สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 36 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 37 แรงนี้คือแรงสู่ศูนย์กลาง ที่ทำ ให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงกลม ขณะที่ขนาดของความเร็ว vcosθ ทำ ให้วงกลมเลื่อนไปตามแนวขนานกับสนามแม่เหล็ก ลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคจึงเป็นเกลียว (helical path) ดังรูป v⊥ v θ v B R L การหารัศมีวงโคจร (R) และระยะช่วงกว้างของเกลียว (L) มีดังนี้ รัศมีวงโคจรแต่ละรอบ หาได้จาก R qB mv sinθ และระยะระหว่างเกลียวแต่ละรอบ หาได้จากระยะทางในแนวขนานกับสนามแม่เหล็กที่อนุภาค เคลื่อนที่ในเวลา 1 คาบ (T) ได้แก่ ระยะ L ในรูป ซึ่งหาได้ดังนี้ L = (vcosθ) T เมื่อ T ω 2π ω R v sinθ m qB L 2 ( cos ) ( / ) v qB m π θ qB 2πmv cosθ และ จะได้ รูป การหาระยะช่วงกว้างของเกลียว (L) และรัศมีวงโคจรของอนุภาคในสนามแม่เหล็ก (R)
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 36 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 37 15.2.2 แรงแม่เหล็กกระทำ ต่อลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. ลวดตัวนำ ที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก เมื่อมี กระแสไฟฟ้าผ่าน จะมีแรงแม่เหล็กกระทำ ต่อลวดตัวนำ นั้นเสมอ 1. ลวดตัวนำ ที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก เมื่อมี กระแสไฟฟ้าผ่าน จะมีแรงแม่เหล็กกระทำ ต่อลวดตัวนำ เมื่อลวดตัวนำ ไม่ขนานกับ สนามแม่เหล็กเท่านั้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 6 ของหัวข้อ 15.2 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 15.2.2 โดยนำ อภิปรายทบทวนเกี่ยวกับแรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่ออนุภาคที่มีประจุ ไฟฟ้าและเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก จากนั้นตั้งคำ ถามว่ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ เกิดจากการเคลื่อนที่ ของอิเล็กตรอนอิสระ ถ้านำ ลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้าไปไว้ในสนามแม่เหล็กจะเกิดแรงกระทำ ต่อ ลวดตัวนำ นั้น หรือไม่ อย่างไร เปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวัง คำ ตอบที่ถูกต้องแล้วให้นักเรียนศึกษา กิจกรรม 15.2 จุดประสงค์ 1. สังเกตและอธิบายแรงกระทำ ต่อลวดตัวนำ เส้นตรงที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก เวลาที่ใช้50 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 1. แท่งแม่เหล็กขั้วข้าง 2 อัน 2. ลวดตัวนำ ตรง 3 เส้น 3. ฐานรองรับรูปตัวยู 1 อัน 4. เข็มทิศ 1 อัน 5. สายไฟ 2 เส้น 6. แบตเตอรี่ขนาด 1.5 โวลต์4 ก้อนพร้อมกระบะ 1 ชุด 7. สวิตซ์ 1 อัน กิจกรรม 15.2 แรงกระทำ ต่อลวดตัวนำ ที่อยู่ในสนามแม่เหล็กขณะมีกระแสไฟฟ้าผ่าน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 38 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 39 แนะนำ ก่อนทำ กิจกรรม 1. ทำ แม่เหล็กรูปตัวยูจากการติดแม่เหล็กขั้วข้างกับปลายทั้งสองของฐานรองรับรูปตัวยูโดยหัน ขั้วต่างกันเข้าหากัน ก่อนทำ การทดลองควรใช้เข็มทิศตรวจสอบขั้วของแม่เหล็กเพื่อให้ทราบ ทิศทางของสนามแม่เหล็ก 2. ตรวจสอบการต่อขั้วของไฟฟ้าที่ต่อกับแบตเตอรี่เพื่อให้ทราบทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ผ่าน ลวดตัวนำ เส้นตรง 3. เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ เส้นตรง สังเกตการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น หลังจากนั้นปิดสวิตซ์ ทันที ตัวอย่างผลการทำ กิจกรรม กระไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จาก A ไป B เขียนแผนภาพทิศทางของกระแสไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก และทิศทางการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ เส้นตรงได้ดังรูป B A B I F กระไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จาก B ไป A เขียนแผนภาพทิศทางของกระแสไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก และทิศทางการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ เส้นตรงได้ดังรูป B A B I F B A B I F
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 38 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 39 □ กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ เส้นตรงมีทิศทางจาก B ไป A สนามแม่เหล็กมีทิศทางชี้ลง ลวดตัวนำ เส้นตรงเคลื่อนที่ไปทางใด แนวคำ ตอบ ลวดตัวนำ เส้นตรงเคลื่อนที่ออกจากแม่เหล็กรูปตัวยู □ กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ เส้นตรงมีทิศทางจาก A ไป B สนามแม่เหล็กมีทิศทางชี้ลง ลวดตัวนำ เส้นตรงเคลื่อนที่ไปทางใด แนวคำ ตอบ ลวดตัวนำ เส้นตรงเคลื่อนที่เข้าหาแม่เหล็กรูปตัวยู □ ทิศทางของกระแสไฟฟ้ามีผลต่อการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ เส้นตรงหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ มีผล เพราะ เมื่อกลับทิศทางของกระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ เส้นตรง จะมีทิศทางตรงข้าม □ เมื่อกลับขั้วของแม่เหล็กรูปตัวยูสนามแม่เหล็กมีทิศทางไปทางใด และลวดตัวนำ เคลื่อนที่อย่างไร เมื่อเทียบกับตอนแรก แนวคำ ตอบ เมื่อกลับขั้วของแม่เหล็กรูปตัวยูสนามแม่เหล็กมีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางเดิม มีผล ทำ ให้ลวดตัวนำ เส้นตรงเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้ามกับตอนแรก □ ทิศทางของสนามแม่เหล็กมีผลต่อการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ เส้นตรงที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ มีผล เพราะ เมื่อกลับทิศทางของสนามแม่เหล็ก การเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ เส้นตรง จะมีทิศทางตรงข้าม □ เพราะเหตุใด เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ เส้นตรงจึงเคลื่อนที่ได้ แนวคำ ตอบ เพราะมีแรงแม่เหล็กกระทำ กับลวดตัวนำ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ ที่อยู่ใน สนามแม่เหล็ก □ ในแต่ละกรณีลวดตัวนำ เส้นตรงเคลื่อนที่ในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางของกระแสไฟฟ้า และ ทิศทางของสนามแม่เหล็ก หรือไม่ แนวคำ ตอบ ลวดตัวนำ เคลื่อนที่ในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางของกระแสไฟฟ้าและทิศทางของ สนามแม่เหล็ก แนวคำ ตอบคำ ถามท้ายกิจกรรม
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 40 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 41 อภิปรายหลังการทำ กิจกรรม ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยใช้ผลการทำ กิจกรรมและคำ ถามท้ายกิจกรรม จนสรุป ได้ดังนี้ เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ เส้นตรงที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงแม่เหล็กกระทำ ต่อลวดตัวนำ โดยทิศทางของแรงที่กระทำ กับลวดตัวนำ ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสไฟฟ้าและ ทิศทางของสนามแม่เหล็ก ซึ่งหาทิศทางของแรงได้โดยใช้มือขวา ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ดังรูป 15.30 และอธิบายเพิ่มเติมตามกิจกรรมได้ดังรูป B A B I F B A B I F B A B I F B A B I F ครูนำ อภิปรายเกี่ยวกับการหาขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่อลวดตัวนำ เส้นตรง ซึ่งสัมพันธ์กับ ขนาดของกระแสไฟฟ้า I ความยาวของลวด L และสนามแม่เหล็ก B ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนได้สมการ (15.5) และ (15.6) ครูอาจเน้นว่าความยาวของลวด L คือ ความยาวของลวดที่มีกระแสไฟฟ้า และอยู่ในสนามแม่เหล็ก ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 15.6 และ 15.7 โดยครูเป็นผู้แนะนำ รูป แผนภาพของทิศทางของกระแสไฟฟ้า ทิศทางของสนามแม่เหล็ก และทิศทางของแรงที่กระทำ ต่อลวดตัวนำ ก. กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จาก A ไป B ค. กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จาก B ไป A ข. กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จาก A ไป B ง. กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ จาก B ไป A
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 40 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 41 15.2.3 แรงระหว่างลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้า ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. ลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้าสองเส้น เมื่ออยู่ ใกล้กันจะไม่มีแรงแม่เหล็กกระทำ ระหว่าง ลวดตัวนำ ทั้งสอง 1. ลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้าสองเส้น เมื่ออยู่ ใกล้กันจะมีแรงแม่เหล็กกระทำ ระหว่าง ลวดตัวนำ ทั้งสอง สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า กรณีครูสาธิตแรงระหว่างลวดตัวนำ สองเส้นที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน 1. หม้อแปลงโวลต์ต่ำ 1 เครื่อง 2. เครื่องชั่งกระแส 1 เครื่อง 3. ตัวต้านทานปรับค่าได้(20 โอห์ม) 1 ตัว 4. แอมมิเตอร์ 1 เครื่อง 5. สายไฟ 6 เส้น จุดประสงค์ 1. อธิบายแรงกระทำ ระหว่างลวดตัวนำ เส้นตรงสองเส้นที่วางขนานและห่างกัน ขณะที่มีกระแส ไฟฟ้าผ่านจะมีแรงกระทำ ระหว่างลวดทั้งสอง เวลาที่ใช้ 30 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 1. หม้อแปลงโวลต์ต่ำ 1 เครื่อง 2. เครื่องชั่งกระแส 1 เครื่อง 3. ตัวต้านทานปรับค่าได้(20 โอห์ม) 1 ตัว 4. แอมมิเตอร์ 1 เครื่อง 5. สายไฟ 6 เส้น กิจกรรมสาธิต แรงระหว่างลวดตัวนำ สองเส้นที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 42 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 43 แนะนำ ก่อนทำ กิจกรรม 1. กิจกรรมนี้ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเริ่มจากความต่างศักย์5 โวลต์ 2. อธิบายส่วนประกอบของเครื่องชั่งกระแสไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยขดลวด ab ที่ติดกับกล่อง ประมาณ 10 รอบและลวด cd ที่ต่อกับคาน 1 เส้นดังรูป การที่ต้องใช้ขดลวดจำ นวนรอบมากเพื่อให้สนามแม่เหล็กรอบขดลวดมีค่ามากขึ้น แรงที่ กระทำ ต่อลวด cd จะมากขึ้นด้วยทำ ให้สังเกตได้ชัดเจนขึ้น 3. เลื่อนจุกยางที่คานปรับจนขดลวด cd ที่อยู่ติดกับคานให้อยู่ห่างขดลวด ab เล็กน้อย 4. การต่อแอมมิเตอร์ในวงจร ให้ต่อช่อง 5 แอมแปร์เข้ากับขั้วบวกของ D.C. และขั้วลบกับ สายไฟจากตัวต้านทานปรับค่าได้ดังรูป ก. ข. และ ค. กระแสไฟฟ้าในวงจรควรมีค่า ประมาณ 3 - 4 แอมแปร์ถ้าปรับค่าของความต้านทานแล้ว กระแสไฟฟ้าในวงจรยังน้อยไป และลวด cd ไม่ขยับ ให้เพิ่มความต่างศักย์จากหม้อแปลง แต่ไม่ควรเกิน 8 โวลต์ รูป เครื่องชั่งกระแส
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 42 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 43 A I I + - 5 - 8 Vdc 220 V a b d c 5. ตรวจสอบทิศทางของกระแสไฟฟ้าจากการต่อวงจรไฟฟ้า เพื่อให้ทราบทิศทางของ กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดทั้งสองส่วนนี้มีทิศเดียวกันหรือมีทิศตรงข้ามกัน 6. เมื่อสังเกตผลได้แล้ว ปิดสวิตช์ของหม้อแปลงโวลต์ต่ำ ทันที รูป การต่อวงจรไฟฟ้าที่ใช้กับการสาธิตแรงระหว่างลวดตัวนำ สองเส้นที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน ก. ข. ค.
