Як обчислити джоулі

Джоуль (Дж) - це одна з найважливіших одиниць виміру в Міжнародній системі одиниць (СІ). У джоулях вимірюється робота, енергія і кількість теплоти. Щоб представити остаточний результат в джоулях, працюйте з одиницями вимірювання, прийнятими в СІ. Якщо в задачі дано інші одиниці виміру, конвертуйте їх в одиниці виміру з Міжнародної системи одиниць.

кроки

Метод 1 з 5:

Обчислення роботи (Дж)

1. Поняття роботи в фізиці. Якщо ви пересунеться коробку, то ви зробите роботу. Якщо ви підніміть коробку, то ви зробите роботу. Щоб робота була виконана, необхідно дотримання двох умов:

Ви прикладаєте постійну силу.
Під дією прикладеної сили тіло переміщується у напрямку дії сили.

2. Обчисліть роботу. Для цього перемножте силу і відстань (на яке перемістилося тіло). В СІ сила вимірюється в ньютонах, а відстань в метрах. Якщо ви використовуєте ці одиниці, отримана робота буде вимірюватися в джоулях.

При вирішенні завдань визначте напрямок прикладеної сили. Піднімаючи коробку, сила спрямована від низу до верху, але якщо ви візьмете коробку в руки і пройдете деяку відстань, то ви не зробите роботу - ви докладаєте силу, щоб коробка не впала, але під дією цієї сили коробка не переміщається.

3. Знайдіть масу тіла. Вона необхідна для обчислення сили, яку потрібно прикласти, щоб перемістити тіло. Розглянемо приклад: обчисліть роботу, що здійснюються спортсменом при підйомі (з підлоги до грудей) штанги масою 10 кг.

Якщо в задачі дано нестандартні одиниці виміру, конвертуйте їх в одиниці виміру СІ.

4. Обчисліть силу. Сила = маса х прискорення. У нашому прикладі враховуємо прискорення вільного падіння, що дорівнює 9,8 м / с. Сила, яку потрібно прикласти, щоб перемістити штангу вгору, дорівнює 10 (кг) х 9,8 (м / с) = 98 кг ∙ м / с = 98 Н.

Якщо тіло переміщається в горизонтальній площині, не зважайте прискорення вільного падіння. Можливо, в завданню зажадають обчислити силу, необхідну для подолання тертя. Якщо прискорення в завданні дано, просто помножте його на цю масу тіла.

5. Виміряйте пройдене відстань. У нашому прикладі припустимо, що штанга піднімається на висоту 1,5 м. (Якщо в задачі дано нестандартні одиниці виміру, конвертуйте їх в одиниці виміру СІ.)

6. Помножте силу на відстань. Для того, щоб підняти штангу вагою 10 кг на висоту 1,5 м, спортсмен виконає роботу, рівну 98 х 1,5 = 147 Дж.

7. Обчисліть роботу, коли сила спрямована під кутом. Попередній приклад був досить простий: напрямки сили і рухи тіла збігалися. Але в деяких випадках сила спрямована під кутом до напрямку руху. Розглянемо приклад: обчисліть роботу, що здійснюються дитиною, який тягне сани на відстань 25 м за мотузку, що має відхилення від горизонталі в 30º. У цьому випадку робота = сила х косинус (θ) х відстань. Кут θ - це кут між напрямком сили і напрямком руху.

8. Знайдіть загальну прикладену силу. У нашому прикладі припустимо, що дитина прикладає силу, рівну 10 Н.

Якщо в задачі сказано, що сила спрямована вгору, або вправо / вліво, або її напрямок збігається з напрямком руху тіла, то для обчислення роботи просто перемножте силу і відстань.

9. Обчисліть відповідну силу. У нашому прикладі тільки деяка частина від загальної сили тягне сани вперед. Так як мотузка спрямована вгору (під кутом до горизонталі), інша частина від загальної сили намагається підняти сани. Тому обчисліть силу, напрям якої збігається з напрямком руху.

У нашому прикладі кут θ (між землею і мотузкою) дорівнює 30º.

cosθ = cos30º = (√3) / 2 = 0,866. Знайдіть це значення за допомогою калькулятора- в якості одиниці вимірювання кута в калькуляторі встановіть градуси.

