Joule (J) är uppkallad efter den brittiska fysikern James Edward Joule och är en av grundenheterna i det internationella metriska systemet. Joule används som en enhet för arbete, energi och värme och används ofta i vetenskapliga tillämpningar. Om du vill ha ditt svar i joule, se alltid till att använda standardvetenskapliga enheter. Fotpund eller brittisk värmeenhet (BTU) används fortfarande på vissa områden, men inte i dina fysikläxor.
Steg
Metod 1 av 5: Beräkning av arbete i Joule
Steg 1. Förstå arbete i fysik
Om du skjuter en låda genom ett rum har du gjort en insats. Om du lyfter lådan har du också ansträngt dig. Det finns två viktiga kriterier som måste finnas i "verksamheten":
- Du ger en stadig stil.
- Denna kraft får föremål att röra sig i samma riktning som kraften.
Steg 2. Förstå definitionen av företag
Ansträngning är lätt att beräkna. Multiplicera bara mängden kraft och det totala avståndet objektet har rest. Vanligtvis uttrycker forskare kraft i Newton och avstånd i meter. Om du använder båda dessa enheter är den resulterande arbetsenheten Joules.
När du läser en fråga om affärer, stanna upp och fundera på var stilen är. Om du lyfter lådan trycker du upp den så att lådan rör sig uppåt. Så, det avstånd lådan färdas är hur högt det har rört sig uppåt. Men nästa gång du går framåt med lådan görs inga ansträngningar i denna process. Även om du fortfarande trycker lådan uppåt så att den inte faller går den inte längre upp
Steg 3. Hitta massan av objektet som förskjuts
Massan av ett objekt behövs för att beräkna kraften som krävs för att flytta det. Antag i vårt exempel att lasten har en massa på 10 kg (kg).
Undvik att använda kilo eller andra icke-standardiserade enheter, annars kommer ditt slutliga svar inte att vara i joule
Steg 4. Beräkna stilen
Kraft = massa x acceleration. I vårt exempel, när vi lyfter vikten rakt upp, beror accelerationen vi utövar på gravitationen, som under normala omständigheter accelererar objektet nedåt med 9,8 meter/sek.2. Beräkna kraften som krävs för att flytta upp vår last genom att multiplicera (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newton (N).
Om objektet flyttas horisontellt har tyngdkraften ingen effekt. Problemet kan be dig beräkna kraften som krävs för att motstå friktion. Om problemet berättar för accelerationen av ett objekt när det trycks, kan du multiplicera den kända accelerationen med dess massa
Steg 5. Mät förskjutningen
Antag för detta exempel att en last lyfts till en höjd av 1,5 meter (m). Förskjutningen måste mätas i meter, annars kommer ditt slutliga svar inte att vara i joule.
Steg 6. Multiplicera kraften med förskjutningen
För att lyfta en 98 newton vikt 1,5 meter hög måste du göra 98 x 1,5 = 147 joule arbete.
Steg 7. Beräkna arbetet för att flytta objektet i en viss vinkel
Vårt exempel ovan är enkelt: någon utövar en framåtriktad kraft på ett objekt och objektet rör sig framåt. Ibland är kraftens riktning och föremålets rörelse inte desamma, eftersom det finns flera krafter som verkar på objektet. I nästa exempel kommer vi att beräkna antalet joule som behövs för att ett barn ska dra en släde 25 meter genom platt snö genom att dra upp repet i en vinkel på 30º. För detta problem, arbeta = kraft x cosinus (θ) x förskjutning. Symbolen är den grekiska bokstaven theta, och beskriver vinkeln mellan kraftens riktning och rörelseriktningen.
Steg 8. Hitta den totala applicerade kraften
För detta problem, anta att ett barn drar i ett snöre med en kraft på 10 newton.
Om problemet utövar en kraft till höger, en uppåtgående kraft eller en kraft i rörelseriktningen, står dessa krafter redan för x -cosinus (θ) delen av kraften, och du kan hoppa framåt och fortsätta multiplicera värdena
Steg 9. Beräkna motsvarande kraft
Endast ett fåtal stilar drar släden framåt. När strängen pekar upp försöker en annan kraft dra upp den och dra den mot gravitationen. Beräkna kraften som utövas i rörelseriktningen:
- I vårt exempel är vinkeln mellan platt snö och repet 30º.