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 44 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 45 ตัวอย่างผลการทำ กิจกรรม 1. เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ ab และลวดตัวนำ cd มีทิศเดียวกัน ลวด cd จะถูก ดึงดูดเข้าหาขดลวดตัวนำ ab 2. เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ ab และลวดตัวนำ cd มีทิศตรงข้ามกัน ลวด cd จะถูก ผลักออกจากขดลวดตัวนำ ab แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 7 ของหัวข้อ 15.2 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 15.2.3 โดยนำ อภิปรายทบทวนเกี่ยวกับทิศทางของสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ เส้นตรงที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน และแรงแม่เหล็กกระทำ ต่อลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้า จากนั้นครูตั้งคำ ถามว่า หากมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ สองเส้นที่อยู่ใกล้กันและขนานกันจะเกิดอะไรขึ้นระหว่างลวดตัวนำ ทั้งสอง เปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูใช้สถานการณ์หรืออาจสาธิตเครื่องชั่งกระแสที่ประกอบด้วยขดลวดตัวนำ และลวดตัวนำ เส้นตรง วางขนานกันหรือการสาธิตเครื่องชั่งกระแส ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ประกอบการจัดการเรียนรู้ดังนี้ กรณีที่ 1 กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ ab และลวดตัวนำ cd มีทิศทางเดียวกัน พบว่าลวด cd เคลื่อนที่เข้าหาลวด ab ครูใช้รูป 15.33 นำ อภิปรายโดยใช้ความรู้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวด ab จะทำ ให้เกิด สนามแม่เหล็กขึ้นรอบลวด ab ลวด cd ซึ่งมีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็กของลวด ab จึงเกิดแรงกระทำ ต่อลวด cd ทำ ให้เคลื่อนที่เข้าหาลวด ab ดังรูป 15.34 ทำ นองเดียวกันกระแสไฟฟ้าที่ผ่าน ลวด cd เกิดสนามแม่เหล็กรอบลวด cd ลวด ab ซึ่งมีกระแสไฟฟ้าผ่านและจะอยู่ในสนามแม่เหล็กของลวด cd จึงเกิดแรงกระทำ ต่อลวด ab ด้วย ดังรูป 15.35 ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนสรุปได้ว่า ลวดตัวนำ เส้นตรงสองเส้นวางขนานกัน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านในทิศทางเดียวกันจะมีแรงดึงดูดกัน กรณีที่ 2 กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ ab และลวดตัวนำ cd มีทิศทางตรงข้ามกัน พบว่าลวด cd เคลื่อนที่ออกจากลวด ab ครูนำ อภิปรายเช่นเดียวกับกรณีที่ 1 แต่กรณีนี้กระแสไฟฟ้าในขดลวดทั้งสองมี ทิศทางตรงข้ามกัน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนสรุปได้ว่า ลวดตัวนำ เส้นตรงสองเส้นวางขนานกัน เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านในทิศทางตรงข้ามกันจะมีแรงผลักกัน ดังรูป 15.36 ครูนำ อภิปรายเกี่ยวกับแรงที่เกิดระหว่างลวดตัวนำ คู่ขนานที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านเป็นแรงคู่กิริยาปฏิกิริยาระหว่างลวดทั้งสอง โดยเป็นแรงดึงดูดเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ ในทิศทางเดียวกันและเป็น แรงผลักเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านในทิศตรงข้าม ดังรูป 15.37 ครูให้นักเรียนตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจหัวข้อ 15.2 และทำ แบบฝึกหัด 15.2 โดยครูอาจ มีการเฉลยคำ ตอบและอภิปรายคำ ตอบร่วมกัน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 44 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 45 แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับแรงแม่เหล็กที่กระทำ กับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า แนวการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มี ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนในสนามแม่เหล็ก แรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่อลวดตัวนำ เส้นตรงที่มีกระแสไฟฟ้า ผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก และแรงระหว่างลวดตัวนำ เส้นตรงคู่ขนานที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน จากการอภิปรายร่วมกัน คำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.2 และแบบฝึกหัด 15.2 2. ทักษะด้านการสังเกต การทดลอง การตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป การสื่อสารสารสนเทศ และการรู้เท่าทันสื่อ จากการอภิปรายร่วมกันและการนำ เสนอผล และทักษะด้านความร่วมมือ การทำ งานเป็นทีมและภาวะผู้นำ จากการทำ กิจกรรมร่วมกัน 3. จิตวิทยาศาสตร์ด้านความซื่อสัตย์ความมุ่งมั่นอดทน จากการอภิปรายและการทำ กิจกรรม 1. อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกและลบเคลื่อนที่เข้าไปในแนวขนานกับสนามแม่เหล็ก B ที่มีค่า สม่ำ เสมอ ดังรูป B B การเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กของอนุภาคทั้งสองจะเป็นอย่างไร แนวคำ ตอบ เนื่องจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าทั้งสองเคลื่อนที่ขนานกับสนามแม่เหล็ก จึงไม่มี แรงแม่เหล็กกระทำ ต่ออนุภาคทั้งสอง การเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กของอนุภาคทั้งสองจะเป็น แนวเส้นตรง 2. จงเขียนทิศของแรงที่กระทำ ต่อประจุที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจากรูปต่อไปนี้ B × × × × × × × × × v B × × × × × × × × × v v v B B แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.2 รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 1 รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 2
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 46 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 47 แนวคำ ตอบ ใช้มือขวาหาทิศทางของแรงที่กระทำ ต่อประจุได้ดังรูป โดยชี้นิ้วทั้งสี่ตามทิศทางของ ความเร็ว(v) แล้ววนนิ้วทั้งสี่ไปหาทิศทางของสนามแม่เหล็ก (B) นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางของแรง (F) จะได้แรงกระทำ ต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ดังรูป B × × × × × × × × × B × × × × × × × × × B B F v F F v v F v 3. การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าด้วยอัตราเร็วคงตัวในสนามแม่เหล็ก ประจุไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ เป็นวงกลมในระนาบที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กเสมอ ดังรูป × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × F v F v F v F r v × ข้อใดกล่าวถูกต้อง ก. แรงแม่เหล็กมีทิศทางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กเสมอ ข. อนุภาคมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ แนวคำ ตอบ ก. ถูกต้อง เพราะ แรงแม่เหล็กมีทิศทางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กและตั้งฉากกับ ความเร็วของอนุภาคเสมอ ดังรูป รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 2 รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 46 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 47 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × v F B ข. ไม่ถูกต้อง เพราะเมื่อใช้มือขวาหาทิศทางของแรงที่กระทำ กับอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว ในสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางดังรูป อนุภาคต้องมีประจุเป็นบวก × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × F v F v F v F r v × 4. เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดทองแดงที่วางตัวในแนวระดับระหว่างแท่งแม่เหล็กรูปเกือกม้า ดังรูป I S N ลวดทองแดงจะเคลื่อนที่ไปในทิศใด รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 3 ก. รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 3 ข. รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 4
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 48 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 49 F I S N B 5. ลวดตัวนำ สามเส้น ab cd และ ef วางตัวขนานกัน โดยลวด cd อยู่กึ่งกลางระหว่าง ab และ ef และมีกระแสไฟฟ้า I ผ่านแต่ละเส้นเท่ากันโดยมีทิศทาง ดังรูป a b c d e f I I I แรงที่กระทำ ต่อลวดแต่ละเส้นมีทิศทางใด แนวคำ ตอบ พิจารณาแรงที่กระทำ ต่อลวดแต่ละเส้น โดยใช้แนวคิดว่า ลวดตัวนำ เส้นตรงสองเส้น วางขนานกัน มีกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียวกันจะมีแรงดึงดูดกัน แต่ถ้ามีกระแสไฟฟ้าในทิศทาง ตรงข้ามกันจะมีแรงผลักกัน จึงเกิดแรงกระทำ ต่อลวดแต่ละเส้น ดังรูป แนวคำ ตอบ ใช้มือขวาหาทิศทางของแรงที่กระทำ ต่อ ลวดทองแดงมีทิศทางของแรง ดังรูป ทำ ให้ลวดทองแดง เคลื่อนที่ในทิศทางลง รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถาม ตรวจสอบความเข้าใจข้อ 4 รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 5
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 48 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 49 c d e f cd I ef I a b ab I Bcd F Bef F e f c d cd I a b ab I ef I Bab F Bef F c d e f cd I ef I a b ab I Bcd F Bab F รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 5 ก. แรงกระทำ ต่อลวดตัวนำ ab ข. แรงกระทำ ต่อลวดตัวนำ cd ค. แรงกระทำ ต่อลวดตัวนำ ef
