opgave 1Schakeling van LED’s
Twee leerlingen willen de stroom-spanning-karakteristiek van een (rode)
LED opmeten. Daartoe maken ze een schakeling waarin opgenomen zijn:
de LED, een weerstand die in serie staat met de LED, een spanningsbron,
een spanningsmeter en een stroommeter. Deze zijn weergegeven op de
uitwerkbijlage.
13puitwerkbijlageTeken op de uitwerkbijlage de benodigde verbindingen.
In figuur 1 staat het resultaat van de metingen.
figuur 1
Bij een stroom van 10 mA door de LED, komen per seconde 4,2·1016
fotonen met een golflengte van 645 nm vrij.
24pBepaal het rendement waarmee de LED bij deze stroomsterkte elektrische
energie omzet in lichtenergie. Noteer je antwoord in twee significante
cijfers.
Om ‘wit’ licht te maken zijn drie LED’s, een rode, een groene en een
blauwe, vlak bij elkaar geplaatst. De menging van deze drie kleuren geeft
de indruk van wit licht.
De LED’s worden in serie geschakeld met een weerstand R en
aangesloten op een spanningsbron van 9,0 V , zoals in figuur 2 is
weergegeven.
figuur 2
In figuur 3 staan de stroom-spanning-karakteristieken van de drie LED’s.
figuur 3
De gewenste stroomsterkte door de LED’s bedraagt 10 mA .
34pBepaal de grootte die de weerstand R moet hebben zodat hieraan
voldaan is. Noteer je antwoord in twee significante cijfers.
Het kan voorkomen dat in het licht van deze LED’s samen te veel blauw
zit. In dat geval willen de leerlingen de schakeling aanpassen zodat de
stroomsterkte door de blauwe LED minder wordt, terwijl de stroomsterkte
door de andere LED’s niet verandert.
Ze doen dit door in de schakeling van figuur 2 twee (regelbare)
weerstanden aan te brengen. Figuur 2 staat ook op de uitwerkbijlage.
42puitwerkbijlageTeken in de figuur op de uitwerkbijlage de twee (regelbare) weerstanden
op de juiste plaatsen.
opgave 2Parkeren in de ruimte
Lees het artikel.
Hoe kan men rustig in de ruimte parkeren? De baan van een satelliet om de zon wordt continu verstoord door de aantrekkingskracht van een nabije planeet. In de buurt van elke planeet zijn echter een paar punten waarin een satelliet stabiel om de zon kan draaien, zonder dat zijn afstand tot de planeet verandert. Dit zijn de zogeheten Lagrangepunten. Ruimtesonde Soho gebruikt één van deze punten om de zon goed te observeren.
In deze opgave bestuderen we de twee Lagrangepunten L1 en L2 die
dichtbij de aarde liggen.
De ruimtesonde Soho bevindt zich in L1 . In L1 heeft Soho net als de aarde
een omlooptijd om de zon van één jaar. L1 bevindt zich tussen de aarde
en de zon op 1,5 miljoen kilometer van de aarde. Zie figuur 1. In deze
figuur zijn twee posities van de aarde, L1 . en L2 weergegeven, met een
tussentijd van ongeveer drie weken. Figuur 1 is niet op schaal.
figuur 1
Voor de middelpuntzoekende kracht op de ruimtesonde geldt:
Fmpz = 2 (1)
Hierin is:
m de massa van de ruimtesonde in kg
r de straal van de baan in m
T de omlooptijd in s
54pVoer de volgende opdrachten uit.
− Leid formule (1) af met behulp van formules uit een tabellenboek.
− Leg met deze formule uit of Soho zonder de aanwezigheid van de
aarde bij dezelfde omlooptijd verder van of dichter bij de zon zou
staan.
Soho bevindt zich in L1 op 148 miljoen kilometer van de zon en heeft een
massa van 1850 kg.
62pBereken de middelpuntzoekende kracht die in L1 op Soho moet werken.
De middelpuntzoekende kracht op Soho wordt geleverd door de
gravitatiekracht van de zon en die van de aarde samen. Zie ook figuur 1.
