การพัฒนาชุดการทดลองเรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย จิรภัทร แสงเดช 63040113101 ทิติชา เย็นสวัสดิ์ 63040113103 รายงานวิจัยนี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชาการวิจัยเพื่อพัฒนากระบวนการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์ ครุศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ทั่วไปและฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 2566
การพัฒนาชุดการทดลองเรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย จิรภัทร แสงเดช 63040113101 ทิติชา เย็นสวัสดิ์ 63040113103 รายงานวิจัยนี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชาการวิจัยเพื่อพัฒนากระบวนการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์ ครุศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ทั่วไปและฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 2566
หัวข้อการค้นคว้าอิสระ การพัฒนาชุดการทดลองเรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย ผู้วิจัย นายเขตขันธ์ นายจิรภัทร แสงเดช และนางสาวทิติชา เย็นสวัสดิ์ สาขาวิชา วิทยาศาสตร์ทั่วไปและฟิสิกส์ อาจารย์ที่ปรึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภากร ไทยพิทักษ์ คณะกรรมการประจำบัณฑิตวิทยาลัย มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานีอนุมัติให้นับการค้นคว้าอิสระ ฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรครุศาสตรบัณฑิต คณะกรรมการสอบการค้นคว้าอิสระ .................................................................................. ประธานคณะกรรมการ (ดร.อัจฉรา ศิริพนาดร) .................................................................................. กรรมการ (ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภากร ไทยพิทักษ์) หัวหน้าสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ .................................................................................. (ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.จันทร์จิรา จูมพลหล้า)
ก ชื่อเรื่อง การพัฒนาชุดการทดลองเรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย ผู้วิจัย จิรภัทร แสงเดช รหัสนักศึกษา 63040113101 นางสาวทิติชา เย็นสวัสดิ์รหัสนักศึกษา 63040113103 สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ทั่วไปและฟิสิกส์ อาจารย์ที่ปรึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภากร ไทยพิทักษ์ ปริญญา ครุศาสตรบัณฑิต ปีการศึกษา 2566 บทคัดย่อ การวิจัยครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อจัดสร้างเครื่องมือการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย โดยใช้ หลักการหมุนรอบแกน จากวัสดุที่หาได้ง่ายและราคาถูก และสามารถใช้หาโมเมนต์ความเฉื่อยรอบจุด ศูนย์กลางมวลของวัตถุได้หลายรูปร่าง โดยชุดการทดลองนี้จะถูกควบคุมการปล่อยตกของมวลถ่วง และจับเวลา ด้วยการเขียนชุดคำสั่งของอาร์ดูโน่ เพื่อเป็นสื่อการเรียนการสอน จากการทดสอบโดย การหาโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุสองชิ้น ได้แก่ วัตถุรูปจาน(ทรงกระบอก) มวล 2.525 kg รัศมี 10 cm และวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส มวล 4.886 kg ยาวด้านละ 60 cm พร้อมทั้งเปรียบเทียบค่าที่คำนาณได้ จากทฤษฎี พบว่า วัตถุรูปจาน มีความแม่นยำร้อยละ 99.21 และวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส มีความแม่นยำ ร้อยละ 81.23 จากนั้นผู้วิจัยได้จัดทำคู่มือปฏิบัติการการหาโมเมนต์ความเฉื่อยด้วยอุปกรณ์ที่ผู้วิจัย จัดสร้างขึ้น และผลการประเมินความพึงพอใจต่อการใช้เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย โดยรวมมีความ พึงพอใจต่อเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยอยู่ในระดับดี
ข กิตติกรรมประกาศ วิทยานิพนธ์ฉบับนี้สำเร็จได้ด้วยความกรุณาเป็นอย่างดีจาก ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ภากร ไทยพิทักษ์ อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ ที่กรุณาเสียสละเวลาให้คำปรึกษาและแนะนำ แนวทางในการทำวิจัย ส่งเสริมความรู้ทางด้านเทคโนโลยี อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แนวทางในการวาง แผนการสร้างสื่อการเรียนรู้ทางวิทยาศาสตร์โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ตลอดจนแก้ไขข้อบกพร่อง ต่างๆ มาโดยตลอด ผู้วิจัยตระหนัก ชาบซึ้งในความกรุณา และความปรารถนาดีที่ได้รับ จึงขอกราบ ขอบพระคุณเป็นอย่างสูงมา ณ โอกาสนี้ ขอขอบพระคุณ ดร.อัจฉรา ศิริพนาดร อาจารย์สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี ซึ่งเป็นอาจารย์ประจำรายวิชาการวิจัยเพื่อพัฒนากระบวนการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์ ที่ได้ให้ความรู้ คำแนะนำต่างๆ และตรวจสอบรูปเล่มวิจัยให้มีความถูกต้องสมบูรณ์ ขอขอบพระคุณคณาจารย์ และคณะกรรมการทุกๆท่าน ที่กรุณาให้คำแนะนำตรวจสอบในการ ดำเนินการวิจัยในครั้งนี้ ขอบคุณสมาชิกในครอบครัว และเพื่อนๆทุกคนที่มีส่วนร่วมในการทำให้งานวิจัยใน ครั้งนี้ประสบความสำเร็จลุล่วงไปได้ด้วยดี
ค สารบัญ หัวเรื่อง หน้า บทคัดย่อ ก กิตติกรรมประกาศ ข สารบัญ ค สารบัญตาราง จ สารบัญรูปภาพ ฉ บทที่ 1 บทนำ ความเป็นมาและความสำคัญของปัญหา 1 วัตถุประสงค์ของการวิจัย 1 สมมติฐานการวิจัย 2 ขอบเขตของการวิจัย 2 ประโยชน์ที่จะได้รับ 2 บทที่ 2 เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ 3 สื่อการสอน 5 โมเมนต์ความเฉื่อย 8 การใช้อุปกรณ์และโปรแกรมต่างๆ 11 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 16 บทที่ 3 วิธีดำเนินการวิจัย ตอนที่ 1 ศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับโมเมนต์ความเฉื่อย ระบบ อิเล็กทรอนิกส์และชุดคำสั่งของบอร์ด อาร์ดูโน่เพื่อสร้างเครื่องวัด โมเมนต์ความเฉื่อย ที่จะใช้เป็นสื่อการสอน ตอนที่ 2 ออกแบบโครงสร้างของชุดการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย ตอนที่ 3 การออกแบบปฏิบัติการ ตอนที่ 4 การหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยจากทฤษฎี ตอนที่ 5 นำชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อยให้คุณครู และ เจ้าหน้าที่ของปฏิบัติการฟิสิกส์ทดลองใช้งาน เพื่อศึกษาความพึง พอใจต่อการใช้งาน 17 20 20 22 23
ง สารบัญ (ต่อ) หัวเรื่อง หน้า บทที่ 4 ผลการวิจัย ตอนที่ 1 เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว 26 ตอนที่ 2 การทดลองเปรียบเทียบความแม่นย าของเครื่องวัดโมเมนต์ ความเฉื่อยกับทฤษฎี ตอนที่ 3 ผลการศึกษาความพึงพอใจต่อการใช้งานเครื่องวัดโมเมนต์ ความเฉื่อย 26 31 บทที่ 5 สรุปผลการวิจัย อภิปรายผล และข้อเสนอแนะ สรุปผลการวิจัย อภิปรายผลการวิจัย 33 34 ข้อเสนอแนะ 34 บรรณานุกรม 35 ภาคผนวก 36 ประวัติผู้วิจัย ภาคผนวก ภาคผนวก ภาคผนวก ภาคผนวก ก การจัดทำเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย ข ชุดคำสั่งของโปรแกรม Ardunio ค การทดลองชุดการวัดค่าโมเมนต์ความเฉื่อย ง คู่มือการใช้งานชุดการทดลองการหาค่าโมเมนต์ความ เฉื่อย 37 38 42 45 53
