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Nach dem englischen Physiker James Edward Joule benannt, ist das Joule (J) einer der Eckpfeiler in den Einheiten des internationalen metrischen Systems. Das Joule wird als Einheit für Arbeit, Energie und Wärme verwendet und ist weit verbreitet in wissenschaftlichen Anwendungen. Wenn du möchtest, dass dein Ergebnis in Joules ist, achte immer darauf, dass du wissenschaftliche Standardeinheiten verwendest. "Foot Pound" oder die "Britische Wärmeeinheit" werden in manchen Bereichen noch genutzt, haben aber in deinen Physikhausaufgaben keinen Platz.
Vorgehensweise
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Verstehe die Definition von Arbeit. Arbeit wird definiert als die Anwendung einer konstanten Kraft, um ein Objekt eine bestimmte Entfernung zu bewegen. [1] X Forschungsquelle Wenn nur eine Kraft ausgeübt wird, kann dies als "Kraft x Entfernung" berechnet und in der Einheit Joules geschrieben werden (entsprechend einem "Newtonmeter"). Für unser erstes Beispiel nehmen wir eine Person, die ein Gewicht vom Boden an ihre Brust hochhebt, und berechnen, wie viel Arbeit diese Person auf das Gewicht ausübt.
- Die Kraft muss in Richtung der Bewegung ausgeübt werden. Das Halten eines Objekts und damit nach vorne Laufen erfordert keine Arbeit auf das Objekt, da du das Objekt nicht in die Richtung seiner Bewegung schiebst. [2] X Forschungsquelle
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Finde die Masse des bewegten Objekts. Die Masse eines Objekts ist erforderlich, um die Kraft zu berechnen, die notwendig ist, um es zu bewegen. Nehmen wir an, in unserem Beispiel hat das Gewicht eine Masse von 10 Kilogramm (kg).
- Vermeide die Verwendung von Pfund oder anderen nicht-standardisierten Einheiten, sonst ist dein Ergebnis nicht in Joules.
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Berechne die Kraft. Kraft = Masse x Beschleunigung. In unserem Beispiel, dem geraden Anheben eines Gewichts, bekämpfen wir aufgrund der Gravitation die Beschleunigung, welche das Objekt unter normalen Umständen um 9,8 Meter/ Sekunde 2 nach unten bewegt. Berechne die Kraft, die benötigt wird, um unser Gewicht nach oben zu bewegen, indem du (10 kg) mit (9,8 m/s 2 ) multiplizierst. Das Ergebnis ist 98 kg m/s 2 = 98 Newton (N).
- Wenn das Objekt horizontal bewegt wird, ist die Schwerkraft nicht relevant. Die Aufgabe könnte sein, dass du stattdessen die Kraft berechnest, die erforderlich ist, um die Reibung zu überwinden. Wenn die Aufgabe angibt, wie schnell das Objekt beschleunigt, wenn es geschoben wird, dann kannst du die angegebene Beschleunigung mit der Masse multiplizieren.
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Miss die Distanz. Nehmen wir in diesem Beispiel an, das Gewicht wird 1,5 Meter (m) gehoben. Die Entfernung muss in Metern gemessen werden, sonst wird das Ergebnis nicht in Joules geschrieben.
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Mutipliziere die Kraft mit der Entfernung. Um ein Gewicht von 98 Newton 1,5 m nach oben zu heben, musst du eine Arbeit von 98 x 1,5 = 147 Joules ausüben.
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Berechne die Arbeit für Objekte, die sich in einem Winkel bewegen. Unser Beispiel oben war einfach: jemand hat eine Kraft nach oben auf das Objekt ausgeübt und das Objekt hat sich nach oben bewegt. Manchmal sind die Richtung der Kraft und der Bewegung des Objekts nicht genau gleich, da mehrere Kräfte auf das Objekt wirken. Im nächsten Beispiel berechnen wir die benötigte Joule-Anzahl, die ein Kind aufwenden muss, um einen Schlitten 25 m über flachen Schnee zu ziehen, indem es an einem Seil zeiht, das in einem 30 Gradwinkel nach oben abgewinkelt ist. In diesem Szenario ist Arbeit = Kraft x Cosinus(θ) x Entfernung. Das Symbol θ ist der griechische Buchstabe "Theta", der den Winkel zwischen der Richtung der Kraft und der Richtung der Bewegung beschreibt. [3] X Forschungsquelle
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Finde die ausgeübte Gesamtkaft. Nehmen wir für diese Aufgabe an, das Kind zieht mit einer Kraft von 10 Newton am Seil.
