Britų fiziko Jameso Edwardo Joule'o vardu pavadintas džaulis (J) yra vienas iš pagrindinių tarptautinės metrinės sistemos vienetų. Džoulis naudojamas kaip darbo, energijos ir šilumos vienetas ir yra plačiai naudojamas mokslo reikmėms. Jei norite atsakyti džauliais, visada naudokite standartinius mokslinius vienetus. Pėdų svaras arba Didžiosios Britanijos šilumos vienetas (BTU) vis dar naudojamas kai kuriose srityse, bet ne jūsų fizikos namų darbuose.
Žingsnis
1 metodas iš 5: darbo skaičiavimas džauliais
Žingsnis 1. Supraskite fizikos darbą
Jei stumiate dėžutę per kambarį, pasistengėte. Jei pakeliate dėžę aukštyn, taip pat pasistengėte. „Versle“turi būti du svarbūs kriterijai:
- Jūs suteikiate pastovų stilių.
- Dėl šios jėgos objektai juda ta pačia kryptimi kaip ir jėga.
2 žingsnis. Supraskite verslo apibrėžimą
Pastangas lengva apskaičiuoti. Tiesiog padauginkite jėgos kiekį ir bendrą objekto nuvažiuotą atstumą. Paprastai mokslininkai išreiškia jėgą niutonais, o atstumą - metrais. Jei naudojate abu šiuos vienetus, darbo vienetas yra džauliai.
Skaitydami klausimą apie verslą, sustokite ir pagalvokite, kur yra stilius. Jei pakeliate dėžę, stumkite ją aukštyn, kad dėžė judėtų aukštyn. Taigi dėžutės nuvažiuotas atstumas yra tai, kiek ji pakilo aukštyn. Tačiau kai kitą kartą eisite į priekį su dėžute, šiame procese nesistengiama. Net jei dėžę vis dar stumiate aukštyn, kad ji nenukristų, ji nebejuda aukštyn
Žingsnis 3. Raskite poslinkio objekto masę
Objekto masė reikalinga norint apskaičiuoti jėgą, reikalingą jam judėti. Mūsų pavyzdyje tarkime, kad krovinio masė yra 10 kilogramų (kg).
Venkite svarų ar kitų nestandartinių vienetų, kitaip jūsų galutinis atsakymas nebus džauliais
Žingsnis 4. Apskaičiuokite stilių
Jėga = masė x pagreitis. Mūsų pavyzdyje, keliant svorį tiesiai į viršų, mūsų pagreitis atsiranda dėl gravitacijos, kuri normaliomis aplinkybėmis pagreitina objektą žemyn 9,8 metro per sekundę greičiu.2. Apskaičiuokite jėgą, reikalingą mūsų kroviniui pakelti, padauginus (10 kg) x (9,8 m/s)2) = 98 kg m/s2 = 98 niutonai (N).
Jei objektas perkeliamas horizontaliai, gravitacija neturi įtakos. Problema gali paprašyti apskaičiuoti jėgą, reikalingą atsispirti trinčiai. Jei problema nurodo objekto pagreitį, kai jis stumiamas, žinomą pagreitį galite padauginti iš jo masės
Žingsnis 5. Išmatuokite nuvažiuotą poslinkį
Šiame pavyzdyje tarkime, kad krovinys pakeltas į 1,5 metro (m) aukštį. Poslinkis turi būti matuojamas metrais, kitaip jūsų galutinis atsakymas nebus džauliais.
Žingsnis 6. Padauginkite jėgą iš poslinkio
Norėdami pakelti 98 niutono svorį 1,5 metro aukščio, turite atlikti 98 x 1,5 = 147 džaulius darbo.
