Zon en sterren Micro-Macro 2 (Moderne natuurkunde) Zon en sterren Astrofysica



Dovnload 128.94 Kb.
Pagina1/5
Datum27.08.2016
Grootte128.94 Kb.
  1   2   3   4   5


Zon en sterren






Micro-Macro 2 (Moderne natuurkunde)

Zon en sterren - Astrofysica

6e Leerjaar, VWO

Micro-Macro 2 (Moderne natuurkunde)

Zon en sterren - Astrofysica

Sterrenkunde – de naam zegt het al – is begonnen met de bestudering van de sterren. Geen wonder, want, na de zon en de maan, vallen ze als eerste in het oog.

Ook planeten lijken op het eerste gezicht op sterren. Nauwkeurige waarneming leert echter, dat ze bewegen ten opzichte van de andere sterren. In de Griekse oudheid werden ze dan ook beschreven als πλανητες, dwaalsterren: planeten dus.

Kijken naar de sterren nodigt je uit tot het stellen van vragen, zoals:

“Hoe groot is het heelal – wijs mij de grens van het heelal aan en ik zal je direct vragen, wat zich daarachter bevindt”;

“Wanneer is de tijd begonnen – geef mij dat tijdstip en ik zal direct vragen, wat daarvoor gebeurde”.

J.P.A.M. Driessen, in 1999 gepromoveerd aan de TU Delft, schreef als een van de stellingen in zijn proefschrift: “In den beginne was er niets, en toen ontplofte dat ook nog”.

En tegen de tijd dat we er iets van beginnen te begrijpen, zullen we des te harder moeten studeren om het te kunnen bevatten.

In veel oude beschavingen heeft zich door studie van sterrenbeelden en planeten, de astrologie ontwikkeld. De sterrenbeelden en de banen van zon, maan en planeten, zoals die worden geprojecteerd op de hemelbol, zijn in NLT aan de orde geweest.

Wij zullen ons richten op de sterren zelf. Nauwkeurig waarnemen ervan kan ons veel over de sterren leren. Zeker als we daarbij gebruik maken van de kwantummechanische en relativistische inzichten in de natuurkunde, zoals die zich de afgelopen eeuw hebben ontwikkeld.






Colofon

Project
Auteur P.T.M. Feldbrugge

Versie 01
M.m.v. Prof. Dr. P. Barthel

Copyright, fotoverantwoording…….



De zon als energiebron 4

Kunnen we de kleur van het zonlicht gebruiken als een thermometer? 7

Sterren lijken ruwweg allemaal op de zon. Toch zijn ze er in alle soorten en maten. 11

Spectraallijnen als vingerafdruk van een ster. 16

Het noeste denk- en experimenteerwerk van natuurkundigen, die verder hebben gekeken dan hun neus lang is. 20

Met behulp van bestaande natuurwetten en een beetje wiskunde werden spectraallijnen voor waterstof nauwkeurige berekend en….. waargenomen! 27



1. Betekenis van de zon voor ons als bron van energie

De zon als energiebron


Inleiding

De meeste mensen kunnen intens genieten van de zon. Zoals de jongen op de foto hiernaast. Deze foto is te zien in het inmiddels bekende boek: Powers of Ten. Het vermogen, dat de zon uitstraalt is immens.

In de volgende opdrachten wordt het vermogen dat de zon uitstraalt, zo goed mogelijk bepaald. Dit kan met gebruikmaking van een gewone gloeilamp!





Paragraafvraag
Hoeveel vermogen straalt de zon uit? Wat vangen wij daarvan op?


Instap De zon als bron van licht, warmte en nog veel meer energie

  1. Berekening van het vermogen van de zon



We gebruiken een lamp van 100W. Je voelt met de binnenkant van je pols, op welke afstand van de lamp het even warm lijkt als in de zon op een mooie zomerdag. Wanneer je die afstand zo nauwkeurig mogelijk hebt geschat, maak je de volgende opdrachten: je krijgt dan een indruk van het vermogen dat de zon uitstraalt.



  1. Maak een schatting: op welke afstand van de lamp voel je de warmte van een mooie zomerdag op het strand. Ben je met een groep: neem het gemiddelde van alle schattingen!

  2. Gebruik het resultaat van vraag a: bereken het vermogen van de lamp per vierkante meter op deze afstand. Neem hierbij aan dat:

      • De lamp in alle richtingen evenveel energie uitstraalt;

      • De oppervlakte is op te vatten als een denkbeeldige bol rond het middelpunt van de lamp

  3. In Binas staat de afstand van de aarde tot de zon vermeld. Zoek deze afstand op. Bereken, hoeveel vermogen een gloeilamp op die afstand zou moeten uitstralen, om ons dezelfde warmte te doen voelen als op een aangename zomerdag.




Theorie
Je hebt in de vorige opgave een redelijke schatting gemaakt van het vermogen dat de zon uitstraalt. Met behulp van satellieten is bepaald, dat de zon per seconde een hoeveelheid energie uitstraalt van 3,90*1026 J! Omdat de zon bij benadering een ronde bol is, nemen we aan dat de energie door de zon in alle richtingen in gelijke mate wordt uitgestraald. Je kunt met deze gegevens bepalen hoeveel zonne-energie per jaar door de zon aan de aarde wordt geleverd. Dit is heel wat meer dan onze gezamenlijke energiebehoefte!

De hoeveelheid zonne-energie, die we per vierkante meter per seconde op aarde ontvangen heet de zonneconstante.





  1. Twee leerlingen, Ahmed en Fleur, hebben een meningsverschil over het berekenen van het totale hoeveelheid energie die de aarde per seconde van de zon ontvangt. Ahmed heeft die berekend, door de zonneconstante te vermenigvuldigen met πR2, waarbij R de straal van de aarde is. Een “woedend” SMS-je van Fleur valt hem ten deel: “Hey man doe ff normaal! Denk jij dat we nog steeds op een schijf leven? We zitten niet meer in de middeleeuwen, zeg. Je weet toch dat de oppervlakte van een bol 4πR2 is?“. Geef je mening over wie van de twee gelijk heeft en bereken de energie van de zon, dat we jaarlijks op de aarde opvangen.

  2. Dezelfde twee leerlingen verschillen ook nog van mening, of ze de eerste proef met de lamp wel mogen gebruiken om de totale hoeveelheid energie van de zon te bepalen. Ahmed is van mening, dat dit niet kan, omdat je immers alleen de warmtestraling van de zon voelt, terwijl de zon ook nog andere soorten straling uitzendt, zoals radiostraling, UV-straling en zichtbaar licht. Fleur brengt daartegen in, dat ze weliswaar alleen de warmte hebben gevoeld, maar dat de lamp net zo’n witgeel licht als de zon uitstraalt. Fleur: “De lamp van 100 W zal dus ook wel niet alleen licht en warmte uitstralen! Het zal niet helemaal precies gelijk zijn aan de zon, maar de proef geeft toch wel een redelijke indruk!” Geef je eigen mening over dit gesprek tussen Ahmed en Fleur.

    Theorie
    Ook zo benieuwd hoe de zon deze enorme energieproductie kan opbrengen? De massa van de zon is in ieder geval zeer groot. Dankzij Newton’s inzicht dat de gravitatiekracht tussen twee lichamen dient als middelpuntzoekende kracht, kunnen we de massa van de zon berekenen. We weten immers nauwkeurig de omlooptijd van de aarde.



  3. Bereken de massa van de zon: M۞. Stel hiertoe de gravitatiekracht van de zon op de aarde gelijk aan de middelpuntzoekende kracht.


  4. Theorie
    De zon is (zoals ook andere sterren) in de ruimte ontstaan uit de samenklontering van grote wolken waterstofgas met een massa van de zon. Door de onderlinge gravitatiekracht zijn de atomen naar elkaar toe ‘gevallen’. Zodoende is tijdens de vorming van de zon ‘zwaarte’-energie omgezet in kinetische energie. Al deze energie zit uiteindelijk opgeslagen in het volume van de gasbol, die we de zon noemen. Waar is deze energie gebleven en wat merken we daarvan?
    Om een indruk te krijgen hoeveel gravitatie-energie bij het samentrekken van waterstofwolken tot de zon is vrijgekomen, gaan we uit van de volgende vergelijking: EG = G* M۞2/R۞. Hierin is: G de gravitatieconstante, M۞ de massa van de zon en R۞ de straal van de zon. Bereken hiermee de totale gravitatie-energie, die bij de vorming van de zon in de zon is samengetrokken.

  5. Als je zou aannemen dat deze energie als bron dient voor de straling, die door de zon wordt uitgezonden: Hoelang kan de zon met behulp van deze energie vooruit, voordat hij is uitgestraald?



In vraag h zie je dat de zon al zijn gravitatie-energie in een veel kortere tijd heeft opgebruikt dan alleen al de leeftijd van onze aarde! Dat betekent dat binnenin de zon energie op een andere wijze moet worden opgewekt. Immers, de leeftijd van de zon is nu al minstens 3,2 miljard jaar. We zullen hierop later terugkomen.


2. Kleur en temperatuur van de zon


  1   2   3   4   5


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina