Denkvragen en oefeningen fysica 1
1. Een vriend beweert dat wetenschap niet betrouwbaar is omdat
wetenschappelijke ideeën continu veranderen. Wat kan je zeggen om dit
argument te counteren?
Wetenschap is gebaseerd op waarneembaar en herhaaldelijk verifieerbaar bewijs.
Wetenschappelijke beweringen moeten worden ondersteund door feiten, niet alleen
door meningen of overtuigingen.
Naarmate wetenschappers meer bewijs verzamelen, verfijnen en actualiseren ze hun
ideeën. Dit betekent niet dat de wetenschap onbetrouwbaar is; het betekent eerder
dat ze voortdurend evolueert en verbetert.
Wetenschappelijke ideeën worden nauwkeurig onderzocht.
Wetenschap is een proces en geen verzameling statische feiten.
2. Waarom is de vraag “welke pizza is lekkerst?” geen wetenschappelijke vraag?
De vraag is gebaseerd op subjectieve meningen en persoonlijke smaak, niet op
observeerbaar en verifieerbaar bewijs.
Om een vraag wetenschappelijk te laten zijn, moet deze beantwoord kunnen worden
door middel van observatie, experimenten en gegevensanalyse.
3. Van een inefficiënte machine wordt gezegd dat ze “energie verspilt”. Betekent
dit dat de energie effectief verloren is?
Wet van behoud van energie: stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of
vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene vorm naar de andere.
Efficiëntie: meet het deel van de ingevoerde energie dat wordt omgezet in de
gewenste vorm van energie.
Wanneer gezegd wordt dat een machine energie “verspilt”, betekent dit dat een deel
van de toegevoerde energie wordt omgezet in vormen die niet nuttig zijn voor het
beoogde doel van de machine.
Energie gaat nooit verloren, maar kan worden omgezet in minder nuttige vormen.
Een inefficiënte machine verspilt energie door een groot deel van de ingevoerde
energie om te zetten in vormen die niet bijdragen aan de hoofdfunctie.
Vaak is deze onnuttige energie “warmte”.
4. Iemand wil je een “SuperStuiterbal” verkopen die “hoger stuitert dan je de
hoogte van waar je hem laat vallen”. Koop je hem?
Deze bewering is in strijd met “de wet van behoud van energie”.
Als een bal valt uit een positie zonder beginsnelheid, wordt zijn potentiële energie
aan het begin van zijn traject door de zwaartekracht omgezet in kinetische energie
(bewegingsenergie).
Bij de botsing met de grond wordt een deel van deze kinetische energie omgezet in
vervormingsenergie, waardoor de bal samengedrukt wordt.
Als de bal zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt, zet hij de vervormingsenergie weer
om in kinetische energie, waardoor hij omhoog wordt gestuwd.
Tijdens elke stuit wordt echter een deel van de aanvankelijke energie op ongewenste
manieren afgevoerd, zoals:
- Thermische energie: door wrijving met de lucht en de grond.
- Geluidsenergie: het geluid van de stuitering van de bal.
, - Permanente vervorming: de bal krijgt niet volledig zijn oorspronkelijke vorm terug
na elke stuit.
Als gevolg van deze energieverliezen zal elke opeenvolgende stuit lager zijn dan de
vorige. Het is onmogelijk voor een bal om hoger te stuiteren dan de hoogte waarvan
hij gevallen is, omdat dit het creëren van energie met zich mee zou brengen, wat in
tegenspraak is met de wet van behoud van energie.
5. Bezit het ISS, op een hoogte van 250 km boven de Aarde kinetische energie?
Interactie-energie?
Ja, het internationale ruimtestation (ISS), op een hoogte van 250 km boven de aarde,
bezit kinetische energie en interactie-energie.
- Kinetische energie: Het ISS beweegt constant met een aanzienlijke snelheid rond
de aarde. Omdat kinetische energie de energie van beweging is, bezit het ISS
een aanzienlijke hoeveelheid van deze vorm van energie.
- Interactie-energie: Het ISS staat onder invloed van de zwaartekracht van de
aarde. Deze aantrekkingskracht geeft het interactie-energie, ook wel
gravitationele potentiële energie genoemd.
Dus: het ISS op een hoogte van 250km bezit zowel kinetische energie door zijn
baanbeweging rond de aarde als interactie-energie door zijn positie binnen het
zwaartekrachtsveld van de aarde.
6. Als een auto over een motor beschikte met een efficiëntie van 100%, zou de
motorkap dan warm aanvoelen als de motor draait? Zou die geluid maken? Zou
die trillen? Zou er brandstof zijn die niet verbruikt wordt?
