ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ James Edward Joule จูล (J) เป็นหนึ่งในหน่วยพื้นฐานของระบบเมตริกสากล จูลใช้เป็นหน่วยของงาน พลังงาน และความร้อน และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการประยุกต์ใช้ทางวิทยาศาสตร์ หากคุณต้องการคำตอบเป็นจูล โปรดใช้หน่วยวิทยาศาสตร์มาตรฐานเสมอ ยังคงใช้หน่วยฟุตปอนด์หรือหน่วยความร้อนอังกฤษ (BTU) ในบางสาขา แต่ไม่ใช่ในการบ้านฟิสิกส์ของคุณ
ขั้นตอน
วิธีที่ 1 จาก 5: การคำนวณงานเป็นจูล
ขั้นตอนที่ 1 เข้าใจการทำงานในวิชาฟิสิกส์
หากคุณผลักกล่องผ่านห้อง แสดงว่าคุณได้พยายามแล้ว หากคุณยกกล่องขึ้น แสดงว่าคุณได้พยายามแล้วเช่นกัน มีสองเกณฑ์สำคัญที่ต้องมีอยู่ใน "ธุรกิจ":
- คุณให้สไตล์ที่มั่นคง
- แรงนี้ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรง
ขั้นตอนที่ 2 ทำความเข้าใจกับคำจำกัดความของธุรกิจ
ความพยายามเป็นเรื่องง่ายในการคำนวณ เพียงคูณปริมาณแรงและระยะทางทั้งหมดที่วัตถุเดินทาง โดยปกติ นักวิทยาศาสตร์จะแสดงแรงเป็นนิวตันและระยะทางเป็นเมตร ถ้าคุณใช้ทั้งสองหน่วยนี้ หน่วยผลลัพธ์ที่ได้คือจูลส์
เมื่อใดก็ตามที่คุณอ่านคำถามเกี่ยวกับธุรกิจ ให้หยุดและคิดว่าสไตล์นั้นอยู่ที่ไหน ถ้าคุณยกกล่อง คุณต้องดันขึ้นเพื่อให้กล่องเลื่อนขึ้น ดังนั้น ระยะทางที่กล่องเคลื่อนที่คือความสูงที่กล่องเคลื่อนขึ้น อย่างไรก็ตาม ครั้งต่อไปที่คุณเดินไปข้างหน้าพร้อมกับกล่อง จะไม่มีความพยายามในกระบวนการนี้ แม้ว่าคุณจะยังคงดันกล่องขึ้นเพื่อป้องกันไม่ให้ล้ม มันจะไม่ขยับขึ้นอีกต่อไป
ขั้นตอนที่ 3 ค้นหามวลของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่
ต้องใช้มวลของวัตถุเพื่อคำนวณแรงที่ต้องใช้ในการเคลื่อนย้ายวัตถุ ในตัวอย่างของเรา สมมติว่าโหลดมีมวล 10 กิโลกรัม (กก.)
หลีกเลี่ยงการใช้หน่วยปอนด์หรือหน่วยที่ไม่ได้มาตรฐาน มิฉะนั้นคำตอบสุดท้ายของคุณจะไม่อยู่ในหน่วยจูล
ขั้นตอนที่ 4 คำนวณสไตล์
แรง = มวล x ความเร่ง ในตัวอย่างของเรา การยกน้ำหนักขึ้นตรงๆ ความเร่งที่เราออกแรงนั้นเกิดจากแรงโน้มถ่วง ซึ่งภายใต้สถานการณ์ปกติจะทำให้วัตถุเร่งความเร็วลงที่ 9.8 เมตร/วินาที2. คำนวณแรงที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายสินค้าของเราโดยการคูณ (10 กก.) x (9.8 ม./วินาที2) = 98 กก. ลบ.ม./วินาที2 = 98 นิวตัน (N)
หากวัตถุเคลื่อนที่ในแนวนอน แรงโน้มถ่วงจะไม่มีผลใดๆ ปัญหาอาจขอให้คุณคำนวณแรงที่ต้องต้านทานแรงเสียดทาน หากปัญหาบอกคุณถึงความเร่งของวัตถุในขณะที่ถูกผลัก คุณก็คูณความเร่งที่ทราบได้ด้วยมวลของวัตถุนั้น
