Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.
1Formules en methoden
Kinematica
Snelheid
v = v0 + a·t
Verplaatsing
s = v0·t + ½·a·t²
Zonder tijd
v² = v0² + 2·a·s
Eenheden
1 m/s = 3,6 km/h
Methode
Noteer wat je weet: v₀, v, a, t en s, met eenheden.
Kies de vergelijking met je drie bekenden en de onbekende.
Kies één positieve richting en geef tegengestelde grootheden een minteken.
Los op en controleer of het antwoord fysisch zinvol is.
Wetten van Newton
Tweede wet
ΣF = m·a
Gewicht
W = m·g
Kinetische wrijving
Ff = μ·N
Op een helling
langs: m·g·sin θ, loodrecht: m·g·cos θ
Methode
Teken een vrijlichaamsschema met elke kracht op het lichaam.
Kies een positieve richting langs de beweging.
Ontbind krachten in componenten langs en loodrecht op de beweging (op een helling: m·g·sin θ langs, m·g·cos θ de helling in).
Pas ΣF = m·a toe langs de beweging; wrijving is μ·N tegen de beweging in.
Kogelbaan
Componenten
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Positie
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Maximale hoogte
H = h + vy²/(2g)
Worpafstand (vlakke grond)
R = v0²·sin 2θ/g
Methode
Ontbind de beginsnelheid in componenten: vx = v₀·cos θ en vy = v₀·sin θ.
De horizontale beweging heeft een constante snelheid; de verticale beweging heeft versnelling −g.
Bepaal de vluchttijd uit de verticale beweging.
Gebruik die tijd in de horizontale beweging om de dracht te vinden.
Arbeid en energie
Kinetische energie
Ek = ½mv²
Potentiële energie
Ep = mgh
Energiebalans
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Wrijvingsarbeid
W = μ·N·d
Vermogen
P = W/t
Impuls en botsingen
Impuls
p = m·v
Behoud
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Volkomen inelastisch
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Stoot
J = F·Δt = m·Δv
Methode
Kies een positieve richting en geef elke snelheid haar teken.
Schrijf de totale impuls vooraf op: Σm·v.
Bij een volkomen inelastische botsing bewegen de lichamen daarna samen; bij een elastische botsing blijft ook de kinetische energie behouden.
Stel de impuls vooraf gelijk aan de impuls achteraf en los op.
Hydrostatische kracht
Druk op diepte
p = ρgh
Kracht op een verticale wand
F = ρg·hc·A
Drukpunt
yp = yc + Ic/(ycA)
Rechthoek
Ic = bH³/12
Continuïteit en Bernoulli
Continuïteit
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Debiet
Q = A·v
Oppervlakte van een cirkel
A = πd²/4
Ideale gaswet
Ideale gaswet
pV = nRT
Gasconstante
R = 8,314 J/(mol·K)
Algemene gaswet
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mol
n = m/M
Temperatuur
T[K] = T[°C] + 273,15
Warmtemotoren en koelmachines
Rendement
η = W/QH = 1 − QC/QH
Carnotrendement
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP van de koelmachine
COPR = QC/W
COP van de warmtepomp
COPHP = QH/W = COPR + 1
Energiebalans
QH = W + QC
Golven, geluid & optica
Golfsnelheid
v = fλ, T = 1/f
Snaar
v = √(T/μ), μ = m/L
Geluidsniveau
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Puntbron
I = P/(4πr²)
Staande golven
snaar of aan beide kanten open buis fn = n·v/(2L); aan één kant gesloten buis fn = n·v/(4L), n oneven
Dopplereffect
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Brekingsindex
n = c/v, λ = λ0/n
Wet van Snellius
n1sin θ1 = n2sin θ2
Kritieke hoek
sin θc = n2/n1
Glasvezel
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lenzen en spiegels
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Dubbele spleet
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Tralie
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Enkele spleet
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Methode
Bepaal het soort opgave: golfsnelheid, geluidsniveau, staande golf, Doppler, breking, lens of spiegel, of interferentie.
