แผ่นงานของโอห์ม

Anonim

แผ่นงานของโอห์ม

ไฟฟ้าเบื้องต้น


คำถามที่ 1

กำหนดคำศัพท์ต่อไปนี้: พลังงานการ ทำงาน และ พลังงาน

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

การทำงาน คือการออกแรงแรงในระยะไกล พลังงาน คือความสามารถในการทำงาน กำลัง คืออัตราการทำงานต่อหน่วยเวลา

หมายเหตุ:

นักเรียนอาจพบข้อความฟิสิกส์ขั้นพื้นฐานที่เป็นประโยชน์ในการขอคำจำกัดความเหล่านี้ "งาน" เป็นแนวคิดที่ยากต่อการกำหนดโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับนักเรียนที่ไม่คุ้นเคยกับฟิสิกส์ขั้นพื้นฐาน เทคนิคมันเป็นเวกเตอร์จุดผลิตภัณฑ์ของแรงและการเคลื่อนที่ซึ่งหมายความว่าการทำงานเท่ากับแรงเท่าระยะทางถ้าแรงและระยะเวกเตอร์ขนานกันได้อย่างแม่นยำ กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าผมมีน้ำหนัก 10 กิโลกรัม (ยก ขึ้น ต่อแรงโน้มถ่วง) ในขณะเดินขนานไปกับพื้นดิน (ไม่ขึ้นหรือลง) แรงพาหะของแรงและพาหะจะตั้งฉากกับแต่ละอื่น ๆ และงานที่ผมทำ ในการแบกมวลเป็น ศูนย์ เฉพาะในกรณีที่แรงของฉันถูกทิศทางอย่างแม่นยำเช่นเดียวกับการเคลื่อนไหวของฉันว่าความพยายามทั้งหมดของฉันถูกแปลเป็นงาน

คำถามที่ 2

แรงดันไฟฟ้า ถูกกำหนดโดยทั่วไปว่าเป็น "แรงดันไฟฟ้า" หน่วยของ โวลต์ อาจกำหนดได้ในแง่ของหน่วยกายภาพที่มีอยู่จริงมากขึ้น หน่วยเหล่านี้คืออะไรและเกี่ยวข้องอย่างไรกับหน่วยของโวลต์ "# 2"> คำตอบเปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

1 โวลต์เท่ากับ 1 จูลของพลังงานที่ให้กับ 1 ประจุไฟฟ้า (6.25 × 10 18 อิเล็กตรอน):

V = W


Q

ที่ไหน

V = แรงดัน (โวลต์)

W = การทำงานหรือพลังงานที่อาจเกิดขึ้น (จูล)

Q = ค่า (coulombs)

หมายเหตุ:

โปรดทราบว่าฉันใช้ตัวอักษร "V" เพื่อแสดงถึงแรงดันไฟฟ้ามากกว่า "E" ตามที่ฉันมักทำ เนื่องจากในงานฟิสิกส์ทั่วไป "E" มักหมายถึง "พลังงาน" หรือ "สนามไฟฟ้า" หนังสืออ้างอิงอิเล็กทรอนิกส์ใช้หนังสือ "E" สำหรับแรงดันไฟฟ้าในขณะที่หนังสืออื่น ๆ ใช้ตัวอักษร "V" หรือแม้กระทั่งใช้ตัวอักษรสองตัวแทนกัน

คำถามที่ 3

กระแสไฟฟ้าวัดได้จากหน่วย แอมป์ หรือ แอมป์ คำจำกัดความทางกายภาพของหน่วยนี้คืออะไร? ปริมาณพื้นฐานที่เป็นกระแสไฟฟ้า 1 แอมป์?

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

กระแสไฟฟ้า 1 แอมป์คืออัตราการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คูลอมบ์ต่อวินาที:

I = Q


เสื้อ

ที่ไหน

I = กระแสไฟฟ้า (แอมป์)

Q = ค่าใช้จ่ายในการเคลื่อนที่ (coulombs)

t = เวลา (วินาที)

หมายเหตุ:

อาจเป็นประโยชน์ในขณะนี้เพื่อตรวจสอบจำนวนอิเล็กตรอนที่ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าหนึ่งตัว: 6.25 × 10 18 อิเล็กตรอน

ในทางเทคนิคคำนิยามทางคณิตศาสตร์ของปัจจุบันเกี่ยวข้องกับแคลคูลัส:

I = dQ


dt

อย่างไรก็ตามนักเรียนในขั้นตอนนี้อาจยังไม่พร้อมที่จะสำรวจอนุพันธ์ แต่สมการให้คำตอบสำหรับค่าเฉลี่ย (average) ในปัจจุบันก็เพียงพอแล้ว

คำถามที่ 4

สำหรับแรงดันน้ำที่กำหนดซึ่งจะทำให้อัตราการไหลของน้ำสูงขึ้น: หัวฉีดขนาดเล็ก (มีข้อ จำกัด ) หรือหัวฉีดขนาดใหญ่ (ไม่ จำกัด ) หรือไม่? อธิบายวิธีการนี้เกี่ยวกับการศึกษาแรงดันกระแสและความต้านทานในวงจรไฟฟ้าที่เรียบง่าย

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

เห็นได้ชัดว่าหัวฉีดที่ไม่มีข้อ จำกัด จะทำให้อัตราการไหลของน้ำสูงขึ้นและปัจจัยอื่น ๆ ทั้งหมดเท่ากัน ในวงจรไฟฟ้าความต้านทานน้อยจะส่งผ่านอัตราการไหลของอิเล็กตรอน (กระแส) ที่มากขึ้นสำหรับ "ความดัน" (แรงดัน) ที่กำหนด

หมายเหตุ:

