VWO WB, 2013 - I

 

De vergelijking van Antoine.
       

Als een vloeistof een gesloten ruimte niet geheel opvult, dan verdampt een deel van de vloeistof. De damp oefent druk uit op de wanden van de gesloten ruimte: de dampdruk. De grootte van de dampdruk hangt af van de soort vloeistof en van de temperatuur in de gesloten ruimte. Voor het verband tussen de dampdruk en de temperatuur geldt de volgende formule:

       

       

Hierin is P de dampdruk in bar en T de temperatuur in kelvin en zijn k, m en n constanten die afhangen van de soort vloeistof.
Voor aceton, een zeer vluchtige vloeistof, geldt (bij benadering) k =
4,146, m =1144 en n = 53,15,
dus   log P = 4,146 - 1144/(T - 53,15)   (met T >
53,15 ).

Het kookpunt van een vloeistof is de temperatuur waarbij de dampdruk precies 1 bar bedraagt.

       
4p. 1.

Bereken op algebraïsche wijze het kookpunt van aceton. Rond je antwoord af op een geheel aantal kelvin.

       

In de figuur hieronder is voor aceton de grafiek getekend van de dampdruk P als functie van de temperatuur T voor temperaturen tussen 250 en 300 kelvin.

       

       
Uit de figuur krijgen we de indruk dat de functie P stijgend is.
       
3p. 2.

Beredeneer aan de hand van de formule zonder te differentiëren dat de functie inderdaad stijgend is.

     

 

Hoe de dampdruk bij een bepaalde temperatuur reageert op een verandering van die temperatuur, wordt weergegeven door de afgeleide waarde  dP/dT (in bar/kelvin).

       
3p. 3.

Bereken voor aceton de waarde van  dP/dT bij een kamertemperatuur van 293 kelvin. Rond je antwoord af op drie decimalen.

     

 

Voor andere stoffen dan aceton gelden soortgelijke formules; alleen de waarden van k, m en n zijn anders. De vorm van de formule is universeel en staat sinds 1888 bekend als de vergelijking van Antoine. In de tijd dat Antoine de vergelijking opstelde, gebruikte men voor de dampdruk nog de eenheid mmHg (millimeter kwik) in plaats van bar. Voor de temperatuur gebruikte men de eenheid ºC (graden Celsius) in plaats van kelvin.

Voor het verband tussen de dampdruk p in mmHg en de dampdruk P in bar geldt:  P =  p/750.
Voor het verband tussen de temperatuur
t in C en de temperatuur T in kelvin geldt:  T = t + 273,15
De eerder genoemde formule voor de dampdruk van aceton kan men herschrijven tot een formule van de vorm: 
log p = a - 1144/(t + b)
Hierin is
p de dampdruk in mmHg, is t de temperatuur in ºC en zijn a en b constanten.

       
4p. 4.

Bereken a en b. Rond de waarde van a af op twee decimalen en rond de waarde van b af op een geheel getal.

     

 

Vierkanten.
       

In onderstaande figuur zie je in een assenstelsel een vierkant ABCD met zijde 1.
Hoekpunt
A ligt op de positieve x-as en hoekpunt D op de positieve y-as. Vierkant EFGH heeft ook zijde 1. Dit vierkant ligt naast ABCD zo dat zijde EF op de x-as ligt en hoekpunt B van vierkant ABCD op zijde EH ligt. Om vierkant ABCD is een derde vierkant OETS getekend met horizontale en verticale zijden.

Voor de hoek α (in rad) die zijde AB met de x-as maakt, geldt:  0 < α < 1/2π In de figuur is aangegeven welke hoeken gelijk zijn aan α .

       

       

De coördinaten van C en G hangen als volgt van α af:    C( cosα , sin α + cosα ) en G( sin α + cosα + 1, 1).

       
4p. 5.

Bereken exact de oppervlakte van vierkant OETS voor α = 1/6π . Schrijf je antwoord zonder haakjes.

     

 

De lijn door G en C snijdt de y-as in P. De loodrechte projectie van G op de y-as noemen we Q en de loodrechte projectie van C op de lijn GQ noemen we R. Zie de volgende figuur.

       

       
De driehoeken GCR en GPQ zijn gelijkvormig. Hieruit volgt:


       
5p. 6.

Toon uitgaande van de gelijkvormigheid van de driehoeken GCR en GPQ aan dat deze formule juist is.

     

 

       
4p. 7. Toon dit op algebraïsche wijze aan.
     

