Arbeid_Energie_Vermogen_Rendement

• newEditor
• Natuurwetenschappen
• Secundair onderwijs

FYSICA 4 · TWEEDE GRAAD · D (2U)

Arbeid, energie,

vermogen en rendement

Korte instructie (± 20 min) — daarna ga je zelfstandig aan de slag

Innova · Natuurwetenschappen & Sportwetenschappen

LESDOELEN

Wat kan je na deze les?

Energiesoorten

Je herkent en beschrijft kinetische, potentiële en mechanische energie en je kan ze berekenen.

Behoud van energie

Je past de wet van behoud van (mechanische) energie toe op eenvoudige situaties.

Arbeid berekenen

Je berekent arbeid en bepaalt correct het teken (+/-/0) ervan.

Vermogen & rendement

Je berekent vermogen en rendement en interpreteert een kWh-factuur.

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

2

1 · HERHALING

Soorten energie(bronnen)

Een energiebron levert energie — dit ken je al uit de eerste graad:

Chemische energie

opgeslagen in brandstoffen, batterijen, voeding

Stralingsenergie

energie in straling, bv. zonlicht

Kernenergie

afkomstig uit de kern van een atoom

Elektrische energie

beweging van elektrisch geladen deeltjes

Thermische energie

warmte

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

3

1 · NIEUW

Kinetische (bewegings)energie

De energie die een voorwerp met massa bezit door zijn snelheid.

E

kin

=

m . v²

2

m = massa (kg) v = snelheid (m/s) Ekin in joule (J)

Sport-link: hoe sneller een sprinter loopt, hoe sterker Ekin toeneemt — met het kwadraat van de snelheid!

Verdubbel je snelheid →

Ekin x 4

(kwadratisch verband met v)

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

4

1 · NIEUW

Potentiële energie

De energie die een voorwerp bezit door zijn plaats of vervormingstoestand.

Gravitatie-energie

Energie door de plaats van een voorwerp in een (zwaarte)veld — bv. hoogte boven de grond.

Egrav = m . g . h

h = hoogte t.o.v. referentiepeil (m) · g = 9,81 N/kg

Veer- / elastische energie

Energie door vervorming of spanningstoestand — bv. een opgespannen boog of trampoline.

Eveer = ½ . k . Δx²

k = veerconstante (N/m) · Δx = uitrekking/samendrukking (m)

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

5

1 · NIEUW

Mechanische energie & behoud van energie

Emech = Ekin + Epot

Kinetische + potentiële energie = mechanische energie van een voorwerp.

Wet van behoud van (mechanische) energie

In een geïsoleerd systeem blijft de totale energie constant — energie gaat nooit verloren, ze verandert enkel van vorm. Zonder wrijving geldt: Ekin + Epot is op elk moment gelijk.

Ekin,1 + Epot,1

=

Ekin,2 + Epot,2

(begintoestand = eindtoestand)

Energiedissipatie: bij elke energieomzetting gaat een deel om naar onbruikbare (vaak thermische) energie. Etotaal = Enuttig + Eontaard

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

6

2 · NIEUW

Arbeid

W = Fx . Δx

1 N kracht die een voorwerp 1 m verplaatst ⇒ arbeid van 1 J. Enkel de krachtcomponent in de verplaatsingsrichting (Fx) telt mee.

Oppervlaktemethode (universeel)

Geleverde arbeid = oppervlakte onder de rechte in de F(x)-grafiek. Werkt voor constante én niet-constante krachten.

Boven de x-as → positief · Onder de x-as → negatief

+

Positief

kracht(component) en verplaatsing hebben dezelfde zin

–

Negatief

kracht(component) en verplaatsing hebben tegengestelde zin

0

Nul

kracht staat loodrecht op de verplaatsing (bv. Fz bij horizontale beweging)

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

7

Slide titel

Slide tekst

2 · NIEUW

Arbeid en energie zijn verbonden

Arbeid-energietheorema

De verrichte arbeid op een systeem verandert de kinetische energie ervan.

W = ΔEkin = Ekin,eind – Ekin,begin

W > 0 → snelheid neemt toe

W < 0 → snelheid neemt af

Zwaartekracht en potentiële energie

Arbeid van Fz is positief bij vallen, negatief bij stijgen: W = –ΔEpot.

Stappenplan vraagstukken

1

Gegevens markeren & benoemen

2

Gevraagde benoemen

3

Omzetten naar SI-eenheden

4

Basisformule(s) opschrijven

5

Omvormen naar het gevraagde

6

Dimensiecontrole uitvoeren

7

Getallen invullen (2 cijfers) en berekenen

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

8

Een magazijnier duwt een zware kist met een constante horizontale kracht van 185 N over een afstand van 7,50 m.

Bereken de arbeid die de magazijnier op de kist verricht. Geef je antwoord in kJ.

3 · NIEUW

Vermogen

Hoeveel arbeid (of energie-omzetting) een systeem per tijdseenheid levert.

P = W / Δt

P in watt (W) · W in joule (J) · Δt in seconden (s)

Sport-link: vermogen zegt hoe snel je arbeid kan leveren — cruciaal bij sprint, sprong of gewichtheffen.

Kilowattuur (kWh)

kWh is een eenheid van energie, geen vermogen — het is de energie die een toestel van 1000 W in 1 uur levert.

1 kWh = 1 kW · 1 h

= 1·10³ J/s · 3 600 s

= 3,6 · 10⁶ J

Op je energiefactuur staat een prijs per kWh.

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

9

3 · NIEUW

Rendement

De verhouding van nuttige energie tot de totale (ingebrachte) energie — hoe efficiënt gebeurt de omzetting?

η = Enuttig / Ein × 100%

η is een onbenoemd getal (geen eenheid), meestal uitgedrukt in %.

Voorbeeld

Een gloeilamp heeft een rendement van slechts 5%: 95% van de elektrische energie gaat verloren als warmte (ontaarde energie) en maar 5% wordt licht.

Etotaal = Enuttig + Eontaard

E in (toegevoerde energie)

E nuttig

bruikbare

energievorm

E ontaard

verloren,

meestal warmte

Zonder dit verlies zou een eeuwigdurende beweging (perpetuum mobile) mogelijk zijn.

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

10

OVERZICHT

Formuleoverzicht

Ekin

= m . v² / 2

Egrav

= m . g . h

Eveer

= ½ . k . Δx²

Emech

= Ekin + Epot

W

= Fx . Δx

W

= ΔEkin

P

= W / Δt

η

= Enuttig / Ein

Alle grootheden in SI-eenheden: energie & arbeid in joule (J) · vermogen in watt (W) · rendement zonder eenheid (×100 = %)

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

11

NU JIJ

Aan de slag — zelfregulerend werk

Wat doe je?

Werk zelfstandig (of in duo) de oefeningen over arbeid, energie, vermogen en rendement af. Gebruik het stappenplan bij elk vraagstuk.

Werkwijze

Markeer gegevens & gevraagde, herschrijf naar SI-eenheden, kies de juiste formule, reken uit met 2 zinvolle cijfers, controleer de eenheid.

Vastlopen?

Overloop eerst je notities en het formuleoverzicht. Nog vast? Vraag het aan een medeleerling, en pas daarna aan de leerkracht.

Timing

± 25–30 min zelfstandig werk, aansluitend op deze instructie van 20 min.

Fysica 4 | Arbeid, energie, vermogen en rendement

12