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课时跟踪检测(十六) 功
A组—重基础·体现综合
1.(2024·海南高考)神舟十七号载人飞船返回舱于2024年4月30日在东风着陆场成功着陆,在飞船返回至离地面十几千米时打开主伞,飞船快速减速,返回舱速度大大减小,在减速过程中( )
A.返回舱处于超重状态 B.返回舱处于失重状态
C.主伞的拉力不做功 D.重力对返回舱做负功
解析:选A 返回舱在减速过程中,加速度竖直向上,处于超重状态,故A正确,B错误;主伞的拉力与返回舱运动方向相反,对返回舱做负功,故C错误;返回舱所受重力与返回舱运动方向相同,重力对返回舱做正功,故D错误。
2.用40 N的水平力,在水平地面上拉车行走5 m,那么,拉力对车做的功是( )
A.2 000 J B.100 J
C.1 000 J D.200 J
解析:选D 力对车做的功W=Fs=40×5 J=200 J,选项D正确,A、B、C错误。
3.如图所示,小华用力拉着木箱水平向右匀速前进,下列说法正确的是( )
A.木箱所受的重力做正功
B.小华对木箱的拉力不做功
C.木箱所受的合力做正功
D.地面对木箱的摩擦力做负功
解析:选D 木箱所受的重力与速度方向垂直,说明重力不做功,故A错误;小华对木箱的拉力在速度方向上有分力,拉力对木箱做正功,故B错误;木箱做匀速运动,所受的合力为零,说明合力不做功,故C错误;地面对木箱的摩擦力与木箱速度方向相反,说明摩擦力对木箱做负功,故D正确。
4.[多选]一物体在两个力F1、F2的共同作用下发生了一段位移,做功分别为W1=6 J,W2=-6 J,下列说法正确的是( )
A.这两个力一定大小相等、方向相反
B.F1是动力,F2是阻力
C.这两个力做的总功为0
D.F1比F2做的功多
解析:选BC 根据恒力做功公式W=Fscos α可知,做功一正一负,不能说明两个力的方向相反,还跟角度有关,故A错误;功是标量,功的正负表示是动力做功还是阻力做功,所以F1是动力,F2是阻力,故B正确;W合=W1+W2=6 J-6 J=0,故C正确;F1比F2做的功一样多,故D错误。故选B、C。
5.在体能测试跳绳时,质量为50 kg的某同学一分钟跳了150次,若他每次跳起时,重心上升的高度约为5 cm,则他一分钟内克服重力做功的大小约为( )
A.2 500 J B.3 750 J
C.7 500 J D.375 000 J
解析:选B 因为该同学每次起跳时,重心上升5 cm,则每一次克服重力做功为W=mgh=50×10×0.05 J=25 J,则一分钟内克服重力做功为W′=150W=3 750 J,B正确。
6.如图所示,某个力F=10 N作用在半径为R=1 m的转盘的边缘上,力F的大小保持不变,但方向保持在任何时刻均与作用点的切线方向一致,则转动一周这个力F做的总功为( )
A.0 B.20π J
C.10 J D.10π J
解析:选B 利用微元法求解拉力F所做的功,可将圆周分成无限多小段,对每一小段,可以认为F与位移方向相同,则力F的总功为力F在各小段所做功的代数和,即WF=F·2πR=20π J,故B正确。
7.[多选]如图所示,质量为m的飞机在水平甲板上,受到与竖直方向成θ角的斜向下的恒定拉力F作用下,沿水平方向移动了距离s,飞机与水平甲板之间的摩擦阻力大小恒为f,则在此过程中( )
A.摩擦力做的功为-fs
B.力F做的功为Fscos θ
C.重力做的功为mgs
D.力F做的功为Fssin θ
解析:选AD 摩擦力大小为f,则摩擦力所做的功Wf=-fs,故A正确;由题意可知,拉力与位移方向上的夹角为90°-θ,则根据功的公式可得:WF=Fscos(90°-θ)=Fssin θ,故B错误,D正确;由于竖直方向上没有位移,故重力不做功,故C错误。
8.一位质量为60 kg的滑雪运动员从高为10 m的斜坡自由下滑。如果运动员在下滑过程中受到的阻力为50 N,斜坡的倾角为30°,运动员滑至坡底的过程中,所受的几个力做的功各是多少?这些力做的总功是多少?(g取10 m/s2)
