Hoofdstuk 1
Basisvaardigheden
§1 Natuurkunde §2 Grootheden en eenheden §3 Volume en massa §4 Volume bepalen §5 Dichtheid §6 Drijven en zinken
§1 Natuurkunde
In dit hoofdstuk ga je de basisvaardigheden leren waarmee je natuurkunde en scheikunde de rest van het jaar goed kan begrijpen. In deze eerste paragraaf bespreken het verschil tussen natuurkunde, scheikunde en biologie.
Welkom bij de wetenschapsschool. Op deze website ga je leren over de wetenschappen genaamd natuurkunde en scheikunde. Het doel van wetenschap is te begrijpen hoe de wereld werkt. Natuurkunde en scheikunde zijn echter niet de enige wetenschappen. Naast de natuurkunde en de scheikunde bestaat o.a. ook de biologie. In de rest van deze paragraaf bespreken we de verschillen.
De scheikunde gaat over stoffen. In dit vak bestuderen we de eigenschappen van deze stoffen en onderzoeken we waar deze stoffen uit opgebouwd zijn. In sommige omstandigheden veranderen stoffen in compleet andere stoffen. Als dit gebeurt, spreken we van een chemische reactie. Tijdens een chemische reactie kan er van alles gebeuren. Stoffen kunnen van kleur veranderen, licht geven of zelfs ontploffen. Hieronder zien we links bijvoorbeeld een wit poeder genaamd kopersulfaat dat blauw wordt als het in contact komt met water. Rechts zien we de verbranding van thermiet dat o.a. gebruikt wordt voor het lassen van tramrails.
(Afbeelding: Benjah-bmm27; PD / CaesiumFluoride; CC BY-SA 3.0)
Natuurkunde gaat over de natuurwetten die in het universum werken. Deze wetten beschrijven hoe materie beweegt onder invloed van verschillende krachten. Twee belangrijke begrippen in de natuurkunde zijn dus beweging en kracht. Bij beweging kan je bijvoorbeeld denken aan het opstijgen van een vliegtuig of het vallen van een steen. Ook de onderwerpen geluid, warmte en licht behoren tot de natuurkunde. Deze fenomenen worden namelijk veroorzaakt door de bewegingen van vele miljarden kleine deeltjes. De bekendste kracht is de zwaartekracht. Andere bekende krachten zijn de elektrische en de magnetische kracht.
Hieronder zijn een aantal natuurkunde onderwerpen afgebeeld. We zien een parachutesprong (zwaartekracht), LED-lampen (licht), bliksem (elektriciteit), een foto genomen met een infraroodcamera (warmte), de trillingen van een gitaarsnaar (geluid) en een magneet waarmee ijzervijlsel wordt aangetrokken (magnetisme).
(Afbeelding: Krzysztof Wilk PD / Gerlos CC BY-SA 2.0 / Tyler Nienhouse CC BY-SA 2.0 / Alex and Jarek Tuszyński CC BY-SA 3.0 / ... / Oguraclutch CC BY-SA 3.0)
Hoewel natuurkunde het woord "natuur" bevat, heeft het weinig te maken met het leven op aarde. Dit onderwerp wordt beschreven door de biologie.
INSTRUCTIEVIDEO:
Natuurkunde en Scheikunde
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§2 Grootheden en eenheden
In deze paragraaf bespreken we het verschil tussen de eigenschappen die we kunnen meten (grootheden) en de maten waarin we deze eigenschappen meten (eenheden).
In de wetenschap beschrijven we de wereld door metingen te verrichten. Alle eigenschappen die we kunnen meten noemen we grootheden. Voorbeelden van grootheden zijn lengte, oppervlakte, volume, tijd, temperatuur en snelheid.
De maten waarin we deze eigenschappen meten worden eenheden genoemd. Voorbeelden van eenheden zijn meter, vierkante meter, kubieke meter, seconde, minuut, graden Celsius en meter per seconde.
Hieronder staan een aantal belangrijke grootheden en eenheden samengevat:
| Grootheden | Eenheden |
| Lengte | meter (m)centimeter (cm) |
| Oppervlakte | vierkante meter (m2)vierkante centimeter (cm2) |
| Volume | kubieke meter (m3)kubieke centimeter (cm3)liter (L) |
| Massa | kilogram (kg)gram (g) |
| Tijd | seconden (s)minuten (min)uren (h) |
| Temperatuur | graden Celsius (oC)kelvin (K) |
| Snelheid | meter per seconde (m/s)kilometer per uur (km/h) |
Een eenheid is gemakkelijk te herkennen doordat we het achter een getal kunnen plaatsen. We zeggen bijvoorbeeld 25 meter, maar niet 25 lengte. Meter is dus een eenheid en lengte niet. Het is verplicht om bij het eindantwoord van een berekening altijd de eenheid te noteren.