74pBereken de grootte van elk van deze gravitatiekrachten.
Soho bestudeert onder andere zonnevlekken. Dit zijn donkere vlekken op
het oppervlak van de zon. Het spectrum van een zonnevlek is
weergegeven in figuur 2.
figuur 2
82pBepaal de temperatuur van deze zonnevlek. Noteer je antwoord in twee
significante cijfers.
Lagrangepunt L2 bevindt zich op 1,5 miljoen kilometer afstand van de
aarde aan de ‘buitenkant’ van de aardbaan. Zie figuur 1. L2 draait in één
jaar met de verbindingslijn aarde-zon mee. L1 , de aarde en L2 blijven in
hun baan dus steeds op één lijn liggen.
In de tabel op de uitwerkbijlage worden vier grootheden van L1 en L2 met
elkaar vergeleken.
93puitwerkbijlageGeef in de tabel op de uitwerkbijlage van elke grootheid van L1 aan of
deze in vergelijking met dezelfde grootheid van L2 groter, gelijk of kleiner
is.
opgave 3Radon in de kelder
Radon is een radioactief edelgas dat uit
de bodem en uit bouwmaterialen vrijkomt en
zich ophoopt in kelders en kruipruimtes als
die slecht geventileerd worden. De meest
voorkomende isotoop is Rn-222 .
In figuur 1 zijn het verval van Rn - 222 en de
daarop volgende vervalstappen met de
bijbehorende halveringstijden schematisch
weergegeven.
NB: uit de gegevens in het informatieboek
zou ook een alternatieve vervalroute
kunnen worden afgeleid. Deze komt
echter zo weinig voor, dat we hem in deze
opgave verwaarlozen.
De vier isotopen die in figuur 1 grijs zijn weergegeven worden
‘radondochters’ genoemd, omdat ze een veel kortere halveringstijd
hebben dan Rn-222 zelf.
Als een Rn-222- kern vervalt, vervallen vrij snel daarna ook de
radondochters.
102pGeef aan welke isotoop vervalproduct X is en geef de reden waarom het
niet tot de radondochters wordt gerekend.
Hoewel de toevoer van nieuw radon constant is, groeit de hoeveelheid
radon in een gesloten kelderruimte niet eindeloos door. De activiteit A van
het radon zal een bepaalde maximale waarde bereiken en daarna niet
verder stijgen.
113pVoer de volgende opdrachten uit:
− leg uit waarom de activiteit A van Rn-222 een bepaalde maximale
waarde niet overstijgt;
− leg uit waarom enkele uren na het bereiken van de maximale activiteit
elk van de radondochters dezelfde activiteit heeft als Rn-222.
De radondochters hechten zich aan microscopische stofdeeltjes die in de
lucht zweven. De lucht in een gesloten kelderruimte bevat dus radon en
radondochters.
De aanwezigheid van de radondochters kan op de volgende manier
aangetoond worden met behulp van een elektrisch geladen ballon.
Een gewone ballon wordt opgeblazen, opgewreven (om hem elektrisch te
laden) en dan in de kelderruimte gehangen. De geladen ballon trekt
stofdeeltjes uit de omgeving naar zich toe en wordt radioactief.
Na een half uur wordt de ballon weggehaald en voorzichtig lek geprikt. De
leeggelopen ballon wordt in een bakje gelegd en onder een Geigerteller
gezet. Zie figuur 2.
figuur 2
Een Geigerteller kan alfadeeltjes, bètadeeltjes en gammastraling meten.
In dit geval is de instelling zo dat alleen bètadeeltjes worden
geregistreerd.
122pVoer de volgende opdrachten uit:
− Beschrijf een eenvoudige manier om te controleren dat er inderdaad
geen alfadeeltjes geregistreerd worden,
− Beschrijf een eenvoudige manier om te controleren dat er inderdaad
geen gammastraling geregistreerd wordt.
In figuur 3 staat het resultaat van een meting.
figuur 3
Het verloop wijkt af van een gewone vervalcurve.
