Nommé d'après le physicien britannique James Edward Joule, le joule (J) est l'une des unités de base du système métrique international. Le joule est utilisé comme unité de travail, d'énergie et de chaleur et est largement utilisé dans les applications scientifiques. Si vous voulez votre réponse en joules, assurez-vous toujours d'utiliser des unités scientifiques standard. Le pied-livre ou unité britannique de chaleur (BTU) est encore utilisé dans certains domaines, mais pas dans vos devoirs de physique.
Étape
Méthode 1 sur 5: Calcul du travail en Joules
Étape 1. Comprendre le travail en physique
Si vous poussez une boîte dans une pièce, vous avez fait un effort. Si vous soulevez la boîte, vous avez également fait un effort. Il y a deux critères importants qui doivent exister dans le « business »:
- Vous fournissez un style stable.
- Cette force fait bouger les objets dans la même direction que la force.
Étape 2. Comprendre la définition de l'entreprise
L'effort est facile à calculer. Il suffit de multiplier la force et la distance totale parcourue par l'objet. Habituellement, les scientifiques expriment la force en Newtons et la distance en mètres. Si vous utilisez ces deux unités, l'unité de travail résultante est le Joules.
Chaque fois que vous lisez une question sur les affaires, arrêtez-vous et réfléchissez au style. Si vous soulevez la boîte, vous la poussez vers le haut pour que la boîte se déplace vers le haut. Ainsi, la distance parcourue par la boîte correspond à sa hauteur. Cependant, la prochaine fois que vous avancez avec la boîte, aucun effort n'est fait dans ce processus. Même si vous poussez toujours la boîte vers le haut pour l'empêcher de tomber, elle ne monte plus
Étape 3. Trouvez la masse de l'objet déplacé
La masse d'un objet est nécessaire pour calculer la force nécessaire pour le déplacer. Dans notre exemple, supposons que la charge a une masse de 10 kilogrammes (kg).
Évitez d'utiliser des livres ou d'autres unités non standard, ou votre réponse finale ne sera pas en joules
Étape 4. Calculez le style
Force = masse x accélération. Dans notre exemple, en soulevant le poids vers le haut, l'accélération que nous exerçons est due à la gravité, qui, dans des circonstances normales, accélère l'objet vers le bas à 9,8 mètres/sec.2. Calculer la force nécessaire pour déplacer notre charge vers le haut en multipliant (10 kg) x (9,8 m/s2) = 98 kg m/s2 = 98 newtons (N).
Si l'objet est déplacé horizontalement, la gravité n'a aucun effet. Le problème peut vous demander de calculer la force requise pour résister au frottement. Si le problème vous indique l'accélération d'un objet lorsqu'il est poussé, vous pouvez multiplier l'accélération connue par sa masse
Étape 5. Mesurez le déplacement parcouru
Pour cet exemple, supposons qu'une charge soit levée à une hauteur de 1,5 mètre (m). Le déplacement doit être mesuré en mètres, ou votre réponse finale ne sera pas en joules.
Étape 6. Multipliez la force par le déplacement
Pour soulever un poids de 98 newtons à 1,5 mètre de haut, il faut faire 98 x 1,5 = 147 joules de travail.
Étape 7. Calculez le travail effectué pour déplacer l'objet à un certain angle
Notre exemple ci-dessus est simple: quelqu'un exerce une force vers l'avant sur un objet, et l'objet avance. Parfois, la direction de la force et le mouvement de l'objet ne sont pas les mêmes, car plusieurs forces agissent sur l'objet. Dans l'exemple suivant, nous calculerons le nombre de joules nécessaires à un enfant pour tirer un traîneau de 25 mètres dans la neige plate en tirant la corde à un angle de 30º. Pour ce problème, travail = force x cosinus(θ) x déplacement. Le symbole est la lettre grecque theta, et décrit l'angle entre la direction de la force et la direction du mouvement.
Étape 8. Trouvez la force totale appliquée
Pour ce problème, supposons qu'un enfant tire une corde avec une force de 10 newtons.
Si le problème exerce une force vers la droite, une force vers le haut ou une force dans la direction du mouvement, alors ces forces représentent déjà la partie x cosinus (θ) de la force, et vous pouvez aller de l'avant et continuer à multiplier les valeurs
Étape 9. Calculez la force correspondante
Seuls quelques styles tirent le traîneau vers l'avant. Alors que la corde pointe vers le haut, une autre force essaie de la tirer vers le haut, la tirant contre la gravité. Calculer la force exercée dans le sens du mouvement:
- Dans notre exemple, l'angle entre la neige plate et la corde est de 30º.
