Laske joulea

Sisältö

Astua
Menetelmä 1/4: Työn laskeminen jouleina
Menetelmä 2/4: Kineettisen energian laskeminen jouleina
Menetelmä 3/4: Joulen laskeminen sähköenergiana
Menetelmä 4/4: Lämmön laskeminen jouleina
Vinkkejä
Varoitukset
Tarpeet

Joule (J), nimetty englantilaisen fyysikon James Edward Joulen mukaan, on yksi kansainvälisen metrisen järjestelmän tärkeimmistä yksiköistä. Joulea käytetään työn, energian ja lämmön yksikkönä, ja sitä käytetään laajalti tieteessä. Jos haluat vastauksesi olevan jouleina, käytä aina tavanomaisia tieteellisiä yksiköitä.

Astua

Menetelmä 1/4: Työn laskeminen jouleina

Työn määritelmä. Työ määritellään objektiin kohdistuvana jatkuvana voimana sen siirtämiseksi tietylle etäisyydelle. Jos vain yhtä voimaa ei käytetä, se voidaan laskea seuraavasti teho X etäisyys, ja se voidaan kirjoittaa joulen yksikköinä (vastaa "Newton-metriä"). Ensimmäisessä esimerkissämme otamme henkilön, joka haluaa lisätä painon lattiasta rinnan korkeuteen, ja laskemme kuinka paljon työtä hän on tehnyt.
- Voima on kohdistettava liikkeen suuntaan. Kun pidät esinettä ja kävelet eteenpäin, esineeseen ei tehdä mitään työtä, koska et työnnä esinettä sen liikkeen suuntaan.
Määritä liikkuvan kohteen massa. Esineen massaa tarvitaan sen siirtämiseen tarvittavan voiman laskemiseksi. Esimerkissämme sanomme, että painon massa on 10 kg.
- Älä käytä puntaa tai muita yksiköitä, jotka eivät ole vakiona, tai lopullinen vastaus ei tule jouleina.
Laske voima. Voima = massa x kiihtyvyys. Esimerkissämme painon nostaminen suoraan ylöspäin, kiihtyvyys, jonka yritämme voittaa, on yhtä suuri kuin painovoima, 9,8 m / s alaspäin. Laske painon nostamiseen tarvittava voima (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 newtonia (N).
- Jos kohdetta siirretään vaakasuunnassa, painovoimalla ei ole merkitystä. Sen sijaan ongelma voi kehottaa sinua laskemaan kitkavastuksen voittamiseksi tarvittavan voiman. Jos annetaan kohteen kiihtyvyys, kun sitä työnnetään, voit kertoa annetun kiihtyvyyden massalla.
Mittaa kohteen liikkuvan etäisyyden. Tässä esimerkissä oletetaan, että paino nostetaan 1,5 metriä (m). Etäisyys on mitattava metreinä, muuten lopullista vastausta ei voida tallentaa jouleina.
Kerro voima etäisyydellä. 98 Newtonin 1,5 metrin painon nostamiseksi sinun on tehtävä 98 x 1,5 = 147 joulea.
Laske kulma liikkuvien esineiden työvoima. Yllä oleva esimerkkimme oli yksinkertainen: joku käytti esineeseen ylöspäin suuntautuvaa voimaa, ja esine nousi ylös. Joskus voiman suunta ja kohteen liike eivät ole aivan samat, koska esineeseen vaikuttaa useita voimia. Seuraavassa esimerkissä aiomme laskea, kuinka monta joulea kuluttaa kelkan vetäminen 25 metriä lumen läpi vetämällä kelkkaan kiinnitettyä köyttä 30 asteen kulmassa vaakatasoon nähden. Seuraava pätee: työ = voima x cos (θ) x etäisyys. "Symboli" on kreikkalainen kirjain "theta", ja se edustaa voiman ja liikkeen suunnan välistä kulmaa.
Määritä käytetty voima. Tässä ongelmassa sanotaan, että joku vetää köyttä 10 Newtonin voimalla.
- Jos voima "oikealle", "ylös" tai "liikkeen suuntaan" on jo annettu, "voima x cos (") "on laskettu, ja voit jatkaa kertomalla arvot.
Laske asiaankuuluva voima. Vain osa voimasta vetää vaunua eteenpäin. Koska köysi on ylöspäin kulmassa, jäljellä oleva voima yrittää nostaa vaunua ylöspäin vastakkain painovoimaan. Laske voima liikkeen suuntaan:
- Esimerkissämme kulma θ maan ja köyden välillä on 30º.
- Laske cos (θ). cos (30º) = (√3) / 2 = noin 0,866. Voit käyttää tätä arvoa laskimella, mutta varmista, että laskimesi käyttää oikeaa yksikköä kulmana (asteina tai radiaaneina).
- Kerro kokonaisvoima x cos (θ). Esimerkissämme 10N x 0,866 = 8,66 N liikkeen suunnassa.
Kerro voima x etäisyys. Nyt kun tiedämme kuinka paljon voimaa kohdistetaan liikkeen suuntaan, voimme laskea työn tavalliseen tapaan. Ongelmamme kertoo meille, että vaunu on vedetty 20 metriä eteenpäin, joten laskemme 8,66 N x 20 m = 173,2 joulea työ.

