WWCP

Willie Wortel Circus Practicum

2012

3 havo

Week 20 tot en met 25

Sectie natuurkunde

Fioretticollege Lisse

2

Rooster van het project WWCP 3 havo Week 20 t/m week 25 2012

WWCP

Week 20

Ronde 1

Week 21

Ronde 2

Week 22

Ronde 3

Week 23

Ronde 4

Week 24

Ronde 5

Week 25

Ronde 6 pw-week

Week 26

Pw-week

Groep 1

A a

E e

D d

C c

B b

Eindtoets

Groep 2

a A

e E

d D

c C

b B

Eindtoets

Groep 3

B b

A a

E e

D d

C c

Eindtoets

Groep 4

b B

a A

e E

d D

c C

Eindtoets

Groep 5

C c

B b

A a

E e

D d

Eindtoets

Groep 6

c C

b B

a A

e E

d D

Eindtoets

Groep 7

D d

C c

B b

A a

E e

Eindtoets

Groep 8

d D

c C

b B

a A

e E

Eindtoets

Groep 9

E e

D d

C c

B b

A a

Eindtoets

Groep 10

e E

d D

c C

b B

a A

Eindtoets

Ik zit in groep _______en ik heb in week 20 de proeven ______ en ______ week 21 de proeven ______ en_______ week 22 de proeven ______ en ______ week 23 de proeven ______ en ______ week 24 de proeven ______ en ______ week 25 de uitloopronde en de PWW

3

Project WWCP 3 havo

Bij de vakken natuurkunde, biologie en scheikunde ben je met (na-tuur)-wetenschap bezig door het doen van experimenten. Hierbij is de computer tegenwoordig niet meer weg te denken. Je kunt de computer als meetinstrument gebruiken bij proeven waarbij veel gerekend moet worden of bij proeven die zo snel verlopen dat het meten met de hand en het oog niet goed meer te doen is. De computer wordt ook veel gebruikt voor simulaties. Met simpele of ingewikkelde computerprogramma’s kun je situaties uit de praktijk nabootsen en zo de regels of wetten ontdekken die er misschien een rol bij spelen. Daarom gaan we de Hoofdstukken 4 en 5 van het boek Natuurkunde Overal eens op een andere manier aanpakken. Van Hoofdstuk 4 doen we de eerste zes paragrafen en met het eerste deel van hoofdstuk 5 houden we ons in feite bezig bij de compu-terlessen. Bij iedere paragraaf van Hoofdstuk 4 doen we twee proeven. Eén op de traditionele manier (we noemen dit een analoge proef) en één met behulp van de computer (zo’n proef noemen we digitaal). De paragrafen 4.1 en 4.2 worden in één proef gedaan. De proeven heten A respectievelijk a enzovoorts tot en met E en e. De proeven in dit project gaan over: A en a Magnetisme en De aarde als magneet 4.1 en 4.2 B en b Dynamo en Inductie 4.3 C en c Oscilloscoop en Computer 4.4 D en d Transformator en Hoogspanningsnet 4.5 E en e Tonen horen en Tonen zien 4.6

De klas wordt opgedeeld in tien groepjes die allemaal bezig zijn met een andere

proef. Zo’n voor het oog chaotisch verlopend practicum wordt ook wel een circula-

tiepracticum of circuspracticum genoemd. Het project heet dan ook het Willie

Wortel Circus Practicum (afgekort tot WWCP). Waarom Willie Wortel? Wie kent niet

Willie Wortel uit de Donald Duck? De superuitvinder die, samen met zijn meester-

knecht Lampje, allerlei slimme uitvindingen doet, meestal op elektrisch gebied. Bij

het doen van de proeven in dit project heb je eigenlijk zo’n zelfde mentaliteit als

die van Willie Wortel nodig: nieuwsgierigheid en vindingrijkheid. Hopelijk heb jij

die eigenschappen ook een beetje. In ieder geval hebben jullie het voordeel dat je

met zijn drieën bent. De klas wordt namelijk opgedeeld in tien groepjes eenvou-

digweg omdat er ook tien proeven gedaan worden. In één week wordt één para-

graaf door jullie groepje geheel zelfstandig gedaan. Een mooie voorbereiding van

het volgende jaar waarin voor jullie immers de tweede fase begint. De tweede fase

veronderstelt namelijk dat leerlingen -veel meer dan in de onderbouw- zelfstandig

(kunnen en willen) werken. Letterlijk een mooie voorproef, vind je ook niet?

4

Bij elk experiment hoort dus een paragraaf uit het boek. Deze paragraaf lees je van tevoren thuis om je goed voor te bereiden op het practicum. In de practicumles doe je de analoge en de digitale proef volgens het bijgeleverde rooster. In dit boekje staat de handleiding van elke proef. Op de dag dat je het experiment doet krijg je ook nog een meetblad. Als je de twee proeven in de les hebt gedaan moet je de meetbladen van de proeven nog netjes uitwerken. Soms krijg je daar tijd voor in de les na de proeven maar soms (als er die week een les uitvalt bijvoor-beeld) moet je het thuis doen. Het doen van het practicum en het uitwerken van de meetbladen is één 'Ronde' (zie rooster). Voordat je aan de volgende ronde be-gint moet je de uitgewerkte meetbladen van de vorige ronde ingeleverd hebben. Mocht er om welke reden dan ook een les uitvallen dan is het gevolg van de opzet van dit project dat je gewoon doorwerkt en op schema blijft. Voor de tien verslagen krijg je een (gemiddeld) cijfer dat als proefwerk telt. Daar-na volgt in de proefwerkweek nog een eindtoets over dit project in zijn geheel. Voor deze eindtoets krijg je een cijfer dat ook als proefwerk telt. En dan nog even dit: omdat je de proeven in willekeurige volgorde doet is hier en daar enige voorkennis nodig. Vandaar de inleidende lessen die nu volgen. Verder wordt een rooster uitgedeeld. Bekijk dit rooster goed. Het verdient aanbeveling de data en de proeven in je agenda te noteren. De proeven worden gedaan in een practicumlokaal. De andere lessen kunnen ook in andere lokalen plaatsvinden. Houd de monitor goed in de gaten.