Schrijf eerst de formule op: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) of n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
Reken eenheden om: nm, mm en cm naar m, en controleer of hoeken vanaf de normaal worden gemeten.
Controleer tekens en aannemelijkheid: een virtueel beeld heeft dᵢ < 0, een naderende bron klinkt hoger, een aan één kant gesloten buis heeft alleen oneven harmonischen.
2Oefenopgaven
1.KinematicaGemiddeld
Een auto die met 60 km/h rijdt, remt met een constante vertraging van 3,5 m/s² tot hij stilstaat. Hoelang duurt het remmen? Bereken t.
v₀ = 60 km/ha = −3,5 m/s²v = 0
t = s
2.KinematicaMoeilijk
Een bal wordt met 5 m/s recht omhoog gegooid vanaf de rand van een dak 35 m boven de grond. Verwaarloos de luchtweerstand en gebruik g = 9,81 m/s². Hoelang na de worp raakt de bal de grond? Bereken t.
v₀ = 5 m/sh₀ = 35 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Wetten van NewtonGemiddeld
Een blok van 8 kg glijdt een helling af die 35° met de horizontaal maakt. De kinetische wrijvingscoëfficiënt is 0,3. Gebruik g = 9,81 m/s². Bereken de versnelling a van het blok langs de helling.
m = 8 kgθ = 35°μ = 0,3g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Wetten van NewtonMoeilijk
Twee blokken op een horizontale vloer zijn verbonden door een licht horizontaal touw. Een horizontale kracht van 95 N trekt aan het voorste blok van 6 kg; het blok van 2 kg wordt erachter meegesleept. De kinetische wrijvingscoëfficiënt is voor beide blokken 0,2. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind de spankracht T in het verbindingstouw.
m1 = 2 kgm2 = 6 kgF = 95 Nμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.KogelbaanGemiddeld
Een bal wordt onder 20° boven de horizontaal vanaf vlak terrein weggeschoten. Verwaarloos luchtweerstand. Vind de maximale hoogte H die de bal bereikt.
v0 = 18 m/sθ = 20°g = 9,81 m/s²
H = m
6.KogelbaanMoeilijk
Een bal wordt vanaf de grond gegooid met 26 m/s onder 60° boven de horizontaal. Hij landt op weg omlaag op het platte dak van een gebouw van 7 m hoog. Verwaarloos de luchtweerstand en gebruik g = 9,81 m/s². Vind de horizontale afstand x van het lanceerpunt tot het punt waar hij landt.
v₀ = 26 m/sθ = 60°hroof = 7 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Arbeid en energieGemiddeld
Een auto die met 120 km/h over een horizontale weg rijdt, remt hard en slipt met geblokkeerde wielen tot stilstand. De kinetische wrijvingscoëfficiënt tussen banden en weg is 0,7. Vind de remweg d.
v = 120 km/hμ = 0,7g = 9,81 m/s²
d = m
8.Arbeid en energieMoeilijk
Een veer met veerconstante 3000 N/m onderaan een helling van 25° wordt 15 cm ingedrukt tegen een blok van 1 kg en losgelaten. De kinetische wrijvingscoëfficiënt tussen blok en helling is 0,3. Hoe ver d gaat het blok vanaf het loslaatpunt de helling op voordat het stopt? (Verwaarloos de korte afstand waarover de veer duwt, d.w.z. neem wrijving en zwaartekracht over de hele afstand d.)
