【ฉบับพิมพ์คนจีน】ฟิสิกส์มัธยมศึกษาตอนปลาย ภาคเรียนที่สอง วิชาเลือกพื้นฐาน

📚 สรุปเนื้อหา

หลักสูตรนี้อิงจากหนังสือเรียนฟิสิกส์เลือกเสริมระดับมัธยมศึกษาตอนปลายทั่วไป ครอบคลุมความรู้ขั้นสูงด้านไฟฟ้าแม่เหล็ก รวมถึงแรงแอมแปร์ แรงลอเรนซ์ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสสลับ และเซ็นเซอร์ ซึ่งเป็นแนวคิดและกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์สำคัญ

สำรวจลักษณะลับของไฟฟ้าแม่เหล็กอย่างลึกซึ้ง คว้าหลักการสำคัญของฟิสิกส์มัธยมศึกษา

ผู้เขียน: สำนักพิมพ์การศึกษาแห่งชาติ สถาบันวิจัยและพัฒนาตำราวิชาฟิสิกส์

คำขอบคุณ: ได้รับการตรวจสอบโดยคณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญด้านตำราแห่งชาติ (2019)

🎯 เป้าหมายการเรียนรู้

1. สามารถใช้กฎมือซ้ายในการกำหนดทิศทางของแรงแอมแปร์และแรงลอเรนซ์ได้อย่างถูกต้อง และเข้าใจลักษณะเฉพาะของทิศทางแรงที่กระทำต่อประจุลบ
2. เข้าใจสูตรคำนวณขนาดของแรงลอเรนซ์ และสามารถอนุมานสูตรการเคลื่อนที่แบบวงกลมของอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ รวมถึงรัศมีและคาบของการเคลื่อนที่ได้ด้วยตนเอง
3. สามารถวิเคราะห์และอธิบายหลักการทำงานของเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ เช่น เครื่องแยกมวล สเปกโตรมิเตอร์ เครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอน ตัวเลือกความเร็ว และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กไหล
4. นักเรียนสามารถอธิบายเนื้อหาของกฎเลนซ์และกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของแฟร์ราเดย์ได้อย่างถูกต้อง และใช้กฎมือขวาในการกำหนดทิศทางของกระแสไฟฟ้าเมื่อตัดเส้นสนามแม่เหล็ก
5. สามารถนำสูตร E = n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} และ E = Blv \sin \theta มาใช้คำนวณแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำในสถานการณ์ทางฟิสิกส์ต่าง ๆ ได้อย่างยืดหยุ่น
6. สามารถวิเคราะห์ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าแม่เหล็กที่ซับซ้อน เช่น การเหนี่ยวนำเอง กระแสอีดูซ์ และการต้านทานแม่เหล็กไฟฟ้า จากมุมมองการเปลี่ยนแปลงพลังงาน และแก้ปัญหาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องได้
7. สามารถวิเคราะห์กระบวนการที่เกิดกระแสสลับจากการหมุนของขดลวด ใช้สูตรเขียนค่าชั่วขณะได้อย่างคล่องแคล่ว และแปลงค่าสูงสุดกับค่ามีค่าเฉลี่ยรากที่สอง (RMS) ได้
8. เข้าใจหลักการพื้นฐานของหม้อแปลงแบบสมบูรณ์ และใช้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกับจำนวนรอบของขดลวดเพื่อแก้ปัญหาวงจรไฟฟ้า
9. เข้าใจกลไกการสูญเสียพลังงานในการส่งไฟฟ้าระยะไกล สามารถคำนวณการสูญเสียแรงดันและพลังงานในสายส่งไฟฟ้า และอธิบายเหตุผลทางเศรษฐกิจของการส่งไฟฟ้าด้วยแรงดันสูง
10. สามารถอธิบายกระบวนการเปลี่ยนแปลงแบบคาบของประจุ กระแสไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้า และพลังงานแม่เหล็กในวงจรไฟฟ้า-แม่เหล็ก (LC)

🔹 บทเรียนที่ 1: แรงแอมแปร์และแรงลอเรนซ์ – การกระทำของสนามแม่เหล็กต่อสสาร

ภาพรวม: หลักสูตรนี้มุ่งเน้นการศึกษาหลักการของการกระทำของสนามแม่เหล็กต่อสายไฟฟ้าขนาดใหญ่ (แรงแอมแปร์) และประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในระดับไมโคร (แรงลอเรนซ์) โดยการเรียนรู้กฎมือซ้าย สูตรแรงลอเรนซ์ และการเคลื่อนที่วงกลมที่เกิดจากสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ นักเรียนจะเข้าใจหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานของเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ เช่น เครื่องแยกมวล สเปกโตรมิเตอร์ เครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอน ตัวเลือกความเร็ว และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กไหล พร้อมเข้าใจความเชื่อมโยงทางกายภาพระหว่างแรงแอมแปร์และแรงลอเรนซ์ในระดับไมโคร

ผลการเรียนรู้:

• สามารถใช้กฎมือซ้ายในการกำหนดทิศทางของแรงแอมแปร์และแรงลอเรนซ์ได้อย่างถูกต้อง และเข้าใจลักษณะเฉพาะของทิศทางแรงที่กระทำต่อประจุลบ
• เข้าใจสูตรคำนวณขนาดของแรงลอเรนซ์ และสามารถอนุมานสูตรการเคลื่อนที่แบบวงกลมของอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ รวมถึงรัศมีและคาบของการเคลื่อนที่ได้ด้วยตนเอง
• สามารถวิเคราะห์และอธิบายหลักการทำงานของเครื่องแยกมวล สเปกโตรมิเตอร์ เครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอน ตัวเลือกความเร็ว และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กไหล

🔹 บทเรียนที่ 2: การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า – กฎ ธรรมชาติ และการประยุกต์ใช้

ภาพรวม: แผนการสอนนี้ครอบคลุมกฎพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเน้นการทดลองเพื่อค้นพบธรรมชาติของกฎเลนซ์และกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของแฟร์ราเดย์ พร้อมวิเคราะห์กลไกเชิงโครงสร้างของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ (แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่) และแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก (แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลง) พร้อมศึกษาปรากฏการณ์เช่น การเหนี่ยวนำเอง การเหนี่ยวนำร่วม กระแสอีดูซ์ และการต้านทานแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานและการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่

ผลการเรียนรู้:

• นักเรียนสามารถอธิบายเนื้อหาของกฎเลนซ์และกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของแฟร์ราเดย์ได้อย่างถูกต้อง และใช้กฎมือขวาในการกำหนดทิศทางของกระแสไฟฟ้าเมื่อตัดเส้นสนามแม่เหล็กได้
• สามารถนำสูตร E = n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} และ E = Blv \sin \theta มาใช้คำนวณแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการเหนี่ยวนำในสถานการณ์ทางฟิสิกส์ต่าง ๆ ได้อย่างยืดหยุ่น
• สามารถวิเคราะห์ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าแม่เหล็กที่ซับซ้อน เช่น การเหนี่ยวนำเอง กระแสอีดูซ์ และการต้านทานแม่เหล็กไฟฟ้า จากมุมมองการเปลี่ยนแปลงพลังงาน และแก้ปัญหาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องได้

🔹 บทเรียนที่ 3: กระแสสลับ – หลักการเกิด ขบวนการแปลงแรงดัน และการส่งพลังงานไฟฟ้า

ภาพรวม: หลักสูตรนี้ครอบคลุมกระบวนการตั้งแต่การเกิดกระแสสลับจนถึงการส่งไฟฟ้าระยะไกล นักเรียนจะเริ่มต้นด้วยโมเดลทางฟิสิกส์ของขดลวดสี่เหลี่ยมที่หมุนในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ เพื่อเข้าใจหลักการเกิดกระแสสลับแบบไซน์ และการบรรยายทางคณิตศาสตร์ (ค่าชั่วขณะ ค่าสูงสุด และค่ามีค่าเฉลี่ยรากที่สอง) จากนั้นศึกษาผลกระทบพิเศษของตัวเก็บประจุและตัวต้านทานต่อกระแสสลับ แล้วดำเนินสู่การประยุกต์ใช้ โดยเรียนรู้หลักการแปลงแรงดันของหม้อแปลงแบบสมบูรณ์ และวิธีลดการสูญเสียพลังงานในการส่งไฟฟ้าระยะไกลด้วยแรงดันสูง

ผลการเรียนรู้:

• สามารถวิเคราะห์กระบวนการที่เกิดกระแสสลับจากการหมุนของขดลวด ใช้สูตรเขียนค่าชั่วขณะได้อย่างคล่องแคล่ว และแปลงค่าสูงสุดกับค่ามีค่าเฉลี่ยรากที่สอง (RMS) ได้
• เข้าใจหลักการพื้นฐานของหม้อแปลงแบบสมบูรณ์ และใช้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกับจำนวนรอบของขดลวดเพื่อแก้ปัญหาวงจรไฟฟ้า
• เข้าใจกลไกการสูญเสียพลังงานในการส่งไฟฟ้าระยะไกล สามารถคำนวณการสูญเสียแรงดันและพลังงานในสายส่งไฟฟ้า และอธิบายเหตุผลทางเศรษฐกิจของการส่งไฟฟ้าด้วยแรงดันสูง

🔹 บทเรียนที่ 4: การสั่นสะเทือนแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า – ทฤษฎีแม็กซ์เวลล์และความเป็นวัตถุ

ภาพรวม: หลักสูตรนี้มุ่งช่วยให้นักเรียนเข้าใจการเปลี่ยนผ่านของปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าจากวงจรเชิงกายภาพไปสู่การแพร่กระจายในอวกาศ หลักสูตรเริ่มต้นด้วยการศึกษากระบวนการที่วงจร LC สร้างการสั่นสะเทือนแม่เหล็กไฟฟ้าและกฎการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ตามด้วยการวิเคราะห์สมมติฐานหลักสองประการของทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ แล้วสุดท้ายเผยให้เห็นหลักการการปล่อยและรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คุณสมบัติเชิงวัตถุ และช่วงความถี่ที่กว้างขวาง

ผลการเรียนรู้:

• สามารถอธิบายกระบวนการเปลี่ยนแปลงแบบคาบของประจุ กระแสไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้า และพลังงานแม่เหล็กในวงจรสั่นสะเทือนแม่เหล็กไฟฟ้า (LC) ได้
• เข้าใจสูตรคาบและความถี่ของการสั่นสะเทือนแม่เหล็กไฟฟ้า และสามารถทำการคำนวณเชิงปริมาณที่เกี่ยวข้องได้
• เข้าใจเนื้อหาหลักของทฤษฎีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ สามารถอธิบายความเป็นวัตถุของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และระบุช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

🔹 บทเรียนที่ 5: เซ็นเซอร์ – องค์ประกอบหลัก หลักการประยุกต์ใช้ และการออกแบบวงจร

ภาพรวม: หลักสูตรนี้มุ่งเน้นการศึกษาอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับนิยาม องค์ประกอบ และรูปแบบการประยุกต์ใช้ของเซ็นเซอร์ เพื่อให้นักเรียนเข้าใจหลักการพื้นฐานขององค์ประกอบไว้สัมผัสที่สำคัญ เช่น ตัวตรวจจับแสง ตัวตรวจจับอุณหภูมิ ตัวตรวจจับแม่เหล็ก (ตัวฮอลล์) ผ่านการวิเคราะห์เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบความจุและแบบความเหนี่ยวนำ รวมถึงระบบควบคุมอุณหภูมิในหม้อหุงข้าว นักเรียนจะเข้าใจว่าปริมาณที่ไม่ใช่ไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างไร ท้ายที่สุด ผ่านการออกแบบวงจรของอุปกรณ์แจ้งเตือนการโจรกรรมหน้าต่างประตู และสวิตช์ควบคุมแสง จะช่วยพัฒนาทักษะการคิดเชิงวิศวกรรมในการแก้ปัญหาในชีวิตจริง

ผลการเรียนรู้:

• สามารถอธิบายความหมาย องค์ประกอบโครงสร้าง (องค์ประกอบไว้สัมผัสและองค์ประกอบแปลง) และรูปแบบการประยุกต์ใช้ทั่วไปของเซ็นเซอร์ได้อย่างถูกต้อง
• เข้าใจกลไกทางกายภาพที่ทำให้ตัวต้านทานแสง ตัวต้านทานอุณหภูมิ ตัวฮอลล์ เซ็นเซอร์ความจุ/ความเหนี่ยวนำ แปลงปริมาณทางกายภาพให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้
• สามารถวิเคราะห์หลักการควบคุมอุณหภูมิในหม้อหุงข้าว และออกแบบวงจรควบคุมอัตโนมัติพื้นฐาน (เช่น อุปกรณ์แจ้งเตือนการโจรกรรม สวิตช์ควบคุมแสง) ตามความต้องการการทดลองได้