Opkaldt efter den britiske fysiker James Edward Joule er joule (J) en af grundenhederne i det internationale metriske system. Joule bruges som en enhed for arbejde, energi og varme og bruges meget i videnskabelige anvendelser. Hvis du vil have dit svar i joule, skal du altid sørge for at bruge standardvidenskabelige enheder. Fodpund eller britisk varmeenhed (BTU) bruges stadig på nogle felter, men ikke i dine fysiske lektier.
Trin
Metode 1 af 5: Beregning af arbejde i Joule
Trin 1. Forstå arbejdet i fysik
Hvis du skubber en kasse gennem et værelse, har du gjort en indsats. Hvis du løfter kassen op, har du også gjort en indsats. Der er to vigtige kriterier, der skal eksistere i "virksomheden":
- Du giver en stabil stil.
- Denne kraft får objekter til at bevæge sig i samme retning som kraften.
Trin 2. Forstå definitionen af virksomhed
Indsats er let at beregne. Bare multiplicere mængden af kraft og den samlede afstand, objektet har tilbagelagt. Normalt udtrykker forskere kraft i Newton og afstand i meter. Hvis du bruger begge disse enheder, er den resulterende arbejdsenhed Joules.
Når du læser et spørgsmål om forretning, skal du stoppe op og tænke over, hvor stilen er. Hvis du løfter kassen, skubber du den op, så kassen bevæger sig opad. Så afstanden boksen rejser er, hvor højt den har bevæget sig op. Næste gang du går frem med kassen, gøres der imidlertid ingen anstrengelser i denne proces. Selvom du stadig skubber kassen op for at undgå, at den falder, flytter den ikke længere op
Trin 3. Find massen af objektet, der forskydes
Objektets masse er nødvendig for at beregne den kraft, der kræves for at flytte det. Antag i vores eksempel, at belastningen har en masse på 10 kg (kg).
Undgå at bruge pund eller andre ikke-standardiserede enheder, ellers vil dit endelige svar ikke være i joule
Trin 4. Beregn stilen
Kraft = masse x acceleration. I vores eksempel, når vi løfter vægten lige op, skyldes den acceleration, vi udøver, tyngdekraften, som under normale omstændigheder fremskynder objektet nedad med 9,8 meter/sek.2. Beregn den krævede kraft for at flytte vores belastning op ved at gange (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newton (N).
Hvis objektet flyttes vandret, har tyngdekraften ingen effekt. Problemet kan bede dig om at beregne den kraft, der kræves for at modstå friktion. Hvis problemet fortæller dig accelerationen af et objekt, mens det skubbes, kan du gange den kendte acceleration med dens masse
Trin 5. Mål den tilbagelagte forskydning
Antag i dette eksempel, at en last løftes til en højde på 1,5 meter (m). Forskydningen skal måles i meter, ellers vil dit endelige svar ikke være i joule.
Trin 6. Multiplicer kraften med forskydningen
For at løfte en 98 newton vægt 1,5 meter høj skal du lave 98 x 1,5 = 147 joule arbejde.
Trin 7. Beregn det arbejde, der er udført for at flytte objektet i en bestemt vinkel
Vores eksempel ovenfor er enkelt: nogen udøver en fremadrettet kraft på et objekt, og objektet bevæger sig fremad. Nogle gange er kraftens retning og objektets bevægelse ikke den samme, fordi der er flere kræfter, der virker på objektet. I det næste eksempel vil vi beregne antallet af joule, der er nødvendige for, at et barn kan trække en slæde 25 meter gennem flad sne ved at trække rebet op i en vinkel på 30º. For dette problem arbejder = kraft x cosinus (θ) x forskydning. Symbolet er det græske bogstav theta, og beskriver vinklen mellem kraftens retning og bevægelsesretningen.
Trin 8. Find den samlede anvendte kraft
For dette problem, antag at et barn trækker i en snor med en kraft på 10 newton.
Hvis problemet udøver en kraft til højre, en opadgående kraft eller en kraft i bevægelsesretningen, tegner disse kræfter sig allerede for x -cosinus (θ) delen af kraften, og du kan springe videre og fortsætte med at multiplicere værdierne
Trin 9. Beregn den tilsvarende kraft
Kun få stilarter trækker slæden frem. Når snoren peger opad, forsøger en anden kraft at trække den op og trække den mod tyngdekraften. Beregn den kraft, der udøves i bevægelsesretningen:
- I vores eksempel er vinklen mellem den flade sne og rebet 30º.
