Turinys

• Žengti
• 1 metodas iš 4: Darbo džauliais apskaičiavimas
• 2 metodas iš 4: kinetinės energijos apskaičiavimas džauliais
• 3 metodas iš 4: Džaulio skaičiavimas kaip elektros energijos
• 4 metodas iš 4: šilumos apskaičiavimas džauliais
• Patarimai
• Įspėjimai
• Būtinybės

Džaulis (J), pavadintas anglų fiziko Jameso Edwardo Joule'o ​​vardu, yra vienas svarbiausių Tarptautinės metrinės sistemos vienetų. Džaulė naudojama kaip darbo, energijos ir šilumos vienetas ir plačiai naudojama moksle. Jei norite, kad atsakymas būtų pateiktas džauliais, visada naudokite standartinius mokslo vienetus.

Žengti

1 metodas iš 4: Darbo džauliais apskaičiavimas

1. Darbo apibrėžimas. Darbas apibrėžiamas kaip pastovi jėga, taikoma objektui, norint jį perkelti tam tikru atstumu. Jei naudojama ne daugiau kaip viena jėga, ją galima apskaičiuoti taip galia X atstumas, ir gali būti parašyta džaulių vienetais (atitinka „Niutono metrą“). Pirmajame pavyzdyje paimame asmenį, norintį pridėti svorį nuo grindų iki krūtinės aukščio, ir apskaičiuojame, kiek tas asmuo atliko darbą.
   • Jėga turi būti taikoma judėjimo kryptimi. Laikant daiktą ir einant į priekį, daiktas nedirba, nes jūs nestumiate objekto jo judėjimo kryptimi.
2. Nustatykite judamo objekto masę. Objekto masė reikalinga norint judėti jėga. Savo pavyzdyje teigiame, kad svorio masė yra 10 kg.
   • Nenaudokite svarų ar kitų vienetų, kurie nėra standartiniai, nes kitaip atsakymas nebus pateiktas džauliais.
3. Apskaičiuokite jėgą. Jėga = masė x pagreitis. Mūsų pavyzdyje, kilnojant svorį tiesiai į viršų, pagreitis, kurį bandome įveikti, yra lygus gravitacijai, 9,8 m / s žemyn. Apskaičiuokite jėgą, reikalingą svoriui pakelti, naudodami (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 niutonai (N).
   • Jei objektas judinamas horizontaliai, gravitacija nėra svarbi. Vietoj to, problema gali paskatinti apskaičiuoti jėgą, reikalingą trinties atsparumui įveikti. Jei nurodoma, koks yra objekto pagreitis, kai jis stumiamas, tuomet duotą pagreitį galite padauginti iš masės.
4. Išmatuokite atstumą, kuriuo objektas juda. Šiame pavyzdyje manome, kad svoris pakeliamas 1,5 metro (m). Atstumas turi būti matuojamas metrais, kitaip galutinio atsakymo negalima užfiksuoti džauliais.
5. Padauginkite jėgą iš atstumo. Norėdami pakelti 98 Niutono 1,5 metro svorį, turėsite atlikti 98 x 1,5 = 147 džaulius darbo.
6. Apskaičiuokite kampu judančių objektų darbo jėgą. Aukščiau pateiktas mūsų pavyzdys buvo paprastas: kažkas pritaikė daiktą į viršų ir objektas pakilo. Kartais jėgos kryptis ir objekto judėjimas nėra visiškai vienodi, nes objektą veikia kelios jėgos. Kitame pavyzdyje mes apskaičiuosime, kiek džaulių reikia norint vilkti roges 25 metrus per sniegą, tempiant virvę, pritvirtintą prie rogių 30º kampu horizontaliai. Tai galioja: darbas = jėga x cos (θ) x atstumas. „Simbolis“ yra graikų raidė „teta“ ir žymi kampą tarp jėgos krypties ir judėjimo krypties.
7. Nustatykite bendrą veikiamą jėgą. Šioje problemoje sakome, kad kažkas tempia virvę 10 niutonų jėga.
   • Jei jėga „į dešinę“, „aukštyn“ arba „judėjimo kryptimi“ jau buvo suteikta, „jėga x cos (“) “yra tokia, kokia apskaičiuota, ir jūs galite toliau dauginti reikšmes.
8. Apskaičiuokite atitinkamą jėgą. Tik dalis jėgos traukia vežimą į priekį. Kadangi virvė yra į viršų kampu, likusi jėga bando pakelti vežimą aukštyn, atsverdama gravitaciją. Apskaičiuokite jėgą judėjimo kryptimi:
   • Mūsų pavyzdyje kampas θ tarp žemės ir lyno yra 30º.
   • Apskaičiuokite cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = maždaug 0,866. Norėdami rasti šią vertę, galite naudoti skaičiuotuvą, tačiau įsitikinkite, kad jūsų skaičiuoklė naudoja teisingą vienetą, kaip kampas yra nurodytas (laipsniais arba radianais).
   • Padauginkite bendrą jėgą x cos (θ). Mūsų pavyzdyje 10N x 0,866 = 8,66 N judėjimo kryptimi.
9. Padauginkite jėgą x atstumą. Dabar, kai žinome, kiek jėgos veikia judėjimo kryptimi, galime apskaičiuoti darbą kaip įprasta. Mūsų problema byloja, kad vežimas buvo tempiamas 20 metrų į priekį, todėl apskaičiuojame 8,66 N x 20 m = 173,2 džaulio darbo.