จ สารบัญตาราง ตารางที่ หน้า ตารางที่ 1 ข้อมูลจำเพาะไมโครคอนโทรเลอร์ อาดูโนนาโน 12 ตารางที่ 2 ตารางบันทึกผลการทดลองที่ 1 27 ตารางที่ 3 ตารางผลการทดลองของวัตถุทรงกระบอก 28 ตารางที่ 4 ตารางผลการทดลองของวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส 29 ตารางที่ 5 ข้อมูลทั่วไป ได้แก่ เพศ สถานะ และสังกัด/หน่วยงาน 31 ตารางที่ 6 ผลการประเมินความพึงพอใจต่อการใช้เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย 32 ตารางที่ 7 ผลการประเมินความพึงพอใจต่อการใช้เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย 34
ฉ สารบัญรูปภาพ ภาพที่ หน้า ภาพที่ 1 ลูกตุ้มรูปร่างไม่แน่นอนเอียงทำมุม ใด ๆ กับแนวดื่งรอบจุดหมุน 8 ภาพที่ 2 วัตถุกลิ้งลงจากพื้นเอียง 9 ภาพที่ 3 แสดงการหาโมเมนต์ความเฉื่อยโดยใช้แรงหมุนรอบแกน 10 ภาพที่ 4 Arduino Nano 11 ภาพที่ 5 เซ็นเซอร์รับแรงกดอัจฉริยะ RP-S40-ST 13 ภาพที่ 6 Motor Servo 14 ภาพที่ 7 จอ LCD 15 ภาพที่ 8 โปรแกรม Arduino IDE 15 ภาพที่ 9 การออกแบบการควบคุมระบบอิเล็กทรอนิกส์ 18 ภาพที่ 10 การออกแบบวงจรสำหรับเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย 19 ภาพที่ 11 การออกแบบชุดการทดลอง 20 ภาพที่ 12 อุปกรณ์เปล่าไม่มีมวลทดลอง 21 ภาพที่ 13 อุปกรณ์เพิ่มวัตถุทรงกระบอก 22 ภาพที่ 14 อุปกรณ์เพิ่มวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส 22 ภาพที่ 15 แผนผังการดำเนินงาน 24 ภาพที่ 16 เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว 26 ภาพที่ 17 กราฟแนวโน้มเพื่อหาความสัมพันธ์เชิงเส้นการทดลองหาค่าโมเมนต์ความ เฉื่อยของระบบ 27 ภาพที่ 18 กราฟการทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉลื่อยของแผ่นทรงกระบอก 28 ภาพที่ 19 กราฟการทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉลื่อยของแผ่นสี่เหลี่ยม 30
บทที่ 1 บทนำ ความเป็นมาและความสำคัญของปัญหา ในปัจจุบันไมโครคอนโทรลเลอร์ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวงการเทคโนโลยี เนื่องจากเป็น อุปกรณ์ที่สามารถนำมาสร้างสรรค์ผลงานสิ่งประดิษฐ์ หุ่นยนต์ อุปกรณ์เชื่อมต่อและอุปกรณ์อำนวยความสะดวก ต่างๆ ในชีวิตประจำวัน ไมโครคอนโทรลเลอร์ มีมากมายหลายชนิด แต่ที่คนนิยมใช้มากที่สุด คือ บอร์ดอาร์ดูโน่ (Arduino) ตัวบอร์ดอาร์ดูโน่ถูกออกแบนมาให้ใช้งานได้ง่าย มีรูปแบบคำสั่งพื้นฐานไม่ชับซ้อน ฮาร์ดแวร์โอเพนซอร์ส (Open Hardware) ทำให้ผู้ใช้สามารถนำบอร์ดไปต่อยอดใช้งานได้หลายด้าน ราคาไม่แพง ทำให้ง่ายต่อการพัฒนาและ สร้างสรรค์ผลงานสิ่งประดิษฐ์ การศึกษาในศตวรรษที่ 21 เป็นการศึกษาที่มุ่งเน้นผู้เรียนเป็นศูนย์กลาง ผู้เรียนสามารถเรียนรู้ได้ด้วย ตนเองจากแบบจำลอง หรือเรียนรู้โดยการปฏิบัติจริงให้เห็นเป็นรูปธรรมมากขึ้นทำให้สถานศึกษาหลายๆแห่งได้นำ บอร์ดอาร์ดูโน่มาประยุกต์ใช้ในการเรียนการสอนอย่างแพร่หลาย โดยนำมาสร้างเป็นสิ่งประดิษฐ์ และสื่อการสอน โดยออกแบบสร้างอุปกรณ์ให้เหมาะสมและสอดคล้องกับเนื้อหาในบทเรียนนั้นๆ และพบว่าการสร้างสื่อการเรียนรู้ โดยใช้บอร์ดอาร์ดูโน่นั้น ประสบผลสำเร็จในการนำไปใช้จัดการเรียนการสอนในชั้นเรียนและนักเรียนมีความเข้าใจใน เนื้อหามากยิ่งขึ้น เนื่องด้วยชุดอุปกรณ์การทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อยมีราคาแพง และในสถานศึกษายังขาดแคลนชุด อุปกรณ์การทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อย จึงทำให้ผู้วิจัยเกิดความคิดที่จะจัดดทำอุปกรณ์การทดลองเรื่องนี้ โดยใช้ วัสดุอุปกรณ์ที่หาได้ง่าย และราคาถูก และพัฒนาให้มีความสะดวกมากยิ่งขึ้น ดังนั้นผู้วิจัยจึงเห็นความสำคัญของการนำบอร์ดอาร์ดูโน่ มาประยุกต์ใช้ในการเรียนการสอนเพื่อสร้าง และพัฒนาสื่อการสอน ให้มีความสอดคล้องกับเนื้อหาในบทเรียน และยกระดับสื่อการสอนให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ตามยุคสมัยของการศึกษา จึงได้ออกแบบและพัฒนาชุดการทดลองเรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย โดยใช้บอร์ดอาดูโน่ใน การจับเวลา สำหรับใช้เป็นสื่อการเรียนรู้ของนักเรียนในเนื้อหาของ “โมเมนต์ความเฉื่อย” วัตถุประสงค์ของการวิจัย 1. เพื่อศึกษาการเขียนชุดคำสั่งของอาร์ดูโน่โดยใช้โปรแกรม ภาษาอาร์ดูโน่ที่ด้วยโปรแกรมอาร์ดูโน่ไอดีอี (Arduino IDE) ในการควบคุมการปล่อยหยุดและจับเวลา 2. เพื่อสร้างเครื่องมือการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย โดยใช้หลักการหมุนรอบแกน จากวัสดุที่หาได้ง่าย และราคาถูกและสามารถใช้หาโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุได้หลายรูปร่าง 3. เพื่อจัดทำคู่มือปฏิบัติการการหาโมเมนต์ความเฉื่อย
2 สมมติฐานของการวิจัย 1. ชุดการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อยโดยใช้หลักการหมุนรอบแกน ที่ออกแบบขึ้นนี้ จะมีความสะดวกใน การใช้งาน มากกว่าชุดการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อยด้วยหลักการการกลิ้งบนพื้นเอียงและช่วยให้ผู้เรียนเห็นภาพ ของการหมุขของวัตถุได้ดีกว่าชุดทดลองการหาโมเมนต์ความเฉื่อยแบบฟิสิกัลแพนดูลัม 2. การควบคุมการปล่อยตก การจับเวลา และแสดงผลเวลาบนจอแอลซีดี ด้วยอาร์ดูโน่จะช่วยให้ชุดการ ทดลองนี้มีความแม่นยำและมีความสะดวกมากขึ้น 3. ชุดการทดลองสามารถหาโมเมนต์ความเฉื่อยนี้สามารถใช้ได้กับวัตถุหลากหลายรูปร่าง 4. ชุดการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย สามารถนำไปใช้เป็นสื่อการเรียนรู้ และจัดการเรียนการสอนเรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อยได้ ขอบเขตของการวิจัย 1. ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ในการความคุมระบบอิเล็กทรอนิกส์ของชุดการทดลอง 2. ใช้สำหรับเป็นสื่อการสอนในระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย และระดับอุมดมศึกษา 3. ระยะเวลาที่ใช้ในการวิจัย ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2565 ทั้งนี้ไม่รวมเวลาในการทดสอบ ประโยชน์ที่คาดว่าได้รับ 1. ได้ชุดทดลองทางวิทยาศาสตร์ เรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย ที่ทำจากวัสดุที่หาได้ง่าย มีประสิทธิภาพและราคาถูก สามารถนำไปใช้ในการจัดกิจกรรมการเรียนรู้ และเป็นแนวทางในการพัฒนาการจัด กิจกรรมการเรียนรู้ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 2. เป็นแนวทางสำหรับครู และผู้ที่สนใจในการพัฒนาชุดกิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร์ เรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และกลุ่มสาระการเรียนรู้อื่นๆ ต่อไปตามความ เหมาะสม
3 บทที่ 2 เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง การวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยได้ดำเนินการศึกษาเอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง โดยแยกการ นำเสนอเนื้อหาตามลำดับ ดังนี้ 1.ชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ 2.สื่อการสอน 3.โมเมนต์ความเฉื่อย 4.การใช้อุปกรณ์และโปรแกรมต่างๆ 5.งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ การนำเสนอเกี่ยวกับชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ผู้วิจัยได้แบ่งการนำเสนอออกเป็น 5 หัวข้อ คือ 1. ความหมายของชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ชุดปฏิบัติการจะมีลักษณะให้นักเรียนสามารถค้นคว้าหาคำตอบ และเรียนรู้ได้ด้วยตนเอง โดยมีคำถามที่ชี้แนะ ให้นักเรียน ได้ฝึกการสังเกต แปลความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป นักเรียนจะได้ ค้นพบแนวความคิดหลังจากศึกษา 2. จุดมุ่งหมายและประโยชน์ของการเรียนการสอนโดยใช้ชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ เพื่อส่งเสริมให้นักเรียนมีความรู้ความเข้าใจในกิจกรรมของมนุษย์ที่เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ ส่งเสริมความคิดแบบวิทยาศาสตร์และใช้วิธีการทางวิทยาศาสตร์ ปลูกฝังทักษะการสืบสวนสอบสวน ซึ่งจะช่วยให้นักเรียนสามารถนำไปใช้ แก้ปัญหา อื่น ๆ ได้ 3. ประเภทของการจัดกิจกรรมปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ สุนีย์ เหมะประสิทธิ์ (2543 : 87-88) ได้กำหนดชนิดของวิธีสอนแบบทดลอง 3 ชนิด ดังนี้ 1) วิธีสอนแบบทดลองตามชุดปฏิบัติการหรือตามแบบฝึก (Laboratory approach or Cookbook experiment) โดยมุ่งเน้นให้นักเรียนปฏิบัติตามใบงานการทดลอง (Lab sheet) ที่ครู จัดเตรียมไว้ให้เรียบร้อย โดยมุ่งหวังนักเรียนเกิดความรู้ความเข้าใจในข้อเท็จจริงหรือมโนมติและเน้น การตรวจสอบหลักการ กฎ ทฤษฎี