En tenslotte wensen de docenten en de TOA natuurkunde je veel succes en veel plezier bij het doen van dit project!

5

Inleidende les WWCP 3 havo

Stroom, spanning, lading

Bij de proeven en de leerstof van Hoofdstuk 4 wordt veel over elektrische

stroomsterkte en elektrische spanning gesproken.

Geef van beide grootheden de definitie.

1. Elektrische stroomsterkte = _______________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

2. Elektrische spanning = ____________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

3. Het symbool van stroom = ________ en de bijbehorende eenheid = ____

Het symbool van spanning = ________ en de bijbehorende eenheid = ____

Omdat elektrische stroom eigenlijk bewegende lading is moet je ook wel enig idee hebben

van wat er nou beweegt. In paragraaf 2.3 heb je als het goed is van het periodiek systeem

gehoord. Wat is dat, het periodiek systeem?

4. Antwoord:

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

5. Er bestaan ruim 100 elementen. Schrijf er minstens vijf op.

Antwoord ___________ ____________ ___________ ___________ __________

6. Metalen horen ook in het periodiek systeem thuis. Schrijf minstens vijf metalen op.

Antwoord ____________ ____________ ___________ __________ __________

Koper is ook een metaal. Een stukje koper bestaat uit heel veel atomen. In een kopera-

toom (aan de buitenzijde ervan) zitten de zogenaamde elektronen: negatief geladen deel-

tjes. Omdat het buitenste elektron in zo’n atoom weinig binding voelt, kunnen deze (ook

wel “vrije elektronen” genoemd) betrekkelijk vrij tussen de atomen van koper door bewe-

gen.

7. Als deze vrije elektronen nou stelselmatig in een bepaalde richting stromen spreekt

men van een __________________________________________ (één keertje raden).

Een elektron heeft lading. Eigenlijk weet niemand precies wat dat is. Wel kunnen we een

eenheid van lading afspreken en meten hoeveel lading er op zo’n elektron zit.

8. Wat is de eenheid van lading ? Antwoord ____

Men heeft gemeten: op één elektron zit een lading van −1,6·10−19 C.

6

Magnetisme

Bij proef A en a ga je ontdekken dat een elektrische stroom een magnetisch veld om zich

heen heeft en dat permanente magneten eigenlijk ook stroomdragers zijn.

9. Wat is een permanente magneet?

Antwoord: _______________________________________________________________

________________________________________________________________________

10 En wat is een elektromagneet?

Antwoord: _______________________________________________________________

________________________________________________________________________

Gelijkstroom en wisselstroom

11. In 4.3 komt wisselstroom en wisselspanning aan de orde.

Wat is wisselspanning?

Antwoord: _______________________________________________________________

________________________________________________________________________

En wat is een gelijkspanning?

Antwoord: _______________________________________________________________

________________________________________________________________________

12. Vul in gelijkspanning veroorzaakt een _______________________ en wisselspanning

veroorzaakt een _______________________. Zo zit dat dus.

Een transformator werkt alleen op wisselspanning en een dynamo op een fiets wekt een

wisselspanning op. Met transformatoren kun je de spanning omhoog en ook weer omlaag

transformeren (zie proef D en d) en vandaar dat je een beetje verstand van wisselspanning

en wisselstroom moet hebben. Het spanningnet bij jou thuis levert een wisselspanning van

230 V met een frequentie van 50 Hz. Dat betekent dat de spanning 50 keer per seconde

één volledige wisseling achter de rug heeft. Die 230 V is overigens een soort gemiddelde.

Maximaal wordt de spanning +325 V en minimaal −325 V.

13. Teken in onderstaand diagram een stukje van die spanning.

Figuur 1

7

Frequentie en toonhoogte, amplitude en geluidsniveau (herrie).

14. Net werd de grootheid frequentie al even genoemd. Geef de definitie.

Frequentie = ____________________________________________________________

________________________________________________________________________

Het symbool = _____ en de eenheid waarin frequentie wordt uitgedrukt = _____

Bij muziek horen begrippen als toonhoogte en geluidsniveau. Daarover gaan proef E en e.

De hoogte van een toon wordt bepaald door de frequentie waarmee de lucht aan het tril-

len wordt gebracht.

Bij proef E werk je onder andere met een stemvork met een frequentie van 440 Hz.

15. Dus als je deze stemvork aanslaat dan _______________________________________

________________________________________________________________________

Het geluidsniveau heeft te maken met hoever de stemvork naar links en naar rechts trilt

dus hoe hard en hoe ver de luchtdeeltjes aan het trillen worden gezet. Deze uiterste uit-

wijking noemt men de amplitude en de grootheid geluidsniveau wordt uitgedrukt in de

eenheid dB (decibel). Amplitude en geluidsniveau zijn recht evenredig.

16. Wat betekent ook alweer recht evenredig?

Antwoord: _______________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

Dan is er nog de geluidsnelheid. Deze hangt wel af van de temperatuur, maar niet van de

toonhoogte en de amplitude van een toon.

17. Waaruit blijkt dat de geluidsnelheid niet afhangt van de toonhoogte en de amplitu-

de? (Denk hierbij aan een orkest of een zangkoor).

