Vernoemd naar de Britse natuurkundige James Edward Joule, is de joule (J) een van de basiseenheden van het internationale metrieke stelsel. De joule wordt gebruikt als een eenheid van arbeid, energie en warmte en wordt veel gebruikt in wetenschappelijke toepassingen. Als je je antwoord in joules wilt, gebruik dan altijd standaard wetenschappelijke eenheden. De foot-pound of Britse eenheid van warmte (BTU) wordt nog steeds gebruikt in sommige velden, maar niet in je natuurkundehuiswerk.
Stap
Methode 1 van 5: Berekening van werk in joules
Stap 1. Begrijp werk in de natuurkunde
Als je een doos door een kamer duwt, heb je je best gedaan. Als je de doos optilt, heb je ook moeite gedaan. Er zijn twee belangrijke criteria die in de "business" moeten bestaan:
- Je zorgt voor een vaste stijl.
- Deze kracht zorgt ervoor dat objecten in dezelfde richting bewegen als de kracht.
Stap 2. Begrijp de definitie van bedrijf
Inspanning is eenvoudig te berekenen. Vermenigvuldig gewoon de hoeveelheid kracht en de totale afstand die het object heeft afgelegd. Gewoonlijk drukken wetenschappers kracht uit in Newton en afstand in meters. Als u beide eenheden gebruikt, is de resulterende werkeenheid Joule.
Telkens wanneer u een vraag over zaken leest, stop dan en denk na over waar de stijl is. Als je de doos optilt, duw je hem omhoog zodat de doos omhoog beweegt. Dus de afstand die de doos aflegt, is hoe hoog hij is opgeschoven. De volgende keer dat u met de doos naar voren loopt, wordt er echter geen moeite gedaan in dit proces. Zelfs als je de doos nog steeds omhoog duwt om te voorkomen dat hij valt, gaat hij niet meer omhoog
Stap 3. Zoek de massa van het te verplaatsen object
De massa van een voorwerp is nodig om de kracht te berekenen die nodig is om het te verplaatsen. Stel in ons voorbeeld dat de lading een massa heeft van 10 kilogram (kg).
Vermijd het gebruik van ponden of andere niet-standaard eenheden, anders zal je uiteindelijke antwoord niet in joules zijn
Stap 4. Bereken de stijl
Kracht = massa x versnelling. In ons voorbeeld, door het gewicht recht omhoog te tillen, is de versnelling die we uitoefenen het gevolg van de zwaartekracht, die onder normale omstandigheden het object naar beneden versnelt met 9,8 meter/sec.2. Bereken de kracht die nodig is om onze lading omhoog te bewegen door te vermenigvuldigen (10 kg) x (9,8 m/s.)2) = 98 kgm/s2 = 98 Newton (N).
Als het object horizontaal wordt bewogen, heeft de zwaartekracht geen effect. Het probleem kan u vragen om de kracht te berekenen die nodig is om wrijving te weerstaan. Als het probleem je de versnelling van een object vertelt terwijl het wordt geduwd, kun je de bekende versnelling vermenigvuldigen met zijn massa
Stap 5. Meet de afgelegde verplaatsing
Stel in dit voorbeeld dat een last wordt gehesen tot een hoogte van 1,5 meter (m). De verplaatsing moet in meters worden gemeten, anders is je uiteindelijke antwoord niet in joules.
Stap 6. Vermenigvuldig de kracht met de verplaatsing
Om een gewicht van 98 newton van 1,5 meter hoog te tillen, moet je 98 x 1,5 = 147 joule arbeid verrichten.
Stap 7. Bereken het werk dat gedaan is om het object onder een bepaalde hoek te verplaatsen
Ons voorbeeld hierboven is eenvoudig: iemand oefent een voorwaartse kracht uit op een object en het object beweegt naar voren. Soms zijn de richting van de kracht en de beweging van het object niet hetzelfde, omdat er meerdere krachten op het object inwerken. In het volgende voorbeeld berekenen we het aantal joule dat een kind nodig heeft om een slee van 25 meter door platte sneeuw te trekken door het touw onder een hoek van 30º omhoog te trekken. Voor dit probleem geldt: arbeid = kracht x cosinus(θ) x verplaatsing. Het symbool is de Griekse letter theta en beschrijft de hoek tussen de richting van de kracht en de bewegingsrichting.
Stap 8. Vind de totale uitgeoefende kracht
Stel voor dit probleem dat een kind aan een touwtje trekt met een kracht van 10 Newton.
Als het probleem een kracht naar rechts, een opwaartse kracht of een kracht in de bewegingsrichting uitoefent, dan zijn deze krachten al verantwoordelijk voor het x cosinus (θ) deel van de kracht, en kun je verder gaan en doorgaan met het vermenigvuldigen van de waarden
Stap 9. Bereken de bijbehorende kracht
Slechts een paar stijlen trekken de slee naar voren. Terwijl het touwtje omhoog wijst, probeert een andere kracht het omhoog te trekken, tegen de zwaartekracht in. Bereken de kracht die in de bewegingsrichting wordt uitgeoefend:
- In ons voorbeeld is de hoek tussen de platte sneeuw en het touw 30º.