4 2) วิธีการสอนแบบทดลองโดยมีการชี้แนะ (Guided experiment) มุ่งเน้นให้นักเรียน ได้คิดออกแบบการทดลองและคำเนินการทดลองด้วยตนเอง โดยมีครูคอยตั้งคำถามขึ้แนะแนวทาง 3) วิธีสอนแบบทดลองที่แท้จริง (Pure experiment) มุ่งเน้นให้นักเรียนมีวิธีการคิดทั้ง ด้านการเลือก กำหนดปัญหา ตั้งสมมติฐาน การออกแบบการทดลอง ปฏิบัติการทดลองและสรุปผล การทดลองได้ด้วยตนเอง 4. ขั้นตอนการเรียนการสอนโดยใช้ชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ขั้นตอนการสอนปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ซึ่งไม่มีแบบที่กำหนดตายตัว ทั้งนี้มีขั้นตอนในการ สอนรูปแบบคล้าย ๆ กัน คือ 1. ครูตั้งปัญหาให้นักเรียนหรืออาจจะให้นักเรียนเลือกปัญหาที่อยากจะศึกษา 2. ครูเสนอแนะวิธีการรวบรวมข้อมูลหรือใช้วิธีการตามที่ระบุไว้ในแบบเรียน 3. นักเรียนเสนอวิธีการทดลองหรือลงมือปฏิบัติการเพื่อค้นคว้ารวบรวมข้อมูลตามวิธีการที่ ได้รับการเสนอแนะ 4. นักเรียนทำการทดลองโดยสังกตและสรุปผลการทดลองด้วยตนเอง 5. นักเรียนตอบคำถามของครูโดยใช้ข้อมูลจากการทดลอง เพื่อให้นักเรียนสรุปหลักเกณฑ์ จากข้อมูลที่รวบรวมได้และใช้ หลักเกณฑ์เหล่านี้ทานายผลการทดลองที่เกี่ยวข้อง 6. นักเรียนและครูช่วยกันรวบรวมคำตอบ เพื่อสรุปเป็นความคิดรวบยอดหรือเนื้อหาของสิ่ง ที่ศึกษา 5. บทบาทของครูในการจัดการสอนโดยใช้ชุดปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ ประวิตร์ ชูศิลป์ (2524 : 5 -6) กล่าวว่าบทบาทของครูมีอยู่ 3 ตอนด้วยกัน คือ 1. ตอนที่ 1 การอธิบายก่อนการทดลอง ในขั้นอภิปรายก่อนทดลอง ครูจะต้องเตรียมคำถาม ต่างๆ เพื่อกระตุ้นให้นักเรียนอยากรู้อยากเห็น คิด สงสัย หรือแนะแนวทางเพื่อให้นักเรียนได้สืบ เสาะหาคำตอบต่อไป 2. ตอนที่ 2 การให้นักเรียนปฏิบัติการทดลอง ในขั้นทำการทดลอง ครูจะต้องดูแลให้ คำแนะนำต่างๆ อย่างใกล้ชิด คอยกระตุ้น และสนับสนุนและเป็นที่ปรึกษา ไม่ปล่อยให้นักเรียน ปฏิบัติการทดลองตามลำพัง 3. ตอนที่ 3 การอภิปรายผลการทดลอง รูจะต้องเตรียมคำถามต่างๆ เพื่อให้นักรียนสามารถ ใช้ข้อมูลหรือผลการทดลองที่รวบรวมได้สรุปเป็นกฎเกณฑ์ ทฤษฎี หรือหลักการต่างๆ รวมทั้งอภิปราย ถึงข้อผิดพลาดของการทดลองที่อาจเป็นไปได้ด้วย
5 สรุปได้ว่า การเรียนการสอนโดยใช้ชุดปฏิบัติวิทยาศาสตร์ครูทำหน้าที่ให้คำแนะนำต่าง ๆ คอยกระตุ้นให้นักเรียนเกิดความอยากรู้อยากเห็น เพื่อช่วยให้นักเรียนสามารถใช้ข้อมูลหรือผลการ ทดลองที่รวบรวมได้ สรุปผลการทดลองได้ ครูถามคำถามเพื่อให้นักเรียนตอบ ทำรายงานการทดลอง และสามารถอธิบายถึงข้อผิดพลาดของการทดลองได้ สื่อการสอน 1. ความหมายของสื่อการสอน เปรื่อง กุมุท (2519 : 1) กล่าวว่า สื่อการสอน หมายถึงสิ่งต่างๆ ที่ใช้เป็นเครื่องมือหรือ ช่องทางสำหรับทำให้การสอนของครูถึงผู้เรียน และทำให้ผู้เรียนเรียนรู้ตามวัตถุประสงค์หรือ จุดมุ่งหมายที่ครูวางไว้ได้เป็นอย่างดี 2. ประเภทสื่อการสอน กระทรวงศึกษาธิการ(2545, หน้า 8-9) ทุกสิ่งทุกอย่างไม่ว่าจะเป็นคนหรือสัตว์ สิ่งของ สถานที่ เหตุการณ์ หรือความคิดก็ตามถือเป็นสื่อการสอนได้ทั้งสิ้น ขึ้นอยู่กับว่าเราเรียนรู้จากสิ่งนั้นๆ หรือนำสิ่งเหล่านั้นเข้ามาสู่การเรียนรู้ของเราหรือไม่ สื่อทั้งมวลอาจแยกเป็นประเภทใหญ่ๆ ได้ดังนี้ 1) สื่อสิ่งพิมพ์ เช่น หนังสือ วารสาร จุลสาร จดหมาย รายงาน วิทยานิพนธ์ เป็นต้น 2) สื่อเทคโนโลยี เช่น สไลด์ สื่อคอมพิวเตอร์ช่วยสอน การใช้อินเทอร์เน็ตเพื่อการเรียน การสอน การศึกษาผ่านดาวเทียม 3) สื่ออื่นๆ นอกจากสิ่งพิมพ์และสื่อเทคโนโลยีแล้ว ยังมีสื่ออื่นๆ ที่ส่งเสริมการเรียนการสอน ซึ่งมีความสำคัญไม่ยิ่งไปกว่าสื่อ 2 ประเภทดังกล่าว เพราะสามารถอำนวยประโยชน์แก่ ท้องถิ่นที่ขาด แคลนสื่อสิ่งพิมพ์และสื่อเทคโนโลยี สื่อเหล่านี้อาจแบ่งได้เป็น 4 ประเภทดังนี้ 3.1 สื่อบุคคล เช่น บุคลากรในท้องถิ่นที่มีความชำนาญและเชี่ยวชาญ 3.2 สื่อธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม เช่น ปรากฏการณ์แผ่นดินไหว สภาพดินฟ้าอากาศ ห้องเรียน ห้องปฏิบัติการ แหล่งวิทยบริการ หรือแหล่งเรียนรู้ห้องสมุด ชุมชน สังคมวัฒนธรรมสิ่ง เหล่านี้เป็นสื่อที่มีความสำคัญต่อการส่งเสริมการเรียนรู้ซึ่งครูหาได้ไม่ยาก 3.3 สื่อกิจกรรม/กระบวนการ เช่น การแสดงละคร บทบาทสมมติ การสาธิต สถานการณ์จำลอง การจัดนิทรรศการ การไปทัศนศึกษานอกสถานที่การปฏิบัติตามใบงาน 3.4 สื่อวัสดุ/เครื่องมือและอุปกรณ์ เช่น หุ่นจำลอง แผนภูมิ แผนที่ อุปกรณ์ทดลอง วิทยาศาสตร์ เครื่องมือวิชาช่าง เป็นต้น
6 4. ความสำคัญของสื่อการสอน เอ็ดการ์ เดล ได้กล่าวสรุปถึงความสำคัญของสื่อการสอน ดังนี้ 1) สื่อการสอน ช่วยสร้างรากฐานที่เป็นรูปธรรมขึ้นในความคิดของผู้เรียน การฟังเพียง อย่างเดียวนั้น ผู้เรียนจะต้องใช้จินตนาการเข้าช่วยด้วย เพื่อให้สิ่งที่เป็นนามธรรมเกิดเป็นรูปธรรมขึ้น ในความคิด แต่สำหรับสิ่งที่ยุ่งยากซับซ้อน ผู้เรียนย่อมไม่มีความสามารถจะทำได้ การใช้อุปกรณ์เข้า ช่วยจะทำให้ผู้เรียนมีความเข้าใจและสร้างรูปธรรมขึ้นในใจได้ 2) สื่อการสอน ช่วยเร้าความสนใจของผู้เรียน เพราะผู้เรียนสามารถใช้ประสาทสัมผัสได้ ด้วยตา หู และการเคลื่อนไหวจับต้องได้แทนการฟังหรือดูเพียงอย่างเดียว 3) เป็นรากฐานในการพัฒนาการเรียนรู้และช่วยสร้างความทรงจำอย่างถาวร ผู้เรียนจะ สามารถนำประสบการณ์เดิมไปสัมพันธ์กับประสบการณ์ใหม่ๆได้ เมื่อมีพื้นฐานประสบการณ์เดิมที่ ดี อยู่แล้ว 4) ช่วยให้ผู้เรียนได้มีพัฒนาการทางความคิด ซึ่งต่อเนื่องเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันทำให้เห็น ความสัมพันธ์เกี่ยวข้องกับสิ่งต่าง ๆ เช่น เวลา สถานที่ วัฎจักรของสิ่งมีชีวิต 5) ช่วยเพิ่มทักษะในการอ่านและเสริมสร้างความเข้าใจในความหมายของคำใหม่ๆ ให้มาก ขึ้น ผู้เรียนที่อ่านหนังสือช้าก็จะสามารถอ่านได้ทันพวกที่อ่านเร็วได้เพราะได้ยินเสียงและได้เห็น ภาพประกอบ 5. หลักการใช้สื่อการสอนทางวิทยาศาสตร์ กระทรวงศึกษาธิการ (2545, หน้า 8-9) เมื่อเลือกสื่อการจัดการเรียนรู้ให้มีความสอดคล้อง กับจุดมุ่งหมายและเนื้อหาที่กระบวนการจัดการเรียนรู้ แล้วการใช้สื่อการเรียนรู้ที่มีประสิทธิภาพเป็น สิ่งสำคัญที่ผู้สอนควรจะได้ศึกษาหลักการใช้สื่อการจัดการเรียนรู้ดังนี้ 1) การเตรียมตัวของผู้สอน ผู้สอนจำเป็นต้องเตรียมการในด้านต่างๆ ก่อนที่จะนำสื่อ การ เรียนรู้ไปใช้ กล่าวคือ 1.1 ศึกษาเนื้อหาในสื่อการเรียนรู้ที่ได้เลือกไว้ เพื่อตรวจสอบดูว่าเนื้อหามีความสมบูรณ์ ตามที่ต้องการหรือไม่ จะจัดหาหรือจัดทำสื่อชนิดอื่นเพิ่มเติม 1.2 ทดลองใช้สื่อการเรียนรู้บางประเภทซึ่งอาจมีความยุ่งยากในการใช้หรือต้องการ ทดสอบประสิทธิภาพของสื่อชนิดนั้นๆ เช่น ลำดับขั้นตอนการนำเสนอสร้างความเข้าใจให้กับผู้เรียน เพียงพอหรือไม่ เหมาะสมกับเวลาเรียนเพียงใด มีส่วนไหนที่ต้องปรับปรุงแก้ไขบ้าง 1.3 จัดเตรียมอุปกรณ์ เครื่องมือ เพื่อจะได้ไม่เสียเวลาในขณะที่ใช้ เพราะการใช้ เวลานานเกินไปการจัดเตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์จะมีผลให้ผู้เรียนมีแรงจูงใจในการเรียนรู้น้อยลง นอกจากนี้ควรตรวจสอบอุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ ให้ครบถ้วนให้อยู่ในสภาพที่พร้อมใช้งานด้วย
