Pojmenovaný podle britského fyzika Jamese Edwarda Jouleho je joule (J) jednou ze základních jednotek mezinárodního metrického systému. Joule se používá jako jednotka práce, energie a tepla a je široce používán ve vědeckých aplikacích. Pokud chcete odpověď v joulech, vždy použijte standardní vědecké jednotky. Foot-pound nebo britská jednotka tepla (BTU) se stále používá v některých oblastech, ale ne ve vašich domácích úkolech z fyziky.
Krok
Metoda 1 z 5: Výpočet práce v joulech
Krok 1. Pochopte práci ve fyzice
Pokud skrz místnost protlačíte krabici, vynaložili jste úsilí. Pokud krabici nadzvednete, vynaložili jste také úsilí. V „podnikání“musí existovat dvě důležitá kritéria:
- Poskytujete stabilní styl.
- Tato síla způsobí, že se objekty pohybují stejným směrem jako síla.
Krok 2. Pochopte definici podnikání
Úsilí lze snadno vypočítat. Stačí znásobit množství síly a celkovou vzdálenost, kterou předmět urazil. Vědci obvykle vyjadřují sílu v Newtonech a vzdálenost v metrech. Pokud použijete obě tyto jednotky, výsledná jednotka práce je Joule.
Kdykoli čtete otázku o podnikání, zastavte se a přemýšlejte o tom, kde ten styl je. Zvednete -li krabici, zatlačíte ji nahoru, aby se krabice posunula nahoru. Vzdálenost, kterou krabice urazí, je, jak vysoko se posunula nahoru. Až však příště půjdete s boxem kupředu, nebude v tomto procesu vynaloženo žádné úsilí. I když krabici stále tlačíte nahoru, aby nespadla, už se nepohybuje nahoru
Krok 3. Najděte hmotnost posunutého předmětu
Hmotnost předmětu je potřebná k výpočtu síly potřebné k jeho pohybu. V našem případě předpokládejme, že náklad má hmotnost 10 kilogramů (kg).
Nepoužívejte libry ani jiné nestandardní jednotky, jinak vaše konečná odpověď nebude v joulech
Krok 4. Vypočítejte styl
Síla = hmotnost x zrychlení. V našem příkladu, při zvedání závaží přímo nahoru, je zrychlení, které vyvíjíme, způsobeno gravitací, která za normálních okolností zrychluje předmět dolů rychlostí 9,8 metru/s.2. Vypočítejte sílu potřebnou k pohybu našeho nákladu vynásobením (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newtonů (N).
Pokud se objekt pohybuje vodorovně, gravitace nemá žádný účinek. Problém vás může požádat o výpočet síly potřebné k odolání tření. Pokud vám problém řekne zrychlení objektu při jeho tlačení, můžete známé zrychlení znásobit jeho hmotností
Krok 5. Změřte ujetý výtlak
V tomto případě předpokládejme, že je náklad zvednut do výšky 1,5 metru (m). Výtlak musí být měřen v metrech, jinak vaše konečná odpověď nebude v joulech.
Krok 6. Vynásobte sílu výtlakem
Chcete -li zvednout hmotnost 98 newtonů 1,5 metru vysokou, musíte udělat 98 x 1,5 = 147 joulů práce.
Krok 7. Vypočítejte práci odvedenou na pohyb předmětu pod určitým úhlem
Náš výše uvedený příklad je jednoduchý: někdo působí na předmět silou vpřed a předmět se pohybuje vpřed. Někdy směr síly a pohyb předmětu nejsou stejné, protože na předmět působí několik sil. V dalším příkladu vypočítáme počet joulů potřebných k tomu, aby dítě táhlo sáně 25 metrů plochým sněhem vytažením lana nahoru pod úhlem 30º. Pro tento problém platí = síla x kosinus (θ) x výtlak. Symbol je řecké písmeno theta a popisuje úhel mezi směrem síly a směrem pohybu.
Krok 8. Najděte celkovou aplikovanou sílu
U tohoto problému předpokládejme, že dítě zatáhne za provázek silou 10 newtonů.
Pokud problém působí silou doprava, silou vzhůru nebo silou ve směru pohybu, pak tyto síly již tvoří část x kosinusové (θ) části síly a můžete přeskočit dopředu a pokračovat v násobení hodnot
Krok 9. Vypočítejte odpovídající sílu
Pouze několik stylů táhne saně dopředu. Jak struna směřuje vzhůru, snaží se ji vytáhnout další síla, která ji táhne proti gravitaci. Vypočítejte sílu vyvíjenou ve směru pohybu:
- V našem případě je úhel mezi plochým sněhem a lanem 30 °.