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 50 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 51 1. อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v เข้าไปในสนามแม่เหล็ก B ดังรูป v B 30 ขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่ออนุภาคนี้มีขนาดเท่าใด วิธีทำ จากรูป อนุภาคที่มีประจุq เคลื่อนที่บนระนาบกระดาษ มีทิศทางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่ออนุภาค หาได้จากสมการ F = qvB ตอบ แรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่ออนุภาคมีขนาด qvB 2. อิเล็กตรอนตัวหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัวขนาด 2 × 106 เมตรต่อวินาทีเข้าไปใน สนามแม่เหล็กสม่ำ เสมอขนาด 5.0 × 10-3 เทสลา ในทิศทางทำ มุม 30 องศา กับสนามแม่เหล็ก ขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่ออิเล็กตรอนมีค่าเท่าใด วิธีทำ ขนาดของแรงที่กระทำ ต่ออิเล็กตรอน หาได้จากสมการ F = qvBsinθ จากโจทย์q = 1.6 × 10-19 C v = 2 × 106 m/s B = 5.0 × 10-3 T และ θ = 30˚ แทนค่า F = (1.6 × 10-19 C)(2 × 106 m/s)(5.0 × 10-3 T)(sin30˚) จะได้ F = 8.0 × 10-16 N ตอบ แรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่ออิเล็กตรอนเท่ากับ 8.0 × 10-16 นิวตัน เฉลยแบบฝึกหัด 15.2 รูป ประกอบแบบฝึกหัดข้อ 1
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 50 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 51 3. ลวด PQ มวล 20 กรัม วางบนรางตัวนำ คู่ขนานในระนาบระดับที่ต่อกับวงจรไฟฟ้าและอยู่ใน สนามแม่เหล็กสม่ำ เสมอที่มีขนาด 0.2 เทสลา ดังรูป P Q 5 cm B ถ้ามีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ 4 แอมแปร์ ก. ลวดนี้จะเคลื่อนที่ในทิศทางใด ข. ลวดนี้มีความเร่งเท่าใด วิธีทำ ก. ใช้มือขวาหาทิศทางของแรงที่กระทำ ต่อลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ใน สนามแม่เหล็กจะได้ทิศทางการเคลื่อนที่ของลวด PQ ไปทางขวามือ ข. หาขนาดของแรงจากสมการ F = IlBsinθ จากโจทย์ I = 4 A l = 5.0 × 10-2 m B = 0.2 T และ θ = 90˚ จะได้ F = (4 A)(5.0 × 10-2 m)(0.2 T )sin90˚ F = 4 × 10-2 N หาความเร่งของลวดตัวนำ จากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน F = ma 4 × 10-2 N = (20 × 10-3 kg)(a) a = 2 m/s 2 ตอบ ก. ลวดนี้จะเคลื่อนที่ในทิศทางไปทางขวามือ ข. ลวดนี้มีความเร่งเท่ากับ 2 เมตรต่อวินาทีกำ ลังสอง รูป ประกอบแบบฝึกหัดข้อ 3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 52 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 53 4. เมื่อกดสวิตซ์S ให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำ L1 และ L2 ที่แขวนขนานห่างกัน d และปลาย ลวดทั้งสองจุ่มในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ดังรูป L2 สารละลายอิเล็กโทรไลต ลวดตัวนำ L1 S d ก. แรงกระทำ ต่อกันระหว่างลวดตัวนำ L1 และ L2 เป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลัก เพราะเหตุใด ข. ขนาดแรงกระทำ ต่อกันขึ้นกับกระแสไฟฟ้าอย่างไร ค. กรณีใดที่ทำ ให้แรงบนลวดตัวนำ L1 และ L2 มีค่าเท่ากัน ตอบ ก. แรงที่เกิดขึ้นระหว่างลวดตัวนำ เป็นแรงผลัก ทำ ให้ลวดตัวนำ แยกออกจากกัน เนื่องจาก กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดตัวนำ ขนาน มีทิศทางตรงข้ามกัน ข. ขนาดของแรงกระทำ ระหว่างลวดตัวนำ ขึ้นกับกระแสไฟฟ้า โดยเปลี่ยนแปลงตามขนาด ของกระแสไฟฟ้า เช่นขนาดของกระแสไฟฟ้ามากขึ้น ขนาดของแรงกระทำ ระหว่าง ลวดตัวนำ จะมากขึ้นด้วย ค. แรงบนลวดตัวนำ แต่ละเส้นมีค่าเท่ากันเสมอ เนื่องจากเป็นแรงคู่กิริยา รูป ประกอบแบบฝึกหัดข้อ 4
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 52 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 53 15.3 โมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำ ต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายและคำ นวณโมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำ ต่อขดลวดตัวนำ ที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านเมื่อ อยู่ในสนามแม่เหล็ก รวมทั้งปริมาณที่เกี่ยวข้อง 2. อธิบายหลักการทำ งานของแกลแวนอมิเตอร์มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และคำ นวณปริมาณ ที่เกี่ยวข้อง แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 15.3 โดยนำ อภิปรายทบทวนเกี่ยวกับ การเกิดแรงแม่เหล็กเมื่อลวดตัวนำ ที่มี กระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก จากนั้นถามว่า หากเปลี่ยนลวดตัวนำ เส้นตรงเป็นขดลวดตัวนำ รูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ จะมีผลอย่างไร และให้นักเรียนแสดงความคิดเห็น ได้อย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นให้นักเรียนศึกษาในหัวข้อต่อไป 15.3.1 โมเมนต์ของแรงคู่ควบ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เมื่อมีกระแสผ่านขดลวดสี่เหลี่ยมที่อยู่ใน สนามแม่เหล็ก ขณะระนาบของขดลวด ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจะมีโมเมนต์ของ แรงคู่ควบมากที่สุด 1. เมื่อมีกระแสผ่านขดลวดสี่เหลี่ยมที่อยู่ใน สนามแม่เหล็ก ขณะระนาบของขดลวด ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจะมีโมเมนต์ของ แรงคู่ควบเป็นศูนย์ 2. เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดที่อยู่ใน สนามแม่เหล็ก ขณะระนาบขดลวดไม่ ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจะเกิดแรงกระทำ ให้ขดลวดเคลื่อนที่ ในแนวตั้งฉากกับ สนามแม่เหล็ก 2. เมื่ อมี กระแ ส ไฟฟ้ าผ่ าน ข ด ลว ดที่ อ ยู่ ในสนามแม่เหล็ก ขณะระนาบขดลวดไม่ ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จะเกิดโมเมนต์ ข อ งแร งคู่ควบทำ ให้ขด ลวดหมุนตัด สนามแม่เหล็ก
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 54 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 55 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 8 ของหัวข้อ 15.3 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 15.3.1 โดยใช้รูป 15.38 ในหนังสือเรียน แล้วตั้งคำ ถามว่า เมื่อมีกระแสไฟฟ้า ผ่านขดลวดจะเกิดแรงแม่เหล็กกระทำ ต่อลวดแต่ละด้านในทิศใด ขนาดเท่าใด จากนั้นครูนำ อภิปรายจน สรุปได้ว่า ขณะระนาบขดลวดวางขนานกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก ขดลวดด้าน PS และ QR ไม่มี แรงกระทำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ ในทิศทางขนานกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก แต่ ขดลวดด้าน PQ และ RS กระแสไฟฟ้าตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ทำ ให้มีขนาดแรงกระทำ ต่อขดลวดแต่ละ ด้านเท่ากัน โดยขนาดของแรงหาได้จาก F = IL2 B และทิศทางของแรงหาได้โดยใช้มือขวา พบว่าแรง ทั้งสองด้านมีทิศทางตรงข้ามกัน ดังรูป 15.39 ครูนำ อภิปรายต่อเกี่ยวกับแรงที่เกิดกับลวดทั้งสองด้านเป็นแรงคู่ควบ ซึ่งอยู่ห่างกันเป็นระยะ l1 จึง ทำ ให้เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนสรุปได้ความสัมพันธ์M = IAB ในทิศทวนเข็มนาฬิกา จากนั้นครูใช้รูป 15.40 ตั้งคำ ถามว่า เมื่อระนาบขดลวดรูปสี่เหลี่ยมมุมฉากทำ มุม θ กับสนามแม่เหล็ก ขนาดโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ ต่อขดลวดมีค่าขึ้นอยู่กับมุม θ อย่างไร หลังจากนั้นครูใช้รูป 15.41 นำ อภิปรายจนสรุปได้ว่า ขนาดโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ กับขดลวดมีค่า M = IABcosθ ครูตั้งคำ ถามว่าถ้าขดลวดมีจำ นวน N รอบ ขนาดของโมเมนต์ของแรงคู่ควบจะมีค่าเป็นอย่างไร และเกิดผลอย่างไรตามมา ครูนำ อภิปรายจนสรุปได้ว่า ขนาดโมเมนต์ของแรงคู่ควบของขดลวดจำ นวน N รอบ จะมีโมเมนต์ของแรงคู่ควบเป็น N เท่าของขดลวด 1 รอบตามสมการ (15.6) ครูควรชี้แจงเพิ่มเติม ว่าระนาบของขดลวดรูปทรงอื่น เช่น ขดลวดระนาบรูปวงกลม โมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำ ต่อขดลวดยัง คงหาได้จากสมการ (15.6) ครูอาจตั้งคำ ถามว่าถ้ามีลวดยาว L หนึ่งเส้น นักเรียนจะออกแบบเป็นขดลวดสี่เหลี่ยมหนึ่งรอบเพื่อ ให้เกิดโมเมนต์แรงคู่ควบสูงสุดได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่ คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูใช้ความสัมพันธ์M = IAB นำ อภิปรายจนได้ข้อสรุปว่า ขดลวดที่ออกแบบ เพื่อให้เกิดโมเมนต์แรงคู่ควบสูงสุดจะต้องมีพื้นที่มากที่สุด โดยสี่เหลี่ยมที่มีพื้นที่มากที่สุดสำ หรับเส้นรอบรูป ค่าหนึ่งคือ รูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส เช่น ลวดยาว L จะมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ 2 4 L ซึ่งมีพื้นที่มากที่สุด เท่ากับ 2 4 L ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 15.8 โดยครูเป็นผู้แนะนำ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 54 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 55 15.3.2 แกลแวนอมิเตอร์ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น - แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 9 ของหัวข้อ 15.3 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 15.3.2 โดยถามว่าโมเมนต์แรงคู่ควบของขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก สามารถนำ ไปประยุกต์ใช้อย่างไรได้บ้าง หากจะนำ ความรู้นี้มาประยุกต์ใช้ในการสร้างเป็นเครื่องวัดทางไฟฟ้า จะสามารถทำ ได้อย่างไร เปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบ ที่ถูกต้อง ครูใช้รูป 15.42 นำ อภิปรายเกี่ยวกับส่วนประกอบของแกลแวนอมิเตอร์ซึ่งประกอบด้วยขดลวด สี่เหลี่ยมที่ติดเข็มชี้และหมุนได้คล่อง อยู่ในสนามแม่เหล็ก จากนั้นให้ศึกษาหลักการทำ งานของ แกลแวนอมิเตอร์ในหนังสือเรียนหรือแหล่งความรู้อื่น ให้นักเรียนนำ เสนอผลการศึกษา แล้วอภิปราย ร่วมกันจนสรุปได้ว่า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดแกลแวนอมิเตอร์จะทำ ให้ขดลวดหมุนพร้อมกับเข็มชี้ เบนไป โดยการเบนของเข็มจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้า ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูอาจนำ นักเรียนอภิปรายเพื่อให้ความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการดัดแปลงแกลแวนอมิเตอร์เป็น เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น เรียกว่า แอมมิเตอร์และวัดความต่างศักย์ได้มากขึ้น เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู แกลแวนอมิเตอร์ แกลแวนอมิเตอร์โดยทั่วไปจะมีเหล็กอ่อนรูปทรงกระบอกอยู่ตรงกลางระหว่างขั้ว N และ ขั้ว S ของแม่เหล็กโค้งทำ ให้สนามแม่เหล็กมีทิศทางอยู่ในแนวรัศมีของรูปทรงกระบอก ดังรูประนาบของ ขดลวดสี่เหลี่ยมจะอยู่ในแนวขนานกับสนามแม่เหล็กทุกตำ แหน่งที่ขดลวดหมุนไป S N รูป สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กโค้ง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 56 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 57 ด้วยเหตุนี้มุมที่ระนาบของขดลวดทำ กับสนามแม่เหล็กจึงเท่ากับ 0 องศา นั่นคือ ระนาบของ ขดลวดขนานกับสนามแม่เหล็กตลอดเวลา จากสมการ M = NIABcosθ ดังนั้นจะได้ M = NIABcos0 = NIAB เนื่องจากจำ นวนรอบของขดลวด N พื้นที่ระนาบของขดลวด A และสนามแม่เหล็ก B เป็น ค่าคงตัว ดังนั้น M ∝ I เมื่อมีกระแสไฟฟ้าค่าหนึ่งผ่านขดลวดแกลแวนอมิเตอร์ขดลวดจะหมุนด้วยโมเมนต์ของแรง คู่ควบค่าหนึ่ง การหมุนของขดลวดเป็นเหตุให้เกิดแรงบิดกลับในสปริงก้นหอย ซึ่งต้านการหมุนของ ขดลวด โดยพยายามบิดให้ขดลวดเบนกลับสู่ตำ แหน่งเดิม จนกระทั่งขดลวดหยุดนิ่งที่ตำ แหน่งหนึ่ง นั่นคือ โมเมนต์ของแรงบิดกลับในสปริงมีทิศทางตรงข้ามกับโมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำ ต่อขดลวด และมีขนาดเท่ากันพอดีที่ตำ แหน่งนั้น ซึ่งจะได้ โมเมนต์ของแรงบิดกลับของสปริง = โมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำ ต่อขดลวด ถ้าพิจารณาขณะขดลวดหมุนไปหยุด ณ ตำ แหน่งที่ทำ มุม θ กับแนวเดิม จะได้ โมเมนต์ของแรงบิดกลับของสปริง = k' θ เมื่อ k' คือ ค่าคงตัวโมเมนต์แรงบิดกลับของสปริงก้นหอย (torsion constant) (k' คล้ายกับกรณีของสปริงในสมการ F = ks ซึ่งอยู่ในแนวแกนตามยาวของสปริง) นั่นคือ k' θ = NIAB θ ' NIAB k เนื่องจาก k' N A และ B มีค่าคงตัว ดังนั้น θ ∝ I การที่มุมที่ขดลวดเบนไปจากเดิมหรือมุมที่เข็มชี้ของแกลแวนอมิเตอร์เบนไปจากเดิม แปรผันตาม I ทำ ให้สามารถกำ หนดสเกลที่เข็มชี้เบน เพื่อระบุค่ากระแสไฟฟ้าได้
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 56 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 57 แอมมิิเตอร์์ (ammeter) แอมมิิเตอร์์ ดัังรููป ก. เป็็นการดััดแปลง แกลแวนอมิิเตอร์์เพื่่อวััดกระแสไฟฟ้้าได้้สููงสุุด I ตาม ที่่ต้้องการ ซึ่่งมีีค่่ามากกว่่ากระแสไฟฟ้้าสููงสุุดของ แกลแวนอมิิเตอร์์ IG (เข็็มเต็็มสเกล) ทำำ ได้้โดยนำำ ตััวต้้านทานที่่เรีียกว่่า ชัันต (shunt) ซึ่่งมีีความต้้านทาน Rs มาต่่อขนานกัับแกลแวนอมิิเตอร์์เพื่่อแบ่่งกระแส ไฟฟ้้าสููงสุุด I ออกเป็็นสองส่่วน คืือส่่วนหนึ่่งที่่ผ่่าน แกลแวนอมิิเตอร์์เท่่ากัับ IG ส่่วนที่่เหลืือที่่ผ่่านชัันต์์ เท่่ากัับ Is ดัังรููป ข. นั่่นคืือ Is = I − IG โวลต์์มิิเตอร์์ (voltmeter) โวลต์์มิิเตอร์์ ดัังรููป ค. เป็็นการดััดแปลง แกลแวนอมิิเตอร์์เพื่่อวััดความต่่างศัักย์สู์ูงสุุด V ตาม ที่่ต้้องการ ซึ่่งมีีค่่ามากกว่่าความต่่างศัักย์์สููงสุุดของ แกลแวนอมิิเตอร์์ VG ทำำ ได้้โดยนำำตััวต้้านทาน เรีียกว่่า มััลติิพลายเออร์์(multiplier) ที่่มีีความต้้านทาน Rm มา ต่่ออนุุกรมกัับแกลแวนอมิิเตอร์์เพื่่อแบ่่งความต่่างศัักย์์ สููงสุุดที่่ต้้องการวััด V ออกเป็็นสองส่่วน เนื่องจากแกลแวนอมิเตอร์และชันต์ต่อขนานกัน ดังนั้นความต่างศักย์ระหว่างปลายของชันต์ จะเท่ากับความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแกลแวนอมิเตอร์ หรือ I SR S = I G R G จะได้ RS = S G G I I R ก. แอมมิเตอร์ ค. โวลต์มิเตอร์ ข. วงจรไฟฟ้าของแอมมิเตอร์
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 58 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 59 ส่วนหนึ่งเป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายของมัลติพลายเออร์ Vm อีกส่วนหนึ่งเป็นความต่างศักย์สูงสุดของแกลแวนอมิเตอร์ VG ดังรูป ง. นั่นคือ V = Vm + VG จะได้ V = IG Rm + IG RG Rm = G G G V I R I −ง. วงจรไฟฟ้าของโวลต์มิเตอร์ 15.3.3 มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เมื่อมีกระแส ไฟฟ้า ในขดลวดที่อยู่ ใน สนามแม่เหล็ก ขดลวดจะหมุนโดยโมเมนต์ ของแรงคู่ควบมีค่าคงตัวเสมอ 1. เมื่อมีกระแส ไฟฟ้า ในขดลวดที่อยู่ ใน สนามแม่เหล็ก ขดลวดจะหมุนโดยโมเมนต์ ของแรงคู่ควบมีค่าไม่คงตัว โดยจะมีค่ามาก ที่สุดเมื่อระนาบของขดลวดทำ มุม 0˚ กับ สนามแม่เหล็ก และมีค่าน้อยลงจนเป็น ศูนย์เมื่อ ระนาบของขดลวดทำ มุม 90˚ กับ สนามแม่เหล็ก สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า กรณีครูสาธิตกิจกรรมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงโดยใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจากชุดแม่เหล็กไฟฟ้า 1. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจากชุดแม่เหล็กไฟฟ้า 1 ชุด 2. หม้อแปลงโวลต์ต่ำ (หรือแบตเตอรี่ 4.5 - 6.0 V) 1 เครื่อง 3. สายไฟ 2 เส้น
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 58 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 59 จุดประสงค์ 1. อธิบายหลักการทำ งานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เวลาที่ใช้ 30 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 1. มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจากชุดแม่เหล็กไฟฟ้า 1 ชุด 2. หม้อแปลงโวลต์ต่ำ (หรือแบตเตอรี่ 4.5 - 6.0 V) 1 เครื่อง 3. สายไฟ 2 เส้น กิจกรรมสาธิต มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง กรณีครูสาธิตมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างง่าย 1. ลวดทองแดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.3 มิลลิเมตร 1 เส้น หรือลวดเบอร์28 ยาวประมาณ 1 เมตร 2. แท่งแม่เหล็กขั้วข้าง 1 อัน 3. เสาลวดสายไฟฟ้าทองแดงปลายมีห่วง 2 เส้น 4. แบตเตอรี่ขนาด 1.5 โวลต์1 ก้อนพร้อมกระบะ 1 ชุด แนะนำ ก่อนทำ กิจกรรม 1. ต่อมอเตอร์กับไฟฟ้ากระแสตรงจากหม้อแปลงโวลต์ต่ำ ขนาด 4-6 โวลต์(หรืออาจใช้แบตเตอรี่ 4.5 - 6.0 V) ดังรูป รูป การต่อมอเตอร์กับไฟฟ้ากระแสตรง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 60 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 61 2. เปิดสวิตซ์หม้อแปลงโวลต์ต่ำ ถ้าขดลวดของมอเตอร์ยังไม่หมุน อาจเป็นเพราะความเสียดทาน ระหว่างแกนของขดลวดกับที่รองรับแกน ควรช่วยหมุนขดลวด อาจหมุนทวนเข็มนาฬิกาหรือ หมุนตามเข็มนาฬิกา แต่ถ้าหมุนทวนเข็มนาฬิกาแล้ว ปรากฏว่าขดลวดหมุนไป 2-3 รอบแล้วหยุด แสดงว่าการหมุนของขดลวดในสนามแม่เหล็กโดยลำ พังจะหมุนตามเข็มนาฬิกา ดังนั้นควรหมุนอีกครั้งหนึ่งโดยหมุนตามเข็มนาฬิกา ขดลวดก็จะหมุนได้ต่อไปเรื่อยๆ จุดประสงค์ 1. อธิบายหลักการทำ งานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เวลาที่ใช้ 30 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 1. ลวดทองแดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.3 มิลลิเมตร 1 เส้น หรือลวดเบอร์28 ยาวประมาณ 1 เมตร 2. แท่งแม่เหล็กขั้วข้าง 1 อัน 3. เสาลวดสายไฟฟ้าทองแดงปลายมีห่วง 2 เส้น 4. แบตเตอรี่ขนาด 1.5 โวลต์1 ก้อนพร้อมกระบะ 1 ชุด กิจกรรมสาธิต มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างง่าย แนะนำ ก่อนทำ กิจกรรม 1. สร้างขดลวดของมอเตอร์ โดยนำ ลวดทองแดง พันเป็นวงกลมให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3 เซนติเมตร และเหลือปลายทั้งสองด้านให้เป็น แกนหมุน ดังรูป 2. สร้างฐานรองรับ โดยติดแท่งแม่เหล็กเข้ากับ แบตเตอรี่ที่ติดกับเสาลวดทองแดง ดังรูป รูป ตัวอย่างขดลวดของมอเตอร์ รูป ตัวอย่างฐานรองรับ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 60 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 61 3. นำ ขดลวดในข้อ 1 วางบนฐานรองรับเพื่อหา ตำ แหน่งที่แกนขดลวดสัมผัสกับห่วงเสาทองแดง ดังรูป 4. ขูดฉนวนหุ้มลวดทองแดงบริเวณที่สัมผัสกับ เข็มขัดรัดสายไฟทั้งสองปลาย ดังรูป โดยขูดครึ่ง ซีกด้านเดียวกันทั้งสองข้างปลาย 5. นำ ขดลวดในข้อ 4 วางบนฐานรองรับ หาก ขดลวดไม่หมุนให้สังเกตบริเวณที่ขูดฉนวนออก ว่าสัมผัสกับเข็มขัดรัดสายไฟหรือไม่ รูป การหาตำ แหน่งที่แกนขดลวดสัมผัส กับห่วงเสาทองแดง รูป ลวดทองแดงที่ขูดฉนวน หุ้มออกครึ่งซีก แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 9 ของหัวข้อ 15.3 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 15.3.3 โดยใช้รูป 15.43 ในหนังสือเรียน หรือชุดสาธิตการทำ งานของมอเตอร์ กระแสตรง แล้วตั้งคำ ถามว่า มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีส่วนประกอบอะไรบ้างเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นนำ อภิปรายเกี่ยวกับส่วนประกอบของ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง จนสามารถระบุส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงได้ ครูตั้งคำ ถามว่ามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงหมุนได้อย่างไร เกี่ยวข้องกับโมเมนต์แรงคู่ควบของขดลวด ที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก อย่างไร เปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นให้นักเรียนสืบค้นจากหนังสือเรียนหรือจากสื่ออื่น ๆ เกี่ยวกับ หลักการทำ งานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ให้นักเรียนนำ เสนอผลการสืบค้น แล้วครูนำ อภิปราย โดยใช้รูป 15.44 ในหนังสือเรียน จนสรุป หลักการทำ งานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 15.9 โดยครูเป็นผู้แนะนำ ครูให้นักเรียนตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.3 และทำ แบบฝึกหัด 15.3 โดยครูอาจมีการเฉลย คำ ตอบและอภิปรายคำ ตอบร่วมกัน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 62 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 63 แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับโมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำ ต่อขดลวดตัวนำ ที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก เมื่อ กระแสไฟฟ้าผ่าน หลักการทำ งานของแกลแวนอมิเตอร์ และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจาก การนำ เสนอผล การอภิปรายร่วมกัน คำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.3 และแบบฝึกหัด 15.3 2. ทักษะการสังเกต การทดลอง การตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป จากการสรุปผลการทำ กิจกรรม 3. ทักษะด้านการสื่อสารสารสนเทศและการรู้เท่าทันสื่อ จากการอภิปรายร่วมกันและการนำ เสนอผล และทักษะด้านความร่วมมือ จากการทำ กิจกรรมร่วมกัน 4. จิตวิทยาศาสตร์ด้านความซื่อสัตย์ความมุ่งมั่นอดทน จากการอภิปรายและการทำ กิจกรรม 1. จงเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ ต่อขดลวดกับมุมที่ ระนาบของขดลวดทำ กับสนามแม่เหล็ก แนวคำ ตอบ เขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ ต่อขดลวดกับมุม ที่ระนาบของขดลวดทำ กับสนามแม่เหล็ก ตามสมการ M = NIABcosθ โดยให้แกน y เป็น โมเมนต์ของแรงคู่ควบและแกน x คือ มุมที่ระนาบขดลวดทำ กับสนามแม่เหล็ก จะได้กราฟความสัมพันธ์y = kcos x เมื่อ k = NIAB เป็นค่าคงตัว y เป็น M และ x เป็น θ ดังรูป 3 2 π π 2π 2 π M θ แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.3 รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ ข้อ 1
