Brittiläisen fyysikon James Edward Joulen mukaan nimetty joule (J) on yksi kansainvälisen metrijärjestelmän perusyksiköistä. Joulea käytetään työn, energian ja lämmön yksikönä, ja sitä käytetään laajalti tieteellisissä sovelluksissa. Jos haluat vastauksesi jouleina, muista aina käyttää standardeja tieteellisiä yksiköitä. Jalkakiloa tai brittiläistä lämpöyksikköä (BTU) käytetään edelleen joillakin aloilla, mutta ei fysiikan läksyissä.
Vaihe
Menetelmä 1/5: Työn laskeminen jouleina
Vaihe 1. Ymmärtää fysiikan työn
Jos työnnät laatikon huoneen läpi, olet ponnistellut. Jos nostat laatikon ylös, olet myös ponnistellut. "Liiketoiminnassa" on oltava kaksi tärkeää kriteeriä:
- Tarjoat tasaisen tyylin.
- Tämä voima saa esineet liikkumaan samaan suuntaan kuin voima.
Vaihe 2. Ymmärrä liiketoiminnan määritelmä
Vaivaa on helppo laskea. Kerro vain voiman määrä ja kohteen kokonaismatka. Yleensä tiedemiehet ilmaisevat voiman Newtonissa ja etäisyyden metreinä. Jos käytät molempia yksiköitä, tuloksena oleva työyksikkö on Joules.
Aina kun luet liiketoimintaa koskevan kysymyksen, pysähdy ja mieti, missä tyyli on. Jos nostat laatikkoa, työnnät sitä ylös niin, että laatikko liikkuu ylöspäin. Laatikon matka on siis se, kuinka korkealle se on noussut. Kuitenkin, kun seuraavan kerran kävelet eteenpäin laatikon kanssa, tässä prosessissa ei tehdä työtä. Vaikka painat edelleen laatikkoa ylöspäin, jotta se ei putoa, se ei enää liiku ylöspäin
Vaihe 3. Etsi siirrettävän kohteen massa
Esineen massa tarvitaan sen siirtämiseen tarvittavan voiman laskemiseen. Esimerkissämme oletetaan, että kuorman massa on 10 kiloa (kg).
Vältä puntien tai muiden epätyypillisten yksiköiden käyttöä, tai lopullinen vastauksesi ei ole jouleina
Vaihe 4. Laske tyyli
Voima = massa x kiihtyvyys. Esimerkissämme painon nostaminen suoraan ylöspäin kiihtyvyytemme johtuu painovoimasta, joka normaaliolosuhteissa kiihdyttää kohdetta alaspäin nopeudella 9,8 metriä/sek.2. Laske kuormamme siirtämiseen tarvittava voima kertomalla (10 kg) x (9,8 m/s)2) = 98 kg m/s2 = 98 newtonia (N).
Jos kohdetta siirretään vaakasuunnassa, painovoima ei vaikuta. Ongelma voi pyytää sinua laskemaan kitkan vastustamiseen tarvittavan voiman. Jos ongelma kertoo objektin kiihtyvyyden sitä työnnettäessä, voit kertoa tunnetun kiihtyvyyden sen massalla
Vaihe 5. Mittaa siirtymä
Tässä esimerkissä oletetaan, että kuorma nostetaan 1,5 metrin (m) korkeuteen. Siirtymä on mitattava metreinä, tai lopullinen vastauksesi ei ole jouleina.
Vaihe 6. Kerro voima siirtymällä
Jos haluat nostaa 98 newtonin painon 1,5 metrin korkeuteen, sinun on tehtävä 98 x 1,5 = 147 joulea työtä.
Vaihe 7. Laske objektin siirtämiseksi tietyssä kulmassa tehty työ
Yllä oleva esimerkkimme on yksinkertainen: joku käyttää eteenpäin kohdistuvaa voimaa esineeseen ja esine siirtyy eteenpäin. Joskus voiman suunta ja kohteen liike eivät ole samat, koska esineeseen vaikuttaa useita voimia. Seuraavassa esimerkissä laskemme jouleiden määrän, jota lapsi tarvitsee vetämään kelkan 25 metriä litteän lumen läpi vetämällä köyttä ylöspäin 30 asteen kulmassa. Tätä ongelmaa varten työ = voima x kosini (θ) x siirtymä. Symboli on kreikkalainen teeta -kirjain, ja se kuvaa voiman suunnan ja liikkeen suunnan välistä kulmaa.
Vaihe 8. Etsi kokonaisvoima
Tätä ongelmaa varten oletetaan, että lapsi vetää narua 10 newtonin voimalla.
Jos ongelma käyttää voimaa oikealle, ylöspäin suuntautuvaa voimaa tai liikesuunnan voimaa, nämä voimat muodostavat jo voiman x -kosini -osan (θ), ja voit hypätä eteenpäin ja jatkaa arvojen kertomista
Vaihe 9. Laske vastaava voima
Vain muutama tyyli vetää kelkan eteenpäin. Kun merkkijono osoittaa ylöspäin, toinen voima yrittää vetää sen ylös vetäen sitä painovoimaa vastaan. Laske liikesuuntaan kohdistuva voima:
- Esimerkissämme lumen ja köyden välinen kulma on 30º.
