7 minute read
7.1 Natuurkundige vragen
Het Nuon Solar Team heeft met de Nuna meerdere keren de belangrijkste race voor auto’s op zonne-energie gewonnen. Daarvoor deden ze onderzoek aan zonnecellen. Ook het ontwerp van de zonnewagen droeg bij aan de overwinning. Wat is het verschil tussen onderzoeken
en ontwerpen?
Figuur 7.1
Onderzoeksvragen en ontwerpvragen
Natuurkundige vragen kun je verdelen in onderzoeksvragen en ontwerpvragen. Het antwoord op een onderzoeksvraag is nieuwe kennis. Het antwoord op een ontwerpvraag is een nieuw product. Er zijn verschillende manieren om een antwoord op een vraag te vinden. In figuur 7.2 is dit schematisch weergegeven.
achtergrondinformatie opzoeken
onderzoekscyclus
Figuur 7.2
Bij een race met een zonnewagen wil je dat de wagen zo snel mogelijk rijdt. Dat betekent dat de zonnecellen onder allerlei omstandigheden een zo groot mogelijk vermogen moeten leveren. Dat vermogen hangt af van het type zonnecel en het aantal zonnecellen. Hoe groter het oppervlak dat bedekt is met zonnecellen, des te groter is het vermogen. Maar de vorm van het oppervlak heeft invloed op de luchtweerstand. Welk type zonnecel het grootste vermogen levert is een onderzoeksvraag. Welke vorm het oppervlak moet hebben is een ontwerpvraag.
Onderzoeksvraag
Bij een natuurkundig onderzoek stel je een onderzoeksvraag op met daarin de grootheden en/of de natuurkundige principes waarover het onderzoek gaat. ‘Is ijzer zwaarder dan hout?’ is geen goede onderzoeksvraag. ‘Is de dichtheid van ijzer groter dan de dichtheid van hout?’ is wel goed. Door metingen van massa en volume kun je deze onderzoeksvraag beantwoorden. Een goede onderzoeksvraag kun je beantwoorden met behulp van de resultaten van een experiment. Voordat je een experiment gaat bedenken, doe je eerst een literatuurstudie. Daarbij zoek je achtergrondinformatie op over het onderwerp.
Uit ervaring weet je dat een stuk ijzer een grotere massa heeft dan een stuk hout van gelijke grootte. Je verwacht dan dat de dichtheid van ijzer groter is dan de dichtheid van hout. Zo’n verwachting noem je een hypothese. In een onderzoek ga je na of de hypothese juist is of niet.
Voorbeeld 1 Goede onderzoeksvraag
‘Hoeveel energie levert een vierkante meter bedekt met zonnecellen?’ is geen goede onderzoeksvraag. In plaats van ‘energie’ moet je een andere grootheid noemen. a Leg uit welke grootheid leidt tot een goede onderzoeksvraag. b Vul op de stippellijnen grootheden in zodat een goede onderzoeksvraag ontstaat.
Welk verband is er tussen de ...(1)... bedekt met zonnecellen en de ...(2)... van de zonnewagen?
Welk type elektromotor heeft het grootste ...(3)... bij een gemiddelde temperatuur van 30 °C?
Uitwerking a Je moet vermogen als grootheid nemen. Vermogen is de hoeveelheid energie per tijdseenheid. Matig presterende zonnecellen leveren na een langere tijd evenveel energie als goed presterende zonnecellen. b (1) oppervlakte (2) topsnelheid (3) rendement
Door middel van metingen zoek je naar het antwoord op de onderzoeksvraag. Het Nuna-team onderzoekt de eigenschappen van zonnecellen. Het rendement van zonnecellen hangt namelijk af van de temperatuur. Zie figuur 7.3. Bij direct zonlicht presteren monokristallijne zonnecellen beter dan polykristallijne. Polykristallijne zonnecellen presteren beter bij diffuus zonlicht en zijn goedkoper.
250
vermogen (W) 200
150
0
0
Figuur 7.3
monokristallijn
polykristallijn
10 20 30 40 50 60 70 80
temperatuur (˚C )
Ontwerpvraag
In goede ontwerpvragen staan de eisen waaraan een product moet voldoen. Als het product klaar is, kun je nagaan of het product aan elke eis voldoet. ‘Het moet sterk zijn’ is geen goede eis. ‘Het moet een gewicht van 100 N kunnen dragen’ is wel een goede eis. Je weet dan precies wat je moet doen om te controleren of het product voldoet aan de eis.
Bij het ontwerpen houd je rekening met allerlei eisen waaraan een product moet voldoen. Het Nuna-team wil een snelle zonnewagen ontwerpen, maar heeft ook te maken met de regels van de wedstrijd. Dit betekent onder andere dat de afmetingen van de wagen en het oppervlak aan zonnecellen beperkt zijn. Ook bij ontwerpen speelt literatuurstudie vaak een belangrijke rol.
Voorbeeld 2 Goede ontwerpvraag
Twee ontwerpvragen voor de zonnewagen zijn: 1 Welke vorm van de zonnewagen geeft de optimale stroomlijn? 2 Onder welke hoek van inval van het zonlicht halen de zonnecellen op een wedstrijddag gemiddeld het hoogste rendement? Leg met behulp van de foto van de zonnewagen (figuur 7.1) uit welk antwoord belangrijker is.