ขั้นตอนที่ 5. วัดการกระจัดที่เดินทาง
สำหรับตัวอย่างนี้ สมมติว่ายกของขึ้นสูง 1.5 เมตร (ม.) การกระจัดจะต้องวัดเป็นเมตร มิฉะนั้นคำตอบสุดท้ายของคุณจะไม่อยู่ในจูล
ขั้นตอนที่ 6 คูณแรงด้วยการกระจัด
ในการยกน้ำหนัก 98 นิวตัน ให้สูง 1.5 เมตร คุณต้องทำงาน 98 x 1.5 = 147 จูล
ขั้นตอนที่ 7 คำนวณงานที่ทำเพื่อย้ายวัตถุในมุมหนึ่ง
ตัวอย่างข้างต้นของเรานั้นเรียบง่าย: มีคนออกแรงกระทำต่อวัตถุ และวัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปข้างหน้า บางครั้งทิศทางของแรงและการเคลื่อนที่ของวัตถุไม่เหมือนกัน เพราะมีแรงหลายอย่างที่กระทำต่อวัตถุ ในตัวอย่างต่อไป เราจะคำนวณจำนวนจูลที่จำเป็นสำหรับเด็กในการดึงเลื่อน 25 เมตรผ่านหิมะเรียบๆ โดยดึงเชือกขึ้นที่มุม 30º สำหรับปัญหานี้ งาน = แรง x โคไซน์(θ) x การกระจัด สัญลักษณ์คือตัวอักษรกรีก ทีต้า และอธิบายมุมระหว่างทิศทางของแรงกับทิศทางการเคลื่อนที่
ขั้นตอนที่ 8 ค้นหาแรงที่ใช้ทั้งหมด
สำหรับปัญหานี้ สมมติว่าเด็กดึงสตริงด้วยแรง 10 นิวตัน
หากปัญหามีแรงไปทางขวา, แรงขึ้น หรือแรงในทิศทางการเคลื่อนที่ แรงเหล่านี้จะพิจารณาส่วน x โคไซน์(θ) ของแรงอยู่แล้ว และคุณสามารถข้ามไปข้างหน้าและคูณค่าต่อไปได้
ขั้นตอนที่ 9 คำนวณแรงที่สอดคล้องกัน
มีเพียงไม่กี่รูปแบบเท่านั้นที่ดึงเลื่อนไปข้างหน้า ขณะที่เชือกกำลังชี้ขึ้น แรงอีกอันหนึ่งจะพยายามดึงมันขึ้น ดึงมันต้านแรงโน้มถ่วง คำนวณแรงที่กระทำในทิศทางของการเคลื่อนที่:
- ในตัวอย่างของเรา มุมระหว่างหิมะแบนราบกับเชือกคือ 30º
- คำนวณ cos(θ) cos(30º) = (√3)/2 = ประมาณ 0.866 คุณสามารถใช้เครื่องคิดเลขเพื่อหาค่านี้ได้ แต่ต้องแน่ใจว่าเครื่องคิดเลขของคุณใช้หน่วยเดียวกับการวัดมุม (องศาหรือเรเดียน)
- คูณแรงทั้งหมด x cos(θ) ในตัวอย่างของเรา แรง 10 N x 0.866 = 8.66 ในทิศทางของการเคลื่อนที่
ขั้นตอนที่ 10. คูณแรง x การกระจัด
เมื่อทราบแรงที่เคลื่อนไปในทิศทางของการเคลื่อนที่แล้ว เราก็สามารถคำนวณงานได้ตามปกติ ปัญหาของเราบอกเราว่าเลื่อนเลื่อนไปข้างหน้า 20 เมตร ดังนั้นจงคำนวณ 8.66 N x 20 m = 173.2 จูลของงาน
วิธีที่ 2 จาก 5: การคำนวณจูลจากวัตต์
ขั้นตอนที่ 1 เข้าใจพลังและพลังงาน
วัตต์เป็นหน่วยของกำลังหรืออัตราการใช้พลังงาน (พลังงานหารด้วยเวลา) ในขณะที่จูลเป็นหน่วยของพลังงาน ในการแปลงวัตต์เป็นจูล คุณต้องกำหนดเวลา ยิ่งกระแสไฟฟ้าไหลนานเท่าใด พลังงานที่ใช้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
ขั้นตอนที่ 2 คูณวัตต์ด้วยวินาทีเพื่อรับจูล
