Πήρε το όνομά του από τον Βρετανό φυσικό James Edward Joule, το joule (J) είναι μία από τις βασικές μονάδες του διεθνούς μετρικού συστήματος. Το joule χρησιμοποιείται ως μονάδα εργασίας, ενέργειας και θερμότητας και χρησιμοποιείται ευρέως σε επιστημονικές εφαρμογές. Εάν θέλετε την απάντησή σας σε joules, φροντίστε πάντα να χρησιμοποιείτε τυπικές επιστημονικές ενότητες. Η λίβρα ή η βρετανική μονάδα θερμότητας (BTU) εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε ορισμένους τομείς, αλλά όχι στις εργασίες της φυσικής σας.
Βήμα
Μέθοδος 1 από 5: Υπολογισμός εργασίας σε Joules
Βήμα 1. Κατανοήστε την εργασία στη φυσική
Αν σπρώξετε ένα κουτί μέσα από ένα δωμάτιο, έχετε κάνει μια προσπάθεια. Αν σηκώσετε το κουτί, έχετε κάνει επίσης μια προσπάθεια. Υπάρχουν δύο σημαντικά κριτήρια που πρέπει να υπάρχουν στην "επιχείρηση":
- Παρέχετε ένα σταθερό στυλ.
- Αυτή η δύναμη κάνει τα αντικείμενα να κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση με τη δύναμη.
Βήμα 2. Κατανοήστε τον ορισμό της επιχείρησης
Η προσπάθεια είναι εύκολο να υπολογιστεί. Απλώς πολλαπλασιάστε το μέγεθος της δύναμης και τη συνολική απόσταση που έχει διανύσει το αντικείμενο. Συνήθως, οι επιστήμονες εκφράζουν δύναμη σε Newtons και απόσταση σε μέτρα. Εάν χρησιμοποιείτε και τις δύο αυτές μονάδες, η προκύπτουσα μονάδα εργασίας είναι Joules.
Κάθε φορά που διαβάζετε μια ερώτηση σχετικά με τις επιχειρήσεις, σταματήστε και σκεφτείτε πού βρίσκεται το στυλ. Αν σηκώσετε το κουτί, το σπρώχνετε προς τα πάνω έτσι ώστε το κιβώτιο να κινηθεί προς τα πάνω. Έτσι, η απόσταση που διανύει το κουτί είναι πόσο ψηλά έχει ανέβει. Ωστόσο, την επόμενη φορά που θα προχωρήσετε με το κουτί, δεν γίνεται καμία προσπάθεια σε αυτή τη διαδικασία. Ακόμα κι αν εξακολουθείτε να πιέζετε το κουτί προς τα πάνω για να μην πέσει, δεν ανεβαίνει πλέον
Βήμα 3. Βρείτε τη μάζα του αντικειμένου που μετατοπίζεται
Η μάζα ενός αντικειμένου είναι απαραίτητη για τον υπολογισμό της δύναμης που απαιτείται για τη μετακίνησή του. Στο παράδειγμά μας, ας υποθέσουμε ότι το φορτίο έχει μάζα 10 κιλών (kg).
Αποφύγετε τη χρήση κιλών ή άλλων μη τυποποιημένων μονάδων, διαφορετικά η τελική σας απάντηση δεν θα είναι σε joules
Βήμα 4. Υπολογίστε το στυλ
Δύναμη = μάζα x επιτάχυνση. Στο παράδειγμά μας, σηκώνοντας το βάρος ευθεία προς τα πάνω, η επιτάχυνση που ασκούμε οφείλεται στη βαρύτητα, η οποία υπό κανονικές συνθήκες επιταχύνει το αντικείμενο προς τα κάτω στα 9,8 μέτρα/δευτερόλεπτο.2Το Υπολογίστε τη δύναμη που απαιτείται για να μετακινήσουμε το φορτίο μας προς τα πάνω πολλαπλασιάζοντας (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newtons (N).
Εάν το αντικείμενο μετακινηθεί οριζόντια, η βαρύτητα δεν έχει καμία επίδραση. Το πρόβλημα μπορεί να σας ζητήσει να υπολογίσετε τη δύναμη που απαιτείται για να αντισταθείτε στην τριβή. Εάν το πρόβλημα σας λέει την επιτάχυνση ενός αντικειμένου καθώς ωθείται, μπορείτε να πολλαπλασιάσετε τη γνωστή επιτάχυνση με τη μάζα του
Βήμα 5. Μετρήστε τη μετατόπιση που διανύθηκε
Για αυτό το παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι ένα φορτίο ανυψώνεται σε ύψος 1,5 μέτρων (m). Η μετατόπιση πρέπει να μετρηθεί σε μέτρα, διαφορετικά η τελική απάντησή σας δεν θα είναι σε joules.
