Joule (J) er oppkalt etter den britiske fysikeren James Edward Joule, og er en av grunnenhetene i det internasjonale metriske systemet. Joule brukes som en enhet for arbeid, energi og varme, og er mye brukt i vitenskapelige applikasjoner. Hvis du vil ha svaret ditt i joule, må du alltid bruke standard vitenskapelige enheter. Fotpunden eller britisk varmeenhet (BTU) brukes fortsatt på noen felt, men ikke i fysikkens lekser.
Steg
Metode 1 av 5: Beregning av arbeid i Joule
Trinn 1. Forstå arbeid i fysikk
Hvis du skyver en boks gjennom et rom, har du gjort en innsats. Hvis du løfter boksen opp, har du også gjort en innsats. Det er to viktige kriterier som må eksistere i "virksomheten":
- Du gir en jevn stil.
- Denne kraften får objekter til å bevege seg i samme retning som kraften.
Trinn 2. Forstå definisjonen av virksomhet
Innsats er lett å beregne. Bare multipliser mengden kraft og den totale distansen objektet har tilbakelagt. Vanligvis uttrykker forskere kraft i Newton og avstand i meter. Hvis du bruker begge disse enhetene, er den resulterende arbeidsenheten Joules.
Når du leser et spørsmål om virksomhet, stopp og tenk på hvor stilen er. Hvis du løfter boksen, skyver du den opp slik at boksen beveger seg oppover. Så avstanden boksen reiser er hvor høyt den har beveget seg opp. Neste gang du går frem med boksen, blir det imidlertid ikke gjort noen innsats i denne prosessen. Selv om du fortsatt skyver boksen opp for å unngå at den faller, beveger den seg ikke lenger opp
Trinn 3. Finn massen til objektet som forskyves
Massen til et objekt er nødvendig for å beregne kraften som kreves for å flytte det. Anta i vårt eksempel at lasten har en masse på 10 kilo (kg).
Unngå å bruke kilo eller andre ikke-standardiserte enheter, ellers vil det endelige svaret ikke være i joule
Trinn 4. Beregn stilen
Kraft = masse x akselerasjon. I vårt eksempel, ved å løfte vekten rett opp, skyldes akselerasjonen vi utøver tyngdekraften, som under normale omstendigheter akselererer objektet nedover med 9,8 meter/sek.2. Beregn kraften som kreves for å flytte lasten opp ved å multiplisere (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newton (N).
Hvis objektet flyttes horisontalt, har tyngdekraften ingen effekt. Problemet kan be deg om å beregne kraften som kreves for å motstå friksjon. Hvis problemet forteller deg akselerasjonen til et objekt mens det skyves, kan du multiplisere den kjente akselerasjonen med massen
Trinn 5. Mål forskyvningen
Anta for dette eksemplet at en last løftes til en høyde på 1,5 meter (m). Forskyvningen må måles i meter, ellers vil ikke det endelige svaret være i joule.
Trinn 6. Multipliser kraften med forskyvningen
For å løfte en 98 newton vekt 1,5 meter høy, må du gjøre 98 x 1,5 = 147 joule arbeid.
Trinn 7. Beregn arbeidet som er gjort for å flytte objektet i en bestemt vinkel
Eksemplet vårt ovenfor er enkelt: noen utøver en fremoverkraft på et objekt, og objektet beveger seg fremover. Noen ganger er kraftens retning og objektets bevegelse ikke den samme, fordi det er flere krefter som virker på objektet. I neste eksempel vil vi beregne antall joule som trengs for at et barn skal trekke en slede 25 meter gjennom flat snø ved å trekke tauet opp i en vinkel på 30º. For dette problemet, arbeid = kraft x cosinus (θ) x forskyvning. Symbolet er den greske bokstaven theta, og beskriver vinkelen mellom kraftens retning og bevegelsesretningen.
Trinn 8. Finn den totale påførte kraften
For dette problemet, anta at et barn trekker i en snor med en kraft på 10 newton.
Hvis problemet utøver en kraft til høyre, en oppadgående kraft eller en kraft i bevegelsesretningen, står disse kreftene allerede for x -cosinus (θ) delen av kraften, og du kan hoppe videre og fortsette å multiplisere verdiene
Trinn 9. Beregn den tilsvarende kraften
Bare noen få stiler trekker sleden fremover. Når strengen peker opp, prøver en annen kraft å trekke den opp og trekke den mot tyngdekraften. Beregn kraften som utøves i bevegelsesretningen:
- I vårt eksempel er vinkelen mellom flat snø og tau 30º.