- Beräkna cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = cirka 0,866. Du kan använda en miniräknare för att hitta detta värde, men se till att din räknare använder samma enheter som din vinkelmätning (grader eller radianer).
- Multiplicera den totala kraften x cos (θ). I vårt exempel är 10 N x 0,866 = 8,66 krafter i rörelseriktningen.
Steg 10. Multiplicera kraften x förskjutning
Nu när vi vet vilken kraft som går framåt i rörelseriktningen kan vi beräkna arbetet som vanligt. Vårt problem berättar att släden rör sig fram 20 meter, så beräkna 8,66 N x 20 m = 173,2 joule arbete.
Metod 2 av 5: Beräkning av Joule från Watts
Steg 1. Förstå kraft och energi
Watt är en kraftenhet eller energianvändningshastighet (energi dividerat med tid). Medan Joule är en energienhet. För att konvertera Watts till Joule måste du bestämma tiden. Ju längre den elektriska strömmen flödar, desto större energi används.
Steg 2. Multiplicera Watt med sekunder för att få Joule
En 1 Watt -enhet förbrukar 1 Joule energi var 1: e sekund. Om du multiplicerar antalet watt med sekunder får du Joule. För att ta reda på hur mycket energi en 60W -lampa förbrukar på 120 sekunder behöver du bara multiplicera 60 watt x 120 sekunder = 7 200 Joule.
Denna formel kan användas för vilken effekt som helst uttryckt i watt, men i allmänhet i elektricitet
Metod 3 av 5: Beräkning av kinetisk energi i Joule
Steg 1. Förstå rörelseenergi
Kinetisk energi är mängden energi i form av rörelse. Liksom andra energienheter kan rörelseenergi skrivas i joule.
Kinetisk energi är lika med mängden arbete som utförs för att accelerera ett statiskt objekt till en viss hastighet. När objektet når den hastigheten kommer objektet att bibehålla en viss mängd kinetisk energi tills energin förvandlas till värme (från friktion), gravitationell potentiell energi (från att röra sig mot gravitationen) eller andra energityper
Steg 2. Hitta föremålets massa
Till exempel mäter vi rörelseenergin hos en cykel och en cyklist. Till exempel har ryttaren en massa på 50 kg, och hans cykel har en massa på 20 kg, för en total massa på 70 kg. Nu betraktar vi de två som ett objekt med en massa på 70 kg eftersom de båda kommer att röra sig med samma hastighet.
Steg 3. Beräkna hastigheten
Om du redan känner till cyklistens hastighet eller hastighet, skriv ner det och fortsätt. Om du behöver beräkna hastigheten använder du en av metoderna nedan. Observera att vi letar efter hastighet, inte hastighet (vilket är hastighet i en given riktning), även om förkortningen v ofta används. Ignorera alla svängar som cyklisten gör och anta att hela sträckan är täckt i en rak linje.
- Om cyklisten rör sig med en konstant hastighet (inte accelererar), mät avståndet som cyklisten färdas i meter och dividera med antalet sekunder det tar att ta det avståndet. Denna beräkning ger medelhastigheten, som i detta fall är lika med den momentana hastigheten.
- Om cyklisten upplever konstant acceleration och inte ändrar riktning, beräkna sin hastighet vid tidpunkten t med hjälp av formeln för hastighet vid tidpunkten t = (acceleration) (t) + initialhastighet. Använd andra för att mäta tid, meter/sekund för att mäta hastighet och m/s2 för att mäta acceleration.
Steg 4. Anslut dessa nummer till följande formel
Kinetisk energi = (1/2) m v 2. Till exempel, om en cyklist rör sig med en hastighet av 15 m/s, är hans rörelseenergi 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.
Formeln för rörelseenergi kan härledas från definitionen av arbete, W = FΔs, och den kinematiska ekvationen v2 = v02 + 2aΔs. s representerar en förändring av position eller sträcka.
Metod 4 av 5: Beräkning av värme i Joule
Steg 1. Hitta massan av objektet som värms upp
Använd en skala eller fjäderbalans för att mäta den. Om föremålet är en vätska, mät först den tomma behållaren i vilken vätskan är och hitta dess massa. Du måste subtrahera den från behållarens massa plus vätskan för att hitta vätskans massa. För det här exemplet, låt oss säga att objektet är 500 gram vatten.