การไหลของน้ำไม่ใช่การเปรียบเทียบที่สมบูรณ์แบบสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้า แต่ใกล้เคียงพอที่จะเป็นประโยชน์ในการศึกษาการใช้ไฟฟ้าขั้นพื้นฐาน เตรียมพร้อมที่จะพูดถึงความไม่เพียงพอของน้ำเป็นความคล้ายคลึงกับนักเรียนของคุณ (กล่าวคือ "อิเล็กตรอนมาได้อย่างไรไม่หลั่งไหลออกจากปลายสายเปิดเช่นเดียวกับน้ำรั่วไหลออกจากปลายท่อหรือท่อเปิด" แผงควบคุมแผงงานต้นแบบ " itemscope>

คำถามที่ 5

สมมติว่าคุณได้สร้างวงจรนี้และใช้การวัดกระแสผ่านตัวต้านทานและแรงดันไฟฟ้าผ่านตัวต้านทาน:

การบันทึกค่าตัวเลขเหล่านี้ในตารางผลลัพธ์จะมีลักษณะดังนี้:

XXXXXXXXXXXXXX
ปัจจุบันแรงดันไฟฟ้า
0.22 A0.66 V
0.47 A1.42 V
0.85 A2.54 V
1.05 ก3.16 V
1.50 A4.51 V
1.80 A5.41 V
2.00 A5.99 V
2.51 ก7.49 V

ทำตัวเลขเหล่านี้ในกราฟต่อไปนี้:

คุณเห็นความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างแรงดันและกระแสในวงจรง่ายๆนี้ "# 5"> คำตอบเปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

นี่คือตัวอย่างของฟังก์ชัน เชิงเส้น : ที่พล็อตที่อธิบายชุดข้อมูลมีร่องรอยเส้นตรงบนกราฟ จากบรรทัดนี้และจากตัวเลขคุณควรจะสามารถมองเห็นอัตราส่วนคงที่ระหว่างแรงดันและกระแสได้

หมายเหตุ:

ตัวเลขดิบข้อมูลถูกทำโดยเจตนา "เสียงดัง" ในปัญหานี้เพื่อจำลองประเภทของข้อผิดพลาดในการวัดที่พบในชีวิตจริง เครื่องมือหนึ่งที่ช่วยแก้ปัญหาการแปลผลที่เกิดจากเสียงดังเช่นนี้คือกราฟ แม้จะมีสัญญาณรบกวนอยู่ก็ตามความเป็นเส้นตรงของฟังก์ชั่นจะถูกเปิดเผยออกมาอย่างชัดเจน

นักเรียนของคุณควรเรียนรู้ที่จะทำกราฟเป็นเครื่องมือในการทำความเข้าใจข้อมูลของตนเอง เมื่อความสัมพันธ์ระหว่างตัวเลขถูกแสดงในรูปแบบกราฟิกจะยืมโหมดการแสดงออกไปยังข้อมูลอื่นช่วยให้ผู้คนเข้าใจรูปแบบได้ง่ายกว่าการตรวจสอบแถวและคอลัมน์ของตัวเลข

คำถามที่ 6

อธิบายทีละขั้นตอนวิธีคำนวณจำนวนกระแส (I) ที่จะผ่านตัวต้านทานในวงจรนี้:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

กระแสไฟฟ้ารีเลย์ = 0.02553 amps หรือ 25.53 milliamps (mA)

หมายเหตุ:

เพียงแค่การคำนวณกฎของโอห์มง่ายๆที่นี่ - ไม่มีเทคนิค! อย่างไรก็ตามคำถามก็คือให้นักเรียนคิดถึงขั้นตอนที่พวกเขาปฏิบัติตามในการคำนวณ นักเรียนหลายคนเพียงแค่อยากจะจดจำขั้นตอนต่างๆแทนที่จะเรียนรู้ ว่าทำไม ต้องทำในสิ่งที่ต้องทำเพื่อตอบคำถามดังกล่าว เป็นหน้าที่ของคุณในฐานะอาจารย์ผู้สอนที่จะท้าทายพวกเขานอกเหนือจากการท่องจำและเพื่อความเข้าใจ

คำถามที่ 7


∫f (x) dx การ แจ้งเตือนแคลคูลัส!


วาดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสำหรับตัวต้านทานของสามค่าที่แตกต่างกัน (1 Ω, 2 Ωและ 3 Ω) ทั้งหมดบนกราฟเดียวกัน:

คุณเห็นรูปแบบใดที่แสดงด้วยสามแปลงของคุณ "# 7"> เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ยิ่งความต้านทานสูงชันลาดของเส้นที่วางแผนไว้

คำตอบขั้นสูง: วิธีที่เหมาะสมในการแสดงอนุพันธ์ของแต่ละแปลงเหล่านี้คือ (dv / di) อนุพันธ์ของฟังก์ชันเชิงเส้นเป็นค่าคงที่และในแต่ละกรณีทั้งสามกรณีนี้ค่าคงที่เท่ากับความต้านทานของตัวต้านทานในโอห์ม ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่าสำหรับวงจรตัวต้านทานแบบง่ายๆอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า / กระแสไฟฟ้าในปัจจุบัน คือ ความต้านทานของวงจร

หมายเหตุ:

นักเรียนต้องทำความคุ้นเคยกับกราฟและการสร้างกราฟที่เรียบง่ายของตนเองเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการพัฒนาความเข้าใจนี้ การแสดงภาพของฟังก์ชั่น Law ของ Ohm ช่วยให้นักเรียนสามารถ "ดู" แนวคิดเพื่อให้เข้าใจแนวคิดขั้นสูงได้ง่ายขึ้นเช่นความต้านทาน เชิงลบ