7 2) การเตรียมจัดสภาพแวดล้อมการใช้สื่อการเรียนรู้บางประเภทจะต้องมีการจัดเตรียม สถานที่หรือห้องเรียนให้อยู่ในสภาพที่เหมาะสมกับการใช้สื่อการเรียนรู้ประเภทนั้นๆ ไม่ว่าจะเป็น ตำแหน่งที่เหมาะสมของเครื่องมือและวัสดุอุปกรณ์ระยะที่นั่งที่เหมาะสมของผู้เรียนหรือแสงภายใน ห้อง 3) การเตรียมพร้อมของผู้เรียน การใช้สื่อการเรียนรู้บางอย่างจำเป็นต้องชี้แจงให้ผู้เรียนรู้ วัตถุประสงค์การเรียนรู้โดยใช้สื่อนั้นๆ เป็นการให้ผู้เรียนจะได้เตรียมความพร้อมในการเรียนรู้สื่อนั้นๆ เป็นการให้ผู้เรียนเรียนรู้อย่างมีเป้าหมายและเรียนรู้จะได้เตรียมพร้อมในการเรียนรู้จากสื่อนั้นหากไม่มี การชี้แจงให้รู้ผู้เรียนอาจได้เพียงความเพลิดเพลินหรือเรียนรู้ไม่ตรงตามเป้าหมายย่อมเป็นการใช้สื่อที่ ไม่คุ้มค่าและเสียเวลาโดยเปล่าประโยชน์หรือในกรณีที่ผู้เรียนจะต้องใช้สื่อด้วยตนเอง ผู้สอนก็ต้อง แนะนำวิธีการใช้สื่อนั้นด้วย ที่สำคัญจะต้องบอกว่าผู้เรียนต้องทำกิจกรรมใดบ้างเพื่อจะได้เตรียมตัวได้ ถูกต้อง 4) การใช้สื่อการเรียนรู้ ผู้สอนจะต้องใช้สื่อการเรียนรู้ตามแผนที่กำหนดไว้เพื่อให้การจัดการ เรียนการสอนครั้งนั้นดำเนินไปได้อย่างราบรื่นและให้เกิดการเรียนรู้ที่ต้องการในขณะที่ใช้สื่อใดๆก็ตาม จะต้องพิจารณาว่าผู้เรียนมีปฏิกิริยาอย่างไร ผู้เรียนศึกษาด้วยความสนใจและกระตือรือร้นหรือไม่ ปฏิกิริยาของผู้เรียนที่มีต่อสื่อการเรียนรู้สามารถใช้เป็นเครื่องขี้วัดได้ว่า สื่อการเรียนรู้นั้นมีความ เหมาะสมกับกิจกรรมและผู้เรียนเพียงใด นอกจากนี้ควรมีการใช้เครื่องมือหรือวิธีการต่างๆ ที่จะ ตรวจสอบว่าสื่อการเรียนรู้นั้นมีประสิทธิภาพหรือไม่เพียงใด ซึ่งอาจใช้วิธีการสังเกต การตั้งคำถาม การใช้แบบทดสอบหรือการสอบถามโดยตรง 5) การประเมินโดยใช้สื่อการเรียนรู้ เป็นการนำข้อมูลที่ได้จากการใช้สื่อมาวิเคราะห์ให้เกิด ความชัดเจนว่ามีอุปสรรคปัญหาจากการใช้อย่างไร มีความเหมาะสมกับกิจกรรมและกลุ่มผู้เรียนใน ระดับใด โดยต้องพิจารณาลักษณะทางกายภาพของสื่อและสาระที่สื่อสารออกไปยังผู้เรียน บางครั้งสื่อ การเรียนรู้ที่นำมาใช้นั้นอาจมีความเหมาะสมด้านกายภาพ แต่คุณค่าในด้านสาระยังไม่สามารถทำให้ ผู้เรียนเกิดการเรียนรู้ได้ตามเป้าหมายการประเมินจะช่วยในการตัดสินใจและใช้สื่อการเรียนรู้สำหรับ การจัดการเรียนการสอนในครั้งต่อ ๆ ไป หรือพัฒนโดยการดัดแปลง ปรับปรุง แก้ไข จัดทำเพิ่มเติม ให้มีความเหมาะสมยิ่งขึ้น
8 โมเมนต์ความเฉื่อย (moment of inertia) โมเมนต์ความเฉื่อย หรือที่นิยมใช้ตัวแปรเป็น มีหน่วยเป็นกิโลกรัม.เมตร2 คือ ปริมาณที่ บอกถึง ความสามารถในการต้านการเปลี่ยนสภาพการหมุน สิ่งที่ มีค่ามาก จะต้องใช้แรงบิดหรือ ทอร์กมากเพื่อ ก่อให้เกิดความเร่งเชิงมุม ในปฏิบัติการการหากโมเมนต์ความเฉื่อย สามารถทำได้3 วิธี ได้แก่ 1. การวิธีของฟิสิกัลเพนดูลัม 2. การปล่อยกลิ้ง แล้วจับเวลา และ 3. การใช้แรงทำให้วัตถุ หมุนรอบแกน 1. การหาโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุรูปทรงต่างๆ โดยการใช้ฟิสิกัลเพนดูลัม ภาพที่ 1 ลูกตุ้มรูปร่างไม่แน่นอนเอียงทำมุม ใด ๆ กับแนวดื่งรอบจุดหมุน ฟิสิกัลเพนดูลัม ดังรูปที่ 1 เอียงทำมุม ใด ๆ กับแนวดิ่งรอบจุดหมุน โดยไม่มี แรงเสียด ทานจุดศูนย์ถ่วงอยู่ต่ำกว่าและห่างจากจุดหมุน ℎ ให้มวลของลูกตุ้มเท่ากับ โมเมนต์ความเฉื่อย รอบจุดหมุน = 1 จะได้ทอร์คบิดกลับดังสมการ = −()(ℎsin) (1) หลังจากปล่อยมวล มวลจะแกว่งรอบจุดหมุน เหมือนกับลูกตุ้มนาฬิกา ถ้าให้ มีขนาดเล็กมาก sin0 θ =̃ θ จะได้เป็น = −(mgh)(θ) (2) เมื่อ ℎ = ค่าคงที่ แทนด้วย ′ ′ = − = ℎ Pivo t
9 ความถี่เชิงมุม ⍵ = √ ′ = √ ℎ (3) คาบ = 2√ ′ = 2√ ℎ (4) 2.การหาโมเมนต์ความเฉื่อยโดยการปล่อยกลิ้ง แล้วจับเวลา การกลิ้งเป็นการเคลื่อนที่ลักษณะหนึ่งซึ่งประกอบด้วยการเคลื่อนที่สองแบบ คือ การเคลื่อนที่ แบบเลื่อนตำแหน่ง (translation) พร้อมไปกับการเคลื่อนที่แบบการหมุน (Rotation) ตัวอย่างของ การกลิ้ง เช่น การกลิ้งของลูกโบว์ลิ่ง หรือการกลิ้งของล้อรถยนต์ เป็นต้น ภาพที่ 2 วัตถุกลิ้งลงจากพื้นเอียง พลังงานกลของวัตถุใดๆขณะกลิ้งนั้น เกิดจากพลังงานจลน์เนื่องจากการเลื่อนตำแหน่ง รวมกับพลังงานจลน์เนื่องจากการหมุน และพลังงานศักย์ที่ตำแหน่งนั้น เมื่อวัตถุเริ่มกลิ่ง จากหยุดนิ่งที่ความสูง ℎ จนถึงพื้นล่าง สมการอนุรักษ์พลังงานจะเขียนได้เป็น ℎ = 1 2 2 + 1 2 2 (1) ถ้าพิจารณาวัตถุกลิ้งโดยไม่มีการไถล ความเร็วของการเลื่อนตำแหน่ง คือ ความเร็วของจุด ศูนย์กลางมวล ( = ) เมื่อแทนค่าลงในสมการ (1) จะได้ ℎ
10 ℎ = ( 1 2 + 1 2 2 ) 2 จาก = จะได้ = 2 2 (ℎ 2 2 − 1) (2) โดยที่ คือ มวลของวัตถุที่กลิ้ง คือ รัศมีของวัตถุที่กลิ้ง คือความยาวของพื้นเอียงที่ได้จากการ วัด คือ เวลาที่จากการจับเวลา 3. การหาโมเมนต์ความเฉื่อยโดยใช้การหมุนรอบแกน ใช้หาโมเมนต์ความเฉื่อย () รอบแกนที่ขนานกับโมเมนต์ความเฉื่อยที่จุดศูนย์กลางมวล () ภาพที่ 3 แสดงการหาโมเมนต์ความเฉื่อยโดยใช้แรงหมุนรอบแกน การคำนวณ หาได้จากสูตรสมดุลของแรง = − เมื่อ = แรงตึงเชือก = น้ำหนักของมวลถ่วง และ = แรงที่มวลถ่วงเคลื่อนที่ ด้วยความเร่ง หาทอร์ก = ปริมาณที่ทำให้เกิดการหมุนของวัตถุอันเนื่องมาจากแรงลัพธ์ที่กระทำต่อ วัตถุไม่ผ่านศูนย์กลางมวล จากสูตร = = = ( − )
11 = ( − 2ℎ 2 ) และ = และ = 2ℎ 2 จะได้ 2 ( − 2ℎ 2 ) = 2ℎ 2 ดังนั้น = 2 2 2ℎ ( − 2ℎ 2 ) หรือ = 2 ( 2 2ℎ − 1) จัดสมการให้อยู่ในความสัมพันธ์เชิงเส้น = + ได้ดังนี้ 1 = 2 ( 2 2ℎ − 1) การหาโมเมนต์ความเฉื่อยจากอุปกรณ์ดังรูป... ให้ชั่งมวลถ่วง m วัดรัศมีของล้อ R จากนั้น ปล่อยให้มวลถ่วงตกลงสู่พื้นเป็นระยะ h พร้อมทั้งจับเวลา t นำปริมาณต่างๆที่ได้จากการทดลองมา แทนในสูตรที่ .... เพื่อหาโมเมนต์ความเฉื่อย I การใช้อุปกรณ์และโปรแกรมต่างๆ อุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้างสื่อการสอน 1.บอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์Arduino Nano เป็นบอร์ดอาร์ดูโน่ ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด เนื่องจาก ราคาไม่แพง ภาพที่ 4 Arduino Nano
12 อาดูโนนาโน เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ ATmega328P มีพินอินพุตและเอาต์พุต ดิจิตอล 14 พิน (สามารถใช้เป็นเอาต์พุต PWM ได้ 6 พิน) อินพุตอะนาล็อก 8 พิน เรโซเนเตอร์เซรา มิก 16 MHz สามารถเชื่อมต่อเข้ากับคอมพิวเตอร์ด้วยสาย USB หรือจ่ายไฟด้วยอะแดปเตอร์ AC to - DC หรือแบตเตอรี่เพื่อเริ่มต้นใช้งาน ใช้ซอฟต์แวร์ Arduino IDE ที่ใช้ภาษาซี C/C++ สำหรับการ พัฒนาโปรแกรม ข้อมูลจำเพาะ ตารางที่ 1 ข้อมูลจำเพาะไมโครคอนโทรเลอร์ อาดูโนนาโน ชิปไอซีไมโครคอนโทรเลอร์ ATmega328P ใช้แรงดันไฟฟ้า 5V รองรับการจ่ายแรงดันไฟฟ้า (ที่แนะนำ) 7 – 12V รองรับการจ่ายแรงดันไฟฟ้า (ที่จำกัด) 6 – 20V พอร์ต Digital I/O 14 พอร์ต (มี6 พอร์ต PWM output) พอร์ต Analog Input 8 พอร์ต กระแสไฟที่จ่ายได้ในแต่ละพอร์ต 40 mA แหล่งจ่ายไฟฟ้าให้นอกวงจร 5 V และ 3.3 V พื้นที่โปรแกรมภายใน 32 KB พื้นที่โปรแกรม, 2B ใช้โดย Bootloader พื้นที่แรม 2 KB พื้นที่หน่วยความจำถาวร (EEPROM) 1 KB ความถี่คริสตัล 16 MHz ขนาด 18 x 45 mm ดิจิตอลอินพุต/เอาต์พุต พินดิจิตอลทั้ง 14 ขาบนบอร์ดสามารถใช้เป็น input หรือ output ได้ตามความต้องการ โดยใช้ฟังก์ชั่น pinMode () digitalWrite () และ digitalRead () แต่ละขาทำงานที่แรงดัน 5 โวลต์ สามารถจ่ายหรือรับกระแสไฟฟ้าได้สูงสุด 40 mA และบางขายังมีหน้าที่พิเศษต่างออกไป ดังนี้ ▪ พิน RX (ขา 0) เป็นพินรับสัญญาณสื่อสารแบบอนุกรม พิน TX (ขา 1) เป็นพินส่ง สัญญาณสื่อสารแบบอนุกรม ▪ พิน Interrupts เป็นพินรับสัญญาณอินเตอร์รัพต์ภายนอก (พิน2 และ พิน3) สามารถ กำหนดค่าให้รับสัญญาณขัดจังหวะได้ทั้งแบบลอจิกสูง ลอจิกตํ่า หรือ แบบอื่น ๆ
13 ▪ พินสัญญาณเอาต์พุตแบบ PWM : พิน 3, พิน5 , พิน 6,พิน 9, พิน 10, และ พิน11 สามารถส่งสัญญาณPWM ขนาด8 บิต ด้วยฟังก์ชัน analogWrite () ▪ พินพอร์ตสื่อสารแบบ SPI : พิน SS( พิน 10), พิน MOSI (พิน 11 ), พิน MISO (พิน 12) พิน SCK (พิน13 ) สามารถทำงานได้ในระดับฮาร์ดแวร์ ▪ พินควบคุม LED : พิน 13 เป็นขาที่ต่อกับแอลอีดีที่ติดตั้งบนบอร์ด สามารถใช้ฟังก์ชัน digitalWrite () ไปควบคุมได้เลย อะนาล็อกอินพุต มีอะนาล็อกอินพุต 8 ช่อง (พิน A0- พิน A7) แต่ละช่องมีความละเอียด 10 บิต แบ่ง ระดับความแตกต่าง 1024 ระดับ มี GND 0 โวลต์ ถึงระดับลอจิกหนึ่ง 5 โวลต์ และสามารถ จะเปลี่ยนระดับแรงดันอ้างอิงได้โดยใช้ป้องแรงดันอ้างอิงภายนอกให้ ขา Aref ร่วมกับการใช้ฟังก์ชั่น analogReference() นอกจากนี้ยังมีบางขาที่มีหน้าที่พิเศษ เช่น ▪ พินสื่อสารแบบ I2C : พิน SDA (พิน A4) พิน SCL (พิน A5) ▪ พิน Aref แรงดันอ้างอิงสำหรับอินพุตอะนาล็อก ใช้งานร่วมกับการใช้ฟังก์ชั่น ▪ analogReference() ▪ พินรีเซ็ต เมื่อได้รับลอจิกศูนย์ไมโครคอนโทรลเลอร์ จะรีเซ็ตการทำงาน โดยทั่วไป จะใช้ในการเพิ่มปุ่มรีเซ็ต ไว้ที่วงจรส่วนขยาย 2. เซ็นเซอร์รับแรงกด RP-S40-ST ภาพที่ 5 เซ็นเซอร์รับแรงกด RP-S40-ST
14 เซ็นเซอร์รับแรงกด RP-S40-ST มีช่วงการรับแรงกระแทกเทียบเท่ากับวัตถุ 20 กรัม ถึง 10 กิโลกรัม หลักการทำงานคือ เซ็นเซอร์นี้จะคล้ายกับตัวต้านทาน ที่เมื่อไม่มีแรงมากระทำ จะมีค่าความ ต้านทานสูง แต่เมื่อได้รับแรงมากระทำหรือถูกจับให้บิดงอ จะมีค่าความต้านทานลดลงขึ้นกับขนาด ของแรงที่มากระทำต่อเซ็นเซอร์ข้อมูลจำเพาะ: รุ่น: RP-S40-ST สัญญาณเอาท์พุท: อะนาล็อก ความ ต้านทานขณะยังไม่ได้รับแรงกระทำ มีขนาดประมาณ 10 MΩ เวลาตอบสนอง: น้อยกว่า10 ms ขนาด: 5 × 4 cm2 3. มอเตอร์เซอร์โว (Motor Servo) ภาพที่ 6 Motor Servo มอเตอร์เซอร์โว (Motor Servo) คือ มอเตอร์ที่มีการควบคุมแบบป้อนกลับ (feedback controller) จะต่างจากมอเตอร์ธรรมดาตรงที่มอเตอร์ธรรมดาจะหมุนแบบรอบแกนโดยไม่หยุด จนกว่ากระแสจะหมด แต่มอเตอร์เซอร์โวจะสามารถควบคุมให้ไปหยุดตรงไหนก็ได้เนื่องจากมีการ ควบคุมแบบป้อนกลับ
15 4. จอแอลซีดี (LCD) ภาพที่ 7 จอ LCD เป็นจอแสดงผลผลึกเหลวหรือที่นิยมเรียกว่าจอแอลซีดี (LCD mornitor) ที่ทำมาจากผลึก คริสตอลเหลว หลักการคือด้านหลังจอจะมีไฟส่องสว่าง หรือที่เรียกว่า แบล็คไลท์(Backlight) เมื่อมี การปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปกระตุ้นที่ผลึก ก็จะทำให้ผลึกโปร่งแสง ทำให้แสงที่มาจากไฟแบล็คไลท์ แสดงขึ้นมาบนหน้าจอ ส่วนอื่นที่โดนผลึกปิดกั้นไว้ โปรแกรมอาร์ดูโน่ไอดีอี (Arduino IDE) ภาพที่ 8 โปรแกรม Arduino IDE อาร์ดูโน่ไอดีอี(Arduino IDE) คือ โปรแกรมที่ใช้ในการเขียนโค้ดเพื่อใส่ลงไปใน ไมโครคอนโทรลเลอร์ มีระบบคอมไฟล์ และสามารถอัปโหลดชุดคำสั่งที่เขียนขึ้นนี้ลงบอร์ดอาร์ดูโน่ เพื่อให้ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานตามที่ต้องการ
16 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ธนกุล มานสัจจธรรม (2561:3-69) ได้ทำการวิจัย เรื่อง ออกแบบชุดอเนกประสงค์เพื่อวัด ค่าผลการทดลองในทางฟิสิกส์ผ่านชุดพัฒนา ARDUINO จากสัญญาณอนาล็อก โดยมีจุดมุ่งหมายใน การวิจัยเพื่อ 1) เพื่อศึกษาและออกแบบชุดอเนกประสงค์เพื่อวัดค่าผลการทดลองในทางฟิสิกส์ผ่าน ชุดพัฒนา ARDUINO จากสัญญาณอนาล็อก และ 2) เพื่อวิเคราะห์ผลการทดลองและหาความเคลื่อน ในทางฟิสิกส์ ผ่านโปรแกรมคำนวณ Microsoft Excel จากชุดอเนกประสงค์ผลการวิจัยพบว่า ชุด อเนกประสงค์มีความสามารถในการรับข้อมูลได้ดีในช่วงการทดลองที่มีความถี่ 0.50-100.00 Hz มี ความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 1.00% แต่จากการทดลองเมื่อเพิ่มความถี่เพิ่มมากขึ้นพบว่าค่าความถี่จะมี ค่าความคลาดเคลื่อนเพิ่มมากขึ้น และค่าแอมพลิจูดของสัญญาณมีค่าไม่คงที่ เพราะชุดอเนกประสงค์ ไม่สามารถจับค่าของสัญญาณได้ทันได้ทุกข้อมูลที่ถูกส่งมา ทำให้ชุดอเนกประสงค์นี้ไม่ควรต่อกับชุด การทดลองที่มีค่ความถี่ในการส่งข้อมูลเกิน 5.00 Hz เพราะดำแอมพลิจูดของแต่ละลูกคลื่นมีค่า ต่างกันมาก
17 บทที่ 3 วิธีดำเนินการวิจัย ในการวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยได้ชุดการทดลอง เรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย ประกอบด้วยอุปกรณ์ การทดลองโดยใช้หลักการการหมุนรอบแกน ควบคุมการปล่อยตกและจับเวลาโดยบอร์ดอาดูโน่ และ คู่มือการทดลอง เพื่อนำไปใช้เป็นสื่อการสอน รายวิชาฟิสิกส์ ในเรื่องของโมเมนต์ความเฉื่อย สำหรับ นักเรียนระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น โดยแบ่งขั้นตอนการศึกษาคันคว้าออกเป็น 4 ตอน ดังนี้ ตอนที่ 1 ศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับโมเมนต์ความเฉื่อย ระบบอิเล็กทรอนิกส์ และชุดคำสั่งของ บอร์ด อาร์ดูโน่เพื่อสร้างเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย ที่จะใช้เป็นสื่อการสอน ตอนที่ 2 ออกแบบโครงสร้างของชุดการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย ตอนที่ 3 การทดลองออกแบบปฏิบัติการ ตอนที่ 4 นำชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อยให้คุณครู และเจ้าหน้าที่ของ ปฏิบัติการฟิสิกส์ทดลองใช้งาน เพื่อศึกษาความพึงพอใจต่อการใช้งาน ตอนที่ 1 ศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับโมเมนต์ความเฉื่อย ระบบอิเล็กทรอนิกส์ และชุดคำสั่ง ของบอร์ด อาร์ดูโน่เพื่อสร้างเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย ที่จะใช้เป็นสื่อการสอน 1. ศึกษาข้อมูลความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับโมเมนต์ความเฉื่อยว่ามีหลักการอย่างไร และศึกษา ระบบอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จะนำมาใช้ในการสร้างเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย มีอะไรบ้าง 2. ศึกษาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จะนำมาใช้แต่ละตัว ซึ่งได้แก่ 2.1 บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ 2.2 โหลดเซลล์ 2.3 เซอร์โวมอเตอร์ 2.4 จอแอลซีดี
18 3. ศึกษาระบบควบคุมโดยใช้บอร์อาร์ดูโน่ เขียนโค้ดโปรแกรมควบคุม โหลดเซลล์ มอเตอร์ เซอร์โว การจับเวลา และการแสดงผลเวลาผ่านจอแอลซีดีและทดสอบการทำงานของโค้ดที่ควบคุม โปรแกรมควบคุม โหลดเซลล์ (Load Cell) และ Servo Motor ว่ามีการทำงานของชุดคำสั่งเป็นไป ตามที่ต้องการหรือไม่ เพื่อที่จะนำไปประกอบในเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยต่อไป ภาพที่ 9 การออกแบบการควบคุมระบบอิเล็กทรอนิกส์
19 4. ออกแบบและสร้างวงจรสำหรับเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย ภาพที่ 10 การออกแบบวงจรสำหรับเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย
20 ตอนที่ 2 ออกแบบโครงสร้างของชุดการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย ชุดการทดลองนี้สร้างจากเหล็กนำมาเชื่อมเป็นโครงสร้างขึ้นและนำตุ๊กตาลูกปืนมาเจาะติด บริเวณด้านบนของอุปกรณ์ ใช้ขอบล้อจักรยานเป็นรอก แล้วเพิ่มน้ำหนักด้วยมวลถ่วงบริเวณด้านข้าง เพลาของอุปกรณ์ใช้เป็นเหล็กเส้นกัดเกลียวทั้งเส้น ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มิลลิเมตร เกลียว กว้าง 1.5 มิลลิเมตร และเพิ่มในส่วนของวงจรควบคุมด้วยระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยกาทำงาน จะเริ่มจากใช้เซอร์โวมอเตอร์จับล้อไว้ และเมื่อเริ่มทำงานจะปล่อยมวลในรอกให้เคลื่อนที่ลงพร้อมกับ จับเวลา และเมื่อมวลถ่วงของรอกไปกระทบโหลดเซลล์ จะหยุดจับเวลา เวลาจะแสดงผลผ่าน LCD ภาพที่ 11 การออกแบบชุดการทดลอง ตอนที่ 3 การออกแบบปฏิบัติการ ผู้วิจัยทำการทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย โดยนำวัตถุที่มีรูปร่าง และรูปทรงต่างกัน ดังนี้ วัตถุชิ้นที่ 1 วัตถุทรงกระบอก วัตถุชิ้นที่ 2 วัตถุรูปอื่นๆที่สามารถหาได้
21 นำวัตถุทั้ง 2 มาทดสอบที่เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย เพื่อทดสอบว่าเวลาที่ได้เป็นไปตาม ทฤษฎีหรือไม่ หากผลการทดสอบเฉลี่ยที่ได้อยู่ในค่าที่สามารถ ยอมรับได้และสอดคล้องกับทฤษฎี โมเมนต์ความเฉื่อยจะถือว่าเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยนี้สามารถนำไปใช้เป็นสื่อการสอน เรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อยได้ และทำการปรับปรุงแก้ไขในส่วนที่ บกพร่องต่อไปก่อนนำไปใช้จริงใน สถานศึกษา การทดลองที่ 1 ทดสอบหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของมูเลย์และเพลา (อุปกรณ์เปล่าไม่มีมวลทดลอง) ภาพที่ 12 อุปกรณ์เปล่าไม่มีมวลทดลอง 1.1 ชั่งมวลถ่วง 3 ครั้งเพื่อหา มวลเฉลี่ยและนำมวลที่ชั่งไปปล่อยตก 3 ครั้ง ที่ความสูงจาก เซ็นเซอร์รับแรงกด 85 cm บันทึกเวลาที่ใช้ในการตกแต่ละครั้ง แล้วหาเวลาเฉลี่ย 1.2 ทำซ้ำขั้นตอนที่ 1.1 โดยใช้มวลเฉลี่ยที่ต่างกันอีก 4 ครั้งพร้อมบันทึกผล 1.3 สร้างกราฟแนวโน้มเพื่อหาความสัมพันธ์เชิงเส้น จากสมการ 1 = 2 ( 2 2ℎ − 1) โดยให้แกนตั้ง (Y) แทนด้วยค่า 1 และ แกนนอน (X) แทนด้วยค่า 2 2ℎ − 1 1.4 นำความชันของกราฟมาคำนวณหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อย จากสูตร มูเลย์ = 2 ความชันของกราฟ คือรัศมีของมูเลย์ ที่มีค่า 12 ตารางบันทึกผลการทดลอง ครั้งที่ 1 (kg) ครั้งที่ 2 (kg) ครั้งที่3 (kg) ̅ (kg) 1 (s) 2 (s) 3 (s) ̅(s) 1 2 3 4 5
22 การทดลองที่2. ทดสอบหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกระบอกและวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส ภาพที่ 13 อุปกรณ์เพิ่มวัตถุทรงกระบอก ภาพที่14 อุปกรณ์เพิ่มวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส จากรูปที่ 13 ระบบประกอบด้วย มูเลย์และวัตถุทดลองรูปทรงกระบอก และรูปที่ 14 ระบบ ประกอบด้วย มูเลย์และแผ่นสี่เหลี่ยมจัตุรัส ให้หาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของทั้งระบบโดย ทำซ้ำการทดลองที่ 1 ตั้งแต่ขั้นตอนที่ 1.1 ถึง 1.4 ซึ่งค่าที่ได้จาก 1.4 ให้แทนด้วยตัวแปร ทดลอง จากนั้น จะหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทดลอง(วัตถุทรงกระบอก) โดยการ แทนค่าในสมการ วัตถุ(ทรงหระบอก) = ทดลอง − มูเลย์ โดยให้นำค่า มูเลย์ มาจากการทดลองที่ 1 จากนั้น นำค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุที่ได้จากการทดลองมาเปรียบเทียบกับทฤษฎีเพื่อ หาเปอร์เซ็นต์ Error จากสมการ |ทฤษฎี−วัตถุ(ทรงหระบอก) | ทฤษฎี × 100 ตอนที่ 4 การหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยจากทฤษฎี นำวัตถุทั้งสองชั่งมวล จะได้ค่า ของวัตถุแต่ละชิ้นสำหรับวัตถุทรงกระบอก วัดรัศมี จากนั้นแทนในสูตร = 1 2 2 ส่วนวัตถุสี่เหลี่ยมให้วัดความยาวด้านแต่ละด้านเป็นค่า และ แล้วแทนลงในสูตร = 1 12 ( 2 + 2 )
23 ตอนที่ 5 นำชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อยให้คุณครู และเจ้าหน้าที่ของ ปฏิบัติการฟิสิกส์ทดลองใช้งาน เพื่อศึกษาความพึงพอใจต่อการใช้งาน ขั้นตอนนี้ผู้วิจัยต้องการศึกษาความพึงพอใจต่อการใช้งานชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความ เฉื่อยโดยชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อยไปให้ครูวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และเจ้าหน้าที่ ปฏิบัติการทดลองใช้ และบันทึกผลในแบบประเมินความพึงพอใจดังนี้ แบบประเมินความพึงพอใจการใช้ชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อย แบบสอบถามนี้จัดทำขึ้นเพื่อติดตามประเมินความพึงพอใจต่อการใช้ชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อย เพื่อเป็นข้อมูลในการปรับปรุงพัฒนาการประดิษฐ์ให้เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ โปรดให้ข้อมูลที่เป็นจริงตาม ความคิดเห็นของท่านคำตอบของท่านไม่มีผลกระทบใด ๆ ต่อท่าน ขอขอบคุณที่ให้ความร่วมมือ คำชี้แจง : โปรดเติมเครื่องหมาย ü และกรอกข้อความให้สมบูรณ์ ส่วนที่ 1 ข้อมูลทั่วไปของผู้ตอบแบบสอบถาม 1. สถานะ นักศึกษา อาจารย์ บุคลากร 2. สังกัดคณะ/สำนัก /สถาบัน /หน่วยงาน ………………………………………………………… ส่วนที่ 2 ความพึงพอใจต่อชุดการทดลองเรื่องโมเมนต์ความเฉื่อย ระดับ 5 = มากที่สุดหรือดีมาก 4 = มากหรือดี 3 = ปานกลางหรือพอใช้ 2 = น้อยหรือต่ำกว่ามาตรฐาน 1 = น้อยที่สุด รายละเอียด ระดับความพึงพอใจ 5 4 3 2 1 1. ความเหมาะสมของคุณภาพที่นำมาใช้งาน 2. วัสดุมีความแข็งแรง ทนทาน 3. วัสดุที่เลือกใช้ สามารถหาซื้อได้ง่าย 4. มีความเหมาะสมของรูปร่าง ขนาด สะดวกต่อการใช้งาน 5. ใช้เป็นเครื่องมือวัดโมเมนต์ความเฉื่อยในระดับมัธยมศึกษาได้ดี ส่วนที่ 3 ข้อเสนอแนะอื่น การแปลความหมาย ค่าระดับคะแนน การแปลความหมาย ระดับคะแนนเฉลี่ยน้อยกว่า 1.5 วิกฤต ระดับคะแนนเฉลี่ยตั้งแต่ 1.5 แต่น้อยกว่า 2.5 ควรปรับปรุง ระดับคะแนนเฉลี่ยตั้งแต่ 2.5 แต่น้อยกว่า 3.5 ปานกลาง ระดับคะแนนเฉลี่ยตั้งแต่ 3.5 แต่น้อยกว่า 4.5 ดี ระดับคะแนนเฉลี่ยตั้งแต่ 4.5 หรือมากกว่า ดีเยี่ยม
24 . ศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับโมเมนต์ความเฉื่อย ระบบอิเล็กทรอนิกส์ และชุดคำสั่งของ บอร์ดอาร์ดูโน่เพื่อสร้างเครื่องวัดโมเมนต์ความ เฉื่อยที่จะใช้เป็นสื่อการสอน ทดสอบการทำงานของโค้ด ออกแบบและทำเครื่องวัด โมเมนต์ความเฉื่อย วิเคราะห์และสรุปผล ภาพที่ 15 แผนผังการดำเนินงาน เขียนโค้ดควบคุมโหลดเซลล์ (Loadcell)และ เซอร์โวมอเตอร์ Servo Motor ดำเนินการแก้ไข ดำเนินการแก้ไข ทดสอบประสิทธิภาพ
25 บทที่ 4 ผลการวิเคราะห์ข้อมูล ในการวิจัยครั้งนี้เป็นการศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับการเขียนชุดคำสั่งของบอร์ด อาดูโนนาโนอ่าน ค่าจับเวลา และแสดงผลผลออกทางหน้าจอ LCD เพื่อสร้างเครื่องมือวัดโมเมนต์ความเฉื่อย และการ ทดสอบหลักการการหมุนรอบแกน สำหรับสร้างเป็นสื่อการเรียนรู้ปฏิบัติการโมเมนต์ความเฉื่อย เพื่อ ใช้ประกอบการเรียนรู้ในรายวิชาฟิสิกส์สำหรับนักเรียน ชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น จากนั้นผู้วิจัยได้ทำการ สร้างและทดสอบประสิทธิภาพของสื่อว่าสามารถ นำไปใช้ประกอบการสอนได้หรือไม่ โดยผู้วิจัยขอ นำเสนอผลการวิเคราะห์ตามลำดับ ดังนี้ ตอนที่ 1 เครื่องวัดเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว ตอนที่ 2 การทดลองเปรียบเทียบความแม่นยำของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยกับทฤษฎี ตอนที่ 3 ผลการศึกษาความพึงพอใจต่อการใช้งานเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย
26 ตอนที่ 1 เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว ภาพที่16 เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เครื่องนี้สามารถทดลองปล่อยมวลถ่วงวัดความสูงจากเซ็นเซอร์ได้สูงสุด 85 cm มวลถ่วงไม่ เกิน 1.4 kg ความละเอียดของเวลาที่แสดงสูงสุดคือ 0.01 s รัศมีมูเลย์12 cm ตอนที่ 2 การทดลองเปรียบเทียบความแม่นยำของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยกับ ทฤษฎี ผู้วิจัยทำการทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย โดยนำวัตถุที่มีรูปร่าง และรูปทรงต่างกัน ดังนี้ วัตถุชิ้นที่ 1 วัตถุทรงกระบอก วัตถุชิ้นที่ 2 วัตถุรูปอื่นๆที่สามารถหาได้ นำวัตถุทั้ง 2 มาทดสอบที่เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย เพื่อทดสอบว่าเวลาที่ได้เป็นไปตาม ทฤษฎีหรือไม่ หากผลการทดสอบเฉลี่ยที่ได้อยู่ในค่าที่สามารถ ยอมรับได้และสอดคล้องกับทฤษฎี
27 โมเมนต์ความเฉื่อยจะถือว่าเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยนี้สามารถนำไปใช้เป็นสื่อการสอน เรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อยได้ และทำการปรับปรุงแก้ไขในส่วนที่ บกพร่องต่อไปก่อนนำไปใช้จริงใน สถานศึกษา 1. ทดสอบหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของมูเลย์และเพลาจากการทดลองที่ 1 ผลที่ได้เป็น ตามที่ 2 ตารางที่ 2 ตารางบันทึกผลการทดลองที่ 1 ครั้งที่ 1 (kg) ครั้งที่ 2 (kg) ครั้งที่3 (kg) ̅ (kg) 1 (s) 2 (s) 3 (s) ̅(s) 1 0.056 0.056 0.055 0.056 2.40 2.49 2.58 2.49 2 0.106 0.107 0.106 0.106 1.89 1.89 1.88 1.89 3 0.158 0.158 0.159 0.158 1.58 1.58 1.59 1.58 4 0.209 0.210 0.210 0.210 1.38 1.39 1.4 1.39 5 0.261 0.261 0.261 0.261 1.28 1.38 1.28 1.31 ภาพที่ 17 กราฟแนวโน้มเพื่อหาความสัมพันธ์เชิงเส้นการทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของมูเลย์ จากสมการ 1 = 2 ( 2 2ℎ − 1) จะได้ความสัมพันธ์ว่า ความชันของกราฟ = 2 ดังนั้น มูเลย์ = 2 ความชันของกราฟ y = 0.542x - 0.9516 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 20.000 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 การทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของระบบ
28 มูเลย์ = 0.122 0.542 มูเลย์ = 0.0266 kg. m2 2. ทดสอบหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกระบอกและวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยทำการ ทดลองที่ 2 ตารางที่ 3 ผลการทดลองของวัตถุทรงกระบอก ครั้งที่ 1 (kg) ครั้งที่ 2 (kg) ครั้งที่3 (kg) ̅ (kg) 1 (s) 2 (s) 3 (s) ̅(s) 1 0.051 0.051 0.052 0.051 3.15 3.16 3.12 3.14 2 0.121 0.122 0.122 0.122 2.31 2.27 2.30 2.29 3 0.192 0.193 0.193 0.193 1.91 1.93 1.90 1.91 4 0.225 0.224 0.226 0.225 1.68 1.70 1.69 1.69 5 0.266 0.266 0.267 0.266 1.53 1.52 1.53 1.53 ภาพที่ 18 กราฟการทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉลื่อยของแผ่นทรงกระบอก ทดลอง = 2 ความชันของกราฟ ทดลอง = 0.122 0.3685 ทดลอง = 0.0391 . 2 y = 0.3685x - 1.6061 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 การทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉลื่อยของแผ่นทรงกระบอก
29 จากการทดลองค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกระบอกมีค่าเท่ากับ วัตถุ = ทดลอง − มูเลย์ วัตถุ = 0.0391 − 0.0266 วัตถุ = 0.0125 kg. m 2 นำค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุที่ได้จากการทดลองมาเปรียบเทียบกับทฤษฎีเพื่อหา เปอร์เซ็นต์ Error จากทฤษฎีค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกระบอกหาได้จาก = 1 2 2 มวลของวัตถุทรงกระบอกที่ผู้วิจัยนำมาทดลองมีค่าเท่ากับ 2.525 kg รัศมีของพื้นที่หน้าตัดทรงกระบอกมีค่าเท่ากับ 10 cm จะได้ว่า ทฤษฎี = 1 2 (2.525)(0.012 ) ได้ ทฤษฎี= 0.0126 kg. m 2 เทียบกับการทดลอง วัตถุ = 0.0125 kg. m 2 เมื่อเปรียบเทียบค่าโมเมนต์ความเฉื่อยจากการทดลองกับทฤษฎีแล้วจะเห็นได้ว่ามีค่าความ คลาดเคลื่อน ร้อยล่ะ 0.79% ตารางที่ 4 ผลการทดลองของวัตถุสี่เหลี่ยมจัตุรัส ครั้งที่ 1 (kg) ครั้งที่ 2 (kg) ครั้งที่3 (kg) ̅ (kg) 1 (s) 2 (s) 3 (s) ̅(s) 1 0.056 0.055 0.056 0.056 7.66 7.62 7.64 7.64 2 0.116 0.118 0.118 0.117 5.21 5.22 5.21 5.21 3 0.160 0.160 0.160 0.160 4.66 4.66 4.66 4.66 4 0.210 0.211 0.210 0.210 4.23 4.22 4.21 4.22 5 0.283 0.282 0.282 0.282 3.35 3.36 3.34 3.35
30 ภาพที่ 19 กราฟการทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉลื่อยของแผ่นสี่เหลี่ยม ทดลอง = 2 ความชันของกราฟ ทดลอง = 0.122 0.0544 ทดลอง = 0.0265 . 2 จากการทดลองค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกระบอกมีค่าเท่ากับ วัตถุ = ทดลอง − มูเลย์ วัตถุ = 0.2647 − 0.0266 วัตถุ = 0.238 . 2 3. นำค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุที่ได้จากการทดลองมาเปรียบเทียบกับทฤษฎีเพื่อหา เปอร์เซ็นต์ Error จากทฤษฎีค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุทรงกระบอกหาได้จาก = 1 12 ( 2 + 2 ) มวลของวัตถุทรงกระบอกที่ผู้วิจัยนำมาทดลองมีค่าเท่ากับ 4.886 kg ด้านกว้างและด้านยาวของรูปทรงสี่เหลี่ยมมีค่าเท่ากับ 10 cm y = 0.0544x - 0.2873 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 20.000 0.000 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 400.000 การทดลองหาค่าโมเมนต์ความเฉลื่อยของแผ่นสี่เหลี่ยม
31 จะได้ว่า ทฤษฎี = 1 12 (4.886)(0.6 2 + 0.6 2 ) ได้ ทฤษฎี = 0.293 kg. m 2 เทียบกับการทดลอง วัตถุ = 0.238 kg. m 2 เมื่อเปรียบเทียบค่าโมเมนต์ความเฉื่อยจากการทดลองกับทฤษฎีแล้วจะเห็นได้ว่ามีค่าความ คลาดเคลื่อน ร้อยล่ะ 18.77% ตอนที่ 3 ผลการศึกษาความพึงพอใจต่อการใช้งานเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย 3.1 ข้อมูลทั่วไป ตารางที่5 ข้อมูลทั่วไป ได้แก่ เพศ สถานะ และสังกัด/หน่วยงาน รายการ จำนวน/คน ร้อยละของผู้ตอบแบบสอบถาม สถานะ 1. เจ้าหน้าที่ปฏิบัติการ 2. ครูวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 1 9 10 90 สังกัด/หน่วยงาน 1. มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 2. โรงเรียนอุดรพิทยานุกูล 1 9 10 90 รวม 10 100.00 จากตารางที่ 8 พบว่า ส่วนใหญ่เป็นครูวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จำนวน 9 คน คิดเป็นร้อย ละ 90 และเจ้าหน้าที่ปฏิบัติการ จำนวน 1 คน คิดเป็นร้อยละ 10 สังกัด/หน่วยงาน มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี จำนวน 1 คน คิดเป็นร้อย 10 และโรงเรียน อุดรพิทยานุกูล จำนวน 9 คน คิดเป็นร้อยละ 90
32 3.2 ผลการประเมินความพึงพอใจต่อการใช้เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย ตารางที่ 6 ผลการประเมินความพึงพอใจต่อการใช้เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย รายละเอียด x̅ S. D. ระดับ ความคิดเห็น 1. ความเหมาะสมของคุณภาพที่นำมาใช้งาน 4.43 0.32 ดี 2. วัสดุมีความแข็งแรง ทนทาน 4.10 0.62 ดี 3. วัสดุที่เลือกใช้ สามารถหาซื้อได้ง่าย 4.02 0.43 ดี 4. มีความเหมาะสมของรูปร่าง ขนาด สะดวกต่อการใช้งาน 4.52 0.30 ดีเยี่ยม 5. ใช้เป็นเครื่องมือวัดโมเมนต์ความเฉื่อยในระดับมัธยมศึกษาได้ดี 4.57 0.31 ดีเยี่ยม รวม 4.33 0.14 ดี จากตารางที่ 9 พบว่า 1) ความเหมาะสมของคุณภาพที่นำมาใช้งาน มีระดับความพึงพอใจอยู่ ในระดับดี 2) วัสดุมีความแข็งแรง ทนทาน มีระดับความพึงพอใจอยู่ในระดับดี 3) วัสดุที่เลือกใช้ สามารถหาซื้อได้ง่าย สะดวกต่อการใช้งาน มีระดับความพึงพอใจอยู่ในระดับดี 4) มีความเหมาะสม ของรูปร่าง ขนาด สะดวกต่อการใช้งาน มีระดับความพึงพอใจอยู่ในระดับดีเยี่ยม 5) ใช้เป็นเครื่องมือ วัดโมเมนต์ความเฉื่อยในระดับมัธยมศึกษาได้ดีมีระดับความพึงพอใจอยู่ในระดับดีเยี่ยม โดยรวมมี ความพึงพอใจต่อเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยอยู่ในระดับดี