Βήμα 6. Πολλαπλασιάστε τη δύναμη με τη μετατόπιση
Για να σηκώσετε ένα βάρος 98 newton ύψους 1,5 μέτρων, πρέπει να κάνετε 98 x 1,5 = 147 joules εργασίας.
Βήμα 7. Υπολογίστε την εργασία που έγινε για να μετακινήσετε το αντικείμενο σε μια συγκεκριμένη γωνία
Το παραπάνω παράδειγμα μας είναι απλό: κάποιος ασκεί μια δύναμη προς τα εμπρός σε ένα αντικείμενο και το αντικείμενο κινείται προς τα εμπρός. Μερικές φορές, η κατεύθυνση της δύναμης και η κίνηση του αντικειμένου δεν είναι οι ίδιες, επειδή υπάρχουν αρκετές δυνάμεις που δρουν στο αντικείμενο. Στο επόμενο παράδειγμα, θα υπολογίσουμε τον αριθμό των joules που χρειάζεται ένα παιδί για να τραβήξει ένα έλκηθρο 25 μέτρα μέσα από επίπεδο χιόνι τραβώντας το σχοινί προς τα πάνω υπό γωνία 30º. Για αυτό το πρόβλημα, εργασία = δύναμη x συνημίτονο (θ) x μετατόπιση. Το σύμβολο είναι το ελληνικό γράμμα θήτα και περιγράφει τη γωνία μεταξύ της διεύθυνσης της δύναμης και της κατεύθυνσης της κίνησης.
Βήμα 8. Βρείτε τη συνολική εφαρμοζόμενη δύναμη
Για αυτό το πρόβλημα, ας υποθέσουμε ότι ένα παιδί τραβάει μια χορδή με δύναμη 10 newtons.
Εάν το πρόβλημα ασκεί μια δύναμη προς τα δεξιά, μια δύναμη προς τα πάνω ή μια δύναμη προς την κατεύθυνση της κίνησης, τότε αυτές οι δυνάμεις αντιπροσωπεύουν ήδη το x συνημίτονο (θ) της δύναμης και μπορείτε να παραλείψετε μπροστά και να συνεχίσετε να πολλαπλασιάζετε τις τιμές Το
Βήμα 9. Υπολογίστε την αντίστοιχη δύναμη
Μόνο μερικά στυλ τραβούν το έλκηθρο μπροστά. Καθώς η χορδή δείχνει προς τα πάνω, μια άλλη δύναμη προσπαθεί να την τραβήξει προς τα πάνω, τραβώντας την ενάντια στη βαρύτητα. Υπολογίστε τη δύναμη που ασκείται προς την κατεύθυνση της κίνησης:
- Στο παράδειγμά μας, η γωνία μεταξύ του επίπεδου χιονιού και του σχοινιού είναι 30º.
- Υπολογίστε cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = περίπου 0.866. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια αριθμομηχανή για να βρείτε αυτήν την τιμή, αλλά βεβαιωθείτε ότι ο υπολογιστής σας χρησιμοποιεί τις ίδιες μονάδες με τη μέτρηση γωνίας (μοίρες ή ακτίνια).
- Πολλαπλασιάστε τη συνολική δύναμη x cos (θ). Στο παράδειγμά μας, 10 N x 0,866 = 8,66 δυνάμεις προς την κατεύθυνση της κίνησης.
Βήμα 10. Πολλαπλασιάστε τη μετατόπιση δύναμης x
Τώρα που γνωρίζουμε τη δύναμη που προχωρά προς την κατεύθυνση της κίνησης, μπορούμε να υπολογίσουμε το έργο ως συνήθως. Το πρόβλημά μας μας λέει ότι το έλκηθρο κινείται 20 μέτρα μπροστά, οπότε υπολογίστε 8,66 N x 20 m = 173,2 joules εργασίας.