หากนักเรียนสามารถใช้เครื่องคิดเลขกราฟหรือซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ที่มีความสามารถในการวาดกราฟ 2 มิติให้กระตุ้นให้พวกเขาวางแผนฟังก์ชั่นโดยใช้แหล่งเทคโนโลยีเหล่านี้

ฉันได้พบว่ามันเป็นนิสัยที่ดีที่จะ "แอบ" แนวคิดทางคณิตศาสตร์ในหลักสูตรวิทยาศาสตร์ทางกายภาพเมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ สำหรับคนจำนวนมากคณิตศาสตร์เป็นเรื่องที่เป็นนามธรรมและสับสนซึ่งอาจจะเข้าใจได้เฉพาะในบริบทของการใช้ชีวิตจริงเท่านั้น การศึกษาเกี่ยวกับไฟฟ้าและอิเลคทรอนิคส์จะอุดมไปด้วยบริบททางคณิตศาสตร์ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้ให้ใช้ประโยชน์ได้! นักเรียนของคุณจะได้รับประโยชน์อย่างมาก

คำถามที่ 8

ค่าของตัวต้านทานนี้คืออะไรใน โอห์ม (Ω)?

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ค่าตัวต้านทาน = 2700 Ωหรือ 2.7 kΩ

รูปแบบหนึ่งของการแสดงออกของค่าคอมโพเนนต์ที่เป็นที่นิยมในยุโรปคือการแทนที่จุดทศนิยมด้วยคำนำหน้าเมตริกดังนั้น 2.7 kΩจะแสดงเป็น 2k7 Ω สัญกรณ์นี้ไม่เพียง แต่ง่ายกว่า แต่ก็ยังฟันฝ่าอุปสรรคในการตีความที่เกิดขึ้นระหว่างชาวยุโรปและชาวอเมริกันโดยใช้คำตรงข้ามกับเครื่องหมายจุลภาคและจุดทศนิยม

หมายเหตุ:

นักเรียนบางคนอาจไม่ทราบว่าในยุโรปเครื่องหมายจุลภาคใช้เป็นจุดทศนิยมและวีซ่าในทางกลับกัน ดังนั้นสองพันเจ็ดร้อยจะเขียนเป็น 2, 700 ในอเมริกาและ 2.700 ในยุโรป ตรงกันข้ามหมายเลขπจะเขียนเป็น 3.141593 ในอเมริกา แต่ 3, 141593 ในยุโรป สับสน "แผงชีทแผ่นงาน - default" itemscope>

คำถามที่ 9

คำพูดทั่วไปเกี่ยวกับไฟฟ้าคือการใช้เส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด "อธิบายว่าสุภาษิตคำนี้เกี่ยวข้องกับวงจรต่อไปนี้อย่างไรซึ่งกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่พบทางเลือกสองทางซึ่งเป็นตัวต้านทานน้อยกว่าอีกวิธีหนึ่ง:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ตัวต้านทานแบบ 250 Ωจะมีกระแสไฟฟ้า 40 mA ขณะที่ตัวต้านทาน 800 Ωจะมีกระแสไฟฟ้า 12.5 mA

หมายเหตุ:

ในฐานะอาจารย์ผู้สอนผมรู้สึกประหลาดใจมากที่ได้ยินว่านักเรียนเริ่มต้นจำนวนมากอ้างว่าปัจจุบัน ทั้งหมด จะผ่านตัวต้านทานน้อยกว่าและ ไม่มี ตัวต้านทานมากกว่า! สุภาษิตเกี่ยวกับ "ใช้เส้นทางแห่งความต้านทานน้อยที่สุด" ควรจะเข้าใจว่า "ใช้เส้นทางของความต้านทานน้อยลง" คนที่เพิ่งศึกษาเรื่องไฟฟ้ามักจะเข้าใจผิดเกี่ยวกับหลักการพื้นฐานดังกล่าว มีความจำเป็นต้องเจาะลึกตำนานเหล่านี้อย่างจริงจัง ในกรณีนี้กฎหมายของโอห์มทำหน้าที่เป็นเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่เราสามารถใช้เพื่อปัดเป่าความคิดเท็จ

แน่นอนวงจรง่ายๆเช่นนี้อาจจะประกอบและทดสอบได้ง่ายในชั้นเรียนเพื่อให้ทุกคนเห็นความจริงสำหรับตัวเอง

คำถาม 10

รูปแบบหนึ่งของหลอดไฟซึ่งแตกต่างจากการออกแบบ "หลอดไส้" ซึ่งทำงานบนหลักการของหลอดไฟแบบเปล่งแสงเส้นใยซุปเปอร์ที่เรียกว่า หลอดปล่อยแก๊ส ในการออกแบบหลอดไฟนี้แสงจะเกิดขึ้นจากการ "กระตุ้น" โดยตรงของโมเลกุลของแก๊สเป็นกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างขั้วไฟฟ้าสอง:

หลอดไฟทั้งสองประเภทมีแรงดัน / กระแสที่น่าสนใจไม่เหมือนกันกับแรงดันไฟฟ้า / กระแสพล็อตของตัวต้านทาน ประการแรกพล็อตแรงดันไฟฟ้า / ปัจจุบันสำหรับหลอดไส้:

ถัดไปพล็อตแรงดัน / กระแสสำหรับหลอดไฟที่ปล่อยก๊าซ:

จากสองกราฟนี้คุณสามารถพูดอะไรเกี่ยวกับความต้านทานไฟฟ้าของแต่ละประเภทของหลอดไฟได้ในช่วงที่ใช้งาน "# 10"> คำตอบเปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ซึ่งแตกต่างจากตัวต้านทานซึ่งมีความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในช่วงกว้างของสภาพการทำงานความต้านทานทางไฟฟ้าของหลอดไฟมักจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากในช่วงที่ใช้งาน