解析:运动员下滑时受力如图所示
重力做功W1=mgh=6 000 J,
支持力做功W2=0,
阻力做功W3=-fl=-f·=-1 000 J,
总功W总=W1+W2+W3=5 000 J。
答案:重力做功为6 000 J 支持力做功为0 阻力做功为-1 000 J 总功为5 000 J
B组—重应用·体现创新
9.[多选]如图所示,在匀加速运动的车厢内,一个人用力向前推车厢,若人与车厢始终保持相对静止,则以下结论中正确的是( )
A.人对车厢的推力不做功
B.人对车厢的摩擦力做负功
C.人对车厢的作用力不做功
D.人对车厢的作用力做负功
解析:选BD 在水平方向上,人对车厢的作用力有两个:对车厢向右的推力和对车厢地板向左的摩擦力,车厢的运动方向向右,所以人对车厢的推力做正功,人对车厢的摩擦力做负功,选项A错误,B正确;由于人随车厢向右做匀加速运动,故车厢对人的作用力(即车厢对人的推力和摩擦力的合力)向右,人对车厢的作用力向左,所以人对车厢的作用力做负功,选项C错误,D正确。
10.有一根轻绳拴了一个物体,如图所示,若整体以加速度a向下做减速运动时,作用在物体上的各力做功的情况是( )
A.重力做正功,拉力做负功,合外力做负功
B.重力做正功,拉力做负功,合外力做正功
C.重力做正功,拉力做正功,合外力做正功
D.重力做负功,拉力做负功,合外力做正功
解析:选A 物体向下运动,重力与位移方向夹角为0,故重力做正功;拉力方向向上,与位移方向夹角为180°,故拉力做负功;物体做减速运动,合外力做负功,选项A正确。
11.如图所示,物块放在斜面上一起以速度v沿水平方向向右做匀速直线运动,在通过一段位移的过程中,下列说法正确的是( )
A.斜面对物块不做功 B.支持力对物块不做功
C.摩擦力对物块做负功 D.重力对物块做负功
解析:选A 因整体做匀速运动,则斜面对物块的作用力是支持力与摩擦力的合力,与重力等大,方向竖直向上,不做功,故A正确;支持力与水平位移夹角大于90°,所以支持力对物块做负功,故B错误;因为物块受力平衡,所以摩擦力沿斜面向上,与水平位移方向夹角小于90°,做正功,故C错误;因为物块与斜面一起水平运动,高度没有变化,所以重力对物块不做功,故D错误。
12.[多选]一质量为m=50 kg的滑雪运动员由某一高度无初速度沿直线下滑,经测量可知出发点距离底端的高度差为h=30 m,斜坡的倾角大小为θ=30°,该运动员在下滑的过程中所受的摩擦力大小为f=200 N,重力加速度取g=10 m/s2,则( )
A.合外力对运动员所做的功为3 000 J
B.摩擦力对运动员所做的功为12 000 J
C.重力对运动员所做的功为15 000 J
D.支持力对运动员所做的功为15 000 J
解析:选AC 由于滑雪运动员的高度下降了30 m,则重力对滑雪运动员所做的功为WG=mgh=50×10×30 J=15 000 J,C正确;摩擦力对运动员所做的功为Wf=-f·=-200× J=-12 000 J,B错误;由于支持力的方向与运动员的运动方向始终垂直,则支持力对运动员所做的功为0,D错误;合外力对运动员所做的功
为W=WG+WN+Wf=15 000 J+0-12 000 J=3 000 J,A正确。
13.如图所示,一物体分别沿AO、BO轨道由静止滑到底端,物体与轨道间的动摩擦因数相同,物体克服摩擦力做功分别为W1和W2。则( )
A.W1>W2 B.W1=W2
C.W1解析:选B 设轨道水平部分的长度为x,对于倾角为θ的轨道,斜面长s=,所受摩擦力的大小f=μmgcos θ,物体克服摩擦力所做的功W=fs=μmgcos θ=μmgx,由于两轨道的水平方向长度相等,所以W1=W2。
14.如图所示,建筑工人通过滑轮装置将一质量是100 kg的料车沿θ=30°角的斜面由底端匀速地拉到顶端,斜面长是4 m,若不计滑轮的质量和各处的摩擦力,g取10 N/kg,求这一过程中:
(1)人拉绳子的力做的功。
(2)物体的重力做的功。
(3)物体受到的各力对物体做的总功。
解析:(1)工人拉绳子的力F=mgsin θ,
工人将料车拉到斜面顶端时,拉绳子的长度l=2L,根据公式W=Flcos α,得W1=mgsin θ·2L=2 000 J。
(2)重力做功W2=-mgh=-mgLsin θ=-2 000 J。
(3)由于料车在斜面上匀速运动,则料车所受的合力为0,故W合=0。
答案:(1)2 000 J (2)-2 000 J (3)0
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第四章 | 机械能及其守恒定律
第一节 功
核心素养点击
物理观念 (1)能理解功的概念,掌握做功的两个必要因素
(2)能从特殊到一般,掌握功的一般表达式
(3)正确理解功的标量性,掌握正功和负功的正确含义
科学思维 能在实际情况中判断力的做功情况,进而分析该力做功给物体带来的相应能量的变化
科学探究 通过恒力做功,探究变力做功(尝试采用微积分或者图像求解)
科学态度与责任 在学习、理解功的概念和计算功的数值的过程中,培养科学、严谨的研究态度,了解机械做功对推动人类社会发展的现实意义
一、功的计算
1.填一填
(1)做功的两个要素。
作用在物体上的 和物体在力的方向上发生的 。
(2)功的计算公式。
W= ,式中的α是 与 的夹角。
力
位移
Fscos α
力的方向
位移方向
(3)功的单位。
在国际单位制中,功的单位是 ,符号是___。
(4)总功的计算。
①方法一:一个物体同时受到几个力的作用发生位移时,这几个力做的总功等于各个力分别对物体做功的 ,即W总=W1+W2+W3+W4+…。
②方法二:在计算几个力的总功时,也可先求这几个力的 ,再根据功的公式W总= _ 求解。
焦耳
代数和
合力
F合scos α
2.判一判
(1)有力作用在物体上,并且物体也发生了位移时,力对物体一定做了功。 ( )
(2)用手提起一桶水后,沿水平方向向前移动一段位移的过程中,手对水桶没有做功。 ( )
(3)用力推汽车,汽车没动,但推车者累得出汗时,可以说推车者对汽车做功了。
( )
×
√
×
3.想一想
观察下图,分析图中的哪个人对物体做了功?
提示:小川拉重物上升的过程,对重物做了功,其他三人都对物体没有做功。
二、正功和负功 做功与能量变化的关系
1.填一填
(1)正功和负功。
(2)功的正负表示对物体作用的力是 还是阻力, 做的功为正, 做的功为负。
(3)做功与能量变化的关系。
①能量:一个物体能够对其他物体 ,我们就说这个物体具有能量。
②关系:功是 的量度。
2.判一判
(1)力F1做的功为10 J,力F2做的功为-15 J,力F1比F2做的功多。 ( )
(2)力的方向和位移的方向不在同一条直线上时,力对物体一定做负功。 ( )
(3)做功的过程就是能量变化的过程。 ( )
动力
动力
阻力
做功
能量变化
×
×
√
3.想一想
如图甲所示,前面的人向前拉车做正功,后面的人向后拉车做负功。如图乙所示,推出的铅球在空中运动的过程中,重力对铅球先做负功后做正功。
在上述案例中,人对车的力与位移间的夹角与90°是怎样的关系?重力与球运动方向的夹角与90°是怎样的关系?
提示:甲图中前面的人的拉力与位移间的夹角小于90°,后面的人的拉力与位移间的夹角大于90°;乙图中铅球重力与运动方向间的夹角先大于90°(到达最高点之前)再等于90°(最高点时)后小于90°(到达最高点之后)。
如图所示,马拉着小车(包括人)沿水平面匀速前进了一段距离。
(1)小车(包括人)受到几个力的作用?每个力对小车做功吗?是正功还是负功?
提示:小车(包括人)受到4个力作用:重力、支持力、拉力、摩擦力,其中拉力做正功,摩擦力做负功,重力和支持力不做功。
(2)马对小车做的功是否等于马的拉力F(设F与水平方向的夹角为α)和小车的位移s的乘积?
