รรร

555

สสสส

ป้ายโรงเรียน

ป้ายโรงเรียน

แผนการสอนที่ 1

www

wweeeeee

แผน26

แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 26
รายวิชาฟิสิกส์ รหัสวิชา ว 40205 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์
โรงเรียนเพชรละครวิทยา ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ภาคเรียนที่ 1
สาระที่ 5 : พลังงาน เรื่อง ลักษณะของไฟฟ้ากระแสสลับ,การวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้า,การต่อตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ เวลา 2.00 ชั่วโมง
วันที่.......................................................................ผู้สอน.........................................................................
..........................................................................................................................................................................
มาตรฐาน ว 5.1 เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับการดำรงชีวิต การเปลี่ยนแปลงพลังงาน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารและพลังงาน ผลของการใช้พลังงานต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม มีกระบวนการสืบเสาะหาความรู้ สื่อสารสิ่งที่เรียนรู้และนำความรู้ไปใช้ประโยชน์
ตัวชี้วัด สำรวจตรวจสอบ วิเคราะห์และอธิบายเกี่ยวกับไฟฟ้ากระแสสลับ ปริมาณที่เกี่ยวข้องและการนำไปใช้ประโยชน์
…………………............…………………………………………………………………………………….
ผลการเรียนรู้ที่คาดหวัง
1. บอกลักษณะของกราฟระหว่างความต่างศักย์กับเวลาในวงจรที่ตัวต้านทานต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับได้
2. สรุปความสัมพันธ์ระหว่างกระแสกับเวลา และความต่างศักย์กับเวลา ที่มีการเปลี่ยนค่าในรูปของฟังก์ชันไซน์ได้
3. อธิบายค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความต่างศักย์ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับได้
4. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างค่าสูงสุดกับค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยของกำลังสองของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับได้
5. บอกความหมายของค่าความต้านทานเชิงความจุ ความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำและบอกได้ว่าค่ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำขึ้นกับค่าความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ

เนื้อหา
ไฟฟ้ากระแสสลับ เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีค่าแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า เปลี่ยนแปลง
กับเวลาโดยที่แรงดันและกระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นฟังก์ชันแบบ sine ด้วยความถี่คงที่ ซึ่งความถี่
ดังกล่าวจะเป็น 50 Hz หรือ 60 Hz ก็ขึ้นอยู่กับแต่ละประเทศ สำหรับในประเทศไทย ความถี่ไฟฟ้ามีค่า 50 Hz สำหรับบางประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา จะมีค่า 60 Hz ลองพิจารณาลักษณะของรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับกับกระแสตรง ดังต่อไปนี้