2 metodas iš 4: kinetinės energijos apskaičiavimas džauliais

1. Supraskite tam tikrą kinetinę energiją. Kinetinė energija yra energijos kiekis judėjimo pavidalu. Kaip ir bet kurią energijos formą, ją galima išreikšti džauliais.
   • Kinetinė energija lygi darbo kiekiui, kad nejudantis objektas būtų pagreitintas iki tam tikro greičio. Pasiekus tą greitį, objektas išlaiko tą kinetinės energijos kiekį, kol ta energija paverčiama šiluma (trinties būdu), gravitacijos energija (einant prieš gravitaciją) ar kitokio tipo energija.
2. Nustatykite objekto masę. Pavyzdžiui, galime išmatuoti dviračio ir dviratininko kinetinę energiją. Tarkime, kad dviratininko masė yra 50 kg, o dviračio - 20 kg. Tai sudaro bendrą masę m 70 kg. Dabar galime juos kartu laikyti vienu 70 kg svorio objektu, nes jie kartu juda tuo pačiu greičiu.
3. Apskaičiuokite greitį. Jei jau žinote dviratininko greitį ar vektorinį greitį, užsirašykite jį ir eikite toliau. Jei vis tiek reikia tai apskaičiuoti, naudokite vieną iš toliau pateiktų metodų. Tai susiję su greičiu, o ne su vektoriniu greičiu (kuris yra greitis tam tikra kryptimi), nors raidė dažnai yra v naudojamas greičiui. Nepaisykite jokių dviratininko posūkių ir apsimeskite, kad visas atstumas yra tiesus.
   • Jei dviratininkas juda pastoviu greičiu (be pagreičio), išmatuokite dviratininko nueitą atstumą ir padalykite iš sekundžių, kurių prireikė tam atstumui įveikti, skaičiaus. Tai apskaičiuoja vidutinį greitį, kuris šiame scenarijuje yra toks pats kaip greitis bet kuriuo momentu.
   • Jei dviratininkas juda pastoviu pagreičiu ir nekeičia krypties, apskaičiuokite jo greitį tuo metu t pagal formulę „greitis (laikas t) = (pagreitis) (t) + pradinis greitis. Laikas yra sekundėmis, greitis metrais / sekunde, o pagreitis - m / s.
4. Įveskite šiuos skaičius į šią formulę. Kinetinė energija = (1/2)m "v. Pavyzdžiui, jei dviratininkas juda 15 m / s greičiu, jo kinetinė energija yra K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 niutonmetrai = 7875 džauliai.
   • Kinetinės energijos formulę galima gauti apibrėžiant darbą, W = FΔs ir lygtį v = v₀ + 2aΔs. Δs reiškia „poslinkį“ arba nuvažiuotą atstumą.

