Inloggen

De kracht van het viriaal-theorema
vwo 2017, 2e tijdvak, opgave 3




Vraag 12

Voor de gravitatie-energie en de kinetische energie gelden de formules (zie BINAS tabel 35-A4 en A5)

Eg = -G·m·M / r

Ek = ½·m·v2

Als eerste bereken je met de gegevens in de opgave de gravitatie-energie. De massa van de aarde (M) vinden we in BINAS tabel 31 en de gravitatieconstante (G) vinden we in BINAS tabel 7. De afstand (r) van het middelpunt van de aarde tot ISS is de straal van de aarde (6,371·106 m, zie BINAS tabel 31) + de hoogte (409·103 m). Dit is 6,78·106 m. Voor de gravitatie-energie vind je dan

Eg = -6,67·10-11 · 4,19·105 ·5,972·1024 / 6,78·106

Eg = -2,4617·1013 J

Uit de in de opgave gegeven formule (het viriaaltheorema) volgt voor de kinetische energie Ek = -½Eg. Dit betekent dat de kinetische energie gelijk is aan

Ek = -½ · -2,4617·1013 = 1,2309·1013 J

Voor de snelheid vind je dan

v = √Ek/½m

v = √ 1,2309·1013 / ½· 4,19·105 = 7,6651·103 ms-1

Afgerond is dit een snelheid van 7,67·103 ms-1.

Vraag 13

Voor een hemellichaam dat in een cirkelbaan om een ander hemellichaam heen beweegt geldt dat de middelpuntzoekende kracht gelijk is aan de gravitatiekracht tussen de twee hemellichamen. In BINAS tabel 35-A2 en A4 vinden we de bijbehorende formules. Er geldt dus

Fg = Fmpz

G·m·M / r2 = m·v2 / r

Als je beide kanten met r vermenigvuldigt krijg je

G·m·M / r = m·v2

Als je dit vergelijkt met de formules voor de gravitatie- en kinetische energie (zie vorige vraag) zie je dat hier staat

-Eg = 2·Ek

Hieruit volgt dus het viriaaltheorema Eg = -2·Ek.

Vraag 14

Wanneer je de in de opgave gegeven formule voor de gravitatie energie van een verzameling sterrenstelsels en de formule voor de kinetische energie invult in het viriaaltheorema krijg je

-3GM2 / 5R = -2·(½ M·v2)

Hieruit volgt voor de totale massa van het Comacluster

M = v2 · 5R / 3G

Invullen van

v = 1,7·106 ms-1
R = 8,4·1022 m
G = 6,6738·10-11 (BINAS tabel 7)

Geeft M = 6,0625·1045 kg. Van deze totale massa is maar 3,2·1044 kg zichtbaar. Dit betekent dat 6,0625·1045 - 3,2·1044 = 5,7425·1045 kg van de massa uit donker materie bestaat. Dit is gelijk aan

5,7425·1045 / 6,0625·1045 = 0,9472 = 94,72%

Afgerond 95% van de massa van het Comacluster is dus afkomstig van donkere materie.

Vraag 15

De potentiële energie in een heliumatoom is de som van de potentiële energie van de elektronen ten opzichte van de kern en de potentiële energie van de elektronen onderling. Je vind dus een totale potentiële energie van

Ep = Ep,kern + Ep, e-e = -185,9 + 27,9 = -158 eV

Met een kinetische energie van 79,0 eV is dit inderdaad gelijk aan -2·Ek en in overeenstemming met het viriaaltheorema.

De totale energie van de elektronen in een heliumatoom bedraagt -79 eV. De energie die nodig is om deze twee elektronen uit de kern weg te halen (de ionisatie-energie) zou dus 79 eV moeten zijn. In BINAS tabel 21 C is af te lezen dat de totale energie om een heliumatoom helemaal te ioniseren 24,59 eV + 54,40 = 78,99 eV bedraagt. Afgerond is dit 79 eV.

Vraag 16

De ionisatie-energie van waterstof is te vinden in BINAS tabel 21 C of af te lezen uit het energiediagram van waterstof (BINAS tabel 21A). In de grondtoestand is de totale energie ten opzichte van het ionisatieniveau -13,6 eV. Er geldt dus

Ep + Ek = -13,6 eV

Volgens het viriaaltheorema geldt Ep = -2·Ek. Invullen van Ep in bovenstaande vergelijking geeft

-2·Ek + Ek = -13,6 eV

-Ek = -13,6 eV

Ek = 13,6 eV

Voor de potentiele energie vind je dan

Ep = -2·Ek = -27,2 eV

Omdat er maar één elektron in een waterstofatoom zit is de potentiele energie van de elektronen onderling 0 eV en bestaat Ep alleen uit de term Ep kern. Het antwoord wordt dus

Ek = 13,6 eV
Ep,kern = -27,2 eV
Ep,e-e = 0 eV
Etot = -13,6 eV












Vraag over "De kracht van het viriaal-theorema"?


    Hou mijn naam verborgen

Eerder gestelde vragen | De kracht van het viriaal-theorema

Op maandag 8 mei 2023 om 22:10 is de volgende vraag gesteld
Beste Erik,

Hoe kan ik bij vraag 14 de formule in stappen omschrijven naar M = v^2 * 5R / 3G

Graag uw reactie.

Op maandag 8 mei 2023 om 22:14 is de volgende reactie gegeven
Laat maar ik begrijp het al.


Op vrijdag 28 apr 2023 om 14:21 is de volgende vraag gesteld
u zegt bij 17: Omdat er maar één elektron in een waterstofatoom zit is de potentiele energie van de elektronen onderling 0 eV en bestaat Ep alleen uit de term Ep kern.

hoezo is dan de onderlinge potentiele energie 0? wat is het verschil van potentiele energie in een kern en onderlinge?

Erik van Munster reageerde op vrijdag 28 apr 2023 om 16:06
Je kunt, om het je voor te stellen, de potentiële energie tussen deeltjes vergelijken met gravitatie-energie tussen massa’s. Als twee massa’s zich op een afstand van elkaar bevinden hebben ze gravitatie-energie omdat ze elkaar aantrekken. Als je ze loslaat zullen ze naar elkaar toe versnellen en wordt gravitatie-energie omgezet in kinetische energie.

Potentiële energie tussen twee deeltjes kun je hiermee vergelijken. Het is de energie die deeltjes ten opzichte van elkaar hebben als ze zich op een afstand van elkaar bevinden.

In dit geval gaat het over de potentiële energie tussen elektronen. Bij een heliumatoom zijn er 2 elektronen die ten opzichte van de kern én ten opzichte van elkaar potentiële energie hebben. In een waterstofatoom is er maar één elektron en dit kan dus geen potentiële energie ten opzichte van een ander elektron hebben want dat is er niet.


Op donderdag 26 jan 2023 om 10:08 is de volgende vraag gesteld
-3GM2 / 5R = -2·(½ M·v2) hoe is dit omgeschreven naar M = v2 · 5R / 3G

Erik van Munster reageerde op donderdag 26 jan 2023 om 12:53
Stapje voor stapje:

-3GM^2 / 5R = -2·(½ M·v^2)

Beide kanten door M delen geeft

-3GM / 5R = -2·(½·v^2)

-3GM / 5R = -v^2

Beide kanten keer 5R geeft

-3GM = -v^2 * 5R

Beide kanten delen door -3G

M = -v^2 * 5R / -3G

Minteken boven en onder de deelstreep valt weg

M = v^2 * 5R / 3G

Zo dus. Maar het hoeft niet perse in deze volgorde .