Dit is in principe niet mogelijk aangezien er geen motors bestaan met een efficiëntie
van 100%, maar indien dit echter wel zou bestaan neemt dit een aantal gevolgen met
zich mee:
- Bij 100% efficiëntie betekent dit dat alle energie uit de brandstof of elektrische bron
volledig wordt omgezet in nuttige mechanische energie zonder enige energieverlies.
In een gewone motor wordt een groot deel van de energie verloren als warmte door
wrijving, verbranding en andere inefficiënties. Bij 100% efficiëntie is er geen
warmteverlies, dus er zou geen sprake zijn van hitteproductie.
- De motor zou geen geluid maken aangezien geluid een vorm van energieverlies is
(golfenergie). Bij een volledig efficiënte motor zou er geen energie verloren gaan aan
geluid. De motor zou geruisloos draaien.
- De motor zou niet trillen. Trillingen ontstaat door onbalans, mechanische frictie
(wrijving) of imperfecties in het systeem. In een perfect efficiënte motor zijn er geen
trillingen, omdat alle onderdelen in perfecte harmonie en balans functioneren.
- Er zou geen brandstof ongebruikt blijven. Bij 100% efficiëntie wordt alle brandstof of
energiebron volledig benut en omgezet in mechanische energie. Niets gaat verloren
of blijft achter als residu.
Formule:
, 7. Er is al meerdere malen sprake geweest om voor de veiligheid automobilisten
te verplichten ook overdag de lichten te laten aansteken. Maar is dit een goed
idee naar energiezuinigheid?
Elk extra energieverbruik, hoe klein ook, draagt bij aan een lichte toename van
brandstofverbruik of batterijverbruik bij elektrische voertuigen.
- Brandstofauto’s: Het inschakelen van de lichten belast de dynamo, waardoor de
motor harder moet werken. Dit leidt tot een kleine, maar constante stijging van
brandstofverbruik. Op lange termijn kan dit zorgen voor een iets hogere CO₂-
uitstoot.
- Elektrische auto’s: Voor elektrische voertuigen betekent het gebruik van
verlichting overdag een lichte afname van de batterijcapaciteit, wat de actieradius
kan verminderen, hoewel minimaal.
- LED-dagrijverlichting (DRL) verbruikt aanzienlijk minder energie dan traditionele
verlichting. In moderne auto's is DRL standaard en verbruikt het slechts een
fractie van de energie vergeleken met halogeenlampen.
- Adaptieve verlichting die zich aanpast aan de omstandigheden (donkere tunnels,
regen of mist) is energiezuiniger dan constant ingeschakelde verlichting.
8. Twee leerlingen discussiëren over het ontwerp van een rollercoaster. De ene
zegt dat de volgende helling altijd lager moet zijn dan de vorige. De andere zegt
“Niet waar, zolang alle hellingen maar lager zijn dan de eerste”. Wie heeft
gelijk?
- De tweede leerling heeft gelijk
- Een rollercoaster werkt op basis van potentiële en kinetische energie.
- De rollercoaster wordt in het begin omhooggetrokken naar de hoogste helling
(startpunt). Hier heeft het karretje maximale potentiële energie.
- Tijdens de afdaling wordt deze potentiële energie omgezet in kinetische energie
(snelheid).
- Bij elke volgende helling verliest het karretje wat energie door wrijving en
luchtweerstand.
- Geen enkele helling na de eerste helling kan hoger zijn dan de starthelling.
- Zonder extra aandrijving kan een rollercoaster geen energie ontwikkelen uit
zichzelf (wet van behoud van energie)
- Na de eerste afdaling kan de rollercoaster nog voldoende snelheid hebben om
een tweede of derde helling te beklimmen, zolang deze maar niet hoger is dan de
allereerste.
- Stel, de eerste helling is 50 meter hoog. De tweede helling kan bijvoorbeeld 40
meter hoog zijn en de derde 45 meter. De derde helling is dan hoger dan de
tweede, maar nog steeds lager dan de eerste. Dit is mogelijk omdat het karretje
voldoende snelheid heeft na de afdaling van de tweede helling.
9. De meeste dieren die gebruik maken van gif om te jagen zijn koudbloedig. Hoe
zou het komen dat er zo goed als geen warmbloedige dieren zijn met gifklieren?
Verklaar vanuit energie-standpunt!
- Heeft veel te maken met de energetische kosten die gepaard gaan met het
produceren en onderhouden van gif.
- Warmbloedige dieren (endothermen) hebben een hoger energieverbruik omdat ze
hun lichaamstemperatuur constant moeten houden, ongeacht de
omgevingstemperatuur. Dit vraagt continu veel energie.
