"Ik hoop dat ik heb geholpen om natuurkunde zichtbaar te maken en te laten zien dat fysica niet een mysterie is maar door gewone mensen kan worden begrepen." -Stephen Hawking

Natuurkunde is precies wat het woord zegt: kennis van de natuur. Daarin bestuderen we materie, beweging en het gedrag van voorwerpen door de ruimte en in de tijd. In het vak natuurkunde leren studenten over energie en kracht.

Er wordt wel eens gedacht dat natuurkunde te moeilijk is om te begrijpen, vooral door de formules en het onderzoeken van wetenschappelijke onderwerpen. Dat is echter zeker niet het geval. Het is een wetenschappelijke discipline die door iedereen gestudeerd kan worden, wat het vroegere kennisniveau ook is.

In Nederland is het vak natuurkunde op havo en vwo een keuzevak bij Natuur & Gezondheid en een verplicht vak bij Natuur & Techniek.

We willen in dit artikel ingaan op het onderwerp energie zoals dat bij het vak natuurkunde wordt onderwezen.

De beste leraren Natuurkunde beschikbaar
1e les gratis!
Sam
5
5 (2 reviews)
Sam
14€
/u
1e les gratis!
Tim
Tim
18€
/u
1e les gratis!
Jwel
5
5 (6 reviews)
Jwel
20€
/u
1e les gratis!
Elise
5
5 (5 reviews)
Elise
20€
/u
1e les gratis!
Zoï
Zoï
17€
/u
1e les gratis!
Carmen
5
5 (1 reviews)
Carmen
18€
/u
1e les gratis!
Joppe
Joppe
20€
/u
1e les gratis!
Jonas
Jonas
30€
/u
1e les gratis!
Sam
5
5 (2 reviews)
Sam
14€
/u
1e les gratis!
Tim
Tim
18€
/u
1e les gratis!
Jwel
5
5 (6 reviews)
Jwel
20€
/u
1e les gratis!
Elise
5
5 (5 reviews)
Elise
20€
/u
1e les gratis!
Zoï
Zoï
17€
/u
1e les gratis!
Carmen
5
5 (1 reviews)
Carmen
18€
/u
1e les gratis!
Joppe
Joppe
20€
/u
1e les gratis!
Jonas
Jonas
30€
/u
1ste les gratis>

Hoe kan Energie Opgeslagen Worden?

magneet en euro munten
Magnetische energie wordt opgeslagen als gelijkwaardige polen dichter bij elkaar worden gehouden | bron: pithonius op Pixabay

Tijdens het bestuderen van het vak natuurkunde wordt ingegaan op verschillende onderwerpen. Een daarvan is energie. Het kan in verschillende delen worden bekeken, en een daarvan is energieopslag

Energie kan op verschillende manieren worden opgeslagen. Het kan niet worden vernietigd of 'gemaakt' maar alleen worden omgezet in een andere vorm.

De zeven voornaamste opslagvormen van energie bekijken we verder in dit gedeelte. We kunnen ze als volgt beschrijven:

  • magnetisch: energie wordt opgeslagen als gelijknamige polen dichter bij elkaar zijn geduwd of wanneer tegengestelde polen verder uit elkaar zijn getrokken. Magnetische energie wordt benut in elektrische motoren
  • thermisch: moleculen in voorwerpen met een hogere temperatuur bewegen sneller dan in koelere objecten. Enkele voorbeelden van deze energiesoort worden gevonden in het menselijke lichaam, in koffie en hete fornuizen.
  • chemische: energie die wordt opgeslagen in chemische verbindingen is waarneembaar in accu's en spieren
  • kinetisch: de energie van een bewegend voorwerp. Enkele voorbeelden: hardlopers, voertuigen
  • elektrostatica: de energie die opgeslagen wordt als elkaar afstotende ladingen dichter bij elkaar zijn gebracht of elkaar aantrekkende ladingen verder uit elkaar zijn gehaald. Dit komt voor in donderwolken
  • elastisch : potentiële energie die opgeslagen wordt als een voorwerp wordt gerekt of in elkaar geduwd
  • zwaartekracht: energie van een voorwerp dat zich op een hoogte bevindt. Voorbeelden: rotsen of vliegtuigen

Energie kan korte of lange tijd in dezelfde toestand blijven, van milliseconden tot duizenden jaren en dan overgaan in een andere soort energie. Dergelijke overgangen kunnen we overal om ons heen zien.