- Wenn die Aufgabe dir die "Kraft nach rechts", "Kraft nach oben" oder "Kraft in Richtung der Bewegung" angibt, wurde der Teil "Kraft x cos(θ)" der Aufgabe bereits berechnet und du kannst zum Multiplizieren der Werte übergehen.
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Berechne die relevante Kraft. Nur ein Teil der Kraft zieht den Schlitten vorwärts. Da das Seil in einem Winkel nach oben ist, versucht der Rest der Kraft, den Schlitten nach oben zu reißen und unnötig gegen die Schwerkraft zu ziehen. Berechne die Kraft, die in Bewegungsrichtung ausgeübt wird:
- In unserem Beispiel ist der Winkel θ zwischen dem flachen Schnee und dem Seil 30º.
- Berechne cos(θ). Cos(30º) = (√3)/2 = rund 0,866. Du kannst einen Taschenrechner benutzen, um auf diesen Wert zu kommen, aber achte darauf, dass dein Taschenrechner auf die gleiche Einheit eingestellt ist wie dein Winkelmaß (Grad oder Radiant).
- Multipliziere die Gesamtkraft mit cos(θ). In unserem Beispiel 10N x 0,866 = 8,66 N Kraft in Bewegungsrichtung.
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Multipliziere Kraft mit Entfernung. Jetzt, wo wir wissen, welche Kraft tatsächlich in Bewegungsrichtung ausgeübt wird, können wir die Arbeit wie üblich berechnen. Unsere Aufgabe hat uns gesagt, dass sich der Schlitten 20 m nach vorne bewegt hat, berechne also 8,66 N x 20 m = 173,2 Joules Arbeit.Werbeanzeige
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Verstehe die Bewegungsenergie. Bewegungsenergie ist die Menge der Energie in Form von Bewegung. Wie alle Einheiten der Energie kann sie in der Einheit Joules ausgedrückt werden.
- Bewegungsenergie entspricht der Menge Arbeit, die aufgewendet wird, um einen stationären Gegenstand auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Wenn er diese Geschwindigkeit erreicht hat, behält dieser Gegenstand diese Menge Bewegungsenergie, bis diese Energie sich in Wärme (durch Reibung), Gravitationspotenzial-Energie (durch die Bewegung gegen die Schwerkraft) oder andere Arten von Energie umwandelt.
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Finde die Masse des Objekts heraus. Wir können z.B. die Bewegungsenergie eines Fahrrads und des Radfahrers messen. Nehmen wir an, der Radfahrer hat eine Masse von 50 kg und das Fahrrad hat eine Masse von 20 kg, dies ergibt die gesamte Masse m von 70 kg. Wir können beide nun als ein Objekt von 70 kg behandeln, da sie zusammen mit der gleichen Geschwindigkeit fahren.
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Berechne die Geschwindigkeit. Wenn du die Geschwindigkeit des Radfahrers bereits kennst, schreibe sie einfach auf und mache weiter. Wenn du sie selbst berechnen musst, wende eine der Methoden unten an. Beachte, dass wir die Geschwindigkeit brauchen (nicht die Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung), auch wenn oft die Abkürzung v verwendet wird. Ignoriere alle Richtungswechsel des Fahrradfahrers und gehe davon aus, dass sich die gesamte gefahrene Distanz auf einer geraden Linie befindet.
- Wenn der Radfahrer sich in einem konstanten Verhältnis bewegt (nicht beschleunigt) hat, miss die Entfernung, die der Radfahrer in Metern zurückgelegt hat, und teile diese durch die Anzahl der Sekunden, die er gebraucht hat, um diese Entfernung zurückzulegen. Dadurch bekommst du die Durchschnittsgeschwindigkeit, welche in diesem Szenario zu jedem gegebenen Moment die gleiche ist.
- Wenn der Radfahrer mit einer konstanten Beschleunigung beschleunigt und nicht die Richtung wechselt, berechne seine Geschwindigkeit zur Zeit t mit der Formel "Geschwindigkeit zur Zeit t = (Beschleunigung)( t ) + Anfangsgeschwindigkeit. Miss die Zeit in Sekunden, die Geschwindigkeit in Meter/ Sekunde und die Beschleunigung in m/s 2 .
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Gib diese Zahlen in die folgende Formel ein. Bewegungsenergie = (1/2)mv 2 . Wenn der Radler z.B. mit 15 m/s fährt, hat er eine Bewegungsenergie K von (1/2)(70 kg)(15 m/s) 2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7.875 kgm 2 /s 2 = 7.875 Newtonmeter = 7.875 Joules.