Помножте загальну силу на cosθ. У нашому прикладі: 10 х 0,866 = 8,66 Н - це сила, напрям якої збігається з напрямком руху.

10. Помножте відповідну силу на відстань, щоб обчислити роботу. У нашому прикладі: 8,66 (Н) х 20 (м) = 173,2 Дж.

Метод 2 з 5:

Обчислення енергії (Дж) по даній потужності (Вт)

1. Потужність і енергія. Потужність вимірюється у ВАТ (Вт) і характеризує швидкість зміни, перетворення, передачі або споживання енергії, яка вимірюється в джоулях (Дж). Щоб обчислити енергію (Дж) по даній потужності (Вт), необхідно знати відрізок часу.

2. Для обчислення енергії (Дж) помножте потужність (Вт) на час (с). Пристрій, потужність якого дорівнює 1 Вт, споживає 1 Дж енергії за кожну 1 з. Наприклад, обчислимо енергію, яка споживається лампочкою потужністю 60 Вт протягом 120 секунд: 60 (Вт) х 120 (с) = 7200 Дж

Ця формула вірна для будь-якої потужності, яка вимірюється в ватах, але найчастіше застосовується в задачах за участю електрики.

Метод 3 з 5:

Обчислення кінетичної енергії (Дж)

1. Кінетична енергія - це енергія руху. Вона може бути виражена в джоулях (Дж).

Кінетична енергія еквівалентна роботі, досконалої для прискорення нерухомого тіла до певної швидкості. Досягнувши певної швидкості, кінетична енергія тіла залишається постійною до тих пір, поки не перетвориться в тепло (від тертя), гравітаційну потенційну енергію (при русі проти сили тяжіння) або інші види енергії.

2. Знайдіть масу тіла. Наприклад, обчисліть кінетичну енергію велосипеда й велосипедиста. Маса велосипедиста дорівнює 50 кг, а маса велосипеда дорівнює 20 кг, тобто загальна маса тіла дорівнює 70 кг (розглядайте велосипед і велосипедиста як єдине тіло, так як вони будуть рухатися в одному напрямку і з однією швидкістю).

3. Обчисліть швидкість. Якщо швидкість дана в завданні, перейдіть до наступного шагу- в іншому випадку обчисліть її одним із способів, зазначених нижче. Зверніть увагу, що тут напрямком швидкості можна пренебречь- більш того, припустимо, що велосипедист їде строго по прямій.

Якщо велосипедист їхав з постійною швидкістю (без прискорення), виміряйте пройдену відстань (м) і розділіть його на час (с), витрачений на проходження цієї відстані. Так ви отримаєте середню швидкість.

Якщо велосипедист прискорювався, а значення прискорення і напрям руху не змінювалися, то швидкість в даний момент часу t обчислюється за формулою: прискорення х t + початкова швидкість. Час вимірюється в секундах, швидкість в м / с, прискорення в м / с.

4. Підставте значення в формулу. Кінетична енергія = (1/2) mv, де m - маса, v - швидкість. Наприклад, якщо швидкість велосипедиста дорівнює 15 м / с, то його кінетична енергія K = (1/2) (70 кг) (15 м / с) = (1/2) (70 кг) (15 м / с) (15 м / с) = 7875 кг ∙ м / с = 7875 Н ∙ м = 7875 Дж

Формула для обчислення кінетичної енергії виводиться з визначення роботи (W = FΔs) і кінематичного рівняння (v = v₀ + 2aΔs, де Δs - пройдену відстань).

Метод 4 з 5:

Обчислення кількості теплоти (Дж)

1. Знайдіть масу нагрітого тіла. Для цього використовуйте балансові або пружинні ваги. Якщо тіло - це рідина, спочатку зважте порожній контейнер (в який виллє рідина), щоб знайти його масу. Зваживши рідина, відніміть з отриманого значення масу порожнього контейнера, щоб знайти масу рідини. Наприклад, розглянемо воду масою 500 г.

Щоб результат вимірювався в джоулях, маса повинна вимірюватися в грамах.

2. Знайдіть питому теплоємність тіла. Її можна знайти в підручнику з хімії, фізики або в інтернеті. Питома теплоємність води дорівнює 4,19 Дж / г.

