Zawartość

• Formuły
• Kroki
• Porady
• Ostrzeżenia
• Niezbędne materiały

Nazwany tak na cześć angielskiego fizyka Jamesa Edwarda Joule'a, dżul (J) jest jedną z podstawowych jednostek międzynarodowego systemu metrycznego. Dżul jest używany jako jednostka pracy, energii i ciepła, a ponadto jest szeroko stosowany w zastosowaniach naukowych. Aby uzyskać odpowiedź w dżulach, zawsze używaj standardowych jednostek naukowych. „Stopy funta” lub „angielska jednostka termiczna” jest nadal używana w niektórych dziedzinach, ale nie pojawia się w pracy domowej z fizyki.

Formuły

Dżule to jednostka energii. Oto wzory dla najczęstszych sytuacji, które wymagają obliczenia energii. Jeśli używasz jednostek podanych pod każdym wzorem, odpowiedź będzie w dżulach.

• Praca = siła x odległość
  • → dżule = niutony x metry
• Energia = moc x czas
  • → dżule = waty x sekundy
• Energia kinetyczna = 1/2 x masa x prędkość ^ 2
  • → dżule = 1/2 x kilogramy x ({metry} / {sekundy}) ^ 2
• Zmiana temperatury = masa x ciepło właściwe x zmiana temperatury
  • → dżule = gramy x do x ΔT
  • T = temperatura w ° C lub Kelwinach
  • Specyficzna pojemność cieplna do zależy od nagrzanego materiału. Twoje jednostki są /_gramyºC.
• Energia elektryczna = moc x czas = prąd ^ 2 x opór x czas
  • → dżule = waty x sekundy = ampery ^ 2 x omy x sekundy

Kroki

Metoda 1 z 5: Obliczanie pracy w dżulach

1. 

   
   
   Zrozum, co oznacza praca w fizyce. Pracujesz, gdy na przykład pchasz pudełko przez pokój. To samo dzieje się, gdy go podnosisz. Pojęcie „pracy” obejmuje dwie ważne cechy:
   • Stosujesz stałą siłę.
   • Siła sprawia, że ​​obiekt porusza się w jego kierunku.

2. 

   
   
   Zdefiniuj pracę. Obliczanie pracy jest łatwe. Pomnóż ilość użytej siły przez przebytą odległość. Zwykle naukowcy mierzą siłę w niutonach, a odległość w metrach. Podczas korzystania z takich jednostek odpowiedź będzie działać na dżulach.
   • Ilekroć czytasz problem dotyczący pracy, zatrzymaj się i zastanów się, gdzie jest przykładana siła. Kiedy podnosisz pudełko, popychasz je w górę: w tym przypadku odległość zależy od tego, jak wysoko osiągnęła. Jeśli jednak podejdziesz do przodu, niosąc pudełko, nie musisz już więcej pracować. W końcu jeśli będziesz trzymał pudełko, zapobiegając jego upadkowi, nie będzie ono już przesuwało się w górę.

3. 

   
   
   Znajdź masę poruszanego obiektu. Masa obiektu jest niezbędna do obliczenia siły potrzebnej do jego przemieszczenia. W naszym przykładzie powiedzmy, że waga ma masę 10 kilogramów (kg).
   • Unikaj używania funtów lub innych niestandardowych jednostek, w przeciwnym razie ostateczna odpowiedź nie będzie w dżulach.

4. 

   Oblicz siłę. Siła = masa x przyspieszenie. W naszym przykładzie, podnosząc ciężar, przyspieszenie, któremu się przeciwstawiamy, jest spowodowane grawitacją, która w normalnych warunkach przyspiesza obiekty w dół z prędkością 9,8 metra / sekundę. Oblicz siłę potrzebną do podniesienia ciężaru, mnożąc (10 kg) x (9,8 m / s) = 98 kg m / s = 98 niutonów (N).
   • Jeśli obiekt jest przesuwany poziomo, grawitacja nie ma znaczenia. Problem może wymagać obliczenia siły potrzebnej do pokonania tarcia. Jeśli problem zgłasza przyspieszenie obiektu po pchnięciu, możesz pomnożyć przyspieszenie przez masę.

5. 

   Zmierz odległość, na jaką przemieszczany jest obiekt. Na przykład, powiedzmy, że ciężar jest podnoszony o 1,5 metra (m). Odległość musi być mierzona w metrach lub ostateczna odpowiedź nie będzie wyrażona w dżulach.

6. 

