Zawartość

• Do kroku
• Metoda 1 z 4: Obliczanie pracy w dżulach
• Metoda 2 z 4: Obliczanie energii kinetycznej w dżulach
• Metoda 3 z 4: Obliczanie dżula jako energii elektrycznej
• Metoda 4 z 4: Obliczanie ciepła w dżulach
• Porady
• Ostrzeżenia
• Potrzeby

Dżul (J), nazwany na cześć angielskiego fizyka Jamesa Edwarda Joule'a, jest jedną z najważniejszych jednostek Międzynarodowego Systemu Metrycznego. Dżul jest używany jako jednostka pracy, energii i ciepła i jest szeroko stosowany w nauce. Jeśli chcesz, aby twoja odpowiedź była w dżulach, zawsze używaj standardowych jednostek naukowych.

Do kroku

Metoda 1 z 4: Obliczanie pracy w dżulach

1. Definicja pracy. Praca jest definiowana jako stała siła przyłożona do obiektu w celu przesunięcia go na określoną odległość. Jeśli zostanie przyłożona nie więcej niż jedna siła, można ją obliczyć jako moc X dystansi można ją zapisać w dżulach (odpowiednik „niutonometru”). W naszym pierwszym przykładzie bierzemy osobę, która chce dodać ciężar od podłogi do wysokości klatki piersiowej i obliczamy, ile pracy ta osoba wykonała.
   • Siłę należy przyłożyć w kierunku ruchu. Trzymając przedmiot i idąc naprzód, nie wykonuje się na nim żadnej pracy, ponieważ nie popychasz przedmiotu w kierunku jego ruchu.
2. Określ masę poruszanego obiektu. Masa obiektu jest potrzebna do obliczenia siły potrzebnej do jego przesunięcia. W naszym przykładzie stwierdzamy, że waga ma masę 10 kg.
   • Nie używaj funtów ani innych jednostek, które nie są standardowe, w przeciwnym razie ostateczna odpowiedź nie będzie w dżulach.
3. Oblicz siłę. Siła = masa x przyspieszenie. W naszym przykładzie, podnosząc ciężar prosto w górę, przyspieszenie, które próbujemy pokonać, jest równe grawitacji, 9,8 m / s w dół. Oblicz siłę potrzebną do podniesienia ciężaru używając (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 niutonów (N).
   • Jeśli obiekt zostanie przesunięty poziomo, grawitacja nie ma znaczenia. Zamiast tego problem może skłonić Cię do obliczenia siły wymaganej do pokonania oporu tarcia. Jeśli podano, jakie jest przyspieszenie obiektu, gdy jest on popychany, można pomnożyć podane przyspieszenie przez masę.
4. Zmierz odległość, na jaką przemieszczany jest obiekt. W tym przykładzie zakładamy, że ciężar jest podnoszony o 1,5 metra (m). Odległość musi być mierzona w metrach, w przeciwnym razie ostatecznej odpowiedzi nie można zapisać w dżulach.
5. Pomnóż siłę przez odległość. Aby podnieść ciężar 98 niutonów na 1,5 metra, będziesz musiał wykonać 98 x 1,5 = 147 dżuli pracy.
6. Oblicz pracę dla obiektów poruszających się pod kątem. Nasz powyższy przykład był prosty: ktoś przyłożył do obiektu siłę skierowaną do góry, a obiekt wzniósł się w górę. Czasami kierunek siły i ruch obiektu nie są takie same, ponieważ na obiekt działa wiele sił. W poniższym przykładzie obliczymy, ile dżuli potrzeba, aby przeciągnąć sanki 25 metrów po śniegu, ciągnąc linę przymocowaną do sanek pod kątem 30º do poziomu. Obowiązuje: praca = siła x cos (θ) x odległość. „Symbol” to grecka litera „theta”, która reprezentuje kąt między kierunkiem siły a kierunkiem ruchu.
7. Określ całkowitą przyłożoną siłę. W tym zadaniu mówimy, że ktoś ciągnie linę z siłą 10 niutonów.
   • Jeśli siła „w prawo”, „w górę” lub „w kierunku ruchu” została już podana, obliczona jest „siła x cos (”) ”i można przystąpić do mnożenia wartości.
8. Oblicz odpowiednią siłę. Tylko część siły pociąga karetkę do przodu. Ponieważ lina jest uniesiona pod kątem, pozostała siła próbuje podnieść wózek, przeciwdziałając grawitacji. Oblicz siłę w kierunku ruchu:
   • W naszym przykładzie kąt θ między podłożem a liną wynosi 30º.
   • Oblicz cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = około 0,866. Możesz użyć kalkulatora, aby znaleźć tę wartość, ale upewnij się, że kalkulator używa prawidłowych jednostek, takich jak ta, w której określono kąt (stopnie lub radiany).
   • Pomnóż całkowitą siłę x cos (θ). W naszym przykładzie 10N x 0,866 = 8,66 N w kierunku ruchu.
9. Pomnóż siłę x odległość. Teraz, gdy wiemy, jaka siła jest przyłożona w kierunku ruchu, możemy obliczyć pracę w zwykły sposób. Nasz problem mówi nam, że wagon został odholowany 20 metrów do przodu, więc obliczamy 8,66 N x 20 m = 173,2 dżuli pracy.