จากกราฟให้ตรวจสอบว่าค่าความต้านทานของหลอดไฟแต่ละชนิดอยู่ที่ ค่าสูงสุด และค่าความต้านทานอยู่ที่ ต่ำสุดเท่าไร

หมายเหตุ:

ส่วนประกอบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภทมีการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าตลอดช่วงการใช้งานของกระแสและแรงดันไฟฟ้า ตัวต้านทานในขณะที่ศึกษาง่ายไม่แสดงพฤติกรรมของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักเรียนที่จะเข้าใจว่าโลกแห่งความเป็นจริงของไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อนมากกว่าที่กฎหมายของโอห์มอาจแนะนำ (โดยสันนิษฐานว่ามีความต้านทานถาวร) นี่เป็นแนวคิดหนึ่งที่กราฟจะช่วยอธิบายได้อย่างแท้จริง

คำถาม 11

วาดแผนภาพแผนภาพสำหรับวงจรทดลองเพื่อรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นในการพล็อตกราฟแรงดัน / กระแสของหลอดปล่อยก๊าซ

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

หมายเหตุ:

หนึ่งในเป้าหมายของฉันในฐานะนักการศึกษาด้านเทคนิคคือการสนับสนุนการพัฒนาทักษะการทดลองในนักเรียนของฉัน วิธีที่ถูกต้องที่สุดเพื่อให้ได้ความรู้เกี่ยวกับการทำงานของอุปกรณ์หรือหลักการทางไฟฟ้าคือการสร้างวงจรที่ทดสอบจริง ฉันเคยใช้เทคนิคนี้หลายครั้งในอาชีพของฉันเพื่อให้ความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องและได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นทักษะอันล้ำค่า

ในคำถามนี้นักเรียนจะถูกถามโดยปริยายเพื่อระบุสิ่งที่สำคัญหลายอย่าง:

•ควรเชื่อมต่อมิเตอร์เพื่อวัดแรงดันไฟของหลอดไฟ
•การเชื่อมต่อมิเตอร์เพื่อวัดกระแสไฟ
•วิธีทำให้ปรับค่าได้ในปัจจุบันเพื่อให้ค่าหลายค่าสามารถทดสอบและวางแผนได้

นอกจากนี้นักเรียนจะต้องระบุว่าต้องใช้แรงดัน / ช่วงกระแสใดในการทดสอบหลอดจ่ายแก๊ส สังเกตแหล่งจ่ายไฟแรงดันสูงที่แสดงในแผนภาพ นักเรียนอาจถามว่า "แรงดันไฟฟ้านี้สูงแค่ไหน" panel panel แผ่นงาน - default "itemscope>

คำถาม 12

ความต้านทานเชิงลบ คืออะไร?

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

"ความต้านทานเชิงลบ" คือส่วนประกอบของไฟฟ้าที่ไหลผ่านกระแสไฟฟ้า น้อยลง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกลดลง

หมายเหตุ:

อุปกรณ์ระบายแก๊สไม่เพียง แต่มีความต้านทานเชิงลบมากกว่าบางส่วนของช่วงการใช้งานของพวกเขา แต่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากทำเช่นกัน

คำถามที่ 13

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำที่มีความต้านทานทางไฟฟ้าบางตัวอุณหภูมิของตัวนำนั้นจะเพิ่มขึ้นเหนือระดับแวดล้อม ทำไมถึงเป็นเช่นนี้? ความสำคัญในทางปฏิบัติคืออะไร?

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ความต้านทานไฟฟ้าคล้ายคลึงกับ แรงเสียดทาน ทางกล: อิเล็กตรอนไม่สามารถไหลผ่านได้อย่างอิสระและแรงเสียดทานที่พวกเขาพบแปลพลังงานบางส่วนของพวกเขาเป็นความร้อนเช่นเดียวกับแรงเสียดทานในแบริ่งเชิงกลที่สึกหรอแปลพลังงานจลน์บางส่วนของการหมุนของมันไป ความร้อนหรือแรงเสียดทานระหว่างมือคนขณะที่ถูกันในวันที่อากาศหนาวเย็นแปลบางส่วนของการเคลื่อนไหวเป็นความร้อน

หมายเหตุ:

นี่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับการพูดคุยเกี่ยวกับงานพลังงานและพลังงาน พลังงานอาจมีการคำนวณโดยตรงโดยการคูณแรงดันไฟฟ้าตามกระแสและวัดเป็น วัตต์ นอกจากนี้ยังเป็นโอกาสในการหารือเกี่ยวกับข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติของตัวนำไฟฟ้า

คำถาม 14

สำหรับจำนวนกระแสไฟฟ้าที่กำหนดซึ่งจะทำให้ค่าความต้านทานลดลงมากที่สุดคือตัวต้านทานค่าความต้านทานต่ำ (Low Resistance) หรือตัวต้านทานค่าความต้านทานสูง (High Resistance)? อธิบายคำตอบของคุณ.