Antwoord: ______________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

18. Zoek eens op hoe groot de geluidsnelheid bij 20 °C is.

Antwoord _____________

Meten met de computer In dit project gaan we meten met de computer. Er zijn veel voordelen bij het meten met een computer. Bijvoorbeeld je kunt lang achter elkaar meten (ook ’s nachts als je slaapt) en je kunt ook snel meten. Dus veel metingen per seconde doen en ook vastleggen. Voordat we gaan meten met de computer gaan we eerst kijken hoe de apparatuur werkt. De sensor We beginnen met een sensor. Er bestaan veel verschillende sensoren. Voor het meten van allerlei grootheden. Bijvoorbeeld de grootheid temperatuur. Een sensor zet een fysische grootheid om in een (analoge) spanning. Daarna wordt deze spanning in een aantal stap-pen omgezet in een spanning die in een binaire code (via de getallen 0 en 1) wordt uitge-

8

drukt. De spanning in deze code uitgedrukt kan namelijk door een computer gelezen wor-den. Zie de vragen 23 en 24. Figuur 2 Een blokschema van een automatisch proces Voordat we het schema van figuur 2 kunnen invullen moeten we eerst een aantal definities (= afspraken) opschrijven. De grootheid temperatuur kan alle mogelijke waarden hebben. Zo’n gemeten grootheid noemen we een analoog signaal. Dus onthoud: 19. Een analoog signaal is _____________________________________________________

________________________________________________________________________

De computer kan de grootheid temperatuur niet rechtstreeks meten. Daarvoor hebben we een sensor nodig. Deze sensor maakt van een gemeten temperatuur een elektrische span-ning. 20. Een sensor is ____________________________________________________________

________________________________________________________________________

De grootte van de spanning die uit de sensor komt (het signaal) is een maat voor de geme-ten temperatuur. We moeten echter wel weten welke temperatuur bij welke spanning hoort. Het verband meten tussen deze twee grootheden noemt men ijken. 21. IJken is _________________________________________________________________

________________________________________________________________________

De computer Een computer kan niet met zo’n analoog signaal werken. Hij kan alleen nullen en enen begrijpen. Een getal opgebouwd uit nullen en enen noemt men een digitaal signaal. 22. Een digitaal signaal is _____________________________________________________ Een binair getal is ________________________________________________________ Het analoge signaal dat uit de sensor komt moet naar een digitaal signaal worden omgezet. Dit gebeurt met een AD-omzetter (Analoog naar Digitaal omzetter). Deze omzetter zit in het CoachLabII+ kastje. 23. Een AD-omzetter is _______________________________________________________

________________________________________________________________________

24. Vul nu het schema uit figuur 2 volledig in. Daarna wordt het aan de computer toegevoerde digitale signaal verwerkt via het pro-gramma Coach 6. Dit programma kennen je natuurlijk al uit het project IPCT dat je in ja-nuari/februari hebt gedaan.

9

Proef A (Elektro)magnetisme Inleiding Doel van het onderzoek: Hoe ontstaat een magnetisch veld en waardoor ontstaat een magnetisch veld? Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. Benodigdheden Staafmagneet, stroomspoel, hoefijzermagneet, spanningsbron, (gebroken) magneet, stroomdraden, kompasnaald op voetje, ijzervijlsel in plexiglas. Je hebt vast wel eens een kompas in je hand gehad. Waarschijnlijk weet je ook wel dat het naaldje van de kompas altijd naar het noorden wijst. Dat daarmee het geografische noorden wordt bedoeld en dat het naaldje niet precies naar het geografische noorden wijst, dat wist je waarschijnlijk niet. De afwijking tussen de richting van de kompasnaald en de richting naar het noorden heet officieel de 'declinatiehoek'. Deze declinatiehoek blijkt ook nog eens af te hangen van waar je op aarde bent. 1. Onderzoek nu zelf de richting waarin het kompasnaaldje zich instelt. Zorg ervoor

dat andere magneten en metalen voorwerpen (zoals je tafel) ver uit de buurt zijn. Ga hiervoor de gang op.

2. De richting waarin het kompasnaaldje wijst is ongeveer het geografische noorden.

Wat betekent dat “het geografische noorden”? PROEF Magnetisme is een natuurverschijnsel waarvan de oorsprong in de kleinste deeltjes (in de atomen dus) schuilt. Hoe de eigenschappen van een magneet zijn en dat een draad waarin een elektrische stroom loopt zich ook gedraagt als een magneet, zijn de onderwerpen waarmee je je bij deze proef bezig houdt. 3. Een magneet bestaat uit twee polen. De pool die naar heet noorden wijst heet

voortaan de Noordpool van de magneet. Soms wordt de Noordpool rood en de Zuid-pool groen geverfd. Neem nu de staafmagneet. De rode kant is dus de Noordpool en de groene kant is de Zuidpool. Onderzoek nu hoe het kompasnaaldje reageert op deze magneet.

4. Dus het geografische noorden ligt in het magnetische ________________ ? Licht toe. 5. Magnetische polen kunnen niet gescheiden bestaan (als aparte polen dus). Als je

een magneet in twee stukken zou breken dan krijg je opnieuw twee magneten met een Noord- en een Zuidpool.

Toon dit met een proefje aan met behulp van de gebroken magneet. 6. Onderzoek nu met ijzervijlsel in plexiglas de vorm van het magnetische veld

rondom een staafmagneet en een hoefmagneet. Teken op het meetblad wat de vorm is van het magnetische veld van een staafmagneet en een hoefmagneet.

10

7. Maak de schakeling van figuur 1. Laat deze controleren.

Figuur 1

8. Laat de schakelaar geopend. Houd de kompasnaald dicht bij de open zijde (het

‘gat’) van het spoeltje. Wat zie je? Sluit dan de schakelaar. Wat zie je gebeuren? 9. Verander nu de richting van de stroom. Voorspel eerst wat er zal gebeuren.

