ژول (J) که پس از نام فیزیکدان انگلیسی جیمز ادوارد ژول نامگذاری شده است ، یکی از واحدهای اساسی سیستم متریک بین المللی است. ژول به عنوان واحد کار ، انرژی و گرما استفاده می شود و در کاربردهای علمی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. اگر می خواهید پاسخ خود را در ژول ، همیشه مطمئن شوید که از واحدهای استاندارد علمی استفاده کنید. واحد گرمایی انگلیس (BTU) هنوز در برخی از زمینه ها استفاده می شود ، اما در تکالیف فیزیک شما استفاده نمی شود.
گام
روش 1 از 5: محاسبه کار در ژول
مرحله 1. درک کار در فیزیک
اگر یک جعبه را در یک اتاق فشار دهید ، تلاش کرده اید. اگر جعبه را بلند کنید ، شما هم تلاش کرده اید. دو معیار مهم وجود دارد که باید در "تجارت" وجود داشته باشد:
- شما یک سبک ثابت ارائه می دهید.
- این نیرو باعث می شود اجسام در راستای نیرو حرکت کنند.
مرحله 2. درک تعریف کسب و کار
محاسبه تلاش آسان است. فقط مقدار نیرو و کل مسافتی را که جسم طی کرده ضرب کنید. معمولاً دانشمندان نیرو را در نیوتن و فاصله را بر حسب متر بیان می کنند. اگر از هر دو این واحدها استفاده می کنید ، واحد کار به دست آمده ژول است.
هر زمان که سوالی در مورد تجارت می خوانید ، متوقف شوید و به این فکر کنید که این سبک کجاست. اگر جعبه را بلند کنید ، آن را به سمت بالا فشار می دهید تا جعبه به سمت بالا حرکت کند. بنابراین ، مسافتی که جعبه طی می کند چقدر بالا رفته است. با این حال ، دفعه بعد که با جعبه جلو می روید ، هیچ تلاشی در این روند انجام نمی شود. حتی اگر هنوز جعبه را فشار می دهید تا از سقوط جلوگیری کند ، دیگر آن را به سمت بالا حرکت نمی دهید
مرحله 3. جرم جسم جابجا شده را بیابید
جرم یک جسم برای محاسبه نیروی لازم برای حرکت آن لازم است. در مثال ما ، فرض کنید جرم بار 10 کیلوگرم (کیلوگرم) است.
از استفاده از پوند یا سایر واحدهای غیر استاندارد خودداری کنید ، در غیر این صورت پاسخ نهایی شما به ژول نخواهد بود
مرحله 4. سبک را محاسبه کنید
نیرو = جرم x شتاب. در مثال ما ، با بالا بردن مستقیم وزن ، شتابی که ما اعمال می کنیم ناشی از جاذبه است ، که در شرایط عادی جسم را با سرعت 9.8 متر بر ثانیه به سمت پایین شتاب می دهد.2به نیروی مورد نیاز برای حرکت بار ما را با ضرب (10 کیلوگرم) x (9.8 متر بر ثانیه) محاسبه کنید2) = 98 کیلوگرم بر ثانیه2 = 98 نیوتن (N).
اگر جسم به صورت افقی حرکت کند ، گرانش هیچ تاثیری ندارد. مشکل ممکن است از شما بخواهد که نیروی لازم برای مقاومت در برابر اصطکاک را محاسبه کنید. اگر این مسئله شتاب یک جسم را در هنگام هل دادن به شما بگوید ، می توانید شتاب شناخته شده را در جرم آن ضرب کنید
مرحله 5. میزان جابجایی طی شده را اندازه گیری کنید
برای این مثال ، فرض کنید بار به ارتفاع 1.5 متر (متر) برداشته می شود. جابجایی باید با متر اندازه گیری شود ، در غیر این صورت پاسخ نهایی شما به ژول نخواهد بود.
مرحله 6. نیرو را با جابجایی ضرب کنید
برای بلند کردن وزن 98 نیوتن به ارتفاع 1.5 متر ، باید 98 x 1.5 = 147 ژول کار کنید.