3 metodas iš 4: Džaulio skaičiavimas kaip elektros energijos

1. Apskaičiuokite energiją naudodami galią x laiką. Galia apibrėžiama kaip suvartota energija per laiko vienetą, todėl suvartotą energiją galime apskaičiuoti pagal galią ir laiko vienetą. Tai naudinga matuojant galią vatais, nes 1 vatas = 1 džaulis per sekundę. Norėdami sužinoti, kiek energijos per 60 W kaitrinė lemputė sunaudoja per 120 sekundžių, padauginkite: (60 vatų) x (120 sekundžių) = 7200 džaulių.
   • Ši formulė gali būti naudojama bet kokiai galiai, matuojama vatais, tačiau elektra yra akivaizdžiausia.
2. Norėdami apskaičiuoti energijos srautą elektros grandinėje, atlikite toliau nurodytus veiksmus. Žemiau pateikiami veiksmai pateikiami kaip praktinis pavyzdys, tačiau šį metodą galite naudoti ir teorinėms fizikos problemoms suprasti. Pirmiausia apskaičiuojame galią P, naudojant formulę P = I x R, kur I yra srovė amperais, o R - varža omais. Šie vienetai suteikia mums galią vatais, todėl nuo šio momento energijai džauliais apskaičiuoti galime taikyti ankstesniame etape naudotą formulę.
3. Pasirinkite rezistorių. Rezistoriai nurodomi omais, jų vertė nurodoma tiesiai ant rezistoriaus arba nurodoma spalvotų žiedų serija. Taip pat galite išbandyti varžą omometru arba multimetru. Šiame pavyzdyje darome prielaidą, kad mūsų naudojama varža yra 10 omų.
4. Prijunkite rezistorių prie energijos šaltinio (akumuliatoriaus). Tam naudokite spaustukus arba įdėkite rezistorių į bandymo grandinę.
5. Leiskite srovei tekėti per tam tikrą laiką. Šiame pavyzdyje laiko vienetą laikome 10 sekundžių.
6. Išmatuokite srovės stiprumą. Tai darote srauto matuokliu arba multimetru. Dauguma namų ūkio srovės yra miliamperais, todėl manome, kad srovė yra 100 miliamperų arba 0,1 ampero.
7. Naudokite formulę P = I x R. Dabar, norėdami rasti galią, kvadratinę srovės galią padauginkite iš pasipriešinimo. Tai suteikia jums šios grandinės galią vatais. Kvadratas 0,1 suteikia 0,01. Padauginę iš 10, gausite 0,1 vato arba 100 milivatų išėjimo galią.
8. Padauginkite galią iš praėjusio laiko. Tai suteikia energiją džauliais. 0,1 vato x 10 sekundžių prilygsta 1 džauliui elektros energijos.
   • Kadangi „Joule“ yra nedidelis vienetas ir kadangi prietaisų energijos sąnaudos paprastai nurodomos vatais, milivatais ir kilovatais, dažnai patogiau apskaičiuoti prietaiso suvartojamų kWh (kilovatvalandžių) skaičių. 1 vatas yra lygus 1 džauliui per sekundę arba 1 džaulis lygus 1 vatų sekundei; vienas kilovatas yra lygus 1 kilodžauliui per sekundę, o vienas kilodžaulis yra lygus 1 kilovato sekundei. Per valandą yra 3600 sekundžių, taigi 1 kilovatvalandė yra lygi 3 600 kilovatvalandėms, 3 600 kilodžaulių arba 3 600 000 džaulių.