Een karretje van 4 kg dat met 3 m/s rijdt, botst volkomen elastisch en frontaal op een stilstaand karretje van 2 kg op een wrijvingsloze baan. Bereken de snelheid v′1 van het eerste karretje na de botsing (positief in de oorspronkelijke richting).
m1 = 4 kgm2 = 2 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Impuls en botsingenMoeilijk
Een bal van 0,6 kg raakt een muur met 24 m/s en kaatst recht terug met 20 m/s. Het contact duurt 25 ms. Bereken de grootte van de stoot J die de muur aan de bal geeft.
m = 0,6 kgvin = 24 m/svout = 20 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
11.Hydrostatische krachtGemiddeld
Een verticale rechthoekige schuif van 2 m breed zit in de wand van een tank met water, met de bovenrand 0,5 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Een verticale rechthoekige schuif van 3 m breed zit in de wand van een tank met glycerine, met de bovenrand 1,5 m onder het oppervlak. Vind de resulterende hydrostatische kracht F op de schuif.
Water loopt uit een grote open tank via een scherpgerande opening met een diameter van 30 mm. Het waterniveau wordt op 1,5 m boven de opening gehouden en de afvoercoëfficiënt is 0,65. Vind het debiet Q. Gebruik g = 9,81 m/s².
d = 30 mmh = 1,5 mCd = 0,65g = 9,81 m/s²
Q = L/s
14.Continuïteit en BernoulliMoeilijk
Een horizontale venturimeter (inlaat 200 mm, keel 100 mm) voert water. Een kwik-U-buismanometer tussen de inlaat en de keel toont een niveauverschil van 280 mm. De afvoercoëfficiënt is 0,96. Vind het debiet Q. Gebruik ρ = 1000 kg/m³ voor water, 13 600 kg/m³ voor kwik en g = 9,81 m/s².
Een omkeerbare koelmachine houdt een koelcel op -25 °C door 6 kW warmte te onttrekken, en staat warmte af aan de omgeving op 25 °C. Vind de warmtestroom Q̇H die hij afstaat.
TL = -25 °CTH = 25 °CQ̇L = 6 kW
Q̇H = kW
18.Warmtemotoren en koelmachinesMoeilijk
Een warmtepomp levert 7,5 kW warmte aan een verwarmingssysteem op 22 °C en onttrekt warmte aan een bron op 0 °C. De werkelijke COP is 55% van de Carnot-COP tussen deze temperaturen. Vind het elektrisch vermogen Ẇ dat hij gebruikt.
TH = 22 °CTL = 0 °CηII = 55%Q̇H = 7,5 kW
Ẇ = kW
19.Golven, geluid & opticaGemiddeld
Een bron van 500 Hz beweegt met 20 m/s van een stilstaande waarnemer af. De geluidssnelheid is 343 m/s. Bepaal de frequentie f′ die de waarnemer hoort.
f = 500 Hzv = 343 m/svs = 20 m/s
f′ = Hz
20.Golven, geluid & opticaMoeilijk
Een tralie heeft 1200 lijnen per millimeter. Licht met golflengte 486 nm valt er loodrecht op. Wat is de hoogste orde mmax van heldere maxima die te zien is?
N = 1200 mm⁻¹λ = 486 nm
mmax =
3Oplossingen
1.Kinematica
Antwoord: t = 4,762 s
Beweging met constante versnelling: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² en v² = v₀² + 2·a·s. Kies de formule die de drie bekende grootheden en de gezochte grootheid bevat, en houd de tekens consequent bij één positieve richting.
Eenheden
v₀ = 60/3,6 = 16,67 m/s
Remtijd
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16,67/3,5 = 4,762 s
Antwoord
t = 4,762 s
2.Kinematica
Antwoord: t = 3,229 s
Beweging met constante versnelling: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² en v² = v₀² + 2·a·s. Kies de formule die de drie bekende grootheden en de gezochte grootheid bevat, en houd de tekens consequent bij één positieve richting.
Bewegingsvergelijking
Omhoog is positief en de grond ligt h₀ onder het beginpunt.