مرحله 7. کار انجام شده برای حرکت جسم در زاویه مشخص را محاسبه کنید
مثال ما در بالا ساده است: شخصی به جلو یک جسم وارد می کند و جسم به جلو حرکت می کند. گاهی اوقات ، جهت نیرو و حرکت جسم یکسان نیست ، زیرا چندین نیرو بر جسم وارد می شود. در مثال بعدی ، ما تعداد ژول های مورد نیاز کودک را برای کشیدن سورتمه 25 متری از طریق برف مسطح با کشیدن طناب به بالا با زاویه 30 درجه محاسبه می کنیم. برای این مشکل ، کار = نیرو x کسینوس (θ) x جابجایی. این نماد حرف یونانی تتا است و زاویه بین جهت نیرو و جهت حرکت را توصیف می کند.
مرحله 8. کل نیروی اعمال شده را بیابید
برای این مشکل ، فرض کنید کودکی یک سیم با نیروی 10 نیوتن می کشد.
اگر مشکل نیرویی به راست ، نیرویی رو به بالا یا نیرویی در جهت حرکت وارد کند ، این نیروها در حال حاضر بخش x کسینوس (θ) نیرو را شامل می شوند ، و شما می توانید از جلو رفته و ضرب مقادیر را ادامه دهید. به
مرحله 9. نیروی مربوطه را محاسبه کنید
فقط چند مدل سورتمه را به جلو می کشاند. هنگامی که سیم به سمت بالا است ، نیروی دیگری سعی می کند آن را به سمت بالا بکشد و آن را در برابر گرانش می کشد. نیروی اعمال شده در جهت حرکت را محاسبه کنید:
- در مثال ما ، زاویه بین برف صاف و طناب 30 درجه است.
- cos (θ) را محاسبه کنید. cos (30º) = (√3)/2 = تقریبا 0.866. برای پیدا کردن این مقدار می توانید از ماشین حساب استفاده کنید ، اما مطمئن شوید ماشین حساب شما از واحدهای اندازه گیری زاویه (درجه یا رادیان) شما استفاده می کند.
- کل نیروی x cos (θ) را ضرب کنید. در مثال ما ، 10 N x 0.866 = 8.66 نیرو در جهت حرکت دارد.
مرحله 10. نیروی x جابجایی را ضرب کنید
اکنون که نیرویی را که در جهت حرکت در حال پیشرفت است می دانیم ، می توانیم کار را طبق معمول محاسبه کنیم. مشکل ما به ما می گوید که سورتمه 20 متر به جلو حرکت می کند ، بنابراین 8.66 N x 20 m = 173.2 ژول کار را محاسبه کنید.
روش 2 از 5: محاسبه ژول از وات
مرحله 1. قدرت و انرژی را درک کنید
وات یک واحد قدرت یا میزان مصرف انرژی (تقسیم انرژی بر زمان) است. در حالی که ژول واحد انرژی است. برای تبدیل وات به ژول ، باید زمان را تعیین کنید. هرچه جریان الکتریکی بیشتر باشد ، انرژی مصرفی بیشتر است.
مرحله 2. وات را در ثانیه ضرب کنید تا ژول بدست آید
یک دستگاه 1 وات هر 1 ثانیه 1 ژول انرژی مصرف می کند. اگر تعداد وات را در ثانیه ضرب کنید ، ژول به دست می آید. برای اینکه بدانید یک لامپ 60 واتی در 120 ثانیه چقدر انرژی مصرف می کند ، فقط باید 60 وات در 120 ثانیه = 7200 ژول را ضرب کنید.
این فرمول را می توان برای هر قدرتی که برحسب وات بیان می شود ، اما عموماً در برق استفاده کرد
روش 3 از 5: محاسبه انرژی جنبشی در ژول
مرحله 1. درک انرژی جنبشی
انرژی جنبشی مقدار انرژی به شکل حرکت است. مانند دیگر واحدهای انرژی ، انرژی جنبشی را می توان با ژول نوشت.
انرژی جنبشی برابر است با میزان کار انجام شده برای شتاب دادن یک جسم ساکن به سرعت مشخص. هنگامی که جسم به آن سرعت برسد ، جسم مقدار معینی از انرژی جنبشی را حفظ می کند تا زمانی که انرژی به گرما (از اصطکاک) ، انرژی پتانسیل گرانشی (از حرکت در برابر گرانش) یا سایر انواع انرژی تبدیل شود
مرحله 2. جرم جسم را پیدا کنید
به عنوان مثال ، ما انرژی جنبشی دوچرخه و دوچرخه سوار را اندازه گیری می کنیم. به عنوان مثال ، وزن سوار 50 کیلوگرم است و وزن دوچرخه او 20 کیلوگرم است ، در کل 70 متر وزن دارد. اکنون ، ما این دو را به عنوان یک جسم با جرم 70 کیلوگرم در نظر می گیریم زیرا هر دو با یک سرعت حرکت می کنند.
مرحله 3. سرعت را محاسبه کنید
اگر سرعت یا سرعت دوچرخه سوار را می دانید ، فقط آن را بنویسید و ادامه دهید. اگر نیاز به محاسبه سرعت دارید ، از یکی از روش های زیر استفاده کنید. توجه داشته باشید که ما به دنبال سرعت هستیم نه سرعت (که سرعت در یک جهت معین است) ، اگرچه اغلب از اختصار v استفاده می شود. دور زدن دوچرخه سوار را نادیده بگیرید و فرض کنید تمام مسافت در یک خط مستقیم طی شده است.
- اگر دوچرخه سوار با سرعت ثابت حرکت می کند (شتاب نمی گیرد) ، مسافتی را که دوچرخه سوار طی می کند ، اندازه بگیرید و بر تعداد ثانیه هایی که طول می کشد ، تقسیم کنید. این محاسبه سرعت متوسط را به دست می آورد ، که در این حالت برابر سرعت لحظه ای است.
- اگر دوچرخه سوار شتاب ثابت را تجربه می کند و جهت خود را تغییر نمی دهد ، سرعت خود را در زمان t با استفاده از فرمول سرعت در زمان t = (شتاب) (t) + سرعت اولیه محاسبه کنید. برای اندازه گیری زمان از متر ، ثانیه برای اندازه گیری سرعت و متر بر ثانیه استفاده کنید2 برای اندازه گیری شتاب
مرحله 4. این اعداد را به فرمول زیر وصل کنید
انرژی جنبشی = (1/2) متر v 2به به عنوان مثال ، اگر دوچرخه سوار با سرعت 15 متر بر ثانیه در حال حرکت است ، انرژی جنبشی او EK = (1/2) (70 کیلوگرم) (15 متر بر ثانیه)2 = (1/2) (70 کیلوگرم) (15 متر بر ثانیه) (15 متر بر ثانیه) = 7875 کیلوگرم بر متر2/ثانیه2 = 7875 نیوتن متر = 7875 ژول.
فرمول انرژی جنبشی را می توان از تعریف کار ، W = FΔs و معادله سینماتیکی v استخراج کرد.2 = v02 + 2aΔs. s نشان دهنده تغییر موقعیت یا مسافت طی شده است.
روش 4 از 5: محاسبه گرما در ژول
مرحله 1. جرم جسم در حال گرم شدن را بیابید
برای اندازه گیری آن از ترازو یا تراز فنری استفاده کنید. اگر جسم مایع است ، ابتدا ظرف خالی را که مایع در آن است اندازه بگیرید و جرم آن را پیدا کنید. شما باید آن را از جرم ظرف به علاوه مایع کم کنید تا جرم مایع را پیدا کنید. برای این مثال ، فرض کنید جسم 500 گرم آب است.
از گرم استفاده کنید ، نه واحدهای دیگر ، در غیر این صورت ژول نخواهد بود
مرحله 2. گرمای خاص جسم را پیدا کنید
این اطلاعات را می توان در منابع شیمی ، چه به صورت کتاب و چه به صورت آنلاین یافت. برای آب ، گرمای خاص c 4.19 ژول در گرم در هر درجه سانتیگراد است که گرم می شود - یا 4.1855 ، در صورت نیاز به مقدار دقیق.
- گرمای خاص واقعی بر اساس دما و فشار کمی تغییر می کند. سازمانها و کتابهای درسی مختلف از دمای استاندارد متفاوتی استفاده می کنند ، بنابراین ممکن است گرمای خاص آب را در فهرست 4.179 مشاهده کنید.
- می توانید از کلوین به جای درجه سانتیگراد استفاده کنید زیرا اختلاف دما برای هر دو واحد یکسان است (گرم کردن چیزی با 3 درجه سانتی گراد برابر با گرم کردن 3 کلوین است). از فارنهایت استفاده نکنید ، در غیر این صورت نتایج شما به ژول نخواهد بود.