INSTRUCTIEVIDEO:
Grootheden en Eenheden
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§3 Volume en massa
In de natuurkunde proberen we de wereld te begrijpen door metingen te doen. Twee van de belangrijkste eigenschappen die we kunnen meten zijn de massa (hoe zwaar iets is) en het volume (hoeveel ruimte iets inneemt). In deze paragraaf bespreken we de verschillende maten waarin deze eigenschappen worden gemeten.
Om de wereld te kunnen beschrijven, is het belangrijk dat we kunnen meten hoe groot voorwerpen zijn. We gebruiken hiervoor de lengte, de oppervlakte en het volume. De lengte meten we meestal in:
|
Voorbeelden
|
|
Vraag: Reken 15 hectometer om naar meter. Antwoord: Van hectometer (hm) naar meter (m) moeten we in de onderstaande afbeelding twee stappen naar rechts doen. We doen dus twee maal keer 10: $$ 15 \times 10 \times 10 = 1500 \text{ m} $$ 
|
|
Voorbeelden
|
|
Vraag: Reken 5 millimeter om naar meter. Antwoord: Van millimeter (mm) naar meter (m) moeten we in de onderstaande afbeelding drie stappen naar links doen. We moeten dus drie maal delen door 10: $$ 5 \;/\; 10 \;/\; 10 \;/\; 10 = 0,005 \text{ m} $$ 
|
De oppervlakte meten we meestal in:
Het volume kunnen we zowel in kubieke meter (m3) als liter (L) meten. Er geldt:
Zoals je in de afbeelding kan zien is 1 L exact hetzelfde is als 1 dm3. Ook geldt dat 1 mL hetzelfde is als 1 cm3.
| $$ 1 \text{ L} = 1 \text{ dm}^3$$ |
| $$ 1 \text{ mL} = 1 \text{ cm}^3$$ |
|
Voorbeelden
|
|
Vraag: Reken 3,5 kubieke decimeter om naar kubieke millimeter. Antwoord: Van kubieke decimeter (dm3) naar kubieke millimeter (mm3) moeten we in de onderstaande afbeelding twee stappen naar rechts doen. We doen dus twee maal keer 1000: $$ 3,5 \times 1000 \times 1000 = 3\; 500\; 000 \text{ mm}^3 $$ 
|
|
Voorbeelden
|
|
Vraag: Een voorwerp heeft een volume van 0,035 milliliter. Geef het volume in kubieke millimeter. Antwoord: Milliliter (mL) is gelijk aan kubieke centimeter (cm3). Er geldt dus: $$ 0,035 \text{ mL} = 0,035 \text{ cm}^3 $$ Dan gaan we van kubieke centimeter (cm3) naar kubieke millimeter (mm3). In dat geval moeten we in de onderstaande afbeelding één stap naar rechts doen. We doen dus één maal keer 1000: $$ 0,035 \times 1000 = 35 \text{ mm}^3 $$ 
|
Om de wereld te kunnen beschrijven, is het ook belangrijk dat we kunnen meten hoe zwaar voorwerpen zijn. Hiervoor wordt het begrip massa gebruikt. In het dagelijks leven wordt voor de massa ook wel het woord "gewicht" gebruikt. Dit is echter onjuist. Voor de massa gebruiken we dezelfde voorvoegsels als bij de lengte:
Normaal gesproken gebruiken we echter alleen de milligram, de gram en de kilogram:
Het is belangrijk om het begrip volume en het begrip massa goed uit elkaar te houden. Het volume beschrijft hoeveel ruimte een voorwerp inneemt. De massa beschrijft hoe zwaar een voorwerp is. In de onderstaande afbeelding wordt het verschil duidelijk. In de rechter afbeelding wordt het verschil duidelijk. We zien een groot stuk piepschuim en een kleine ijzeren kogel. Het stuk piepschuim heeft een groter volume, omdat het meer ruimte inneemt. De kogel heeft een grotere massa, omdat het zwaarder is.
