Prende il nome dal fisico britannico James Edward Joule, il joule (J) è una delle unità di base del sistema metrico internazionale. Il joule viene utilizzato come unità di lavoro, energia e calore ed è ampiamente utilizzato nelle applicazioni scientifiche. Se vuoi la tua risposta in joule, assicurati sempre di utilizzare unità scientifiche standard. Il piede per libbra o l'unità di calore britannica (BTU) è ancora utilizzata in alcuni campi, ma non nei compiti di fisica.
Fare un passo
Metodo 1 di 5: Calcolo del lavoro in Joule
Passaggio 1. Comprendi il lavoro in fisica
Se spingi una scatola attraverso una stanza, hai fatto uno sforzo. Se sollevi la scatola, hai anche fatto uno sforzo. Ci sono due criteri importanti che devono esistere nel "business":
- Fornisci uno stile stabile.
- Questa forza fa muovere gli oggetti nella stessa direzione della forza.
Passaggio 2. Comprendere la definizione di business
Lo sforzo è facile da calcolare. Basta moltiplicare la quantità di forza e la distanza totale percorsa dall'oggetto. Di solito, gli scienziati esprimono la forza in Newton e la distanza in metri. Se utilizzi entrambe queste unità, l'unità di lavoro risultante è Joule.
Ogni volta che leggi una domanda sugli affari, fermati e pensa a dove si trova lo stile. Se sollevi la scatola, la spingi verso l'alto in modo che la scatola si muova verso l'alto. Quindi, la distanza percorsa dalla scatola è quanto in alto si è alzata. Tuttavia, la prossima volta che vai avanti con la scatola, non viene fatto alcuno sforzo in questo processo. Anche se stai ancora spingendo la scatola verso l'alto per evitare che cada, non si muove più verso l'alto
Passaggio 3. Trova la massa dell'oggetto che viene spostato
La massa di un oggetto è necessaria per calcolare la forza necessaria per spostarlo. Nel nostro esempio, supponiamo che il carico abbia una massa di 10 chilogrammi (kg).
Evita di usare libbre o altre unità non standard, altrimenti la tua risposta finale non sarà in joule
Passaggio 4. Calcola lo stile
Forza = massa x accelerazione. Nel nostro esempio, sollevando il peso verso l'alto, l'accelerazione che esercitiamo è dovuta alla gravità, che in circostanze normali accelera l'oggetto verso il basso a 9,8 metri/sec.2. Calcola la forza necessaria per spostare il nostro carico moltiplicando (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newton (N).
Se l'oggetto viene spostato orizzontalmente, la gravità non ha effetto. Il problema potrebbe chiederti di calcolare la forza necessaria per resistere all'attrito. Se il problema ti dice l'accelerazione di un oggetto mentre viene spinto, puoi moltiplicare l'accelerazione nota per la sua massa
Passaggio 5. Misurare lo spostamento percorso
Per questo esempio, supponiamo che un carico venga sollevato a un'altezza di 1,5 metri (m). Lo spostamento deve essere misurato in metri, altrimenti la tua risposta finale non sarà in joule.
Passaggio 6. Moltiplicare la forza per lo spostamento
Per sollevare un peso di 98 newton di 1,5 metri di altezza, è necessario eseguire 98 x 1,5 = 147 joule di lavoro.
Passaggio 7. Calcola il lavoro svolto per spostare l'oggetto di una certa angolazione
Il nostro esempio sopra è semplice: qualcuno esercita una forza in avanti su un oggetto e l'oggetto si muove in avanti. A volte, la direzione della forza e il movimento dell'oggetto non sono gli stessi, perché ci sono diverse forze che agiscono sull'oggetto. Nel prossimo esempio, calcoleremo il numero di joule necessari a un bambino per tirare una slitta di 25 metri attraverso la neve piatta tirando la corda con un angolo di 30º. Per questo problema, lavoro = forza x coseno(θ) x spostamento. Il simbolo è la lettera greca theta e descrive l'angolo tra la direzione della forza e la direzione del movimento.
Passaggio 8. Trova la forza applicata totale
Per questo problema, supponiamo che un bambino tiri una corda con una forza di 10 newton.
Se il problema esercita una forza a destra, una forza verso l'alto, o una forza nella direzione del movimento, allora queste forze rappresentano già la porzione x coseno(θ) della forza, e puoi saltare avanti e continuare a moltiplicare i valori
Passaggio 9. Calcola la forza corrispondente
Solo pochi stili tirano avanti la slitta. Mentre la corda è rivolta verso l'alto, un'altra forza cerca di tirarla su, tirandola contro la gravità. Calcola la forza esercitata nella direzione del moto:
- Nel nostro esempio, l'angolo tra la neve piatta e la corda è di 30º.