33 บทที่ 5 สรุป อภิปรายผล และข้อเสนอแนะ ในการวิจัยครั้งนี้เป็นการศึกษาการเขียนชุดคำสั่งของอาร์ดูโน่โดยใช้โปรแกรม ภาษาอาร์ดูโน่ ที่ด้วยโปรแกรมอาร์ดูโน่ไอดีอี (Arduino IDE) ในการควบคุมการปล่อยหยุดและจับเวลา เพื่อสร้าง เครื่องมือการทดลองโมเมนต์ความเฉื่อย โดยใช้หลักการหมุนรอบแกน จากวัสดุที่หาได้ง่ายและราคา ถูก และสามารถใช้หาโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุได้หลายรูปร่าง สำหรับสร้างเป็นสื่อการสอน รายวิชาฟิสิกส์ ในเรื่องของโมเมนต์ความเฉื่อย สำหรับนักเรียนระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนต้น ผู้วิจัยได้ สรุป อภิปรายผล และให้ข้อเสนอแนะ ดังนี้ สรุปผล 1. ระบบอิเล็กทรอนิกส์ และชุดคำสั่งแสดงผลค่าโมเมนต์ความเฉื่อยของบอร์ด อาดูโนนาโน จากการศึกษาและทดสอบการทำงานของระบบเครื่องวัดวัดโมเมนต์ความเฉื่อย พบว่า ส่วนที่ 1 บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์โหลดเซลล์เซอร์โวมอเตอร์และจอแอลซีดี สามารถใช้งานได้อย่างดี ส่วนที่ 2 ชุดคำสั่ง ชุดคำสั่งที่ใช้จะประกอบด้วย ชุดคำสั่งควบคุมโดยใช้บอร์อาร์ดูโน่ เขียนโค้ดโปรแกรมควบคุม โหลดเซลล์ มอเตอร์เซอร์โว การจับเวลา และการแสดงผลเวลาผ่านจอ แอลซีดีและทดสอบการทำงานของโค้ดที่ควบคุม โปรแกรมควบคุม โหลดเซลล์ (Load Cell) และ Servo Motor ซึ่งทุกคำสั่งสามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ ส่วนที่ 3 จอแสดงผล จอแสดงผลที่ใช้เป็นจอ LCD 20x4 การแสดงผลจะให้แถวที่ 2 และ แถวที่ 3 ในการแสดงผล ซึ่งคำที่แสดงเมื่อออุปกรณ์พร้อมทำงานคือ Ready to start เมื่อ อุปกรณ์กำลังทำงาน จะแสดงคำว่า Timing และเมื่อทำงานเสร็จสิ้น จะแสดงคำว่า Time is และตาม ด้วยเวลา ซึ่งจอแสดงผลสามารถทำงานได้ดี 2. การเปรียบเทียบความแม่นยำของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยกับทฤษฎีซึ่งได้ค่าร้อยละ ดังนี้
34 ตารางที่ 7 เปรียบเทียบความแม่นยำของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยกับทฤษฎี รูปร่าง/รูปทรงของวัตถุที่วัด เครื่องวัดโมเมนต์ความ เฉื่อย โมเมนต์ความเฉื่อย จากทฤษฎี ร้อยละของ ความแม่นยำ 1. โมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุรูป ทรงกระบอก 0.0125 0.0126 99.21 2. โมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุรูปอื่นๆ ที่สามารถหาได้ 0.293 0.238 81.23 จากตารางที่ 10 เปรียบเทียบความแม่นยำของเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยเทียบกับทฤษฎีมี ค่าร้อยละมากกว่า 80.00 ขึ้นไป ซึ่งสามารถนำไปวัดค่าโมเมนต์ความเฉื่อยได้ใกล้เคียงเครื่องวัด โมเมนต์ความเฉื่อยต้นแบบมาก 3. ผลการประเมินความพึงพอใจต่อการใช้เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย โดยรวมมีความพึง พอใจต่อเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อยอยู่ในระดับดี อภิปรายผล การวิจัยในครั้งนี้การสร้างเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย ใช้เป็นสื่ออุปกรณ์สำหรับวัดค่า โมเมนต์ความเฉื่อย ในปฏิบัติการทางฟิสิกส์เกี่ยวกับเนื้อหา เรื่อง โมเมนต์ความเฉื่อย พบว่า ยังมี ข้อจำกัด คือ วัตถุที่นำมาทดลองจะต้องเป็นเป็นวัตถุที่มีรูผ่านจุดศูนย์กลางมวลขนาด 10 มิลลิเมตร แต่เครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย มีข้อดี คือ สามารถวัดค่าโมเมนต์ความเฉื่อยได้มีค่าความแม่นยำ ใกล้เคียงกับทฤษฎีมากกว่าร้อยละ 80.00 และผลของความพึงโดยรวมมีความพึงพอใจต่อเครื่องวัด โมเมนต์ความเฉื่อยอยู่ในระดับดี ซึ่งเป็นที่น่าพอใจและใช้งานได้สำหรับเป็นสื่ออุปกรณ์สำหรับวัดค่า โมเมนต์ความเฉื่อยในรายวิชาฟิสิกส์สำหรับนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย ข้อเสนอแนะ 1. ฐานของอุปกรณ์ที่ใช้ควารเป็นวัตถุที่เป็นเสถียรภาพ ทนต่อแรงกระแทก ไม่โยกและต้อง สามารถถอด ประกอบ เคลื่อนย้ายได้ง่าย และราคาถูก 2. วัสดุที่นำมาทดลองควรมีมวลใกล้เคียงกับอุปกรณ์ เพื่อให้ได้ค่าโมเมนต์ความเฉื่อยที่มี เปอร์เซ็นความคลาดเคลื่อนต่ำ 3. แหล่งจ่ายไฟควรมีกระแสไฟฟ้ามากกว่า 8 แอมป์ เพื่อให้ชุดการทดลองทำงานได้อย่าง สมบูรณ์
35 บรรณานุกรม ไพฑูลย์ มะณู. (2555). ความหมายของสื่อการสอน. [ออนไลน์]. แหล่งที่มา : https://www.gotoknow.org/posts/231415.\ ครูประภาส สุวรรณเพชร. 2560). เรียนรู้และลองเล่น ARDUINO เบื้องต้น.. [ออนไลน์]. แหล่งที่มา : https://www.praphas.com/index.php/2008-11-03-14-25-25/51- arduino/96- 2-arduino ไพศาล คิ้มเข้ม. และ พิพัฒน์ ดีดศรี. (2560).โครงสร้างของ บอร์ด Arduino uno r3. [ออนไลน์]. แหล่งที่มา : http://paisal-pipat.blogspot.com/2017/05/arduino-uno-r3.htm จรัส บุญยธรรมมา. (2545). โมเมนต์ความเฉื่อย ฟิสิกส์ราชมงคล. (ออนไลน์). แหล่งที่มา : http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/explorescience/inertia /inertia. Arduino.cc. Specific of Arduino Nano. [Online]. Available from : https://store.arduino.cc/products/arduino-nano. DAVID J. GRIFFITHS. (2018). INTRODUCTION TO ELECTRODYNAMICS. (4TH Edition). Melbourne : Cambridge CB2 8BS. DigiKey. (2023). Hall Effect Sensor Single Axis TO-92-3. [Online]. Available from https://www.digikey.com/en/products/detail/texasinstruments/DRV5055A4ELPGQ1/10454012. Cevdet Akyel. (2010). Calculation of the Magnetic Field Created by a Thick Coil. [Online]. Available from https://www.researchgate.net/publication/ 245380294_Calculation_of_the_Magnetic_Field_Created_by_a_Thick_Coil
36 ภาคผนวก
37 ภาคผนวก ก การจัดทำเครื่องวัดโมเมนต์ความเฉื่อย
38 ออกแบบโครงสร้างของชุดการทดลอง ออกแบบวงจรของชุดการทดลอง
39 ภาคผนวก ข ชุดคำสั่งของโปรแกรม Ardunio
40 unsigned long t1 = 0; //มีแต่ตัวแปลบวก จะไม่เก็บตัวแปลลบ unsigned long t2 = 0; int TStart = 0; int TStop = 0; #include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); #include <Servo.h> Servo SV3; //L Servo SV4; //R void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(11,OUTPUT); lcd.begin(); lcd.backlight(); delay(100); SV3.attach(10);//ขา9ควบคุมServo SV4.attach(9); } void loop(){ while(digitalRead(A0) == HIGH){ TStart = 0; TStop = 0; lcd.setCursor(0, 2); lcd.print(" Ready to Start "); SV3.write(180); SV4.write(90); delay(100); } if(TStart == 0){ TStart = 1; t1 = millis(); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print(" timing ");
41 SV3.write(90); SV4.write(180); } if(analogRead(A2) < 1000 && TStop == 0){ TStop = 1; t2 = millis(); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("Time is "); lcd.print(float(t2 - t1)/1000); lcd.print(" seconds ");} Serial.println(analogRead(A2)); }