   Pomnóż siłę przez odległość. Aby podnieść ciężar 98 niutonów na 1,5 metra, musisz ćwiczyć 98 x 1,5 = 147 dżuli pracy.

7. 

   Oblicz pracę obiektów poruszanych pod kątem. Nasz powyższy przykład był prosty: ktoś wywarł na obiekt siłę skierowaną do góry, a obiekt poruszył się w górę. Czasami kierunek siły i ruch obiektu nie są takie same, ze względu na różne siły działające na ten obiekt. W następnym przykładzie obliczymy ilość dżuli potrzebną chłopcu do przeciągnięcia sanek po 25 metrach gładkiej powierzchni, ciągnąc je za linę pod kątem 30 ° w górę. W tym scenariuszu praca = siła x cosinus (θ) x odległość. Symbol θ jest grecką literą „theta” i określa kąt między kierunkiem siły a kierunkiem ruchu.

8. 

   Odkryj całkowitą przyłożoną siłę. W tym zadaniu powiedzmy, że chłopiec ciągnie linę z siłą 10 niutonów.
   • Jeśli problem zapewnia „siłę w prawo”, „siłę w górę” lub „siłę w kierunku ruchu”, oznacza to, że część zadania „siła x cosinus (θ)” została już obliczona i możesz przejść do mnożenia wartości

9. 

   Oblicz odpowiednią siłę. Tylko część siły popycha sanki do przodu. Ponieważ lina jest skierowana do góry, reszta siły popycha sanki w górę wbrew grawitacji. Oblicz siłę przyłożoną w kierunku ruchu:
   • W tym przykładzie kąt θ między gładkim śniegiem a liną wynosi 30º.
   • Oblicz cos (θ) X cos (30º) = (√3) / 2 = około 0,866. Możesz użyć kalkulatora, aby znaleźć tę wartość, ale upewnij się, że kalkulator jest ustawiony na tę samą jednostkę co miara kąta (stopnie lub radiany).
   • Pomnóż całkowitą siłę x cos (θ). W tym przykładzie 10 N x 0,866 = 8,66 N siły działającej w kierunku ruchu.

10. 

    Pomnóż siłę x odległość. Teraz, gdy wiemy, jaka siła jest faktycznie przyłożona w kierunku ruchu, możemy obliczyć pracę tak, jak zawsze. Nasz problem zgłasza, że ​​sanki przesunęły się 20 metrów do przodu, więc oblicz 8,66 N x 20 m = 173,2 dżuli roboczego.

Metoda 2 z 5: Obliczanie watów w dżulach

1. 

   Zrozum moc i energię. Waty są miarą „mocy”, czyli szybkości zużycia energii w czasie. Dżule to miara „energii”. Aby przekonwertować z watów na dżule, musisz określić przedział czasu. Im większy prąd płynie, tym więcej energii jest zużywane.

2. 

   Pomnóż waty na sekundę, aby uzyskać dżule. Urządzenie o mocy 1 W zużywa 1 dżul energii na sekundę. Jeśli pomnożysz liczbę watów przez liczbę sekund, otrzymasz dżule. Aby dowiedzieć się, ile energii 60-watowa lampa zużywa w ciągu 120 sekund, wystarczy pomnożyć (60 watów) x (120 sekund) = 7200 dżuli.
   • Ta formuła jest odpowiednia dla każdej formy mocy mierzonej w watach, ale zwykle jest używana do pomiaru energii elektrycznej.

Metoda 3 z 5: Obliczanie energii kinetycznej w dżulach

1. 

   Zrozum, czym jest energia kinetyczna. Energia kinetyczna to ilość energii w postaci ruchu. Jak każda jednostka energii, można ją wyrazić w dżulach.
   • Energia kinetyczna jest równoważna ilości pracy wykonanej w celu przyspieszenia obiektu zatrzymanego z określoną prędkością. Gdy obiekt osiągnie tę prędkość, zachowa ilość energii kinetycznej, dopóki nie stanie się ciepłem (z tarcia), grawitacyjną energią potencjalną (z ruchu przeciw grawitacji) lub innymi rodzajami energii.

2. 

   Odkryj masę obiektu. Na przykład możemy zmierzyć energię kinetyczną roweru i rowerzysty. Powiedzmy, że rowerzysta ma masę 50 kg, a rower 20 kg, co daje masę całkowitą m 70 kg. Możemy je traktować jak obiekt o wadze 70 kg, ponieważ będą się poruszać razem z tą samą prędkością.