Uitwerking Uit BINAS tabel 28A volgt dat de vorm van een dolfijn de optimale stroomlijn geeft. Het vermogen van de zonnestraling die op 1 m2 zonnecellen valt is het grootst als de hoek van inval 90° is. In figuur 7.1 is de inval bij de meeste zonnecellen loodrecht. De juiste hoek van inval is dus belangrijker dan de ideale stroomlijn.
Computermodel en schaalmodel
Een zonnewagen krijgt, bij een bepaald vermogen van de zonnecellen, de grootste snelheid als de luchtweerstandskracht zo klein mogelijk is. Je moet dan onderzoek doen naar de vorm van de wagen die de kleinste luchtweerstandskracht oplevert.
Zo’n onderzoek doe je in eerste instantie in een modelstudie. Je gebruikt dan een computermodel of schaalmodel om de werkelijkheid na te bootsen. Dat is veel goedkoper en handiger dan een onderzoek met een echte zonnewagen.
Een computermodel rekent met formules die de verbanden tussen de grootheden beschrijven. Je verandert de waarde van een grootheid en de computer berekent de gevolgen van die verandering. Verander je de vorm van een zonnewagen, dan verander je de frontale oppervlakte en de luchtweerstandscoëfficiënt. De computer berekent dan de gevolgen voor de luchtweerstandskracht bij diverse snelheden. Zie figuur 7.4. Ook in een applet maak je gebruik van een computermodel.
Een schaalmodel is een kopie van de buitenkant van de zonnewagen. Zie figuur 7.5. In een windtunnel onderzoek je hoe het schaalmodel zich bij verschillende snelheden gedraagt. Een schaalmodel kun je vrij snel aanpassen. Hiermee kun je dus snel, veilig en relatief goedkoop allerlei situaties nabootsen.
Figuur 7.4
Figuur 7.5
1 ‘Is ijzer zwaarder dan hout?’ is geen goede onderzoeksvraag. a Beschrijf twee redenen waarom niet. ‘Is de dichtheid van ijzer groter dan de dichtheid van hout?’ is wel een goede onderzoeksvraag. b Beantwoord deze vraag met behulp van een literatuurstudie.
2 Geef van elk van de volgende gebeurtenissen aan of je te maken hebt met een onderzoek of met een ontwerp. a De fabrikant van VR-brillen ontwikkelt een nieuw model. b Bij het CERN in Zwitserland kijken wetenschappers wat er gebeurt wanneer protonen met hoge snelheid tegen elkaar botsen. c Astronauten in het ISS meten de eff ecten van gewichtloosheid op het menselijk lichaam. d Uit testen blijkt dat de luchthaven Schiphol regelmatig de geluidsnorm overschrijdt.
3 Bij de volgende gebeurtenissen is sprake van een modelstudie. Geef telkens aan of het gaat om een modelstudie tijdens een onderzoek of tijdens een ontwerp. a Het prototype van een nieuw zweefvliegtuig wordt getest in een windtunnel. b Een weerman op tv laat zien hoe de regenwolken de komende dag over het land zullen schuiven. c Een nieuw te bouwen wolkenkrabber in Japan moet een zware aardbeving kunnen doorstaan. d Een computersimulatie laat zien hoe het radioactieve materiaal dat vrijkwam bij de kernramp in Fukushima zich verspreidt in de zee.
4 De buienradar in fi guur 7.6 voorspelt waar en wanneer het gaat regenen. Het simpelste model van een buienradar gaat ervan uit dat regenwolken met constante snelheden bewegen. a Welke natuurkundige formule gebruikt dit model om de verplaatsing van regen te berekenen? b Noem twee factoren waarmee het model van een buienradar rekening moet houden om goede voorspellingen te kunnen maken.
Figuur 7.6
5 Lisa en Renske onderzoeken de weerstand van een gloeilamp. Hun onderzoeksvraag luidt: ‘Wat gebeurt er als de spanning over de lamp groter wordt?’ Volgens hun docent is de onderzoeksvraag te onduidelijk. Hij geeft ze als tip dat ze twee grootheden moeten meten om de weerstand van de gloeilamp te kunnen bepalen. Herschrijf de onderzoeksvraag van Lisa en Renske.
6 Bedenk bij de volgende situaties een geschikte onderzoeksvraag en een hypothese. a Aatif wil weten of een VR-bril veel energie gebruikt. b Marsha vraagt zich af waarom je niet te veel apparaten op één stekkerdoos mag aansluiten. c Ralph vermoedt dat de weerstandskracht die een fi etser ondervindt tijdens het fi etsen, afhangt van de grootte van de fi etser.
7 Joey en Mitchel krijgen de opdracht om een vloeistofthermometer van een schaalverdeling te voorzien. De vloeistofthermometer bestaat uit een vloeistofreservoir en een dun buisje waarin de vloeistof kan stromen. Joey zet de thermometer eerst in een bak smeltend ijs. Zie fi guur 7.7a. Als de hoogte van de vloeistof niet meer verandert, zet Mitchel daar een streep op het buisje. Hetzelfde doen ze als de thermometer in een bak met kokend water staat. a Op welk natuurkundig principe is de werking van de thermometer gebaseerd? b Leg uit waarom Joey en Mitchel kiezen voor smeltend ijs en kokend water als meetpunten. De afstand tussen de twee strepen is 15,0 cm. c Bereken de afstand tussen twee maatstreepjes bij een temperatuurverschil van 5 °C. d Is de opdracht die Joey en Mitchel moeten uitvoeren een onderzoek, een ontwerp of een combinatie van beide? Licht je antwoord toe.
a b
