StemExpert

Fundamental · Werkboek · 15. Energie: vormen en omzettingen
StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me

StemExpert

FFundamental · deel F4 · Energie

Werkboek · hoofdstuk 15Energie: vormen en omzettingen

Wat energie is, in welke vormen ze voorkomt, en waarom er bij elke omzetting 'verlies' is zonder dat er iets verdwijnt

Je begint met energievormen herkennen, ketens aanvullen, eenheden omzetten en het rendement berekenen. Daarna reken je met optillen en voedingsetiketten, teken je Sankey-diagrammen op schaal, onderzoek je stuiterballen en ontmasker je een perpetuum mobile. In de uitdagingen maak je het Sankey-diagram van de meetkas (opdracht 15.14, voor je Habitat-portfolio), bouw je een kettingreactiemachine en debatteer je over energie besparen.

6× oefenen7× toepassen4× uitdagen± 416 min0/17 gedaan

EEnergie WWiskundig modelleren

Zonlicht wordt suiker, warmte en een beetje elektriciteit: de meetkas zit vol energieomzettingen.

Hoe lees je een opdracht?

Drie tredenOefenen Toepassen Uitdagen

Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).

De StemExpert-schaal5

Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.

Oefenen

één stap, direct toepassen

15.1

Welke energievorm?

Oefenen1Begrijpen10 min

gedaan

Welke energievorm zit er vooral in, of is er vooral onderweg?

Vul in.

situatie	energievorm
(a) een gespannen boog, net voor je de pijl loslaat
(b) een trein die aan 300 km/h rijdt
(c) een boterham met kaas
(d) water in een stuwmeer hoog in de bergen
(e) het licht van de zon
(f) een kom hete soep
(g) uranium in een kerncentrale
(h) de stroom door de kabel van een waterkoker

15.2

Energieketens aanvullen

Oefenen1Begrijpen12 min

gedaan

Vul de ontbrekende energievormen in. Denk ook aan de warmte die vrijkomt.

a
Zaklamp met batterijen: energie (batterij) $\to$ elektrische energie $\to$ (lampje) en warmte.
b
Windturbine met lamp: energie van de wind $\to$ energie (generator) $\to$ licht en .
c
Kampvuur: energie (hout) $\to$ en licht.
d
Opwindautootje: chemische energie (je spieren) $\to$ energie (opgewonden veer) $\to$ energie (rijdend autootje) $\to$ warmte.
e
Waarom eindigen al deze ketens in warmte?

15.3

Eenheden omzetten

Oefenen1Rekenen10 min

gedaan

Gebruik: 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = 1000 kJ, 1 kcal = 4,184 kJ, 1 kWh = 3,6 MJ.

a
$2500 J =$ kJ
b
$0, 75 MJ =$ kJ
c
$45 kJ =$ J
d
$250 kcal \approx$ kJ
e
$1 kWh =$ kJ
f
$18 MJ =$ kWh

15.4

Van klein naar groot

Oefenen2Begrijpen10 min

gedaan

Zonder rekenmachine: schat en rangschik.

a
Zet in volgorde, van weinig naar veel energie: (A) 1 liter benzine; (B) een appel van 100 g één meter optillen; (C) een volle smartphonebatterij; (D) een snoepreep; (E) je voeding voor één dag; (F) een AA-batterij.
b
Hoeveel keer meer energie zit er ongeveer in een snoepreep dan in een smartphonebatterij?

Hint

Gebruik de energieladder in het handboek.

15.5

Rendement berekenen

Oefenen2Rekenen12 min

gedaan

Bereken wat ontbreekt. Schrijf je berekening in de laatste kolom.

a
Vul de tabel in.
toestel toegevoerd nuttig rendement berekening
(a) elektromotor 200 J 150 J
(b) gloeilamp 60 J 3 J licht
(c) zonnepaneel 1000 J licht 200 J
(d) dieselmotor 500 J 40 %
(e) spieren 90 J 30 %

Hint

Nuttig = rendement × toegevoerd. Toegevoerd = nuttig gedeeld door het rendement.

15.6

Een Sankey-diagram lezen

Oefenen2Analyseren12 min

gedaan

Een STEG-centrale (stoom- en gasturbine) maakt elektriciteit uit aardgas. Het diagram is vereenvoudigd.

