Indhold

• At træde
• Metode 1 af 4: Beregning af arbejde i joule
• Metode 2 af 4: Beregning af kinetisk energi i joule
• Metode 3 af 4: Beregning af Joule som elektrisk energi
• Metode 4 af 4: Beregning af varmen i joule
• Tips
• Advarsler
• Nødvendigheder

Joule (J), opkaldt efter den engelske fysiker James Edward Joule, er en af ​​de vigtigste enheder i det internationale metriske system. Joule bruges som en enhed af arbejde, energi og varme og bruges i vid udstrækning inden for videnskab. Hvis du vil have dit svar i joule, skal du altid bruge de videnskabelige standardenheder.

At træde

Metode 1 af 4: Beregning af arbejde i joule

1. Definitionen af ​​arbejdskraft. Arbejde defineres som en konstant kraft, der påføres et objekt for at bevæge det en bestemt afstand. Hvis der ikke anvendes mere end en kraft, kan den beregnes som strøm x afstandog kan skrives i enheder af joule (svarende til en "Newtonmeter"). I vores første eksempel tager vi en person, der ønsker at tilføje en vægt fra gulvet til brysthøjde, og vi beregner, hvor meget arbejde personen har udført.
   • Kraften skal påføres i bevægelsesretningen. Når du holder et objekt og går fremad, udføres der ikke noget arbejde på objektet, fordi du ikke skubber objektet i retning af dets bevægelse.
2. Bestem massen af ​​objektet, der flyttes. Massen af ​​et objekt er nødvendigt for at beregne den krævede kraft til at flytte det. I vores eksempel angiver vi, at vægten har en masse på 10 kg.
   • Brug ikke pund eller andre enheder, der ikke er standard, ellers er det endelige svar ikke i joule.
3. Beregn kraften. Kraft = masse x acceleration. I vores eksempel er løftning af en vægt lige op, den acceleration, vi prøver at overvinde, lig med tyngdekraften, 9,8 m / s nedad. Beregn den krævede kraft for at løfte vægten ved hjælp af (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 Newton (N).
   • Hvis objektet flyttes vandret, er tyngdekraften irrelevant. I stedet kan problemet muligvis bede dig om at beregne den krævede kraft for at overvinde friktionsmodstand. Hvis det gives, hvad genstandens acceleration er, når den skubbes, kan du gange den givne acceleration med massen.
4. Mål afstanden, som objektet flyttes. I dette eksempel antager vi, at vægten løftes 1,5 meter (m). Afstanden skal måles i meter, ellers kan det endelige svar ikke registreres i Joule.
5. Multiplicer kraften med afstanden. For at løfte en vægt på 98 Newton 1,5 meter skal du udføre 98 x 1,5 = 147 Joule arbejde.
6. Beregn arbejdskraft for objekter, der bevæger sig i en vinkel. Vores eksempel ovenfor var simpelt: nogen påførte objektet en opadgående kraft, og objektet gik op. Nogle gange er styrkeretningen og objektets bevægelse ikke helt den samme, fordi flere kræfter virker på objektet. I det følgende eksempel skal vi beregne, hvor mange Joule der kræves for at trække en slæde 25 meter gennem sneen ved at trække et reb fastgjort til slæden i en vinkel på 30 ° til det vandrette. Følgende gælder: arbejde = kraft x cos (θ) x afstand. "Symbolet" er det græske bogstav "theta" og repræsenterer vinklen mellem kraftens retning og bevægelsesretningen.
7. Bestem den samlede påførte kraft. I dette problem siger vi, at nogen trækker rebet med en kraft på 10 Newton.
   • Hvis der allerede er givet en kraft "til højre," "op" eller "i retning af bevægelse", er "kraft x cos (") som beregnet, og du kan fortsætte med at gange værdierne.
8. Beregn den relevante kraft. Kun en del af kraften trækker vognen fremad. Fordi rebet er opad i en vinkel, forsøger den resterende kraft at løfte vognen op og modvirke tyngdekraften. Beregn kraften i retning af bevægelsen:
   • I vores eksempel er vinklen θ mellem jorden og rebet 30º.
   • Beregn cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = ca. 0,866. Du kan bruge en lommeregner til at finde denne værdi, men sørg for, at din lommeregner bruger den korrekte enhed som den, vinklen er angivet i (grader eller radianer).
   • Multiplicer den samlede kraft x cos (θ). I vores eksempel er 10N x 0,866 = 8,66 N i bevægelsesretningen.
9. Multiplicer kraft x afstand. Nu hvor vi ved, hvor meget kraft der anvendes i bevægelsesretningen, kan vi beregne arbejde som normalt. Vores problem fortæller os, at vognen er trukket 20 meter fremad, så vi beregner 8,66 N x 20 m = 173,2 joule arbejde.