- Laske cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = noin 0,866. Voit löytää tämän arvon laskimella, mutta varmista, että laskin käyttää samoja yksiköitä kuin kulmamittauksesi (astetta tai radiaania).
- Kerro kokonaisvoima x cos (θ). Esimerkissämme 10 N x 0,866 = 8,66 voimaa liikesuunnassa.
Vaihe 10. Kerro voima x siirtymä
Nyt kun tiedämme voiman, joka etenee liikkeen suuntaan, voimme laskea työn tavalliseen tapaan. Ongelmamme kertoo, että kelkka liikkuu 20 metriä eteenpäin, joten laske 8,66 N x 20 m = 173,2 joulea työtä.
Menetelmä 2/5: Jouleiden laskeminen watteina
Vaihe 1. Ymmärrä voima ja energia
Wattia on tehon tai energiankulutuksen yksikkö (energia jaettuna aikaan). Vaikka Joule on energian yksikkö. Jos haluat muuntaa watit jouleiksi, sinun on määritettävä aika. Mitä kauemmin sähkövirta kulkee, sitä enemmän energiaa käytetään.
Vaihe 2. Kerro watit sekunteilla saadaksesi jouleja
1 watin laite kuluttaa 1 joulea energiaa sekunnin välein. Jos kerrot wattien määrän sekunteina, saat jouleja. Jos haluat tietää, kuinka paljon energiaa 60 W: n lamppu kuluttaa 120 sekunnissa, sinun tarvitsee vain kertoa 60 wattia x 120 sekuntia = 7200 joulea.
Tätä kaavaa voidaan käyttää millä tahansa watteina ilmaistulla teholla, mutta yleensä sähköllä
Menetelmä 3/5: Kineettisen energian laskeminen jouleina
Vaihe 1. Ymmärrä liike -energia
Kineettinen energia on energian määrä liikkeen muodossa. Kuten muutkin energiayksiköt, kineettinen energia voidaan kirjoittaa jouleina.
Kineettinen energia on yhtä suuri kuin työ, joka on tehty staattisen kohteen kiihdyttämiseksi tiettyyn nopeuteen. Kun kohde saavuttaa kyseisen nopeuden, kohde ylläpitää tiettyä kineettistä energiaa, kunnes energia muuttuu lämmöksi (kitkasta), gravitaatiopotentiaalienergiaksi (painovoimaa vastaan siirtymisestä) tai muuhun energiaan
Vaihe 2. Etsi kohteen massa
Mittaamme esimerkiksi polkupyörän ja pyöräilijän liike -energiaa. Esimerkiksi ratsastajan paino on 50 kg ja polkupyörän massa 20 kg, kokonaismassa m 70 kg. Nyt katsomme nämä kaksi yhdeksi esineeksi, jonka massa on 70 kg, koska ne molemmat liikkuvat samalla nopeudella.
Vaihe 3. Laske nopeus
Jos tiedät jo pyöräilijän nopeuden tai nopeuden, kirjoita se ylös ja siirry eteenpäin. Jos haluat laskea nopeuden, käytä jotakin alla olevista tavoista. Huomaa, että etsimme nopeutta, ei nopeutta (joka on nopeutta tietyssä suunnassa), vaikka lyhennettä v käytetään usein. Ohita pyöräilijän tekemät käännökset ja oleta, että koko matka on suoritettu suorassa linjassa.
- Jos pyöräilijä liikkuu vakionopeudella (ei kiihdytä), mittaa pyöräilijän matka metreinä ja jaa se matkan pituudella. Tämä laskelma tuottaa keskimääräisen nopeuden, joka tässä tapauksessa on yhtä suuri kuin hetkellinen nopeus.
- Jos pyöräilijä kokee jatkuvaa kiihtyvyyttä eikä muuta suuntaa, laske hänen nopeutensa ajanhetkellä t käyttämällä nopeuskaavaa t = (kiihtyvyys) (t) + alkunopeus. Käytä sekuntia ajan mittaamiseen, metriä sekunnissa nopeuden mittaamiseen ja m/s2 mittaamaan kiihtyvyyttä.
Vaihe 4. Liitä nämä numerot seuraavaan kaavaan
Kineettinen energia = (1/2) m v 2. Jos pyöräilijä esimerkiksi liikkuu nopeudella 15 m/s, hänen liike -energiansa EK = (1/2) (70 kg) (15 m/s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m/s) (15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newtonmetriä = 7875 joulea
Kineettisen energian kaava voidaan johtaa työn määritelmästä, W = FΔs ja kinemaattinen yhtälö v2 = v02 + 2aΔs. s edustaa aseman tai ajetun matkan muutosta.
Menetelmä 4/5: Lämmön laskeminen jouleina
Vaihe 1. Etsi lämmitettävän kohteen massa
Käytä vaakaa tai jousivaakaa sen mittaamiseen. Jos esine on neste, mittaa ensin tyhjä astia, jossa neste on, ja etsi sen massa. Sinun on vähennettävä se säiliön ja nesteen massasta nesteen massan löytämiseksi. Tässä esimerkissä sanotaan, että esine on 500 grammaa vettä.