- Vypočítejte cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = přibližně 0,866. K nalezení této hodnoty můžete použít kalkulačku, ale ujistěte se, že vaše kalkulačka používá stejné jednotky jako vaše měření úhlu (stupně nebo radiány).
- Vynásobte celkovou sílu x cos (θ). V našem případě 10 N x 0,866 = 8,66 sil ve směru pohybu.
Krok 10. Vynásobte sílu x výtlak
Nyní, když známe sílu, která postupuje ve směru pohybu, můžeme vypočítat práci jako obvykle. Náš problém nám říká, že saně se pohybují vpřed o 20 metrů, takže spočítejte 8,66 N x 20 m = 173,2 joulů práce.
Metoda 2 z 5: Výpočet joulů z wattů
Krok 1. Pochopte sílu a energii
Watt je jednotka výkonu nebo rychlosti spotřeby energie (energie dělená časem). Zatímco Joule je jednotka energie. Chcete -li převést Watty na Jouly, musíte určit čas. Čím déle elektrický proud protéká, tím větší je spotřebovaná energie.
Krok 2. Znásobením wattů sekundy získáte jouly
1 W zařízení spotřebuje 1 Joule energie každou 1 sekundu. Pokud vynásobíte počet wattů sekundami, získáte Jouly. Chcete -li zjistit, kolik energie 60W lampa spotřebuje za 120 sekund, stačí znásobit 60 wattů x 120 sekund = 7 200 joulů.
Tento vzorec lze použít pro jakýkoli výkon vyjádřený ve wattech, ale obecně v elektřině
Metoda 3 z 5: Výpočet kinetické energie v joulech
Krok 1. Pochopte kinetickou energii
Kinetická energie je množství energie ve formě pohybu. Stejně jako ostatní energetické jednotky lze kinetickou energii zapisovat v joulech.
Kinetická energie se rovná množství práce odvedené na zrychlení statického objektu na určitou rychlost. Jakmile předmět dosáhne této rychlosti, zachová si určité množství kinetické energie, dokud se energie nezmění na teplo (z tření), gravitační potenciální energii (z pohybu proti gravitaci) nebo jiné druhy energie
Krok 2. Najděte hmotnost předmětu
Například měříme kinetickou energii jízdního kola a cyklisty. Například jezdec má hmotnost 50 kg a jeho kolo má hmotnost 20 kg, celková hmotnost m je 70 kg. Nyní tyto dva považujeme za jeden objekt s hmotností 70 kg, protože oba se budou pohybovat stejnou rychlostí.
Krok 3. Vypočítejte rychlost
Pokud už znáte rychlost nebo rychlost cyklisty, stačí si to zapsat a jít dál. Pokud potřebujete vypočítat rychlost, použijte jednu z níže uvedených metod. Všimněte si, že hledáme rychlost, nikoli rychlost (což je rychlost v daném směru), i když se často používá zkratka v. Ignorujte všechny zatáčky, které cyklista dělá, a předpokládejte, že celá vzdálenost je uražena v přímce.
- Pokud se cyklista pohybuje konstantní rychlostí (nezrychluje), změřte vzdálenost, kterou cyklista urazí v metrech, a vydělte počtem sekund, které bude tato vzdálenost trvat. Tento výpočet poskytne průměrnou rychlost, která se v tomto případě rovná okamžité rychlosti.
- Pokud cyklista zažívá konstantní zrychlení a nemění směr, vypočítejte jeho rychlost v čase t podle vzorce pro rychlost v čase t = (zrychlení) (t) + počáteční rychlost. Použijte sekundu k měření času, metr/sekundu k měření rychlosti a m/s2 měřit zrychlení.
Krok 4. Zapojte tato čísla do následujícího vzorce
Kinetická energie = (1/2) m v 2. Pokud se například cyklista pohybuje rychlostí 15 m/s, jeho kinetická energie EK = (1/2) (70 kg) (15 m/s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m/s) (15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newtonmetrů = 7875 joulů.
Vzorec pro kinetickou energii lze odvodit z definice práce, W = FΔs, a kinematické rovnice v2 = v02 + 2aΔs. s představuje změnu polohy nebo ujeté vzdálenosti.
Metoda 4 z 5: Výpočet tepla v joulech
Krok 1. Najděte hmotnost ohřívaného předmětu
Změřte ji pomocí váhy nebo pružinové váhy. Pokud je předmětem kapalina, nejprve změřte prázdnou nádobu, ve které je kapalina, a zjistěte její hmotnost. Chcete -li zjistit hmotnost kapaliny, musíte ji odečíst od hmotnosti nádoby plus kapaliny. V tomto případě řekněme, že objektem je 500 gramů vody.