Metoda 2 z 4: Obliczanie energii kinetycznej w dżulach

1. Zrozumieć energię kinetyczną. Energia kinetyczna to ilość energii w postaci ruchu. Jak w przypadku każdej formy energii, można ją wyrazić w dżulach.
   • Energia kinetyczna jest równa ilości pracy wykonanej w celu przyspieszenia nieruchomego obiektu do określonej prędkości. Po osiągnięciu tej prędkości obiekt zachowuje tę ilość energii kinetycznej, dopóki ta energia nie zostanie przekształcona w ciepło (przez tarcie), energię grawitacyjną (działając przeciwnie do grawitacji) lub inne rodzaje energii.
2. Określ masę obiektu. Na przykład możemy zmierzyć energię kinetyczną roweru i rowerzysty. Załóżmy, że rowerzysta ma masę 50 kg, a rower 20 kg. To daje całkowitą masę m 70 kg. Możemy teraz traktować je razem jako 1 przedmiot o wadze 70 kg, ponieważ poruszają się razem z tą samą prędkością.
3. Oblicz prędkość. Jeśli znasz już prędkość rowerzysty lub prędkość wektorową, zapisz to i ruszaj dalej. Jeśli nadal musisz to obliczyć, użyj jednej z poniższych metod. Dotyczy to prędkości, a nie prędkości wektorowej (która jest prędkością w określonym kierunku), mimo że często jest to litera v używany do szybkości. Ignoruj ​​wszelkie zakręty, które wykonuje rowerzysta i udawaj, że cały dystans przebiega w linii prostej.
   • Jeśli rowerzysta porusza się ze stałą prędkością (bez przyspieszania), zmierz odległość, jaką rowerzysta przebył i podziel przez liczbę sekund potrzebnych na pokonanie tego dystansu. To oblicza średnią prędkość, która w tym scenariuszu jest taka sama jak prędkość w dowolnym momencie.
   • Jeśli rowerzysta porusza się ze stałym przyspieszeniem i nie zmienia kierunku, oblicz jego prędkość w tym czasie t ze wzorem „prędkość (czas t) = (przyspieszenie) (t) + prędkość początkowa. Czas w sekundach, prędkość w metrach / sekundę i przyspieszenie wm / s.
4. Wprowadź następujące liczby w poniższym wzorze. Energia kinetyczna = (1/2)m "v. Na przykład, jeśli rowerzysta porusza się z prędkością 15 m / s, to jego energia kinetyczna wynosi K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 niutonometrów = 7875 dżuli.
   • Wzór na energię kinetyczną można wyprowadzić z definicji pracy W = FΔs i równania v = v₀ + 2aΔs. Δs odnosi się do „przemieszczenia” lub też przebytej odległości.