Een STEG-centrale: waar gaat de energie van 1000 MJ aardgas naartoe?

a
Hoeveel energie is nuttig? Hoeveel gaat verloren, en waar naartoe?
b
Bereken het rendement van de centrale.
c
Controleer met het diagram de wet van behoud van energie.
d
De warmte in het koelwater is 'verloren', maar niet verdwenen. Waar blijft ze? Kan je er iets nuttigs mee doen?

Toepassen

meerdere stappen, in een context

15.7

Optillen: zwaartekracht maal hoogte

Toepassen2Rekenen15 min

gedaan

Gebruik

E = F_{z} \cdot h

F_{z} = m \cdot g

met

g = 9, 81 N/kg

a
Je zet een boekentas van 6,0 kg op een tafel van 0,80 m. Hoeveel energie is dat?
b
Je zet de twaalf volle plantenbakken van de meetkas (elk 4,0 kg, dus 39 N) van de grond op de plantentafel (30 cm hoog). Hoeveel energie per bak, en voor alle twaalf samen?
c
Een klimmer van 60 kg klimt 12 m op een klimmuur. Hoeveel zwaarte-energie krijgt hij?
d
Hoe hoog kan je een appel van 100 g tillen met 5,0 J?

15.8

Het voedingsetiket

Toepassen3Rekenen20 min

gedaan

Op een mueslireep van 25 g staat: per 100 g: 1850 kJ / 441 kcal. Sam weegt 50 kg. Een verdieping is 3,0 m hoog. Sams spieren zetten ongeveer 25 % van de energie om in beweging.

a
Hoeveel energie zit er in één reep, in kJ?
b
Controleer dat 1850 kJ en 441 kcal hetzelfde zijn.
c
Hoeveel energie is nuttig (beweging) als Sam de hele reep 'opbrandt'?
d
Hoeveel verdiepingen kan Sam daarmee de trap op?
e
Een tiener heeft per dag ongeveer 9 MJ nodig. Welk deel daarvan is één reep?

15.9

Een Sankey-diagram tekenen

Toepassen3Tekenen20 min

gedaan

Een oplaadbare zaklamp met led krijgt uit zijn batterij 1200 J. Daarvan wordt 360 J licht. De rest wordt warmte: in de led en in de kleine elektronische schakeling die de led aanstuurt.

a
Bereken de warmte en het rendement.
b
Teken het Sankey-diagram op schaal: 1 cm = 200 J. Hoe breed wordt elke pijl?
c
Een oude zaklamp met gloeilampje zet maar 5 % om in licht. Hoe breed wordt de lichtpijl bij dezelfde 1200 J?

15.10

De stuiterbal

Toepassen3Analyseren15 min

gedaan

Een leerling filmt een bal die van 150 cm hoogte valt en meet de hoogte na elke botsing.

botsing	0 (loslaten)	1	2	3	4
hoogte (cm)	150	98	64	42	27

a
Bereken het rendement van elke botsing. Wat valt op?
botsing van (cm) naar (cm) rendement
b
Voorspel de hoogte na botsing 5.
c
Een bijna platte tennisbal komt na de eerste botsing maar tot 45 cm. Wat is zijn rendement, en waar gaat de extra energie naartoe?

15.11

Labo: welke bal houdt het meeste energie vast?

Toepassen3Labo45 min

gedaan

Je vergelijkt het rendement van een botsing voor drie ballen: een tennisbal, een pingpongbal en een rubberen stuiterbal. Je laat ze vallen op dezelfde vloer en filmt ze met een smartphone naast een meetlat.

a
Wat verander je, wat meet je, en wat hou je gelijk? Noem minstens drie dingen die je gelijk houdt.
b
Meet elke bal drie keer vanaf 1,00 m.
bal h₁ (cm) h₂ (cm) h₃ (cm) gemiddelde (cm) rendement
c
Welke bal heeft het hoogste rendement? Waar gaat bij de andere ballen de energie naartoe?
d
Waarom film je de bal en kijk je niet gewoon met je ogen? Hoe lees je de hoogte het best af?