INSTRUCTIEVIDEO:
Volume en Massa
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§4 Het volume bepalen
In deze paragraaf bespreken we twee manieren om het volume van een voorwerp te achterhalen.
Als een voorwerp de vorm heeft van een balk (zie de onderstaande afbeelding), dan kunnen we het volume van dit voorwerp met de volgende formule berekenen:
$$ \text{volume } = \text{ lengte } \times \text{ breedte } \times \text{ hoogte }$$
|
Laten we dit toepassen op de balk die rechts is afgebeeld. We zien een lengte van 5,0 m, een breedte van 2,0 m en een hoogte van 1,5 m. We vinden hiermee:
$$ \text{volume } = \text{ lengte } \times \text{ breedte } \times \text{ hoogte }$$ $$ \text{Volume} = 5,0 \times 2,0 \times 1,5 = 15 \text{ m}^3$$
Als een voorwerp een ingewikkelde vorm heeft, dan kunnen we het volume vaak niet met een formule bepalen. In dat geval gebruiken we een slim experiment genaamd de onderdompelmethode. Stel we willen het volume van een steentje bepalen, dan kunnen we het steentje in een maatcilinder met water doen en kijken hoeveel het water stijgt. In het onderstaande voorbeeld is het water bijvoorbeeld gestegen van 15 mL naar 24 mL. Het water is dus 24 - 15 = 9 mL gestegen en het volume van de steen is dus ook 9 mL.
Merk op dat aan de wanden van de maatcilinder het water iets omhoogtrekt. Dit is hieronder duidelijk te zien. Voor het aflezen van de maatcilinder kijk je altijd naar de stand van de vloeistof in het midden. In dit geval lezen we de maatcilinder af op 21,7 mL (ga dit zelf na!).
(Afbeelding: PRHaney; CC BY-SA 3.0)
INSTRUCTIEVIDEO:
Het volume bepalen
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§5 Dichtheid
In deze paragraaf introduceren we het belangrijke begrip dichtheid. Met de dichtheid kunnen we beschrijven dat sommige stoffen zwaarder zijn dan andere.
Niet alle stoffen zijn even zwaar. Een kubieke centimeter goud is zwaarder dan een kubieke centimeter hout (zie de twee linker onderstaande afbeeldingen) en een kubieke centimeter ijzer is zwaarder dan een kubieke centimeter piepschuim (zie de rechter twee afbeeldingen). We beschrijven deze verschillen met het begrip dichtheid.
Een kubieke centimeter ijzer heeft bijvoorbeeld altijd een massa van 7,8 gram. We zeggen daarom dat de dichtheid van ijzer gelijk is aan 7,8 gram per kubieke centimeter. Dit korten we ook wel af tot 7,8 g/cm3.
De dichtheid van piepschuim is slechts 0,040 g/cm3. De dichtheid van piepschuim is dus inderdaad veel lager dan de dichtheid van ijzer. Als we in het dagelijks leven zeggen dat ijzer "zwaarder" is dan piepschuim, dan bedoelen we dus eigenlijk dat de dichtheid van ijzer groter is dan dat van piepschuim.
We kunnen de dichtheid berekenen met de volgende formule:
$$ \text{dichtheid} = \frac{\text{massa}}{\text{volume}}$$
|
Hieronder zie je een tabel met de dichtheden van een aantal stoffen. Je vindt een uitgebreidere versie van deze tabel terug achter in het boek. Je vindt een uitgebreidere versie van deze tabel in het tabellenboek achter in het boek of op de website.
|
Stof |
Dichtheid (g/cm3) |
|
Koper |
8,96 |
|
IJzer |
7,87 |
|
Lood |
11,35 |
|
aluminium |
2,70 |
|
Kwik |
13,5 |
|
Zilver |
10,50 |
|
Goud |
19,30 |
|
vloeibaar water |
1,00 |
|
IJs |
0,92 |
|
vurenhout |
0,58 |
|
Glas |
2,60 |
|
Lucht |
1,293 kg/m3 |
|
Stappenplan dichtheid
|
|
Vraag: Een leerling vindt een muntstuk met een volume van 1,554 cm3 en een massa van 30 gram. Laat met een berekening zien waar het muntstuk van gemaakt is.
