Загрузить PDF
Загрузить PDF
Джоуль (Дж) – это одна из важнейших единиц измерения в Международной системе единиц (СИ). В джоулях измеряется работа, энергия и количество теплоты. Чтобы представить окончательный результат в джоулях, работайте с единицами измерения, принятыми в СИ. Если в задаче даны другие единицы измерения, конвертируйте их в единицы измерения из Международной системы единиц.
Шаги
-
Понятие работы в физике. Если вы передвинете коробку, то вы совершите работу. Если вы поднимите коробку, то вы совершите работу. Чтобы работа была выполнена, необходимо соблюдение двух условий: [1] X Источник информации
- Вы прикладываете постоянную силу.
- Под действием приложенной силы тело перемещается по направлению действия силы.
-
Вычислите работу. Для этого перемножьте силу и расстояние (на которое переместилось тело). В СИ сила измеряется в ньютонах, а расстояние в метрах. Если вы используете эти единицы, полученная работа будет измеряться в джоулях.
- При решении задач определите направление приложенной силы. Поднимая коробку, сила направлена снизу вверх, но если вы возьмете коробку в руки и пройдете некоторое расстояние, то вы не совершите работу – вы прикладываете силу, чтобы коробка не упала, но под действием этой силы коробка не перемещается. [2] X Источник информации
-
Найдите массу тела. Она необходима для вычисления силы, которую нужно приложить, чтобы переместить тело. Рассмотрим пример: вычислите работу, совершаемую спортсменом при подъеме (с пола до груди) штанги массой 10 кг.
- Если в задаче даны нестандартные единицы измерения, конвертируйте их в единицы измерения СИ.
-
Вычислите силу. Сила = масса х ускорение. В нашем примере учитываем ускорение свободного падения, которое равно 9,8 м/с 2 . Сила, которую нужно приложить, чтобы переместить штангу вверх, равна 10 (кг) х 9,8 (м/с 2 ) = 98 кг∙м/с 2 = 98 Н.
- Если тело перемещается в горизонтальной плоскости, не учитывайте ускорение свободного падения. Возможно, в задаче потребуют вычислить силу, необходимую для преодоления трения. Если ускорение в задаче дано, просто умножьте его на данную массу тела.
-
Измерьте пройденное расстояние. В нашем примере допустим, что штанга поднимается на высоту 1,5 м. (Если в задаче даны нестандартные единицы измерения, конвертируйте их в единицы измерения СИ.)
-
Умножьте силу на расстояние. Для того, чтобы поднять штангу массой 10 кг на высоту 1,5 м, спортсмен совершит работу, равную 98 х 1,5 = 147 Дж.
-
Вычислите работу, когда сила направлена под углом. Предыдущий пример был довольно прост: направления силы и движения тела совпадали. Но в некоторых случаях сила направлена под углом к направлению движения. Рассмотрим пример: вычислите работу, совершаемую ребенком, который тянет сани на расстояние 25 м за веревку, имеющую отклонение от горизонтали в 30º. В этом случае работа = сила х косинус (θ) х расстояние. Угол θ – это угол между направлением силы и направлением движения. [3] X Источник информации
-
Найдите общую приложенную силу. В нашем примере допустим, что ребенок прикладывает силу, равную 10 Н.
- Если в задаче сказано, что сила направлена вверх, или вправо/влево, или ее направление совпадает с направлением движения тела, то для вычисления работы просто перемножьте силу и расстояние.
-
Вычислите соответствующую силу. В нашем примере только некоторая часть от общей силы тянет сани вперед. Так как веревка направлена вверх (под углом к горизонтали), другая часть от общей силы пытается приподнять сани. Поэтому вычислите силу, направление которой совпадает с направлением движения.
- В нашем примере угол θ (между землей и веревкой) равен 30º.
- cosθ = cos30º = (√3)/2 = 0,866. Найдите это значение при помощи калькулятора; в качестве единицы измерения угла в калькуляторе установите градусы.
- Умножьте общую силу на cosθ. В нашем примере: 10 х 0,866 = 8,66 Н – это сила, направление которой совпадает с направлением движения.
-
Умножьте соответствующую силу на расстояние, чтобы вычислить работу. В нашем примере: 8,66 (Н) х 20 (м) = 173,2 Дж.Реклама
-
Мощность и энергия. Мощность измеряется в ваттах (Вт) и характеризует скорость изменения, преобразования, передачи или потребления энергии, которая измеряется в джоулях (Дж). Чтобы вычислить энергию (Дж) по данной мощности (Вт), необходимо знать отрезок времени.
-
Для вычисления энергии (Дж) умножьте мощность (Вт) на время (с). Устройство, мощность которого равна 1 Вт, потребляет 1 Дж энергии за каждую 1 с. Например, вычислим энергию, потребляемую лампочкой мощностью 60 Вт в течение 120 секунд: 60 (Вт) х 120 (с) = 7200 Дж [4] X Источник информации
- Эта формула верна для любой мощности, измеренной в ваттах, но чаще всего применяется в задачах с участием электричества.
Реклама
-
Кинетическая энергия – это энергия движения. Она может быть выражена в джоулях (Дж).
- Кинетическая энергия эквивалентна работе, совершенной для ускорения неподвижного тела до определенной скорости. Достигнув определенной скорости, кинетическая энергия тела остается постоянной до тех пор, пока не преобразуется в тепло (от трения), гравитационную потенциальную энергию (при движении против силы тяжести) или другие виды энергии.
-
Найдите массу тела. Например, вычислите кинетическую энергию велосипеда и велосипедиста. Масса велосипедиста равна 50 кг, а масса велосипеда равна 20 кг, то есть общая масса тела равна 70 кг (рассматривайте велосипед и велосипедиста как единое тело, так как они будут двигаться в одном направлении и с одной скоростью).
-
Вычислите скорость. Если скорость дана в задаче, перейдите к следующему шагу; в противном случае вычислите ее одним из способов, указанных ниже. Обратите внимание, что здесь направлением скорости можно пренебречь; более того, предположим, что велосипедист едет строго по прямой.
- Если велосипедист ехал с постоянной скоростью (без ускорения), измерьте пройденное расстояние (м) и разделите его на время (с), затраченное на прохождение этого расстояния. Так вы получите среднюю скорость.
- Если велосипедист ускорялся, а значение ускорения и направление движения не менялись, то скорость в данный момент времени t вычисляется по формуле: ускорение х t + начальная скорость. Время измеряется в секундах, скорость в м/с, ускорение в м/с 2 .
-
Подставьте значения в формулу. Кинетическая энергия = (1/2)mv 2 , где m – масса, v – скорость. Например, если скорость велосипедиста равна 15 м/с, то его кинетическая энергия K = (1/2)(70 кг)(15 м/с) 2 = (1/2)(70 кг)(15 м/с)(15 м/с) = 7875 кг∙м 2 /с 2 = 7875 Н∙м = 7875 Дж
- Формула для вычисления кинетической энергии выводится из определения работы (W = FΔs) и кинематического уравнения (v 2 = v 0 2 + 2aΔs, где Δs – пройденное расстояние). [5] X Источник информации
Реклама
-
Найдите массу нагретого тела. Для этого используйте балансовые или пружинные весы. Если тело – это жидкость, сначала взвесьте пустой контейнер (в который выльете жидкость), чтобы найти его массу. Взвесив жидкость, вычтите из полученного значения массу пустого контейнера, чтобы найти массу жидкости. Например, рассмотрим воду массой 500 г.
- Чтобы результат измерялся в джоулях, масса должна измеряться в граммах.
-
Найдите удельную теплоемкость тела. Ее можно найти в учебнике по химии, физике или в интернете. Удельная теплоемкость воды равна 4,19 Дж/г. [6] X Источник информации
- Удельная теплоемкость немного меняется с изменением температуры и давления. Например, в некоторых источниках удельная теплоемкость воды равна 4,18 Дж/г (так как разные источники выбирают различные значения «эталонной температуры»).
- Температура может измеряться в градусах по Кельвину или Цельсию (так как разность двух значений температур будет одинаковой), но не в градусах по Фаренгейту.
-
Найдите начальную температуру тела. Если тело – это жидкость, воспользуйтесь термометром.
-
Нагрейте тело и найдите его конечную температуру. Так вы сможете найти количество теплоты, переданной телу при его нагревании.