 

De hoogte van punt C is maximaal als α = 1/4π. Maar de hoogte van punt P is maximaal voor een andere waarde van α tussen 0 en 1/2π .

       
6p. 8.

Bereken met behulp van differentiëren bij welke waarde van α de hoogte van punt P maximaal is. Geef je antwoord in twee decimalen nauwkeurig.

     

 

 

Vanuit een stomphoekige driehoek.
       

Gegeven is driehoek ABC met ∠BAC = 120º . De cirkel c is de omgeschreven cirkel van driehoek ABC. De bissectrice van hoek A snijdt de cirkel c in punt D. Zie onderstaande figuur.

       

       
Er geldt: driehoek BCD is gelijkzijdig.
       
4p. 9. Bewijs dit.  
     

 

In de situatie van de figuur hierboven geldt: AD = AB + AC.  Om dit te bewijzen verlengen we BA en leggen we E op dit verlengde zo dat EA = AC . Er ontstaat een gelijkzijdige driehoek ACE. In de figuur hieronder is deze driehoek getekend.
Het bewijs gaat verder met de volgende stappen:
-  Maak gebruik van de in vraag 9 bewezen gelijkzijdigheid van driehoek BCD.
Toon aan dat de driehoeken CEB en CAD congruent zijn.

       

       
5p. 10. Bewijs dat AD = AB + AC, gebruikmakend van bovenstaande stappen.
     

 

Een eivorm.
       

De functie f is gegeven door  f(x) = 1/6√(87x- 3x2 - 2x3)   In onderstaande figuur is de grafiek van f getekend en ook het spiegelbeeld hiervan in de x-as. De twee grafieken vormen samen een figuur die lijkt op een doorsnede van een ei.

       

       

Op de x-as en de y-as is de eenheid 1 cm. In de figuur is aangegeven wat bedoeld wordt met de lengte en de breedte van het ei. De lengte van het ei is ongeveer 5,9 cm.

       
4p. 11.

Bereken op algebraïsche wijze de lengte van het ei in cm. Rond je antwoord af op twee decimalen.

     

 

4p. 12.

Bereken met behulp van primitiveren de inhoud van het ei. Geef je antwoord in een geheel aantal cm3.

     

 

   
Een eierrekje bevat een aantal even grote ronde openingen. Zie de foto.

Wanneer we het ei van bovenstaande figuur in een opening van het eierrekje plaatsen met de brede kant onder, steekt het 4,3 cm boven het rekje uit. Zie onderstaande figuur links.
       

       

We kunnen het ei ook met de smalle kant onder in een opening van het rekje plaatsen. Zie de figuur  rechts.

       
4p. 13.

Bereken hoeveel cm het ei dan boven het rekje uitsteekt. Rond je antwoord af op één decimaal.

     

 

 

Driehoek bij een vierdegraadsfunctie.
       
Voor elke positieve waarde van p is de functie fp gegeven door
 fp(x) = 2x2 - px4
De grafiek van
fp heeft de y-as als symmetrieas. Verder heeft deze grafiek drie toppen: het punt O(0, 0) en de punten A en B. Zie de figuur.
Deze drie punten zijn de hoekpunten van driehoek OAB, waarbij de coördinaten van de punten A en B afhankelijk zijn van de waarde van p. Driehoek OAB is in de figuur grijs gemaakt.

Er is één waarde van p waarbij de lengte van lijnstuk OA gelijk is aan de lengte van lijnstuk AB.

     
8p. 14. Bereken exact deze waarde van p.
     

 

 

Nulpunten, extremen en buigpunten.
       
De functie f is gegeven door:  f(x) = (x2 + 1) • ex
Voor de afgeleide geldt:  f '(x) = (x + 1)2ex
       
3p. 15. Toon dit op algebraïsche wijze aan.  
     

 

De functie heeft geen nulpunten en ook geen extremen.
       
4p. 16. Toon dit op algebraïsche wijze aan.  
     

 

De grafiek van f heeft wel twee buigpunten.
       
4p. 17. Bereken exact de x-coördinaten van deze buigpunten.
     

 

 

Brandpunt gezocht.
       

Gegeven zijn een lijn k en twee punten M en N die aan dezelfde kant van k liggen. Zie de volgende figuur.

       

       

We zoeken het brandpunt van een parabool die door M en N gaat en waarvan k de richtlijn is.