Käytä grammoja, älä muita yksiköitä, tai tulos ei ole jouleja
Vaihe 2. Etsi kohteen lämpö
Nämä tiedot löytyvät kemian viitteistä sekä kirjan muodossa että verkossa. Veden ominaislämpö c on 4,19 joulea grammaa kohti jokaista celsiusastetta kohti - tai 4,1855, jos tarvitset tarkan arvon.
- Todellinen ominaislämpö vaihtelee hieman lämpötilan ja paineen mukaan. Eri organisaatiot ja oppikirjat käyttävät erilaisia vakiolämpötiloja, joten saatat nähdä veden ominaislämmön kohdassa 4.179.
- Voit käyttää Kelvinia Celsiuksen sijasta, koska lämpötilaero on sama molemmissa yksiköissä (lämmittämällä jotain 3ºC vastaa lämmitystä 3 Kelvinillä). Älä käytä Fahrenheit -lämpötilaa, tai tulokset eivät ole jouleina.
Vaihe 3. Etsi kohteen alkulämpötila
Jos esine on neste, voit käyttää elohopealämpömittaria. Joillekin tuotteille saatat tarvita anturilämpömittaria.
Vaihe 4. Kuumenna esine ja mittaa lämpötila uudelleen
Tämä mittaa kohteen lämmöntuoton lämmityksen aikana.
Jos haluat mitata lämmönä varastoidun energian kokonaismäärän, voit olettaa, että alkulämpötila on absoluuttinen nolla: 0 Kelvin tai -273,15ºC. Tämä ei ole kovin hyödyllistä
Vaihe 5. Vähennä alkulämpötila lämmityslämpötilasta
Tämä alennus johtaa kohteen lämpötilan muutokseen. Olettaen, että vesi oli aiemmin 15 astetta ja kuumennettiin 35 asteeseen, lämpötila muuttuu 20 asteeseen.
Vaihe 6. Kerro kohteen massa sen ominaislämmöllä ja lämpötilan muutoksen suuruudella
Kaava kirjoitetaan Q = mc T, missä T on lämpötilan muutos. Tässä esimerkissä se olisi 500 g x 4, 19 x 20 tai 41 900 joulea.
Lämpö kirjoitetaan useammin kalorien tai kilokalorien järjestelmässä. Kalori määritellään lämmön määräksi, joka tarvitaan 1 gramman veden lämpötilan nostamiseen 1 celsiusasteella, kun taas kilokalori on lämmön määrä, joka tarvitaan 1 kilogramman veden lämpötilan nostamiseen 1 celsiusasteella. Yllä olevassa esimerkissä 500 gramman veden lämpötilan nostaminen 20 celsiusasteella kuluttaa 10 000 kaloria tai 10 kilokaloria
Menetelmä 5/5: Jouleiden laskeminen sähköenergiana
Vaihe 1. Laske sähköpiirin energiavirta alla olevien vaiheiden avulla
Seuraavat vaiheet on lueteltu käytännön esimerkeinä, mutta voit käyttää menetelmää myös kirjallisten fysiikan ongelmien ymmärtämiseen. Ensin laskemme tehon P käyttämällä kaavaa P = I2 x R, jossa I on virta ampeereina ja R on vastus ohmeina. Nämä yksiköt tuottavat tehoa watteina, joten tästä eteenpäin voimme käyttää edellisen vaiheen kaavaa energian laskemiseen jouleina.
Vaihe 2. Valitse vastus
Vastukset mitataan ohmeina, mitat kirjoitetaan suoraan tai niitä edustavat värilliset viivat. Voit myös testata vastuksen resistanssin liittämällä sen ohmimittariin tai yleismittariin. Tässä esimerkissä oletamme, että vastus on 10 ohmia.
Vaihe 3. Liitä vastus virtalähteeseen
Voit liittää johtimet vastukseen Fahnestock- tai alligaattoripidikkeellä tai kytkeä vastuksen testikorttiin.
Vaihe 4. Virtaa virtaa piirin läpi tietyn ajan
Tässä esimerkissä käytämme 10 sekunnin aikaväliä.
Vaihe 5. Mittaa virran voimakkuus
Tee tämä ampeerimittarilla tai yleismittarilla. Useimmat kotivirrat mitataan milliampeereina tai tuhansina ampeereina, joten oletamme, että virta on 100 milliampeeria tai 0,1 ampeeria.
Vaihe 6. Käytä kaavaa P = I2 x R.
Jos haluat löytää tehon, kerro virran neliö vastuksella. Tämä johtaa tehoon watteina. Neliöinti 0,1 antaa tuloksen 0,01, kerrottuna 10 antaa tehon 0,1 wattia tai 100 milliwattia.
Vaihe 7. Kerro teho kuluneella ajalla
Tämä kertolasku antaa energiantuotannon jouleina. 0,1 wattia x 10 sekuntia on yhtä joulea sähköenergiaa.