−35 = 5·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 5·t − 35 = 0
Los de vierkantsvergelijking op
Alleen de positieve wortel is fysisch zinvol.
t = (5 + √(5² + 2·9,81·35))/9,81 = 3,229 s
Antwoord
t = 3,229 s
3.Wetten van Newton
Antwoord: a = 3,216 m/s²
Tweede wet van Newton: de resulterende kracht op een lichaam is gelijk aan de massa maal de versnelling, ΣF = m·a. Teken een vrijlichaamsschema, kies een positieve richting langs de beweging en tel alle krachten in die richting op: uitgeoefende krachten, de wrijving μ·N tegen de beweging in, en de componenten van de zwaartekracht.
Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.
Met dezelfde μ voor beide blokken valt de wrijving weg: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Kogelbaan
Antwoord: H = 1,932 m
Kogelbaan: zonder luchtweerstand geldt x = vxt en y = h + vyt − ½gt². De twee richtingen zijn onafhankelijk, behalve dat ze dezelfde tijd delen.
Ontbind de beginsnelheid
De horizontale snelheid blijft constant; de verticale beweging heeft een constante versnelling g = 9,81 m/s² omlaag.
vx = v0·cos θ = 18·cos 20° = 16,91 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 20° = 6,156 m/s
Hoogste punt
Bovenaan is de verticale snelheid nul: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 6,156²/(2·9,81) = 1,932 m
Antwoord
H = 1,932 m
6.Kogelbaan
Antwoord: x = 55,32 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Ontbind de beginsnelheid
vx = 13 m/s, vy = 22,52 m/s
Tijd tot de landing op het dak
Grootste wortel: de bal daalt.
7 = 22,52·t − 4,905·t²
t = (22,52 + √(22,52² − 2·9,81·7))/9,81 = 4,255 s
Horizontale afstand
x = vx·t = 13·4,255 = 55,32 m
Antwoord
x = 55,32 m
7.Arbeid en energie
Antwoord: d = 80,9 m
Arbeid-energiestelling: de verandering van kinetische energie is gelijk aan de arbeid van alle krachten. Door zwaartekracht en veren als potentiële energie te schrijven (mgh en ½kx²) wordt dit een balans: beginenergie = eindenergie + energie verloren aan wrijving (μN·d).
Snelheid in basiseenheden
v = 120/3,6 = 33,33 m/s
Energiebalans
½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33,33²/(2·0,7·9,81) = 80,9 m
Antwoord
d = 80,9 m
Een twee keer zo hoge snelheid maakt de remweg vier keer zo lang.
8.Arbeid en energie
Antwoord: d = 4,954 m
Arbeid-energiestelling: de verandering van kinetische energie is gelijk aan de arbeid van alle krachten. Door zwaartekracht en veren als potentiële energie te schrijven (mgh en ½kx²) wordt dit een balans: beginenergie = eindenergie + energie verloren aan wrijving (μN·d).
Veerenergie
x = 15 cm = 0,15 m
½kx² = ½·3000·0,15² = 33,75 J
Energiebalans langs de helling
m·g = 1·9,81 = 9,81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 33,75/(9,81·(0,4226 + 0,3·0,9063)) = 4,954 m
Antwoord
d = 4,954 m
9.Impuls en botsingen
Antwoord: v′1 = 1 m/s
Behoud van impuls: als er tijdens een botsing geen externe kracht werkt, is de totale impuls Σm·v vóór de botsing gelijk aan die erna. Snelheden hebben een richting, dus kies een positieve richting en geef snelheden in de andere richting een minteken. Bij een elastische botsing blijft ook de kinetische energie behouden; bij een volkomen inelastische botsing blijven de lichamen aan elkaar vast zitten.