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานสูง ("ohms" จำนวนมากต้านทาน) จะกระจายพลังงานความร้อนมากกว่าตัวต้านทานที่มีค่าต่ำกว่าให้ปริมาณไฟฟ้าเท่ากันผ่านมัน

หมายเหตุ:

คำถามนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำให้นักเรียนคิดใน เชิงคุณภาพ เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างกระแสความต้านทานและพลัง ฉันพบว่าการวิเคราะห์เชิงคุณภาพ (ไม่ใช่ตัวเลข) มักจะท้าทายมากกว่าการให้นักเรียนคำนวณคำตอบเชิงปริมาณ (พร้อมด้วยตัวเลข) บ่อยครั้งที่คณิตศาสตร์แบบง่ายๆเป็นอุปสรรคที่นักเรียนต้องการหลบภัยจากความเข้าใจที่แท้จริงของหัวข้อ กล่าวอีกนัยหนึ่งง่ายต่อการเจาะคีย์บนเครื่องคิดเลข (หรือแม้กระทั่งคำนวณด้วยกระดาษและดินสอ) กว่าจะ คิดถึง ความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรในปัญหาทางกายภาพ อย่างไรก็ตามความเข้าใจเชิงคุณภาพเกี่ยวกับระบบไฟฟ้ามีความสำคัญต่อการแก้ไขปัญหาอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

คำถาม 15

เขียนความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสำหรับตัวต้านทาน 2 Ωบนกราฟนี้:

รูปแบบที่คุณเห็นแสดงโดยพล็อต "# 15"> คำตอบเปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ยิ่งกระแสผ่านตัวต้านทานยิ่งมีกำลังมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตามนี่ ไม่ใช่ ฟังก์ชันเชิงเส้น!

หมายเหตุ:

นักเรียนต้องทำความคุ้นเคยกับกราฟและการสร้างกราฟที่เรียบง่ายของตนเองเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการพัฒนาความเข้าใจนี้ การแสดงภาพของกฎหมายของโอห์ม (อันที่จริงคือ Joule's Law) ช่วยให้นักเรียนสามารถ "ดู" แนวคิดนี้ได้

หากนักเรียนสามารถใช้เครื่องคิดเลขกราฟหรือซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ที่มีความสามารถในการวาดกราฟ 2 มิติให้กระตุ้นให้พวกเขาวางแผนฟังก์ชั่นโดยใช้แหล่งเทคโนโลยีเหล่านี้

คำถามที่ 16

ที่นี่เป็นแผนภาพสำหรับไฟฉายที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่:

สิ่งที่สามารถปรับเปลี่ยนเกี่ยวกับวงจรหรือส่วนประกอบต่างๆเพื่อทำให้ไฟฉายสว่างขึ้นเมื่อเปิด "# 16"> คำตอบเปิดเผยคำตอบซ่อน

อย่างใดพลังกระจายโดยหลอดไฟจะต้องเพิ่มขึ้น บางทีวิธีที่ชัดเจนที่สุดในการเพิ่มการกระจายพลังงานคือการใช้แบตเตอรี่ที่มีเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้ามากขึ้นทำให้มีกระแสไฟมากขึ้นและกระแสไฟมากขึ้น อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่ตัวเลือกเดียว! คิดถึงวิธีการอื่นที่อาจทำให้ผลผลิตของไฟฉายเพิ่มขึ้น

หมายเหตุ:

วิธีการ "ชัดเจน" คือการประยุกต์ใช้กฎของโอห์มโดยตรง การแก้ปัญหาอื่น ๆ อาจไม่ตรง แต่พวกเขาทั้งหมดจะเกี่ยวข้องกับกฎหมายของโอห์มอย่างใด

คำถาม 17

มีสองสมการกฎของโอห์มพื้นฐาน: หนึ่งแรงดันไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับปัจจุบันและความต้านทาน; และอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าและ (สมการหลังเป็นที่รู้จักกันในชื่อ ของจูลกฎหมาย แทนที่จะเป็นกฎของโอห์ม):

E = IR

P = IE

ในตำราอิเล็กทรอนิกส์และหนังสืออ้างอิงคุณจะพบสิบสองรูปแบบที่แตกต่างกันของทั้งสองสมการหนึ่งการแก้สำหรับแต่ละตัวแปรในแง่ของคู่ที่ไม่ซ้ำกันของสองตัวแปรอื่น ๆ อย่างไรก็ตามคุณไม่จำเป็นต้องจดจำสมการทั้งหมดสิบสองถ้าคุณมีความสามารถในการใช้พีชคณิตสองสมการง่ายๆที่แสดงข้างต้น

แสดงให้เห็นว่าพีชคณิตถูกใช้เพื่อให้ได้รูปแบบ "อื่น ๆ " 10 รูปแบบของกฎของโอห์มทั้งสองกฎของ Joule ที่แสดงไว้ที่นี่

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

ฉันจะไม่แสดงวิธีการทำพีชคณิต manipulations แต่ฉันจะแสดงสมการอื่น ๆ อีกสิบ แรกสมการเหล่านั้นที่อาจได้รับอย่างเคร่งครัดจาก E = IR:

I = E


R

R = E


ผม

ต่อไปสมการเหล่านั้นที่อาจได้มาอย่างเคร่งครัดจาก P = IE:

I = P


E

E = P


ผม

ถัดไปสมการเหล่านั้นที่อาจได้มาโดยใช้การ ทดแทน เกี่ยวกับพีชคณิตระหว่างสมการสองตัวแรกที่ได้รับในคำถาม:

P = I 2 R

P = E 2


R

และในที่สุดสมการเหล่านี้ซึ่งอาจได้มาจากการจัดการสมการกำลังสองครั้งสุดท้าย:

R = P


ฉัน 2

I =√


P


R

E =


พีอาร์

R = E 2


P

หมายเหตุ:

พีชคณิตเป็นเครื่องมือสำคัญอย่างยิ่งในด้านเทคนิคหลาย สิ่งหนึ่งที่ดีเกี่ยวกับการศึกษาเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิคส์คือการให้บริบทที่เรียบง่ายซึ่งหลักการพื้นฐานเกี่ยวกับพีชคณิตอาจได้รับการเรียนรู้ (หรืออย่างน้อยก็สว่างไสว)

หลักการพื้นฐานของอนุพันธ์และปริพันธ์ (เกี่ยวกับเวลา) อาจถูกนำมาประยุกต์ใช้กับวงจรตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำให้กับนักเรียนด้วยบริบทที่สามารถเข้าถึงได้ซึ่งแนวคิดรวบยอดที่เป็นนามธรรมเหล่านี้อาจถูกเข้าใจได้ แต่แคลคูลัสเป็นหัวข้อสำหรับคำถามในแผ่นงานภายหลัง . .