- Calcola cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = circa 0,866. Puoi usare una calcolatrice per trovare questo valore, ma assicurati che la calcolatrice utilizzi le stesse unità di misura dell'angolo (gradi o radianti).
- Moltiplica la forza totale x cos(θ). Nel nostro esempio, 10 N x 0,866 = 8,66 forze nella direzione del movimento.
Passaggio 10. Moltiplicare la forza x lo spostamento
Ora che conosciamo la forza che sta avanzando nella direzione del moto, possiamo calcolare il lavoro come al solito. Il nostro problema ci dice che la slitta avanza di 20 metri, quindi calcola 8,66 N x 20 m = 173,2 joule di lavoro.
Metodo 2 di 5: Calcolo di Joule da Watt
Passaggio 1. Comprendi il potere e l'energia
Watt è un'unità di potenza o tasso di consumo energetico (energia divisa per tempo). Mentre Joule è un'unità di energia. Per convertire Watt in Joule, è necessario determinare il tempo. Più a lungo scorre la corrente elettrica, maggiore è l'energia utilizzata.
Passaggio 2. Moltiplicare Watt per secondi per ottenere Joule
Un dispositivo da 1 Watt consumerà 1 Joule di energia ogni 1 secondo. Se moltiplichi il numero di Watt per secondi, otterrai Joule. Per scoprire quanta energia consuma una lampada da 60W in 120 secondi, basta moltiplicare 60 watt x 120 secondi = 7.200 Joule.
Questa formula può essere utilizzata per qualsiasi potenza espressa in Watt, ma generalmente in elettricità
Metodo 3 di 5: Calcolo dell'energia cinetica in Joule
Passaggio 1. Comprendere l'energia cinetica
L'energia cinetica è la quantità di energia sotto forma di movimento. Come altre unità di energia, l'energia cinetica può essere scritta in joule.
L'energia cinetica è uguale alla quantità di lavoro svolto per accelerare un oggetto statico a una certa velocità. Una volta che l'oggetto raggiunge quella velocità, l'oggetto manterrà una certa quantità di energia cinetica fino a quando l'energia non si trasformerà in calore (dall'attrito), energia potenziale gravitazionale (dal movimento contro la gravità) o altri tipi di energia
Passaggio 2. Trova la massa dell'oggetto
Ad esempio, misuriamo l'energia cinetica di una bicicletta e di un ciclista. Ad esempio, il ciclista ha una massa di 50 kg e la sua bicicletta ha una massa di 20 kg, per una massa totale m di 70 kg. Ora, consideriamo i due come un oggetto con una massa di 70 kg perché entrambi si muoveranno alla stessa velocità.
Passaggio 3. Calcola la velocità
Se conosci già la velocità o la velocità del ciclista, scrivilo e vai avanti. Se è necessario calcolare la velocità, utilizzare uno dei metodi seguenti. Nota che stiamo cercando velocità, non velocità (che è velocità in una data direzione), sebbene l'abbreviazione v sia spesso usata. Ignora qualsiasi curva compia il ciclista e supponi che l'intera distanza sia percorsa in linea retta.
- Se il ciclista si sta muovendo a velocità costante (non accelerando), misurare la distanza percorsa dal ciclista in metri e dividerla per il numero di secondi che impiegheranno per coprire tale distanza. Questo calcolo darà la velocità media, che in questo caso è uguale alla velocità istantanea.
- Se il ciclista sperimenta un'accelerazione costante e non cambia direzione, calcola la sua velocità all'istante t usando la formula per la velocità all'istante t = (accelerazione)(t) + velocità iniziale. Usa secondi per misurare il tempo, metro/secondo per misurare la velocità e m/s2 per misurare l'accelerazione.
Passaggio 4. Inserisci questi numeri nella seguente formula
Energia cinetica = (1/2) m v 2. Ad esempio, se un ciclista si muove con una velocità di 15 m/s, la sua energia cinetica EK = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm2/S2 = 7875 newton metri = 7875 joule.
La formula per l'energia cinetica può essere derivata dalla definizione di lavoro, W = FΔs, e l'equazione cinematica v2 = v02 + 2aΔs. s rappresenta un cambiamento di posizione o distanza percorsa.
Metodo 4 di 5: Calcolo del calore in Joule
Passaggio 1. Trovare la massa dell'oggetto da riscaldare
Usa una bilancia o una bilancia a molla per misurarlo. Se l'oggetto è un liquido, prima misura il contenitore vuoto in cui si trova il liquido e trova la sua massa. Devi sottrarlo dalla massa del contenitore più il liquido per trovare la massa del liquido. Per questo esempio, supponiamo che l'oggetto sia 500 grammi di acqua.