อุปกรณ์ 1 วัตต์จะใช้พลังงาน 1 จูลทุกๆ 1 วินาที หากคุณคูณจำนวนวัตต์เป็นวินาที คุณจะได้จูล หากต้องการทราบว่าหลอดไฟ 60W ใช้พลังงานเท่าใดใน 120 วินาที คุณเพียงแค่ต้องคูณ 60 วัตต์ x 120 วินาที = 7,200 จูล
สูตรนี้ใช้ได้กับกำลังใดๆ ที่แสดงเป็นหน่วยวัตต์ แต่โดยทั่วไปจะใช้เป็นไฟฟ้า
วิธีที่ 3 จาก 5: การคำนวณพลังงานจลน์เป็นจูล
ขั้นตอนที่ 1. ทำความเข้าใจพลังงานจลน์
พลังงานจลน์คือปริมาณพลังงานในรูปของการเคลื่อนไหว เช่นเดียวกับหน่วยพลังงานอื่นๆ พลังงานจลน์สามารถเขียนเป็นจูลได้
พลังงานจลน์เท่ากับปริมาณงานที่ทำเพื่อเร่งความเร็วของวัตถุคงที่ให้เป็นความเร็วหนึ่ง เมื่อวัตถุไปถึงความเร็วนั้น วัตถุจะคงพลังงานจลน์ไว้จำนวนหนึ่งจนกว่าพลังงานจะเปลี่ยนเป็นความร้อน (จากการเสียดสี) พลังงานศักย์โน้มถ่วง (จากการเคลื่อนที่ต้านแรงโน้มถ่วง) หรือพลังงานประเภทอื่นๆ
ขั้นตอนที่ 2 ค้นหามวลของวัตถุ
ตัวอย่างเช่น เราวัดพลังงานจลน์ของจักรยานและนักปั่นจักรยาน ตัวอย่างเช่น ผู้ขี่มีน้ำหนัก 50 กก. และจักรยานของเขามีน้ำหนัก 20 กก. สำหรับมวลรวม m เท่ากับ 70 กก. ตอนนี้ เราถือว่าทั้งสองเป็นวัตถุชิ้นเดียวที่มีมวล 70 กิโลกรัม เพราะทั้งสองจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน
ขั้นตอนที่ 3 คำนวณความเร็ว
หากคุณทราบความเร็วหรือความเร็วของนักปั่นจักรยานแล้ว ให้จดไว้และก้าวต่อไป หากคุณต้องการคำนวณความเร็ว ให้ใช้วิธีใดวิธีหนึ่งด้านล่างนี้ โปรดทราบว่าเรากำลังมองหาความเร็ว ไม่ใช่ความเร็ว (ซึ่งเป็นความเร็วในทิศทางที่กำหนด) แม้ว่ามักจะใช้ตัวย่อ v ละเว้นการเลี้ยวใดๆ ที่นักปั่นจักรยานทำ และถือว่าระยะทางทั้งหมดเป็นเส้นตรง
- หากนักปั่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ (ไม่เร่งความเร็ว) ให้วัดระยะทางที่นักปั่นเดินทางเป็นเมตร และหารด้วยจำนวนวินาทีที่จะต้องใช้เพื่อให้ครอบคลุมระยะทางนั้น การคำนวณนี้จะให้ความเร็วเฉลี่ย ซึ่งในกรณีนี้จะเท่ากับความเร็วชั่วขณะ
- หากนักปั่นประสบกับอัตราเร่งคงที่และไม่เปลี่ยนทิศทาง ให้คำนวณความเร็วของเขา ณ เวลา เสื้อ โดยใช้สูตรของความเร็ว ณ เวลา t = (ความเร่ง)(t) + ความเร็วเริ่มต้น ใช้วินาทีในการวัดเวลา เมตร/วินาทีในการวัดความเร็ว และ m/s2 เพื่อวัดความเร่ง
ขั้นตอนที่ 4 ใส่ตัวเลขเหล่านี้ลงในสูตรต่อไปนี้
พลังงานจลน์ = (1/2) m v 2. ตัวอย่างเช่น หากนักปั่นจักรยานเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 15 m/s พลังงานจลน์ EK = (1/2)(70 kg)(15 m/s)2 = (1/2)(70 กก.)(15 ม./วินาที)(15 ม./วินาที) = 7875 กก.2/NS2 = 7875 นิวตันเมตร = 7875 จูล
