen van stralingsenergie van de zon kunnen zijn met behulp van zonnepanelen. Het rendement van zo'n zonnepaneel bedraagt 20%. De zon straalt een vermogen uit van 3,9 ⋅ 10 26 W.

→ Bereken de oppervlakte die de zonnepanelen samen minimaal moeten hebben om in de buurt van Pluto nog het benodigde vermogen te leveren. Bereken daartoe eerst het vermogen per vierkante meter van de zonnestraling in de buurt van Pluto. Volgens het krantenartikel wordt een kleine kerncentrale aan boord van het ruimtescheepje meegenomen. In deze kerncentrale wordt het α ‑actieve 241 94 Pu gebruikt. Voor de activiteit (het aantal vrijkomende α ‑deeltjes per seconde) geldt: A ( t ) = N ( t ) ⋅ ln 2 / τ Hierin is: → A (t) de activiteit op tijdstip t ; → τ de halveringstijd; → N ( t ) het aantal 241 94 Pu‑atomen dat op tijdstip t nog aanwezig is.


opgave 5Opgave 5 Antiprotonen vangen




Bij dit examen hoort geen uitwerkbijlage.
13p

23p

33p

44p

54p

62p

74p

83p

95p

105p

113p

123p

133p

143p

154p

163p

174p

185p

192p

205p

212p

223p

233p

243p

253p

265p