Μέθοδος 2 από 5: Υπολογισμός Joules από Watts
Βήμα 1. Κατανοήστε τη δύναμη και την ενέργεια
Το Watt είναι μια μονάδα ισχύος ή ρυθμός χρήσης ενέργειας (ενέργεια διαιρούμενη με το χρόνο). Ενώ το Joule είναι μια μονάδα ενέργειας. Για να μετατρέψετε τα Watt σε Joules, πρέπει να καθορίσετε την ώρα. Όσο περισσότερο ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια που χρησιμοποιείται.
Βήμα 2. Πολλαπλασιάστε τα Watt με δευτερόλεπτα για να πάρετε Joules
Μια συσκευή 1 Watt θα καταναλώνει 1 Joule ενέργειας κάθε 1 δευτερόλεπτο. Εάν πολλαπλασιάσετε τον αριθμό των Watt με δευτερόλεπτα, θα λάβετε Joules. Για να μάθετε πόση ενέργεια καταναλώνει ένας λαμπτήρας 60W σε 120 δευτερόλεπτα, πρέπει απλώς να πολλαπλασιάσετε 60 watts x 120 δευτερόλεπτα = 7.200 Joules.
Αυτός ο τύπος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιαδήποτε ισχύ εκφρασμένη σε Watt, αλλά γενικά σε ηλεκτρική ενέργεια
Μέθοδος 3 από 5: Υπολογισμός Κινητικής Ενέργειας σε Joules
Βήμα 1. Κατανοήστε την κινητική ενέργεια
Η κινητική ενέργεια είναι η ποσότητα ενέργειας με τη μορφή κίνησης. Όπως και άλλες ενεργειακές μονάδες, η κινητική ενέργεια μπορεί να γραφτεί σε joules.
Η κινητική ενέργεια είναι ίση με την ποσότητα εργασίας που επιτελείται για την επιτάχυνση ενός στατικού αντικειμένου σε μια ορισμένη ταχύτητα. Μόλις το αντικείμενο φτάσει σε αυτήν την ταχύτητα, το αντικείμενο θα διατηρήσει μια ορισμένη ποσότητα κινητικής ενέργειας έως ότου η ενέργεια μετατραπεί σε θερμότητα (από τριβή), βαρυτική δυνητική ενέργεια (από κίνηση ενάντια στη βαρύτητα) ή άλλους τύπους ενέργειας
Βήμα 2. Βρείτε τη μάζα του αντικειμένου
Για παράδειγμα, μετράμε την κινητική ενέργεια ενός ποδηλάτου και ενός ποδηλάτη. Για παράδειγμα, ο αναβάτης έχει μάζα 50 κιλών και το ποδήλατό του έχει μάζα 20 κιλών, για συνολική μάζα m 70 κιλών. Τώρα, θεωρούμε τα δύο ως ένα αντικείμενο με μάζα 70 κιλά επειδή και τα δύο θα κινούνται με την ίδια ταχύτητα.
Βήμα 3. Υπολογίστε την ταχύτητα
Εάν γνωρίζετε ήδη την ταχύτητα ή την ταχύτητα του ποδηλάτη, απλά γράψτε το και προχωρήστε. Εάν πρέπει να υπολογίσετε την ταχύτητα, χρησιμοποιήστε μία από τις παρακάτω μεθόδους. Σημειώστε ότι αναζητούμε ταχύτητα και όχι ταχύτητα (η οποία είναι ταχύτητα σε μια δεδομένη κατεύθυνση), αν και η συντομογραφία v χρησιμοποιείται συχνά. Αγνοήστε τυχόν στροφές που κάνει ο ποδηλάτης και υποθέστε ότι ολόκληρη η απόσταση καλύπτεται σε ευθεία γραμμή.
- Εάν ο ποδηλάτης κινείται με σταθερή ταχύτητα (όχι επιτάχυνση), μετρήστε την απόσταση που διανύει ο ποδηλάτης σε μέτρα και διαιρέστε με τον αριθμό των δευτερολέπτων που θα διαρκέσει για να καλύψει αυτή την απόσταση. Αυτός ο υπολογισμός θα δώσει τη μέση ταχύτητα, η οποία στην περίπτωση αυτή είναι ίση με τη στιγμιαία ταχύτητα.
- Εάν ο ποδηλάτης παρουσιάζει σταθερή επιτάχυνση και δεν αλλάζει κατεύθυνση, υπολογίστε την ταχύτητά του τη στιγμή t χρησιμοποιώντας τον τύπο για την ταχύτητα τη στιγμή t = (επιτάχυνση) (t) + αρχική ταχύτητα. Χρησιμοποιήστε το δεύτερο για τη μέτρηση του χρόνου, το μέτρο/δευτερόλεπτο για τη μέτρηση της ταχύτητας και m/s2 για τη μέτρηση της επιτάχυνσης.