Metoda 3 z 4: Obliczanie dżula jako energii elektrycznej

1. Oblicz energię używając mocy x czasu. Moc jest definiowana jako energia zużyta na jednostkę czasu, więc możemy obliczyć zużytą energię przez iloczyn mocy i jednostki czasu. Jest to przydatne przy pomiarze mocy w watach, ponieważ 1 wat = 1 dżul / sekundę. Aby dowiedzieć się, ile energii 60-watowa żarówka zużywa w ciągu 120 sekund, należy pomnożyć następujące wartości: (60 watów) x (120 sekund) = 7200 dżuli.
   • Ten wzór może być użyty do każdego rodzaju mocy, mierzonej w watach, ale elektryczność jest najbardziej oczywista.
2. Wykonaj poniższe czynności, aby obliczyć przepływ energii w obwodzie elektrycznym. Poniższe kroki stanowią praktyczny przykład, ale możesz również użyć tej metody, aby zrozumieć teoretyczne problemy fizyczne. Najpierw obliczamy moc P za pomocą wzoru P = I x R, gdzie I to prąd w amperach, a R to rezystancja w omach. Jednostki te dają nam moc w watach, więc od tego momentu możemy zastosować wzór użyty w poprzednim kroku do obliczenia energii w dżulach.
3. Wybierz rezystor. Rezystory są wskazywane w omach, a ich wartość jest wskazywana bezpośrednio na rezystorze lub wskazywana przez szereg kolorowych pierścieni. Możesz również przetestować rezystancję za pomocą omomierza lub multimetru. W tym przykładzie zakładamy, że rezystancja, której używamy, wynosi 10 omów.
4. Podłącz rezystor do źródła energii (baterii). Użyj do tego zacisków lub umieść rezystor w obwodzie testowym.
5. Pozwól, aby prąd przepływał przez nią przez pewien czas. W tym przykładzie jako jednostkę czasu bierzemy 10 sekund.
6. Zmierz siłę prądu. Robisz to za pomocą przepływomierza lub multimetru. Większość prądu w gospodarstwie domowym jest w miliamperach, więc zakładamy, że prąd wynosi 100 miliamperów lub 0,1 ampera.
7. Użyj wzoru P = I x R. Teraz, aby znaleźć moc, należy pomnożyć kwadratową moc prądu przez opór. To daje moc tego obwodu w watach. Kwadrat 0,1 daje 0,01. Pomnóż to przez 10, a otrzymasz moc wyjściową 0,1 wata lub 100 miliwatów.
8. Pomnóż moc przez upływający czas. Zapewnia to energię w dżulach. 0,1 wata x 10 sekund to 1 dżul energii elektrycznej.
   • Ponieważ dżul jest małą jednostką, a zużycie energii przez urządzenia jest zwykle podawane w watach, miliwatach i kilowatach, często wygodniej jest obliczyć liczbę kWh (kilowatogodzin) zużywanych przez urządzenie. 1 wat to 1 dżul na sekundę, lub 1 dżul to 1 wat sekunda; jeden kilowat jest równy 1 kilodżulowi na sekundę, a jeden kilodżul jest równy 1 kilowatosekundowi. Godzina ma 3600 sekund, więc 1 kilowatogodzina to 3600 kilowatosekund, 3600 kilodżuli lub 3600000 dżuli.

