10.2 Elektrische Energie - deel III - Uitleg, uitgebreid, Fz, Energie, Volt

Regels

Iedereen werkt in de les aan Natuurkunde
dus:
Altijd Natuurkundeboek & Pen &
Schrift op tafel
Geen andere dingen op laptop
Fluister bij werken,
Stil bij uitleg

Nieuwe structuur

Structuur

Quiz vorige les
Demonstratiepracticum
(niet iedere les)
Vragen filmpjes & theorie

Werken aan opgaven met hulp
Desgewenst extra klassikale uitleg

1 / 29

Slide 1: Tekstslide

NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 5

In deze les zitten 29 slides, met interactieve quizzen en tekstslides.

Lesduur is: 45 min

Onderdelen in deze les

Regels

Iedereen werkt in de les aan Natuurkunde
dus:
Altijd Natuurkundeboek & Pen &
Schrift op tafel
Geen andere dingen op laptop
Fluister bij werken,
Stil bij uitleg

Nieuwe structuur

Structuur

Quiz vorige les
Demonstratiepracticum
(niet iedere les)
Vragen filmpjes & theorie

Werken aan opgaven met hulp
Desgewenst extra klassikale uitleg

Slide 1 - Tekstslide

Regels van orde

1e keer: Waarschuwing --> Maximaal 2 namen op het bord

2e keer: Kleine schrijfopdracht in kabinet --> Max. 2 keer

3e keer: Eruit, naar Loket 21

Altijd boek, schrift & pen bij je.

3 keer niet bij --> Werkinhaaluur

Slide 2 - Tekstslide

Pak je spullen:

Welkom

Slide 3 - Tekstslide

Vandaag

10.2 Elektrische Energie - nogmaals --> Structurele uitleg E/V/F

Uitleg samenhang F, E-veld, Energie, Spanning
Afmaken 10.2 of begin 10.3
Melden resultaten van Olympiade

Slide 4 - Tekstslide

Doelen van vadaag

Begrip van hoe Kracht, Veld, Spanning (Volt) & Potentiële
Elektrische energie samenhangen.
Begrip van waarom formules en eenheden zijn zoals ze zijn,
bij E, U, F.
E_kinetisch van lading die door veld beweegt kunnen berekenen.

Slide 5 - Tekstslide

Einddoel

Kunnen begrijpen en toepassen van

Δ E^{​ k i n ​ ​} = - Δ E^{​ e l e k t r i s c h ​ ​}

Slide 6 - Tekstslide

Doel: Rekenen met Energie

Waarom dat '-'-teken in ?

Δ E^{​ k i n ​ ​} = - Δ E^{​ e l e k t r i s c h ​ ​}

Δ E^{​ t o t ​ ​} = 0 \Rightarrow Δ E^{​ k i n ​ ​} + Δ E^{​ z ​ ​} + Δ E^{​ c h e m ​ ​} + Δ E^{​ v e e r ​ ​} + Δ E^{​ e l e k ​ ​} + . . . = 0

Slide 7 - Tekstslide

Doel: Rekenen met Energie

Waarom dat '-'-teken in ?

, want de totale energie gaat niet verloren

Δ E^{​ k i n ​ ​} = - Δ E^{​ e l e k t r i s c h ​ ​}

Δ E^{​ t o t ​ ​} = 0

\Rightarrow a l s a l l e e n Δ E^{​ k i n ​ ​} e n Δ E^{​ e l e k ​ ​} \Rightarrow Δ E^{​ k i n ​ ​} + Δ E^{​ e l e k ​ ​} = 0 \Rightarrow

Δ E^{​ k i n ​ ​} = - Δ E^{​ e l e k t r i s c h ​ ​}

Slide 8 - Tekstslide

Krachtbron: M --> zwaarte

Krachtbron: Q --> elektrisch

F^{​ z ​ ​} = m \cdot \frac{​ G \cdot M ​ ​}{​ r ^{​ 2 ​ ​} ​}

F^{​ e l e k ​ ​} = q \cdot \frac{​ f \cdot Q ​ ​}{​ r ^{​ 2 ​ ​} ​}

Slide 9 - Tekstslide

Krachtbron: M --> zwaarte

Dicht bij de aarde: Homogeen

Krachtbron: Q --> elektrisch

Als we het Elektr. veld kennen:

M M M M M M M M

F^{​ z ​ ​} = m \cdot \frac{​ G \cdot M ​ ​}{​ r ^{​ 2 ​ ​} ​}

F^{​ e l e k ​ ​} = q \cdot \frac{​ f \cdot Q ​ ​}{​ r ^{​ 2 ​ ​} ​}

F^{​ z ​ ​} = m \cdot g

F^{​ e l e k ​ ​} = q \cdot ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​}