Menetelmä 2/4: Kineettisen energian laskeminen jouleina

Ymmärtää kineettistä energiaa. Kineettinen energia on energian määrä liikkeen muodossa. Kuten minkä tahansa energiamuodon tapauksessa, se voidaan ilmaista jouleina.
- Kineettinen energia on yhtä suuri kuin työ, joka tehdään paikallaan olevan kohteen kiihdyttämiseksi tietylle nopeudelle. Kun tämä nopeus on saavutettu, esine säilyttää kineettisen energian määrän, kunnes energia muuttuu lämmöksi (kitkan avulla), gravitaatioenergiaksi (menemällä painovoimaa vastaan) tai muun tyyppiseksi energiaksi.
Määritä kohteen massa. Voimme esimerkiksi mitata polkupyörän ja pyöräilijän kineettisen energian. Oletetaan, että pyöräilijän massa on 50 kg ja polkupyörän massa on 20 kg. Se lisää kokonaismassan m paino 70 kg. Voimme nyt kohdella heitä yhdessä yhtenä 70 kg: n esineenä, koska ne liikkuvat yhdessä samalla nopeudella.
Laske nopeus. Jos tiedät jo pyöräilijän nopeuden tai vektorinopeuden, kirjoita se muistiin ja siirry eteenpäin. Jos sinun on vielä laskettava tämä, käytä yhtä alla olevista tavoista. Tämä koskee nopeutta, ei vektorinopeutta (joka on nopeus tiettyyn suuntaan), vaikka kirjain on usein v käytetään nopeuteen. Ohita pyöräilijän tekemät käännökset ja teeskennele, että koko matka on suorassa linjassa.
- Jos pyöräilijä liikkuu tasaisella nopeudella (ei kiihtyvyyttä), mittaa pyöräilijän kuljettu matka ja jakamalla sekuntien määrällä, joka kului kyseisen matkan kulkemiseen. Tämä laskee keskinopeuden, joka on tässä skenaariossa sama kuin nopeus kulloinkin.
- Jos pyöräilijä liikkuu tasaisella kiihtyvyydellä eikä muuta suuntaa, laske hänen nopeutensa t kaavalla ’nopeus (aika t) = (kiihtyvyys) (t) + alkunopeus. Aika on sekunteina, nopeus metreinä / sekunti ja kiihtyvyys m / s.
Syötä seuraavat numerot seuraavaan kaavaan. Kineettinen energia = (1/2)m "v. Esimerkiksi, jos pyöräilijä liikkuu nopeudella 15 m / s, hänen kineettinen energiansa on K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) ( 15 m / s) (15 m / s) = 7875 kgm / s = 7875 newtonmetriä = 7875 joulea.
- Kineettisen energian kaava voidaan johtaa työn määritelmästä, W = FΔs ja yhtälöstä v = v₀ + 2aΔs. Δs tarkoittaa "siirtymää" tai myös kuljettua matkaa.