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 62 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 63 2. เพราะเหตุใด การสร้างแกลแวนอมิเตอร์จึงใช้ขดลวดขนาดเล็กและมีน้ำ หนักเบา แนวคำ ตอบ เพราะต้องการให้แกลแวนอมิเตอร์มีความไวต่อกระแสไฟฟ้าหรือมีขดลวดที่หมุน ได้ง่าย เพื่อวัดกระแสไฟฟ้าที่มีปริมาณน้อย ๆ ได้ขดลวดจึงต้องมีมวลน้อย ๆ 3. โมเมนต์ที่กระทำ กับขดลวดของมอเตอร์จะมากขึ้นหรือน้อยลง ถ้า ก. กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ มากขึ้น จงอธิบายเหตุผลประกอบ ข. สนามแม่เหล็กในมอเตอร์มีค่ามากขึ้น จงอธิบายเหตุผลประกอบ ค. จำ นวนรอบของขดลวดมีค่ามากขึ้น จงอธิบายเหตุผลประกอบ แนวคำ ตอบ ก. กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำ มากขึ้น โมเมนต์ที่กระทำ กับขดลวดมากขึ้น ข. สนามแม่เหล็กในมอเตอร์มีค่ามากขึ้น โมเมนต์ที่กระทำ กับขดลวดมากขึ้น ค. จำ นวนรอบของขดลวดมีค่ามากขึ้น โมเมนต์ที่กระทำ กับขดลวดมากขึ้น เพราะโมเมนต์ที่กระทำ กับขดลวดของมอเตอร์เป็นไปตามสมการ M = NIABcosθ จะเห็นว่า ค่าโมเมนต์ที่กระทำ กับขดลวดแปรผันตามกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดตัวนำ สนามแม่เหล็ก และ จำ นวนรอบของขดลวด 1. ขดลวดวงกลมมีพื้นที่หน้าตัด 60 ตารางเซนติเมตร มีขดลวดพันอยู่จำ นวน 600 รอบ และมี กระแสไฟฟ้าผ่าน 1 แอมแปร์วางไว้ในสนามแม่เหล็กที่มีขนาดเท่ากับ 1 เทสลา จงหาโมเมนต์ สูงสุดของขดลวด วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ กับขดลวดเป็นไป ตามสมการ M = NIABcosθ มีค่าสูงสุดเมื่อ cosθ = 1 จะได้ว่าโมเมนต์สูงสุดของขดลวด M = NIAB แทนค่าได้ M = (600)(1A)(60 × 10-4 m-2)(1T) = 3.6 N m ตอบ โมเมนต์สูงสุดของขดลวดเท่ากับ 3.6 นิวตันเมตร เฉลยแบบฝึกหัด 15.3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 64 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 65 2. ขดลวดตัวนำ รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีพื้นที่ 10 ตารางเซนติเมตร วางอยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก ขนาดเท่ากับ 5 เทสลา ถ้าจำ นวนขดของลวดตัวนำ เท่ากับ 400 รอบ จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ที่เกิดขึ้นเมื่อระนาบขดลวดทำ มุม 60 องศากับทิศทางของสนามแม่เหล็ก (กำ หนดให้กระแสไฟฟ้า ที่ผ่านขดลวดเท่ากับ 6 แอมแปร์) วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ กับขดลวดเป็นไป ตามสมการ M = NIABcosθ แทนค่าได้ M = (400)(6A)(10 × 10-4 m-2)(5T)(cos60˚) = 6 N m ตอบ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเท่ากับ 6 นิวตันเมตร 3. ขดลวดวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 เซนติเมตร จำ นวน 12 รอบ มีกระแสไฟฟ้าผ่าน 5 แอมแปร์ วางอยู่ในสนามแม่เหล็กขนาด 0.6 เทสลา จงหา ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวด ข. มุมระหว่างระนาบของขดลวดกับสนามแม่เหล็กที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของโมเมนต์ มากที่สุดที่กระทำ ต่อขดลวด วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำ กับขดลวดเป็นไป ตามสมการ M = NIABcosθ มีค่าสูงสุดเมื่อ cosθ = 1 จะได้ว่าโมเมนต์สูงสุดของขดลวด M = NIAB ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวด หาได้จากสมการ M = NIAB แทนค่าได้ M = ( ) ( ) 2 0.08 2 (12) 5A m 0.6T 2 π = 0.18 N m ข. ขณะที่โมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของโมเมนต์ที่มากที่สุด จะได้ว่า = = = M 2 1 NIAB NIABcosθ NIAB 1 2 1 2 cosθ ได้ ดังนั้น θ = 60˚
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 64 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 65 ตอบ ก. โมเมนต์ที่มากที่สุดของขดลวดเท่ากับ 0.18 นิวตันเมตร ข. ตำ แหน่งของขดลวดที่มีโมเมนต์เป็นครึ่งหนึ่งของโมเมนต์ที่มากที่สุด ทำ มุมกับ สนามแม่เหล็ก 60 องศา 15.4 กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ และอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. สังเกตและอธิบายการเกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ โดยใช้กฎของฟาราเดย์ 2. อธิบายและหาทิศทางของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ โดยใช้กฎของเลนซ์ 3. อธิบายการทำ งานของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้า โดยใช้ความรู้เกี่ยวกับอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ 4. อธิบายการทำ งานของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ โดยใช้ความรู้เกี่ยวกับอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า กรณีครูสาธิตการเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าโดยใช้เชือกพันแกนมอเตอร์กระแสตรง 1. มอเตอร์ไฟฟ้า 2. เชือก 3. หลอดไฟพร้อมขั้วขนาด 3 โวลต์หรือน้อยกว่า แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 15.4 โดยการสาธิตการเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้า เช่น ใช้เชือกพันแกนมอเตอร์ไฟฟ้า กระแสตรงเมื่อดึงเชือกอย่างเร็วสามารถทำ ให้หลอดไฟที่ต่อกับขั้วมอเตอร์สว่างได้หรือกิจกรรมอื่น ๆ ที่แสดง ให้เห็นการเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ แล้วครูตั้งคำ ถามว่าเหตุการณ์เหล่านั้น เช่น หลอดไฟสว่างเมื่อหมุน แกนมอเตอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นครู นำ อภิปรายจนสรุปได้ว่า เครื่องกำ เนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าใช้หลักการ เหนี่ยวนำ แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งค้นพบโดยไมเคิล ฟาราเดย์แล้วครูชี้แจงหัวข้อต่อไปนี้นักเรียนจะได้ศึกษา การเหนี่ยวนำ แม่เหล็กไฟฟ้า และการนำ ความรู้เกี่ยวกับอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ไปประยุกต์ใช้ตามรายละเอียด ในหนังสือเรียน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 66 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 67 15.4.1 กฎการเหนี่ยวนำ ของฟาราเดย์ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น - แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 10 และ 11 ของหัวข้อ 15.4 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 15.4.1 โดยทบทวนเกี่ยวกับฟลักซ์แม่เหล็ก โดยบริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กมีฟลักซ์ แม่เหล็กหนาแน่นกว่าบริเวณที่ไกลออกไป และการใช้งานของแกลแวนอมิเตอร์และทบทวนหัวข้อ 15.1 เกี่ยวกับกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ ทำ ให้เกิดสนามแม่เหล็ก แล้วครูตั้งคำ ถามว่า ในทางกลับกันสนามแม่เหล็ก ทำ ให้เกิดกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำ ได้หรือไม่ อย่างไร เปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบ จากนั้นให้นักเรียนศึกษาการเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดตัวนำ ผ่านการทำ กิจกรรม 15.3 กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จุดประสงค์ 1. สังเกตการเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดตัวนำ เวลาที่ใช้30 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 1. ขดลวดทองแดงเคลือบฉนวน 1 ขด 2. แกลแวนอมิเตอร์ 1 เครื่อง 3. แท่งแม่เหล็ก 1 อัน 4. สายไฟ 2 เส้น กิจกรรม 15.3 กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 66 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 67 ตัวอย่างผลการทำ กิจกรรม การเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก ผลการสังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ แท่งแม่เหล็กอยู่นิ่งในขดลวด เคลื่อนปลายขั้วแม่เหล็กออก จากขดลวด เคลื่อนปลายขั้วแม่เหล็ก เข้าขดลวด
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 68 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 69 ตัวอย่างผลการทำ กิจกรรม การเคลื่อนที่ของแท่งแม่เหล็ก ผลการสังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ เคลื่อนปลายขั้วแม่เหล็กออก ขดลวดเร็วมากขึ้น เคลื่อนปลายขั้วแม่เหล็กเข้า ขดลวดเร็วมากขึ้น
