Περιεχόμενο

• Για να πας
• Μέθοδος 1 από 4: Υπολογισμός εργασίας σε joules
• Μέθοδος 2 από 4: Υπολογισμός κινητικής ενέργειας σε joules
• Μέθοδος 3 από 4: Υπολογισμός του Joule ως ηλεκτρικής ενέργειας
• Μέθοδος 4 από 4: Υπολογισμός της θερμότητας σε joules
• Συμβουλές
• Προειδοποιήσεις
• Απαιτήσεις

Το joule (J), που πήρε το όνομά του από τον Άγγλο φυσικό James Edward Joule, είναι μια από τις πιο σημαντικές μονάδες του Διεθνούς Μετρικού Συστήματος. Το joule χρησιμοποιείται ως μονάδα εργασίας, ενέργειας και θερμότητας και χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστήμη. Εάν θέλετε η απάντησή σας να είναι σε joules, χρησιμοποιήστε πάντα τις τυπικές επιστημονικές ενότητες.

Για να πας

Μέθοδος 1 από 4: Υπολογισμός εργασίας σε joules

1. Ο ορισμός της εργασίας. Η εργασία ορίζεται ως μια σταθερή δύναμη που εφαρμόζεται σε ένα αντικείμενο για να το μετακινήσει σε μια συγκεκριμένη απόσταση. Εάν δεν ισχύουν περισσότερες από μία δυνάμεις, μπορεί να υπολογιστεί ως εξουσία Χ απόσταση, και μπορεί να γραφτεί σε μονάδες joules (ισοδύναμο με "Newton meter"). Στο πρώτο μας παράδειγμα, παίρνουμε ένα άτομο που θέλει να προσθέσει ένα βάρος από το πάτωμα στο ύψος του στήθους και υπολογίζουμε πόση δουλειά έχει κάνει αυτό το άτομο.
   • Η δύναμη πρέπει να ασκείται προς την κατεύθυνση της κίνησης. Όταν κρατάτε ένα αντικείμενο και περπατάτε προς τα εμπρός, δεν γίνεται καμία εργασία στο αντικείμενο, επειδή δεν ωθείτε το αντικείμενο προς την κατεύθυνση της κίνησής του.
2. Προσδιορίστε τη μάζα του αντικειμένου που μετακινείται. Η μάζα ενός αντικειμένου απαιτείται για τον υπολογισμό της δύναμης που απαιτείται για να το μετακινήσετε. Στο παράδειγμά μας δηλώνουμε ότι το βάρος έχει μάζα 10 κιλών.
   • Μην χρησιμοποιείτε λίβρες ή άλλες μονάδες που δεν είναι τυπικές ή η τελική απάντηση δεν θα είναι σε joules.
3. Υπολογίστε τη δύναμη. Δύναμη = μάζα x επιτάχυνση. Στο παράδειγμά μας, ανύψωση βάρους ευθεία προς τα πάνω, επιτάχυνση που προσπαθούμε να ξεπεράσουμε είναι ίση με τη βαρύτητα, 9,8 m / s προς τα κάτω. Υπολογίστε την απαιτούμενη δύναμη για την ανύψωση του βάρους χρησιμοποιώντας (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newtons (N).
   • Εάν το αντικείμενο μετακινείται οριζόντια, τότε η βαρύτητα δεν έχει σημασία. Αντ 'αυτού, το πρόβλημα μπορεί να σας ζητήσει να υπολογίσετε τη δύναμη που απαιτείται για να ξεπεράσετε την αντίσταση τριβής. Εάν δοθεί ποια είναι η επιτάχυνση του αντικειμένου όταν ωθείται, τότε μπορείτε να πολλαπλασιάσετε τη δεδομένη επιτάχυνση με τη μάζα.
