Hoofdstuk 2
Beweging
§1 De gemiddelde snelheid §2 Versnelling §3 Het (x,t)-diagram §4 Het (v,t)-diagram §5 De oppervlaktemethode
§1 De gemiddelde snelheid
In dit hoofdstuk gaan we bewegingen bestuderen. Je kan hier denken aan het bewegen van een raket in een baan om de maan of gewoon het fietsen van huis naar school. In deze paragraaf gaan we leren rekenen met de gemiddelde snelheid. We introduceren twee formules waarmee we dit kunnen doen.
De gemiddelde snelheid van een voorwerp kunnen we als volgt berekenen:
$$ v_{gem} = \frac{\Delta x}{\Delta t}$$
|
De x staat voor de positie van een voorwerp. Het Δ-teken staat voor "de toename van". Δx staat dus voor de toename van de positie tijdens de beweging. We noemen dit ook wel de verplaatsing. Δt staat voor de toename van de tijd tijdens de beweging. We noemen dit ook wel de tijdsduur.
Stel dat een voorwerp verplaatst van positie x = 1 meter naar positie x = 5 meter in 8 seconden. We berekenen dan als volgt de snelheid:
$$ \Delta x = x_{eind} - x_{begin} = 5 - 1 = 4 \text{ m} $$ $$ v = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{4}{8} = 0,5 \text{ m/s} $$
Stappenplan: Rekenen met snelheid
|
|
Vraag: Een sprinter rent 100 meter met een snelheid van 10,5 m/s. Bereken na hoeveel seconden de sprinter de finish haalt. Stap 1: Gegevens (G) Schrijf de gegevens uit de vraag op: Δx = 100 m v = 10,5 m/s Δt = ... s Stap 2: Omschrijven (O) Reken de gegevens zoveel mogelijk om in dezelfde eenheden. In dit geval staan alle gegevens al in meters en seconden, dus deze stap kunnen we overslaan. Stap 3: Formule (F) Noteer de formule in de juiste vorm. In dit geval willen we de tijd (Δt) weten: Δt = Δx / v Stap 4: Invullen en Rekenen (IR) Vul de formule in: $$ \Delta t = \frac{100}{10,5} = 9,52 \text{ s} $$Stap 4: Eenheid (E) Noteer de eenheid achter het antwoord. In dat geval is de eenheid s.
|
De SI-eenheid van de snelheid is meter per seconde, maar in het dagelijks leven wordt ook vaak kilometer per uur gebruikt. Het is belangrijk dat je deze eenheden in elkaar om kan schrijven. Stel we willen 80 km/h omrekenen naar m/s. We rekenen dan eerst kilometer per uur om naar meter per uur:
$$ 80 \text{ km/h} = 80 000 \text{ m/h} $$Dan rekenen we meter per uur om naar meter per seconde:
$$ \frac{80 000 \text{ m/h}}{60 \times 60} = 22 \text{ m/s} $$Stel we willen 22 m/s omrekenen naar km/h. We rekenen dan eerst meter per seconde om naar meter per uur:
$$ 22 \text{ m/s} \times 60 \times 60 = 80 000 \text{ m/h} $$Daarna rekenen we om naar kilometer per uur:
$$ 80 000 \text{ m/h} = 80 \text{ km/h} $$We kunnen bij het omschrijven ook gebruik maken van de volgende regel:
|
|
|
Stappenplan: Rekenen met snelheid
|
|
Vraag: Een leerling is aan het hardlopen. Zijn doel is om binnen drie minuten 1,0 kilometer te rennen. De leerling rent 3,0 minuten lang met een snelheid van 18 km/h. Bereken of de leerling zijn doel bereikt heeft. Stap 1: Gegevens (G) Schrijf de gegevens uit de vraag op: Δt = 3,0 min v = 18 km/h Δx = ... m Stap 2: Omschrijven (O) Reken de gegevens zoveel mogelijk om in dezelfde eenheden. In dit geval rekenen we alles om naar meters en seconden. Omdat er 60 seconden in een minuut zitten, vinden we: Δt = 3,0 × 60 = 180 s v = 18 / 3,6 = 5,0 m/s Stap 3: Formule (F) Noteer de formule in de juiste vorm. In dit geval willen we de verplaatsing (Δx) weten: Δx = v × Δt Stap 4: Invullen en Rekenen (IR) Vul de formule in: $$ \Delta x = 5,0 \times 180 = 900 \text{ m} $$Stap 5: Eenheid (E) Denk aan de eenheid achter het antwoord. In dit geval is de eenheid m. Stap 6: Conclusie (C) Schrijf de conclusie op en leg uit hoe je aan deze conclusie komt. 900 m is minder dan 1,0 kilometer, dus de leerling heeft zijn doel niet bereikt.