รูปที่ 1 แสดงรูปคลื่นไฟฟ้าของไฟฟ้ากระแสสลับและรูปที่ 2 แสดงรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสตรง ข้อแตกต่างที่เห็นชัดเจนก็คือ ไฟฟ้ากระแสสลับมีความถี่เฉพาะ ในขณะที่ไฟฟ้ากระแสตรงมีความถี่เป็นศูนย์
เนื่องจากไฟฟ้ากระแสสลับจะมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา(t) ดังนั้นในการเขียนค่าความสัมพันธ์ต่างๆ เช่น แรงเคลื่อนไฟฟ้า,ความต่างศักย์ หรือกระแสไฟฟ้าจะอยู่ในความสัมพันธ์ของฟังก์ชัน sine ซึ่งจะเขียนได้ดังนี้
e = Emsint ………….(1)
i = Imsint ………….(2)
v = Vmsint ………….(3)
เมื่อ E , i , v คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ ตามลำดับ
Em , Im, Vm คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุด ,กระแสไฟฟ้าสูงสุด และความต่างศักย์สูงสุด
ตามลำดับ
 คือ ค่าความถี่เชิงมุม = เมื่อ f คือ ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ
เนื่องจากกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ของไฟฟ้ากระแสสลับมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของกระแสไฟฟ้ากลับไปกลับมา จึงไม่อาจใช้เครื่องวัดไฟฟ้าสำหรับไฟฟ้ากระแสตรงมาวัดได้ มิเตอร์ที่ใช้วัดค่ากระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ในวงจรกระแสสลับ มีการออกแบบสำหรับใช้วัดค่ากระแสหรือความต่างศักย์ในวงจรโดยเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรงเสียก่อน โดยค่าที่วัดได้ เรียกว่า ค่ายังผล (effective value) ซึ่งค่านี้วัดได้จากมิเตอร์ จึงเรียกว่า ค่ามิเตอร์(meter value)
ความสัมพันธ์ระหว่างค่าสูงสุดกับค่ามิเตอร์ หรือ rms
เมื่อป้อนกระแส i = Imsint กับความต้านทาน R จะเกิดกำลังบนความต้านทาน R
P = i2R = [(Im)2 sin2t]R = [(Im)2R]sin2t
เมื่อป้อนกระแสคงที่ I บนความต้านทาน R ก็จะเกิดกำลังบนความต้านทาน R
P = I2R
ดังนั้น สำหรับกระแสสลับ จะได้ว่า [(Im)2R]sin2t = I2R
เนื่องจากเทอม [(Im)2R]sin2t จะมีค่าเป็นบวกตลอดและจะมีค่าไม่คงที่ ดังนั้นเราต้องทำการเฉลี่ยค่า sin2t ซึ่งเมื่อเฉลี่ยแล้วจะได้เท่ากับ 1/2 นั่นคือจะได้ [(Im)2R] in2t = I2R
[1/2] (Im)2R = I2R
ดังนั้น ….……….(4)
โดยทางไฟฟ้ากระแสสลับ เราจะเรียกค่า I ดังกล่าวว่าค่า rms (Root Means Square ) หรือค่ายังผล (Effective ) เขียนย่อคือ Irms ในทำนองเดียวกัน กรณีของค่าของความต่างศักย์ไฟฟ้าและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเราจะพิสูจน์ได้ว่า ..…………(5)
…………..(6)
โดยทั่วไปเครื่องวัดปริมาณต่างๆของไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น ความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า จะออกแบบให้วัดค่า rms เช่น ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ตามบ้านเรือนที่เขียนว่า 220 V ค่านี้หมายถึงค่ายังผล หรือ rms ซึ่งถ้าจะหาค่าสูงสุดก็จะได้เท่ากับ 220 x = 311 โวลต์
ส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ได้แก่ ตัวต้านทาน (R) ตัวเก็บประจุ (C) และ
ขดลวดเหนี่ยวนำ (L)
1. ตัวต้านทาน (R) เมื่ออยู่ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีกระแสไฟฟ้า I และมีความต่างศักย์ V จะมีสมบัติเหมือนกันและคำนวณหาความต้านทาน (R)โดยใช้กฎของโอห์ม คือ
………….(7)
2. ตัวเก็บประจุ (C) สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าคือ เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เป็นแผ่นโลหะที่มีฉนวนกั้นตรงกลาง ดังนั้น ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงกระแสจึงผ่านไม่ได้ จึงถือว่ามีความต้านทานสูงมาก(R = ) แต่ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ แม้ว่ากระแสจะผ่านไม่ได้ แต่จะมีการเหนี่ยวนำกลับไปกลับมาระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองข้างทำให้คล้ายมีกระแสผ่านได้ แต่ตัวของมัน
จะมีสมบัติต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า จึงคล้ายมีความต้านทาน ซึ่งเรียกว่า “ความต้านทานเชิงความจุ” (XC) มีหน่วยเป็นโอห์ม
…………(8)
3. ขดลวดเหนี่ยวนำ (L) สัญลักษณ์ทางไฟฟ้า คือ
ขดลวดเหนี่ยวนำทำจากลวดตัวนำหุ้มด้วยฉนวนบางๆแล้วพันรอบแกน ดังนั้น ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงจึงมีความต้านทานน้อยมาก(0) แต่ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวเหนี่ยวนำจะมีสมบัติต้านการไหลของกระแสไฟฟ้า จึงคล้ายมีความต้านทาน ซึ่งเรียกว่า “ ความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำ” (XL ) มีหน่วยเป็นโอห์ม
………….(9)
เมื่อ L คือ ค่าความเหนี่ยวนำ หน่วยเป็นเฮนรี่

การจัดกระบวนการเรียนรู้
1. ขั้นสร้างความสนใจ
ครูทบทวนความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้ากระแสสลับที่ได้ศึกษามาในหน่วยฯที่ 3 โดยพิจารณาในช่วงที่มีการหมุนขดลวดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งเมื่อต่อตัวต้านทานกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแล้วจะเกิดกระแสเหนี่ยวนำจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าผ่านตัวต้านทานเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ โดยค่ากระแสกับเวลาจะมีการเปลี่ยนแปลงดังกราฟรูปที่ 1