- Die Formel für die Bewegungsenergie kann abgeleitet werden von der Definition der Arbeit: W = FΔs und der kinetischen Gleichung v 2 = v 0 2 + 2aΔs. [4] X Forschungsquelle Δs bezieht sich auf "Veränderung der Position" oder die zurückgelegte Strecke.
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Berechne die aufgewendete Energie als Kraft x Zeit. Kraft wird als Energie pro Sekunde definiert, wir können sie also wieder in Energie zurückwandeln, indem wir Kraft mit Zeit multiplizieren. Dies ist besonders hilfreich, wenn wir die Kraft in Watt messen, da 1 Watt = 1 Joule/ Sekunde ist. Um herauszufinden, wie viel Energie eine Glühbirne mit 60 W in 120 Sekunden verbraucht, multipliziere einfach (60 Watt) mit (120 Sekunden) = 7.200 Joules. [5] X Forschungsquelle
- Diese Formel funktioniert für jede Form von Kraft in Watt, aber Elektrizität ist die häufigste Anwendung.
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Berechne mit den Schritten unten den Energiefluss in einen Stromkreislauf. Die Schritte unten sind als praktisches Beispiel geschrieben, aber du kannst diese Methode anwenden, um auch schriftliche Physikaufgaben zu verstehen. Zuerst berechnen wir die Leistung P mit der Formel P = I 2 x R, wobei I der Strom in Ampere (A) ist und R der Widerstand in Ohm. [6] X Forschungsquelle Diese Einheiten geben uns die Leistung in Watt, von hier aus können wir also die Formel im vorherigen Schritt verwenden, um die Energie in Joules zu berechnen.
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Wähle einen elektrischen Widerstand. Elektrische Widerstände werden in Ohm gemessen, der Wert steht entweder direkt darauf oder wird durch eine Reihe farbiger Bänder angegeben. Du kannst auch den Widerstand eines elektrischen Widerstands testen, indem du ihn an einen Widerstandsmesser oder einen Multimeter anschließt. In diesem Beispiel nehmen wir an, dass der elektrische Widerstand einen Wert von 10 Ohm hat.
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Schließe den Widerstand an eine Stromquelle an. Schließe entweder mit Fahnestock- oder Krokodilklemmen Kabel an den Widerstand an oder stecke den Widerstand in eine Testplatine.
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Lasse eine bestimmte Zeit Strom durch den Stromkreislauf laufen. In diesem Beispiel nehmen wir einen Zeitraum von 10 Sekunden.
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Miss die Stärke des Stroms. Mache dies mit einem Strommesser oder einem Multimeter. Der Strom in den meisten Haushalten ist in Milliampere oder Tausendstel Ampere, wir nehmen also an, der Strom hat 100 Milliampere oder 0,1 Ampere.
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Wende die Formel P = I 2 x R an. Um die Leistung herauszufinden, multipliziere das Quadrat des Stroms mit dem Widerstand. Dies ergibt die Leistungsabgabe in Watt. Das Quadrat von 0,1 ergibt 0,01, multipliziert mit 10 ergibt dies eine Leistungsabgabe von 0,1 Watt oder 100 Milliwatt.
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Multipliziere die Leistung mit der verstrichenen Zeit. Dies ergibt die Leistungsabgabe in Joules. 0,1 Watt x 10 Sekunden ist gleich 1 Joule elektrische Energie.
- Da Joules kleine Einheiten sind und weil auf Geräten der Stromverbrauch normalerweise in Watt, Milliwatt und Kilowatt angegeben wird, wird die Leistungsabgabe üblicherweise in Kilowatt/ Stunde gemessen. 1 Watt entspricht 1 Joule/ Sekunde und 1 Joule entspricht 1 Watt/ Sekunde; 1 Kilowatt entspricht 1 Kilojoules/ Sekunde und ein Kilojoule entspricht 1 Kilowatt/ Sekunde. Da eine Stunde 3.600 Sekunden enthält, entspricht 1 Kilowattstunde 3.600 Kilowattsekunden, 3.600 Kilojoules oder 3.600.000 Joules.
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Finde die Masse des erwärmten Objekts. Verwende dafür eine Waage oder Federwaage. Wenn das Objekt eine Flüssigkeit ist, wiege zuerst den leeren Behälter, in den die Flüssigkeit kommt, und finde seine Masse heraus. Du musst diese zuerst von der Masse des Behälters mit der Flüssigkeit abziehen, um die Masse der Flüssigkeit herauszufinden. In diesem Beispiel nehmen wir an, dass das Objekt 500 Gramm Wasser ist.
- Verwende Gramm, keine andere Einheit, sonst ist das Ergebnis nicht in Joules.
