Das Joule (J) wurde nach dem britischen Physiker James Edward Joule benannt und ist eine der Grundeinheiten des internationalen metrischen Systems. Das Joule wird als Einheit für Arbeit, Energie und Wärme verwendet und ist in wissenschaftlichen Anwendungen weit verbreitet. Wenn Sie Ihre Antwort in Joule wünschen, achten Sie immer darauf, wissenschaftliche Standardeinheiten zu verwenden. Das Foot-Pfund oder die britische Wärmeeinheit (BTU) wird in einigen Bereichen immer noch verwendet, aber nicht in Ihren Physik-Hausaufgaben.
Schritt
Methode 1 von 5: Berechnung der Arbeit in Joule
Schritt 1. Verstehen Sie die Arbeit in der Physik
Wenn man eine Kiste durch einen Raum schiebt, hat man sich Mühe gegeben. Wenn Sie die Kiste hochheben, haben Sie sich auch Mühe gegeben. Es gibt zwei wichtige Kriterien, die im "Business" vorhanden sein müssen:
- Sie sorgen für einen stabilen Stil.
- Diese Kraft bewirkt, dass sich Objekte in die gleiche Richtung wie die Kraft bewegen.
Schritt 2. Verstehen Sie die Definition von Geschäft
Der Aufwand ist leicht zu berechnen. Multiplizieren Sie einfach die Kraft und die Gesamtstrecke, die das Objekt zurückgelegt hat. Normalerweise drücken Wissenschaftler Kraft in Newton und Entfernung in Metern aus. Wenn Sie diese beiden Einheiten verwenden, ist die resultierende Arbeitseinheit Joule.
Wann immer Sie eine Frage zum Geschäft lesen, halten Sie inne und denken Sie darüber nach, wo der Stil ist. Wenn Sie die Kiste anheben, drücken Sie sie nach oben, damit die Kiste nach oben bewegt wird. Die Distanz, die die Box zurücklegt, ist also, wie hoch sie sich bewegt hat. Wenn Sie jedoch das nächste Mal mit der Kiste vorwärts gehen, wird bei diesem Vorgang keine Anstrengung unternommen. Selbst wenn Sie die Kiste immer noch hochschieben, damit sie nicht herunterfällt, bewegt sie sich nicht mehr nach oben
Schritt 3. Ermitteln Sie die Masse des zu verschiebenden Objekts
Die Masse eines Objekts wird benötigt, um die Kraft zu berechnen, die erforderlich ist, um es zu bewegen. Nehmen wir in unserem Beispiel an, dass die Ladung eine Masse von 10 Kilogramm (kg) hat.
Vermeiden Sie die Verwendung von Pfund oder anderen nicht standardmäßigen Einheiten, oder Ihre endgültige Antwort wird nicht in Joule angegeben
Schritt 4. Berechnen Sie den Stil
Kraft = Masse x Beschleunigung. In unserem Beispiel, wenn wir das Gewicht gerade nach oben heben, ist die Beschleunigung, die wir ausüben, auf die Schwerkraft zurückzuführen, die das Objekt unter normalen Umständen mit 9,8 Metern/Sek. nach unten beschleunigt.2. Berechnen Sie die Kraft, die erforderlich ist, um unsere Last nach oben zu bewegen, indem Sie (10 kg) x (9,8 m/s.) multiplizieren2) = 98 kg m/s2 = 98 Newton (N).
Wird das Objekt horizontal bewegt, hat die Schwerkraft keine Wirkung. Das Problem kann Sie dazu auffordern, die Kraft zu berechnen, die erforderlich ist, um der Reibung zu widerstehen. Wenn das Problem Ihnen die Beschleunigung eines Objekts beim Schieben angibt, können Sie die bekannte Beschleunigung mit seiner Masse multiplizieren
Schritt 5. Messen Sie die zurückgelegte Verschiebung
Nehmen Sie für dieses Beispiel an, dass eine Last auf eine Höhe von 1,5 Metern (m) angehoben wird. Die Verschiebung muss in Metern gemessen werden, sonst wird Ihre endgültige Antwort nicht in Joule angegeben.
Schritt 6. Multiplizieren Sie die Kraft mit der Verschiebung
Um ein Gewicht von 98 Newton 1,5 Meter hoch zu heben, müssen Sie 98 x 1,5 = 147 Joule Arbeit leisten.