Βήμα 4. Συνδέστε αυτούς τους αριθμούς στον ακόλουθο τύπο
Κινητική ενέργεια = (1/2) m v 2Το Για παράδειγμα, εάν ένας ποδηλάτης κινείται με ταχύτητα 15 m/s, η κινητική του ενέργεια EK = (1/2) (70 kg) (15 m/s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m/s) (15 m/s) = 7875 kgm2/μικρό2 = 7875 μέτρα Newton = 7875 joules.
Ο τύπος για την κινητική ενέργεια μπορεί να προκύψει από τον ορισμό της εργασίας, W = FΔs, και την κινηματική εξίσωση v2 = v02 + 2αΔs. s αντιπροσωπεύει μια αλλαγή στη θέση ή την απόσταση που διανύθηκε.
Μέθοδος 4 από 5: Υπολογισμός θερμότητας σε Joules
Βήμα 1. Βρείτε τη μάζα του θερμαινόμενου αντικειμένου
Χρησιμοποιήστε μια ζυγαριά ή ένα ζυγό ελατηρίου για να το μετρήσετε. Εάν το αντικείμενο είναι υγρό, μετρήστε πρώτα το άδειο δοχείο στο οποίο βρίσκεται το υγρό και βρείτε τη μάζα του. Πρέπει να το αφαιρέσετε από τη μάζα του δοχείου συν το υγρό για να βρείτε τη μάζα του υγρού. Για αυτό το παράδειγμα, ας πούμε ότι το αντικείμενο είναι 500 γραμμάρια νερού.
Χρησιμοποιήστε γραμμάρια, όχι άλλες μονάδες, διαφορετικά το αποτέλεσμα δεν θα είναι joules
Βήμα 2. Βρείτε τη συγκεκριμένη θερμότητα του αντικειμένου
Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να βρεθούν σε αναφορές χημείας, τόσο σε μορφή βιβλίου όσο και στο διαδίκτυο. Για το νερό, η ειδική θερμότητα του c είναι 4,19 joules ανά γραμμάριο για κάθε βαθμό Κελσίου που θερμαίνεται - ή 4,1855, εάν χρειάζεστε την ακριβή τιμή.
- Η πραγματική ειδική θερμότητα ποικίλλει ελαφρώς με βάση τη θερμοκρασία και την πίεση. Διαφορετικοί οργανισμοί και εγχειρίδια χρησιμοποιούν διαφορετικές τυπικές θερμοκρασίες, οπότε μπορεί να δείτε τη συγκεκριμένη θερμότητα του νερού που αναφέρεται ως 4.179.
- Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον Κέλβιν αντί του Κελσίου επειδή η διαφορά θερμοκρασίας είναι η ίδια και για τις δύο μονάδες (η θέρμανση κάτι κατά 3ºC ισοδυναμεί με θέρμανση κατά 3 Κέλβιν). Μην χρησιμοποιείτε Φαρενάιτ, διαφορετικά τα αποτελέσματά σας δεν θα είναι σε joules.
Βήμα 3. Βρείτε την αρχική θερμοκρασία του αντικειμένου
Εάν το αντικείμενο είναι υγρό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα θερμόμετρο υδραργύρου. Για ορισμένα αντικείμενα, μπορεί να χρειαστείτε ένα θερμόμετρο ανιχνευτή.
Βήμα 4. Θερμάνετε το αντικείμενο και μετρήστε ξανά τη θερμοκρασία
Αυτό θα μετρήσει το κέρδος θερμότητας του αντικειμένου κατά τη θέρμανση.
Εάν θέλετε να μετρήσετε τη συνολική ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται ως θερμότητα, μπορείτε να υποθέσετε ότι η αρχική θερμοκρασία είναι απόλυτο μηδέν: 0 Κέλβιν ή -273,15ºC. Αυτό δεν είναι πολύ χρήσιμο
Βήμα 5. Αφαιρέστε την αρχική θερμοκρασία από τη θερμοκρασία θέρμανσης
Αυτή η μείωση θα έχει ως αποτέλεσμα ένα βαθμό μεταβολής της θερμοκρασίας στο αντικείμενο. Αν υποθέσουμε ότι το νερό ήταν προηγουμένως 15 βαθμούς Κελσίου και θερμάνθηκε στους 35 βαθμούς Κελσίου, η θερμοκρασία αλλάζει στους 20 βαθμούς Κελσίου.