Menetelmä 3/4: Joulen laskeminen sähköenergiana

Laske energia käyttämällä tehoa x aikaa. Teho määritellään kuluneeksi energiaksi aikayksikköä kohti, joten voimme laskea kulutetun energian teholla kertaa aikayksikkö. Tämä on hyödyllistä mitattaessa tehoa watteina, koska 1 watti = 1 joule / sekunti. Jos haluat selvittää, kuinka paljon energiaa 60 W: n hehkulamppu käyttää 120 sekunnissa, kerro seuraava: (60 wattia) x (120 sekuntia) = 7200 joulea.
- Tätä kaavaa voidaan käyttää kaikenlaiseen tehoon mitattuna watteina, mutta sähkö on ilmeisin.
Noudata seuraavia vaiheita laskeaksesi virran virtapiirissä. Seuraavat vaiheet on esitetty käytännön esimerkkinä, mutta voit käyttää tätä menetelmää myös ymmärtääksesi teoreettisia fysiikan ongelmia. Ensin lasketaan teho P kaavalla P = I x R, jossa I on virta ampeereina ja R on vastus ohmoina. Nämä yksiköt antavat meille tehon watteina, joten tästä eteenpäin voimme soveltaa edellisessä vaiheessa käytettyä kaavaa energian laskemiseen jouleina.
Valitse vastus. Vastukset on osoitettu ohmina, niiden arvo ilmoitetaan suoraan vastuksessa tai värillisten renkaiden sarja. Voit testata vastuksen myös ohmimittarilla tai yleismittarilla. Tässä esimerkissä oletetaan, että käyttämämme vastus on 10 ohmia.
Liitä vastus energialähteeseen (akku). Käytä tähän kiinnikkeitä tai aseta vastus testipiiriin.
Anna virran kulkea sen läpi tietyn ajan. Tässä esimerkissä käytetään 10 sekuntia aikayksikkönä.
Mittaa virran voimakkuus. Teet tämän virtausmittarilla tai yleismittarilla. Suurin osa kotitalouden virrasta on milliampeereina, joten oletamme virran olevan 100 milliampeeria tai 0,1 ampeeria.
Käytä kaavaa P = I x R. Nyt voiman löytämiseksi kerrotaan virran neliöteho vastuksella. Tämä antaa sinulle tämän piirin tehon watteina. Neliö 0,1 antaa 0,01. Kerro tämä 10: llä ja saat lähtötehoksi 0,1 wattia tai 100 milliwattia.
Kerro teho kuluneella ajalla. Tämä antaa energian jouleina. 0,1 wattia x 10 sekuntia vastaa yhtä joulea sähköenergiaa.
- Koska Joule on pieni yksikkö ja koska laitteiden energiankulutus ilmoitetaan yleensä watteina, milliwattteina ja kilowateina, on usein helpompaa laskea laitteen kuluttaman kWh: n (kilowattituntien) määrä. 1 watti on 1 joule sekunnissa tai 1 joule yhtä 1 wattia sekunti; yksi kilowatti on yhtä suuri kuin 1 kilojoule sekunnissa ja yksi kilojoule on yhtä suuri kuin yksi kilowatti sekunti. Tunnissa on 3600 sekuntia, joten 1 kilowattitunti on yhtä suuri kuin 3600 kilowattisekuntia, 3600 kilojoulea tai 3600000 joulea.