Zo wordt dit beoordeeld

Eerlijke proef	Eén variabele (de bal); zelfde valhoogte, zelfde vloer, loslaten zonder duw, zelfde manier van meten.
Metingen	Drie metingen per bal, gemiddelde, rendement in procent.
Verklaring	Energie naar warmte en geluid bij het vervormen; verschil tussen de ballen verklaard.
Meetmethode	Beeld per beeld afspelen, onderkant van de bal aflezen, camera op dezelfde hoogte (parallax, hoofdstuk 3).

15.12

Het eeuwig draaiende wiel

Toepassen3Begrijpen15 min

gedaan

Al sinds de middeleeuwen tekenen uitvinders wielen zoals dit. De gewichten zitten aan scharnierende armen: rechts klappen ze naar buiten, links naar binnen. 'Rechts hangen de gewichten verder van de as, dus trekken ze harder (denk aan de hefboomwet), dus draait het wiel eeuwig', zegt de uitvinder.

Een klassiek ontwerp van een perpetuum mobile.

a
Wat zou dit wiel volgens de wet van behoud van energie moeten doen om eeuwig te draaien, en waarom kan dat niet?
b
Waar klopt de redenering van de uitvinder niet? Tel de gewichten links en rechts.
c
Iemand geeft het wiel een duw. Wat gebeurt er, en waar gaat de energie van de duw naartoe?

Hint

Kijk niet alleen naar hoe ver de gewichten van de as hangen, maar ook naar hoeveel gewichten er links en rechts hangen.

15.13

Waar komt de energie vandaan?

Toepassen3Analyseren15 min

gedaan

Bijna alle energie die we gebruiken, kwam ooit van de zon. Maar niet alles.

a
Volg de energie terug tot de zon: (a) benzine; (b) windenergie; (c) waterkracht uit een stuwdam; (d) je boterham.
b
Noem twee energiebronnen die niet van de zon komen. Waar komt hun energie dan vandaan?

Uitdagen

transfer, open problemen, leerlijnen combineren

15.14

Habitat: van de zon tot de plant

Uitdagen4Habitat40 min

gedaan

Op een zonnige dag in april valt er op het dak van de meetkas (0,72 m²) ongeveer 15 MJ zonlicht (PVGIS, heldere aprildag in Brussel: ongeveer 5,9 kWh per m²). Door de wanden komt er nog licht bij, maar reken alleen met het dak. Gebruik de verdeling uit het handboek: de platen laten 80 % door; van wat binnenkomt, valt de helft op de bladeren; de bladeren slaan 2,5 % van het licht dat erop valt op als suiker.

a
Bereken hoeveel energie door de platen komt, hoeveel op de bladeren valt, en hoeveel suiker-energie de planten maken.
b
Welk percentage van het zonlicht op de kas wordt suiker? Vergelijk met een snoepreep (1 MJ).
c
Teken het Sankey-diagram op schaal (bijvoorbeeld 1 cm = 1,5 MJ).
d
Waar gaat de rest van de energie naartoe? Wat merk je daarvan in de kas?
e
Bedenk twee manieren om een groter deel van het licht in de planten te krijgen, zonder de kas groter te maken.

Zo wordt dit beoordeeld

Berekening	Percentages correct na elkaar toegepast, met eenheden: 12 MJ, 6,0 MJ, 0,15 MJ.
Sankey-diagram	Op schaal, breedte erin = som van de breedtes eruit, labels met waarden.
Verklaring	De rest wordt warmte (en verdamping): de kas warmt op; link met het temperatuurverloop van hoofdstuk 4.
Voorstellen	Concreet en haalbaar, met uitleg waarom het meer licht in de bladeren brengt.

15.15

Debat: als energie nooit verloren gaat, waarom moeten we dan besparen?

Uitdagen3Argumenteren25 min

gedaan

Een klasgenoot zegt: 'De wet van behoud van energie zegt dat energie nooit verloren gaat. Dus is energie besparen onzin: de energie is er toch nog.'

a
Wat klopt er aan die uitspraak, en wat niet?
b
Geef twee andere redenen om energie te besparen, die niets met de wet van behoud te maken hebben.
c
Schrijf in drie zinnen een antwoord aan de klasgenoot.