Metode 2 af 4: Beregning af kinetisk energi i joule

1. Forstå noget kinetisk energi. Kinetisk energi er mængden af ​​energi i form af bevægelse. Som med enhver form for energi kan den udtrykkes i Joule.
   • Kinetisk energi er lig med mængden af ​​arbejde udført for at fremskynde et stationært objekt til en bestemt hastighed. Når denne hastighed er nået, bevarer objektet den mængde kinetisk energi, indtil den energi omdannes til varme (ved friktion), tyngdekraftenergi (ved at gå imod tyngdekraften) eller andre energityper.
2. Bestem massen af ​​objektet. For eksempel kan vi måle den kinetiske energi på en cykel og en cyklist. Antag at cyklisten har en masse på 50 kg, og cyklen har en masse på 20 kg. Det tilføjer en total masse m på 70 kg. Vi kan nu behandle dem sammen som 1 genstand på 70 kg, fordi de bevæger sig sammen i samme hastighed.
3. Beregn hastigheden. Hvis du allerede kender cyklistens hastighed eller vektorhastighed, skal du skrive den ned og gå videre. Hvis du stadig har brug for at beregne dette, skal du bruge en af ​​nedenstående metoder. Dette vedrører hastigheden, ikke vektorhastigheden (som er hastigheden i en bestemt retning), selvom brevet ofte er v bruges til hastighed. Ignorer eventuelle drejninger, som cyklisten foretager, og foregiv, at hele afstanden er i en lige linje.
   • Hvis cyklisten bevæger sig med en konstant hastighed (ingen acceleration), skal du måle afstanden, som cyklisten har kørt, og dividere med antallet af sekunder, det tog at køre afstanden. Dette beregner gennemsnitshastigheden, som i dette scenarie er den samme som hastigheden på et givet tidspunkt.
   • Hvis cyklisten bevæger sig med en konstant acceleration og ikke ændrer retning, skal du beregne hans hastighed på det tidspunkt t med formelens hastighed (tid t) = (acceleration) (t) + starthastighed. Tid er i sekunder, hastighed i meter / sekund og acceleration i m / s.
4. Indtast følgende tal i følgende formel. Kinetisk energi = (1/2)m "v. For eksempel, hvis cyklisten bevæger sig med en hastighed på 15 m / s, så er hans kinetiske energi K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newtonmeter = 7875 joule.
   • Formlen for den kinetiske energi kan udledes af definitionen af ​​arbejde, W = FΔs, og ligningen v = v₀ + 2aAs. Δs henviser til "forskydning" eller også den tilbagelagte afstand.

Metode 3 af 4: Beregning af Joule som elektrisk energi

1. Beregn energi ved hjælp af effekt x tid. Effekt defineres som den forbrugte energi pr. Tidsenhed, så vi kan beregne den forbrugte energi ud fra effekten gange tidsenheden. Dette er nyttigt ved måling af effekt i watt, fordi 1 watt = 1 Joule / sekund. For at finde ud af, hvor meget energi en 60W glødepære bruger på 120 sekunder, skal du gange følgende: (60 watt) x (120 sekunder) = 7200 joule.
   • Denne formel kan bruges til enhver form for effekt målt i watt, men elektricitet er den mest oplagte.
2. Brug nedenstående trin til at beregne energistrømmen i et elektrisk kredsløb. Trinene nedenfor er beskrevet som et praktisk eksempel, men du kan også bruge denne metode til at forstå teoretiske fysiske problemer. Først beregner vi effekten P ved hjælp af formlen P = I x R, hvor I er strømmen i ampere, og R er modstanden i ohm. Disse enheder giver os kraften i watt, så fra dette tidspunkt kan vi anvende formlen, der blev brugt i det forrige trin til at beregne energien i joule.
3. Vælg en modstand. Modstande er angivet i ohm, med deres værdi angivet direkte på modstanden eller angivet med en række farvede ringe. Du kan også teste en modstand med et ohmmeter eller multimeter. I dette eksempel antager vi, at den modstand, vi bruger, er 10 ohm.
4. Tilslut modstanden til en energikilde (batteri). Brug klemmer til dette, eller placer modstanden i et testkredsløb.
5. Lad en strøm strømme igennem den i en vis tid. I dette eksempel tager vi 10 sekunder som tidsenheden.
6. Mål strømstyrken. Du gør dette med en flowmåler eller et multimeter. Mest husstandsstrøm er i milliampere, så vi antager, at strømmen er 100 milliampere eller 0,1 ampere.
7. Brug formlen P = I x R. Nu for at finde kraften multiplicerer du strømens firkantede effekt med modstanden. Dette giver dig kraften i dette kredsløb i watt. Kvadratet på 0,1 giver 0,01. Multiplicer dette med 10, og du får en udgangseffekt på 0,1 watt eller 100 milliwatt.
8. Multiplicer kraften med den forløbne tid. Dette giver energien i joule. 0,1 watt x 10 sekunder er lig med 1 joule elektrisk energi.
   • Fordi Joule er en lille enhed, og da apparats energiforbrug normalt er angivet i watt, milliwatt og kilowatt, er det ofte mere praktisk at beregne antallet af kWh (kilowatt timer), der forbruges af en enhed. 1 watt svarer til 1 joule pr. Sekund eller 1 joule svarer til 1 watt sekund en kilowatt er lig med 1 kilojoule pr. sekund, og en kilojoule er lig med 1 kilowatt sekund. Der er 3.600 sekunder på en time, så 1 kilowatt-time er lig med 3.600 kilowatt-sekunder, 3.600 kilojoule eller 3.600.000 joule.