- Koudbloedige dieren (ectothermen) verbruiken veel minder energie omdat hun
lichaamstemperatuur afhankelijk is van de omgeving
1. Een vriend beweert dat wetenschap niet betrouwbaar is omdat
wetenschappelijke ideeën continu veranderen. Wat kan je zeggen om dit
argument te counteren?
Wetenschap is gebaseerd op waarneembaar en herhaaldelijk verifieerbaar bewijs.
Wetenschappelijke beweringen moeten worden ondersteund door feiten, niet alleen
door meningen of overtuigingen.
Naarmate wetenschappers meer bewijs verzamelen, verfijnen en actualiseren ze hun
ideeën. Dit betekent niet dat de wetenschap onbetrouwbaar is; het betekent eerder
dat ze voortdurend evolueert en verbetert.
Wetenschappelijke ideeën worden nauwkeurig onderzocht.
Wetenschap is een proces en geen verzameling statische feiten.
2. Waarom is de vraag “welke pizza is lekkerst?” geen wetenschappelijke vraag?
De vraag is gebaseerd op subjectieve meningen en persoonlijke smaak, niet op
observeerbaar en verifieerbaar bewijs.
Om een vraag wetenschappelijk te laten zijn, moet deze beantwoord kunnen worden
door middel van observatie, experimenten en gegevensanalyse.
3. Van een inefficiënte machine wordt gezegd dat ze “energie verspilt”. Betekent
dit dat de energie effectief verloren is?
Wet van behoud van energie: stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of
vernietigd, maar alleen kan worden omgezet van de ene vorm naar de andere.
Efficiëntie: meet het deel van de ingevoerde energie dat wordt omgezet in de
gewenste vorm van energie.
Wanneer gezegd wordt dat een machine energie “verspilt”, betekent dit dat een deel
van de toegevoerde energie wordt omgezet in vormen die niet nuttig zijn voor het
beoogde doel van de machine.
Energie gaat nooit verloren, maar kan worden omgezet in minder nuttige vormen.
Een inefficiënte machine verspilt energie door een groot deel van de ingevoerde
energie om te zetten in vormen die niet bijdragen aan de hoofdfunctie.
Vaak is deze onnuttige energie “warmte”.
4. Iemand wil je een “SuperStuiterbal” verkopen die “hoger stuitert dan je de
hoogte van waar je hem laat vallen”. Koop je hem?
Deze bewering is in strijd met “de wet van behoud van energie”.
Als een bal valt uit een positie zonder beginsnelheid, wordt zijn potentiële energie
aan het begin van zijn traject door de zwaartekracht omgezet in kinetische energie
(bewegingsenergie).
Bij de botsing met de grond wordt een deel van deze kinetische energie omgezet in
vervormingsenergie, waardoor de bal samengedrukt wordt.
Als de bal zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt, zet hij de vervormingsenergie weer
om in kinetische energie, waardoor hij omhoog wordt gestuwd.
Tijdens elke stuit wordt echter een deel van de aanvankelijke energie op ongewenste
manieren afgevoerd, zoals:
- Thermische energie: door wrijving met de lucht en de grond.
- Geluidsenergie: het geluid van de stuitering van de bal.
, - Permanente vervorming: de bal krijgt niet volledig zijn oorspronkelijke vorm terug
na elke stuit.
Als gevolg van deze energieverliezen zal elke opeenvolgende stuit lager zijn dan de
vorige. Het is onmogelijk voor een bal om hoger te stuiteren dan de hoogte waarvan
hij gevallen is, omdat dit het creëren van energie met zich mee zou brengen, wat in
tegenspraak is met de wet van behoud van energie.
5. Bezit het ISS, op een hoogte van 250 km boven de Aarde kinetische energie?
Interactie-energie?
Ja, het internationale ruimtestation (ISS), op een hoogte van 250 km boven de aarde,
bezit kinetische energie en interactie-energie.
- Kinetische energie: Het ISS beweegt constant met een aanzienlijke snelheid rond
de aarde. Omdat kinetische energie de energie van beweging is, bezit het ISS
een aanzienlijke hoeveelheid van deze vorm van energie.
- Interactie-energie: Het ISS staat onder invloed van de zwaartekracht van de
aarde. Deze aantrekkingskracht geeft het interactie-energie, ook wel
gravitationele potentiële energie genoemd.
Dus: het ISS op een hoogte van 250km bezit zowel kinetische energie door zijn
baanbeweging rond de aarde als interactie-energie door zijn positie binnen het
zwaartekrachtsveld van de aarde.
6. Als een auto over een motor beschikte met een efficiëntie van 100%, zou de
motorkap dan warm aanvoelen als de motor draait? Zou die geluid maken? Zou
die trillen? Zou er brandstof zijn die niet verbruikt wordt?