3. 

   Oblicz, jak szybko. Jeśli znasz już prędkość lub prędkość rowerzysty, po prostu zapisz to i ruszaj dalej. Jeśli musisz to obliczyć, użyj jednej z następujących metod. Zwróć uwagę, że interesuje nas prędkość, a nie prędkość (która jest prędkością w danym kierunku), chociaż jest to skrót v jest często używany. Ignoruj ​​wszelkie zakręty, które robi rowerzysta i udawaj, że cała pokonana odległość jest linią prostą.
   • Jeśli rowerzysta poruszał się ze stałą prędkością (nie przyspieszał), zmierz odległość, jaką rowerzysta przebył, w metrach i podziel przez liczbę sekund potrzebną do pokonania tej odległości. To obliczenie zapewnia średnią prędkość, która w tym scenariuszu jest równa prędkości w dowolnym momencie.
   • Jeśli rowerzysta porusza się ze stałym przyspieszeniem i nie zmienia kierunku, oblicz jego prędkość w czasie t ze wzorem „prędkość w czasie t = (przyspieszenie) (t) + prędkość początkowa. Użyj sekund do pomiaru czasu, metrów / sekundę do pomiaru prędkości i m / s do pomiaru przyspieszenia.

4. 

   Wprowadź te liczby w następującym wzorze: Energia kinetyczna = (1/2)m ”v. Na przykład, jeśli rowerzysta porusza się z prędkością 15 m / s, jego energia kinetyczna 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 oraz z równania kinetycznego v = v₀ + 2aΔs. gdzie Δs oznacza „zmianę położenia” lub przebytą odległość.

Metoda 4 z 5: Obliczanie ciepła w dżulach

1. 

   Odkryj masę ogrzewanego obiektu. Użyj wagi lub wagi sprężynowej. Jeśli przedmiot jest płynny, najpierw zważ pusty pojemnik na ciecz i odkryj jego masę. Będziesz musiał odjąć tę wartość od masy pojemnika i cieczy razem, aby znaleźć masę cieczy. W tym przykładzie załóżmy, że obiekt ma 500 gramów wody.
   • Użyj gramów, a nie innych jednostek, w przeciwnym razie wynik nie będzie w dżulach. W przypadku dużych obiektów

2. 

   Odkryj specyficzną pojemność cieplną obiektu. Te informacje można znaleźć w bibliografii, czy to w książce, czy na stronie internetowej. W przypadku wody - pojemność cieplna właściwa do wynosi 4,19 dżuli na gram na każdy stopień ogrzewania Celsjusza - lub 4,1855, jeśli trzeba być bardzo dokładnym.
   • Właściwa pojemność cieplna zmienia się nieznacznie w zależności od temperatury i ciśnienia. Różne organizacje i książki stosują różne „standardowe temperatury”, więc pojemność cieplna właściwa wody może wynosić 4179.
   • Możesz użyć skali Kelvina zamiast Celsjusza, ponieważ różnica temperatur jest taka sama w obu jednostkach (podgrzanie około 3 ° C jest tym samym, co podgrzanie 3 Kelvina). Nie używaj skali Fahrenheita, w przeciwnym razie wynik nie będzie w dżulach.

3. 

   Sprawdź aktualną temperaturę obiektu. Jeśli obiekt jest cieczą, możesz użyć termometru bańkowego. W przypadku niektórych obiektów może być potrzebny termometr z sondą.

4. 

   Podgrzej obiekt i ponownie zmierz temperaturę. Możesz więc zmierzyć, ile ciepła jest dodawane do obiektu podczas ogrzewania.
   • Jeśli chcesz zmierzyć całkowitą ilość energii zmagazynowanej w postaci ciepła, udawaj, że temperatura początkowa wynosiła zero absolutne: 0 kelwinów lub -273,15 ° C. Ten środek zwykle nie jest przydatny.

5. 

   Odejmij pierwotną temperaturę od temperatury podgrzania. To obliczenie spowoduje zmianę stopni temperatury w obiekcie. Zakładając, że woda miała pierwotnie 15 stopni Celsjusza i była podgrzana do 35 stopni Celsjusza, zmiana temperatury wyniesie 20 stopni Celsjusza.

6. 