สูตรพลังงานจลน์สามารถหาได้จากนิยามของงาน W = FΔs และสมการจลนศาสตร์ v2 = วี02 +2aΔs. s หมายถึงการเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งหรือระยะทางที่เดินทาง
วิธีที่ 4 จาก 5: การคำนวณความร้อนเป็นจูล
ขั้นตอนที่ 1 ค้นหามวลของวัตถุที่ถูกทำให้ร้อน
ใช้เครื่องชั่งหรือเครื่องชั่งสปริงเพื่อวัด ถ้าวัตถุนั้นเป็นของเหลว ก่อนอื่นให้วัดภาชนะเปล่าที่มีของเหลวนั้นอยู่และหามวลของมัน คุณต้องลบมันออกจากมวลของภาชนะบวกกับของเหลวเพื่อหามวลของของเหลว สำหรับตัวอย่างนี้ สมมติว่าวัตถุนั้นมีน้ำ 500 กรัม
ใช้หน่วยกรัมไม่ใช่หน่วยอื่น มิฉะนั้น ผลลัพธ์จะไม่เป็นจูล
ขั้นตอนที่ 2 ค้นหาความร้อนจำเพาะของวัตถุ
ข้อมูลนี้สามารถพบได้ในเอกสารอ้างอิงทางเคมี ทั้งในแบบหนังสือและทางออนไลน์ สำหรับน้ำ ความร้อนจำเพาะของ c คือ 4.19 จูลต่อกรัมสำหรับทุกองศาเซลเซียสที่มันถูกทำให้ร้อน - หรือ 4.1855 หากคุณต้องการค่าที่แน่นอน
- ความร้อนจำเพาะที่แท้จริงจะแตกต่างกันเล็กน้อยตามอุณหภูมิและความดัน องค์กรและตำราเรียนต่างกันใช้อุณหภูมิมาตรฐานที่แตกต่างกัน ดังนั้นคุณอาจเห็นความร้อนจำเพาะของน้ำที่แสดงเป็น 4.179
- คุณสามารถใช้เคลวินแทนเซลเซียสได้เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิเท่ากันสำหรับทั้งสองหน่วย (การให้ความร้อนบางอย่าง 3ºC เท่ากับความร้อน 3 เคลวิน) อย่าใช้ฟาเรนไฮต์ มิฉะนั้นผลลัพธ์ของคุณจะไม่อยู่ในจูล
ขั้นตอนที่ 3 ค้นหาอุณหภูมิเริ่มต้นของวัตถุ
หากวัตถุเป็นของเหลว คุณสามารถใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบปรอทได้ สำหรับบางรายการ คุณอาจต้องใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบโพรบ
ขั้นตอนที่ 4. อุ่นวัตถุแล้ววัดอุณหภูมิอีกครั้ง
วิธีนี้จะวัดค่าความร้อนที่เพิ่มขึ้นของวัตถุในระหว่างการให้ความร้อน
หากคุณต้องการวัดปริมาณพลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้เป็นความร้อน คุณสามารถสันนิษฐานได้ว่าอุณหภูมิเริ่มต้นเป็นศูนย์สัมบูรณ์: 0 เคลวินหรือ -273.15ºC นี้ไม่ได้มีประโยชน์มาก
ขั้นตอนที่ 5. ลบอุณหภูมิเริ่มต้นออกจากอุณหภูมิความร้อน
การลดลงนี้จะส่งผลให้ระดับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในวัตถุ สมมติว่าก่อนหน้านี้น้ำมีอุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส และร้อนถึง 35 องศาเซลเซียส อุณหภูมิจะเปลี่ยนเป็น 20 องศาเซลเซียส