10. Sluit nu de schakelaar. En klopt de voorspelling van vraag 9? 11. Trek nu een conclusie.

11

Proef a De aarde als magneet Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. Inleiding Doel van het onderzoek Via Google en Wikipedia en mogelijk andere bronnen onderzoek doen naar de magnetische velden van Aarde en Zon; hoe het magnetisch veld van de zon in de loop van de tijd met regelmaat verandert en dat deze fluctuaties wellicht invloed hebben op het klimaat op aarde. Bij het digitale deel van deze proef gebruik je de computer als informatiebron. Via Google en Wikipedia kun je veel (achtergrond)informatie vinden. Bedenk daarbij dat je met niet officiële bronnen werkt. Iedereen kan dingen in Wikipedia schrijven. Er is wel toezicht maar dat betekent niet dat alles wat erin staat ook gecontroleerd is. Wikipedia is geen leerboek zoals Natuurkunde Overal. Geloof dus niet altijd alles wat er in Wikipedia staat. Het is het beste om ook andere bronnen te gebruiken. 1. Zoek op in Wikipedia wat een magnetisch veld is. Noteer je antwoord op het ant-

woordblad. Snap je wat er staat? Lees par. 4.1 en 4.2 van het boek en probeer dan eens uit te leggen wat er staat. PROEF 2. Teken op het meetblad de aarde met het geografische noorden aan de bovenkant. Uit natuurkundeboeken weten we dat de aarde een magnetisch veld heeft. Dit wordt ver-oorzaakt door grote elektrische stromen in de vloeibare kern van de aarde. Figuur 1 Het magnetisch veld van een staafmagneet 3. Het magnetisch veld dat daardoor ontstaat heeft in grote lijnen net zo’n vorm als

die van een staafmagneet (zie figuur 1) met de Zuidpool in het geografische noor-

den van de aarde en de Noordpool __________________________________________

4. Teken in de door jou geschetste aarde op het meetblad een staafmagneet met de

noordpool in het geografische zuiden en de zuidpool in het geografische noorden.

12

Het magneetveld van de aarde speelt een rol bij een spectaculair natuurverschijnsel. 5. Zoek uit welk verschijnsel dit is en geef een beschrijving van het verschijnsel. Uit onderzoek met satellieten blijkt dat ook de zon een magnetisch veld heeft. 6. Zoek de eigenschappen van dit magnetische veld op. Noteer je bevindingen op het

meetblad. Zit er een regelmaat in de veranderingen van dit veld? 7. Zoek op wat ‘zonnevlekken’ zijn. Zit in het verschijnen ervan ook een regelmaat? Er bestaan nogal wat mensen (weermannen en -vrouwen/amateur-weerkundigen /natuurkundeleraren) die vermoeden dat het klimaat op de aarde beïnvloed wordt door variaties in het magnetische veld van de zon. Hoe dat precies werkt is erg ingewikkeld en is (dus) bron van veel speculatie. Weerman Bas Schijf bijvoorbeeld deed in december 2008 (www.blikopnieuws.nl / december2008) de voorspelling dat er eind december 2008 / begin januari 2009 strenge vorst zou komen met een redelijke kans op een elfstedentocht. Er zouden volgens zijn onderzoek achtereenvolgend een aantal (2 of 3) strenge winters ko-men. De astronomen (wetenschappers – niet te verwarren met astrologen) weten dat het magnetisch veld van de zon ompoolt om de pakweg 23 jaar en dat zonnevlekken (‘magneti-sche stormen’ aan het oppervlak van de zon) een cyclus in activiteit hebben van ongeveer 11 jaar. In 2011 en in februari 2012 hebben we uitgebreid kunnen schaatsen. En rond de 20ste februari 2012 werd een Elfstedentocht op het laatste moment afgelast. Het zou de 16de zijn geweest. 8. Zoek op welke winters in de afgelopen 100 jaar extreem koud waren. 9. In welke jaren werd er in de afgelopen 100 jaar een Elfstedentocht gereden? Opmerking: geschikte website http://www.knmi.nl/cms/content/23559/koude_winters

http://www.blikopnieuws.nl/http://www.knmi.nl/cms/content/23559/koude_winters

13

PROEF B De dynamo en inductie. Benodigdheden Twee staafmagneten (zwak en sterk), twee spoe-

len met een verschillend aantal windingen, grijze stroommeter, voltmeter, twee draden, knijpkat, veer , twee krokodillenklemmetjes, halve fiets, demonteerbare dynamo.

Bij iedere proef behoort een meetblad. Noteer je antwoorden daarop. Inleiding Doel van het onderzoek: Hoe werkt een dynamo? Hoe ontstaat een inductiespanning (Uind)? Van welke grootheden hangt deze inductiespanning af? Zonder licht fietsen kan een fikse boete opleveren. Dus zet je, heel verstandig, je dynamo aan en je trapt een klein beetje harder zodat de dynamo de elektrische energie kan leve-ren om het voor en het achterlampje te laten branden. Maar eerder in het jaar hebben we geleerd dat elektrische energie wordt geleverd door een spanningsbron. Dus de dynamo moet wel een spanningsbron zijn. Maar dat is ie alleen maar als het wieltje van de dynamo beweegt! De beweging van het wieltje (met wat eraan vastzit) van de dynamo veroorzaakt dus een elektrische spanning! Deze opgewekte spanning noemen we de inductiespanning en deze geven we voortaan aan met het symbool Uind. In dit experiment gaan we kijken hoe een beweging omgezet kan worden in een spanning en waarvan deze opgewekte span-ning dan weer afhangt. We doen dat met twee proeven. Proef B is de analoge proef met de dynamo. Proef b is de digitale proef waarbij we de opgewekte spanning met de computer gaan onderzoeken. 1. Sluit de grijze stroommeter aan op de dynamo en draai het wieltje door het langs je

hand te bewegen. Wat zie je? 2. Maakt het verschil als je het wieltje de andere kant op laat draaien? PROEF

Halve fiets (met dynamo). Op bladzijde 81 van het boek staat: als een magneet beweegt ten opzichte van een spoel dan wordt er in die spoel een inductiespanning Uind opgewekt. Als er bij een dynamo in-derdaad een spanning wordt opgewekt dan zou dat betekenen dat er in een dynamo een magneet en een spoel zouden moeten zitten. Haal de demonteerbare dynamo uit elkaar en controleer of dat zo is. Breng de dynamo daarna weer terug in zijn oorspronkelijke staat. 3. Met de halve fiets kun je makkelijk meten hoe groot de opgewekte Uind is. Sluit de

voltmeter aan op de dynamo van de fiets en meet de Uind als het wiel normaal ronddraait.