- Bereken cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = ongeveer 0,866. U kunt een rekenmachine gebruiken om deze waarde te vinden, maar zorg ervoor dat uw rekenmachine dezelfde eenheden gebruikt als uw hoekmeting (graden of radialen).
- Vermenigvuldig de totale kracht x cos(θ). In ons voorbeeld 10 N x 0,866 = 8,66 krachten in de bewegingsrichting.
Stap 10. Vermenigvuldig de kracht x verplaatsing
Nu we de kracht kennen die in de bewegingsrichting voortschrijdt, kunnen we de arbeid zoals gewoonlijk berekenen. Ons probleem vertelt ons dat de slee 20 meter vooruit gaat, dus bereken 8,66 N x 20 m = 173,2 joule werk.
Methode 2 van 5: Joule berekenen uit Watts
Stap 1. Begrijp kracht en energie
Watt is een eenheid van vermogen of snelheid van energieverbruik (energie gedeeld door tijd). Terwijl Joule een eenheid van energie is. Om Watts om te rekenen naar Joules, moet u de tijd bepalen. Hoe langer de elektrische stroom loopt, hoe meer energie er wordt verbruikt.
Stap 2. Vermenigvuldig watt met seconden om Joules te krijgen
Een apparaat van 1 Watt verbruikt elke seconde 1 Joule aan energie. Als u het aantal Watts vermenigvuldigt met seconden, krijgt u Joules. Om erachter te komen hoeveel energie een lamp van 60 W verbruikt in 120 seconden, hoef je alleen maar 60 watt x 120 seconden = 7.200 joule te vermenigvuldigen.
Deze formule kan worden gebruikt voor elk vermogen uitgedrukt in Watt, maar over het algemeen in elektriciteit
Methode 3 van 5: Kinetische energie berekenen in joule
Stap 1. Begrijp kinetische energie
Kinetische energie is de hoeveelheid energie in de vorm van beweging. Net als andere energie-eenheden kan kinetische energie worden geschreven in joules.
Kinetische energie is gelijk aan de hoeveelheid arbeid die wordt verricht om een statisch object tot een bepaalde snelheid te versnellen. Zodra het object die snelheid bereikt, zal het object een bepaalde hoeveelheid kinetische energie behouden totdat de energie verandert in warmte (van wrijving), zwaartekracht potentiële energie (van bewegen tegen de zwaartekracht in) of andere soorten energie
Stap 2. Zoek de massa van het object
Zo meten we bijvoorbeeld de kinetische energie van een fiets & een fietser. De berijder heeft bijvoorbeeld een massa van 50 kg en zijn fiets heeft een massa van 20 kg, voor een totale massa m van 70 kg. Nu beschouwen we de twee als één object met een massa van 70 kg omdat ze allebei met dezelfde snelheid zullen bewegen.
Stap 3. Bereken de snelheid
Als je de snelheid of snelheid van de fietser al kent, schrijf het dan op en ga verder. Als u de snelheid moet berekenen, gebruikt u een van de onderstaande methoden. Merk op dat we op zoek zijn naar snelheid, niet naar snelheid (dat is snelheid in een bepaalde richting), hoewel de afkorting v vaak wordt gebruikt. Negeer eventuele bochten die de fietser maakt en ga ervan uit dat de hele afstand in een rechte lijn wordt afgelegd.
- Als de fietser met een constante snelheid rijdt (niet versnelt), meet dan de afstand die de fietser aflegt in meters en deel deze door het aantal seconden dat nodig is om die afstand af te leggen. Deze berekening levert de gemiddelde snelheid op, die in dit geval gelijk is aan de momentane snelheid.
- Als de fietser een constante versnelling ervaart en niet van richting verandert, bereken dan zijn snelheid op tijdstip t met de formule voor snelheid op tijdstip t = (versnelling)(t) + beginsnelheid. Gebruik seconde om tijd te meten, meter/seconde om snelheid te meten, en m/s2 versnelling te meten.
Stap 4. Steek deze nummers in de volgende formule
Kinetische energie = (1/2) m v 2. Als een fietser bijvoorbeeld met een snelheid van 15 m/s rijdt, is zijn 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.
De formule voor kinetische energie kan worden afgeleid uit de definitie van arbeid, W = FΔs, en de kinematische vergelijking v2 = v02 + 2as. s staat voor een verandering in positie of afgelegde afstand.
Methode 4 van 5: Warmte berekenen in joule
Stap 1. Zoek de massa van het object dat wordt verwarmd
Gebruik een weegschaal of veerbalans om het te meten. Als het object een vloeistof is, meet dan eerst de lege container waarin de vloeistof zich bevindt en vind zijn massa. Je moet het aftrekken van de massa van de container plus de vloeistof om de massa van de vloeistof te vinden. Laten we voor dit voorbeeld zeggen dat het object 500 gram water is.