คำถาม 18

ในวงจรนี้ตัวต้านทานสามตัวได้รับกระแสไฟฟ้าเท่ากัน (4 แอมป์) จากแหล่งเดียว คำนวณจำนวนของแรงดันไฟฟ้า "ลดลง" โดยตัวต้านทานแต่ละตัวรวมทั้งปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปโดยตัวต้านทานแต่ละตัว:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

E 1 Ω = 4 โวลต์

E 2 Ω = 8 โวลต์

E 3 Ω = 12 โวลต์

P 1 Ω = 16 วัตต์

P 2 Ω = 32 วัตต์

P 3 Ω = 48 วัตต์

คำถามต่อเนื่อง: เปรียบเทียบทิศทางของกระแสไฟฟ้าผ่านส่วนประกอบทั้งหมดในวงจรนี้ด้วยขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง สิ่งที่คุณสังเกตเห็นเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางปัจจุบันและแรงดันไฟฟ้าขั้วสำหรับแบตเตอรี่เทียบกับทุกตัว "Notes บันทึกซ่อน" หมายเหตุ:

คำตอบสำหรับคำถามนี้ไม่ควรสร้างความประหลาดใจใด ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อนักเรียนเข้าใจความต้านทานไฟฟ้าในแง่ของ แรงเสียดทาน : ตัวต้านทานที่มีความต้านทานสูงกว่า (แรงเสียดทานมากกว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน) ต้องใช้แรงดันไฟฟ้ามากขึ้น (ดัน) เพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าเท่ากัน ตัวต้านทานที่มีความต้านทานสูงกว่า (แรงเสียดทาน) จะกระจายพลังงานให้มากขึ้นในรูปของความร้อนให้กระแสไฟฟ้าเท่ากัน

อีกประการหนึ่งของคำถามนี้คือการปลูกฝังจิตใจของนักเรียนแนวคิดของส่วนประกอบต่างๆในวงจรชุดแบบง่ายทั้งหมดที่ใช้ร่วมกันในปริมาณที่เท่ากัน

ท้าทายนักเรียนของคุณเพื่อจดจำรูปแบบทางคณิตศาสตร์ในแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงและการกระจายพลังงาน สิ่งที่สามารถกล่าวได้ทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับการลดแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวต้านทาน 2 Ωเทียบกับตัวต้านทาน 1 Ωเช่น?

คำถาม 19

ในวงจรนี้ตัวต้านทานสามตัวได้รับแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน (24 โวลต์) จากแหล่งเดียว คำนวณจำนวนกระแสที่ "ดึง" โดยตัวต้านทานแต่ละตัวรวมทั้งปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปโดยตัวต้านทานแต่ละตัว:

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

I 1 Ω = 24 แอมป์

I 2 Ω = 12 แอมป์

I 3 Ω = 8 แอมป์

P 1 Ω = 576 วัตต์

P 2 Ω = 288 วัตต์

P 3 Ω = 192 วัตต์

หมายเหตุ:

คำตอบสำหรับคำถามนี้อาจดูขัดแย้งกับนักเรียน: ค่าต่ำสุดของตัวต้านทานจะกระจายพลังงานที่ใหญ่ที่สุด คณิตศาสตร์ไม่ได้โกหกแม้ว่า

อีกประการหนึ่งของคำถามนี้คือการปลูกฝังจิตใจของนักเรียนแนวคิดขององค์ประกอบในวงจรแบบขนานทั้งหมดที่ใช้ร่วมกันจำนวนเดียวกันของแรงดันไฟฟ้า

ท้าทายนักเรียนของคุณเพื่อจดจำรูปแบบทางคณิตศาสตร์ในกระแสและกระแสไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง สิ่งที่กล่าวได้ในทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับกระแสที่ดึงมาจากตัวต้านทาน 2 Ωเทียบกับตัวต้านทาน 1 Ωเช่นแผ่นงานชีทชีท panelpanel - default "itemscope>

คำถามที่ 20

ความสว่างของหลอดไฟหรือพลังงานที่กระจายไปโดยโหลดไฟฟ้าใด ๆ สำหรับเรื่องที่อาจจะแตกต่างกันโดยการแทรกความต้านทานตัวแปรในวงจรเช่นนี้:

วิธีการควบคุมพลังงานไฟฟ้านี้ไม่ใช่ข้อเสียของมัน พิจารณาตัวอย่างที่กระแสวงจรเป็น 5 แอมป์ความต้านทานตัวแปรคือ 2 Ωและหลอดไฟจะลดแรงดันไฟฟ้า 20 โวลต์ลงในขั้วต่อ คำนวณกำลังไฟที่สลายโดยหลอดไฟกำลังไฟกระจายไปตามค่าความต้านทานตัวแปรและกำลังไฟทั้งหมดที่มาจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า จากนั้นอธิบายว่าเหตุใดการควบคุมพลังงานจึงไม่เหมาะสม