- Beregn cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = omtrent 0,866. Du kan bruke en kalkulator til å finne denne verdien, men sørg for at kalkulatoren bruker de samme enhetene som vinkelmåling (grader eller radianer).
- Multipliser den totale kraften x cos (θ). I vårt eksempel er 10 N x 0,866 = 8,66 krefter i bevegelsesretningen.
Trinn 10. Multipliser kraften x forskyvning
Nå som vi kjenner kraften som går fremover i bevegelsesretningen, kan vi beregne arbeidet som vanlig. Problemet vårt forteller oss at sleden beveger seg 20 meter fremover, så beregne 8,66 N x 20 m = 173,2 joule arbeid.
Metode 2 av 5: Beregning av Joule fra Watt
Trinn 1. Forstå kraft og energi
Watt er en enhet for kraft eller energiforbruk (energi delt på tid). Mens Joule er en energienhet. For å konvertere Watts til Joule må du bestemme tiden. Jo lenger den elektriske strømmen flyter, desto større blir energien som brukes.
Trinn 2. Multipliser watt med sekunder for å få Joules
En 1 Watt enhet bruker 1 Joule energi hvert sekund. Hvis du multipliserer antall watt med sekunder, får du Joule. For å finne ut hvor mye energi en 60W lampe bruker på 120 sekunder, trenger du bare å multiplisere 60 watt x 120 sekunder = 7.200 Joule.
Denne formelen kan brukes for hvilken som helst effekt uttrykt i watt, men vanligvis i elektrisitet
Metode 3 av 5: Beregning av kinetisk energi i Joule
Trinn 1. Forstå kinetisk energi
Kinetisk energi er mengden energi i form av bevegelse. Som andre energienheter kan kinetisk energi skrives i joule.
Kinetisk energi er lik mengden arbeid som er gjort for å akselerere et statisk objekt til en viss hastighet. Når objektet når denne hastigheten, vil objektet opprettholde en viss mengde kinetisk energi til energien blir til varme (fra friksjon), potensiell gravitasjonsenergi (fra bevegelse mot tyngdekraften) eller andre energityper
Trinn 2. Finn massen til objektet
For eksempel måler vi den kinetiske energien til en sykkel og en syklist. For eksempel har rytteren en masse på 50 kg, og sykkelen har en masse på 20 kg, for en total masse m på 70 kg. Nå betrakter vi de to som ett objekt med en masse på 70 kg fordi de begge vil bevege seg med samme hastighet.
Trinn 3. Beregn hastigheten
Hvis du allerede kjenner hastigheten eller hastigheten til syklisten, er det bare å skrive det ned og gå videre. Hvis du trenger å beregne hastigheten, bruker du en av metodene nedenfor. Legg merke til at vi leter etter hastighet, ikke hastighet (som er hastighet i en gitt retning), selv om forkortelsen v ofte brukes. Ignorer alle svinger syklisten gjør og anta at hele distansen er tilbakelagt i en rett linje.
- Hvis syklisten beveger seg med konstant hastighet (ikke akselerere), måler du distansen syklisten kjører i meter, og deler med antall sekunder det vil ta for å tilbakelegge denne distansen. Denne beregningen vil gi gjennomsnittshastigheten, som i dette tilfellet er lik øyeblikkelig hastighet.
- Hvis syklisten opplever konstant akselerasjon og ikke endrer retning, beregner han hastigheten til t ved hjelp av formelen for hastighet på tidspunktet t = (akselerasjon) (t) + starthastighet. Bruk andre for å måle tid, meter/sekund for å måle hastighet og m/s2 for å måle akselerasjon.
Trinn 4. Koble disse tallene til følgende formel
Kinetisk energi = (1/2) m v 2. For eksempel, hvis en syklist beveger seg med en hastighet på 15 m/s, er kinetisk energi EK = (1/2) (70 kg) (15 m/s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m/s) (15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newton meter = 7875 joule.
Formelen for kinetisk energi kan avledes fra definisjonen av arbeid, W = FΔs, og den kinematiske ligningen v2 = v02 + 2aΔs. s representerer en endring i posisjon eller tilbakelagt distanse.
Metode 4 av 5: Beregning av varme i Joule
Trinn 1. Finn massen til objektet som skal varmes opp
Bruk en skala eller fjærbalanse for å måle den. Hvis objektet er en væske, må du først måle den tomme beholderen som væsken er i og finne massen. Du må trekke den fra beholderens masse pluss væsken for å finne væskens masse. For dette eksempelet, la oss si at objektet er 500 gram vann.