Usa grammi, non altre unità, o il risultato non sarà joule
Passaggio 2. Trova il calore specifico dell'oggetto
Queste informazioni possono essere trovate nei riferimenti di chimica, sia in forma di libro che online. Per l'acqua, il calore specifico di c è 4,19 joule per grammo per ogni grado Celsius viene riscaldato – o 4,1855, se hai bisogno del valore esatto.
- Il calore specifico effettivo varia leggermente in base alla temperatura e alla pressione. Diverse organizzazioni e libri di testo utilizzano temperature standard diverse, quindi potresti vedere il calore specifico dell'acqua elencato come 4.179.
- Puoi usare Kelvin invece di Celsius perché la differenza di temperatura è la stessa per entrambe le unità (riscaldare qualcosa di 3ºC equivale a riscaldare di 3 Kelvin). Non usare Fahrenheit, o i tuoi risultati non saranno in joule.
Passaggio 3. Trova la temperatura iniziale dell'oggetto
Se l'oggetto è un liquido, puoi usare un termometro a mercurio. Per alcuni articoli potrebbe essere necessario un termometro a sonda.
Passaggio 4. Riscaldare l'oggetto e misurare nuovamente la temperatura
Questo misurerà il guadagno di calore dell'oggetto durante il riscaldamento.
Se vuoi misurare la quantità totale di energia immagazzinata sotto forma di calore, puoi assumere che la temperatura iniziale sia zero assoluto: 0 Kelvin o -273,15ºC. Questo non è molto utile
Passaggio 5. Sottrarre la temperatura iniziale dalla temperatura di riscaldamento
Questa riduzione si tradurrà in un grado di variazione di temperatura nell'oggetto. Supponendo che l'acqua fosse precedentemente di 15 gradi Celsius e riscaldata a 35 gradi Celsius, la temperatura cambia a 20 gradi Celsius.
Passaggio 6. Moltiplicare la massa dell'oggetto per il suo calore specifico e per l'entità della variazione di temperatura
La formula si scrive Q = mc T, dove T è la variazione di temperatura. Per questo esempio, sarebbe 500 g x 4, 19 x 20 o 41.900 joule.
Il calore è più spesso scritto nel sistema metrico delle calorie o delle chilocalorie. Una caloria è definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua di 1 grado Celsius, mentre una chilocaloria è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 chilogrammo di acqua di 1 grado Celsius. Nell'esempio sopra, aumentare la temperatura di 500 grammi di acqua di 20 gradi Celsius consumerà fino a 10.000 calorie o 10 chilocalorie
Metodo 5 di 5: calcolo di Joule come energia elettrica
Passaggio 1. Utilizzare i passaggi seguenti per calcolare il flusso di energia in un circuito elettrico
I passaggi seguenti sono elencati come esempi pratici, ma puoi anche utilizzare il metodo per comprendere problemi di fisica scritti. Innanzitutto, calcoleremo la potenza P usando la formula P = I2 x R, dove I è la corrente in ampere e R è la resistenza in ohm. Queste unità producono potenza in watt, quindi da qui possiamo usare la formula nel passaggio precedente per calcolare l'energia in joule.
Passaggio 2. Scegli un resistore
I resistori sono misurati in ohm, con le dimensioni scritte direttamente o rappresentate da un insieme di linee colorate. Puoi anche testare la resistenza di un resistore collegandolo con un ohmmetro o un multimetro. Per questo esempio, supponiamo che il resistore sia di 10 ohm.
Passaggio 3. Collegare il resistore alla fonte di corrente
Puoi collegare i fili al resistore con un Fahnestock o una clip a coccodrillo, oppure puoi collegare il resistore a una scheda di prova.
Passaggio 4. Flusso di corrente attraverso il circuito per un certo intervallo di tempo
Per questo esempio, utilizzeremo un intervallo di 10 secondi.
Passaggio 5. Misurare la forza attuale
Fallo con un amperometro o un multimetro. La maggior parte delle correnti domestiche viene misurata in milliampere, o migliaia di ampere, quindi assumiamo che la corrente sia 100 milliampere o 0,1 ampere.
Passaggio 6. Utilizzare la formula P = I2 x r.
Per trovare la potenza, moltiplica il quadrato della corrente per la resistenza. Ciò si traduce in potenza in watt. La quadratura di 0,1 fornisce un risultato di 0,01, moltiplicato per 10 fornisce una potenza di 0,1 watt o 100 milliwatt.
Passaggio 7. Moltiplicare la potenza per il tempo trascorso
Questa moltiplicazione fornisce l'energia prodotta in joule. 0,1 watt x 10 secondi è pari a 1 joule di energia elettrica.
