如何计算焦耳

内容

脚步
方法 1 of 5：计算功 (J)
方法 2 of 5：根据给定功率 (W) 计算能量 (J)
方法 3 of 5：计算动能 (J)
方法 4 of 5：计算热量 (J)
方法 5 of 5：计算电能 (J)
提示
警告
你需要什么

焦耳 (J) 是国际单位制 (SI) 中最重要的单位之一。焦耳测量功、能量和热量。要以焦耳表示最终结果，请使用 SI 单位。如果任务中给出了其他计量单位，请将它们转换为国际单位制中的计量单位。

脚步

方法 1 of 5：计算功 (J)

1 物理学中的工作概念。 如果你移动盒子，那么你就完成了工作。如果您提起箱子，那么您就完成了工作。要完成这项工作，必须满足两个条件：
- 您正在施加恒定的力。
- 在外加力的作用下，物体向力的作用方向运动。
2 计算作业。 为此，将力和距离（身体移动的距离）相乘。在 SI 中，力以牛顿为单位，距离以米为单位。如果您使用这些单位，则最终的功将以焦耳为单位。
- 解决问题时，确定所施加力的方向。提起箱子时，力是由下而上的，但是如果你拿着箱子走一段距离，那么你就不会做功——你是在用力使箱子不会掉下来，但是这个力不会移动盒子。
3 找到你的体重。 需要计算移动身体需要施加的力。考虑一个例子：计算一个运动员在举起（从地板到胸部）一个 10 公斤重的杠铃时所做的功。
- 如果问题包含非标准测量单位，请将它们转换为 SI 单位。
4 计算强度。 力 = 质量 x 加速度。在我们的示例中，我们考虑了重力加速度，它等于 9.8 m/s。将杆向上移动所需的力为 10 (kg) x 9.8 (m / s) = 98 kg ∙ m / s = 98 N。
- 如果身体在水平面上移动，忽略重力加速度。也许这项任务需要计算克服摩擦所需的力。如果问题中给出了加速度，只需将其乘以给定的体重即可。
5 测量行驶的距离。 在我们的示例中，假设将钢筋提升到 1.5 m 的高度（如果问题中给出了非标准测量单位，请将它们转换为 SI 单位。）
6 将力乘以距离。 为了将一个 10 kg 的杠铃举到 1.5 m 的高度，运动员需要做 98 x 1.5 = 147 J 的功。
7 计算力成一定角度时的功。 前面的例子很简单：力的方向和身体的运动方向一致。但在某些情况下，力与行进方向成一定角度。考虑一个例子：计算一个孩子用与水平线成 30 度的绳索拉动 25 m 的雪橇所做的功。在这种情况下，功 = 力 x 余弦 (θ) x 距离。角度θ是力的方向和运动方向之间的夹角。
8 求总作用力。 在我们的示例中，假设孩子施加了等于 10 N 的力。
- 如果问题说力是向上的，或者是向右/向左的，或者它的方向与身体的运动方向重合，那么计算功，只需将力和距离相乘。
9 计算相应的力。 在我们的示例中，只有一小部分总力将雪橇向前拉。由于绳索向上（与水平面成一定角度），总力的另一部分试图抬起雪橇。因此，计算力，其方向与运动方向一致。
- 在我们的示例中，角度 θ（地面和绳索之间）为 30º。
- cosθ = cos30º = (√3) / 2 = 0.866。使用计算器找到这个值；将计算器中的角度单位设置为度。
- 将总力乘以 cosθ。在我们的例子中：10 x 0.866 = 8.66 N - 这是一个方向与运动方向一致的力。
10 将相应的力乘以距离来计算功。 在我们的示例中：8.66 (H) x 20 (m) = 173.2 J。

方法 2 of 5：根据给定功率 (W) 计算能量 (J)

1 力量和能量。 功率以瓦特 (W) 为单位，描述能量的变化、转换、传输或消耗率，以焦耳 (J) 为单位。要计算给定功率 (W) 的能量 (J)，您需要知道时间长度。
2 要计算能量 (J)，请将功率 (W) 乘以时间 (s)。 功率为 1 W 的设备每 1 秒消耗 1 J 能量。例如，让我们计算一个 60 W 灯泡在 120 秒内消耗的能量：60 (W) x 120 (s) = 7200 J
- 该公式适用于以瓦特为单位的任何功率，但最常用于涉及电力的任务。

方法 3 of 5：计算动能 (J)