提示:不等于。因为W=Fscos α。
(3)拉力F一般分解为哪两个分力?F做的功与哪个分力做的功相同?
提示:拉力可以分解为沿水平方向和竖直方向的两个分力。F做的功与水平方向分力做的功相同。
[重难释解]
1.对公式W=Fscos α的理解
(1)某一恒力F对物体做的功,只与F、s、α有关,与物体的运动状态及物体是否还受其他作用力等因素无关。
(2)功是标量,没有方向,但是有正负。
(3)公式W=Fscos α适用于计算恒力做功,若是变力,此公式不再适用。
如图所示,在皮带传送装置中,皮带把物体P匀速传送至高处,在此过程中,下述说法正确的是 ( )
A.摩擦力对物体P做正功
B.支持力对物体P做正功
C.重力对物体P做正功
D.合外力对物体P做正功
解析:摩擦力方向平行皮带向上,与物体P运动方向相同,故摩擦力对物体P做正功,A对;支持力始终垂直于物体P的速度方向,支持力对物体P不做功,B错误;重力与物体P运动方向的夹角大于90°,重力对物体P做负功,C错误;物体P做匀速运动,则合外力为零,对物体P不做功,D错误。
答案:A
对做功正负的两点提醒
(1)摩擦力可能做正功,也可能做负功,要具体分析,不能认为摩擦力一定做负功。
(2)做功的正、负与力的性质无关,关键要看力和物体位移的方向关系。
如图甲、乙、丙、丁所示,物体在力的作用下在水平面上发生一段位移s,
试分别计算这四种情况下力F对物体所做的功。设在这四种情况下力F和位移s的大小都相同:F=10 N,s=1 m,角θ的大小如图甲、乙、丙、丁所示,分别说明每种情况下力F做功的正负,并求出功。
[素养训练]
1.[多选]质量为m的物体静止在倾角为θ的斜面上,斜面沿水平方向向右匀速移动了距离s,如图所示,物体m相对斜面静止。则下列说法正确的是 ( )
A.重力对物体m做正功
B.合力对物体m做功为零
C.摩擦力对物体m做负功
D.支持力对物体m不做正功
解析:物体在水平方向移动,在重力方向上没有位移,所以重力对物体m做功为零,A错误;物体匀速运动时,合力为零,合力对物体m做功为零,B正确;摩擦力f与位移的夹角为钝角,所以摩擦力对物体m做负功,C正确;由图看出,支持力N与位移s的夹角小于90°,则支持力对物体m做正功,D错误。
答案:BC
2.如图所示,重物P放在粗糙的水平板OM上,当水平板绕O端缓慢抬高,在重物P没有滑动之前,下列说法中正确的是 ( )
A.P受到的支持力做正功 B.P受到的支持力不做功
C.P受到的摩擦力做负功 D.P受到的摩擦力做正功
解析:当水平板绕O端缓慢抬高,在重物P没有滑动之前,P做圆周运动,支持力垂直板向上,支持力与速度方向相同,故支持力做正功,故A正确,B错误;当水平板绕O端缓慢抬高,在重物P没有滑动之前,P做圆周运动,摩擦力沿板方向斜向上,与速度方向垂直,所以摩擦力不做功,故C、D错误。
答案:A
如图所示,坐在雪橇上的人与雪橇的总质量为m,在与水平面成θ角的恒定拉力F作用下,沿水平地面向右移动了一段距离s。
雪橇做匀加速运动,合力做什么功?雪橇做匀减速运动,合力做什么功?怎样求合力的功?