Žingsnis 7. Apskaičiuokite atliktą darbą, kad objektas būtų perkeltas tam tikru kampu
Aukščiau pateiktas mūsų pavyzdys yra paprastas: kažkas veikia objektą į priekį ir objektas juda į priekį. Kartais jėgos kryptis ir objekto judėjimas nesutampa, nes objektą veikia kelios jėgos. Kitame pavyzdyje apskaičiuosime džaulių skaičių, reikalingą vaikui traukti rogutes 25 metrus per plokščią sniegą, traukiant virvę aukštyn 30º kampu. Norėdami išspręsti šią problemą, darbas = jėga x kosinusas (θ) x poslinkis. Simbolis yra graikų raidė teta ir apibūdina kampą tarp jėgos krypties ir judėjimo krypties.
Žingsnis 8. Raskite visą taikomą jėgą
Sprendžiant šią problemą, tarkime, vaikas traukia virvelę 10 niutonų jėga.
Jei problema daro jėgą į dešinę, į viršų arba jėgą judėjimo kryptimi, tada šios jėgos jau sudaro x kosinuso (θ) jėgos dalį, ir jūs galite pereiti į priekį ir toliau dauginti reikšmes
Žingsnis 9. Apskaičiuokite atitinkamą jėgą
Tik keli stiliai traukia roges į priekį. Kai virvelė nukreipta į viršų, kita jėga bando ją traukti aukštyn, traukdama ją prieš gravitaciją. Apskaičiuokite judėjimo kryptimi veikiamą jėgą:
- Mūsų pavyzdyje kampas tarp plokščio sniego ir virvės yra 30º.
- Apskaičiuokite cos (θ). cos (30º) = (√3)/2 = maždaug 0,866. Šią vertę galite rasti naudodami skaičiuotuvą, tačiau įsitikinkite, kad skaičiuotuvas naudoja tuos pačius matavimo vienetus (laipsnius ar radianus).
- Padauginkite bendrą jėgą x cos (θ). Mūsų pavyzdyje 10 N x 0,866 = 8,66 jėgos judėjimo kryptimi.
Žingsnis 10. Padauginkite jėgą x poslinkį
Dabar, kai žinome jėgą, kuri juda judėjimo kryptimi, galime apskaičiuoti darbą kaip įprasta. Mūsų problema sako, kad rogės juda 20 metrų į priekį, todėl apskaičiuokite 8,66 N x 20 m = 173,2 džaulio darbo.
2 metodas iš 5: džaulių apskaičiavimas iš vatų
Žingsnis 1. Supraskite galią ir energiją
Vatas yra galios arba energijos suvartojimo vienetas (energija padalinta iš laiko). Nors Joule yra energijos vienetas. Norėdami konvertuoti vatus į džaulius, turite nustatyti laiką. Kuo ilgiau teka elektros srovė, tuo didesnė sunaudojama energija.
Žingsnis 2. Padauginkite vatus sekundėmis, kad gautumėte džaulius
1 vatų įrenginys sunaudos 1 džaulį energijos kas 1 sekundę. Jei vatų skaičių padauginsite iš sekundžių, gausite džaulių. Norėdami sužinoti, kiek 60 W lempos sunaudoja energijos per 120 sekundžių, jums tereikia padauginti 60 vatų x 120 sekundžių = 7200 džaulių.
Ši formulė gali būti naudojama bet kuriai galiai, išreikštai vatais, bet paprastai elektros energijai
3 metodas iš 5: kinetinės energijos džauliais apskaičiavimas
Žingsnis 1. Supraskite kinetinę energiją
Kinetinė energija yra energijos kiekis judėjimo pavidalu. Kaip ir kiti energijos vienetai, kinetinė energija gali būti parašyta džauliais.
Kinetinė energija yra lygi darbo kiekiui, padarytai norint pagreitinti statinį objektą iki tam tikro greičio. Kai objektas pasieks tokį greitį, objektas išlaikys tam tikrą kinetinės energijos kiekį, kol energija virsta šiluma (nuo trinties), gravitacine potencialia energija (judant prieš gravitaciją) ar kitos rūšies energija
Žingsnis 2. Raskite objekto masę
Pavyzdžiui, mes matuojame dviračio ir dviratininko kinetinę energiją. Pavyzdžiui, motociklininko masė yra 50 kg, o jo dviračio masė - 20 kg, o bendra masė m - 70 kg. Dabar abu laikome vienu objektu, kurio masė yra 70 kg, nes jie abu judės tuo pačiu greičiu.