Använd gram, inte andra enheter, annars blir resultatet inte joule
Steg 2. Hitta objektets specifika värme
Denna information finns i kemireferenser, både i bokform och online. För vatten är den specifika värmen på c 4,19 joule per gram för varje grad Celsius som den värms upp - eller 4,1855, om du behöver det exakta värdet.
- Den faktiska specifika värmen varierar något baserat på temperatur och tryck. Olika organisationer och läroböcker använder olika standardtemperaturer, så du kan se den specifika vattenvärmen som anges som 4.179.
- Du kan använda Kelvin istället för Celsius eftersom temperaturskillnaden är densamma för båda enheterna (uppvärmning av något med 3ºC motsvarar uppvärmning med 3 Kelvin). Använd inte Fahrenheit, annars kommer dina resultat inte i joule.
Steg 3. Hitta objektets initialtemperatur
Om föremålet är en vätska kan du använda en kvicksilvertermometer. För vissa artiklar kan du behöva en sondtermometer.
Steg 4. Värm föremålet och mät temperaturen igen
Detta mäter föremålets värmevinst under uppvärmning.
Om du vill mäta den totala mängden energi som lagras som värme kan du anta att utgångstemperaturen är absolut noll: 0 Kelvin eller -273,15ºC. Detta är inte särskilt användbart
Steg 5. Subtrahera initialtemperaturen från uppvärmningstemperaturen
Denna minskning kommer att resultera i en viss temperaturförändring i objektet. Antag att vattnet tidigare var 15 grader Celsius och uppvärmt till 35 grader Celsius, ändras temperaturen till 20 grader Celsius.
Steg 6. Multiplicera objektets massa med dess specifika värme och med storleken på temperaturförändringen
Formeln är skriven Q = mc T, där T är temperaturförändringen. För detta exempel skulle det vara 500 g x 4, 19 x 20 eller 41 900 joule.
Värme skrivs oftare i kalori- eller kilokalorimetrisystemet. En kalori definieras som den mängd värme som behövs för att höja temperaturen på 1 gram vatten med 1 grad Celsius, medan en kilokalori är den mängd värme som behövs för att höja temperaturen på 1 kilo vatten med 1 grad Celsius. I exemplet ovan kommer en höjning av temperaturen på 500 gram vatten med 20 grader Celsius att kosta upp 10 000 kalorier eller 10 kilokalorier
Metod 5 av 5: Beräkning av Joule som elektrisk energi
Steg 1. Använd stegen nedan för att beräkna energiflödet i en elektrisk krets
Stegen nedan listas som praktiska exempel, men du kan också använda metoden för att förstå skriftliga fysikproblem. Först beräknar vi effekten P med formeln P = I2 x R, där I är strömmen i ampere och R är motståndet i ohm. Dessa enheter producerar effekt i watt, så härifrån kan vi använda formeln i föregående steg för att beräkna energi i joule.
Steg 2. Välj ett motstånd
Motstånd mäts i ohm, med storlekar skrivna direkt eller representeras av en samling färgade linjer. Du kan också testa motståndet hos ett motstånd genom att ansluta det med en ohmmeter eller multimeter. För detta exempel antar vi att motståndet är 10 ohm.
Steg 3. Anslut motståndet till den aktuella källan
Du kan ansluta ledningarna till motståndet med en Fahnestock eller krokodilklämma, eller så kan du ansluta motståndet till ett testkort.
Steg 4. Flödesström genom kretsen under ett visst tidsintervall
I det här exemplet använder vi ett intervall på 10 sekunder.
Steg 5. Mät strömstyrkan
Gör detta med en ammeter eller multimeter. De flesta hushållsströmmar mäts i milliamper eller tusentals ampere, så vi antar att strömmen är 100 milliamper eller 0,1 ampere.
Steg 6. Använd formeln P = I2 x R.
För att hitta kraften, multiplicera kvadraten av strömmen med motståndet. Detta resulterar i effekt i watt. Kvadrering 0,1 ger ett resultat på 0,01, multiplicerat med 10 ger en effekt på 0,1 watt eller 100 milliwatt.
Steg 7. Multiplicera kraften med den förflutna tiden
Denna multiplikation ger energiproduktionen i joule. 0,1 watt x 10 sekunder är lika med 1 joule elektrisk energi.