提示:雪橇做匀加速运动,合力做正功。雪橇做匀减速运动,合力做负功。合力的功等于雪橇受到的所有力做功的代数和,或者先求出雪橇受到的合力,再求合力做的功。
[重难释解]
1.恒力做功
可直接应用公式W=Fscos α计算。
2.总功的计算有两种方法
(1)先由W=Fscos α计算各个力对物体所做的功W1、W2、W3、…,然后求所有力做功的代数和,即W总=W1+W2+W3+…。
(2)先由力的合成或根据牛顿第二定律求出合力F合,然后由W合=F合scos α计算总功,此时α为F合的方向与s的方向间的夹角。
如图所示,小孩坐在雪橇上,小孩和雪橇的总质量为40 kg。大人施加的拉力F=100 N,方向与水平地面夹角为θ=37°,雪橇移动了l=2 m,雪橇与
地面间的动摩擦因数μ=0.2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2。求:
(1)拉力F所做的功W1;
(2)摩擦力Ff所做的功W2;
(3)重力G所做的功W3;
(4)支持力FN所做的功W4;
(5)合力F合所做的功W。
解析:(1)对雪橇和小孩整体进行受力分析,如图所示。
拉力F所做的功W1=Flcos θ=100×2×0.8 J=160 J。
(2)FN=G-Fsin θ=40×10 N-100×0.6 N=340 N,
Ff=μFN=0.2×340 N=68 N,
摩擦力Ff所做的功W2=Ffl cos 180°=68×2×(-1)J=-136 J。
(3)重力G所做的功W3=Glcos 90°=0。
(4)支持力FN所做的功W4=FNlcos 90°=0。
(5)合力F合所做的功W=W1+W2+W3+W4=24 J,
也可由合力求总功
F合=Fcos θ-Ff=100×0.8 N-68 N=12 N,
F合与l方向相同,所以W=F合l=12×2 J=24 J。
答案:(1)160 J (2)-136 J (3)0 (4)0 (5)24 J
计算功的技巧方法
(1)重力做的功可以用W=mgh计算,其中h为竖直方向的位移。
(2)计算总功可以先求合力,再用W合=F合scos α计算,也可以先求出各力做的功,再求它们的代数和。
[素养训练]
1.魔方又叫魔术方块或鲁比克方块,通常泛指三阶魔方。三阶魔
方形状是正方体,由有弹性的硬塑料制成。要将一个质量为m、
边长为a的水平放置的匀质三阶魔方翻倒,推力对它做功至少为
( )
2.质量为m的物体从足够高的位置由静止下落,不计空气阻力,其第2 s内和第5 s内重力做功之比为 ( )
A.1∶9 B.2∶5
C.4∶5 D.1∶3
解析:物体做自由落体运动,由初速度为零的匀加速运动的规律可知,在第1 s内,第2 s内,在第3 s内,第4 s内,第5 s内位移之比为1∶3∶5∶7∶9,第2 s内和第5 s内位移之比为3∶9,由W=mgh可知做功之比为1∶3,故D正确。
答案:D
3.如图所示,一个质量为m=2 kg的物体,受到与水平方向成37°角斜向上方的力F=10 N作用,在水平地面上从静止开始向右移动的距离为s=2 m,已知物体和地面间的动摩擦因数为0.3,g取10 m/s2,求外力对物体所做的总功。(cos 37°=0.8,sin 37°=0.6)
解析:物体受到的摩擦力为:
f=μN=μ(mg-Fsin 37°)=0.3×(2×10-10×0.6)N=4.2 N
方法一:先求各力的功,再求总功。
拉力F对物体所做的功为:
W1=Fscos 37°=10×2×0.8 J=16 J
摩擦力f对物体所做的功为:
W2=fscos 180°=-4.2×2 J=-8.4 J
由于重力、支持力对物体不做功,故外力对物体所做的总功W等于W1和W2的代数和,即W=W1+W2=7.6 J。
方法二:先求合力,再求总功。
物体受到的合力为:F合=Fcos 37°-f=3.8 N,
所以W=F合s=3.8×2 J=7.6 J。
答案:7.6 J
(3)分段法(或微元法):当力的大小不变,力的方向时刻与速度同向(或反向)时,把物体的运动过程分为很多小段,这样每一小段可以看成直线,先求力在每一小段上的功,再求和即可,力做的总功W=Fs路或W=-Fs路。空气阻力和滑动摩擦力做功可以写成力与路程的乘积就是这个原理。