132pGeef daarvoor twee oorzaken.
De normwaarde voor de radonactiviteit in gesloten kelderruimtes bedraagt
100 Bq per m3 voor de isotoop Rn-222.
De activiteit van Rn-222 kan worden bepaald uit die van de
radondochters. De activiteit van elke radondochter is gelijk aan de
activiteit van het aanwezige radon, omdat dit radon al lang geleden de
maximale activiteit heeft bereikt.
Ga ervan uit dat de Geigerteller 1/6 van de uitgezonden bètadeeltjes
opvangt.
144pGa na, met behulp van een bepaling, of de radonactiviteit in de lucht van
de kelder de normwaarde overschrijdt. Neem daarbij aan dat de geladen
ballon alle radondochters in een volume van 1 m3 heeft aangetrokken.
Ga verder op de volgende pagina.
opgave 4Parasailing
Bij ‘parasailing’ wordt iemand voortgetrokken door een motorboot terwijl
hij of zij aan een parachute hangt. Zie figuur 1. In figuur 2 is de situatie
schematisch weergegeven. Deze figuur is op schaal.
Als de motorboot vertrekt, staat de parachutist op het strand. Als de kabel
strak komt te staan, gaat de parachutist omhoog.
In figuur 3 staat het ( v,t )-diagram van de beweging van de boot.
figuur 3
Figuur 3 is vergroot weergegeven op de uitwerkbijlage.
153puitwerkbijlageBepaal met behulp van de figuur op de uitwerkbijlage de afstand die de
boot heeft afgelegd op t = 8,0 s . Noteer je antwoord in twee significante
cijfers.
163puitwerkbijlageBepaal met behulp van de figuur op de uitwerkbijlage de versnelling van
de boot op tijdstip t = 6,0 s . Noteer je antwoord in twee significante cijfers.
Punt P in figuur 2 is het punt waar de parachutist vastzit aan het koord en
aan de parachute.
In punt P werken drie krachten:
− F1 : de zwaartekracht op de parachutist,
− F2 : de kracht van de parachute,
− F3 : de spankracht van het koord naar de boot.
De figuur op de uitwerkbijlage geeft de situatie weer, waarbij de snelheid
van de parachutist constant is. In deze figuur is de zwaartekracht F1 op
schaal getekend. De massa van de parachutist bedraagt 85 kg . De
richting van de kracht van de parachute F2 is ook aangegeven.
174puitwerkbijlageBepaal in de figuur op de uitwerkbijlage met behulp van een constructie
de grootte van kracht F2 . Noteer je antwoord in twee significante cijfers.
opgave 5Compton
In 1905 introduceerde Albert Einstein het
fotonmodel voor straling, waarvoor hij pas in
1926 de Nobelprijs kreeg. Het duurde namelijk
tot 1923 voordat dit model algemeen
geaccepteerd werd. Het was Arthur Compton
(zie figuur 1) die toen het fotonmodel toepaste
in de verklaring voor de verstrooiing van
röntgenstraling door de elektronen in grafiet. In
1927 ontving Compton hiervoor de Nobelprijs.
figuur 2
In figuur 2 staat het zogenaamde comptoneffect schematisch
weergegeven. Een invallend röntgenfoton botst hierbij op een stilstaand
vrij elektron. Het röntgenfoton wordt verstrooid en het elektron krijgt een
snelheid v . Het invallende röntgenfoton heeft een golflengte λ en het
verstrooide foton een golflengte λ ’.
Omdat een foton als een deeltje beschouwd wordt heeft het ook een
impuls. Hiervoor geldt p = λ h
184pVoer de volgende opdrachten uit:
− Leg uit dat de golflengte λ ’ groter is dan de golflengte λ .
− Leg uit dat de impuls van het verstrooide foton kleiner is dan die van
het invallende foton.
Voor het meten van de verstrooiing
van röntgenstraling gebruikte Compton
de opstelling zoals weergegeven in
figuur 3. In deze opstelling wordt
röntgenstraling op een blokje grafiet
geschoten. De intensiteit van de
verstrooide straling wordt door een
detector gemeten als functie van de
golflengte. De detector kan om het
grafiet gedraaid worden waarbij de hoek
φ varieert van 0o tot 135o .
