Nazwany na cześć brytyjskiego fizyka Jamesa Edwarda Joule'a, dżul (J) jest jedną z podstawowych jednostek międzynarodowego systemu metrycznego. Dżul jest używany jako jednostka pracy, energii i ciepła i jest szeroko stosowany w zastosowaniach naukowych. Jeśli chcesz otrzymać odpowiedź w dżulach, zawsze używaj standardowych jednostek naukowych. Stopa-funt lub brytyjska jednostka ciepła (BTU) jest nadal używana w niektórych dziedzinach, ale nie w pracy domowej z fizyki.
Krok
Metoda 1 z 5: Obliczanie pracy w dżulach
Krok 1. Zrozum pracę w fizyce
Jeśli przepychasz pudełko przez pokój, podejmujesz wysiłek. Jeśli podniesiesz pudło do góry, również podjąłeś wysiłek. W „biznesie” muszą istnieć dwa ważne kryteria:
- Zapewniasz stały styl.
- Ta siła sprawia, że obiekty poruszają się w tym samym kierunku co siła.
Krok 2. Zrozum definicję biznesu
Wysiłek jest łatwy do obliczenia. Wystarczy pomnożyć ilość siły i całkowitą odległość, jaką obiekt przebył. Zazwyczaj naukowcy wyrażają siłę w niutonach, a odległość w metrach. Jeśli użyjesz obu tych jednostek, wynikową jednostką pracy są dżule.
Za każdym razem, gdy czytasz pytanie dotyczące biznesu, zatrzymaj się i zastanów, gdzie jest styl. Jeśli podnosisz pudło, pchasz je do góry, aby pudło poruszało się w górę. Tak więc odległość, jaką pokonuje pudełko, jest tym, jak wysoko się przesunęło. Jednak następnym razem, gdy idziesz do przodu z pudełkiem, nie podejmujesz żadnego wysiłku w tym procesie. Nawet jeśli nadal pchasz pudło, aby nie spadło, to już nie podnosi się
Krok 3. Znajdź masę przemieszczanego obiektu
Masa obiektu jest potrzebna do obliczenia siły potrzebnej do jego przesunięcia. W naszym przykładzie załóżmy, że ładunek ma masę 10 kilogramów (kg).
Unikaj używania funtów lub innych niestandardowych jednostek, w przeciwnym razie ostateczna odpowiedź nie będzie w dżulach
Krok 4. Oblicz styl
Siła = masa x przyspieszenie. W naszym przykładzie, podnosząc ciężar prosto do góry, nasze przyspieszenie jest spowodowane grawitacją, która w normalnych warunkach przyspiesza obiekt w dół z prędkością 9,8 metra/s.2. Oblicz siłę potrzebną do podniesienia naszego ładunku, mnożąc (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 niutonów (N).
Jeśli obiekt zostanie przesunięty poziomo, grawitacja nie ma wpływu. Problem może wymagać obliczenia siły potrzebnej do przeciwstawienia się tarciu. Jeśli problem mówi o przyspieszeniu pchanego obiektu, możesz pomnożyć znane przyspieszenie przez jego masę
Krok 5. Zmierz przebyte przemieszczenie
W tym przykładzie załóżmy, że ładunek jest podnoszony na wysokość 1,5 metra (m). Przemieszczenie musi być mierzone w metrach, w przeciwnym razie ostateczna odpowiedź nie będzie wyrażona w dżulach.
Krok 6. Pomnóż siłę przez przemieszczenie
Aby podnieść ciężar 98 niutonów na wysokość 1,5 metra, trzeba wykonać 98 x 1,5 = 147 dżuli pracy.
Krok 7. Oblicz pracę wykonaną, aby przesunąć obiekt pod określonym kątem
Powyższy przykład jest prosty: ktoś wywiera na obiekt siłę do przodu, a obiekt porusza się do przodu. Czasami kierunek siły i ruch obiektu nie są takie same, ponieważ na obiekt działa kilka sił. W następnym przykładzie obliczymy liczbę dżuli potrzebnych do przeciągnięcia przez dziecko sanki 25 metrów przez płaski śnieg, podciągając linę pod kątem 30º. Dla tego problemu praca = siła x cosinus(θ) x przemieszczenie. Symbolem jest grecka litera theta i opisuje kąt między kierunkiem siły a kierunkiem ruchu.
Krok 8. Znajdź całkowitą przyłożoną siłę
W przypadku tego problemu załóżmy, że dziecko ciągnie sznurek z siłą 10 niutonów.
Jeśli problem wywiera siłę skierowaną w prawo, siłę skierowaną do góry lub siłę skierowaną w kierunku ruchu, to siły te już uwzględniają część x cosinus(θ) siły i można przejść do przodu i kontynuować mnożenie wartości
Krok 9. Oblicz odpowiednią siłę
Tylko kilka stylów ciągnie sanki do przodu. Gdy struna jest skierowana do góry, inna siła próbuje ją podciągnąć, ciągnąc wbrew grawitacji. Oblicz siłę wywieraną w kierunku ruchu:
- W naszym przykładzie kąt pomiędzy płaskim śniegiem 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 tych samych jednostek, co pomiar kąta (stopnie lub radiany).