(4)等效替换法:若某一变力做的功和某一恒力做的功相等,则可以用求得的恒力做的功来替代变力做的功。
用铁锤将一铁钉击入木块,设木块对铁钉的阻力与铁钉进入木块内的深
度成正比。在铁锤击第一次时,能把铁钉击入木块内1 cm。问击第二次时,能击入多深?(设铁锤每次做功相等)
[思路点拨] 根据阻力与深度成正比的关系,将变力求功转化为平均力求功。达到化变力为恒力的目的。
解析:方法一 平均值法
铁锤每次击打都用来克服铁钉阻力做功,但阻力不是恒力,其大小与深度成正比,F=kx,可用平均阻力来代替。
[素养训练]
1.质量为m、初速度为零的物体,在不断变化的合外力作用下都通过位移s0。下列各种情况中合外力做功最多的是 ( )
解析:根据公式W=Fs可知,图像与坐标轴s围成的面积表示做功多少,故C项做功最多。
答案:C
3.如图所示,某人用大小不变的力F拉着放在光滑水平面上的物体,开始时与物体相连的绳和水平面间的夹角是α,当拉力F作用一段时间后,绳与水平面间的夹角变为β。已知图中的高度h,求绳的拉力T对物体所做的功。(绳的质量、滑轮的质量及绳与滑轮间的摩擦不计)
解析:设绳的拉力T对物体做的功为WT,人的拉力F对绳做的功为WF,由题意知T=F,WT=WF
在绳与水平面间的夹角由α变为β的过程中,拉力F的作用点的位移大小为
一、培养创新意识和创新思维
功的图像描述
[选自鲁科版新教材“拓展一步”]
我们也可用图像来描述力对物体做功的大小。当力的方向与位移方向一致时,以力F的大小为纵坐标、位移s的大小为横坐标,作出F随s变化的图像。
当F为恒力时,由F和s为邻边构成的矩形面积即表示功的大小,如图(a)所示。若F不是恒力,可将位移划分为若干等距的小段,在每个小段中F可近似看成恒力,其所做功的大小即为该小段对应的小矩形的面积,整个过程中F所做功的大小近似等于所有小矩形面积之和,如图(b)所示。
如图所示为一物体所受的力F随位移s变化的图像,则在这一过程中,力F对物体做的功是多少?
提示:力F对物体做的功等于s轴上方梯形“面积”和s轴下方三角形“面积”的代数和,大小为W=2×3 J=6 J。
二、注重学以致用和思维建模
1.如图甲为一女士站立在台阶式自动扶梯上正在匀速上楼,如图乙为一男士站立在履带式自动人行电梯上正在匀速上楼。下列关于两人受到的力做功判断正确的是 ( )
A.甲图中摩擦力对人做负功 B.乙图中摩擦力对人做负功
C.甲图中支持力对人做正功 D.乙图中支持力对人做正功
解析:题图甲中,人匀速上楼,不受摩擦力,摩擦力不做功,支持力向上,与速度方向为锐角,则支持力对人做正功,故A错误,C正确;题图乙中,支持力与速度方向垂直,支持力不做功,摩擦力方向与速度方向相同,则摩擦力对人做正功,故B、D错误。
答案:C
2.如图所示,质量为60 kg的某运动员在做俯卧撑运动,运动过程
中可将他的身体视为一根直棒,已知重心在c点,其垂线与脚、
两手连线中点间的距离oa、ob分别为0.9 m和0.6 m,若他在1 min
内做了30个俯卧撑,每次肩部上升的距离均为0.4 m,则1 min内克服重力做功为(重力加速度g=10 m/s2) ( )
A.7 200 J B.4 320 J
C.4 800 J D.5 760 J
3.如图所示,小朋友在弹性较好的蹦床上跳跃翻腾,尽情玩耍。在小朋友接触床面向下运动的过程中,床面对小朋友的弹力做功情况是 ( )
A.先做负功,再做正功 B.先做正功,再做负功
C.一直做正功 D.一直做负功
解析:在小朋友接触床面向下运动的过程中,床面对小朋友的弹力方向竖直向上,力的方向与小朋友运动方向相反,床面对小朋友的弹力一直做负功。故D项正确,A、B、C三项错误。
答案:D
4.(2024·厦门高一检测)甲、乙两人在小河的两岸同时用绳拉小船,使小船在河的中间沿直线行驶,甲、乙的拉力分别为F1=100 N和F2=100 N,其方向如图所示。在小船行驶80 m的过程中,求:
(1)两个拉力F1和F2的合力以及该合力所做的功。
(2)两个拉力F1和F2分别做的功以及它们的代数和。
答案:(1)200 N,方向与船行驶方向相同
16 000 J (2)4 000 J 12 000 J 16 000 J