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 68 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 69 □ ขณะแท่งแม่เหล็กอยู่นิ่งในขดลวดเคลือบฉนวน เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนจากเดิมหรือไม่ แนวคำ ตอบ ไม่เบนจากเดิม □ ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวด เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนอย่างไร แนวคำ ตอบ ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกจากขดลวดเข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนจาก ตำ แหน่งศูนย์ไปในทิศทางหนึ่ง และขณะเคลื่อนที่เข้าขดลวดจะเบนจากตำ แหน่งศูนย์ไปใน ทิศทางตรงข้าม □ ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวดเร็วมากขึ้น เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนต่างจาก ตอนแรกอย่างไร แนวคำ ตอบ เข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนจากตำ แหน่งศูนย์ไปในทิศทางเช่นเดียวกับตอนแรก แต่เบนมากกว่าตอนแรก □ ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้า ขดลวดมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นหรือไม่ สังเกตได้อย่างไร แนวคำ ตอบ มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นสังเกตได้จากการเบนจากตำ แหน่งศูนย์ของเข็มแกลแวนอมิเตอร์ □ ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกและขณะเคลื่อนที่เข้าขดลวด กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีทิศ เดียวกันหรือไม่ สังเกตได้อย่างไร แนวคำ ตอบ ขณะเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกและขณะเคลื่อนที่เข้าขดลวดกระแสไฟฟ้ามี ทิศทางตรงกันข้ามกัน สังเกตได้จากทิศทางการเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์จากตำ แหน่งศูนย์ มีทิศทางตรงข้ามกัน □ การเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวดด้วยความเร็วต่างกัน เกิดกระแสไฟฟ้าภายใน ขดลวดมีขนาดเท่ากันหรือไม่ สังเกตได้อย่างไร แนวคำ ตอบ ไม่เท่ากัน สังเกตได้จากการเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์จากตำ แหน่งศูนย์เบน ไม่เท่ากัน แนวคำ ตอบคำ ถามท้ายกิจกรรม
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 70 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 71 อภิปรายหลังการทำ กิจกรรม หลังจากครูให้นักเรียนตอบคำ ถามท้ายกิจกรรม ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายผลการทำ กิจกรรม 15.3 จนสรุปได้ดังนี้ ∙ ขณะแท่งแม่เหล็กอยู่นิ่งเข็มแกลแวนอมิเตอร์อยู่ที่ตำ แหน่งศูนย์ แสดงว่าไม่มี กระแสไฟฟ้าจากขดลวดผ่านแกลแวนอมิเตอร์ ∙ เมื่อเคลื่อนปลายขั้วแม่เหล็กออกแล้วเข้าขดลวด เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนไปจาก ตำ แหน่งศูนย์แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าจากขดลวดผ่านแกลแวนอมิเตอร์ และการที่ เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนในทิศทางตรงข้ามกันแสดงว่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใน ขดลวดมีทิศทางตรงข้ามกัน ∙ เมื่อเคลื่อนปลายขั้วแม่เหล็กเข้า - ออกจากขดลวดเร็วขึ้น เข็มแกลแวนอมิเตอร์เบน มากขึ้น แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าจากขดลวดมากขึ้น ครูอาจถามคำ ถามชวนคิดในหน้า 64 ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ แล้วครูนำ อภิปรายจนได้แนวคำ ตอบดังนี้ ครูตั้งคำ ถามว่าการเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกและเข้าขดลวดตัวนำ ทำ ให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่าน ขดลวดมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นครูนำ อภิปรายจนสรุปได้ว่ามีการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่าน ขดลวด ตั้งคำ ถามว่า เมื่อเคลื่อนที่ปลายขั้วแม่เหล็กออกหรือเข้าขดลวดทำ ให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด เปลี่ยนแปลงแล้วเกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวด ได้อย่างไร ครูให้นักเรียนศึกษาความรู้เกี่ยวการเกิดอีเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน หรือสืบค้นจากแหล่งความรู้อื่น ๆ แล้วนำ เสนอผลการศึกษาหรือ การสืบค้น แนวคำ ตอบชวนคิด จากกิจกรรม 15.3 หากกลับปลายขั้วแม่เหล็กที่เคลื่อนที่ออกแล้วเข้าจากขดลวด การเบนของ เข็มแกลแวนอมิเตอร์จะมีลักษณะเหมือนหรือแตกต่างจากกิจกรรมหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบเข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนออกจากตำ แหน่งศูนย์แตกต่างกันโดยแต่ละกรณีการเบน ของเข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนตรงข้ามกับในกิจกรรม
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 70 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 71 ครูกับนักเรียนร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดขดลวด ทำ ให้เกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดในกิจกรรม 15.3 จนสรุปได้เกี่ยวกับ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ การเหนี่ยวนำ แม่เหล็กไฟฟ้า อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ กฎการเหนี่ยวนำ ของฟาราเดย์และกฎของเลนซ์จนได้สมการ (15.7) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากนั้นครูใช้รูป 15.46 และ 15.47 ในหนังสือเรียน นำ อภิปรายเกี่ยวกับการหาทิศทางของ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดตัวนำ ตามกฎของเลนซ์โดยใช้มือขวา จนสรุปได้ตามรายละเอียดใน หนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 15.10 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ 15.4.2 เครื่องกำ เนิดไฟฟ้า ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. ขณะที่ขดลวดของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าหมุน อัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ ผ่านขดลวดมีค่าคงตัวตลอดเวลา 1. ขณะที่ขดลวดของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าหมุน อัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กผ่าน ขดลวดมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา 2. ขณะที่ขดลวดของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าหมุน อัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ ผ่านขดลวดจะมีค่ามากที่สุด เมื่อระนาบ ขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก 2. ขณะที่ขดลวดของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าหมุน อัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ ผ่านขดลวดจะมีค่ามากที่สุด เมื่อระนาบ ขดลวดขนานกับสนามแม่เหล็ก แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 12 ของหัวข้อ 15.4 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 15.4.2 โดยอภิปรายเพื่อทบทวนเกี่ยวกับกฎการเหนี่ยวนำ ของฟาราเดย์และ การหมุนแกนของมอเตอร์ทำ ให้หลอดไฟสว่าง จากนั้นอภิปรายเพื่อสรุปว่าฟลักซ์แม่เหล็กในขดลวดของ มอเตอร์มีการเปลี่ยนแปลงขณะหมุนทำ ให้เกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ แสดงว่าพลังงานกลสามารถเปลี่ยนเป็น พลังงานไฟฟ้าได้จากนั้นครูตั้งคำ ถามว่า เครื่องกำ เนิดไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านของเรามีหลักการทำงาน อย่างไร โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นให้นักเรียนทำ กิจกรรม 15.4 เครื่องกำ เนิดไฟฟ้า
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 72 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 73 จุดประสงค์ 1. สังเกตทิศทางของกระแสไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับจากเครื่องกำ เนิดไฟฟ้า อย่างง่าย เวลาที่ใช้ 50 นาที วัสดุและอุปกรณ์ 1. ชุดเครื่องกำ เนิดไฟฟ้า 1 เครื่อง 2. แกลแวนอมิเตอร์ 1 เครื่อง 3. สายไฟ 2 เส้น กิจกรรม 15.4 เครื่องกำ เนิดไฟฟ้า ตัวอย่างผลการทำ กิจกรรม การ ผลการสังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ วงแหวนแยก
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 72 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 73 ตัวอย่างผลการทำ กิจกรรม การ ผลการสังเกตเข็มแกลแวนอมิเตอร์ วงแหวนผ่าซีก □ ในกรณีที่แปรงสัมผัสแตะกับวงแหวนแยก เมื่อหมุนเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าการเบนของเข็ม แกลแวนอมิเตอร์มีลักษณะเป็นอย่างไร แนวคำ ตอบ การเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์เบนกลับไปกลับมาระหว่างบวกกับลบ □ ในกรณีที่แปรงสัมผัสแตะกับวงแหวนแยก ทิศทางของกระแสไฟฟ้ามีลักษณะอย่างไร สังเกตได้ อย่างไร แนวคำ ตอบ ทิศทางของกระแสไฟฟ้ามีลักษณะสลับทิศไปมา สังเกตได้จากเข็มแกลแวนอมิเตอร์ เบนกลับไปกลับมาระหว่างบวกกับลบ □ ในกรณีที่แปรงสัมผัสแตะกับวงแหวนผ่าซีก เมื่อหมุนเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าการเบนของเข็ม แกลแวนอมิเตอร์มีลักษณะเป็นอย่างไร แนวคำ ตอบคำ ถามท้ายกิจกรรม
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 74 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 75 อภิปรายหลังการทำ กิจกรรม ในกรณีที่แปรงสัมผัสแตะกับวงแหวนแยก เมื่อหมุนเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าจะสังเกตได้ว่าแปรง สัมผัสจะแตะกับวงแหวนหนึ่งเสมอ และเข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนกลับไปกลับมาระหว่างบวกกับ ลบ แสดงว่ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านแปรงสัมผัสมีทิศทางกลับไปกลับมา ในกรณีที่แปรงสัมผัสแตะกับวงแหวนผ่าซีก เมื่อหมุนเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าจะสังเกตได้ว่าแปรง สัมผัสจะสลับการแตะกับวงแหวนทุกครึ่งรอบ และเข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนไปเบนมาระหว่าง ศูนย์กับบวกหรือศูนย์กับลบทางใดทางหนึ่ง แสดงว่ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านแปรงสัมผัสมีทิศทางเดียว ตลอดเวลา ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู กรณีกระแสตรงจากเครื่องกำ เนิดไฟฟ้า เข็มแกลแวนอมิเตอร์จะไม่ชี้นิ่งที่ค่าใดค่าหนึ่งเนื่องจากเป็น กระแสไฟฟ้าตรงที่มีค่าไม่สม่ำ เสมอ ครูให้นักเรียนศึกษาส่วนประกอบของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับโดยใช้รูป 15.48 จากนั้นให้ นักเรียนร่วมกันอภิปรายจนสรุปส่วนประกอบที่สำ คัญ ได้ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาการเกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับเมื่อหมุนขดลวด