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

P lamp = 100 วัตต์

ความต้านทาน P = 50 วัตต์

P = 150 วัตต์

คำถามติดตามผล: โปรดทราบว่าในคำถามเดิมผมได้เสนอค่าสมมุติฐานที่จะใช้ในการหาว่าทำไมชุดรีโพสต์ (ความต้านทานตัวแปร) ไม่ใช่วิธีที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมพลังงานหลอดไฟ อธิบายว่าสมมติฐานของค่าบางอย่างเป็นเทคนิคการแก้ปัญหาที่เป็นประโยชน์ในกรณีที่ไม่มีค่าใดให้กับคุณ

หมายเหตุ:

อภิปรายเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานนั้นไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลายได้ แต่เพียงการเปลี่ยนแปลงระหว่างรูปแบบที่ต่างกัน ตามหลักการนี้ผลรวมของการกระจายพลังงานทั้งหมดในวงจรจะต้องเท่ากับปริมาณพลังงานทั้งหมดที่จัดหามาโดยแหล่งพลังงานโดยไม่คำนึงว่าส่วนประกอบเหล่านี้เชื่อมต่อเข้าด้วยกันอย่างไร

คำถาม 21

วิธีการควบคุมไฟฟ้าที่ทันสมัยเกี่ยวกับการใส่สวิตช์ที่ทำงานได้อย่างรวดเร็วพร้อมกับโหลดไฟฟ้าเพื่อเปิดและปิดเครื่องเพื่อให้สามารถทำงานได้อย่างรวดเร็วตลอดเวลา โดยปกติจะใช้อุปกรณ์ solid-state เช่น ทรานซิสเตอร์ :

วงจรนี้ง่ายขึ้นอย่างมากจากวงจรชีพจรควบคุมจริง เฉพาะทรานซิสเตอร์เท่านั้นที่แสดง (ไม่ใช่วงจร "ชีพจร" ซึ่งจำเป็นต้องสั่งให้เปิดและปิด) เพื่อความเรียบง่าย สิ่งที่คุณต้องรู้คือความจริงที่ว่าทรานซิสเตอร์ทำงานเหมือนกับสวิตช์ SPST แบบ Single-pole เดียวยกเว้นการควบคุมด้วยกระแสไฟฟ้ามากกว่าด้วยแรงทางกลและสามารถทำงานได้ เพื่อเปิดและปิดหลายล้านครั้งต่อวินาทีโดยไม่ต้องสึกหรอหรืออ่อนล้า

ถ้าทรานซิสเตอร์กระเพื่อมเปิดและปิดเร็วพอพลังในหลอดไฟอาจเปลี่ยนแปลงได้อย่างราบรื่นเช่นเดียวกับที่ควบคุมโดยตัวต้านทานแบบปรับได้ อย่างไรก็ตามมีพลังงานน้อยมากที่สูญเสียไปเมื่อใช้ทรานซิสเตอร์ที่สลับอย่างรวดเร็วเพื่อควบคุมพลังงานไฟฟ้าซึ่งแตกต่างจากเมื่อมีการใช้ความต้านทานแบบตัวแปรสำหรับงานเดียวกัน โหมดการควบคุมพลังงานไฟฟ้านี้เรียกว่า Pulse-Width Modulation หรือ PWM

อธิบายว่าทำไมการควบคุมพลังงาน PWM จึงมีประสิทธิภาพมากกว่าการควบคุมกำลังงานโดยใช้ความต้านทานแบบอนุกรม

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ทำหน้าที่เหมือนกับสวิตช์ปิด: โหลดกระแสไฟฟ้าเต็ม แต่ลดแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นการกระจายพลังงาน (ON) (P = IE) จึงน้อยที่สุด ในทางตรงกันข้ามเมื่อทรานซิสเตอร์ปิดทำงานจะทำหน้าที่เหมือนกับสวิตช์เปิด: ไม่มีกระแสใด ๆ เลย ดังนั้นการกระจายพลังงาน "OFF" (P = IE) เป็นศูนย์ พลังงานที่เปล่งออกมาจากโหลด (หลอดไฟ) คือพลังงานที่ใช้เวลาเฉลี่ยกระจายระหว่างรอบการทรานซิสเตอร์ "ON" และ "OFF" ดังนั้นพลังงานโหลดจะถูกควบคุมโดยไม่ต้องเสียพลังงานจากอุปกรณ์ควบคุม

หมายเหตุ:

นักเรียนอาจมีช่วงเวลาที่ลำบากในการจับภาพว่าหลอดไฟ จางลง ได้อย่างไรโดยการเปิดและปิดเครื่องอย่างรวดเร็ว กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจแนวคิดนี้คือต้องตระหนักว่าเวลาเปลี่ยนของทรานซิสเตอร์ต้องเร็วกว่าเวลาที่ใช้ในหลอดไส้หลอดเพื่อให้ความร้อนหรือเย็นสนิท สถานการณ์จะคล้ายคลึงกับการควบคุมความเร็วของรถยนต์โดยการเหยียบคันเร่งอย่างรวดเร็ว ถ้าทำช้าผลที่ได้คือความเร็วรถที่แตกต่างกัน ถ้าทำอย่างรวดเร็วพอแม้ว่ามวลรถยนต์จะมีการหมุนวนรอบ "ON" / "OFF" ของ pedal และส่งผลให้ความเร็วใกล้เคียงกับที่ตั้งไว้

เทคนิคนี้ได้รับความนิยมอย่างมากในด้านการควบคุมพลังงานอุตสาหกรรมและได้รับความนิยมเป็นเทคนิคการขยายเสียง (เรียกว่า Class D ) ประโยชน์ของการสูญเสียพลังงานน้อยโดยอุปกรณ์ควบคุมเป็นจำนวนมาก

คำถาม 22

อะไรจะเกิดขึ้นกับความสว่างของหลอดไฟถ้าสวิตช์ในวงจรนี้ถูกปิดทันที "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00103x01.png">

เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในความสว่างของหลอดไฟเมื่อสวิตช์ปิดเนื่องจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าควรจะรักษาเอาท์พุทแรงดันคงที่โดยไม่คำนึงถึงการโหลด อย่างที่คุณอาจคาดเดาได้ว่า "การดึง" โดยตัวต้านทานเมื่อปิดสวิตช์อาจทำให้หลอดไฟสลัวลงเล็กน้อยเนื่องจากแรงดันไฟฟ้า "ลดลง" ของแบตเตอรี่ภายใต้ภาระเพิ่มเติม หากแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับการใช้งานแม้ว่าระดับของแรงดันไฟฟ้า "ลดลง" จะไม่สำคัญ

หมายเหตุ:

คำถามนี้แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างระหว่างเงื่อนไขที่เหมาะสำหรับการคำนวณทางทฤษฎีโดยทั่วไปและเงื่อนไขเหล่านั้นที่พบในชีวิตจริง อย่างแท้จริงจุดมุ่งหมายของแหล่งแรงดันไฟฟ้าคือการรักษาแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทคงที่โดยไม่ต้องคำนึงถึงภาระ (ปัจจุบันดึงมาจากมัน) แต่ในชีวิตจริงนี้เกือบเป็นไปไม่ได้ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่แสดงให้เห็นว่ามีการ "ลดลง" ในการส่งผ่านของช่วงของกระแสโหลดบางอย่างที่เลวร้ายกว่าบางส่วน

ในตัวอย่างนี้เป็นไปไม่ได้ที่จะบอกว่าเอาท์พุทของแหล่งจ่ายแรงดันจะ "ลดลง" เมื่อปิดสวิตช์เนื่องจากเราไม่มีความคิดว่าจะดึงกระแสไฟฟ้าของตัวต้านทานใด ๆ เทียบกับหลอดไฟหรือสิ่งที่แรงดันไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟที่ได้รับการจัดอยู่ในปัจจุบันคือ ทั้งหมดที่เราสามารถพูดได้คือในทางทฤษฎีจะไม่มีผลกระทบใด ๆ จากการปิดสวิตช์ แต่ในชีวิตจริงจะมีการหรี่แสงลงบ้างเมื่อปิดสวิตช์

คำถาม 23

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าสายที่ไม่มีความต้านทาน (0 Ω) ถูกเชื่อมต่อโดยตรงผ่านขั้วของแบตเตอรี่ 6 โวลต์? เท่าไหร่ในปัจจุบันจะส่งผลให้เป็นไปตามกฎหมายของโอห์ม?

สมมติว่าเรากำลังลัดวงจรแบตเตอรี่ 6 โวลต์ตามที่อธิบายไว้และวัดกระแสไฟ 8 แอมป์ เหตุใดตัวเลขที่คำนวณได้จากย่อหน้าก่อน ๆ จึงไม่สอดคล้องกับการวัดจริง "# 23"> เปิดเผยคำตอบซ่อนคำตอบ

กฎของโอห์มจะแนะนำกระแสอนันต์ (กระแส = แรงดันหารด้วยความต้านทานเป็นศูนย์) อย่างไรก็ตามการทดลองที่อธิบายไว้จะให้ผลตอบแทนเพียงเล็กน้อยในปัจจุบัน

ถ้าคุณคิดว่าลวดที่ใช้ในการทดสอบไม่ได้รับความต้านทานน้อย (เช่นมีความต้านทาน) และที่บัญชีสำหรับความแตกต่างระหว่างปริมาณที่คาดการณ์และวัดของปัจจุบันคุณจะถูกต้องบางส่วน ในทางปฏิบัติชิ้นส่วนเล็ก ๆ ของสายไฟเช่นที่ใช้ในการทดลองจะมีความต้านทานไม่กี่ส่วนของโอห์ม อย่างไรก็ตามหากคุณคำนวณกระแสไฟฟ้าอีกครั้งด้วยความต้านทานต่อสาย 0.1 Ωคุณจะยังคงพบความแตกต่างระหว่างการคาดการณ์กับกระแสไฟฟ้าที่วัดได้จริงในวงจรลัดวงจรนี้

คำถามที่ติดตาม # 1: อธิบายว่าทำไมความต้านทานต่อสายเพียงอย่างเดียวไม่ได้อธิบายถึงกระแสไฟฟ้าลัดที่เจียมเนื้อเจียมตัว

คำถามที่ติดตาม # 2: ระบุอันตรายด้านความปลอดภัยอย่างน้อยหนึ่งข้อที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบจริงเช่นนี้

หมายเหตุ:

เตือนนักเรียนว่าการทดสอบการลัดวงจรของแหล่งพลังงานไฟฟ้าอาจเป็นอันตรายได้ นักเรียนของฉันเคยยัดเยียดแบตเตอรี่ "โคมไฟ" ขนาด 6 โวลต์ในกระเป๋าเครื่องมือของเขาเพียงเพื่อให้มันคายประจุไฟฟ้าหมดภายในหนึ่งชั่วโมงต่อมาหลังจากขั้วแบตเตอรี่ถูกลัดวงจรด้วยมือจับที่จับ!

ไม่มีกฎของโอห์มไม่ใช่การโกงที่นี่: การลัดวงจรแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่มีตัวนำ 0 Ωจะไม่ส่งผลให้กระแสอนันต์เนื่องจากมีแหล่งกำเนิดความต้านทานอื่นในวงจรดังกล่าว งานที่นี่คือการกำหนดแหล่งที่มาของแหล่งที่มาและวิธีที่จะหาได้

  • ←แผ่นงานก่อนหน้า

  • ดัชนี Worksheets

  • แผ่นงานถัดไป→