4. Het boek beweert ook dat een snellere beweging een grotere Uind oplevert. Contro-leer of dat zo is.

14

Knijpkat (een alternatieve dynamo) 5. De knijpkat is ook een apparaat waarmee van een beweging een spanning gemaakt

kan worden. Door de knijpkat steeds weer in te knijpen lever je een spanning die bijvoorbeeld een lampje kan laten branden. Meet de spanning die de knijpkat levert als je hem rustig en steeds weer inknijpt.

6. Wordt deze Uind groter als je de knijpkat wat sneller herhaaldelijk inknijpt? Spoel en magneet 7. Bekijk de opstelling die hiernaast is weergegeven.

(Deze figuur staat ook in het boek op bladzijde 81). Volgens het boek kan een dergelijke opstelling in de spoel een Uind leveren.

Maak deze opstelling met de spoel met de minste windingen en met de zwakste magneet en gebruik de voltmeter in plaats van de in het boek getekende stroommeter. Laat je opstelling controleren.

8. Beweeg nu de magneet de spoel in en ook weer uit. Wat zie je gebeuren? Dus een spoel en magneet die ten opzichte van el-

kaar bewegen veroorzaken _____________ Vul de zin aan en gebruik eventueel je boek blad-

zijde 81.

9. De grootte van de opgewekte spanning Uind hangt af van 1. de sterkte van de magneet 2. het aantal windingen van de spoel en 3. van de snelheid waarmee de magneet door de spoel wordt bewogen. Onderzoek hoe de opgewekte Uind precies van de drie genoemde grootheden af-

hangt. 10. Wat is een wisselspanning? 11. Hoe zou je met een spoel en een magneet een wisselspanning kunnen maken?

15

Proef b De inductiespanning Uind meten met de computer. Benodigdheden PC, Coach 6, CoachLabII+, staafmagneet (ophangbaar),

spoel, voltmeter, stroomdraden, veer, statief, twee krokodillenklemmetjes, halve fiets.

Doel van het onderzoek Hoe ziet Uind er uit bij een aan een veer trillende magneet in een spoel? Noteer je antwoorden op het bijgeleverde meetblad.

Inleiding 1 Voor je staat onderstaande opstelling.

Controleer of de schakeling overeen komt met de afbeelding. Zijn de ingangen van de spoel verbonden met de interface CoachLabII+?

Wat betekent interface? 2. Staat de spoel in serie met of parallel aan schakelaar S en lampje L? De schakelaar S moet open staan. Controleer dat. 3. Boven de spoel hangt een magneet aan een veer. Deze magneet en veer kunnen

met een bepaalde trillingstijd trillen. Deze trillingstijd is constant. Controleer deze bewering door de T te meten bij 10 trillingen op een bepaald moment en nog eens 10 trillingen een minuutje later.

16

PROEF 4. Zorg er nu voor dat de magneet in rust halverwege de spoel hangt. Geef de mag-

neet een klein duwtje, zodat hij in de spoel op en neer gaat trillen en start de me-ting (Groene knop). Doe eerst een proefmeting en daarna de echte meting. Als je niet weet hoe je de grafiek moet wissen, vraag dat dan aan de TOA of aan de do-cent.

5. Print de gemeten grafiek uit. 6. Bepaal ook uit de grafiek de frequentie van de trilling van de magneet in de spoel. 7. Sluit nu de schakelaar en herhaal de proef. Krijg je hetzelfde resultaat als met een

geopende schakelaar. Beschrijf de verschillen die je opmerkt. Dynamo 8. Sluit de dynamo van de halve fiets

aan op CoachLabII+ zoals in de fi-guur hiernaast. Sluit ook de gele en de zwarte ingang van het pa-neel aan op een voltmeter.

Laat de opstelling controleren. 9. Bij de onderstaande meting is het van belang dat je tegelijk de meting in Coach 6

start en ook op de voltmeter afleest. Draai het wiel met een constant tempo rond. Start de meting. Noteer op het meetblad de spanning van de voltmeter en de maximale spanning volgens Coach. Print deze grafiek vervolgens uit.

17

PROEF C Spanning zien met de oscilloscoop Benodigdheden Spanningskastje (oude type), oscilloscoop met

aansluitkabel, 3 batterijen, drukschakelaar, 5 kΩ weerstand (tegen ruis), stroomdraden.

Doel van het onderzoek: Hoe werkt een oscilloscoop? Hoe bepaal je amplitudo en periode van een wisselspanning met een oscilloscoop? Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. Inleiding In de afgelopen tijden heb je regelmatig spanning gemeten. Toch weet je met een gewone voltmeter niet zeker hoe zo’n spanning er nou precies uitziet als deze in de loop van de tijd verandert. Met een oscilloscoop kun je beter zien hoe een elektrische spanning zich gedraagt als functie van de tijd. In Proef C gaan wij kijken hoe een oscilloscoop werkt. Bij proef c bekijken we hoe we de computer het beste kunnen gebruiken bij het meten van spanning. 1. Op bladzijde 85 van het boek staat voorbeeld 1 Het aflezen van een oscilloscoop.

Lees dit voorbeeld aandachtig. 2. Wat betekent het woord ‘oscilloscoop’ letterlijk? 3. Laat de TOA of de docent controleren of de oscilloscoop in de juiste begininstelling

staat. Dit is belangrijk! PROEF

Spanning meten via de verticale verplaatsing van de stip op het scherm. 1 De opstelling staat al voor je klaar. Zie figuur 1. Figuur 1 Scoop met batterijen en drukknopschakelaar Je had waarschijnlijk zelf al bedacht dat het symbool voor een oscillo-scoop is.

18

Figuur 2

19

Ongeveer midden in het beeld zie je een lichtgroene stip. Achter in de oscilloscoop zit een soort elektronenkanon die de hele tijd elektronen naar het scherm toe schiet. Als de elek-tronen op het scherm botsen licht het scherm op. Zo ontstaat die stip dus. Voordat we met deze stip spanning kunnen meten moeten we de stip netjes op nul (in ‘t midden) zetten. 2. Regel met de knop “Y-pos. II” dat de stip netjes in het midden komt. Met de knop-

pen “intens” en “focus” kun je de felheid en scherpheid regelen. Zet deze op een instelling waarbij de stip niet te fel maar wel scherp in beeld is. Lukt dat niet, roep dan de hulp in van de TOA of de docent.