Schritt 7. Berechnen Sie die Arbeit, die geleistet wird, um das Objekt in einem bestimmten Winkel zu bewegen
Unser obiges Beispiel ist einfach: Jemand übt eine Vorwärtskraft auf ein Objekt aus und das Objekt bewegt sich vorwärts. Manchmal sind die Richtung der Kraft und die Bewegung des Objekts nicht gleich, da mehrere Kräfte auf das Objekt einwirken. Im nächsten Beispiel berechnen wir die Joule-Zahl, die ein Kind benötigt, um einen Schlitten 25 Meter durch flachen Schnee zu ziehen, indem es das Seil in einem Winkel von 30° nach oben zieht. Für dieses Problem gilt Arbeit = Kraft x Kosinus(θ) x Verschiebung. Das Symbol ist der griechische Buchstabe Theta und beschreibt den Winkel zwischen Kraftrichtung und Bewegungsrichtung.
Schritt 8. Ermitteln Sie die aufgebrachte Gesamtkraft
Nehmen wir für dieses Problem an, ein Kind zieht mit einer Kraft von 10 Newton an einer Schnur.
Wenn das Problem eine Kraft nach rechts, eine Kraft nach oben oder eine Kraft in Bewegungsrichtung ausübt, dann machen diese Kräfte bereits den x-Cosinus(θ)-Anteil der Kraft aus, und Sie können weiterspringen und die Werte weiter multiplizieren
Schritt 9. Berechnen Sie die entsprechende Kraft
Nur wenige Styles ziehen den Schlitten nach vorne. Da die Saite nach oben zeigt, versucht eine andere Kraft sie nach oben zu ziehen, indem sie sie gegen die Schwerkraft zieht. Berechnen Sie die Kraft, die in Bewegungsrichtung ausgeübt wird:
- In unserem Beispiel beträgt der Winkel zwischen dem flachen Schnee und dem Seil 30°.
- Berechnen Sie cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = ungefähr 0,866. Sie können einen Taschenrechner verwenden, um diesen Wert zu ermitteln, aber stellen Sie sicher, dass Ihr Taschenrechner dieselben Einheiten wie Ihre Winkelmessung verwendet (Grad oder Bogenmaß).
- Multiplizieren Sie die Gesamtkraft x cos(θ). In unserem Beispiel sind 10 N x 0,866 = 8,66 Kräfte in Bewegungsrichtung.
Schritt 10. Multiplizieren Sie die Kraft x Verschiebung
Da wir nun die in Bewegungsrichtung fortschreitende Kraft kennen, können wir die Arbeit wie gewohnt berechnen. Unser Problem sagt uns, dass sich der Schlitten 20 Meter vorwärts bewegt, also berechnen Sie 8,66 N x 20 m = 173,2 Joule Arbeit.
Methode 2 von 5: Joule aus Watt berechnen
Schritt 1. Macht und Energie verstehen
Watt ist eine Einheit für die Leistung oder den Energieverbrauch (Energie geteilt durch Zeit). Joule ist eine Energieeinheit. Um Watt in Joule umzurechnen, müssen Sie die Zeit bestimmen. Je länger der elektrische Strom fließt, desto mehr Energie wird verbraucht.
Schritt 2. Multiplizieren Sie Watt mit Sekunden, um Joule zu erhalten
Ein 1-Watt-Gerät verbraucht pro Sekunde 1 Joule Energie. Wenn Sie die Wattzahl mit Sekunden multiplizieren, erhalten Sie Joule. Um herauszufinden, wie viel Energie eine 60-W-Lampe in 120 Sekunden verbraucht, müssen Sie nur 60 Watt x 120 Sekunden = 7.200 Joule multiplizieren.
Diese Formel kann für jede Leistung in Watt verwendet werden, aber im Allgemeinen in Elektrizität
Methode 3 von 5: Berechnung der kinetischen Energie in Joule
Schritt 1. Verstehen Sie kinetische Energie
Kinetische Energie ist die Energiemenge in Form von Bewegung. Wie andere Energieeinheiten kann auch kinetische Energie in Joule geschrieben werden.