In figuur 4 staan de meetresultaten
van Compton weergegeven voor een
hoek j van 135° . Er zijn duidelijk
twee pieken te zien, bij golflengtes
λ en λ .
Om dit resultaat te verklaren nam
Compton aan dat er twee
mogelijkheden zijn:
1 De fotonen kunnen verstrooien
aan elektronen die gebonden zijn
aan de grafietatomen. Hierbij verandert de golflengte van de fotonen
niet.
2 De fotonen kunnen verstrooien aan de vrije elektronen in het grafiet.
Hierbij verandert de golflengte van de fotonen wel.
Op basis van deze aannames en Einsteins fotonmodel leidde Compton af
dat er een relatie bestaat tussen de verstrooiingshoek φ en het gemeten
verschil in golflengte tussen λ en λ . Deze relatie wordt beschreven met
de formule van Compton:
Hierin is:
− Δ λ het verschil in golflengte
− φ de verstrooiingshoek
− h de constante van Planck
− m de massa van een elektron
− c de lichtsnelheid
Als de hoek φ kleiner wordt gemaakt dan 135° zal de afstand tussen de
pieken in figuur 4 veranderen.
193pLeg voor elk van beide pieken uit of deze naar links zal verschuiven, naar
rechts zal verschuiven of op dezelfde plaats zal blijven.
De meetresultaten van Compton
203pzijn weergegeven in figuur 5. Passend bij
de meetpunten is een rechte lijn door de
oorsprong getrokken.
De factor mc h uit de formule van Compton
wordt ook wel de comptongolflengte voor
een elektron genoemd.
Toon aan dat de comptongolflengte de
eenheid m heeft.
Figuur 5 stemt overeen met de formule
van Compton.
214pVoer de volgende opdrachten uit:
− Leg uit dat volgens de formule van Compton de lijn door de
meetpunten een rechte lijn door de oorsprong moet zijn.
− Bepaal de comptongolflengte uit figuur 5. Noteer je antwoord in twee
significante cijfers.
− Toon aan dat deze waarde binnen een marge van 5% overeenkomt
met de theoretische waarde van de factor mc h .
Ga verder op de volgende pagina.
opgave 6Viool
Figuur 1 is een foto van een viool. In de foto zijn enkele onderdelen
benoemd.
figuur 1
Met een microfoon is het geluid opgenomen dat ontstaat bij het
aanstrijken van een snaar. Op een computerscherm wordt het
( u,t )-diagram van figuur 2 zichtbaar. Het geluid blijkt een combinatie van
verschillende tonen. De toon met de kleinste frequentie is de grondtoon.
223pBepaal de frequentie van de grondtoon van deze snaar. Noteer je
antwoord in twee significante cijfers.
De onderste snaar in figuur 1 is de E-snaar. Na aanstrijken hiervan
ontstaat in de snaar een staande transversale golf met knopen op de kam
en op het kielhoutje. Zie figuur 1. De frequentie van de grondtoon van de
E-snaar is 660 Hz .
233pBereken de voortplantingssnelheid van de golven in de E-snaar.
Voor de frequenties van de tonen van een snaar geldt:
fn = nf grondtoon (1)
Hierin is n een positief geheel getal, waarbij n = 1 de grondtoon aangeeft
en n = 2, 3, ... de boventonen.
243pLeid formule (1) af met behulp van formules uit een tabellenboek.
Naast de E-snaar bevindt zich de A-snaar. De frequentie van de
grondtoon van de A-snaar is lager dan die van de E-snaar. Wanneer de
viool zuiver gestemd is, is de verhouding van deze frequenties 2 : 3. Door
deze manier van stemmen zijn er frequenties die zowel bij een boventoon
van de A-snaar horen als bij een boventoon van de E-snaar.
252pGeef twee van die frequenties. Licht je antwoord toe.
