6 vwo herhaling materiaalkunde les 8

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

Herhaling Warmte & Materialen

6 vwo SE 4

Wat gaan we deze les doen? 

Vragen over het huiswerk beantwoorden

Herhalen paragraaf 14.7

Start herhaling SE 4: materialen

Werken aan huiswerk

Werken aan huiswerk (af voor 2-3)

Basis: 107, 108, 109, 112, 113, 117, 118, 119, 120, 121 

Van 15.4: 30, 31, 35, 37, 39  

Gevorderden: 107, 108, 109, 112, 119, 120, 121 

Van 15.4: 35, 37, 39  

Expert: 108, 109, 112, 120, 121 

Van 15.4: 37, 39

Herhaling 14.7: tunneling

Tunneling

• In het deeltje in een doosje model zijn de wanden niet ondoordringbaar
• De wanden worden gezien als een energie barrière 

Tunneling

• Het doosje kunt je ook zien als energieput, waar energie aan het deeltje moet worden toegevoegd zodat het kan ontsnappen
  
• Energie barrière = grijze gebied in plaatje = een gebied waarin het opgesloten deeltje kinetische energie verliest aan bijvoorbeeld de elektrische energie doordat het elektrisch veld in de barrière tegengesteld gericht is.

 Hoogte barrière

• Hoogte wand = uittree energie, energie nodig om deeltje vrij te maken. 
  
• Bij een elektron: uittree energie = ionisatie energie

Uittree-energie

Breedte barrière

• Breedte barrière = breedte wanden van het doosje = de uitgebreidheid van het tegenwerkende krachtveld
• De energie barrière neemt sterk af me de afstand tot de kern

voorbeeld Tunnelen

• Een sterk elektrisch veld buiten de energieput trekt aan de elektronen in de put.
• Het energieniveau van de barrière buiten het metaal neemt dan sterk af met de afstand
• He blijkt dat elektronen met onvoldoende energie om uit de punt te ontsnappen, nu door de barrière heen 'tunnelen'. 

Tunnelen

• Als energie barrières van de wanden van het doosje niet oneindig hoog en breed zijn, dringt de waarschijnlijkheidsverdeling een eindje in de wand door. 

Tunnelen

• Afhankelijk van de hoogte en de breedte van de wand is er ook een kleine kans dat je het deeltje buiten het doosje kunt waarnemen.
• De vorm en hoogte van de waarschijnlijkheidsverdeling in en buiten de energie barrière hangt ook af van de energie en de massa van het deeltje

Tunnelen hangt af van:

• Hoogte van de energie barrière: hoe hoger hoe kleiner de kans op tunnelen
• Breedte van de energie barrière: hoe breder hoe kleiner de kans op tunnelen
• Massa van het opgesloten deeltje: hoe groter, hoe kleiner de kans op tunnelen
• De energie van het opgesloten deeltje: hoe kleiner hoe kleiner de kans op tunnelen

Scanning tunneling microscoop

• Er wordt een zeer gedetailleerd beeld gemaakt van  een geleidend oppervlak. 
• Je kan individuele atomen zien
• Uiteinde naald STM is slechts 1 atoom dik
• Met de naald wordt het oppervlak van het materiaal afgetast

Scanning tunneling microscoop

• De naald beweegt op atomaire afstand langs het oppervlak van het preparaat
• voor elektronen in de punt van de naald is het gebied tussen de naald en het oppervlak de barrière waar ze doorheen kunnen tunnelen 

Scanning tunneling microscoop

• Tussen de naald en het oppervlak wordt een elektrische spanning aangelegd waardoor er een klein tunnelstroompje loopt tussen de naald en het oppervlak
• De grootte van de stroomsterkte neemt sterk af als de afstand tussen het naaldje en het oppervlak toeneemt. 

Scanning tunneling microscoop

• Door de stroomsterkte constant te houden blijft de afstand tot het oppervlak gelijk
• steekt het oppervlak uit dan moet het naaldje dus omhoog
• Je krijgt zo een soort hoogtekaart van het geleidend oppervlak en individuele atomen worden nu zichtbaar

Alfaverval

• Alfa verval is een voorbeeld van tunneling
• de sterke kernkracht houdt in de kern protonen en neutronen bij elkaar
• de kracht neemt snel af met de afstand

Alfaverval

• De sterke kernkracht houdt de deeltjes opgesloten en zorgt voor een hoge energie barrière voor alle deeltjes in de kern
• de waarschijnlijkheidsverdeling van 2 protonen en 2 neutronen (= alfadeeltje) in een instabiele atoomkern strekt zich een beetje uit in en buiten de energie barrière

Alfaverval

• Doordat de kernkracht snel afneemt met de afstand tussen de kerndeeltjes, wint buiten de kern de afstotende elektrische kracht tussen de positieve protonen en het positieve alfadeeltje het van de aantrekkende kracht tussen de kerndeeltjes

Alfaverval

• Het alfadeeltje buiten de kern wordt door de afstotende elektrische kracht weggeschoten als het uit de kern is getunneld.