- Calculer cos(θ). cos(30º) = (√3)/2 = environ 0,866. Vous pouvez utiliser une calculatrice pour trouver cette valeur, mais assurez-vous que votre calculatrice utilise les mêmes unités que votre mesure d'angle (degrés ou radians).
- Multipliez la force totale x cos(θ). Dans notre exemple, 10 N x 0,866 = 8,66 forces dans le sens du mouvement.
Étape 10. Multipliez la force x le déplacement
Maintenant que nous connaissons la force qui avance dans la direction du mouvement, nous pouvons calculer le travail comme d'habitude. Notre problème nous dit que le traîneau avance de 20 mètres, donc calculez 8,66 N x 20 m = 173,2 joules de travail.
Méthode 2 sur 5: Calcul des Joules à partir des Watts
Étape 1. Comprendre la puissance et l'énergie
Le watt est une unité de puissance ou de taux d'utilisation d'énergie (énergie divisée par le temps). Alors que Joule est une unité d'énergie. Pour convertir les Watts en Joules, vous devez déterminer l'heure. Plus le courant électrique circule longtemps, plus l'énergie utilisée est importante.
Étape 2. Multipliez les watts par les secondes pour obtenir les joules
Un appareil de 1 watt consommera 1 joule d'énergie toutes les 1 seconde. Si vous multipliez le nombre de Watts par des secondes, vous obtiendrez des Joules. Pour savoir combien d'énergie une lampe de 60W consomme en 120 secondes, il suffit de multiplier 60 watts x 120 secondes = 7 200 Joules.
Cette formule peut être utilisée pour toute puissance exprimée en Watts, mais généralement en électricité
Méthode 3 sur 5: Calcul de l'énergie cinétique en joules
Étape 1. Comprendre l'énergie cinétique
L'énergie cinétique est la quantité d'énergie sous forme de mouvement. Comme les autres unités d'énergie, l'énergie cinétique peut être écrite en joules.
L'énergie cinétique est égale à la quantité de travail effectué pour accélérer un objet statique à une certaine vitesse. Une fois que l'objet atteint cette vitesse, l'objet maintiendra une certaine quantité d'énergie cinétique jusqu'à ce que l'énergie se transforme en chaleur (par friction), en énergie potentielle gravitationnelle (en se déplaçant contre la gravité) ou en d'autres types d'énergie
Étape 2. Trouvez la masse de l'objet
Par exemple, nous mesurons l'énergie cinétique d'un vélo et d'un cycliste. Par exemple, le cycliste a une masse de 50 kg, et son vélo a une masse de 20 kg, pour une masse totale m de 70 kg. Maintenant, nous considérons les deux comme un seul objet avec une masse de 70 kg car ils se déplaceront tous les deux à la même vitesse.
Étape 3. Calculez la vitesse
Si vous connaissez déjà la vitesse ou la vitesse du cycliste, notez-la simplement et continuez. Si vous devez calculer la vitesse, utilisez l'une des méthodes ci-dessous. Notez que nous recherchons la vitesse, pas la vitesse (qui est la vitesse dans une direction donnée), bien que l'abréviation v soit souvent utilisée. Ignorez les virages effectués par le cycliste et supposez que toute la distance est parcourue en ligne droite.
- Si le cycliste se déplace à une vitesse constante (sans accélérer), mesurez la distance parcourue par le cycliste en mètres et divisez par le nombre de secondes qu'il faudra pour parcourir cette distance. Ce calcul donnera la vitesse moyenne, qui dans ce cas est égale à la vitesse instantanée.
- Si le cycliste subit une accélération constante et ne change pas de direction, calculez sa vitesse à l'instant t en utilisant la formule vitesse à l'instant t = (accélération)(t) + vitesse initiale. Utilisez la seconde pour mesurer le temps, le mètre/seconde pour mesurer la vitesse et m/s2 pour mesurer l'accélération.
Étape 4. Insérez ces nombres dans la formule suivante
Énergie cinétique = (1/2) m v 2. Par exemple, si un cycliste se déplace à une vitesse de 15 m/s, son énergie cinétique EK = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 kg)(15 m/s)(15 m/s) = 7875 kgm2/s2 = 7875 newtons mètres = 7875 joules.
La formule de l'énergie cinétique peut être dérivée de la définition du travail, W = FΔs, et de l'équation cinématique v2 = v02 + 2aΔs. s représente un changement de position ou de distance parcourue.
Méthode 4 sur 5: Calcul de la chaleur en Joules
Étape 1. Trouvez la masse de l'objet chauffé
Utilisez une balance ou une balance à ressort pour le mesurer. Si l'objet est un liquide, mesurez d'abord le récipient vide dans lequel se trouve le liquide et trouvez sa masse. Vous devez le soustraire de la masse du récipient plus le liquide pour trouver la masse du liquide. Pour cet exemple, disons que l'objet contient 500 grammes d'eau.