Питома теплоємність трохи змінюється зі зміною температури і тиску. Наприклад, в деяких джерелах питома теплоємність води дорівнює 4,18 Дж / г (так як різні джерела вибирають різні значення «еталонної температури»).

Температура може вимірюватися в градусах за Кельвіном або Цельсієм (так як різниця двох значень температур буде однаковою), але не в градусах за Фаренгейтом.

3. Знайдіть початкову температуру тіла. Якщо тіло - це рідина, скористайтеся термометром.

4. Нагрійте тіло і знайдіть його кінцеву температуру. Так ви зможете знайти кількість теплоти, переданої тілу при його нагріванні.

Якщо ви хочете знайти загальну енергію, перетворену в тепло, вважайте, що початкова температура тіла дорівнює абсолютному нулю (0 за Кельвіном або -273,15 за Цельсієм). Зазвичай це не застосовується.

5. Відніміть початкову температуру тіла з кінцевої температури, щоб знайти зміна температури тіла. Наприклад, воду нагрівають з 15 градусів за Цельсієм до 35 градусів за Цельсієм, тобто зміна температури води дорівнює 20 градусам за Цельсієм.

6. Перемножте масу тіла, його питому теплоємність і зміна температури тіла. Формула: H = mcΔT, де ΔT - це зміна температури. У нашому прикладі: 500 х 4,19 х 20 = 41,900 Дж

Кількість теплоти іноді вимірюється в калоріях або кілокалорії. Калорії - це кількість теплоти, необхідне для підвищення температури 1 грама води на 1 градус за Цельсію- кілокалорії - це кількість теплоти, необхідне для підвищення температури 1 кг води на 1 градус за Цельсієм. У наведеному вище прикладі для підвищення температури 500 г води на 20 градусів за Цельсієм буде потрібно 10000 калорій або 10 ккал.

Метод 5 з 5:

Обчислення електричної енергії (Дж)

1. Тут описується спосіб обчислення потоку енергії в електричному ланцюзі. Наводиться практичний приклад, на основі якого можна вирішувати фізичні завдання. Для початку обчислимо потужність по формулі P = I x R, де I - сила струму (А), R-опір (Ом). Ви знайдете потужність (Вт), за допомогою якої можна обчислити енергію (Дж) (дивіться другу главу).

2. Візьміть резистор. Значення опору (Ом) резистора позначається числом або маркуванням у вигляді кольорової смуги. Ви також можете визначити опір резистора, підключивши його до омметру або мультиметру. Наприклад, візьмемо резистор з опором 10 Ом.

3. Підключіть резистор до джерела струму. Для цього використовуйте затискачі «крокодил» або експериментальний стенд з електричним колом.

4. Протягом певного часу через ланцюг пропускайте струм. Наприклад, робіть це протягом 10 з.

5. Визначте силу струму. Для цього скористайтеся амперметром або мультиметром. Наприклад, сила струму дорівнює 100 мА = 0,1 А.

6. Обчисліть потужність (Вт) за формулою P = I x R. У нашому прикладі: Р = 0,1 х 10 = 0,01 х 10 = 0,1 Вт = 100 мВт

7. Перемножте потужність і час, щоб знайти енергію (Дж). У нашому прикладі: 0,1 (Вт) х 10 (с) = 1 Дж.

Так як 1 джоуль - це невелике значення, а потужність електроприладів вказується в ватах, міліватах і кіловатах, то в житлово-комунальній сфері енергію зазвичай вимірюють в кіловат-годинах. Якщо 1 Вт = 1 Дж / с, то 1 Дж = 1 Вт ∙ с- якщо 1 кВт = 1 кДж / с, то 1 кДж = 1 кВт ∙ с. Так як 1 ч = 3600 с, то 1 кВт ∙ год = 3600 кВт ∙ с = 3600 кДж = 3600000 Дж.

Поради

В СІ енергія і робота також вимірюється в ергах. 1 ерг = 1 Діна (одиниця виміру сили) х 1 см. 1 Дж = 10000000 ерг.

попередження

Джоуль і ньютон-метр - це одиниці виміру роботи. У джоулях вимірюють енергію і роботу, зроблену під час руху тіла по прямій. Якщо ж тіло обертається, застосовується одиниця виміру ньютон-метр.