ด้วยอัตราเร็วเชิงมุมคงตัวในช่วงเวลาหนึ่งคาบโดยใช้รูป 15.49 แล้วนำ อภิปรายเกี่ยวกับการเกิดอีเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในแต่ละช่วงเวลาโดยใช้กฎการเหนี่ยวนำ ของฟาราเดย์และกฎของ เลนซ์จนสรุปได้ว่าเมื่อเริ่มหมุนขดลวดจากตำ แหน่งที่ระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจนครบหนึ่ง คาบ อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ มีค่าเปลี่ยนแปลงตามเวลา สามารถเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟ แนวคำ ตอบ การเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์มีลักษณะเบนไปเบนมา ระหว่างศูนย์กับบวกหรือ ศูนย์กับลบ ทางใดทางหนึ่ง □ ในกรณีที่แปรงสัมผัสแตะกับวงแหวนผ่าซีก เมื่อหมุนเครื่องกำ เนิดไฟฟ้าในทิศทางตรงข้าม การเบนของเข็มแกลแวนอมิเตอร์มีลักษณะเป็นอย่างไร แนวคำ ตอบ เข็มแกลแวนอมิเตอร์จะเบนออกจากตำ แหน่งศูนย์เช่นเดียวกัน แต่เบนใน ทิศตรงข้ามกับครั้งก่อน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 74 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 75 เหนี่ยวนำ กับเวลา ได้เป็นกราฟเป็นรูปฟังก์ชันแบบไซน์ดังรูป 15.49 จ. และพบว่าทิศทางของกระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำ ในช่วงเวลา 0 2 T ≤ ≤t และ 2 T < ≤t T ที่ผ่านวงแหวนแยกและแปรงสัมผัสมายังอุปกรณ์ไฟฟ้า มีทิศตรงข้ามกันทุกครึ่งคาบ ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูตั้งคำ ถามว่าจากกราฟอีเอ็มเอฟเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นรูปฟังก์ชันแบบไซน์สามารถเขียน สมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ กับเวลาได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ถามที่ถูกต้อง จากคำ ตอบของนักเรียนครูนำ อภิปรายจนสรุปได้ว่าเมื่อขดลวดหมุนด้วยอัตราเร็วเชิงมุม ω คงตัว ความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ กับเวลา t เป็นไปตามสมการ (15.8) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูอาจถามคำ ถามชวนคิดในหน้า 75 ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ แล้วครูนำ อภิปรายจนได้แนวคำ ตอบดังนี้ แนวคำ ตอบชวนคิด หากต่อตัวต้านทานแทนอุปกรณ์ไฟฟ้ากับเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับ กราฟความสัมพันธ์ ระหว่างอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับกับเวลาเป็นดังรูป อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ เวลา 3 2 T T 2T 2 T 0 −ε 0 ε 0 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานกับเวลาจะมีลักษณะอย่างไร แนวคำ ตอบ ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานกับเวลาจะเป็นรูปฟังก์ชัน แบบไซน์เหมือนกับกราฟอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ กับเวลา ดังรูป โดยค่าของกระแสไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับค่า ความต้านทานของตัวต้านทานที่นำ มาต่อ รูป กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับกับเวลา
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 76 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 77 กระแสไฟฟา เวลา 3 2 T T 2T 2 T 0 0 I 0 −I ครูให้นักเรียนศึกษาส่วนประกอบของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสตรงโดยใช้รูป 15.50 จากนั้นให้ นักเรียนร่วมกันอภิปรายจนสรุปส่วนประกอบที่สำ คัญ ได้ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาการเกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสตรงเมื่อหมุนขดลวด ด้วยอัตราเร็วเชิงมุมคงตัวในช่วงเวลาหนึ่งคาบโดยใช้รูป 15.51 แล้วนำ อภิปรายเกี่ยวกับการเกิดอีเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในแต่ละช่วงเวลาโดยใช้กฎการเหนี่ยวนำ ของฟาราเดย์และกฎของ เลนซ์จนสรุปได้ว่าเมื่อเริ่มหมุนขดลวดจากตำ แหน่งที่ระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจนครบหนึ่ง คาบ อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ มีค่าเปลี่ยนแปลงตามเวลา สามารถเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟ เหนี่ยวนำ กับเวลา ดังรูป 15.51 จ. และพบว่าทิศทางของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในช่วงเวลา 0 2 T ≤ ≤t และ 2 T < ≤t T ที่ผ่านวงแหวนผ่าซีกและแปรงสัมผัสมายังอุปกรณ์ไฟฟ้ามีทิศทางเดียวกันตลอดเวลา ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูอาจถามคำ ถามชวนคิดในหน้า 78 ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ แล้วครูนำ อภิปรายจนได้แนวคำ ตอบดังนี้
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 76 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 77 แนวคำ ตอบชวนคิด หากต่อตัวต้านทานแทนอุปกรณ์ไฟฟ้ากับเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสตรง กราฟความสัมพันธ์ระหว่าง อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสตรงกับเวลาเป็นดังรูป อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ เวลา 3 2 T T 2T 2 T 0 ε 0 −ε 0 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานกับเวลาจะมีลักษณะอย่างไร แนวคำ ตอบ กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานกับเวลาจะเหมือนกับกราฟ อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ กับเวลา ดังรูป โดยค่าของกระแสไฟฟ้าจะขึ้นอยู่ค่าความต้านทานของตัวต้านทาน ที่นำ มาต่อ กระแสไฟฟา เวลา 3 2 T T 2T 2 T 0 0 I 0 −I รูป กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสตรงกับเวลา
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 78 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 79 15.4.3 การประยุกต์ใช้นำ หลักการอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น - แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 13 ของหัวข้อ 15.4 ตามหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนยกตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ประยุกต์ใช้การเหนี่ยวนำ แม่เหล็กไฟฟ้าและมีการประยุกต์ ใช้การเหนี่ยวนำ แม่หล็กไฟฟ้าอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ถามที่ถูกต้อง ครูให้นักเรียนศึกษาความรู้เกี่ยวการประยุกต์ใช้นำ หลักการอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ ของอุปกรณ์ไฟฟ้าใน หนังสือเรียน ได้แก่ แบลลัสต์แบบขดลวดของหลอดฟลูออเรสเซนต์มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ กีตาร์ไฟฟ้า เตาแม่เหล็ก หรือสืบค้นจากแหล่งความรู้อื่น ๆ ให้นักเรียนนำ เสนอ จากนั้นนำ อภิปราย จนสรุปได้เกี่ยวกับ การประยุกต์ใช้หลักการเหนี่ยวนำ ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.4 และทำ แบบฝึกหัด 15.4 โดยครูอาจมีการ เฉลยคำ ตอบและอภิปรายคำ ตอบร่วมกัน แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับการเกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ และทิศทางของอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ การทำ งานของ เครื่องกำ เนิดไฟฟ้า เครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ จากการอภิปรายร่วมกัน แบบฝึกหัดและแบบทดสอบ 2. ทักษะการสื่อสารสารสนเทศและการรู้เท่าทันสื่อ จากการอภิปรายร่วมกันและการนำ เสนอผล 3. ทักษะการใช้จำ นวน ในการหาปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ จากแบบฝึกหัดและ แบบทดสอบ 4. ทักษะความร่วมมือ การทำ งานเป็นทีมและภาวะผู้นำ จากการอภิปรายร่วมกัน 5. จิตวิทยาศาสตร์ความรอบคอบ และความอยากรู้อยากเห็น จากการทดลองและอภิปรายร่วมกัน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 78 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 79 1. สวิตซ วงแหวนอะลูมิเนียม จากรูปเมื่อกดสวิตซ์ให้วงจรปิด ปรากฏว่าวงแหวนอะลูมิเนียมจะกระเด็นขึ้นจากตำ แหน่งเดิม จงอธิบายว่าวงแหวนอะลูมิเนียมกระเด็นขึ้นได้เพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ เมื่อกดสวิตซ์ให้กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะทำ ให้เกิดสนามแม่เหล็กมีขนาดเพิ่มขึ้น มีฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้นผ่านวงแหวนอลูมิเนียม ทำ ให้เกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้า เหนี่ยวนำ ในวงแหวนมีทิศทางตามกฎของเลนซ์กระแสเหนี่ยวนำ ในวงแหวนจะเกิดในทิศทาง สร้างสนามแม่เหล็กมีทิศตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กของขดลวดในกรณีที่ฟลักซ์เพิ่มขึ้น นั้นคือ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในวงแหวนจะมีทิศทางตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้าในขดลวด ทำ ให้เกิดแรง ผลักระหว่างวงแหวนกับขดลวด เช่นเดียวกับแรงผลักระหว่างลวดตัวนำ คู่ขนานที่มีกระแสไฟฟ้า ผ่านในทิศทางตรงข้ามกัน ทำ ให้วงแหวนเคลื่อนที่ขึ้น 2. A B N S C D จากรูป กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะผ่านตัวต้านทาน AB และ CD ในทิศทางใด เมื่อ ก. เคลื่อนแท่งแม่เหล็กไปทางขวา ข. เคลื่อนแท่งแม่เหล็กไปทางซ้าย แนวคำ ตอบ สามารถหาทิศทางของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดโดยใช้มือขวา ตาม รายละเอียดในหนังสือเรียนรูป 15.46 และ 15.47 แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 15.4 รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 1 รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 2