مرحله 3. دمای اولیه جسم را پیدا کنید
اگر جسم مایع است ، می توانید از دماسنج جیوه استفاده کنید. برای برخی موارد ، ممکن است به دماسنج پروب نیاز داشته باشید.
مرحله 4. جسم را گرم کرده و دوباره دما را اندازه بگیرید
با این کار میزان حرارت جسم در حین گرمایش اندازه گیری می شود.
اگر می خواهید مقدار کل انرژی ذخیره شده به عنوان گرما را اندازه گیری کنید ، می توانید دمای اولیه را صفر مطلق فرض کنید: 0 کلوین یا -273.15 درجه سانتی گراد. این خیلی مفید نیست
مرحله 5. دمای اولیه را از دمای گرمایش کم کنید
این کاهش منجر به تغییر درجه حرارت در جسم می شود. با فرض اینکه آب قبلاً 15 درجه سانتیگراد بوده و تا 35 درجه سانتیگراد گرم شده باشد ، دما به 20 درجه سانتیگراد تغییر می کند.
مرحله 6. جرم جسم را در گرمای خاص آن و در مقدار تغییر دما ضرب کنید
فرمول Q = mc T نوشته شده است ، جایی که T تغییر دما است. برای این مثال ، 500 گرم در 4 ، 19 در 20 یا 41.900 ژول خواهد بود.
گرما بیشتر در سیستم متریک کالری یا کیلو کالری نوشته می شود. کالری عبارت است از میزان گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای 1 گرم آب 1 درجه سانتیگراد ، در حالی که کیلو کالری مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای 1 کیلوگرم آب به میزان 1 درجه سانتیگراد است. در مثال بالا ، افزایش دمای 500 گرم آب تا 20 درجه سانتیگراد باعث مصرف 10000 کالری یا 10 کیلو کالری می شود
روش 5 از 5: محاسبه ژول به عنوان انرژی الکتریکی
مرحله 1. برای محاسبه جریان انرژی در یک مدار الکتریکی از مراحل زیر استفاده کنید
مراحل زیر به عنوان مثال های کاربردی ذکر شده است ، اما می توانید از این روش برای درک مسائل فیزیک نوشتاری نیز استفاده کنید. ابتدا ، قدرت P را با استفاده از فرمول P = I محاسبه می کنیم2 x R ، جایی که من جریان در آمپر و R مقاومت در اهم است. این واحدها توان را برحسب وات تولید می کنند ، بنابراین از اینجا می توانیم از فرمول مرحله قبل برای محاسبه انرژی در ژول استفاده کنیم.
مرحله 2. یک مقاومت را انتخاب کنید
اندازه گیری مقاومت ها با اهم انجام می شود و اندازه ها مستقیماً نوشته شده یا با مجموعه ای از خطوط رنگی نشان داده می شوند. همچنین می توانید مقاومت یک مقاومت را با اتصال آن به اهم متر یا مولتی متر آزمایش کنید. برای این مثال ، فرض می کنیم که مقاومت 10 اهم باشد.
مرحله 3. مقاومت را به منبع فعلی وصل کنید
می توانید سیم ها را با یک گیره Fahnestock یا تمساح به مقاومت وصل کنید ، یا می توانید مقاومت را به یک تخته تست وصل کنید.
مرحله 4. جریان جریان از طریق مدار برای یک فاصله زمانی مشخص
برای این مثال ، ما از فاصله 10 ثانیه استفاده می کنیم.
مرحله 5. قدرت فعلی را اندازه گیری کنید
این کار را با آمپرمتر یا مولتی متر انجام دهید. اکثر جریانهای خانگی بر حسب میلی آمپر یا هزاران آمپر اندازه گیری می شوند ، بنابراین ما فرض می کنیم که جریان 100 میلی آمپر یا 0.1 آمپر است.
مرحله 6. از فرمول P = I استفاده کنید2 x R.
برای یافتن قدرت ، مربع جریان را در مقاومت ضرب کنید. این امر منجر به خروجی توان بر حسب وات می شود. مربع 0.1 نتیجه 0.01 ، ضرب در 10 توان خروجی 0.1 وات یا 100 میلی وات را می دهد.
مرحله 7. قدرت را در زمان سپری شده ضرب کنید
این ضرب انرژی خروجی را به ژول می دهد. 0.1 وات در 10 ثانیه معادل 1 ژول انرژی الکتریکی است.