Deze energieoverdracht kan plaatsvinden door vier methoden:

  • mechanische arbeid
  • elektrische arbeid
  • verwarming
  • straling

Het woord 'arbeid' wordt op een wetenschappelijke wijze gebruikt om te zeggen dat energie is overgedragen.

Energie stromingsdiagrammen zijn opgesteld om aan te geven hoe de energie van de ene vorm in de andere is overgegaan. De meestgebruikte diagrammen zijn transfer diagrammen en het Sankey diagram.

sankey diagram van een stoommachine
Een Sankey diagram geeft aan hoe ingaande en uitgaande energiestromen verlopen | bron: Wikimedia Commons

Leerlingen worden in het begin van hun energielessen verteld van energieverlies of dissipatie, waarbij energie verloren gaat en niet volledig wordt benut. Dit vindt voornamelijk plaats door opwarming van de omgeving of het verspreiden van geluidsgolven.

Energie kan ook worden bespaard, en leerlingen kunnen werken aan het analyseren van dit concept van de natuurkunde.

Er wordt ook ingegaan op het berekenen van de kinetische energie die het gevolg is van de snelheid van een voorwerp.

Arbeid, Kracht en Rendement

Energie is een bijzonder belangrijk onderdeel van de fysica vanwege het feit dat er arbeid door verricht kan worden. De snelheid waarmee energie wordt overgedragen heet kracht. De percentage energie die overgedragen kan worden heet rendement.

Er wordt hierop ingegaan tijdens het bestuderen van de eerste hoofdstukken over energie. Definities, voorbeelden en formules betreffende arbeid, kracht en rendement worden geanalyseerd een doorgewerkt.

Arbeid

Als een kracht op een lichaam werkt en beweging veroorzaakt wordt arbeid verricht. Na beëindiging van de arbeid is energie overgedragen van de ene vorm in een andere. Het kan op deze wijze omschreven worden: energie overgedragen = arbeid verricht.

Het verrichte werk en de overgedragen energie kunnen allebei in joules (J) gemeten worden.

Bij het berekenen van de verrichte arbeid zijn twee dingen belangrijk: de grootte van de kracht die op het object werkzaam is en de afstand die het lichaam door de kracht is bewogen. De formule is het volgende: arbeid is kracht maal weg of  W =  F × Δx

De geleverde arbeid wordt in joules (J) gemeten, de kracht wordt in newton (N) gemeten en de afstand x is in dezelfde richting van de kracht en wordt gemeten in meters (m)

Vermogen

Vervolgens wordt door scholieren de formule voor vermogen geanalyseerd. Hoe meer vermogen een voorwerp heeft des te meer energie het per seconde zal overdragen. Het berekenen van vermogen kan worden gedaan met een eenvoudige, gemakkelijk te begrijpen formule:

formule van vermogen

Vermogen wordt in watts (W), verrichte arbeid in joules (J) en tijd in seconden (s) gemeten.

Een watt is equivalent aan een joule per seconde (J/s). Hieruit volgt dat voor elke joule dat per seconde wordt overgedragen, het vermogen met een watt toeneemt.

Rendement

Apparaten zoals televisies, koelkasten en wasmachines zijn zo ontworpen dat ze zo weinig mogelijk energie verbruiken. Dat wil zeggen dat zoveel mogelijk van de ingebrachte energie omgezet moet worden in bruikbare energieopslag.

Rendement wordt bepaald door te meten hoe goed een apparaat is bij het omzetten van deze ingebrachte energie in bruikbare energie. Een efficiënt apparaat verspilt heel weinig energie, en omgekeerd verspilt een inefficiënt apparaat veel.