Žingsnis 3. Apskaičiuokite greitį
Jei jau žinote dviratininko greitį ar greitį, tiesiog užsirašykite ir eikite toliau. Jei reikia apskaičiuoti greitį, naudokite vieną iš žemiau pateiktų metodų. Atkreipkite dėmesį, kad mes ieškome greičio, o ne greičio (kuris yra greitis tam tikra kryptimi), nors dažnai naudojama santrumpa v. Nekreipkite dėmesio į dviratininko posūkius ir manykite, kad visas atstumas įveiktas tiesia linija.
- Jei dviratininkas juda pastoviu greičiu (ne pagreitina), išmatuokite atstumą, kurį dviratininkas nuvažiuoja metrais, ir padalinkite iš sekundžių, reikalingų įveikti tą atstumą. Šis skaičiavimas duos vidutinį greitį, kuris šiuo atveju yra lygus momentiniam greičiui.
- Jei dviratininkas patiria nuolatinį pagreitį ir nekeičia krypties, apskaičiuokite jo greitį momentu t, naudodami greičio laiko t = (pagreitis) (t) + pradinio greičio formulę. Naudokite sekundę, norėdami išmatuoti laiką, metrą per sekundę greičiui matuoti ir m/s2 pagreičiui matuoti.
Žingsnis 4. Įtraukite šiuos skaičius į šią formulę
Kinetinė energija = (1/2) m v 2. Pavyzdžiui, jei dviratininkas juda 15 m/s greičiu, jo kinetinė energija EK = (1/2) (70 kg) (15 m/s)2 = (1/2) (70 kg) (15 m/s) (15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 niutono metrai = 7875 džauliai.
Kinetinės energijos formulė gali būti gauta iš darbo apibrėžimo, W = FΔs ir kinematinės lygties v2 = v02 + 2aΔs. s reiškia padėties ar nuvažiuoto atstumo pasikeitimą.
4 metodas iš 5: šilumos apskaičiavimas džauliais
Žingsnis 1. Raskite šildomo objekto masę
Norėdami jį išmatuoti, naudokite svarstykles arba spyruoklines svarstykles. Jei objektas yra skystis, pirmiausia išmatuokite tuščią indą, kuriame yra skystis, ir raskite jo masę. Norėdami rasti skysčio masę, turite jį atimti iš talpyklos masės ir skysčio. Pavyzdžiui, tarkime, kad objektas yra 500 gramų vandens.
Naudokite gramus, o ne kitus vienetus, kitaip rezultatas nebus džauliai
Žingsnis 2. Raskite specifinę objekto šilumą
Šią informaciją galima rasti chemijos nuorodose, tiek knygos pavidalu, tiek internete. Vandens savitoji šiluma c yra 4,19 džaulio gramui už kiekvieną šildomą Celsijaus laipsnį - arba 4,1855, jei reikia tikslios vertės.
- Tikroji šiluma šiek tiek skiriasi priklausomai nuo temperatūros ir slėgio. Skirtingos organizacijos ir vadovėliai naudoja skirtingą standartinę temperatūrą, todėl galite pamatyti specifinę vandens šilumą, nurodytą 4.179.
- Vietoj Celsijaus galite naudoti Kelviną, nes abiejų įrenginių temperatūrų skirtumas yra vienodas (šildant kažką 3ºC lygu 3 Kelvino). Nenaudokite Fahrenheito, kitaip jūsų rezultatai nebus džauliais.
Žingsnis 3. Raskite pradinę objekto temperatūrą
Jei objektas yra skystis, galite naudoti gyvsidabrio termometrą. Kai kuriems daiktams jums gali prireikti zondo termometro.
Žingsnis 4. Pašildykite objektą ir dar kartą išmatuokite temperatūrą
Taip bus matuojamas objekto šilumos padidėjimas kaitinant.
Jei norite išmatuoti bendrą energijos kiekį, sukauptą kaip šilumą, galite manyti, kad pradinė temperatūra yra absoliuti nulis: 0 Kelvino arba -273,15ºC. Tai nėra labai naudinga
Žingsnis 5. Iš šildymo temperatūros atimkite pradinę temperatūrą
Dėl šio sumažėjimo objekte gali pasikeisti temperatūra. Darant prielaidą, kad vanduo anksčiau buvo 15 laipsnių Celsijaus ir įkaitintas iki 35 laipsnių Celsijaus, temperatūra pasikeičia iki 20 laipsnių Celsijaus.
Žingsnis 6. Padauginkite objekto masę iš jo specifinės šilumos ir temperatūros pokyčio dydžio
Formulė parašyta Q = mc T, kur T yra temperatūros pokytis. Šiame pavyzdyje tai būtų 500 g x 4, 19 x 20 arba 41 900 džaulių.
Šiluma dažniau rašoma kalorijų arba kilokalorijų metrinėje sistemoje. Kalorija apibrėžiama kaip šilumos kiekis, reikalingas 1 gramo vandens temperatūrai pakelti 1 laipsniu Celsijaus, o kilokalorija - tai šilumos kiekis, reikalingas 1 kilogramui vandens pakelti 1 laipsniu Celsijaus. Pirmiau pateiktame pavyzdyje, pakėlus 500 gramų vandens temperatūrą 20 laipsnių Celsijaus, sunaudojama 10 000 kalorijų arba 10 kilokalorijų
5 metodas iš 5: džaulių skaičiavimas kaip elektros energija
Žingsnis 1. Norėdami apskaičiuoti energijos srautą elektros grandinėje, atlikite toliau nurodytus veiksmus
Toliau pateikti veiksmai yra išvardyti kaip praktiniai pavyzdžiai, tačiau taip pat galite naudoti metodą, kad suprastumėte rašytines fizikos problemas. Pirma, mes apskaičiuosime galią P naudodami formulę P = I2 x R, kur I yra srovė amperais, o R - varža omu. Šie įrenginiai gamina galią vatais, todėl iš čia mes galime naudoti ankstesnio žingsnio formulę energijai džauliais apskaičiuoti.
2 žingsnis. Pasirinkite rezistorių
Rezistoriai matuojami omais, o dydžiai parašyti tiesiogiai arba pavaizduoti spalvotų linijų kolekcija. Taip pat galite patikrinti rezistoriaus varžą, prijungę jį ommetru arba multimetru. Šiame pavyzdyje darome prielaidą, kad rezistorius yra 10 omų.
Žingsnis 3. Prijunkite rezistorių prie srovės šaltinio
Galite prijungti laidus prie rezistoriaus naudodami „Fahnestock“arba aligatoriaus spaustuką arba prijungti rezistorių prie bandymo plokštės.
Žingsnis 4. Srauto srovė per grandinę tam tikrą laiko tarpą
Šiame pavyzdyje mes naudosime 10 sekundžių intervalą.
Žingsnis 5. Išmatuokite srovės stiprį
Padarykite tai su ampermetru arba multimetru. Dauguma buitinių srovių matuojamos miliamperiais arba tūkstančiais amperų, todėl manome, kad srovė yra 100 miliamperų arba 0,1 ampero.
Žingsnis 6. Naudokite formulę P = I2 x R.
Norėdami rasti galią, padauginkite srovės kvadratą iš varžos. Dėl to gaunama galia vatais. Skaičiavus 0,1, gaunamas 0,01 rezultatas, padauginus iš 10, gaunama 0,1 vatų arba 100 milivatų galia.
Žingsnis 7. Padauginkite galią iš praėjusio laiko
Šis dauginimas suteikia energijos išeigą džauliais. 0,1 vatas x 10 sekundžių yra lygus 1 džauliui elektros energijos.