- Pomnóż całkowitą siłę x cos(θ). W naszym przykładzie 10 N x 0,866 = 8,66 sił w kierunku ruchu.
Krok 10. Pomnóż siłę przez przemieszczenie
Teraz, gdy znamy siłę postępującą w kierunku ruchu, możemy normalnie obliczyć pracę. Nasz problem mówi nam, że sanie poruszają się do przodu o 20 metrów, więc oblicz 8,66 N x 20 m = 173,2 dżuli pracy.
Metoda 2 z 5: Obliczanie dżuli z watów
Krok 1. Zrozum moc i energię
Wat to jednostka mocy lub wskaźnik zużycia energii (energia podzielona przez czas). Podczas gdy dżul jest jednostką energii. Aby przekonwertować waty na dżule, musisz określić czas. Im dłużej płynie prąd elektryczny, tym większa jest zużyta energia.
Krok 2. Pomnóż waty przez sekundy, aby uzyskać dżule
Urządzenie o mocy 1 W zużywa 1 dżul energii na 1 sekundę. Jeśli pomnożysz liczbę watów przez sekundy, otrzymasz dżule. Aby dowiedzieć się, ile energii lampa 60W zużywa w ciągu 120 sekund, wystarczy pomnożyć 60 watów x 120 sekund = 7200 dżuli.
Ten wzór można zastosować dla dowolnej mocy wyrażonej w watach, ale ogólnie w energii elektrycznej
Metoda 3 z 5: Obliczanie energii kinetycznej w dżulach
Krok 1. Zrozum energię kinetyczną
Energia kinetyczna to ilość energii w postaci ruchu. Podobnie jak inne jednostki energii, energię kinetyczną można zapisać w dżulach.
Energia kinetyczna jest równa ilości pracy wykonanej w celu przyspieszenia statycznego obiektu do określonej prędkości. Gdy obiekt osiągnie tę prędkość, zachowa określoną ilość energii kinetycznej, dopóki energia nie zamieni się w ciepło (z tarcia), energię potencjalną grawitacji (z ruchu przeciw grawitacji) lub inne rodzaje energii
Krok 2. Znajdź masę obiektu
Na przykład mierzymy energię kinetyczną roweru i rowerzysty. Na przykład rowerzysta ma masę 50 kg, a jego rower ma masę 20 kg, co daje całkowitą masę m 70 kg. Teraz traktujemy je jako jeden obiekt o masie 70 kg, ponieważ oba będą poruszały się z tą samą prędkością.
Krok 3. Oblicz prędkość
Jeśli znasz już prędkość lub prędkość rowerzysty, po prostu zapisz to i ruszaj dalej. Jeśli musisz obliczyć prędkość, użyj jednej z poniższych metod. Zauważ, że szukamy prędkości, a nie prędkości (która jest prędkością w danym kierunku), chociaż często używa się skrótu v. Zignoruj wszelkie skręty rowerzysty i załóż, że cały dystans pokonuje w linii prostej.
- Jeśli rowerzysta porusza się ze stałą prędkością (nie przyspiesza), zmierz odległość, jaką rowerzysta pokonuje w metrach, i podziel przez liczbę sekund, jaką zajmie pokonanie tego dystansu. To obliczenie da średnią prędkość, która w tym przypadku jest równa prędkości chwilowej.
- Jeżeli rowerzysta doświadcza stałego przyspieszenia i nie zmienia kierunku, oblicz jego prędkość w czasie t ze wzoru na prędkość w czasie t = (przyspieszenie)(t) + prędkość początkowa. Użyj sekundy, aby zmierzyć czas, metr/sekundę, aby zmierzyć prędkość, a m/s2 do pomiaru przyspieszenia.
Krok 4. Podłącz te liczby do następującej formuły
Energia kinetyczna = (1/2) m v 2. Na przykład, jeśli rowerzysta porusza się z prędkością 15 m/s, jego energia kinetyczna EK = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 niutonometrów = 7875 dżuli.
Wzór na energię kinetyczną można wyprowadzić z definicji pracy W = FΔs oraz równania kinematycznego v2 = v02 + 2a. s reprezentuje zmianę pozycji lub przebytą odległość.
Metoda 4 z 5: Obliczanie ciepła w dżulach
Krok 1. Znajdź masę ogrzewanego obiektu
Do pomiaru użyj wagi lub wagi sprężynowej. Jeśli obiekt jest cieczą, najpierw zmierz pusty pojemnik, w którym znajduje się ciecz i znajdź jego masę. Musisz odjąć ją od masy pojemnika plus płyn, aby znaleźć masę płynu. W tym przykładzie załóżmy, że przedmiot to 500 gramów wody.