4. Μετρήστε την απόσταση που μετακινείται το αντικείμενο. Σε αυτό το παράδειγμα, υποθέτουμε ότι το βάρος ανυψώνεται 1,5 μέτρα (m). Η απόσταση πρέπει να μετρηθεί σε μέτρα, διαφορετικά η τελική απάντηση δεν μπορεί να καταγραφεί σε Joules.
5. Πολλαπλασιάστε τη δύναμη με την απόσταση. Για να ανυψώσετε βάρος 98 Newton 1,5 μέτρα, θα πρέπει να κάνετε 98 x 1,5 = 147 Joules εργασίας.
6. Υπολογίστε την εργασία για αντικείμενα που κινούνται υπό γωνία. Το παραπάνω παράδειγμά μας ήταν απλό: κάποιος άσκησε δύναμη προς τα πάνω στο αντικείμενο και το αντικείμενο ανέβηκε. Μερικές φορές η κατεύθυνση της δύναμης και η κίνηση του αντικειμένου δεν είναι οι ίδιες, επειδή πολλές δυνάμεις δρουν στο αντικείμενο. Στο ακόλουθο παράδειγμα πρόκειται να υπολογίσουμε πόσες Joules χρειάζεται για να σύρετε ένα έλκηθρο 25 μέτρα μέσω του χιονιού τραβώντας ένα σχοινί που είναι προσαρτημένο στο έλκηθρο υπό γωνία 30º προς την οριζόντια. Τα ακόλουθα ισχύουν: εργασία = δύναμη x cos (θ) x απόσταση. Το "σύμβολο" είναι το ελληνικό γράμμα "θήτα", και αντιπροσωπεύει τη γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης της δύναμης και της κατεύθυνσης της κίνησης.
7. Προσδιορίστε τη συνολική δύναμη που εφαρμόζεται. Σε αυτό το πρόβλημα λέμε ότι κάποιος τραβά το σχοινί με δύναμη 10 Newtons.
   • Εάν έχει ήδη δοθεί μια δύναμη "προς τα δεξιά", "επάνω" ή "προς την κατεύθυνση κίνησης", η "δύναμη x cos (") "έχει υπολογιστεί και μπορείτε να προχωρήσετε στον πολλαπλασιασμό των τιμών.
8. Υπολογίστε τη σχετική δύναμη. Μόνο ένα μέρος της δύναμης τραβά το φορείο προς τα εμπρός. Επειδή το σχοινί είναι σε γωνία, η υπόλοιπη δύναμη προσπαθεί να ανυψώσει το φορείο προς τα πάνω, εξουδετερώνοντας τη βαρύτητα. Υπολογίστε τη δύναμη προς την κατεύθυνση της κίνησης:
   • Στο παράδειγμά μας, η γωνία θ μεταξύ του εδάφους και του σχοινιού είναι 30º.
   • Υπολογίστε cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = περίπου 0,886. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια αριθμομηχανή για να βρείτε αυτήν την τιμή, αλλά βεβαιωθείτε ότι ο υπολογιστής σας χρησιμοποιεί τη σωστή μονάδα όπως αυτή που καθορίζεται η γωνία (μοίρες ή ακτίνια).
   • Πολλαπλασιάστε τη συνολική δύναμη x cos (θ). Στο παράδειγμά μας, 10N x 0,886 = 8,66 N στην κατεύθυνση της κίνησης.
9. Πολλαπλασιάστε δύναμη x απόσταση. Τώρα που γνωρίζουμε πόση δύναμη ασκείται προς την κατεύθυνση της κίνησης, μπορούμε να υπολογίσουμε την εργασία ως συνήθως. Το πρόβλημά μας μας λέει ότι το φορείο έχει ρυμουλκηθεί 20 μέτρα μπροστά, οπότε υπολογίζουμε 8,66 N x 20 m = 173,2 joules εργασίας.

Μέθοδος 2 από 4: Υπολογισμός κινητικής ενέργειας σε joules

1. Κατανοήστε κάποια κινητική ενέργεια. Η κινητική ενέργεια είναι η ποσότητα ενέργειας με τη μορφή κίνησης. Όπως με οποιαδήποτε μορφή ενέργειας, μπορεί να εκφραστεί σε Joules.
   • Η κινητική ενέργεια ισούται με την ποσότητα εργασίας που επιτελείται για την επιτάχυνση ενός σταθερού αντικειμένου σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα. Μόλις επιτευχθεί αυτή η ταχύτητα, το αντικείμενο διατηρεί αυτήν την ποσότητα κινητικής ενέργειας έως ότου αυτή η ενέργεια μετατραπεί σε θερμότητα (με τριβή), βαρυτική ενέργεια (πηγαίνοντας ενάντια στη βαρύτητα) ή άλλους τύπους ενέργειας.
2. Προσδιορίστε τη μάζα του αντικειμένου. Για παράδειγμα, μπορούμε να μετρήσουμε την κινητική ενέργεια ενός ποδηλάτου και ενός ποδηλάτη. Ας υποθέσουμε ότι ο ποδηλάτης έχει μάζα 50 kg και το ποδήλατο έχει μάζα 20 kg. Αυτό αυξάνει τη συνολική μάζα Μ των 70 κιλών. Τώρα μπορούμε να τα αντιμετωπίσουμε μαζί ως 1 αντικείμενο των 70 κιλών, επειδή κινούνται μαζί με την ίδια ταχύτητα.
3. Υπολογίστε την ταχύτητα. Εάν γνωρίζετε ήδη την ταχύτητα ή την ταχύτητα του ποδηλάτη, γράψτε την και προχωρήστε. Εάν πρέπει να το υπολογίσετε, χρησιμοποιήστε μία από τις παρακάτω μεθόδους. Αυτό αφορά την ταχύτητα, όχι την ταχύτητα του διανύσματος (που είναι η ταχύτητα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση), παρόλο που το γράμμα είναι συχνά β χρησιμοποιείται για ταχύτητα. Αγνοήστε τυχόν στροφές που κάνει ο ποδηλάτης και προσποιηθείτε ότι ολόκληρη η απόσταση είναι σε ευθεία γραμμή.
   • Εάν ο ποδηλάτης κινείται με σταθερή ταχύτητα (χωρίς επιτάχυνση), μετρήστε την απόσταση που διανύθηκε ο ποδηλάτης και διαιρέστε με τον αριθμό των δευτερολέπτων που χρειάστηκε για να καλύψει αυτήν την απόσταση. Αυτό υπολογίζει τη μέση ταχύτητα, η οποία σε αυτό το σενάριο είναι η ίδια με την ταχύτητα σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή.
   • Εάν ο ποδηλάτης κινείται με συνεχή επιτάχυνση και δεν αλλάζει κατεύθυνση, υπολογίστε την ταχύτητά του εκείνη τη στιγμή τ με τον τύπο «ταχύτητα (χρόνος t) = (επιτάχυνση) (τ) + αρχική ταχύτητα. Ο χρόνος είναι σε δευτερόλεπτα, η ταχύτητα σε μέτρα / δευτερόλεπτο και η επιτάχυνση σε m / s.
4. Εισαγάγετε τους ακόλουθους αριθμούς στον ακόλουθο τύπο. Κινητική ενέργεια = (1/2)Μ "β. Για παράδειγμα, εάν ο ποδηλάτης κινείται με ταχύτητα 15 m / s, τότε η κινητική του ενέργεια είναι K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 Newton meter = 7875 joules.
   • Ο τύπος για την κινητική ενέργεια μπορεί να προέλθει από τον ορισμό της εργασίας, W = FΔs και την εξίσωση v = v₀ + 2αΔ. Δs αναφέρεται στο "μετατόπιση", ή επίσης στην απόσταση που διανύθηκε.