|
Als een voorwerp geleidelijk versnelt of vertraagt, dan spreken we van een eenparige versnelling. In dit geval kunnen we de gemiddelde snelheid ook als volgt uitrekenen:
$$ v_{gem} = \frac{v_{b}+v_{e}}{2} \;\;\;\; \text{(eenparige versnelling)} $$
|
Stel dat een auto bijvoorbeeld eenparig versnelt van 10 m/s naar 30 m/s, dan is de gemiddelde snelheid gelijk aan:
$$ v_{gem} = \frac{v_b+v_e}{2} = \frac{10+30}{2} = 20 \text{ m/s} $$Let erop dat je als volgt haakjes gebruikt in je rekenmachine:
$$ (10 + 30 )/2 = 20 \;\;\;\;\;\;\; \text{ rekenmachine} $$|
Voorbeeld
|
|
Opdracht: Een auto versnelt gedurende 10 seconden van 20 naar 30 m/s. De versnelling is eenparig. Bereken hoeveel meter de auto heeft afgelegd. Antwoord: Eerst berekenen we de gemiddelde snelheid: $$v_{gem} = \frac{v_{\text{begin}}+v_{\text{eind}}}{2} $$ $$v_{gem} = \frac{20 + 30}{2} = 25 \text{ m/s}$$Met de gemiddelde snelheid kunnen we de afstand uitrekenen. Hiervoor schrijven we eerst de formule in de juist vorm: $$ v_{gem} = \frac{\Delta x}{\Delta t} \;\;\rightarrow \;\; \Delta x = v_{gem} \times \Delta t $$Nu vullen we de formule in: $$\Delta x = v_{gem} \times \Delta t $$ $$\Delta x = 25 \times 10 = 2,5 \times 10^2 \text{ m}$$De auto heeft tijdens de versnelling dus 2,5 × 102 m afgelegd.
|
INSTRUCTIE:
Rekenen met snelheid
INSTRUCTIE:
De gemiddelde snelheid
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§2 Versnelling
In deze paragraaf gaan we leren rekenen met de versnelling.
De versnelling of vertraging (a) van een voorwerp kunnen we als volgt uitrekenen:
$$ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} $$
|
De eenheid van de versnelling is m/s2. Dit betekent het volgende. Stel dat de snelheid van een voorwerp elke seconde 1 meter per seconde toeneemt. We zeggen dan dat de snelheid 1 meter per seconde per seconde toeneemt. De eenheid van de versnelling is dus m/s/s en dit korten we ook wel af tot m/s2.
Δv staat voor de toename van de snelheid. Hier geldt:
| $$ \Delta v = v_{eind} - v_{begin} $$ |
Stel dat de snelheid van een voorwerp eenparig oploopt van 1,0 m/s tot 4,0 m/s in 6,0 seconden. We berekenen de versnelling dan als volgt:
$$ \Delta v = v_{eind} - v_{begin} $$ $$ \Delta v = 4,0 - 1,0 = 3,0 \text{ m/s} $$ $$ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} $$ $$ a = \frac{3,0}{6,0} = 0,50 \text{ m/s}^2 $$We hebben het in dit hoofdstuk gehad over de toename van de snelheid (Δv) en de gemiddelde snelheid (vgem). Bij het beantwoorden van vragen is het belangrijk deze begrippen goed uit elkaar te houden. In het bovenstaande voorbeeld is de toename van de snelheid gelijk aan 4,0 - 1,0 = 3,0 m/s. De gemiddelde snelheid is (1,0 + 4,0)/2 = 2,5 m/s.
|
Stappenplan: Rekenen met versnelling
|
|
Opdracht: Een auto versnelt eenparig van 36 km/h naar 90 km/h en legt tijdens deze versnelling 105 meter af. Bereken de versnelling van de auto. Stap 1: Schrijf de gegevens uit de vraag op en reken ze zoveel mogelijk om in dezelfde eenheden: $$ \Delta x = 105 \text{ m} $$ $$ v_b = 36 \text{ km/h} = \frac{36}{3,6} = 10 \text{ m/s} $$ $$ v_e = 90 \text{ km/h} = \frac{90}{3,6} = 25 \text{ m/s} $$Stap 2: Bereken zo mogelijk vgem en Δv: $$ v_{gem} = \frac{v_b + v_e}{2} = \frac{10 +25}{2} = 17,5 \text{ m/s}$$ $$ \Delta v = v_e-v_b = 25 - 10 = 15 \text{ m/s} $$Stap 3: Schrijf de formules op en geef aan welke gegevens je weet en welk gegeven je wilt weten:
Stap 4: Bedenk welke formule je wilt gebruiken: In dit voorbeeld willen we de versnelling berekenen met de rechter formule, maar we hebben nog niet alle gegevens om dit te kunnen doen. We beginnen daarom met de linker formule. Stap 5: Schrijf de formule zo nodig om en vul hem in: $$ \Delta t = \frac{\Delta x}{v_{gem}} $$ $$ \Delta t = \frac{105}{17,5} = 6,0 \text{ s} $$Stap 6: Gebruik nu de andere formule: $$ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} $$ $$ a= \frac{15}{6,0} = 2,5 \text{ m/s}^2 $$Stap 7: Schrijf de conclusie op en denk aan de eenheid: De versnelling van de auto is 2,5 m/s2 |
INSTRUCTIE:
Versnelling
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§3 Het (x,t)-diagram
Behalve met formules, kunnen we beweging ook beschrijven met grafieken. In deze paragraaf gaan we kijken naar de zogenaamde (x,t)-diagrammen.
Een (x,t)-diagram is een diagram met op de horizontale as de tijd (t) en op de verticale as de positie (x). Hieronder zijn een aantal bewegingen beschreven met behulp van dit type diagram. Links zien we een grafiek die horizontaal loopt. De positie x verandert hier niet in de tijd. Het voorwerp staat hier dus stil. In de tweede afbeelding zien we een voorwerp dat zich geleidelijk verplaatst. Elke seconde wordt er evenveel meter afgelegd. We spreken hier van een constante snelheid of van een eenparige beweging.
In de onderstaande linker afbeelding zien we een grafiek die steeds steiler gaat lopen. We zien dat in de eerste drie seconden slechts 0,5 meter wordt afgelegd en dat in de laatste drie seconden wel 4,5 m wordt afgelegd. Hoe steiler de lijn dus loopt, hoe sneller het voorwerp verplaatst. We hebben hier dus te maken met een versnelling. Rechts zien we een grafiek die steeds minder steil gaat lopen. Hier hebben we dus te maken met een vertraging.
|
Voorbeeld
|
|
Opdracht: In het onderstaande (x,t)-diagram is de beweging van een fietser weergegeven. Beschrijf deze beweging in detail.
Antwoord: In de eerste 10 seconden loopt de grafiek steeds steiler lopen. De fietser ondergaat hier dus een versnelling. In de 7,5 seconden daarna blijft de grafiek even steil. We hebben hier dus te maken met een constante snelheid. In de 7,5 seconden daarna loopt de grafiek steeds minder steil. Hier hebben we dus te maken met een vertraging. In de laatste 5 seconden loopt de grafiek horizontaal. Hier hebben we dus te maken met stilstand.
|
|
Voorbeeld
|
|
Opdracht: In het onderstaande (x,t)-diagram is de beweging van een stuiterbal weergegeven. Beschrijf deze beweging in detail.
Antwoord: In de eerste seconde loopt de grafiek steeds steiler. We hebben hier dus te maken met een versnelling. De stuiterbal gaat hier ook naar beneden. Op tijdstip t = 1,0 s komt de bal tegen de grond aan en gaat daarna omhoog. In de tweede seconde loopt de grafiek steeds minder steil. Hier hebben we dus te maken met een vertraging. De stuiterbal gaat hier ook omhoog. Op tijdstip t = 2,0 s loopt de grafiek een moment horizontaal. Hier staat de stuiterbal dus een moment stil. In de derde seconde hebben we net als in de eerste seconde te maken met een versnelling naar beneden.
|
Met behulp van een (x,t)-diagram kunnen we ook de gemiddelde snelheid uitrekenen. In het onderstaande diagram is de verplaatsing Δx gelijk aan 4,0 meter. De tijdsduur Δt van de beweging is 6,0 seconden. De snelheid is dus gelijk aan:
$$ v_{gem} = \frac{\Delta x}{\Delta t} $$ $$ v_{gem} = \frac{4,0}{6,0} = 0,67 \text{ m/s}$$
INSTRUCTIE:
(x,t)-diagrammen
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
| ||||||||||||||||||||||||||||
|
§4 Het (v,t)-diagram
In deze paragraaf bespreken we de zogenaamde (v,t)-diagrammen. Ook hiermee kunnen we beweging beschrijven.
Een (v,t)-diagram is een diagram met op de horizontale as de tijd (t) en op de verticale as de snelheid (v). Hieronder zijn een aantal voorbeelden afgebeeld. Links zien we een grafiek waarbij de snelheid van een voorwerp de gehele beweging gelijk is aan 0 m/s. Het voorwerp staat in dit geval dus stil. In de tweede afbeelding zien we een voorwerp waarbij de snelheid de gehele tijd 2,0 m/s blijft. Hier hebben we dus te maken met een constante snelheid.
Linksonder zien we een diagram waarbij de snelheid van een voorwerp toeneemt. Er is hier dus sprake van een versnelling. Rechts neemt de snelheid juist af. Hier hebben we dus te maken met een vertraging. Let erop dat een vertraging niet betekent dat het voorwerp achteruit gaat. In dit geval gaat het voorwerp vooruit, maar steeds langzamer!
Zoals je gemerkt hebt, lees je (x,t)- en (v,t)-diagrammen op een heel andere manier af. In de onderstaande afbeelding is dit nog een keer samengevat:
Met een (v,t)-diagram kunnen we ook de gemiddelde versnelling bepalen. In het onderstaande diagram is de toename van de snelheid Δv gelijk aan 4,0 m/s. De tijdsduur Δt van de beweging is 6,0 seconden. De gemiddelde versnelling is dus:
$$ a_{gem} = \frac{\Delta v}{\Delta t} $$ $$ a_{gem} = \frac{4,0}{6,0} = 0,67 \text{ m/s}^2$$
INSTRUCTIE:
(v,t)-diagrammen
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§5 De oppervlaktemethode
In deze paragraaf gaan we een techniek leren waarmee we de verplaatsing kunnen bepalen met behulp van (v,t)-diagrammen. We noemen dit de oppervlaktemethode.
We kunnen met een (v,t)-diagram ook de verplaatsing van een voorwerp bepalen. De oppervlakte onder de (v,t)-grafiek blijkt namelijk gelijk te zijn de verplaatsing (Δx) van het voorwerp. In het linker onderstaande diagram is het oppervlak gelijk aan 6,0 × 3,0 = 18 m. Het voorwerp heeft hier dus 18 meter afgelegd. In het middelste voorbeeld is het oppervlak een driehoek gelijk aan (6,0 × 3,0)/2 = 9,0 m. Dit voorwerp heeft dus 9 meter afgelegd. In de rechter afbeelding bestaat het oppervlak onder de grafiek uit een rechthoek en een driehoek. Het oppervlak geeft een verplaatsing van 2 × 6 + (2 × 6)/2 = 18 m.
Hieronder zien we het (v,t)-diagram van een remmend voertuig. Op tijdstip t = 0 s springt een stoplicht op rood. Zoals je in het diagram kunt zien, duurt het nog 1,0 seconde voordat de bestuurder hierop reageert door op zijn rem te trappen. De reactietijd van de bestuurder is dus 1,0 seconde. Na de reactietijd duurt het in dit voorbeeld nog 3 seconden voordat het voertuig stil staat.
De afstand die het voertuig gedurende de reactietijd aflegt noemen we de reactieafstand. In dit geval is dit 50 × 1 = 50 m. De afstand die het voertuig tijdens het remmen aflegt noemen we de remweg. In dit geval is dat (50 × 3)/2 = 75 m. De reactieafstand en de remweg samen noemen we de stopafstand. In het bovenstaande voorbeeld is de stopafstand gelijk aan 50 + 75 = 125 m.
INSTRUCTIE:
De oppervlaktemethode
INSTRUCTIE:
Examenvraag
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