Używaj gramów, a nie innych jednostek, albo wynik nie będzie dżulami
Krok 2. Znajdź ciepło właściwe obiektu
Informacje te można znaleźć w źródłach chemicznych, zarówno w formie książkowej, jak i internetowej. W przypadku wody ciepło właściwe c wynosi 4,19 dżuli na gram na każdy stopień Celsjusza, w którym jest podgrzana – lub 4,1855, jeśli potrzebujesz dokładnej wartości.
- Rzeczywiste ciepło właściwe zmienia się nieznacznie w zależności od temperatury i ciśnienia. Różne organizacje i podręczniki stosują różne standardowe temperatury, więc możesz zobaczyć ciepło właściwe wody wymienione jako 4.179.
- Możesz użyć Kelvina zamiast Celsjusza, ponieważ różnica temperatur jest taka sama dla obu jednostek (podgrzanie czegoś o 3ºC to ogrzewanie o 3 Kelviny). Nie używaj stopni Fahrenheita, w przeciwnym razie wyniki nie będą podane w dżulach.
Krok 3. Znajdź początkową temperaturę obiektu
Jeśli obiekt jest cieczą, możesz użyć termometru rtęciowego. W przypadku niektórych przedmiotów może być potrzebny termometr sondy.
Krok 4. Podgrzej obiekt i ponownie zmierz temperaturę
Zmierzy to przyrost ciepła obiektu podczas ogrzewania.
Jeśli chcesz zmierzyć całkowitą ilość energii zmagazynowanej jako ciepło, możesz założyć, że temperatura początkowa wynosi zero absolutne: 0 Kelvina lub -273,15ºC. To nie jest zbyt przydatne
Krok 5. Odejmij temperaturę początkową od temperatury ogrzewania
Ta redukcja spowoduje zmianę stopnia temperatury w obiekcie. Zakładając, że woda miała wcześniej 15 stopni Celsjusza i była podgrzana do 35 stopni Celsjusza, temperatura zmienia się na 20 stopni Celsjusza.
Krok 6. Pomnóż masę obiektu przez jego ciepło właściwe i wielkość zmiany temperatury
Wzór jest napisany Q = mc T, gdzie T jest zmianą temperatury. W tym przykładzie byłoby to 500 g x 4, 19 x 20 lub 41 900 dżuli.
Ciepło jest częściej zapisywane w systemie metrycznym kalorii lub kilokalorii. Kalorię definiuje się jako ilość ciepła potrzebną do podniesienia temperatury 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza, a kilokalorię 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 zużyje 10 000 kalorii lub 10 kilokalorii
Metoda 5 z 5: Obliczanie dżuli jako energii elektrycznej
Krok 1. Wykonaj poniższe kroki, aby obliczyć przepływ energii w obwodzie elektrycznym
Poniższe kroki są wymienione jako praktyczne przykłady, ale możesz również użyć tej metody do zrozumienia pisanych problemów fizycznych. Najpierw obliczymy moc P ze wzoru P = I2 x R, gdzie I to prąd w amperach, a R to rezystancja w omach. Jednostki te wytwarzają moc w watach, więc od tego momentu możemy użyć wzoru z poprzedniego kroku, aby obliczyć energię w dżulach.
Krok 2. Wybierz rezystor
Rezystory są mierzone w omach, a rozmiary są zapisywane bezpośrednio lub reprezentowane przez zbiór kolorowych linii. Możesz również przetestować rezystancję rezystora, podłączając go omomierzem lub multimetrem. W tym przykładzie zakładamy, że rezystor wynosi 10 omów.
Krok 3. Podłącz rezystor do źródła prądu
Możesz podłączyć przewody do rezystora za pomocą zacisku Fahnestock lub krokodylkowego, albo możesz podłączyć rezystor do płytki testowej.
Krok 4. Przepływ prądu przez obwód przez określony czas
W tym przykładzie użyjemy interwału 10 sekund.
Krok 5. Zmierz aktualną siłę
Zrób to za pomocą amperomierza lub multimetru. Większość prądów domowych mierzy się w miliamperach lub tysiącach amperów, więc zakładamy, że prąd wynosi 100 miliamperów lub 0,1 ampera.
Krok 6. Użyj wzoru P = I2 x R.
Aby znaleźć moc, pomnóż kwadrat prądu przez opór. Daje to moc wyjściową w watach. Podniesienie do kwadratu 0,1 daje wynik 0,01, pomnożone przez 10 daje moc wyjściową 0,1 wata lub 100 miliwatów.
Krok 7. Pomnóż moc przez upływający czas
To mnożenie daje energię w dżulach. 0,1 wata x 10 sekund to 1 dżul energii elektrycznej.