Een geschikte werkwijze is:
-
Teken de loodrechte projecties R en S van achtereenvolgens M en N op k.
-
Teken de cirkel met middelpunt M en straal MR en de cirkel met middelpunt N en straal NS.

We nemen aan dat MN < MR + NS . Dan hebben de cirkels twee snijpunten F en G. Zowel F als G is brandpunt van een parabool door M en N met richtlijn k.
Zie onderstaande figuur. In deze figuur zijn ook de bijbehorende parabolen getekend.

       

       
3p. 18.

Bewijs dat de punten M en N inderdaad liggen op de parabool met brandpunt en richtlijn k

     

 

Het punt M ligt op een afstand van 2 cm van k. Zie de volgende figuur.
       

       

Rechts van M ligt een punt N waarvoor geldt:
- de afstand van N tot de lijn k is 4 cm, en
- er is precies één parabool die door M en N gaat en waarvan k de richtlijn is.

       
3p. 19.

Teken in de figuur hierboven de positie van N. Licht je antwoord toe.

     

 

 

 

UITWERKING
   
Het officiële (maar soms beknoptere) correctievoorschrift kun je HIER  vinden. Vooral handig voor de onderverdeling van de punten.
   
1. P = 1 geeft  log1 = 4,146 - 1144/(T - 53,15)
0 = 4,146 - 1144/(T - 53,15)
-4,146 = - 1144/(T - 53,15)
-4,146 • (T - 53,15) = -1144
-4,146T + 220,36 = -1144
-4,146T = -1364,36
T = 329 kelvin.
   
2. Als T toeneemt, dan neemt T - 53,15 ook toe
Als (T - 53,15) toeneemt dan neemt  1144/(T - 53,15) af
Als 1144/(T - 53,15) afneemt dan neemt  4,146 - 1144/(T - 53,15) toe
Dus als T toeneemt, dan neemt logP ook toe,  maar dan neemt P ook toe omdat y = logx een stijgende functie is.
   
3.
  Y1 = 10^(4,1456-1144/(X-53,15))
calc - dy/dx en dan X = 293  geeft  dy/dx =
0,011
   
4.
 
  Dus geldt  a = 7,02  en  b = 220
   
5. OA = sinα  (soscastoa in driehoek OAD)
AE = cos
α  (soscastoa in driehoek AEB)
De zijde van het vierkant OETS is  (cos
α + sinα)
de oppervlakte is dan  (sin
α + cosα)2
voor
α = 1/6π is  sinα = 1/2  en cosα = 1/2√3
(1/2 + 1/2
3)2 = 1/4 + 1/2√3 + 1/4 • 3  = 1 + 1/2√3
   
6. Omdat de driehoeken gelijkvormig zijn, geldt:  PQ/CR = GQ/GR  dus  PQ = CR • GQ/GR
CR = yC - yG = sin
α + cosα - 1
GQ = xG = sin
α + cosα + 1
GR = xG - xC = sin
α + cosα + 1 - cosα = sinα + 1

invullen in de bovenste vergelijking:
 
   
7. (sinα + cosα - 1)(sinα + cosα + 1) =
= sin
α(sinα + cosα + 1) + cosα(sinα + cosα + 1) - 1(sinα + cosα + 1)
= sin2
α + sinαcosα + sinα + cosαsinα + cos2α + cosα - sinα - cosα - 1
= sin2
α + cos2α + 2sinαcosα - 1

Maar sin2
α + cos2α = 1 dus dat geeft
(sin
α + cosα - 1)(sinα + cosα + 1) = 2sinαcosα = sin2α

vervang de teller door sin2
α en je hebt de gevraagde formule.
   
8. Omdat de hoogte van P gelijk is aan 1 + PQ is die hoogte maximaal als PQ maximaal is.
Dat is zo als de afgeleide ervan nul is.
Met de quotiëntregel en de kettingregel:
 
  Dat is nul als de teller nul is:
2cos2
α • (sinα + 1) - sin(2α) • cosα = 0

Y1 = 2cos(2X)*(sin(X)+1)-sin(2X)*cos(X)
calc - zero geeft
 α = 0,67 rad.
   
9. ∠DAB = ∠DCB (beiden de omtrekshoek van boog BD)  dus  ∠DCB = 60º
∠DAC = ∠DBC (beidende omtrekshoek van boog CD) dus ∠DBC = 60º
Driehoek DBC heeft dus drie hoeken van 60º dus is gelijkzijdig.
   