4 metodas iš 4: šilumos apskaičiavimas džauliais

1. Nustatykite objekto, į kurį dedama šiluma, masę. Tam naudokite balansą ar svarstykles. Jei daiktas yra skystis, pirmiausia pasverkite tuščią indą, į kurį skystis pateks. Norėdami rasti skysčio masę, turėsite tai atimti iš indo ir skysčio masės. Šiame pavyzdyje mes manome, kad objektas yra 500 gramų vandens.
   • Naudokite gramus, o ne kitą vienetą, kitaip rezultatas nebus pateiktas džauliais.
2. Nustatykite specifinę objekto šilumą. Šią informaciją galite rasti cheminių medžiagų žinynuose, tačiau taip pat galite rasti internete. Tai specifinė vandens šiluma c yra 4,19 džaulių už gramą už kiekvieną Celsijaus laipsnį - arba 4,1855, jei norite būti labai tikslus.
   • Specifinė šiluma šiek tiek skiriasi priklausomai nuo temperatūros ir slėgio. Skirtingose ​​organizacijose ir vadovėliuose naudojama skirtinga „standartinė temperatūra“, todėl galite rasti net 4 179 konkrečiai vandens šilumai.
   • Taip pat galite naudoti Kelviną vietoj Celsijaus, nes 1 laipsnis yra tas pats abiem indams (kaitinti ką nors 3 ° C temperatūroje yra tas pats, kaip ir 3 Kelvin). Nenaudokite „Fahrenheit“, nes rezultatas nebus pateiktas džauliais.
3. Nustatykite dabartinę objekto temperatūrą. Jei objektas yra skystis, galite naudoti įprastą (gyvsidabrio) termometrą. Kitiems objektams gali prireikti termometro su zondu.
4. Įkaitinkite objektą ir dar kartą pamatuokite temperatūrą. Tai leidžia išmatuoti šilumos kiekį, kuris buvo pridėtas prie objekto kaitinant.
   • Jei norite sužinoti bendrą šilumos kiekį, sukauptą šilumos pavidalu, galite apsimesti, kad pradinė temperatūra buvo absoliuti nulis: 0 Kelvino arba –273,15ºC.
5. Iš kaitinimo atimkite pradinę temperatūrą. Tai suteikia rezultatui objekto temperatūros pokyčius. Darant prielaidą, kad iš pradžių vanduo buvo 15 laipsnių šilumos, o pašildžius - 35 laipsnius šilumos, temperatūros pokytis yra 20 laipsnių Celsijaus.
6. Padauginkite objekto masę iš specifinės šilumos ir temperatūros pokyčio. Jūs rašote šią formulę kaip H =mcΔT., kur ΔT reiškia "temperatūros pokytį". Šiame pavyzdyje tai tampa 500 g x 4,19 x 20 = 41 900 džaulių.
   • Šiluma paprastai išreiškiama kalorijomis arba kilokalorijomis. Kalorijos apibrėžiamos kaip šilumos kiekis, reikalingas, kad 1 g vandens pakiltų 1 laipsniu Celsijaus, o kilokalorija (arba Kalorija) - šilumos kiekis, reikalingas 1 kg vandens temperatūrai pakelti 1 laipsniu Celsijaus ... Aukščiau pateiktame pavyzdyje norint pakelti 500 gramų vandens temperatūrą 20 laipsnių Celsijaus reikia 10 000 kalorijų arba 10 kilokalorijų.

Patarimai

• Su džauliu susijęs dar vienas darbo ir energijos vienetas, vadinamas erg; 1 erg yra lygus 1 dyno jėgai, padaugintam iš 1 cm atstumo. Vienas džaulis yra lygus 10 000 000 erg.

Įspėjimai

• Nors terminai „džaulis“ ir „niutono metras“ reiškia tą patį vienetą, praktiškai „džaulis“ vartojamas nurodyti bet kokią energijos rūšį ir tiesiai atliekamiems darbams, kaip aukščiau esančio laipiojimo laiptais pavyzdžiu. Kai naudojamas apskaičiuojant sukimo momentą (jėga besisukančiam objektui), mums labiau patinka terminas „Niutono metras“.

Būtinybės

Darbo ar kinetinės energijos skaičiavimas:

• Chronometras arba laikmatis
• Svarstyklės ar pusiausvyra
• Skaičiuoklė su kosinuso funkcija (tik darbui, ne visada reikalinga)

Skaičiuojant elektros energiją:

• Pasipriešinimas
• Laidai arba bandymo lenta
• Multimetras (arba omometras ir srovės skaitiklis)
• Fahnestock arba aligatoriaus spaustukai

Šiluma:

• Šildomas objektas
• Šilumos šaltinis (pvz., „Bunsen“ degiklis)
• Termometras (skystas termometras arba termometras su zondu)
• Chemijos / chemijos nuoroda (norint rasti specifinę šildomo objekto šilumą)