Bruk gram, ikke andre enheter, eller resultatet blir ikke joule
Trinn 2. Finn objektets spesifikke varme
Denne informasjonen finnes i kjemihenvisninger, både i bokform og online. For vann er den spesifikke varmen på c 4,19 joule per gram for hver grad Celsius den blir oppvarmet - eller 4,1855, hvis du trenger den nøyaktige verdien.
- Den faktiske spesifikke varmen varierer litt basert på temperatur og trykk. Ulike organisasjoner og lærebøker bruker forskjellige standardtemperaturer, så du kan se den spesifikke vannvarmen oppført som 4.179.
- Du kan bruke Kelvin i stedet for Celsius fordi temperaturforskjellen er den samme for begge enhetene (oppvarming av noe med 3ºC tilsvarer oppvarming med 3 Kelvin). Ikke bruk Fahrenheit, ellers vil resultatene ikke være i joule.
Trinn 3. Finn den opprinnelige temperaturen til objektet
Hvis objektet er en væske, kan du bruke et kvikksølvtermometer. For noen ting trenger du kanskje et sonde -termometer.
Trinn 4. Varm objektet og måle temperaturen igjen
Dette vil måle varmeøkningen til objektet under oppvarming.
Hvis du vil måle den totale energimengden som er lagret som varme, kan du anta at utgangstemperaturen er absolutt null: 0 Kelvin eller -273,15ºC. Dette er ikke veldig nyttig
Trinn 5. Trekk den opprinnelige temperaturen fra oppvarmingstemperaturen
Denne reduksjonen vil resultere i en grad av temperaturendring i objektet. Forutsatt at vannet tidligere var 15 grader Celsius og oppvarmet til 35 grader Celsius, endres temperaturen til 20 grader Celsius.
Trinn 6. Multipliser massen til objektet med dets spesifikke varme og størrelsen på temperaturendringen
Formelen er skrevet Q = mc T, hvor T er endringen i temperatur. For dette eksemplet vil det være 500 g x 4, 19 x 20 eller 41 900 joule.
Varme skrives oftere i kalori- eller kilokalori -metrisk system. En kalori er definert som mengden varme som trengs for å heve temperaturen på 1 gram vann med 1 grad Celsius, mens en kilokalori er mengden varme som trengs for å heve temperaturen på 1 kilo vann med 1 grad Celsius. I eksemplet ovenfor vil en økning av temperaturen på 500 gram vann med 20 grader Celsius bruke opptil 10 000 kalorier eller 10 kilokalorier
Metode 5 av 5: Beregning av Joule som elektrisk energi
Trinn 1. Bruk trinnene nedenfor for å beregne energistrømmen i en elektrisk krets
Trinnene nedenfor er oppført som praktiske eksempler, men du kan også bruke metoden til å forstå skriftlige fysikkproblemer. Først skal vi beregne effekten P ved å bruke formelen P = I2 x R, hvor I er strømmen i ampere og R er motstanden i ohm. Disse enhetene produserer effekt i watt, så herfra kan vi bruke formelen i forrige trinn for å beregne energi i joule.
Trinn 2. Velg en motstand
Motstander måles i ohm, med størrelser skrevet direkte eller representert med en samling fargede linjer. Du kan også teste motstanden til en motstand ved å koble den til et ohmmeter eller multimeter. For dette eksemplet antar vi at motstanden er 10 ohm.
Trinn 3. Koble motstanden til den nåværende kilden
Du kan koble ledningene til motstanden med en Fahnestock- eller alligatorklemme, eller du kan koble motstanden til et testkort.
Trinn 4. Strøm gjennom kretsen i et bestemt tidsintervall
I dette eksemplet bruker vi et intervall på 10 sekunder.
Trinn 5. Mål gjeldende styrke
Gjør dette med et amperemeter eller multimeter. De fleste husholdningsstrømmene måles i milliamper, eller tusenvis av ampere, så vi antar at strømmen er 100 milliamper eller 0,1 ampere.
Trinn 6. Bruk formelen P = I2 x R.
For å finne kraften, multipliser kvadratet av strømmen med motstanden. Dette resulterer i effekt i watt. Kvadrering 0,1 gir et resultat på 0,01, multiplisert med 10 gir en effekt på 0,1 watt eller 100 milliwatt.
Trinn 7. Multipliser kraften med tiden som har gått
Denne multiplikasjonen gir energiproduksjonen i joule. 0,1 watt x 10 sekunder er lik 1 joule elektrisk energi.