10. omdat EA = AC en ∠EAC = 60º is driehoek ACE gelijkzijdig.

CA = CE  (EAC is gelijkzijdig)
∠ECB = ∠ACD  (beiden zijn ∠ACB + 60º)
∠CEA = ∠CAD = 60º
Daaruit volgt de de driehoeken CEB en CAD congruent zijn (ZHH)

dus is EB = AD
EB = EA + AB = AC + AB
dus is  AB + AC = AD
   
11. f(x) = 0
87x - 3x2 - 2x3 = 0
x(87 - 3x - 2x2) = 0
x = 0 ∨  x = (3 ±√(9 + 4•87•2))/-4 = (3 ±√(705))/-4
x = 0   x = 5,89  ∨  x = -7,39
De nulpunten zijn  x= 0 en x = 5,89  dus de lengte is
5,89 cm.
   
12.
  = p/36• { (87/2•5,92  - 5,93 - 1/2•5,94) - (0) }
= 61,34 cm3 dus dat is ongeveer
61 cm3
   
13. Leg het ei weer op zijn kant.
x = 4,3  geeft dan  y = 1/6 • √(87 • 4,3 - 3 • 4,32 - 2•4,33) = 2,1056
Y1 = √(87X - 3X^2 - 2X^3) / 6
Y2 = 2,1056
intersect geeft  als tweede snijpunt (behalve x = 4,3)   x ≈ 2,3
de afstand tot de zijkant is dan 5,9 - 2,3 =
3,6 cm
   
14. A is een top van de grafiek dus daar geldt  f '= 0
4x - 4px3 = 0
4x(1 - px2) = 0
x = 0  ∨  1 = px2
x = 0 ∨   x2 = 1/p
x
= 0  ∨   x = √(1/p)  (voor punt A geldt  x > 0)

xA = √(1/p)   geeft  AB = 2√(1/p)
verder is dan xA2 = 1/p  en xA4 = 1/p2
A is dan het punt  (√(1/p),  2/p - p/p2 ) =  (√(1/p),  2/p - 1/p ) = (√(1/p), 1/p)

Pythagoras geeft OA = √(1/p + 1/p2)
gelijkstellen aan AB:   √(1/p + 1/p2) = 2√(1/p)
1/p + 1/p2 = 4 • 1/p
p + 1 = 4p
1 = 3p
p = 1/3.
   
15. met de productregel:
f '(x) = 2xex + (x2 + 1) • ex 
=  ex
• (2x + x2 + 1)
=  ex • (x + 1)2  
   
16. nulpunten:
f = 0  geeft  (x2 + 1)•ex = 0   ofwel  x2 + 1 = 0 
 ex = 0
beiden hebben geen oplossingen

extremen:
f '= 0  geeft  (x + 1)2 • ex  = 0  ofwel  (x + 1)2 = 0 
 ex = 0
Dat geeft als enige oplossing x = -1
Maar daar wisselt f ' niet van teken (bijv.  f '(-2) = 0,13 en  f' (0) = 1 en dat is beiden positief)
Dus is er ook daar geen extreme waarde.
   
17. f '' = 2(x + 1) • ex  +  (x + 1)2ex  = 0
ex • (2x + 2 + x2 + 2x + 1) = 0
ex • (x2 + 4x + 3) = 0
ex • (x + 3)(x + 1) = 0
ex = 0 
  x = -3  ∨  x = -1

f '' (-4) ≈ 0,055
f '' (-2) ≈ -0,14
f '' (0) = 3
Dus bij
x = -3 en x = -1 wisselt f'' wel van teken dus zijn dat de x-coördinaten van de buigpunten.
   
18. MF = MR = d(M, k)   (beiden op de cirkel)  dus ligt M op een parabool met brandpunt F en richtlijn k
NF = NS = d(N, k (beiden op de cirkel)  dus ligt N op een parabool met brandpunt F en richtlijn k.
   
19. Als er maar één zo'n parabool is, dan moeten de cirkels zoals die in de figuur bij vraag 18 zijn getekend elkaar raken (dan hebben ze maar één snijpunt)
Dan geldt dat MFN een rechte lijn is.
Dus is de afstand  MN = MF + NF = 2 + 4 = 6
Teken daarom een cirkel met middelpunt M en straal 6. Daar moet N op liggen.

Verder ligt N ook op een lijn evenwijdig aan k op afstand 4 van k immers de afstand van N tot k is 4.
Dat geeft de volgende tekening: