Practicum: Arbeid, vermogen en rendement – Natuurkunde 3 VWO

In dit practicum voor 3 VWO onderzoek je de begrippen arbeid, vermogen en rendement aan de hand van een elektrische motor die een massa ophijst. Je vergelijkt het elektrisch opgenomen vermogen met het mechanisch geleverde vermogen en berekent het rendement van de motor. Dit practicum sluit direct aan bij het thema energieomzettingen dat centraal staat in de bovenbouw van het vwo.

Leerdoel

Na dit practicum kun je arbeid berekenen met W = F × s, vermogen berekenen met P = W / t, het onderscheid maken tussen opgenomen en geleverd vermogen, en het rendement van een energieomzetter bepalen via η = (P_nuttig / P_opgenomen) × 100%.

Cursusniveau en vakgebied

Niveau: VWO klas 3 | Vak: Natuurkunde | Onderwerp: Energie – arbeid, vermogen, rendement

Benodigdheden

• Kleine elektrische gelijkstroommotor (6–12 V) met trommel voor draad
• Regelbare gelijkspanningsbron (0–12 V)
• Digitale amperemeter en voltmeter (of multimeter)
• Gewicht van 200 g (te hijsen last)
• Meetlint (minimaal 1 m)
• Stopwatch
• Balans (voor gewichtsmeting)

Achtergrondinformatie

Arbeid (W, in Joule) is het product van kracht en verplaatsing in de richting van de kracht: W = F × s. Bij het verticaal optillen van een massa geldt: W_nuttig = m × g × h, waarbij h de opgehesen hoogte is.

Vermogen (P, in Watt) is de arbeid per tijdseenheid: P = W / t. Het elektrisch opgenomen vermogen van de motor is: P_el = U × I. Het mechanisch geleverde vermogen is: P_mech = m × g × h / t. Het rendement van de motor bedraagt:

η = (P_mech / P_el) × 100%

In de praktijk is het rendement altijd kleiner dan 100%, omdat een deel van de elektrische energie wordt omgezet in warmte door wrijving en weerstand in de motor.

Werkwijze

1. Weeg de te hijsen massa nauwkeurig (m in kg). Bereken de zwaartekracht: F_z = m × 9,81 N.
2. Sluit de motor aan op de spanningsbron. Bevestig de draad aan de trommel en hak het gewicht eraan. Stel U = 6,0 V in.
3. Start de stopwatch op het moment dat het gewicht begint te bewegen. Meet de tijdsduur t totdat het gewicht exact h = 0,50 m is gestegen. Lees tegelijk U en I af.
4. Bereken P_el = U × I, W_nuttig = m × g × h, P_mech = W_nuttig / t en het rendement η.
5. Herhaal de meting bij U = 8,0 V en U = 10,0 V. Vergelijk de rendementen.

Meetresultaten noteren

Verwerkingsvragen

1. Bereken de nuttige arbeid als een massa van 200 g over 0,50 m wordt opgehesen.
2. De motor verbruikt 8,0 W elektrisch en hijst de last in 4,2 s. Bereken het rendement.
3. Waar gaat de 'verloren' energie heen? Noem twee energievormen.
4. Waarom neemt het rendement doorgaans toe bij een hogere spanning? Geef een verklaring op basis van de motorkarakteristiek.

Uitwerking

Voorbeeldberekening (m = 0,200 kg, h = 0,50 m, g = 9,81 m/s²)

Opmerking: bij hogere spanning neemt de stroom ook toe, wat meer warmteverliezen (P_warmte = I² × R) geeft. Het rendement kan per motor sterk verschillen.

Antwoorden verwerkingsvragen

1. W_nuttig = m × g × h = 0,200 × 9,81 × 0,50 = 0,981 J ≈ 0,98 J.
2. W_nuttig = 0,98 J. P_mech = 0,98 / 4,2 = 0,233 W. η = (0,233 / 8,0) × 100% = 2,9%. (Let op: dit is een extreem laag rendement – in werkelijkheid is 50–70% realistisch voor kleine motoren.)
3. De verloren energie wordt omgezet in (1) warmte door de wikkingsweerstand van de motorspoel (I²R-verlies) en (2) warmte door wrijving in de lagers en de trommel.
4. Bij hogere spanning draait de motor met hogere toerental. De wrijvingsverliezen blijven relatief gelijk, terwijl het nuttig geleverd vermogen sneller toeneemt. Hierdoor stijgt in eerste instantie het rendement. Bij zeer hoge spanning gaan echter de stroominductieverliezen domineren en daalt het rendement weer.

Veiligheidsaanwijzingen

• Houd de spanning onder de maximale motorspanning (zie specificatieblad motor).
• Zorg dat de last niet hoger komt dan een veilig niveau boven de werktafel (max. 0,80 m).
• Schakel de motor uit zodra het gewicht zijn eindpositie bereikt om oververhitting te voorkomen.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel biedt complete practicum-sets voor energie-experimenten aan het voortgezet onderwijs, inclusief elektrische gelijkstroommotoren, regelbare voedingen, nauwkeurige stroom- en spanningsmeters en bijbehorend meetmateriaal. Onze apparatuur is geschikt voor intensief schoolgebruik en wordt geleverd met technische specificaties en docentenhandleiding.

Bekijk het assortiment energie-apparatuur of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.