- Beregn cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = cirka 0,866. Du kan bruge en lommeregner til at finde denne værdi, men sørg for, at din lommeregner bruger de samme enheder som din vinkelmåling (grader eller radianer).
- Gang den samlede kraft x cos (θ). I vores eksempel er 10 N x 0,866 = 8,66 kræfter i bevægelsesretningen.
Trin 10. Multiplicer kraften x forskydning
Nu hvor vi kender den kraft, der går fremad i bevægelsesretningen, kan vi beregne arbejdet som normalt. Vores problem fortæller os, at slæden bevæger sig 20 meter frem, så beregne 8,66 N x 20 m = 173,2 joule arbejde.
Metode 2 af 5: Beregning af Joule fra Watt
Trin 1. Forstå magt og energi
Watt er en effektenhed eller energiforbrugshastighed (energi divideret med tid). Mens Joule er en energienhed. For at konvertere Watts til Joule skal du bestemme tiden. Jo længere den elektriske strøm strømmer, desto større energi bruges der.
Trin 2. Multiplicer watt med sekunder for at få Joules
En 1 Watt enhed vil forbruge 1 Joule energi hvert 1. sekund. Hvis du gange antallet af watt med sekunder, får du Joule. For at finde ud af, hvor meget energi en 60W lampe bruger på 120 sekunder, skal du blot gange 60 watt x 120 sekunder = 7.200 Joule.
Denne formel kan bruges til enhver effekt udtrykt i watt, men generelt i elektricitet
Metode 3 af 5: Beregning af kinetisk energi i Joule
Trin 1. Forstå kinetisk energi
Kinetisk energi er mængden af energi i form af bevægelse. Ligesom andre energienheder kan kinetisk energi skrives i joule.
Kinetisk energi er lig med mængden af arbejde, der udføres for at accelerere et statisk objekt til en bestemt hastighed. Når objektet når denne hastighed, vil objektet opretholde en vis mængde kinetisk energi, indtil energien bliver til varme (fra friktion), tyngdekraften potentiel energi (ved at bevæge sig mod tyngdekraften) eller andre energityper
Trin 2. Find objektets masse
For eksempel måler vi kinetisk energi på en cykel og en cyklist. For eksempel har rytteren en masse på 50 kg, og hans cykel har en masse på 20 kg, for en total masse m på 70 kg. Nu betragter vi de to som et objekt med en masse på 70 kg, fordi de begge vil bevæge sig med samme hastighed.
Trin 3. Beregn hastigheden
Hvis du allerede kender cyklistens hastighed eller hastighed, skal du bare skrive det ned og gå videre. Hvis du skal beregne hastigheden, skal du bruge en af metoderne herunder. Bemærk, at vi leder efter hastighed, ikke hastighed (som er hastighed i en given retning), selvom forkortelsen v ofte bruges. Ignorer alle sving, som cyklisten foretager, og antag, at hele distancen er tilbagelagt i en lige linje.
- Hvis cyklisten bevæger sig med en konstant hastighed (ikke accelererende), måles den afstand, som cyklisten kører i meter, og divideres med det antal sekunder, det vil tage at tilbagelægge denne afstand. Denne beregning vil give gennemsnitshastigheden, som i dette tilfælde er lig med den øjeblikkelige hastighed.
- Hvis cyklisten oplever konstant acceleration og ikke ændrer retning, skal du beregne sin hastighed på tidspunktet t ved hjælp af formlen for hastighed på tidspunktet t = (acceleration) (t) + starthastighed. Brug sekund til at måle tid, meter/sekund til at måle hastighed og m/s2 at måle acceleration.
Trin 4. Tilslut disse tal til følgende formel
Kinetisk energi = (1/2) m v 2. For eksempel, hvis en cyklist kører med en hastighed på 15 m/s, er hans kinetiske energi EK = (1/2) (70 kg) (15 m/s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m/s) (15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newtonmeter = 7875 joule.
Formlen for kinetisk energi kan udledes af definitionen af arbejde, W = FΔs, og den kinematiske ligning v2 = v02 + 2aΔs. s repræsenterer en ændring i position eller tilbagelagt afstand.
Metode 4 af 5: Beregning af varme i Joule
Trin 1. Find massen af objektet, der opvarmes
Brug en skala eller fjederbalance til at måle den. Hvis objektet er en væske, skal du først måle den tomme beholder, som væsken er i, og finde dens masse. Du skal trække det fra beholderens masse plus væsken for at finde væskens masse. For dette eksempel, lad os sige, at objektet er 500 gram vand.