Slide 10 - Tekstslide

Krachtbron: M --> zwaarte

Krachtbron: Q --> elektrisch

M M M M M M M M

E e n h e i d : [g] = [\frac{​ F ^{​ z ​ ​} ​ ​}{​ m ​}] = \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​}

F^{​ z ​ ​} = ? N

E e n h e i d : ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = [\frac{​ F ^{​ e l e k ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

F^{​ e l e k ​ ​} = ? N

Slide 11 - Tekstslide

Krachtbron: M --> zwaarte

Stel: en testmassa

Krachtbron: Q --> elektrisch

Stel: en testlading

M M M M M M M M

E e n h e i d : [g] = [\frac{​ F ^{​ z ​ ​} ​ ​}{​ m ​}] = \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​}

F^{​ z ​ ​} = 30 N

E e n h e i d : ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = [\frac{​ F ^{​ e l e k ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

g = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​}

m = 3 k g

3 k g

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

q = + 3 C

+ 3 C

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

Slide 12 - Tekstslide

Quick Quizzz...

Ik schreef:

bewijs voor jezelf dat

E e n h e i d : [g] = [\frac{​ F ^{​ z ​ ​} ​ ​}{​ m ​}] = \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​}

timer

0:30

E e n h e i d : \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​} = \frac{​ m ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​}

Slide 13 - Tekstslide

Krachtbron: M --> zwaarte

Krachtbron: Q --> elektrisch

M M M M M M M M

E n e r g i e : E^{​ z ​ ​} = m \cdot g \cdot h

3 k g

+ 3 C

(\Rightarrow W = F \cdot s)

E n e r g i e : E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = q \cdot ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} \cdot x

(\Rightarrow W = F \cdot s)

h(m)

x(m)

g = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​}

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

F^{​ z ​ ​} = 30 N

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

Slide 14 - Tekstslide

Krachtbron: M --> zwaarte

Stel: dan

Krachtbron: Q --> elektrisch

Stel: dan

4m 120J

3m 90J

2m 60J

1m 30J

M M M M M M M M

E n e r g i e : E^{​ z ​ ​} = m \cdot g \cdot h

F^{​ z ​ ​} = 30 N

h = 4 m

E^{​ z ​ ​} = 3 \cdot 10 \cdot 4 = 120 J

3 k g

x = 4 m

+ 3 C

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

(\Rightarrow W = F \cdot s)

E n e r g i e : E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = q \cdot ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} \cdot x

(\Rightarrow W = F \cdot s)

E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = 3 \cdot 10 \cdot 4 = 120 J

h(m)

4m 120J

3m 90J

2m 60J

1m 30J

x(m)

E(J)

g = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ k g ​}

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

Slide 15 - Tekstslide

Elektrische potentiaal, U (Volt)

Eenheid:

Elektrische potentiële Energie

Stel: dan

4m 40V

3m 30V

2m 20V

1m 10V

— — — — — — —

U = \frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}

+ 3 C

x = 4 m

+ 3 C

E n e r g i e : E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = q \cdot ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} \cdot x

(\Rightarrow W = F \cdot s)

E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = 3 \cdot 10 \cdot 4 = 120 J

x(m)

4m 120J

3m 90J

2m 60J

1m 30J

x(m)

E(J)

U(V)

[U] = [\frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ J ​ ​}{​ C ​} \equiv V (V o l t)

F^{​ z ​ ​} = 30 N

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

Slide 16 - Tekstslide

Elektrische potentiaal, U (Volt)

Eenheid:

Vraag:

<-- Deze bol hiernaast
beweegt van x = 4m
naar x = 2m.

Hoeveel kinetische energie krijg hij erbij?

4m 40V

3m 30V

2m 20V

1m 10V

U = \frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}

+ 3 C

x(m)

U(V)

[U] = [\frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ J ​ ​}{​ C ​} \equiv V (V o l t)

F^{​ z ​ ​} = 30 N

— — — — — — —

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

Slide 17 - Tekstslide

Elektrische potentiaal, U (Volt)

Eenheid:

Vraag:

<-- Deze bol hiernaast
beweegt van x = 4m
naar x = 2m.

Hoeveel kinetische energie krijg hij erbij?

U = \frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}

+ 3 C

x(m)

U(V)

[U] = [\frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ J ​ ​}{​ C ​} \equiv V (V o l t)

F^{​ z ​ ​} = 30 N

Δ E^{​ k i n ​ ​} = - Δ E^{​ e l e k t r i s c h ​ ​}

= - (E^{​ e l e k ., e i n d ​ ​} - E^{​ e l e k ., b e g i n ​ ​})

= - (20 V \cdot 3 C - 40 V \cdot 3 C)

= - (60 J - 120 J) = 60 J

4m 40V

3m 30V

2m 20V

1m 10V

— — — — — — —

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

Slide 18 - Tekstslide

Ik heb bol van 1 kg die een lading van +3 C bevat.
Deze bol versnelt vanuit stilstand in een elektrisch
veld van 15 V/m, over een afstand van 10 m.