De batterijen van de stroomkring uit figuur 1 zijn aangesloten op de ingang Ch(annel)II van de oscilloscoop. Er zit nog wel een drukschakelaar tussen. Door de drukknop in te drukken kunnen we de spanning van de drie batterijen (in serie) op de ingang van de oscilloscoop zetten. Doe dat nu. Als de stip te weinig omhoog of omlaag gaat op het scherm kun je dat regelen via de ‘Volt/div’–knop, die bij Ch II hoort. Zet deze bijvoorbeeld op 1 Volt/div. 3. Noteer op het meetblad hoeveel volt de batterijen samen zijn. Laat duidelijk zien

hoe je deze waarde bepaald hebt via het getelde aantal vakjes en de instelling van de “Volt/div”-knop van Ch II. ‘Div’ komt van division en betekent vakje of hokje.

4. Meet ook de spanning van één batterij en van twee batterijen in serie. Pas eventueel de Volt/div aan. Maak daarna de kabel aan de ingang van Ch II los. De Tijdbasis (regelt de horizontale verplaatsing van de stip op het scherm). Draai de Time/div-draaiknop steeds voorzichtig stapje voor stapje!! NB 1 ms = 0,001 s De Tijdbasis is een voorziening in een oscilloscoop die er voor zorgt dat de stip met een bepaalde constante snelheid van links naar rechts over het scherm beweegt. Deze constan-te snelheid kun je instellen met de Time/div-draaiknop. Als je deze draaiknop bijv. op .2 s zet dan doet de stip over één horizontaal hokje 0,2 seconde. Je kunt de tijdbasis aanzet-ten door de knop DUAL in te drukken en de XY-knop uit te zetten. 5. Zet nu de Tijdbasis aan en zet de draaiknop van de Tijdbasis op .2 s/div. Je ziet de

stip nu langzaam van links naar rechts over het scherm bewegen. Bereken de tijd die de stip nu voor één volledige oversteek van het scherm nodig

heeft. Tel daarvoor het aantal hokjes die horizontaal op het scherm staan. 6. Doe hetzelfde maar nu als de draaiknop op .1 s/div staat. Controleer de oversteek-

tijd met de stopwatch. 7. Draai de knop van de tijdbasis nu op 50 ms/div, dan op 20 ms/div en via 10 ms/div

op 5 ms/div en dan helemaal door naar 1 ms/div. Wat valt je op? Probeer dit verschijnsel te verklaren. We hebben nu een tijdas ter beschikking, de zgn tijdbasis. Als je een variatie in een spanning wilt bekijken en je sluit hem aan op ChII zonder tijdbasis dan zou je een ver-ticaal op en neer gaand puntje zien bewegen. Door de tijdbasis aan te zetten wordt deze spanningsvariatie horizontaal als functie van de tijd uitgetekend. Eigenlijk zie je dan dus een grafiek met op de horizontale as de tijd en op de verticale as de span-ning uitgezet.

20

8. Maak nu de schakeling van figuur 3. Figuur 3 Schakeling zonder batterij met nu met een spanningkastje 9. Zorg ervoor dat het spanningkastje aangesloten is op Ch II. Gebruik de wisselspan-

ningstand ( ~ ) van het kastje die een vaste wisselspanning van 6 V levert. Vraag als je het niet begrijpt. Zet de Volt/div-knop van de oscilloscoop op 5 V/div en de draaiknop van de tijdba-

sis op 5 ms/div. Wat zie je op het scherm? Teken deze figuur op het meetblad. 10. Kies nu een andere stand van de draaiknop (time/div) van de tijdbasis, zodat pre-

cies één volledige golf ( ~ ) horizontaal op het scherm past. Noteer op het meetblad op welke stand de time/div knop is ingesteld. Bepaal nu de tijdsduur van deze volledige golf (deze tijdsduur noemen we de perio-

de T) en bereken dan de frequentie f (frequentie = 1 / periode) van de wisselspan-ning uit het kastje.

21

Proef c De computer als meetinstrument (voltmeter). Benodigdheden PC, Coach 6, CoachLabII+, stroomdraden,

lichtsensor, 3,5V lampje met drukschake-laar, 3 batterijen, 3 korte draden.

Inleiding Doel van het onderzoek Wat is een (licht)sensor? Hoe kun je met een lichtsensor en een computer lichtintensiteit meten? Hoe bepaal je uit het licht van een TL buis de frequentie van de wisselspanning van het lichtnet? Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. 1. De lichtsensor is vermoedelijk al verbonden met CoachLabII+. Als dat niet zo is doe

dat dan alsnog. 2. Maak de schakeling van figuur 1. Figuur 1 Houd de lichtsensor bij het lampje en sluit nu de schakelaar S. 3. De lichtsensor zet de grootheid lichtsterkte om in spanning. Controleer nu of de

lichtsensor werkt. Breng het programma Coach6 in de juiste instelling en druk op de groene knop van ’meten’. Open daarna de schakelaar S.

Hoe kun je zien dat de lichtsensor werkt? PROEF 4. In paragraaf 4.8 van je boek op bladzijde 94 staat uitgelegd wat een sensor is en

hoe die werkt. Voor de lichtsensor doen we dat hier nog een keer. In een lichtsen-sor zit een LDR. Dat is een lichtgevoelige weerstand. Als er meer licht op de LDR valt wordt zijn weerstand kleiner. In de lichtsensor zit een schakeling die er voor zorgt dat er aan de uitgang van de sensor een spanning wordt geproduceerd die af-hangt van de verlichtingssterkte.

In de grafiek van figuur 2 (op de volgende bladzijde) zie je de zogenaamde ‘ijkgra-fiek’ van twee lichtsensoren. Hierin is de uitgangsspanning uitgezet tegen de bijbe-horende verlichtingssterkte.