Brug gram, ikke andre enheder, ellers bliver resultatet ikke joule
Trin 2. Find objektets specifikke varme
Disse oplysninger kan findes i kemi referencer, både i bogform og online. For vand er den specifikke varme på c 4,19 joule pr. Gram for hver grad Celsius, den opvarmes - eller 4,1855, hvis du har brug for den nøjagtige værdi.
- Den faktiske specifikke varme varierer lidt baseret på temperatur og tryk. Forskellige organisationer og lærebøger bruger forskellige standardtemperaturer, så du kan se den specifikke vandvarme opført som 4.179.
- Du kan bruge Kelvin i stedet for Celsius, fordi temperaturforskellen er den samme for begge enheder (opvarmning af noget med 3ºC er lig med opvarmning med 3 Kelvin). Brug ikke Fahrenheit, ellers er dine resultater ikke i joule.
Trin 3. Find objektets starttemperatur
Hvis objektet er en væske, kan du bruge et kviksølvtermometer. For nogle varer kan du have brug for et sondetermometer.
Trin 4. Opvarm objektet og mål temperaturen igen
Dette måler objektets varmeforøgelse under opvarmning.
Hvis du vil måle den samlede mængde energi, der er lagret som varme, kan du antage, at den indledende temperatur er absolut nul: 0 Kelvin eller -273,15ºC. Dette er ikke særlig nyttigt
Trin 5. Træk den indledende temperatur fra opvarmningstemperaturen
Denne reduktion vil resultere i en grad af temperaturændring i objektet. Forudsat at vandet tidligere var 15 grader Celsius og opvarmet til 35 grader Celsius, ændres temperaturen til 20 grader Celsius.
Trin 6. Multiplicer objektets masse med dets specifikke varme og størrelsen af temperaturændringen
Formlen skrives Q = mc T, hvor T er ændringen i temperatur. For dette eksempel ville det være 500 g x 4, 19 x 20 eller 41.900 joule.
Varme er oftere skrevet i kalorie- eller kilocalorie metriske system. En kalorie er defineret som den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 gram vand med 1 grad Celsius, mens en kilokalorie er den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 kilo vand med 1 grad Celsius. I ovenstående eksempel vil en stigning af temperaturen på 500 gram vand med 20 grader Celsius bruge op til 10.000 kalorier eller 10 kilokalorier
Metode 5 af 5: Beregning af Joule som elektrisk energi
Trin 1. Brug nedenstående trin til at beregne energistrømmen i et elektrisk kredsløb
Trinene nedenfor er angivet som praktiske eksempler, men du kan også bruge metoden til at forstå skriftlige fysiske problemer. Først beregner vi effekten P ved hjælp af formlen P = I2 x R, hvor I er strømmen i ampere og R er modstanden i ohm. Disse enheder producerer effekt i watt, så herfra kan vi bruge formlen i det foregående trin til at beregne energi i joule.
Trin 2. Vælg en modstand
Modstande måles i ohm, med størrelser skrevet direkte eller repræsenteret ved en samling af farvede linjer. Du kan også teste en modstands modstand ved at forbinde den med et ohmmeter eller multimeter. I dette eksempel antager vi, at modstanden er 10 ohm.
Trin 3. Tilslut modstanden til den aktuelle kilde
Du kan slutte ledningerne til modstanden med et Fahnestock- eller alligatorklemme, eller du kan tilslutte modstanden til et testkort.
Trin 4. Flowstrøm gennem kredsløbet i et bestemt tidsinterval
I dette eksempel vil vi bruge et interval på 10 sekunder.
Trin 5. Mål den aktuelle styrke
Gør dette med et amperemeter eller multimeter. De fleste husstandsstrømme måles i milliamper eller tusinder af ampere, så vi antager, at strømmen er 100 milliamper eller 0,1 ampere.
Trin 6. Brug formlen P = I2 x R.
For at finde strømmen ganges kvadratet af strømmen med modstanden. Dette resulterer i effekt i watt. Kvadrering 0,1 giver et resultat på 0,01, ganget med 10 giver en effekt på 0,1 watt eller 100 milliwatt.
Trin 7. Multiplicer strømmen med den forløbne tid
Denne multiplikation giver energiproduktionen i joule. 0,1 watt x 10 sekunder er lig med 1 joule elektrisk energi.