Zo wordt dit beoordeeld

Natuurkunde	Behoud van energie correct; onderscheid tussen bruikbare energie en verspreide warmte.
Argumenten	Minstens twee redenen buiten de natuurkunde (kosten, CO2, uitputting, afhankelijkheid).
Antwoord	Helder, vriendelijk, overtuigend.

15.16

Ontwerp: een kettingreactiemachine

Uitdagen4Ontwerpen90 min

gedaan

Ontwerp en bouw in een groep een kettingreactiemachine (zoals een 'Rube Goldberg-machine'): een knikker rolt, stoot een domino om, die een hefboom laat kippen, ... en aan het eind gaat er een belletje, een lampje of een vlaggetje omhoog. Gebruik alleen materiaal uit de klas en van thuis.

a
Schets je machine en nummer de stappen.
b
Teken de energieketen: bij elke stap de omzetter en de energievormen. Je machine moet minstens vijf omzettingen hebben en minstens vier verschillende energievormen gebruiken.
c
Waar komt de energie vandaan die de hele machine aandrijft? Waar eindigt ze?
d
Test en verbeter: welke stap faalde het vaakst, en waarom? Wat heb je veranderd?

Zo wordt dit beoordeeld

Werking	De machine loopt minstens twee keer na elkaar zonder hulp van begin tot eind.
Energieketen	Minstens vijf omzettingen en vier vormen, correct benoemd, met de omzetter bij elke stap.
Behoud	Bron en eindbestemming (warmte, geluid) correct; uitleg waarom elke stap opnieuw energie opgeslagen moet hebben (hoogte, veer).
Iteratie	Minstens één verbetering na een test, met reden.

15.17

Onderzoek: warmt water op als je het roert?

Uitdagen4Onderzoeken50 min

gedaan

Joule toonde dat water warmer wordt door erin te roeren. Kan jij dat meten met een mixer of een staafmixer en een thermometer? Het effect is klein, dus je proef moet goed ontworpen zijn.

a
Formuleer een onderzoeksvraag en een hypothese.
b
Welke storende invloeden kunnen de temperatuur ook doen veranderen? Hoe schakel je ze uit? Denk aan de warmte van de motor van de mixer en aan de kamertemperatuur.
c
Beschrijf je proef: wat verander je, wat meet je, wat hou je gelijk, en wat is je controle?
d
Noteer je metingen en formuleer een besluit.
tijd (min) T geroerd (°C) T controle (°C)

Zo wordt dit beoordeeld

Vraag en hypothese	Toetsbaar, met een voorspelling.
Storende invloeden	Motorwarmte, handen, kamertemperatuur en verdamping herkend, met een maatregel.
Controle	Een gelijke hoeveelheid water die niet geroerd wordt, onder dezelfde omstandigheden.
Besluit	Op basis van het verschil met de controle, met een kritische blik op de grootte van het effect.

ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet

Ik kan acht energievormen benoemen en in voorbeelden herkennen.
Ik kan een energieketen opstellen voor een toestel of een situatie, en bij elke omzetting zeggen welke vorm erin gaat en welke eruit komt.
Ik kan de wet van behoud van energie in eigen woorden uitleggen en gebruiken om te verklaren waar 'verloren' energie naartoe gaat.
Ik kan energie uitdrukken in joule, kilojoule en megajoule, kilocalorieën en kilowattuur omzetten, en je hebt een gevoel voor hoe groot die hoeveelheden zijn.
Ik kan berekenen hoeveel energie nodig is om iets op te tillen: $E = F_{z} \cdot h$ .
Ik kan het rendement van een omzetting in procent berekenen en uitleggen wat het betekent.
Ik kan een Sankey-diagram lezen en zelf op schaal tekenen.
Ik kan de energieketen van de zon tot de plant in de meetkas beschrijven en in een Sankey-diagram tonen.

toestel	toegevoerd	nuttig	rendement
(a) elektromotor	200 J	150 J
(b) gloeilamp	60 J	3 J licht
(c) zonnepaneel	1000 J licht	200 J
(d) dieselmotor	500 J		40 %
(e) spieren		90 J	30 %

tijd (min)	T geroerd (°C)	T controle (°C)