Menetelmä 4/4: Lämmön laskeminen jouleina

Määritä kohteen massa, johon lämpöä lisätään. Käytä tätä varten vaaka tai asteikko. Jos esine on nestettä, punnitse ensin tyhjä astia, johon neste menee. Sinun on vähennettävä tämä astian ja nesteen massasta yhdessä nesteen massan löytämiseksi. Tässä esimerkissä oletetaan, että esine on 500 grammaa vettä.
- Käytä grammaa, älä muuta yksikköä, muuten tulosta ei ilmoiteta jouleina.
Määritä kohteen ominaislämpö. Nämä tiedot löytyvät binas-kemian viitekirjoista, mutta voit myös löytää ne verkosta. Tämä on veden ominaislämpö c on 4,19 joulea grammaa kohden jokaista celsiusastetta kohti - tai 4,11855, jos haluat olla hyvin tarkka.
- Ominaislämpö vaihtelee hieman lämpötilan ja paineen mukaan. Eri organisaatiot ja oppikirjat käyttävät erilaisia "vakiolämpötiloja", joten veden ominaislämmölle voi löytyä jopa 4 179.
- Voit käyttää myös Kelviniä Celsiuksen sijasta, koska 1 astetta on sama molemmissa astioissa (3 ° C: n lämpötilan lämmittäminen on sama kuin 3 Kelvinin astian lämmitys). Älä käytä Fahrenheitia tai tulos ei ole ilmoitettu jouleina.
Määritä kohteen nykyinen lämpötila. Jos esine on nestemäinen, voit käyttää tavallista (elohopea) lämpömittaria. Muita esineitä varten saatat tarvita lämpömittaria anturilla.
Lämmitä esine ja mittaa lämpötila uudelleen. Tämän avulla voit mitata esineeseen lisätyn lämmön määrän lämmityksen aikana.
- Jos haluat tietää lämmön muodossa varastoidun energian kokonaismäärän, voit teeskennellä, että alkulämpötila oli absoluuttinen nolla: 0 Kelvin tai -273,15ºC.
Vähennä alkuperäinen lämpötila lämpötilasta lämmityksen jälkeen. Tämä antaa tuloksen muutoksen kohteen lämpötilassa. Olettaen, että vesi oli aluksi 15 celsiusastetta ja lämmityksen jälkeen 35 astetta, lämpötilan muutos on siis 20 astetta.
Kerro kohteen massa ominaislämmöllä ja lämpötilan muutoksella. Kirjoitat tämän kaavan muodossa H =mcΔT., jossa ΔT edustaa "lämpötilan muutosta". Tässä esimerkissä tästä tulee 500 g x 4,19 x 20 = 41 900 joulea.
- Lämpö ilmaistaan yleensä kaloreina tai kilokaloreina. Kalori määritellään lämmön määräksi, joka tarvitaan yhden gramman veden lämpötilan nousuun 1 celsiusasteella, kun taas kilokalori (tai kalori) on lämmön määrä, joka tarvitaan nostamaan 1 kilogramman veden lämpötilaa 1 celsiusasteella . Yllä olevassa esimerkissä 500 gramman veden lämpötilan nostaminen 20 celsiusasteella vaatii 10000 kaloria tai 10 kilokaloria.

Vinkkejä

Jouleen liittyy toinen työ- ja energiayksikkö, jota kutsutaan ergiksi; 1 erg vastaa yhtä dyne-voimaa kertaa 1 cm: n etäisyys. Yksi joule on yhtä suuri kuin 10000000 erg.

Varoitukset

Vaikka termit "joule" ja "newtonmetri" viittaavat samaan yksikköön, käytännössä "joulea" käytetään osoittamaan mitä tahansa energiamuotoa ja suoralla linjalla tehtävää työtä varten, kuten yllä olevassa portaiden kiipeämisessä. Kun sitä käytetään laskemaan vääntömomentti (voima pyörivään esineeseen), mieluummin käytetään termiä "Newton-mittari".