Elastische botsing met een stilstaand doel
Behoud van impuls en energie samen oplossen geeft deze twee resultaten.
v′1 = (4 − 2)/(4 + 2)·3 = 1 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 2)·3 = 4 m/s
Antwoord
v′1 = 1 m/s
10.Impuls en botsingen
Antwoord: J = 26,4 N·s
Behoud van impuls: als er tijdens een botsing geen externe kracht werkt, is de totale impuls Σm·v vóór de botsing gelijk aan die erna. Snelheden hebben een richting, dus kies een positieve richting en geef snelheden in de andere richting een minteken. Bij een elastische botsing blijft ook de kinetische energie behouden; bij een volkomen inelastische botsing blijven de lichamen aan elkaar vast zitten.
Verandering van de impuls
J = m·Δv = 0,6·(20 + 24) = 26,4 N·s
Antwoord
J = 26,4 N·s
11.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 117,7 kN
Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·yc·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, ycp = yc + Ic/(ycA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.
Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte
yc = d + H/2 = 0,5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·2 = 6 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2·6 = 117,7 kN
Antwoord
F = 117,7 kN
12.Hydrostatische kracht
Antwoord: F = 254,9 kN
Hydrostatische kracht op een vlak oppervlak: F = ρ·g·yc·A. De kracht grijpt aan in het drukpunt, ycp = yc + Ic/(ycA), dat altijd onder het zwaartepunt ligt.
Diepte van het zwaartepunt en oppervlakte
yc = d + H/2 = 1,5 + 2,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Resulterende kracht
F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·2,75·7,5 = 254,9 kN
Antwoord
F = 254,9 kN
13.Continuïteit en Bernoulli
Antwoord: Q = 2,493 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Ideale straalsnelheid
√(2gh) = √(2·9,81·1,5) = 5,425 m/s
Werkelijk debiet
De afvoercoëfficiënt houdt rekening met de contractie van de straal en de wrijving aan de rand.
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Drukverschil uit de manometer
Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,28 = 34610 Pa
Snelheid in de keel
Continuïteit en Bernoulli samen geven de ideale snelheid in de keel.
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Absolute temperaturen
TH = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = -25 + 273,15 = 248,1 K
Warmteverhouding bij een omkeerbaar proces
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 6·298,1/248,1 = 7,209 kW
Antwoord
Q̇H = 7,209 kW
Opgenomen vermogen: Ẇ = 1,209 kW.
18.Warmtemotoren en koelmachines
Antwoord: Ẇ = 1,016 kW
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
Absolute temperaturen
TH = 22 + 273,15 = 295,1 K
TL = 0 + 273,15 = 273,1 K
Carnot-COP en werkelijke COP
COPmax = 295,1/(295,1 − 273,1) = 13,42
COP = 0,55·13,42 = 7,379
Opgenomen vermogen
Ẇ = Q̇H/COP = 7,5/7,379 = 1,016 kW
Antwoord
Ẇ = 1,016 kW
19.Golven, geluid & optica
Antwoord: f′ = 472,5 Hz
Staande golven en het dopplereffect: een snaar die aan beide uiteinden vastzit, of een buis die aan beide uiteinden open is, past hele halve golflengten: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Een buis die aan één kant gesloten is heeft een knoop aan het gesloten einde en een buik aan het open einde: L = nλ/4 met alleen oneven n, fn = n·v/(4L). Als bron of waarnemer langs de verbindingslijn beweegt, is f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): gebruik de bovenste tekens voor beweging naar elkaar toe. Twee golven met bijna gelijke frequentie geven zwevingen met |f₁ − f₂|.
Interferentie en diffractie: licht van twee spleten op afstand d van elkaar bereikt een punt op het scherm met een gangverschil d·sin θ. Heldere franjes verschijnen waar d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Voor een scherm op afstand L ≫ d ligt de m-de heldere franje op y = mλL/d en is de franjeafstand Δy = λL/d. Een tralie met N lijnen per millimeter heeft d = 1/N en scherpe maxima bij d·sin θ = mλ; omdat sin θ ≤ 1, is de hoogste orde het grootste gehele getal m ≤ d/λ. Een enkele spleet met breedte a heeft donkere franjes bij a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …