N
N
ATUURKUNDE
ATUURKUNDE
- 5
- 5
VWO
VWO
PROEFWERK
PROEFWERK
H6 +
H6 +
DEEL
DEEL
VAN
VAN
H7 - 11/09
H7 - 11/09
Het proefwerk bestaat uit 4 opgaven met in totaal 34 punten. Gebruik van BINAS en grafische rekenmachine is toegestaan. Licht je beweringen toe.
1. Gasontladingsbuis (4 p)
In een gasontladingsbuis geven gassen licht en krijg je altijd een lijnenspectrum. Eerst wordt een elektron uit de kathode vrijgemaakt. Leg kort, maar natuurkundig duidelijk uit
a) waarom het gas in een gasontladingslamp een lage druk moet hebben
b) wat er met een gasatoom gebeurt als een vrijgemaakt elektron op het atoom botst c) waarom het gas dan licht gaat geven
d) waarom dat licht een lijnenspectrum vormt en geen continu spectrum. 2. Inslag meteoriet (9 p)
Op bijvoorbeeld de Aarde, de Maan en Mars vind je rijtjes van
inslagkraters: kraterketens of catenae. Een meteoriet is waarschijnlijk in de atmosfeer uit elkaar gevallen in verscheidene brokken. Op Mars bekijken we een meteoriet van 150 kg die met een snelheid van 12 kms-1
de atmosfeer binnenvalt op een hoogte van zeg 5,0 km. (Zie BINAS zonnestelsel voor de gravitatieversnelling g op Mars). De meteoriet valt in zeven (voor het gemak gelijke) brokken uiteen.
a) Bereken de totale energie van de meteoriet bij zijn intrede in de Marsatmosfeer. (3p) Stel de baan van de meteoriet is een rechte lijn die een gemiddelde hoek van 35o maakt met de
horizontaal (het plaatselijke Marsoppervlak).
b) Bereken de gemiddelde weglengte van de meteoriet in de atmosfeer.(2p) Heb je bij b) geen antwoord gevonden, neem dan een weglengte van 10 km. Bij inslag heeft elk van de zeven brokken nog een snelheid van 11,0 kms-1.
c) Bereken de gemiddelde atmosferische wrijvingskracht langs de baan van de meteoriet. (4p)
3. Foto-elektrisch effect (14 p)
Figuur 1 toont een schakeling voor onderzoek van het foto-elektrisch effect (A=anode). De kathode K is gemaakt van het metaal rubidium (Rb). Met drie
monochromatische lasers schijnen we op het rubidium: - een rode laser met f = 0,450·1015 Hz
- een groene laser met f = 0,560·1015 Hz
- een blauwe laser met f = 0,640·1015 Hz
Alle lasers zenden per seconde evenveel fotonen uit (hun intensiteiten zijn even groot).
a) Bereken voor alle drie lasers de energie van een foton in eV. (3p) b) Laat m.b.v. een gegeven uit BINAS zien dat het
foto-elektrisch effect optreedt bij de groene en de blauwe laser, maar niet bij de rode.
(2p)
c) Bereken de snelheid waarmee een elektron vrijkomt als het blauwe licht op de
Rb-kathode valt. (4p)
We meten voor de groene en de blauwe laser hoe groot de stroom is als we de spanning UAK
variëren.
Zie hiervoor de rechterzijde van figuur 2 (UAK ≥
0).
d) Verklaar (3p) 1. waarom de blauwe laser een
grotere stroom I oplevert dan de groene als er geen spanning
tussen anode en kathode staat (UAK
= 0 V).
2. waarom bij grote spanning UAK de stroom I bij de groene en de blauwe laser gelijk
is.
Nu willen we er juist voor zorgen dat geen enkele van de vrijgemaakte elektronen de anode bereikt. Daarom gaan we de spanning tussen anode en kathode omkeren: de kathode wordt positief gemaakt, de anode negatief, zodat de
vrijgemaakte elektronen worden afgestoten.
Zie figuur 3 voor de opstelling (+ en – omgedraaid!) en de linkerzijde van figuur 2 (UAK < 0) voor de metingen.
In figuur 2 wordt de remspanning Urem genoemd. Dit is de
(negatieve) spanning tussen anode en kathode die nodig is om geen enkel elektron nog de anode te laten bereiken (I = 0,0 µA).
e) Verklaar waarom de remspanning Urem voor het blauwe licht groter is dan voor het
groene licht. (2p) 4 Veer (7p)
We meten de kracht F die nodig is om het uiteinde van een wasknijper over een bepaalde afstand in te drukken. Het uiteinde van de knijper wordt 9,0 mm ingedrukt, zie grafiek hieronder.
a) Bepaal de arbeid die daarvoor nodig is. (3p) Heb je bij a) geen antwoord gevonden, neem dan 0,18 J.
We leggen nu een gummetje van 20 gram op het uiteinde en laten vervolgens de knijper los. We verwaarlozen wrjving.
b) Bereken de snelheid waarmee het gummetje aanvankelijk omhoog schiet. (2p)
c) Bereken de hoogte die het gummetje na loslaten van de knijper kan bereiken. (2p) (Neem aan dat het gummetje recht
omhoog schiet)
Figuur
UITWERKING proefwerk H7 1 Lamp (4p)
a) Lage druk, zodat vrijgemaakt elektron voldoende snelheid kan maken (1p) b) Atoom neemt energie van elektron op, komt in aangeslagen toestand (1p) c) Terugval naar grondtoestand gaat samen met uitzending fotonen (1p)
d) Bij elke overgang hoort specifieke energie, dus specifieke frequente/kleur/lijn; beperkt aantal overgangen, dus beperkt aantal lijnen (1p)
2 Meteoriet (9 p)
a) E = m( ½ v2 + g h) (1p) = 150 ( 0,5 120002 + 3,7. 5000) = 1,08 . 1010 J (2p)
b) L = h / sin (35o) = 5000/0,574 = 8,71 . 103 m (2p) c) Everloren = Ebegin – Eeind = 1,1 . 1010 J – 7 x ½ 150/7. 110002 = 1,73 . 109 J (2p) Everloren = Fwr . s (1p) Fwr = Everloren / s = 1,73 . 109 J / 8,71 . 103 = 2,0 . 105 N (1p) 3 Fotokathode (14p) a) Ef = h·f = 6,626·10-34·0,45·1015 = 2,98·10-19 J = 1,86 eV (rood) idem: 3,71·10-19 J = 2,32 eV (groen) idem: 4,24·10-19 J = 2,65 eV (blauw)
gebruik E = h·f voor energie in J, met h juist (1p) omrekenen naar eV (1p) drie juiste antwoorden (1p) b) BINAS 24: Wu, Rb = 2,13 eV (1p)
dus Ef is bij groen en blauw groter dan Wu, bij rood kleiner (1p)
c) Ek = Ef – Wu = 2,65 – 2,13 = 0,52 eV (1p)
omrekenen naar J 8,33·10-20 J (1p)
Ek = ½ ·m·v2 met me = 9,1·10-31 kg (1p)
8,33·10-20 = ½ · 9,1·10-31·v2 v2 = 1,83·1011 v = 4,3·105 m/s (1p)
d) 1. blauw licht: elektronen met meer energie vrij meer bereiken overkant meer stroom (2 stappen in de redenering, 2p) 2. bij UAK groot bereiken alle elektronen overkant; intensiteit gelijk, dus gelijke
verzadigingsstroom (1p) e) Blauw: meer Ekin meer spanning nodig om alle e af te remmen (2p)
4 Veer (7p)
a) (6+12,5+15+17) x 0,002 + 17,5 x 0.001 = 0,1185 J = 0,12 J (3p) b) mgh = 0,12 J , h = 0,12 / 0,020 / 9,81 = 0,61 m (2p)