Μέθοδος 3 από 4: Υπολογισμός του Joule ως ηλεκτρικής ενέργειας

1. Υπολογίστε την ενέργεια χρησιμοποιώντας ισχύ x χρόνο. Η ισχύς ορίζεται ως η ενέργεια που καταναλώνεται ανά μονάδα χρόνου, έτσι μπορούμε να υπολογίσουμε την καταναλισκόμενη ενέργεια με την ισχύ επί τη μονάδα του χρόνου. Αυτό είναι χρήσιμο κατά τη μέτρηση ισχύος σε watt, επειδή 1 watt = 1 Joule / δευτερόλεπτο. Για να μάθετε πόση ενέργεια χρησιμοποιεί ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως 60W σε 120 δευτερόλεπτα, πολλαπλασιάστε τα ακόλουθα: (60 watt) x (120 δευτερόλεπτα) = 7200 joules.
   • Αυτός ο τύπος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιοδήποτε είδος ισχύος, μετρούμενο σε βατ, αλλά η ηλεκτρική ενέργεια είναι η πιο προφανής.
2. Χρησιμοποιήστε τα παρακάτω βήματα για να υπολογίσετε τη ροή ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Τα παρακάτω βήματα περιγράφονται ως πρακτικό παράδειγμα, αλλά μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε αυτήν τη μέθοδο για να κατανοήσετε τα προβλήματα θεωρητικής φυσικής. Πρώτα, υπολογίζουμε την ισχύ P χρησιμοποιώντας τον τύπο P = I x R, όπου I είναι το ρεύμα σε αμπέρ και το R είναι η αντίσταση σε ohms. Αυτές οι μονάδες μας δίνουν τη δύναμη σε watt, οπότε από εδώ και στο εξής μπορούμε να εφαρμόσουμε τον τύπο που χρησιμοποιήθηκε στο προηγούμενο βήμα για τον υπολογισμό της ενέργειας σε joules.
3. Επιλέξτε μια αντίσταση. Οι αντιστάσεις υποδεικνύονται σε ωμ, με την τιμή τους να αναφέρεται απευθείας στην αντίσταση ή να υποδεικνύεται από μια σειρά από χρωματιστούς δακτυλίους. Μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε μια αντίσταση με ένα ωμόμετρο ή πολύμετρο. Σε αυτό το παράδειγμα, υποθέτουμε ότι η αντίσταση που χρησιμοποιούμε είναι 10 ohms.
4. Συνδέστε την αντίσταση σε μια πηγή ενέργειας (μπαταρία). Χρησιμοποιήστε σφιγκτήρες για αυτό ή τοποθετήστε την αντίσταση σε ένα κύκλωμα δοκιμής.
5. Αφήστε ένα ρεύμα να περάσει μέσα από αυτό για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Σε αυτό το παράδειγμα παίρνουμε 10 δευτερόλεπτα ως μονάδα χρόνου.
6. Μετρήστε την ισχύ του ρεύματος. Αυτό το κάνετε με μετρητή ροής ή πολύμετρο. Το μεγαλύτερο ρεύμα του νοικοκυριού είναι σε milliamp, οπότε υποθέτουμε ότι το ρεύμα είναι 100 milliamp ή 0,1 amp.
7. Χρησιμοποιήστε τον τύπο P = I x R. Τώρα για να βρείτε τη δύναμη, πολλαπλασιάζετε την τετραγωνική ισχύ του ρεύματος με την αντίσταση. Αυτό σας δίνει τη δύναμη αυτού του κυκλώματος σε βατ. Το τετράγωνο 0,1 δίνει 0,01. Πολλαπλασιάστε αυτό με 10, και έχετε ισχύ εξόδου 0,1 watt ή 100 milliwatts.
8. Πολλαπλασιάστε τη δύναμη με το παρελθόν χρόνο. Αυτό παρέχει την ενέργεια σε joules. 0,1 watts x 10 δευτερόλεπτα ισούται με 1 joule ηλεκτρικής ενέργειας.
   • Επειδή το Joule είναι μια μικρή μονάδα και δεδομένου ότι η κατανάλωση ενέργειας των συσκευών αναφέρεται συνήθως σε watt, milliwatts και kilowatt, είναι συχνά πιο βολικό να υπολογίζεται ο αριθμός kWh (κιλοβατώρες) που καταναλώνει μια συσκευή. 1 watt ισούται με 1 joule ανά δευτερόλεπτο ή 1 joule ισούται με 1 watt δευτερόλεπτο. ένα κιλοβάτ ισούται με 1 κιλό ανά δευτερόλεπτο και ένα κιλό ισούται με 1 κιλοβάτ δευτερόλεπτο. Υπάρχουν 3.600 δευτερόλεπτα σε μια ώρα, οπότε 1 κιλοβατώρα είναι ίση με 3.600 κιλοβάτ-δευτερόλεπτα, 3.600 κιλόjoule ή 3.600.000 joule.