Die kinetische Energie ist gleich der Arbeit, die geleistet wird, um ein statisches Objekt auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Sobald das Objekt diese Geschwindigkeit erreicht, behält das Objekt eine bestimmte Menge an kinetischer Energie bei, bis die Energie in Wärme (durch Reibung), potentielle Gravitationsenergie (durch Bewegung gegen die Schwerkraft) oder andere Arten von Energie umgewandelt wird
Schritt 2. Finden Sie die Masse des Objekts
Wir messen zum Beispiel die kinetische Energie eines Fahrrads & eines Radfahrers. Beispielsweise hat der Fahrer eine Masse von 50 kg und sein Fahrrad eine Masse von 20 kg bei einer Gesamtmasse m von 70 kg. Wir betrachten die beiden nun als ein Objekt mit einer Masse von 70 kg, da sie sich beide mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.
Schritt 3. Berechnen Sie die Geschwindigkeit
Wenn Sie die Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit des Radfahrers bereits kennen, schreiben Sie sie einfach auf und fahren Sie fort. Wenn Sie die Geschwindigkeit berechnen müssen, verwenden Sie eine der folgenden Methoden. Beachten Sie, dass wir nach Geschwindigkeit suchen, nicht nach Geschwindigkeit (die Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung ist), obwohl die Abkürzung v oft verwendet wird. Ignorieren Sie alle Abbiegungen des Radfahrers und gehen Sie davon aus, dass die gesamte Strecke auf einer geraden Linie zurückgelegt wird.
- Wenn sich der Radfahrer mit konstanter Geschwindigkeit bewegt (keine Beschleunigung), messen Sie die Distanz, die der Radfahrer zurücklegt, in Metern und dividieren Sie durch die Anzahl der Sekunden, die er für diese Distanz benötigt. Diese Berechnung ergibt die Durchschnittsgeschwindigkeit, die in diesem Fall gleich der Momentangeschwindigkeit ist.
- Wenn der Radfahrer eine konstante Beschleunigung erfährt und die Richtung nicht ändert, berechnen Sie seine Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t mit der Formel für die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t = (Beschleunigung)(t) + Anfangsgeschwindigkeit. Verwenden Sie die Sekunde, um die Zeit zu messen, Meter/Sekunde, um die Geschwindigkeit zu messen, und m/s2 Beschleunigung zu messen.
Schritt 4. Setzen Sie diese Zahlen in die folgende Formel ein
Kinetische Energie = (1/2) m v 2. Wenn sich beispielsweise ein Radfahrer mit einer Geschwindigkeit von 15 m/s fortbewegt, beträgt seine kinetische Energie EK = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm2/S2 = 7875 Newtonmeter = 7875 Joule.
Die Formel für die kinetische Energie lässt sich aus der Definition der Arbeit W = FΔs und der kinematischen Gleichung v2 = v02 + 2as. s steht für eine Positions- oder Wegänderung.
Methode 4 von 5: Berechnung der Wärme in Joule
Schritt 1. Ermitteln Sie die Masse des zu erwärmenden Objekts
Verwenden Sie zum Messen eine Waage oder Federwaage. Wenn es sich bei dem Objekt um eine Flüssigkeit handelt, messen Sie zunächst den leeren Behälter, in dem sich die Flüssigkeit befindet, und ermitteln Sie dessen Masse. Sie müssen es von der Masse des Behälters plus der Flüssigkeit abziehen, um die Masse der Flüssigkeit zu ermitteln. Nehmen wir für dieses Beispiel an, das Objekt ist 500 Gramm Wasser.
Verwenden Sie Gramm, keine anderen Einheiten, oder das Ergebnis ist nicht Joule
Schritt 2. Finden Sie die spezifische Wärme des Objekts
Diese Informationen finden Sie in Chemie-Referenzen, sowohl in Buchform als auch online. Bei Wasser beträgt die spezifische Wärme von c 4,19 Joule pro Gramm für jedes Grad Celsius, das es erhitzt – oder 4,1855, wenn Sie den genauen Wert benötigen.
- Die tatsächliche spezifische Wärme variiert leicht je nach Temperatur und Druck. Verschiedene Organisationen und Lehrbücher verwenden unterschiedliche Standardtemperaturen, daher können Sie die spezifische Wärme von Wasser als 4,179 sehen.
- Sie können Kelvin anstelle von Celsius verwenden, da der Temperaturunterschied für beide Geräte gleich ist (Erhitzen um 3 °C entspricht Erhitzen um 3 Kelvin). Verwenden Sie kein Fahrenheit, sonst werden Ihre Ergebnisse nicht in Joule angegeben.