Metoda 4 z 4: Obliczanie ciepła w dżulach

1. Określ masę obiektu, do którego dodaje się ciepło. Użyj do tego wagi lub wagi. Jeśli przedmiot jest cieczą, najpierw zważ pusty pojemnik, do którego płyn trafi. Będziesz musiał odjąć to od masy pojemnika i płynu razem, aby znaleźć masę płynu. W tym przykładzie zakładamy, że przedmiot zawiera 500 gramów wody.
   • Użyj gramów, a nie innej jednostki, w przeciwnym razie wynik nie zostanie podany w dżulach.
2. Określ ciepło właściwe obiektu. Te informacje można znaleźć w podręcznikach dotyczących chemii binasa, ale można je również znaleźć w Internecie. Jest to ciepło właściwe dla wody do równa się 4,19 dżuli na gram na każdy stopień Celsjusza - lub 4,1855, jeśli chcesz być bardzo dokładny.
   • Ciepło właściwe zmienia się nieznacznie w zależności od temperatury i ciśnienia. Różne organizacje i podręczniki używają różnych „standardowych temperatur”, więc można znaleźć nawet 4179 dla określonego ciepła wody.
   • Możesz także użyć kelwinów zamiast stopni Celsjusza, ponieważ 1 stopień jest taki sam dla obu potraw (podgrzanie czegoś przy 3ºC jest takie samo jak przy 3 kelwinach). Nie używaj stopni Fahrenheita, w przeciwnym razie wynik nie zostanie podany w dżulach.
3. Określ aktualną temperaturę obiektu. Jeśli obiekt jest cieczą, możesz użyć zwykłego termometru (rtęciowego). W przypadku innych obiektów może być potrzebny termometr z sondą.
4. Podgrzej obiekt i ponownie zmierz temperaturę. Pozwala to zmierzyć ilość ciepła, które zostało dodane do obiektu podczas ogrzewania.
   • Jeśli chcesz poznać całkowitą ilość energii zmagazynowanej w postaci ciepła, możesz udawać, że temperatura początkowa wynosiła zero absolutne: 0 kelwinów lub -273,15 ° C.
5. Odejmij pierwotną temperaturę od temperatury po podgrzaniu. Daje to efekt zmiany temperatury obiektu. Zakładając, że woda miała początkowo 15 stopni Celsjusza, a po podgrzaniu 35 stopni Celsjusza, zmiana temperatury wynosi więc 20 stopni Celsjusza.
6. Pomnóż masę obiektu przez ciepło właściwe i zmianę temperatury. Piszesz tę formułę jako H =mcΔT., gdzie ΔT oznacza „zmianę temperatury”. W tym przykładzie otrzymujemy 500 g x 4,19 x 20 = 41 900 dżuli.
   • Ciepło jest zwykle wyrażane w kaloriach lub kilokaloriach. Kaloria jest definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury wody o 1 stopień o 1 stopień Celsjusza, podczas gdy kilokaloria (lub kaloria) to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 kilograma wody o 1 stopień Celsjusza. . W powyższym przykładzie podniesienie temperatury 500 gramów wody o 20 stopni Celsjusza wymaga 10000 kalorii lub 10 kilokalorii.

Porady

• Z dżulem związana jest inna jednostka pracy i energii zwana erg; 1 erg równa się 1 dynom pomnożonym przez odległość 1 cm. Jeden dżul jest równy 10 000 000 ergów.

Ostrzeżenia

• Chociaż terminy „dżul” i „niutonometr” odnoszą się do tej samej jednostki, w praktyce „dżul” jest używany do określenia dowolnej formy energii i pracy wykonywanej w linii prostej, jak na przykładzie wspinania się po schodach powyżej. Kiedy jest używany do obliczania momentu obrotowego (siły działającej na obracający się obiekt), preferujemy termin „niutonometr”.

Potrzeby

Obliczanie pracy lub energii kinetycznej:

• Stoper lub minutnik
• Waga lub równowaga
• Kalkulator z funkcją cosinus (tylko do pracy, nie zawsze konieczny)

Obliczanie energii elektrycznej:

• Odporność
• Przewody lub tablica testowa
• Multimetr (lub omomierz i miernik prądu)
• Zaciski Fahnestock lub krokodylkowe

Ciepło:

• Obiekt do ogrzania
• Źródło ciepła (np. Palnik Bunsena)
• Termometr (płynny termometr lub termometr z sondą)
• Chemia / odniesienie chemiczne (do znalezienia ciepła właściwego ogrzewanego obiektu)