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 80 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 81 ก. ขณะเคลื่อนแท่งแม่เหล็กไปทางขวาขดลวดทางด้านซ้ายจะมีฟลักซ์แม่เหล็กลดลง ขณะที่ ขดลวดทางด้านขวามีฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้น จากกฎของเลนซ์จะได้กระแสไฟฟ้าทั้งสอง ดังรูป จึงได้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะผ่านตัวต้านทาน AB ในทิศทางจาก B ผ่านตัวต้านทานไป A และผ่านตัวต้านทาน CD จาก C ผ่านตัวต้านทานไป D A B I I NNNNN SSSSS C D ข. กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะผ่านตัวต้านทาน AB ในทิศทางจาก A ผ่านตัวต้านทานไป B และ ผ่านตัวต้านทาน CD จาก D ผ่านตัวต้านทานไป C ดังรูป A B I I NNNNN SSSSS C D 3. N S เคลื่อนเขา เคลื่อนออก รูป 1 รูป 2 N S รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 2 ก. รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 2 ข. รูป ประกอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 80 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 81 จากรูป 1 ถ้าเคลื่อนขั้ว N ของแท่งแม่เหล็กเข้าหาศูนย์กลางของขดลวด และจากรูป 2 เคลื่อนขั้ว N ของแม่เหล็กออกจากศูนย์กลางของขดลวด จงเขียนทิศทางของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ Iind ที่เกิดขึ้นในขดลวด ทั้งสอง แนวคำ ตอบ เมื่อเคลื่อนแม่เหล็กเข้าหาขดลวด จะเกิดการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กในทิศทาง ไปทางซ้าย จึงมีการสร้างสนามแม่เหล็กไปทางขวา เพื่อต้านทิศทางการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็ก โดยจะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดในทิศทางตามการใช้มือขวาโดยให้นิ้วหัวแม่มือชี้ไปทางขวา ดังรูป 1 และสำ หรับเคลื่อนแม่เหล็กออกจากขดลวด จะเกิดการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กในทิศทาง ไปทางขวา จึงมีการสร้างสนามแม่เหล็กไปทางซ้าย เพื่อต้านทิศทางการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็ก โดยจะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดในทิศทางตามการใช้มือขวาโดยให้นิ้วหัวแม่มือชี้ไปทางซ้าย ดังรูป 2 N S เคลื่อนเขา เคลื่อนออก รูป 1 รูป 2 N S I I I I รูป ประกอบแนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจข้อ 3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 82 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 83 Ø˚ 1. ในการเคลื่อนแท่งแม่เหล็กเข้าหาขดลวดวงกลม ปรากฏว่าฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดกับขดลวดเพิ่ม จาก 1.0 × 10-4 เวเบอร์เป็น 1.2 × 10-4 เวเบอร์ในเวลา 0.2 วินาทีจงหาขนาดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ เฉลี่ยที่เกิดขึ้นมีค่าเป็นเท่าใด วิธีทำ หาขนาดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ เฉลี่ยที่เกิดขึ้นได้จากสมการ ε t ∆φ ∆ การเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็ก (Δϕ) เท่ากับ 1.2 × 10-4 Wb และ Δt = 0.2 s แทนค่า ε = 1.0 × 10-4 V ตอบ ขนาดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ เฉลี่ยที่เกิดขึ้นมีค่าเป็น 1.0 × 10-4 โวลต์ 2. วงจรหนึ่งประกอบด้วยหลอดไฟและลวดตัวนำ ตรง PQ ที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กสม่ำ เสมอ ด้วยความเร็วคงตัว v ในทิศทางจากซ้ายไปขวา ดังรูป × × × × × × × × × × × × v P B Q ก. กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ที่ผ่านหลอดไฟมีทิศทางใด ข. ปลายข้างใดของลวดตัวนำ (P หรือ Q) มีศักย์ไฟฟ้าสูง วิธีทำ พิจารณาการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กในวงปิดในรูป ก. จากการเคลื่อนที่ของวงจร ฟลักซ์แม่เหล็กตัดผ่านวงจรจะเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำ เสมอทำ ให้ เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ที่ทำ ให้เกิดสนามแม่เหล็กในทิศทางต้านการเปลี่ยนแปลง ฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดผ่านวงจร ซึ่งมีทิศทางชี้ออกจากกระดาษ เมื่อใช้มือขวาหาทิศทาง ของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะมีทิศทวนเข็มนาฬิกา ดังรูป เฉลยแบบฝึกหัด 15.4 รูป ประกอบแบบฝึกหัดข้อ 2
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 82 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 83 × × × × × × × × × × × × v P B Q I I ข. จากข้อ ก. กระแสไฟฟ้าจะออกจาก P ผ่านหลอดไฟ และเข้าสู่ Q ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะ เคลื่อนที่จากตำ แหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงผ่านอุปกรณ์ไปสู่ศักย์ไฟฟ้าต่ำ ดังนั้น ปลาย P มีศักย์ไฟฟ้าสูง ตอบ ก. ทิศทางของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะมีทิศทวนเข็มนาฬิกา ดังรูป ข. ปลาย P มีศักย์ไฟฟ้าสูง รูป ประกอบวิธีทำ สำ หรับแบบฝึกหัดข้อ 2 15.5 ไฟฟ้ากระแสสลับ จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์กระแสไฟฟ้ากับเวลา ในรูปของฟังก์ชันแบบไซน์ ของไฟฟ้ากระแสสลับ 2. อธิบายและคำ นวณ ความต่างศักย์อาร์เอ็มเอสและกระแสไฟฟ้าอาร์เอ็มเอส 3. อธิบายหลักการทำงานของเครื่องกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส และการส่งไฟฟ้ากระแสสลับ ไปตามบ้านเรือน 4. อธิบายหลักการทำ งานของหม้อแปลง และคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 15.5 โดยครูทบทวนความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้ากระแสสลับจากเครื่องกำ เนิดไฟฟ้า จากนั้นครูตั้งคำ ถามว่าเคยเห็นเสาไฟฟ้าแรงสูงหรือไม่ และไฟฟ้าแรงสูงหมายถึงอะไร ครูเปิดโอกาสให้ นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นครูชี้แจ้งว่าในหัวข้อนี้ นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้ากระแสสลับ การผลิตรวมถึงการส่งไฟฟ้า กระแสสลับจากโรงไฟฟ้า
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 84 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 85 15.5.1 ค่าอาร์เอ็มเอสของความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าของไฟฟ้ากระแสสลับ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. ค่ายังผลของไฟฟ้ากระแสสลับคือค่าสูงสุด 1. ค่ายังผลของไฟฟ้ากระแสสลับเป็นค่าเฉลี่ย แบบรากที่สองกำ ลังสองเฉลี่ย ซึ่งมีค่าน้อย กว่าค่าสูงสุดเสมอ 2. ปริมาณไฟฟ้ากระแสสลับมีขนาดคงตัว แต่มีทิศทางเปลี่ยนกลับไปกลับมา 2. ปริมาณไฟฟ้ากระแสสลับมีขนาดเปลี่ยน แปลงตามเวลา และมีทิศทางเปลี่ยน กลับไปกลับมา แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 14-15 ของหัวข้อ 15.5 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 15.5.1 โดยตั้งคำ ถามว่า เมื่อต่อไฟฟ้ากระแสสลับกับอุปกรณ์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ที่ผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้าจะมีค่าคงตัวหรือไม่อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นครูใช้สมการ ε (t) = ε0 sin (ωt) นำ อภิปรายเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้า ที่อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ตัวต้านทาน ซึ่งต่ออยู่กับแหล่งกำ เนิดไฟฟ้ากระแสสลับดังรูป 15.57 จนสรุปได้ว่า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาในรูปของฟังก์ชันแบบไซน์เหมือนความต่างศักย์ โดยมีเฟสตรงกัน ดังรูป 15.58 ครูตั้งคำ ถามว่าความต่างศักย์ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ตามบ้านเรือนในประเทศไทยมีค่าเป็นเท่าไร ให้ นักเรียนร่วมกันอภิปรายจนตอบได้ว่าตามบ้านเรือนใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าประมาณ 230 โวลต์หรือครูอาจ สาธิตโดยใช้เครื่องวัดความต่างศักย์วัดกระแสไฟฟ้าจากปลั๊กไฟ นำ มาอภิปรายร่วมกับนักเรียน จากนั้นตั้ง คำ ถามว่าการระบุความต่างศักย์ข้างต้นเป็นค่าคงตัวทำ ได้อย่างไร ทั้งที่ไฟฟ้ากระแสสลับมีค่าความต่างศักย์ และกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลา ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ โดยไม่ คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้นให้นักเรียนศึกษาความรู้เกี่ยวกับค่าอาร์เอ็มเอสของไฟฟ้ากระแสสลับจาก หนังสือเรียน หรือสืบค้นจากแหล่งความรู้อื่น แล้วให้นักเรียนนำ เสนอผลการศึกษาหรือการสืบค้น จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่าค่าอาร์เอ็มเอสเป็นค่าเฉลี่ยแบบรากที่สองของกำ ลัง สองเฉลี่ย บางครั้งเรียกว่าค่ายังผล หรือค่ามิเตอร์มีค่าตามสมการ (15.9) และ (15.10) ตามรายละเอียด ในหนังสือเรียน จากนั้นให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 15.11
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 84 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 15 | แม่เหล็กและไฟฟ้า 85 ครูอาจถามคำ ถามชวนคิดในหน้า 78 ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ แล้วครูนำ อภิปรายจนได้แนวคำ ตอบดังนี้ แนวคำ ตอบชวนคิด ไฟฟ้าตามบ้านเรือน ที่ระบุความต่างศักย์ไฟฟ้า 230 โวลต์จะมีความต่างศักย์สูงสุดเท่าใด แนวคำ ตอบความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ระบุไว้เป็นความต่างศักย์อาร์เอ็มเอสซึ่งความต่างศักย์สูงสุดมีค่า เป็น 1.414 เท่าของความต่างศักย์อาร์เอ็มเอส ดังนั้นความต่างศักย์สูงสุดมีค่า 325 โวลต์ ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู ค่ายังผลของปริมาณที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้ากระแสสลับ ค่ายังผลเป็นค่าของกระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่ เทียบค่ากับค่าที่วัดได้จากวงจรไฟฟ้ากระแสตรงที่มีตัวต้านทานที่มีความต้านทานค่าเดียวกัน (หรือเหมือนกันทุกประการ) เกิดความร้อนเท่ากันในเวลาเท่ากัน อาจใช้วิธีอินติเกรต หาได้ดังนี้ ถ้าให้R เป็นความต้านทาน และ W เป็นความร้อนในตัวต้านทาน พิจารณาเมื่อกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ i = I0 sin (ωt) ผ่านตัวต้านทาน R ในช่วงเวลา 1 รอบ คือ T dW = i 2 R dt dW = (I0 sin (ωt))2 R dt 0 W ∫ dW ( ) 2 2 0 0 sin T I R ωt dt ∫ W 2 0 I R ω ( ) ( ) 2 0 sin T ω ω t d t ∫ ∫ θ dθ 2 sin 4 sin 2 2 θ θ − W 2 0 0 sin 2 2 4 T I R ω ω t t ω − W 2 0 I R ω − 0 − 0 − 0 2 ωT W 2 0 2 I RT จาก จะได้