2. ขั้นสำรวจและค้นหา
1. ครูชี้ให้นักเรียนเห็นว่าขดลวดตัวนำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนด้วยอัตราเร็วเชิงมุม  คงตัวในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ ซึ่งอัตราเร็วเชิงมุม  นั้น จะมีความสัมพันธ์กับความถี่ f ของการหมุนตามสมการ ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงค่าซ้ำเดิมของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้ามีการเปลี่ยน f รอบใน 1 วินาทีด้วย ซึ่งเรียกว่า เป็นความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับ
2. ครูให้ความรู้ว่า เนื่องจากไฟฟ้ากระแสสลับจะมีค่าเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา(t) ดังนั้น
ในการเขียนค่าความสัมพันธ์ต่างๆ เช่น แรงเคลื่อนไฟฟ้า,กระแสไฟฟ้า หรือความต่างศักย์ จะอยู่
ในความสัมพันธ์ของฟังก์ชัน sine ซึ่งจะเขียนได้ดังสมการที่ (1) e = Emsint สมการที่ (2) i = Imsint และสมการที่ (3) v = Vmsint ตามลำดับ
3. ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับปัญหาที่เกิดขึ้น ถ้าใช้มิเตอร์สำหรับวัดความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ไปวัดความต่างศักย์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ จะวัดไม่ได้เพราะเข็มของมิเตอร์จะเบนกลับไปกลับมาเร็วมากและไม่สามารถอ่านค่าได้ จึงมีการดัดแปลงเพื่อใช้วัดค่ากระแสหรือความต่างศักย์ในวงจรกระแสสลับ ค่าที่วัดได้ เรียกว่า ค่ายังผล (effective value) ซึ่งค่านี้วัดได้จากมิเตอร์ จึงอาจเรียกว่า ค่ามิเตอร์(meter value) ด้วย
4. ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายความสัมพันธ์ระหว่างค่าสูงสุดและค่า rms จนได้ข้อสรุป ดังนี้
4.1 ค่าสูงสุด หมายถึง แอมพลิจูดของรูปฟังก์ชันไซน์ที่เขียนระหว่างค่าความต่างศักย์
ไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้ากับเวลา
4.2 ค่า rms คือ ค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้ามีอีกชื่อหนึ่งว่า ค่ายังผล ซึ่งค่านี้วัดได้จากมิเตอร์ จึงอาจเรียกว่า ค่ามิเตอร์
4.3 อัตราส่วนระหว่างค่า rms ต่อค่าสูงสุดมีค่าเท่ากับ หรือ 0.707 ซึ่งสามารถเขียนให้อยู่ในรูปความสัมพันธ์ดังสมการที่ (4),(5) และ (6)
5. ครูชี้ให้นักเรียนเห็นว่า ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับนั้น จะใช้มิเตอร์ที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะวัดกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้า ค่าที่อ่านนั้นคือ ค่ายังผล ถ้าต้องการทราบค่ากระแสสูงสุด ใช้ความสัมพันธ์ หรือความต่างศักย์สูงสุดใช้ความสัมพันธ์ เมื่อ Irms และ Vrms เป็นค่ากระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่อ่านได้จากมิเตอร์โดยตรง
เพื่อความเข้าใจในเรื่องนี้ ครูยกตัวอย่างว่า ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน ที่เขียนว่า 220 โวลต์ เป็นค่า และจะหาค่า ได้จาก = =311.13 โวลต์ จากนั้นร่วมกันทำแบบฝึกเสริมประสบการณ์ในเอกสารประกอบการสอน
6. ครูนำอภิปรายเกี่ยวกับส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งได้แก่ ตัวต้านทาน (R) ตัวเก็บประจุ (C) และขดลวดเหนี่ยวนำ (L) จนได้ข้อสรุปว่า
6.1 ความต้านทานของตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ หาได้จากกฎของโอห์มดังสมการที่ (7)
6.2 ความต้านทานของตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่เรียกว่า “ความต้านทานเชิงความจุ” (XC) มีหน่วยเป็นโอห์มนั้น หาได้จากสมการที่ (8)
6.3 ความต้านทานของขดลวดเหนี่ยวนำในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ที่เรียกว่า “ความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำ” (XL ) มีหน่วยเป็นโอห์มนั้น หาได้จากสมการที่ (8)
7. ครูและนักเรียนร่วมกันทำแบบฝึกเสริมประสบการณ์ในเอกสารประกอบการสอน ทั้งนี้ตามความเหมาะสมกับเวลา

3. ขั้นลงข้อสรุป ครูสอบถามนักเรียนด้วยประเด็นต่างๆ ดังต่อไปนี้
1. ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในประทศไทยมีความถี่กี่เฮิร์ต (50 เฮิร์ต)
2. ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสกับเวลา และความต่างศักย์กับเวลา ที่มีการเปลี่ยนค่าในรูปของฟังก์ชันไซน์เขียนในรูปสมการว่าอย่างไร( i = Imsint และ v = Vmsint )
3. ค่าค่ายังผล หรือ ค่ามิเตอร์ หมายถึงค่าอะไร (ค่าที่อ่านได้จากเครื่องมือวัดกระแสไฟฟ้า หรือ ความต่างศักย์ไฟฟ้าจากเครื่องวัดที่ใช้วัดในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ)
4. ความสัมพันธ์ระหว่างค่าสูงสุดกับค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยของกำลังสองของกระแส
ไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับเป็นอย่างไร( , )
5. ความต้านทานเชิงความจุ หมายความว่าอย่างไร(ความต้านทานของตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ หาได้จาก )
6. ความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำหมายความว่าอย่างไร(ความต้านทานของขดลวดเหนี่ยวนำในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ หาได้จาก )
ครูมอบหมายให้นักเรียนทำแบบฝึกเสริมประสบการณ์ข้อที่เหลือและทำแบบฝึกหัดท้ายบทข้อที่ 1,2 และ 3 และให้นักเรียนศึกษาเรื่องการเขียนแผนภาพเฟเซอร์ ซึ่งจะเรียนในชั่วโมงต่อไป ล่วงหน้า

สื่อการเรียนการสอน
1. เอกสารประกอบการสอนวิชาฟิสิกส์ เรื่อง ไฟฟ้ากระแสสลับ
2. หนังสือเรียน ฟิสิกส์

นนนนนนนนนนนนนนนนนนนนนน

การอบรมเชิงปฏิบัติการ ณ โรงเรียนสวนกุหลาบวิทยาลัย เพชรบูรณ์

5555555555