ขั้นตอนที่ 6 คูณมวลของวัตถุด้วยความร้อนจำเพาะและขนาดของการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
สูตรนี้เขียนว่า Q = mc T โดยที่ T คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สำหรับตัวอย่างนี้ จะเป็น 500g x 4, 19 x 20 หรือ 41,900 จูล
ความร้อนมักเขียนในระบบเมตริกแคลอรี่หรือกิโลแคลอรี แคลอรี่หมายถึงปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัมขึ้น 1 องศาเซลเซียส ในขณะที่กิโลแคลอรีคือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการทำให้อุณหภูมิของน้ำ 1 กิโลกรัมสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส ในตัวอย่างข้างต้น การเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 500 กรัมขึ้น 20 องศาเซลเซียส จะใช้พลังงานถึง 10,000 แคลอรี หรือ 10 กิโลแคลอรี
วิธีที่ 5 จาก 5: การคำนวณจูลเป็นพลังงานไฟฟ้า
ขั้นตอนที่ 1 ใช้ขั้นตอนด้านล่างเพื่อคำนวณการไหลของพลังงานในวงจรไฟฟ้า
ขั้นตอนด้านล่างแสดงไว้เป็นตัวอย่างในทางปฏิบัติ แต่คุณยังสามารถใช้วิธีนี้เพื่อทำความเข้าใจปัญหาทางฟิสิกส์ที่เป็นลายลักษณ์อักษรได้ อันดับแรก เราจะคำนวณกำลัง P โดยใช้สูตร P = I2 x R โดยที่ I คือกระแสในหน่วยแอมแปร์และ R คือความต้านทานเป็นโอห์ม หน่วยเหล่านี้ผลิตพลังงานเป็นวัตต์ จากนี้ไป เราสามารถใช้สูตรในขั้นตอนก่อนหน้าเพื่อคำนวณพลังงานเป็นจูล
ขั้นตอนที่ 2 เลือกตัวต้านทาน
ตัวต้านทานมีหน่วยวัดเป็นโอห์ม โดยมีขนาดที่เขียนโดยตรงหรือแสดงโดยกลุ่มของเส้นสี คุณยังสามารถทดสอบความต้านทานของตัวต้านทานได้โดยเชื่อมต่อกับโอห์มมิเตอร์หรือมัลติมิเตอร์ สำหรับตัวอย่างนี้ เราถือว่าตัวต้านทานคือ 10 โอห์ม
ขั้นตอนที่ 3 เชื่อมต่อตัวต้านทานกับแหล่งกระแส
คุณสามารถเชื่อมต่อสายไฟเข้ากับตัวต้านทานด้วยคลิป Fahnestock หรือจระเข้ หรือคุณสามารถเสียบตัวต้านทานเข้ากับบอร์ดทดสอบ
ขั้นตอนที่ 4 กระแสไหลผ่านวงจรในช่วงเวลาหนึ่ง
สำหรับตัวอย่างนี้ เราจะใช้ช่วงเวลา 10 วินาที
ขั้นตอนที่ 5. วัดความแรงปัจจุบัน
ทำเช่นนี้กับแอมมิเตอร์หรือมัลติมิเตอร์ กระแสในครัวเรือนส่วนใหญ่จะวัดเป็นมิลลิแอมแปร์หรือหลายพันแอมแปร์ ดังนั้นเราจึงถือว่ากระแสคือ 100 มิลลิแอมป์หรือ 0.1 แอมแปร์
ขั้นตอนที่ 6. ใช้สูตร P = I2 x ร.
ในการหากำลัง ให้คูณกำลังสองของกระแสด้วยความต้านทาน ส่งผลให้กำลังขับในหน่วยวัตต์ กำลังสอง 0.1 ให้ผลลัพธ์เป็น 0.01 คูณด้วย 10 ให้กำลังขับ 0.1 วัตต์หรือ 100 มิลลิวัตต์
ขั้นตอนที่ 7 คูณกำลังด้วยเวลาที่ผ่านไป
การคูณนี้ให้พลังงานออกมาเป็นจูล 0.1 วัตต์ x 10 วินาที เท่ากับ 1 จูลของพลังงานไฟฟ้า