Utilisez des grammes, pas d'autres unités, ou le résultat ne sera pas des joules
Étape 2. Trouvez la chaleur spécifique de l'objet
Cette information peut être trouvée dans les références de chimie, à la fois sous forme de livre et en ligne. Pour l'eau, la chaleur spécifique de c est de 4,19 joules par gramme pour chaque degré Celsius qu'elle est chauffée - ou 4,1855, si vous avez besoin de la valeur exacte.
- La chaleur spécifique réelle varie légèrement en fonction de la température et de la pression. Différentes organisations et manuels utilisent différentes températures standard, vous pouvez donc voir la chaleur spécifique de l'eau répertoriée comme 4,179.
- Vous pouvez utiliser Kelvin au lieu de Celsius car la différence de température est la même pour les deux unités (chauffer quelque chose de 3 °C équivaut à chauffer de 3 Kelvin). N'utilisez pas Fahrenheit, ou vos résultats ne seront pas en joules.
Étape 3. Trouvez la température initiale de l'objet
Si l'objet est un liquide, vous pouvez utiliser un thermomètre à mercure. Pour certains articles, vous aurez peut-être besoin d'un thermomètre à sonde.
Étape 4. Chauffez l'objet et mesurez à nouveau la température
Cela mesurera le gain de chaleur de l'objet pendant le chauffage.
Si vous souhaitez mesurer la quantité totale d'énergie stockée sous forme de chaleur, vous pouvez supposer que la température initiale est le zéro absolu: 0 Kelvin ou -273,15 °C. Ce n'est pas très utile
Étape 5. Soustrayez la température initiale de la température de chauffage
Cette réduction entraînera un certain changement de température dans l'objet. En supposant que l'eau était auparavant de 15 degrés Celsius et chauffée à 35 degrés Celsius, la température passe à 20 degrés Celsius.
Étape 6. Multipliez la masse de l'objet par sa chaleur spécifique et par l'amplitude du changement de température
La formule s'écrit Q = mc T, où T est le changement de température. Pour cet exemple, ce serait 500 g x 4, 19 x 20 ou 41 900 joules.
La chaleur est plus souvent écrite dans le système métrique des calories ou des kilocalories. Une calorie est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'1 gramme d'eau de 1 degré Celsius, tandis qu'une kilocalorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'1 kilogramme d'eau de 1 degré Celsius. Dans l'exemple ci-dessus, augmenter la température de 500 grammes d'eau de 20 degrés Celsius utilisera jusqu'à 10 000 calories ou 10 kilocalories
Méthode 5 sur 5: Calcul des Joules en tant qu'énergie électrique
Étape 1. Utilisez les étapes ci-dessous pour calculer le flux d'énergie dans un circuit électrique
Les étapes ci-dessous sont répertoriées à titre d'exemples pratiques, mais vous pouvez également utiliser la méthode pour comprendre des problèmes de physique écrits. Tout d'abord, nous allons calculer la puissance P en utilisant la formule P = I2 x R, où I est le courant en ampères et R est la résistance en ohms. Ces unités produisent de la puissance en watts, donc à partir de là, nous pouvons utiliser la formule de l'étape précédente pour calculer l'énergie en joules.
Étape 2. Choisissez une résistance
Les résistances sont mesurées en ohms, avec des tailles écrites directement ou représentées par une collection de lignes colorées. Vous pouvez également tester la résistance d'une résistance en la connectant avec un ohmmètre ou un multimètre. Pour cet exemple, nous supposons que la résistance est de 10 ohms.
Étape 3. Connectez la résistance à la source de courant
Vous pouvez connecter les fils à la résistance avec un Fahnestock ou une pince crocodile, ou vous pouvez brancher la résistance sur une carte de test.
Étape 4. Faites circuler le courant dans le circuit pendant un certain intervalle de temps
Pour cet exemple, nous utiliserons un intervalle de 10 secondes.
Étape 5. Mesurez la force actuelle
Faites-le avec un ampèremètre ou un multimètre. La plupart des courants domestiques sont mesurés en milliampères, ou en milliers d'ampères, nous supposons donc que le courant est de 100 milliampères ou 0,1 ampère.
Étape 6. Utilisez la formule P = I2 x R.
Pour trouver la puissance, multipliez le carré du courant par la résistance. Il en résulte une puissance de sortie en watts. La quadrature de 0,1 donne un résultat de 0,01, multiplié par 10 donne une puissance de 0,1 watt ou 100 milliwatts.
Étape 7. Multipliez la puissance par le temps écoulé
Cette multiplication donne l'énergie produite en joules. 0,1 watt x 10 secondes équivaut à 1 joule d'énergie électrique.