Βήμα 6. Πολλαπλασιάστε τη μάζα του αντικειμένου με τη συγκεκριμένη θερμότητά του και με το μέγεθος της μεταβολής της θερμοκρασίας
Ο τύπος γράφεται Q = mc T, όπου T είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας. Για αυτό το παράδειγμα, θα ήταν 500g x 4, 19 x 20 ή 41.900 joules.
Η θερμότητα γράφεται συχνότερα στο μετρικό σύστημα θερμίδων ή χιλιοθερμίδων. Ως θερμίδα ορίζεται η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του 1 γραμμαρίου νερού κατά 1 βαθμό Κελσίου, ενώ η θερμίδα είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του 1 κιλού νερού κατά 1 βαθμό Κελσίου. Στο παραπάνω παράδειγμα, η αύξηση της θερμοκρασίας των 500 γραμμαρίων νερού κατά 20 βαθμούς Κελσίου θα χρησιμοποιήσει έως και 10.000 θερμίδες ή 10 κιλά θερμίδες
Μέθοδος 5 από 5: Υπολογισμός Joules ως ηλεκτρικής ενέργειας
Βήμα 1. Χρησιμοποιήστε τα παρακάτω βήματα για να υπολογίσετε τη ροή ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα
Τα παρακάτω βήματα παρατίθενται ως πρακτικά παραδείγματα, αλλά μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τη μέθοδο για να κατανοήσετε γραπτά προβλήματα φυσικής. Αρχικά, θα υπολογίσουμε την ισχύ Ρ χρησιμοποιώντας τον τύπο P = I2 x R, όπου I είναι το ρεύμα σε αμπέρ και R είναι η αντίσταση σε ωμ. Αυτές οι μονάδες παράγουν ισχύ σε watt, οπότε από εδώ, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον τύπο στο προηγούμενο βήμα για να υπολογίσουμε την ενέργεια σε joules.
Βήμα 2. Επιλέξτε μια αντίσταση
Οι αντιστάσεις μετρώνται σε ωμ, με τα μεγέθη να γράφονται απευθείας ή να αντιπροσωπεύονται από μια συλλογή χρωματιστών γραμμών. Μπορείτε επίσης να δοκιμάσετε την αντίσταση μιας αντίστασης συνδέοντάς την με ωμόμετρο ή πολύμετρο. Για αυτό το παράδειγμα, υποθέτουμε ότι η αντίσταση είναι 10 ohms.
Βήμα 3. Συνδέστε την αντίσταση στην τρέχουσα πηγή
Μπορείτε να συνδέσετε τα καλώδια στην αντίσταση με ένα κλιπ Fahnestock ή αλιγάτορα ή μπορείτε να συνδέσετε την αντίσταση σε μια δοκιμαστική πλακέτα.
Βήμα 4. Ρεύμα ρεύματος μέσω του κυκλώματος για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα
Για αυτό το παράδειγμα, θα χρησιμοποιήσουμε ένα διάστημα 10 δευτερολέπτων.
Βήμα 5. Μετρήστε την τρέχουσα ισχύ
Κάντε το με αμπερόμετρο ή πολύμετρο. Τα περισσότερα οικιακά ρεύματα μετρώνται σε χιλιοστά αμπέρ, ή χιλιάδες αμπέρ, οπότε υποθέτουμε ότι το ρεύμα είναι 100 χιλιοστά αμπέρ ή 0,1 αμπέρ.
Βήμα 6. Χρησιμοποιήστε τον τύπο P = I2 x R.
Για να βρείτε την ισχύ, πολλαπλασιάστε το τετράγωνο του ρεύματος με την αντίσταση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ισχύ εξόδου σε watt. Ο τετραγωνισμός 0.1 δίνει ένα αποτέλεσμα 0,01, πολλαπλασιασμένο με 10 δίνει μια ισχύ εξόδου 0,1 watt ή 100 milliwatt.
Βήμα 7. Πολλαπλασιάστε την ισχύ με τον χρόνο που έχει παρέλθει
Αυτός ο πολλαπλασιασμός δίνει την παραγωγή ενέργειας σε joules. 0,1 watt x 10 δευτερόλεπτα ισούται με 1 joule ηλεκτρικής ενέργειας.