Antwoord: Stap 1: Gegevens (G) Schrijf de gegevens uit de vraag op: massa = 30 g volume = 1,554 cm3 dichtheid = ... g/cm3 Stap 2: Omschrijven (O) Schrijf de gegevens zo nodig om naar gram en kubieke centimeter: In dit geval staan de gegevens al in gram en kubieke centimeter, dus deze stap kunnen we overslaan. Stap 3: Formule (F) Noteer de formule in de juiste vorm: $$ \text{dichtheid} = \frac{\text{massa}}{\text{volume}}$$Stap 4: Invullen en Rekenen (IR) Vul de formule in: $$ \text{dichtheid} = \frac{30}{1,554} = 19,3 \text{ g/cm}^3 $$Stap 5: Eenheid (E) Check of de eenheid achter het antwoord staat. In dit geval g/cm3 Stap 6: Conclusie (C) Zoek in BINAS (of de tabel achter in het boek) op welke stof bij deze dichtheid hoort. Bij 19,3 g/cm3 hoort de stof goud.
|
|
Stappenplan dichtheid
|
|
Vraag: Een metalen blok met een volume van 1,20 kubieke decimeter heeft een massa van 9,44 kg. Bepaal van welk soort metaal het blok gemaakt is. Antwoord: Stap 1: Gegevens (G) Schrijf de gegevens uit de vraag op: massa = 9,44 kg volume = 1,20 dm3 dichtheid = ... g/cm3 Stap 2: Omschrijven (O) Schrijf de gegevens om naar gram en kubieke centimeter: massa = 9,44 kg = 9440 g volume = 1,20 dm3 = 1200 cm3 Stap 3: Formule (F) Noteer de formule in de juiste vorm: $$ \text{dichtheid} = \frac{\text{massa}}{\text{volume}}$$Stap 4: Invullen en Rekenen (IR) Vul de formule in: $$ \text{dichtheid} = \frac{9440}{1200} = 7,87 \text{ g/cm}^3 $$Stap 5: Eenheid (E) Check of de eenheid achter het antwoord staat. In dit geval g/cm3 Stap 6: Conclusie (C) Zoek in BINAS (of de tabel achter in het boek) op welke stof bij deze dichtheid hoort. Bij 7,87 g/cm3 hoort het metaal ijzer.
|
INSTRUCTIEVIDEO:
Dichtheid
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
| ||||||||||||
|
§6 Drijven of zinken
In deze paragraaf gaan we met de dichtheid uitrekenen of voorwerpen drijven of zinken.
Met de dichtheid kunnen we o.a. voorspellen of een voorwerp zal drijven of zinken. Als een voorwerp een grotere dichtheid heeft dan de omringende vloeistof, dan zal het voorwerp zinken. Als het een lagere dichtheid heeft, dan blijft het drijven.
Piepschuim heeft bijvoorbeeld een lagere dichtheid dan water en blijft dus drijven. Dit geldt zelfs als je een gigantisch stuk piepschuim van duizenden kilogram in het water zou leggen (zie de linker afbeelding). Het omgekeerde is waar voor een stukje ijzer. IJzer heeft een grotere dichtheid en als gevolg daarvan zal zelfs het lichtste stukje ijzer zinken (zie de rechter afbeelding).
|
Voorbeeld
|
|
Vraag: Een blikje cola heeft een massa van 384 gram en een volume van 380 cm3. Een blikje cola light heeft een massa van 370 gram en hetzelfde volume. Ga met een berekening na of de blikjes drijven of zinken. Antwoord: Voor het blikje cola geldt: massa = 384 g volume = 380 cm3 De dichtheid berekenen we als volgt: $$ \text{dichtheid} = \frac{\text{massa}}{\text{volume}}$$ $$ \text{dichtheid} = \frac{384}{380} = 1,01 \text{ g/cm}^3 $$Voor het blikje cola-light geldt: massa = 370 g volume = 380 cm3 De dichtheid berekenen we als volgt: $$ \text{dichtheid} = \frac{\text{massa}}{\text{volume}}$$ $$ \text{dichtheid} = \frac{370}{380} = 0,97 \text{ g/cm}^3 $$In BINAS (of de tabel achter in het boek) zien we dat de dichtheid van water gelijk is aan 1,00 g/cm3. Het blikje cola heeft een grotere dichtheid (1,01 g/cm3) en zal dus zinken. Het blikje cola-light heeft een lagere dichtheid (0,97 g/cm3) en zal dus drijven.
|
INSTRUCTIEVIDEO:
Drijven en zinken
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
| BINAS: | |
| 2 | Omrekenen eenheden |
| 3 | Voorvoegsels |
| 15-17 | Dichtheid |