   Pomnóż masę obiektu przez jego pojemność cieplną i wartość zmiany temperatury. Ta formuła jest wyrażona jako H = mcΔT, gdzie ΔT oznacza „zmianę temperatury”. W tym przykładzie będzie to 500 g x 4,19 x 20 lub 41 900 dżuli.
   • Ciepło jest zwykle wyrażane w systemie metrycznym w postaci kalorii lub kilokalorii. Kaloria to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza, a kilokaloria to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 kilograma wody o 1 stopień Celsjusza. W powyższym przykładzie podniesienie 500 gramów wody o 20 stopni Celsjusza powoduje zużycie 10000 kalorii lub 10 kilokalorii.

Metoda 5 z 5: Obliczanie dżuli jako energii elektrycznej

1. 

   Wykonaj poniższe kroki, aby obliczyć przepływ energii w obwodzie elektrycznym. Poniższe kroki są praktycznym przykładem, ale możesz również użyć tej metody do zrozumienia problemów fizycznych. Najpierw obliczymy moc P za pomocą wzoru P = I x R, gdzie I to prąd w amperach (amperach), a R to rezystancja w omach. Jednostki te dostarczają moc w watach, więc stamtąd możemy użyć wzoru z poprzedniego kroku do obliczenia energii w dżulach.

2. 

   Wybierz rezystor. Rezystory są oceniane w omach, a wartość znamionowa jest wskazywana bezpośrednio na etykiecie lub w szeregu kolorowych pasków.Możesz także przetestować rezystancję rezystora, podłączając go do omomierza lub multimetru. W tym przykładzie użyjemy rezystora 10 omów.

3. 

   Podłącz rezystor do źródła prądu. Podłącz przewody do rezystora za pomocą zacisków Fahnestock lub krokodylkowych lub podłącz rezystor do płytki testowej.

4. 

   Przepuścić prąd przez obwód przez określony czas. W tym przykładzie użyjemy 10-sekundowego okresu.

5. 

   Zmierz siłę łańcucha. Zrób to za pomocą amperomierza lub multimetru. Prąd w większości gospodarstw domowych wynosi miliamperów lub tysięczne ampera, więc przyjmijmy, że prąd wynosi 100 miliamperów lub 0,1 ampera.

6. 

   Użyj wzoru P = I x R. Aby znaleźć moc, pomnóż kwadrat prądu przez opór. Obliczenie to daje moc wyjściową w watach. Kwadrat 0,1 to 0,01, co pomnożone przez 10 daje moc wyjściową 0,1 wata lub 100 miliwatów.

7. 

   Pomnóż moc przez upływający czas. To obliczenie dostarcza energii w dżulach: 0,1 W x 10 sekund jest równe 1 dżulowi energii elektrycznej.
   • Ponieważ dżule to małe jednostki, a urządzenia elektryczne często wykorzystują waty, miliwaty i kilowaty do wskazywania mocy, z jaką pracują, firmy energetyczne mierzą moc wyjściową w kilowatogodzinach. Jeden wat jest równy 1 dżulowi na sekundę lub 1 dżul jest równy 1 watosekundie; jeden kilowat jest równy 1 kilodżulowi na sekundę, a jeden kilodżul jest równy 1 kilowatosekundowi. Ponieważ godzina ma 3600 sekund, 1 kilowatogodzina równa się 3600 kilowatosekundom, 3600 kilodżulom lub 3600000 dżuli.

Porady

• Istnieje inna metryczna jednostka pracy i energii związana z dżulem, zwana erg; 1 erg jest równy 1 dynie siły razy odległość 1 cm. Jeden dżul to 10 000 000 ergów.

Ostrzeżenia

• Chociaż terminy „dżul” i „niuton-metro” opisują tę samą jednostkę, w praktyce „dżul” jest używany do reprezentowania dowolnej formy energii i pracy wykonywanej w linii prostej, jak w powyższym przykładzie wykonywania lotu schody. Do pomiaru momentu obrotowego, przyłożenia siły przy obracaniu przedmiotu, preferowane jest określenie „niutonometr”.

Niezbędne materiały

Praca lub energia kinetyczna:

• Stoper
• Saldo
• Kalkulator z funkcją cosinus (tylko do pracy, nie zawsze konieczny)

Elektryczność:

• Rezystor
• Przewody lub ramka testowa
• Multimetr (lub oddzielny omomierz i amperomierz)
• Zaciski Fahnestock lub krokodylkowe

Ciepło:

• Obiekt do ogrzania
• Źródło ciepła (jak palnik Bunsena)
• Termometr (termometr z żarówką lub sondą)
• Chemiczna książka odniesienia (w celu ustalenia właściwej pojemności cieplnej ogrzewanego obiektu)