Dit is in principe niet mogelijk aangezien er geen motors bestaan met een efficiëntie
van 100%, maar indien dit echter wel zou bestaan neemt dit een aantal gevolgen met
zich mee:
- Bij 100% efficiëntie betekent dit dat alle energie uit de brandstof of elektrische bron
volledig wordt omgezet in nuttige mechanische energie zonder enige energieverlies.
In een gewone motor wordt een groot deel van de energie verloren als warmte door
wrijving, verbranding en andere inefficiënties. Bij 100% efficiëntie is er geen
warmteverlies, dus er zou geen sprake zijn van hitteproductie.
- De motor zou geen geluid maken aangezien geluid een vorm van energieverlies is
(golfenergie). Bij een volledig efficiënte motor zou er geen energie verloren gaan aan
geluid. De motor zou geruisloos draaien.
- De motor zou niet trillen. Trillingen ontstaat door onbalans, mechanische frictie
(wrijving) of imperfecties in het systeem. In een perfect efficiënte motor zijn er geen
trillingen, omdat alle onderdelen in perfecte harmonie en balans functioneren.
- Er zou geen brandstof ongebruikt blijven. Bij 100% efficiëntie wordt alle brandstof of
energiebron volledig benut en omgezet in mechanische energie. Niets gaat verloren
of blijft achter als residu.
Formule:
, 7. Er is al meerdere malen sprake geweest om voor de veiligheid automobilisten
te verplichten ook overdag de lichten te laten aansteken. Maar is dit een goed
idee naar energiezuinigheid?
Elk extra energieverbruik, hoe klein ook, draagt bij aan een lichte toename van
brandstofverbruik of batterijverbruik bij elektrische voertuigen.
- Brandstofauto’s: Het inschakelen van de lichten belast de dynamo, waardoor de
motor harder moet werken. Dit leidt tot een kleine, maar constante stijging van
brandstofverbruik. Op lange termijn kan dit zorgen voor een iets hogere CO₂-
uitstoot.
- Elektrische auto’s: Voor elektrische voertuigen betekent het gebruik van
verlichting overdag een lichte afname van de batterijcapaciteit, wat de actieradius
kan verminderen, hoewel minimaal.
- LED-dagrijverlichting (DRL) verbruikt aanzienlijk minder energie dan traditionele
verlichting. In moderne auto's is DRL standaard en verbruikt het slechts een
fractie van de energie vergeleken met halogeenlampen.
- Adaptieve verlichting die zich aanpast aan de omstandigheden (donkere tunnels,
regen of mist) is energiezuiniger dan constant ingeschakelde verlichting.
8. Twee leerlingen discussiëren over het ontwerp van een rollercoaster. De ene
zegt dat de volgende helling altijd lager moet zijn dan de vorige. De andere zegt
“Niet waar, zolang alle hellingen maar lager zijn dan de eerste”. Wie heeft
gelijk?
- De tweede leerling heeft gelijk
- Een rollercoaster werkt op basis van potentiële en kinetische energie.
- De rollercoaster wordt in het begin omhooggetrokken naar de hoogste helling
(startpunt). Hier heeft het karretje maximale potentiële energie.
- Tijdens de afdaling wordt deze potentiële energie omgezet in kinetische energie
(snelheid).
- Bij elke volgende helling verliest het karretje wat energie door wrijving en
luchtweerstand.
- Geen enkele helling na de eerste helling kan hoger zijn dan de starthelling.
- Zonder extra aandrijving kan een rollercoaster geen energie ontwikkelen uit
zichzelf (wet van behoud van energie)
- Na de eerste afdaling kan de rollercoaster nog voldoende snelheid hebben om
een tweede of derde helling te beklimmen, zolang deze maar niet hoger is dan de
allereerste.
- Stel, de eerste helling is 50 meter hoog. De tweede helling kan bijvoorbeeld 40
meter hoog zijn en de derde 45 meter. De derde helling is dan hoger dan de
tweede, maar nog steeds lager dan de eerste. Dit is mogelijk omdat het karretje
voldoende snelheid heeft na de afdaling van de tweede helling.
9. De meeste dieren die gebruik maken van gif om te jagen zijn koudbloedig. Hoe
zou het komen dat er zo goed als geen warmbloedige dieren zijn met gifklieren?
Verklaar vanuit energie-standpunt!
- Heeft veel te maken met de energetische kosten die gepaard gaan met het
produceren en onderhouden van gif.
- Warmbloedige dieren (endothermen) hebben een hoger energieverbruik omdat ze
hun lichaamstemperatuur constant moeten houden, ongeacht de
omgevingstemperatuur. Dit vraagt continu veel energie.
- Koudbloedige dieren (ectothermen) verbruiken veel minder energie omdat hun
lichaamstemperatuur afhankelijk is van de omgeving