22

Figuur 2 5. Bepaal uit figuur 2 hoeveel V de uitgangsspanning van lichtsensor A verandert als de

verlichtingssterkte 1 lux verandert. Dit getal wordt de gevoeligheid van de lichtsensor genoemd. 6. Doe hetzelfde voor lichtsensor B. 7. Welke lichtsensor is gevoeliger, A of B? Leg je antwoord uit 8. Houd nu de lichtsensor bij het lampje. Het lampje brandt nog niet. Start nu de me-

ting in Coach via de Groene knop en doe een seconde later het lampje aan en even later weer uit. Wat ziet de computer? Teken deze figuur in het meetblad.

9. Vroeger gebruikte men in de scheepvaart de telegraaf. Daarbij moest je de taal

‘Morse’ kennen. In die taal is SOS drie maal kort, drie maal lang en weer drie maal kort. Start weer de meting en maak met drukschakelaar en lampje het SOS signaal. Print je resultaat uit.

Boven je brandt de tl-buis. Sommige mensen kunnen al met hun blote ogen zien dat het licht met een bepaalde frequentie knippert. Ze kijken dan met halfgesloten ogen tussen hun wimpers door. Als je dat niét kunt, dan hebben we gelukkig de beschikking over de lichtsensor en de computer. Die registreren immers precies hoe de lichtintensiteit uit de tl-buis zich in het verloop van de tijd gedraagt. 10. Richt nu de lichtsensor op de tl-buis en kies nu een andere meettijd (bijvoorbeeld

0,10 sec). Vraag als je niet weet hoe dat werkt. Start de meting (Groene knop) en registreer het verloop van de lichtintensiteit uit de tl-buis als functie van de tijd. Print het resultaat uit. Bepaal tenslotte in deze print de frequentie (aantal varia-ties per seconde) van de lichtintensiteit van het licht uit de TL buis.

11. Bij een wisselspanning is de spanning eerst positief en dan negatief. Dan is er een

periode voorbij. Voor de lichtintensiteit betekent dat, dat er tweemaal een maxi-mum is geweest. Bereken nu uit het antwoord op vraag 8 de frequentie van de wis-selspanning van het lichtnet.

23

PROEF D Transformator

Benodigdheden: 3 keer 2 spoelen van 300, 600 en 1200 windingen Een weekijzeren juk waar je de spoelen tegenover elkaar

op kunt schuiven met bijbehorend sluitstuk, een batterij, een wisselspanningsbron, één of twee spanningsmeters voor wisselspanning

Doel van het onderzoek: De werking van een transformator onderzoeken. Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. Inleiding Bekijk een oplader van een telefoon of een adapter van een CoachLabII+. Noteer wat erop staat. Het gaat hierbij vooral om de gegevens bij INPUT en OUTPUT. INPUT: _________________________

OUTPUT: _________________________

Blijkbaar is het mogelijk om de spanning te veranderen. In een oplader of adapter zit een transformator ingebouwd. In deze proef gaan we de werking van een transformator onder-zoeken en we gaan bekijken hoe het hoogspanningsnet in Nederland in elkaar zit. PROEF

1. Schuif de spoel van 300 windingen op de ene kant van het weekijzeren juk. Dit is de primaire spoel. Het aantal windingen geven we aan met een hoofdletter N. We kunnen nu dus schrijven: Np = 300. Schuif de secundaire spoel met Ns = 1200 op de andere kant en plaats het sluitstuk op het juk. Als het goed is heb je nu iets gemaakt wat lijkt op figuur 1. Je hebt nu een model van een trans-formator gemaakt.

Figuur 1 Sluit op de secundaire spoel de demonstratiespanningsmeter aan. Verbind de batte-

rij via een drukschakelaar met de primaire spoel. Druk de schakelaar in en let goed op wat er gebeurt a) tijdens het indrukken

b) als je de schakelaar ingedrukt houdt c) tijdens het loslaten van de schakelaar. 2. Herhaal de proef waarbij je een primaire spoel met een ander aantal windingen

gebruikt. Merk je een verschil met de vorige proef? 3. Denk je dat deze transformator bruikbaar is om de spanning van een gelijkspan-

ningsbron omhoog of omlaag te transformeren? Waarom wel/niet?

24

4. Haal de batterij weg en sluit de wisselspannings-

bron aan op de primaire spoel en sluit ook een spanningsmeter aan zodat je de spanning van de primaire spoel kunt meten. Let er op dat de spanningsmeter op wisselspanning moet staan. Sluit ook een spanningsmeter op de secundaire spoel aan.

Zie schakelschema in figuur 2. Figuur 2 Meet bij verschillende waarden van Np en Ns de primaire spanning Up en de secun-

daire spanning Us. Vul je antwoorden in de tabel op het antwoordblad in. Maakt de primaire spanning niet hoger dan 6,0 V

5. Bereken de verhouding Ns/Np en vul dit in de vijfde kolom van de tabel in. 6. Bereken de verhouding Us/Up en vul dit in, in de laatste kolom van de tabel. 7. Wat valt je op als je de laatste kolommen met elkaar vergelijkt? 8. Welke regelmaat voor een transformator volgt uit deze proef? Als je voldoende tijd over hebt mag je samen met de TOA met behulp van een

transformator een paperclip laten doorbranden. 9. Hoe komt het eigenlijk dat de paperclip doorbrandt?