Použijte gramy, ne jiné jednotky, jinak výsledek nebude jouly
Krok 2. Najděte specifické teplo objektu
Tyto informace lze nalézt v referencích o chemii, a to jak v knižní podobě, tak online. U vody je specifické teplo c 4,19 joulů na gram na každý stupeň Celsia, který se ohřívá - nebo 4,1855, pokud potřebujete přesnou hodnotu.
- Skutečné specifické teplo se mírně liší v závislosti na teplotě a tlaku. Různé organizace a učebnice používají různé standardní teploty, takže můžete vidět specifické teplo vody uvedené jako 4.179.
- Místo Celsia můžete použít Kelvin, protože teplotní rozdíl je u obou jednotek stejný (ohřát něco o 3 ° C se rovná ohřátí o 3 Kelviny). Nepoužívejte Fahrenheit, jinak vaše výsledky nebudou v joulech.
Krok 3. Zjistěte počáteční teplotu objektu
Pokud je předmět kapalina, můžete použít rtuťový teploměr. U některých položek budete možná potřebovat sondový teploměr.
Krok 4. Zahřejte předmět a znovu změřte teplotu
To bude měřit tepelný zisk objektu během ohřevu.
Pokud chcete změřit celkové množství energie uložené jako teplo, můžete předpokládat, že počáteční teplota je absolutní nula: 0 Kelvinů nebo -273,15ºC. To není příliš užitečné
Krok 5. Odečtěte počáteční teplotu od teploty ohřevu
Toto snížení bude mít za následek určitý stupeň změny teploty v objektu. Za předpokladu, že voda měla dříve 15 stupňů Celsia a ohřála se na 35 stupňů Celsia, teplota se změní na 20 stupňů Celsia.
Krok 6. Vynásobte hmotnost předmětu jeho specifickým teplem a velikostí změny teploty
Vzorec je napsán Q = mc T, kde T je změna teploty. V tomto případě by to bylo 500 g x 4, 19 x 20 nebo 41 900 joulů.
Teplo se častěji zapisuje do metrického systému kalorií nebo kilokalorií. Kalorie je definována jako množství tepla potřebného ke zvýšení teploty 1 gramu vody o 1 stupeň Celsia, zatímco kilokalorie je množství tepla potřebného ke zvýšení teploty 1 kilogramu vody o 1 stupeň Celsia. Ve výše uvedeném příkladu zvýšení teploty 500 gramů vody o 20 stupňů Celsia spotřebuje 10 000 kalorií nebo 10 kilokalorií
Metoda 5 z 5: Výpočet joulů jako elektrické energie
Krok 1. Následující kroky použijte k výpočtu toku energie v elektrickém obvodu
Následující kroky jsou uvedeny jako praktické příklady, ale tuto metodu můžete také použít k porozumění písemným fyzikálním problémům. Nejprve vypočítáme výkon P podle vzorce P = I2 x R, kde I je proud v ampérech a R je odpor v ohmech. Tyto jednotky produkují energii ve wattech, takže odsud můžeme použít vzorec v předchozím kroku pro výpočet energie v joulech.
Krok 2. Vyberte odpor
Rezistory se měří v ohmech, přičemž velikosti jsou zapsány přímo nebo jsou reprezentovány sbírkou barevných čar. Odpor rezistoru můžete také vyzkoušet připojením ohmmetru nebo multimetru. V tomto případě předpokládáme, že odpor je 10 ohmů.
Krok 3. Připojte odpor k aktuálnímu zdroji
Vodiče můžete k rezistoru připojit pomocí Fahnestock nebo krokosvorky, nebo můžete odpor zapojit do testovací desky.
Krok 4. Průtokový proud obvodem po určitý časový interval
Pro tento příklad použijeme interval 10 sekund.
Krok 5. Změřte aktuální sílu
Proveďte to pomocí ampérmetru nebo multimetru. Většina domácích proudů se měří v miliampérech nebo tisících ampérech, takže předpokládáme, že proud je 100 miliampérů nebo 0,1 ampéru.
Krok 6. Použijte vzorec P = I2 x R.
Chcete -li zjistit sílu, vynásobte druhou mocninu proudu odporem. Výsledkem je výstupní výkon ve wattech. Obdélník 0,1 dává výsledek 0,01, vynásobený 10 dává výkon 0,1 W nebo 100 miliwattů.
Krok 7. Vynásobte výkon uplynulým časem
Toto znásobení udává výdej energie v joulech. 0,1 wattů x 10 sekund se rovná 1 joulu elektrické energie.