1 动能是运动的能量。 它可以用焦耳 (J) 表示。
- 动能相当于将静止物体加速到一定速度所做的功。达到一定速度后，物体的动能保持不变，直到它转化为热量（来自摩擦）、重力势能（逆重力运动时）或其他类型的能量。
2 找到你的体重。 例如，计算自行车和骑车人的动能。骑自行车的人重 50 公斤，自行车重 20 公斤，这意味着总重量为 70 公斤（将自行车和骑自行车的人视为一个整体，因为它们将沿相同的方向以相同的速度移动）。
3 计算速度。 如果问题中给出了速度，则进入下一步；否则，请使用以下方法之一进行计算。注意这里的速度方向可以忽略不计；此外，假设骑自行车的人正在直线行驶。
- 如果骑自行车者以恒定速度（无加速度）骑行，则测量行驶距离 (m) 并将其除以行驶该距离所需的时间 (s)。这将为您提供平均速度。
- 如果骑车人在加速，而加速度的值和运动方向没有改变，那么给定时间t的速度计算公式为：加速度xt+初速度。时间以秒为单位，速度以米/秒为单位，加速度以米/秒为单位。
4 将数值代入公式中。 动能 = (1/2) mv，其中 m 是质量，v 是速度。例如，如果骑自行车的人的速度是 15 m/s，那么他的动能 K = (1/2) (70 kg) (15 m / s) = (1/2) (70 kg) (15 m / s) (15 m/s) = 7875 kg ∙ m/s = 7875 N ∙ m = 7875 J
- 动能的计算公式由功的定义（W = FΔs）和运动学方程（v = v₀ + 2aΔs，其中 Δs 是行进的距离）。

方法 4 of 5：计算热量 (J)

1 求被加热物体的质量。 为此，请使用天平或弹簧秤。如果物体是液体，首先称量空容器（您将倒入液体）以求其质量。称量完液体后，从这个值中减去空容器的质量，得到液体的质量。例如，考虑重 500 克的水。
- 对于以焦耳为单位测量的结果，质量必须以克为单位进行测量。
2 求身体的比热。 它可以在化学、物理教科书或互联网上找到。水的比热容为4.19 J/g。
- 比热随温度和压力略有不同。例如，在某些来源中，水的比热容为 4.18 J/g（因为不同来源选择了不同的“参考温度”值）。
- 温度可以用开氏度或摄氏度（因为两个温度之间的差异相同）来测量，但不能用华氏度来测量。
3 找到您的起始体温。 如果身体是液体，请使用温度计。
4 加热身体并找到它的最终温度。 通过这种方式，您可以找到加热时传递到身体的热量。
- 如果要找到转换为热量的总能量，请考虑将初始体温绝对为零（0 开尔文或 -273.15 摄氏度）。这通常不适用。
5 用结束温度减去起始体温，得到体温的变化。 比如水从15摄氏度加热到35摄氏度，即水温变化20摄氏度。
6 乘以体重、比热和体温变化。 公式：H = mcΔT，其中 ΔT 是温度的变化。在我们的示例中：500 x 4.19 x 20 = 41.900 J
- 热量有时以卡路里或千卡来衡量。卡路里是将 1 克水的温度升高 1 摄氏度所需的热量；千卡是将 1 公斤水的温度升高 1 摄氏度所需的热量。在上面的例子中，将 500 克水的温度升高 20 摄氏度需要 10,000 卡路里或 10 大卡。

方法 5 of 5：计算电能 (J)

1 这描述了一种计算电路中能量流动的方法。 给出了一个可以解决物理问题的实际例子。首先，让我们根据公式 P = I x R 计算功率，其中 I 是电流强度 (A)，R 是电阻 (Ohm)。您将找到可以用来计算能量 (J) 的功率 (W)（参见第二章）。
2 取一个电阻。 电阻器的电阻值 (Ohm) 由数字或颜色编码标记表示。您还可以通过将电阻器连接到欧姆表或万用表来确定电阻器的电阻。例如，让我们以一个 10 欧姆的电阻器为例。
3 将电阻连接到电流源。 为此，请使用鳄鱼夹或带有电路的实验台。
4 使电流通过电路一段时间。 例如，这样做 10 秒钟。
5 确定安培数。 为此，请使用电流表或万用表。例如，电流为 100 mA = 0.1 A。
6 使用公式 P = I x R 计算功率 (W)。 在我们的示例中：P = 0.1 x 10 = 0.01 x 10 = 0.1 W = 100 mW
7 乘以功率和时间以找到能量 (J)。 在我们的示例中：0.1 (W) x 10 (s) = 1 J。
- 由于1焦耳是一个很小的数值，而电器的功率以瓦、毫瓦和千瓦表示，因此在住宅和公共部门，能源通常以千瓦时为单位。如果 1 W = 1 J/s，则 1 J = 1 W∙s；如果 1 kW = 1 kJ / s，则 1 kJ = 1 kW ∙ s。由于 1 h = 3600 s，则 1 kW ∙ h = 3600 kW ∙ s = 3600 kJ = 3600000 J。