25

Proef d Hoogspanningsnet Doel van het onderzoek Inzicht krijgen in de opbouw van het hoogspanningsnet in Nederland. Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. Onderzoek Transformatoren worden gebruikt om de spanning die opgewekt wordt in elektriciteitscen-trales naar een hoge spanning te transformeren en in de buurt van de verbruiker weer (in stappen) omlaag te transformeren. In dit onderdeel gaan we uitzoeken hoe het hoogspan-ningsnet in Nederland is opgebouwd. 1. Waarom wordt de spanning eigenlijk naar een hoge spanning getransformeerd? (Het

antwoord op deze vraag is te vinden in de paragraaf die bij deze proef hoort.) 2. Ga na http://nl.wikipedia.org/wiki/Hoogspanningsnet en schrijf op hoe het hoog-

spanningsnet in Nederland is opgebouwd. Ga naar http://www.zuid-west380kv.nl/. Kies op de site: Downloads en klik bij Meer in-formatie op Netkaart Nederland. Bekijk de kaart en zoom in op de omgeving van Lisse. 3. Waar staat het dichtstbijzijnde 380 kV station voor Lisse? 4. Waar staat het dichtstbijzijnde 150 kV station voor Lisse? Open vanaf de W-schijf op het schoolnetwerk het “Kwaliteits- en capaciteitsdocument Elektriciteit”. Op bladzijde 49 van dit document vind je een beschrijving van het 50 kV-deelnet Sassenheim. 5. Welke vijf 50 kV stations worden gevoed vanuit dit station? Ga naar bladzijde 63 van dit document om een legenda van dit kaartje te vinden. 6. a. Wat betekenen de getallen in de rondjes en bij de leidingen? b. Zijn de getekende leidingen in FIGUUR 33 ondergronds of bovengronds? 7. Ga naar de website van het boek http://www.natuurkundeoveral.epn.nl/3v. Ga

naar hoofdstuk 4 en kies dan “Links bij dit hoofdstuk”. Beantwoord de vraag die bij de eerste link wordt gesteld.

http://nl.wikipedia.org/wiki/Hoogspanningsnethttp://www.zuid-west380kv.nl/http://www.natuurkundeoveral.epn.nl/3v

26

27

PROEF E Tonen horen Benodigdheden: stemvorken van verschillende frequenties, aanslaghamer, Liniaal

Inleiding De drie belangrijkste groepen muziekinstrumenten zijn de snaarinstrumen-ten, de blaasinstrumenten en de slaginstrumenten. Bij snaarinstrumenten hoor je geluid omdat een snaar in trilling wordt gebracht. De klank-kast van het instrument versterkt het geluid. Instrumenten met lange, dikke snaren hebben een grote klankkast (cello en contrabas) en instrumenten met korte, dunne snaren hebben een kleine klankkast. Blaasinstrumenten geven geluid omdat de lucht in het instrument in trilling wordt gebracht. Het deel waarin de lucht in trilling wordt gebracht heet de lucht-kolom. Er bestaan instrumenten met een korte luchtkolom (blokfluit) en een lange luchtko-lom (saxofoon, trombone). In het eerste deel van deze proef gaan we onderzoeken wat de grootte van de klankkast te maken heeft met de hoogte van een toon. In het tweede deel gaan we de toonhoogte van de snaren van een gitaar meten. Doel van het onderzoek: Het verband ontdekken tussen de lengte van een klankkast en de trillingstijd van een stemvork. Noteer je antwoorden op het bij deze proef behorende meetblad. 1. Noteer van alle stemvorken die je tot je beschikking hebt de frequentie in de tabel

op het antwoordblad. 2. Bereken bij al deze frequenties de trillingstijd en noteer je antwoorden in de twee-

de kolom van de tabel. 3. Meet van de klankkasten van alle stemvorken de diepte x van de klankkast en no-

teer dit in de derde kolom van de tabel. Hou er rekening mee dat de achterkant van de klankkast ook een bepaalde dikte heeft. Let op de eenheden.

4. Verwerk de metingen in een grafiek waarbij de afstand x uitzet tegen de trillings-

tijd T. (Dit betekent dat je T horizontaal moet zetten en x verticaal.) 5. Bereken de helling van deze grafiek op dezelfde manier zoals je in de wiskundeles

een richtingscoëfficiënt van een lijn berekent. Hou rekening met de verschillende schaalverdelingen op de horizontale en verticale as. Schrijf ook een eenheid bij de helling.

Theoretisch zou de waarde van de helling gelijk moeten zijn aan

van de geluidssnelheid.

6. a. Zoek de geluidssnelheid op in een tabellenboek. b. Bereken de geluidsnelheid uit de helling die je bij 5 hebt berekend. c. Komen de waarden overeen? Hoeveel procent is de afwijking? 7. Welke conclusie kun je nu trekken over de grootte van een klankkast en de frequentie

van de toon?

28

Proef e – Tonen zien

Doel van het onderzoek Het bepalen van de frequenties van de snaren van een gitaar met behulp van de computer. Onderzoek 1. De klankkast van een gitaar heeft een veel ingewikkelder vorm dan de klankkast van

een stemvork. Waarom is dit zo?

De normale stemming van een gitaar is (van laag naar hoog) E, A, d, g, b, e’. (Een Aap Die Geen Bananen Eet). Met de hoofdletters, kleine letters en accent (bij de laatste e) worden de verschillende octaven aangegeven. Voor deze proef is het belangrijk dat de gitaar goed gestemd is. Als je twijfelt of de gitaar goed gestemd is vraag het dan even aan een muzikale leerling in de klas of aan de toa. De A-snaar van de gitaar heeft een frequentie van precies 110 Hz. 2. Sla de A-snaar van de gitaar aan en hou de microfoon bij het klankgat. Neem het

geluid op met behulp van het programma Coach6. Stel het programma zo in dat je duidelijk een aantal trillingen te zien krijgt. Bepaal de trillingstijd van de trilling en controleer of je inderdaad uitkomt op een frequentie van 110 Hz. Vul de trillings-tijd in, in te tabel op het antwoordblad.

3. Herhaal je metingen voor de andere snaren van de gitaar en vul de tabel verder in. Als je een losse snaar aanslaat trilt normaal gesproken de hele snaar. Je kunt ook een deel van de snaar laten trillen door de snaar bij één van de frets in te drukken. 4. Druk de g-snaar op één van de frets zodat nog maar ⅔ van de snaar gaat trillen

(nameten met een liniaal). Op de hoeveelste fret (geteld vanaf de brug) moest je de snaar indrukken? 5. Meet nu weer de trillingstijd van de ingedrukte snaar en bereken weer de frequen-

tie. 6. Hoeveel keer zo groot is de frequentie van de ingedrukt g-snaar in vergelijking met

de losse g-snaar? Kun je een verband ontdekken tussen de trillende lengte en de frequentie?