Metode 4 af 4: Beregning af varmen i joule

1. Bestem massen af ​​det objekt, hvortil der tilsættes varme. Brug en balance eller skalaer til dette. Hvis genstanden er en væske, skal du først veje den tomme beholder, som væsken skal ned i. Du bliver nødt til at trække dette fra beholderens og væskens masse sammen for at finde væskens masse. I dette eksempel antager vi, at objektet er 500 gram vand.
   • Brug gram, ikke en anden enhed, ellers vises resultatet ikke i Joule.
2. Bestem objektets specifikke varme. Denne information kan findes i binas kemiske referencebøger, men du kan også finde den online. Dette er den specifikke varme til vand c svarer til 4,19 joule pr. gram for hver grad Celsius - eller 4.1855, hvis du vil være meget præcis.
   • Specifik varme varierer lidt afhængigt af temperatur og tryk. Forskellige organisationer og lærebøger bruger forskellige "standardtemperaturer", så du kan finde så meget som 4.179 for den specifikke vandvarme.
   • Du kan også bruge Kelvin i stedet for Celsius, fordi 1 grad er den samme for begge retter (opvarmning af noget med 3ºC er det samme som med 3 Kelvin). Brug ikke Fahrenheit, ellers vises resultatet ikke i Joule.
3. Bestem objektets aktuelle temperatur. Hvis genstanden er en væske, kan du bruge et almindeligt (kviksølv) termometer. For andre objekter har du muligvis brug for et termometer med en sonde.
4. Varm genstanden op og mål temperaturen igen. Dette giver dig mulighed for at måle den mængde varme, der er tilføjet et objekt under opvarmning.
   • Hvis du vil vide den samlede mængde energi, der er lagret i form af varme, kan du foregive, at den indledende temperatur var absolut nul: 0 Kelvin eller -273,15 ºC.
5. Træk den oprindelige temperatur fra temperaturen efter opvarmning. Dette giver resultatet ændringen i objektets temperatur. Forudsat at vandet oprindeligt var 15 grader Celsius og efter opvarmning var det 35 grader Celsius, er temperaturændringen derfor 20 grader Celsius.
6. Multiplicer objektets masse med den specifikke varme og temperaturændringen. Du skriver denne formel som H =mcΔT., hvor ΔT repræsenterer "temperaturændring". I dette eksempel bliver dette 500 g x 4,19 x 20 = 41.900 joule.
   • Varme udtrykkes generelt i kalorier eller kilokalorier. En kalorie defineres som den mængde varme, der kræves for at få 1 gram vand til at stige i temperaturen med 1 grad Celsius, mens en kilokalorie (eller kalorie) er den mængde varme, der kræves for at hæve temperaturen på 1 kg vand med 1 grad Celsius ... I eksemplet ovenfor kræver det 10.000 kalorier eller 10 kilokalorier at hæve temperaturen på 500 gram vand med 20 grader Celsius.

Tips

• Relateret til joule er en anden arbejds- og energienhed kaldet erg; 1 erg er lig med 1 dyne kraft gange en afstand på 1 cm. En joule er lig med 10.000.000 erg.

Advarsler

• Selvom udtrykkene "joule" og "newtonmeter" henviser til den samme enhed, bruges "joule" i praksis til at angive enhver form for energi og til arbejde udført i en lige linje, som i eksemplet med at gå op ad trappen ovenfor. Når det bruges til at beregne drejningsmoment (kraft på et roterende objekt), foretrækker vi udtrykket "Newtonmeter".

Nødvendigheder

Beregning af arbejde eller kinetisk energi:

• Stopur eller timer
• Vægt eller balance
• Lommeregner med cosinusfunktion (kun til arbejde, ikke altid nødvendigt)

Beregning af elektrisk energi:

• Modstand
• Ledninger eller et testkort
• Multimeter (eller et ohmmeter og en strømmåler)
• Fahnestock eller alligator klip

Varme:

• Genstand, der skal opvarmes
• Varmekilde (såsom en Bunsen-brænder)
• Termometer (et flydende termometer eller termometer med en sonde)
• Kemi / kemireference (til at finde den specifikke varme på det objekt, der opvarmes)