Schritt 3. Finden Sie die Anfangstemperatur des Objekts
Wenn das Objekt eine Flüssigkeit ist, können Sie ein Quecksilberthermometer verwenden. Für einige Artikel benötigen Sie möglicherweise ein Sondenthermometer.
Schritt 4. Erhitzen Sie das Objekt und messen Sie die Temperatur erneut
Dadurch wird der Wärmegewinn des Objekts während des Erhitzens gemessen.
Wenn Sie die gesamte als Wärme gespeicherte Energiemenge messen möchten, können Sie davon ausgehen, dass die Anfangstemperatur der absolute Nullpunkt ist: 0 Kelvin oder -273,15 °C. Dies ist nicht sehr nützlich
Schritt 5. Subtrahieren Sie die Anfangstemperatur von der Heiztemperatur
Diese Reduzierung führt zu einer gewissen Temperaturänderung im Objekt. Angenommen, das Wasser war zuvor 15 Grad Celsius warm und auf 35 Grad Celsius erhitzt, ändert sich die Temperatur auf 20 Grad Celsius.
Schritt 6. Multiplizieren Sie die Masse des Objekts mit seiner spezifischen Wärme und der Größe der Temperaturänderung
Die Formel lautet Q = mc T, wobei T die Temperaturänderung ist. In diesem Beispiel wären es 500 g x 4, 19 x 20 oder 41.900 Joule.
Wärme wird häufiger im Kalorien- oder Kilokalorien-Metriksystem geschrieben. Eine Kalorie ist definiert als die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhöhen, während eine Kilokalorie die Wärmemenge ist, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Kilogramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhöhen. Im obigen Beispiel verbraucht eine Erhöhung der Temperatur von 500 Gramm Wasser um 20 Grad Celsius 10.000 Kalorien oder 10 Kilokalorien
Methode 5 von 5: Joule als elektrische Energie berechnen
Schritt 1. Verwenden Sie die folgenden Schritte, um den Energiefluss in einem Stromkreis zu berechnen
Die folgenden Schritte sind als praktische Beispiele aufgeführt, aber Sie können die Methode auch verwenden, um geschriebene physikalische Probleme zu verstehen. Zuerst berechnen wir die Leistung P mit der Formel P = I2 x R, wobei I der Strom in Ampere und R der Widerstand in Ohm ist. Diese Einheiten produzieren Leistung in Watt, daher können wir von hier aus die Formel im vorherigen Schritt verwenden, um die Energie in Joule zu berechnen.
Schritt 2. Wählen Sie einen Widerstand
Widerstände werden in Ohm gemessen, wobei die Größen direkt geschrieben oder durch eine Sammlung farbiger Linien dargestellt werden. Sie können auch den Widerstand eines Widerstands testen, indem Sie ihn mit einem Ohmmeter oder Multimeter verbinden. Für dieses Beispiel nehmen wir an, dass der Widerstand 10 Ohm beträgt.
Schritt 3. Verbinden Sie den Widerstand mit der Stromquelle
Sie können die Drähte mit einer Fahnestock- oder Krokodilklemme an den Widerstand anschließen oder den Widerstand in eine Testplatine stecken.
Schritt 4. Fließen Sie für ein bestimmtes Zeitintervall Strom durch den Stromkreis
Für dieses Beispiel verwenden wir ein Intervall von 10 Sekunden.
Schritt 5. Messen Sie die Stromstärke
Tun Sie dies mit einem Amperemeter oder Multimeter. Die meisten Haushaltsströme werden in Milliampere oder Tausenden von Ampere gemessen, daher gehen wir davon aus, dass der Strom 100 Milliampere oder 0,1 Ampere beträgt.
Schritt 6. Verwenden Sie die Formel P = I2 x R.
Um die Leistung zu ermitteln, multiplizieren Sie das Quadrat des Stroms mit dem Widerstand. Daraus ergibt sich die Leistung in Watt. Das Quadrieren von 0,1 ergibt ein Ergebnis von 0,01, multipliziert mit 10 ergibt eine Ausgangsleistung von 0,1 Watt oder 100 Milliwatt.
Schritt 7. Multiplizieren Sie die Leistung mit der verstrichenen Zeit
Diese Multiplikation ergibt die Energieabgabe in Joule. 0,1 Watt x 10 Sekunden entspricht 1 Joule elektrischer Energie.