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Finde die jeweilige Wärmekapazität des Objekts. Diese Information kannst du in einer Chemie-Referenz finden, entweder in einem Buch oder im Internet. Bei Wasser ist die spezifische Wärmekapazität c 4,19 Joules pro Gramm für jedes Grad Celsius, um das es erwärmt wird – oder 4,1855, wenn du sehr genau sein musst. [7] X Forschungsquelle
- Die spezifische Wärmekapazität weicht tatsächlich abhängig von Temperatur und Druck etwas ab. Verschiedene Organisationen und Textbücher verwenden verschiedene "Standardtemperaturen", du kannst also die spezifische Wärmekapazität von Wasser auch als 4,179 sehen.
- Du kannst statt Celsius Kelvin verwenden, da ein Temperaturunterschied in beiden Einheiten gleich ist (etwas um 3 °C zu erwärmen ist das Gleiche wie das Erwärmen um 3 Kelvin). Verwende nicht Fahrenheit, sonst ist dein Ergebnis nicht in Joules.
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Finde die aktuelle Temperatur des Objekts heraus. Wenn das Objekt eine Flüssigkeit ist, kannst du ein Kugelthermometer nehmen. Bei manchen Objekten brauchst du vielleicht ein Thermometer mit Fühler.
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Erwärme das Objekt und miss die Temperatur erneut. Damit kannst du messen, wie viel Wärme dem Objekt während des Erwärmens hinzugefügt wurde.
- Wenn du die gesamte als Wärme gespeicherte Energie messen willst, kannst du annehmen, dass die ursprüngliche Temperatur der absolute Nullpunkt war: 0 Kelvin oder -273,15 ºC.
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Ziehe die ursprüngliche Temperatur von der erwärmten Temperatur ab. Dies ergibt die Gradanzahl des Temperaturwechsels des Objekts. Angenommen, das Wasser hatte ursprünglich 15 Grad Celsius und wurde auf 35 Grad Celsius erwärmt, wäre die Temperaturveränderung 20 Grad Celsius.
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Multipliziere die Masse des Objekts mit seiner spezifischen Wärmekapazität und dem Temperaturunterschied. Diese Formel lautet: H = mc Δ T , wobei ΔT für die "Temperaturveränderung" steht. In diesem Beispiel wäre dies 500g x 4,19 x 20 oder 41.900 Joules.
- Wärme wird im metrischen System häufiger entweder als Kalorien oder Kilokalorien bezeichnet. Eine Kalorie wird definiert als die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen, während eine Kilokalorie (= 1.000 Kalorien) die Menge an Wärme ist, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Kilogramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen. Im Beispiel oben würde das Erwärmen von 500 Gramm Wasser um 20 Grad Celsius 10.000 Kalorien oder 10 Kilokalorien verbrauchen.
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Tipps
- In Bezug auf Joules gibt es eine weitere metrische Arbeits- und Energieeinheit namens Erg; 1 Erg entspricht 1 Dyn Kraft mal einer Entfernung von 1 cm. 1 Joule entspricht 10.000.000 Ergs.
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Warnungen
- Auch wenn die Begriffe "Joule" und "Newtonmeter" die gleiche Einheit beschreiben, wird "Joule" in der Praxis verwendet, wenn irgendeine Form von Energie und Arbeit in einer direkten Linie repräsentiert wird, wie im Beispiel oben. "Newtonmeter" wird bevorzugt, wenn ein Drehmoment, die Anwendung von Kraft beim Drehen eines Objekts, gemessen wird.
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Was du brauchst
Arbeit oder Bewegungsenergie:
- Stoppuhr
- Waage
- Taschenrechner mit Cosinus-Funktion (nur für Arbeit, nicht immer benötigt)
Berechnen von elektrischer Energie:
- Widerstand
- Kabel oder Testplatte
- Multimeter (oder Messgerät für Ohm und Ampere)
- Fahnestock oder Krokodilklemmen
Wärme:
- Objekt zum Erwärmen
- Wärmequelle (z.B. einen Bunsenbrenner)
- Thermometer
- Chemiebuch (zum Herausfinden der jeweiligen Wärmekapazität des erwärmten Objekts)
Referenzen
- ↑ http://education-portal.com/academy/lesson/work-definition-characteristics-and-examples.html
- ↑ http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1a.cfm#waiter
- ↑ http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1a.cfm
- ↑ http://physics.info/energy-kinetic/
- ↑ http://electronicsclub.info/power.htm
- ↑ http://electronicsclub.info/power.htm
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html
- http://www.mhi-inc.com/Converter/watt_calculator.htm
- [ http://electronicsclub.info/power.htm
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