Volgens de klassieke mechanica kan een deeltje alleen over een barrière heenkomen als geldt:

1. E_kin> E_barrière
2. E_kin< E_barrière
3. E_barrière = 0 Joule
4. Dat is niet mogelijk

Hoe vaak kan een deeltje aan de andere kant van een barrière komen terwijl dat volgens de klassieke mechanica niet kan?

1. altijd
2. soms
3. nooit
4. daar kun je geen uitspraak over doen

Wanneer neemt de kans op tunneling van een deeltje af?

1. De energiebarrière is laag
2. De energiebarrière is smal
3. Het deeltje heeft veel kinetische energie
4. Grote massa van het deeltje

Waarop berust werking van een STM niet:

1. de groottte van de debroglie golflengte van de elektronen
2. het golfkarakter van elektronen
3. Het verkleinen van de barrière door het aanleggen van een spanning
4. Het tunnelen van elektronen

Protonen blijven in een atoomkern opgesloten door een hoge energiebarrière veroorzaak door:

1. de zwakke kernkracht
2. de sterke kernkracht
3. de elektromagnetische kracht
4. de zwaartekracht

Herhaling materialen

Volgens de algemene gaswet geldt pV/nT =

1. 0
2. 1
3. 8,3145
4. het getal van avogadro

Wat is het volume van 1 mol gas bij een temperatuur van 0 graden Celsius en standaarddruk (zeeniveau)

1. 1 liter
2. 1 m^3
3. 22 liter
4. 22*10^3 liter

Uitleg

pV/nT = R 

V = RnT/p

R = 8,3145, n = 1 mol, T = 273 K en p = 101, 325 kilo pascal = 101*10^3 Pa

invullen: V = (8,3145* 1*273)/(101*10^3) = 0,022 m^3 = 22 liter

Welke twee grootheden hebben dezelfde eenheid?

1. rek en lengte
2. dwarsdoorsnede en diameter
3. spanning en elasticiteitsmodulus
4. spanning en rek

Een Dyneema vezel ondervindt een spanning van 200 MPa. Bereken de relatieve rek in %.

1. 0,2 %
2. 0,002 %
3. 204 %
4. 2 %

Uitleg

E dynema = zie BINAS of boek

Spanning = 200 MPA

invullen geeft de relatieve rek

E=​(epsilon)​​σ​​

Aan een nylondraad hangt een voorwerp van 5,00 kg. De draad is rond en heeft een diameter van 0,200 mm. Hoe groot is de spanning in de draad?

1. 0,245 Gpa
2. 0,00245 Gpa
3. 1,56 Gpa
4. 156 Gpa

Uitleg

F = mg = 5,00 * 9,81 = 49,05 N

Spanning = F/A

A = Pi * r^2 = 3,14 *10^-8 m^2

invullen: 

spanning = (49,05)/(3,14*10^-8) = 1,56 Gpa

Een aquarium wordt verwarmd door een verwarmingselement, dat 0,50 kWh aan elektrische energie levert. Er zit 20 L water in het aquarium en de temperatuur van het water is 10 °C. Je mag er vanuit gaan dat 1 L water een massa heeft van 1 kg. Wat is de nieuwe temperatuur van het water?

1. 6 graden Celsius
2. 16 graden Celsius
3. 22 graden Celsius
4. 32 graden Celsius

Uitleg

Q = 0,50 kWh = 1,8*10^6 Joule

  c = 4,18*10^3 J/(kg*K) (zie BINAS)

m = 20 kg

invullen geeft delta T  = 22 graden Celsius

dan is de nieuwe temperatuur 10 + 22 = 32 graden Celsius

Q=m⋅c⋅ΔT

Een muur van 2,00 meter bij 3,00 meter, met een dikte van 45,0 cm ondervindt een warmtestroom van 200 W bij een temperatuurverschil van 5,00 graden Celsius tussen de binnen- en de buitenkant van de muur. Van welk materiaal is deze muur gemaakt?

1. Marmer
2. Beton
3. Baksteen
4. Hout

Uitleg

de warmtegeleidingscoëfficiënt wordt gevraagd

P = 200 W

A = 2,00 * 3,00 = 6,00 m^2

Delta T = 5,00 graden Celsius

d = 0,45 m

invullen geeft dat de warmtestroom gelijk is aan 3 W/(m*K)

Zie BINAS: dit is marmer

P=λ⋅A⋅​d​​ΔT​​

Vragen over het huiswerk (af voor 2-3)

Basis: 107, 108, 109, 112, 113, 117, 118, 119, 120, 121 

Van 15.4: 30, 31, 35, 37, 39  

Gevorderden: 107, 108, 109, 112, 119, 120, 121 

Van 15.4: 35, 37, 39  

Expert: 108, 109, 112, 120, 121 

Van 15.4: 37, 39