Welke snelheid heeft de bol na deze 10 m?

450 m/s

900 m/s

20 m/s

30 m/s

Slide 19 - Quizvraag

Ik wil een proton een kinetische energie geven van 5 MeV.

Hoeveel elektrische spanning is daarvoor nodig?

Dat hangt van de lengte van m'n versneller af

5 MV/m

5 MV

Slide 20 - Quizvraag

Elektronvolt

E = Q * U

1 J = 1 C * 1 V

1,6*10⁻¹⁹ J = 1,6*10⁻¹⁹ C * 1 V

1eV = 1 e * 1 V

1 e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C

1 eV = 1,602 × 10⁻¹⁹ J

Slide 21 - Tekstslide

Elektrische potentiaal, U (Volt)

Eenheid:

Kijk eens wat hier gebeurt!

Iedere meter neemt de elektrische
potentiaal toe met 10V!

De electrische veldsterkte kun je dus
ook noteren in V/m

En dat klopt:

U = \frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}

+ 3 C

x(m)

U(V)

[U] = [\frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ J ​ ​}{​ C ​} \equiv V (V o l t)

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

\frac{​ V ​ ​}{​ m ​} = \frac{​ J ​ ​}{​ C \cdot m ​} = \frac{​ N \cdot m ​ ​}{​ C \cdot m ​} = \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

4m 40V

3m 30V

2m 20V

1m 10V

— — — — — — —

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​} = 10 \frac{​ V ​ ​}{​ m ​}

Slide 22 - Tekstslide

Elektrische veldsterkte in V/m, dus:

2 keer zo groot als spanning
2 keer zo groot.

Maar ook 2 keer zo groot als platen P en Q 2 keer zo dicht bij elkaar liggen.

Dat moet ook wel! Want als een negatief geladen deeltje oversteekt van P naar Q, dan wordt er precies * Lading aan arbeid verricht door het veld.
Omdat W=F*s hetzelfde blijft, moet F wel 2 keer zo groot worden, als s 2 keer zo klein wordt!

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​}

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​}

U^{​ P Q ​ ​}

U^{​ P Q ​ ​}

Slide 23 - Tekstslide

Applet condensator

https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_all.html

Slide 24 - Tekstslide

Nog één stapje dieper...

Wat staat hier ???

De kracht in de x-richting is de afgeleide naar de plaats van de
Potentiële energie. E'(x) dus.
Dit geldt per definitie. Altijd. Dus ook bij niet-homogene velden.

F^{​ x ​ ​} = - \frac{​ \partial E ​ ​}{​ \partial x ​}

Slide 25 - Tekstslide

Elektrische potentiaal, U (Volt)

Eenheid:

Elektrische potentiële Energie

Stel: dan

4m 40V

3m 30V

2m 20V

1m 10V

— — — — — — —

U = \frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}

+ 3 C

x = 4 m

+ 3 C

E n e r g i e : E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = q \cdot ​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} \cdot x

(\Rightarrow W = F \cdot s)

E^{​ p o t, e l e k ​ ​} = 3 \cdot 10 \cdot 4 = 120 J

x(m)

4m 120J

3m 90J

2m 60J

1m 30J

x(m)

E(J)

U(V)

[U] = [\frac{​ E ^{​ p o t, e l e c ​ ​} ​ ​}{​ q ​}] = \frac{​ J ​ ​}{​ C ​} \equiv V (V o l t)

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

F^{​ e l e k ​ ​} = 30 N

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d ​ ​} = 10 \frac{​ N ​ ​}{​ C ​}

Slide 26 - Tekstslide

Nog één stapje dieper...

Precies zoals de kracht per definitie de afgeleide van de E_pot is,
Zo is het elektrisch veld per definitie de afgeleide van
van de elektrische potentiaal.

​ E ​ ⃗ ​ ​^{​ v e l d, x ​ ​} = - \frac{​ \partial U ​ ​}{​ \partial x ​}

Slide 27 - Tekstslide

Vragen over filmpjes of huiswerk?

Opgave voordoen?

https://www.youtube.com/watch?v=6tOCrIgfnIw

https://www.youtube.com/watch?v=G0UsCXMqesk

Slide 28 - Tekstslide

Zelfstandig werken

Maak opgaven 10.2 af

t/m 16

klaar? Kijk alvast filmpje H.10.3
Zie SOM vrijdag voor link
https://www.youtube.com/watch?v=Sg7Tz-iS0z0
en begin aan de opgaven

timer

15:00

Slide 29 - Tekstslide