- Если вы хотите найти общую энергию, преобразованную в тепло, считайте, что начальная температура тела равна абсолютному нулю (0 по Кельвину или -273,15 по Цельсию). Обычно это не применяется.
-
Вычтите начальную температуру тела из конечной температуры, чтобы найти изменение температуры тела. Например, воду нагревают с 15 градусов по Цельсию до 35 градусов по Цельсию, то есть изменение температуры воды равно 20 градусам по Цельсию.
-
Перемножьте массу тела, его удельную теплоемкость и изменение температуры тела. Формула: H = mcΔT, где ΔT – это изменение температуры. В нашем примере: 500 х 4,19 х 20 = 41,900 Дж
- Количество теплоты иногда измеряется в калориях или килокалориях. Калории – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды на 1 градус по Цельсию; килокалории – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1 градус по Цельсию. В приведенном выше примере для повышения температуры 500 г воды на 20 градусов по Цельсию потребуется 10000 калорий или 10 ккал.
Реклама
-
Здесь описывается способ вычисления потока энергии в электрической цепи. Приводится практический пример, на основе которого можно решать физические задачи. Для начала вычислим мощность по формуле P = I 2 x R, где I – сила тока (А), R –сопротивление (Ом). [7] X Источник информации Вы найдете мощность (Вт), при помощи которой можно вычислить энергию (Дж) (смотрите вторую главу).
-
Возьмите резистор. Значение сопротивления (Ом) резистора обозначается числом или маркировкой в виде цветной полосы. Вы также можете определить сопротивление резистора, подключив его к омметру или мультиметру. Например, возьмем резистор с сопротивлением 10 Ом.
-
Подключите резистор к источнику тока. Для этого используйте зажимы «крокодил» или экспериментальный стенд с электрической цепью.
-
В течение определенного времени через цепь пропускайте ток. Например, делайте это в течение 10 с.
-
Определите силу тока. Для этого воспользуйтесь амперметром или мультиметром. Например, сила тока равна 100 мА = 0,1 А.
-
Вычислите мощность (Вт) по формуле P = I 2 x R. В нашем примере: Р = 0,1 2 х 10 = 0,01 х 10 = 0,1 Вт = 100 мВт
-
Перемножьте мощность и время, чтобы найти энергию (Дж). В нашем примере: 0,1 (Вт) х 10 (с) = 1 Дж.
- Так как 1 джоуль – это небольшое значение, а мощность электроприборов указывается в ваттах, милливаттах и киловаттах, то в жилищно-коммунальной сфере энергию обычно измеряют в киловатт-часах. Если 1 Вт = 1 Дж/с, то 1 Дж = 1 Вт∙с; если 1 кВт = 1 кДж/с, то 1 кДж = 1 кВт∙с. Так как 1 ч = 3600 с, то 1 кВт∙ч = 3600 кВт∙с = 3600 кДж = 3600000 Дж.
Реклама
Советы
- В СИ энергия и работа также измеряется в эргах. 1 эрг = 1 дина (единица измерения силы) х 1 см. 1 Дж = 10000000 эрг.
Реклама
Предупреждения
- Джоуль и ньютон-метр – это единицы измерения работы. В джоулях измеряют энергию и работу, совершенную при движении тела по прямой. Если же тело вращается, применяется единица измерения ньютон-метр.
Реклама
Что вам понадобится
Работа и кинетическая энергия:
- Секундомер или таймер
- Весы
- Калькулятор с функцией косинуса
Электрическая энергия:
- Резистор
- Провода или экспериментальный стенд
- Мультиметр (или омметр и амперметр)
- Зажимы «крокодил»
Количество теплоты:
- Нагреваемое тело
- Источник тепла (например, горелка)
- Термометр
- Справочник для определения удельной теплоемкости нагреваемого тела
Источники
- ↑ 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://electronicsclub.info/power.htm
- ↑ http://physics.info/energy-kinetic/
- ↑ http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermal-properties-d_162.html
- ↑ http://electronicsclub.info/power.htm
- http://www.mhi-inc.com/Converter/watt_calculator.htm
- [ http://electronicsclub.info/power.htm
Реклама