Μέθοδος 4 από 4: Υπολογισμός της θερμότητας σε joules

1. Προσδιορίστε τη μάζα του αντικειμένου στο οποίο προστίθεται θερμότητα. Χρησιμοποιήστε ένα υπόλοιπο ή κλίμακες για αυτό. Εάν το αντικείμενο είναι υγρό, ζυγίστε πρώτα το κενό δοχείο στο οποίο θα εισέλθει το υγρό. Θα πρέπει να το αφαιρέσετε από τη μάζα του δοχείου και του υγρού μαζί για να βρείτε τη μάζα του υγρού. Σε αυτό το παράδειγμα υποθέτουμε ότι το αντικείμενο είναι 500 γραμμάρια νερού.
   • Χρησιμοποιήστε γραμμάρια, όχι άλλη μονάδα, διαφορετικά το αποτέλεσμα δεν θα δοθεί στο Joules.
2. Προσδιορίστε τη συγκεκριμένη θερμότητα του αντικειμένου. Αυτές οι πληροφορίες μπορείτε να βρείτε στα βιβλία αναφοράς χημείας binas, αλλά μπορείτε επίσης να τις βρείτε στο διαδίκτυο. Αυτή είναι η ειδική θερμότητα του νερού ντο ισούται με 4,19 joules ανά γραμμάριο για κάθε βαθμό Κελσίου - ή 4,1855, εάν θέλετε να είστε πολύ ακριβείς.
   • Η ειδική θερμότητα ποικίλλει ελαφρώς ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση. Διαφορετικοί οργανισμοί και εγχειρίδια χρησιμοποιούν διαφορετικές "τυπικές θερμοκρασίες", ώστε να μπορείτε να βρείτε έως 4.179 για τη συγκεκριμένη θερμότητα του νερού.
   • Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε το Kelvin αντί του Κελσίου, διότι 1 βαθμός είναι το ίδιο και για τα δύο πιάτα (η θέρμανση κάτι με 3ºC είναι η ίδια όπως και με 3 Kelvin). Μην χρησιμοποιείτε το Fahrenheit ή το αποτέλεσμα δεν θα δοθεί στο Joules.
3. Προσδιορίστε την τρέχουσα θερμοκρασία του αντικειμένου. Εάν το αντικείμενο είναι υγρό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα κανονικό θερμόμετρο (υδράργυρος). Για άλλα αντικείμενα μπορεί να χρειαστείτε θερμόμετρο με καθετήρα.
4. Θερμάνετε το αντικείμενο και μετρήστε ξανά τη θερμοκρασία. Αυτό σας επιτρέπει να μετρήσετε την ποσότητα θερμότητας που έχει προστεθεί σε ένα αντικείμενο κατά τη θέρμανση.
   • Εάν θέλετε να μάθετε τη συνολική ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται με τη μορφή θερμότητας, μπορείτε να προσποιηθείτε ότι η αρχική θερμοκρασία ήταν απόλυτη μηδέν: 0 Kelvin ή -273.15ºC.
5. Αφαιρέστε την αρχική θερμοκρασία από τη θερμοκρασία μετά τη θέρμανση. Αυτό δίνει στο αποτέλεσμα την αλλαγή στη θερμοκρασία του αντικειμένου. Υποθέτοντας ότι το νερό ήταν αρχικά 15 βαθμοί Κελσίου και μετά τη θέρμανση ήταν 35 βαθμοί Κελσίου, η αλλαγή θερμοκρασίας είναι συνεπώς 20 βαθμοί Κελσίου.
6. Πολλαπλασιάστε τη μάζα του αντικειμένου με τη συγκεκριμένη θερμότητα και την αλλαγή της θερμοκρασίας. Γράφετε αυτόν τον τύπο ως H =mcΔΤ., όπου το ΔΤ αντιπροσωπεύει την "αλλαγή θερμοκρασίας". Σε αυτό το παράδειγμα, αυτό γίνεται 500g x 4,19 x 20 = 41,900 joules.
   • Η θερμότητα εκφράζεται γενικά σε θερμίδες ή κιλοκαλλιέργειες. Ως θερμίδα ορίζεται η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση του 1 γραμμαρίου νερού σε θερμοκρασία 1 βαθμού Κελσίου, ενώ μια θερμογόνος θερμότητα (ή θερμίδα) είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 κιλού νερού κατά 1 βαθμό Κελσίου . Στο παραπάνω παράδειγμα, η αύξηση της θερμοκρασίας των 500 γραμμαρίων νερού κατά 20 βαθμούς Κελσίου απαιτεί 10.000 θερμίδες ή 10 χιλιόγραμμα.

Συμβουλές

• Σχετικά με το joule είναι μια άλλη μονάδα εργασίας και ενέργειας που ονομάζεται erg. 1 erg ισούται με 1 dyne δύναμη φορές μια απόσταση 1 cm. Ένα joule ισούται με 10.000.000 erg.

Προειδοποιήσεις

• Αν και οι όροι "joule" και "newton meter" αναφέρονται στην ίδια μονάδα, στην πράξη το "joule" χρησιμοποιείται για να δείξει οποιαδήποτε μορφή ενέργειας και για εργασίες που εκτελούνται σε ευθεία γραμμή, όπως στο παράδειγμα της αναρρίχησης των σκαλοπατιών παραπάνω. Όταν χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ροπής (δύναμη σε περιστρεφόμενο αντικείμενο), προτιμούμε τον όρο "Newton meter".

Απαιτήσεις

Υπολογισμός εργασίας ή κινητική ενέργεια:

• Χρονόμετρο ή χρονόμετρο
• Ζυγός ή ισορροπία
• Αριθμομηχανή με λειτουργία συνημίτονο (μόνο για εργασία, όχι πάντα απαραίτητο)

Υπολογισμός ηλεκτρικής ενέργειας:

• Αντίσταση
• Σύρματα ή πίνακας δοκιμών
• Πολύμετρο (ή ωμόμετρο και τρέχον μέτρο)
• Κλιπ Fahnestock ή αλιγάτορα

Θερμότητα:

• Αντικείμενο προς θέρμανση
• Πηγή θερμότητας (όπως καυστήρας Bunsen)
• Θερμόμετρο (υγρό θερμόμετρο ή θερμόμετρο με καθετήρα)
• Αναφορά χημείας / χημείας (για την εύρεση της ειδικής θερμότητας του αντικειμένου που θερμαίνεται)