Gebruik grammen, geen andere eenheden, anders is het resultaat geen joule
Stap 2. Zoek de soortelijke warmte van het object
Deze informatie is te vinden in chemiereferenties, zowel in boekvorm als online. Voor water is de soortelijke warmte van c 4,19 joule per gram voor elke graad Celsius die het wordt verwarmd - of 4,1855, als je de exacte waarde nodig hebt.
- De werkelijke soortelijke warmte varieert enigszins op basis van de temperatuur en druk. Verschillende organisaties en leerboeken gebruiken verschillende standaardtemperaturen, dus de soortelijke warmte van water kan worden vermeld als 4.179.
- U kunt Kelvin gebruiken in plaats van Celsius omdat het temperatuurverschil voor beide units hetzelfde is (iets verwarmen met 3ºC is gelijk aan verwarmen met 3 Kelvin). Gebruik geen Fahrenheit, anders zijn uw resultaten niet in joules.
Stap 3. Zoek de begintemperatuur van het object
Als het object een vloeistof is, kunt u een kwikthermometer gebruiken. Voor sommige artikelen heeft u mogelijk een sondethermometer nodig.
Stap 4. Verwarm het object en meet opnieuw de temperatuur
Hiermee wordt de warmtewinst van het object tijdens verwarming gemeten.
Als je de totale hoeveelheid energie wilt meten die als warmte is opgeslagen, kun je ervan uitgaan dat de begintemperatuur het absolute nulpunt is: 0 Kelvin of -273,15ºC. Dit is niet erg handig
Stap 5. Trek de begintemperatuur af van de verwarmingstemperatuur
Deze reductie zal resulteren in een mate van temperatuurverandering in het object. Ervan uitgaande dat het water voorheen 15 graden Celsius was en verwarmd tot 35 graden Celsius, verandert de temperatuur naar 20 graden Celsius.
Stap 6. Vermenigvuldig de massa van het object met zijn soortelijke warmte en met de grootte van de verandering in temperatuur
De formule is geschreven Q = mc T, waarbij T de verandering in temperatuur is. Voor dit voorbeeld zou het 500 g x 4, 19 x 20 of 41.900 joule zijn.
Warmte wordt vaker geschreven in het calorie- of kilocalorie-metrisch systeem. Een calorie wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van 1 gram water met 1 graad Celsius te verhogen, terwijl een kilocalorie de hoeveelheid warmte is die nodig is om de temperatuur van 1 kilogram water met 1 graad Celsius te verhogen. In het bovenstaande voorbeeld zal het verhogen van de temperatuur van 500 gram water met 20 graden Celsius 10.000 calorieën of 10 kilocalorieën verbruiken
Methode 5 van 5: Joule berekenen als elektrische energie
Stap 1. Gebruik de onderstaande stappen om de energiestroom in een elektrisch circuit te berekenen
Onderstaande stappen zijn bedoeld als praktijkvoorbeeld, maar je kunt de methode ook gebruiken om schriftelijke natuurkundige problemen te begrijpen. Eerst berekenen we het vermogen P met de formule P = I2 x R, waarbij I de stroom in ampère is en R de weerstand in ohm is. Deze eenheden produceren vermogen in watt, dus vanaf hier kunnen we de formule in de vorige stap gebruiken om energie in joule te berekenen.
Stap 2. Kies een weerstand
Weerstanden worden gemeten in ohm, met maten die direct zijn geschreven of worden weergegeven door een verzameling gekleurde lijnen. Je kunt de weerstand van een weerstand ook testen door deze aan te sluiten met een ohmmeter of multimeter. Voor dit voorbeeld nemen we aan dat de weerstand 10 ohm is.
Stap 3. Sluit de weerstand aan op de stroombron
U kunt de draden op de weerstand aansluiten met een Fahnestock- of krokodillenklem, of u kunt de weerstand in een testbord steken.
Stap 4. Stroom door het circuit lopen gedurende een bepaald tijdsinterval
Voor dit voorbeeld gebruiken we een interval van 10 seconden.
Stap 5. Meet de stroomsterkte
Doe dit met een ampèremeter of multimeter. De meeste huishoudelijke stromen worden gemeten in milliampère, of duizenden ampère, dus we nemen aan dat de stroom 100 milliampère of 0,1 ampère is.
Stap 6. Gebruik de formule P = I2 xR.
Om het vermogen te vinden, vermenigvuldigt u het kwadraat van de stroom met de weerstand. Dit resulteert in een vermogen in watt. Het kwadrateren van 0,1 geeft een resultaat van 0,01, vermenigvuldigd met 10 geeft een vermogen van 0,1 watt of 100 milliwatt.
Stap 7. Vermenigvuldig het vermogen met de verstreken tijd
Deze vermenigvuldiging geeft de energie-output in joule. 0,1 watt x 10 seconden is gelijk aan 1 joule elektrische energie.