Er zijn formules om rendement als een decimaal getal kleiner dan 1 of percentage te bepalen. De vergelijkingen zijn als volgt:

η = Enuttig / Everbruikt   en   η = Pnuttig / Pverbruikt

Energie en Verwarming

In dit derde deel van het onderwerp Energie leren studenten verschillende concepten en voeren verschillende experimenten uit. Ten eerste wordt de basis van energieoverdracht door geleiding, convectie en straling uitgelegd. De geleiding door verschillende materialen kan worden bepaald door de tijd te vergelijken die nodig is om er energie door over te brengen.

Geleiders zijn materialen die het mogelijk maken om interne of thermische energie gemakkelijk door te geven. Alle metalen zijn bijzonder goede geleiders.

Isolatoren zijn materialen die een gemakkelijke stroming van energie er doorheen tegenwerken. Een kussen op een eetkamerstoel is een isolator aangezien energie of hitte er in niet snel wordt doorgegeven.

bunsen laboratorium brander
Thermische geleidbaarheid kan worden bepaald met behulp van een Bunsen brander | bron: Ppraaeww op Wikimedia Commons

Thermische Geleiding

Metingen van thermische geleiding bepalen hoe goed een bepaalde stof energie geleidt wanneer het verhit wordt. Er zijn allerlei experimenten om dit met behulp van een bunsenbrander te bepalen. Staafjes van verschillende materialen worden dan verhit. Degene die het snelste de hitte doorgeeft heeft de hoogste thermische geleiding.

De thermische geleiding wordt uitgedrukt in watt per meter per graad Celcius (W/m/°C). Enkele voorbeelden: koper heeft een thermische geleidingswaarde van 385, glas van 0.17 en baksteen 0.15.

Energiebehoefte

De mens, alle dieren en alle menselijke apparatuur dragen energie over. De overgedragen energie wordt meestal geleverd door elektriciteit dat uit andere energiebronnen wordt voortgebracht. Er zijn zowel duurzame als niet-duurzame energiebronnen.

Bijna alle processen hebben energie nodig. Er zijn verschillende soorten energiebronnen op onze planeet. Enkele daarvan zijn fossiele brandstof, kernenergie, zonne-energie, bio-energie, windenergie, waterkracht en geothermische energie.

groot oppervlak met zonnepanelen
| bron: Piqsels

Energie is op allerlei plaatsen voor veel verschillende doeleinden nodig:

  • thuis: vooral om eten te bereiden en voor verwarming
  • openbare plaatsen: in ziekenhuizen, scholen en openbare gebouwen om werktuigen te laten functioneren en ruimten te verwarmen of af te koelen.
  • industrieën en fabrieken: om zware machinerieën en lopende banden aan te drijven
  • transportsystemen: auto's bussen en vrachtauto's hebben een energiebron nodig. Treinen en sommige bussen zijn verbonden met een elektriciteitsbron

Studenten analyseren tijdens de les waar de meeste energiebronnen voor nodig zijn, hoe dat schade aan het milieu kan toebrengen en welke patronen en trends er zijn in energieconsumptie.

Kom meer te weten over het atoom.

De definitie en voorbeelden van hernieuwbare en niet-hernieuwbare energiebronnen wordt uitgelegd. Het kan soms gemakkelijk zijn als hierbij een wiskunde of een natuurkunde leraar beschikbaar is om dit te overhoren.

Het is belangrijk om te beseffen dat niet-hernieuwbare energiebronnen de aarde meer schade toebrengen dan de hernieuwbare bronnen. De volgende tabel geeft de kenmerken aan van enkele van de meest voorkomende hernieuwbare energiebronnen die tegenwoordig worden benut:

EnergiebronEnergieopslagToepassingInvloed op het milieu
geothermischthermische energieenergieopwekking
verwarming
weinig
waterkrachtpotentiele energieelectriciteitsopwekkingmens en dier in de omgeving ondervinden hinder bij overerstromingen
zonkernenergieelectriciteitsopwekking
verwarming
zonnepanelen geven weinig milieuhinder
windkinetische energieelectriciteitsopwekkinghinder vanwege geluid en verstoring van het uitzicht door molenwieken
Heb je een leraar Natuurkunde nodig?

Vond je dit artikel leuk?

5,00/5 - 1 waardering(en)
Laden...

Joep