หน่วยการเรียนรู้ที่ 2 เรื่อง งานและพลังงาน

กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ รายวิชาวิทยาศาสตร์ 5 รหัส ว 23101

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 3 เวลา 12 ชั่วโมง

1. มาตรฐานการเรียนรู้/ตัวชี้วัด

สาระที่ 5 พลังงาน มาตรฐาน ว 5.1 เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับการดำรงชีวิต การเปลี่ยนรูปพลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารและพลังงาน ผลของการใช้พลังงานต่อชีวิตและสิ่งแวดล้อม มีกระบวนการสืบเสาะหาความรู้ สื่อสารสิ่งที่รู้และนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ตัวชี้วัด ว 5.1 ม 3/1 อธิบายพลังงานจลน์ พลังงานศักย์โน้มถ่วง กฎการอนุรักษ์พลังงานและความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์

สาระที่ 8 ธรรมชาติของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

มาตรฐาน ว 8.1 ใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์และจิตวิทยาศาสตร์ในการสืบเสาะหาความรู้การแก้ปัญหารู้ว่า ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่มีรูปแบบที่แน่นอนสามารถอธิบายและตรวจสอบได้ภายใต้ข้อมูลและเครื่องมือที่มีอยู่ในช่วงเวลานั้น ๆเข้าใจว่าวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี สังคม และสิ่งแวดล้อมมีความเกี่ยวข้องสัมพันธ์กัน

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/1 ตั้งคำถามที่กำหนดประเด็นหรือตัวแปรที่สำคัญในการสำรวจตรวจสอบ

หรือศึกษาค้นคว้าเรื่องที่สนใจอย่างครอบคลุมและเชื่อถือได้

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/2 สร้างสมมติฐานที่สามารถตรวจสอบได้ และวางแผนการสำรวจตรวจสอบหลาย ๆ วิธี

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/3 เลือกเทคนิควิธีการสำรวจตรวจสอบทั้งเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพที่ได้ผลเที่ยงตรงและปลอดภัยโดยใช้วัสดุเครื่องมือที่เหมาะสม

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/4 รวบรวมข้อมูล จัดกระทำข้อมูลเชิงปริมาณและคุณภาพ

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/5 วิเคราะห์และประเมินความสอดคล้องของประจักษ์พยานกับข้อสรุปทั้งที่สนับสนุนหรือขัดแย้งกับสมมติฐานและความผิดปกติของข้อมูลจากการสำรวจตรวจสอบ

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/6 สร้างแบบจำลอง หรือรูปแบบที่อธิบายผลหรือแสดงผลของการสำรวจตรวจสอบ

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/7 สร้างคำถามที่นำไปสู่การสำรวจตรวจสอบในเรื่องที่เกี่ยวข้องและนำความรู้ที่ได้ไปใช้ในสถานการณ์ ใหม่หรืออธิบายเกี่ยวกับแนวคิดกระบวนการและผลของโครงงานหรือชื้นงานให้ผู้อื่นเข้าใจ

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/8 บันทึกและอธิบายผลการสังเกตการสำรวจตรวจสอบค้นคว้าเพิ่มเติมจาก

แหล่งความรู้ต่าง ๆ ให้ข้อมูลที่เชื่อถือได้

ตัวชี้วัด ว 8.1 ม 3/9 จัดแสดงผลงาน เขียนรายงานและ/หรืออธิบายเกี่ยวกับแนวคิดกระบวนการ และผลของโครงงานหรือชิ้นงานให้ผู้อื่นเข้าใจ

2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด

พลังงานกลเป็นพลังงานที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ การให้งานแก่วัตถุเป็นการถ่ายโอนพลังงานให้วัตถุ พลังงานนี้เป็นพลังงานกลซึ่งประกอบด้วย พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ พลังงานจลน์เป็นพลังงานของวัตถุเคลื่อนที่ ส่วนพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุเป็นพลังงานของวัตถุที่อยู่สูงจากพื้นโลก

3. สาระการเรียนรู้

ด้านความรู้

- การถ่ายโอนพลังงาน

- พลังงานศักย์

- พลังงานกล

- พลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุ

- พลังงานจลน์

- กฎการอนุรักษ์พลังงาน /การนำไปใช้ประโยชน์

ด้านทักษะและกระบวนการ

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ ได้แก่ การสังเกต การวัด การจำแนกประเภทการคำนวณ การลงความคิดเห็นจากข้อมูล การพยากรณ์ การตั้งสมมติฐาน การกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ การกำหนดและควบคุมตัวแปร การทดลอง และการตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป

ด้านเจตคติ คุณธรรม จริยธรรม

เห็นคุณค่าทางวิทยาศาสตร์ มีคุณลักษณะทางวิทยาศาสตร์ มีค่านิยมที่ดีงามใช้ความรู้และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการดำรงชีวิต การศึกษาหาความรู้เพิ่มเติม ทำโครงงานหรือสร้างชิ้นงานตามความสนใจ แสดงถึงความสนใจ มุ่งมั่น รับผิดชอบ รอบคอบ และซื่อสัตย์ในการสืบเสาะหาความรู้ โดยใช้เครื่องมือและวิธีการที่ให้ได้ผลถูกต้องเชื่อถือได้ ทำงานร่วมกับผู้อื่นอย่างสร้างสรรค์ แสดงความคิดเห็นของตนเองและยอมรับฟังความคิดเห็นของผู้อื่น

4. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน

นักเรียนมีความสามารถในการสื่อสาร การคิด การแก้ปัญหา การใช้ทักษะชีวิต และการใช้เทคโนโลยี

5. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ รักชาติ ศาสน์ กษัตริย์ ซื่อสัตย์สุจริต มีวินัย ใฝ่เรียนรู้ มุ่งมั่นในการทำงาน รักความเป็นไทย มีจิตสาธารณะ และสอดคล้องกับค่านิยม 12 ประการ ในข้อที่ 2,4,6,7,8,9 และ10

6. ชิ้นงาน / ภาระงาน สิ่งประดิษฐ์ มหัศจรรย์พลังงานน้ำ

ภาพที่ 3.1 แสดงตัวอย่างงานประดิษฐ์พลังงานน้ำมหัศจรรย์

ที่มา : หนังสือเรียนวิชาพลังงานทดแทนกับการใช้ประโยชน์ ของ สสวท.

ลักษณะชิ้นงาน

เมื่อปล่อยน้ำลงไปที่บริเวณส่วนปลายใบพัดของกังหันอย่างต่อเนื่อง กังหันจะหมุน เมื่อกังหันหมุน ทำให้แกนของกังหันหมุนตาม และทำให้เส้นด้ายที่ผูกติดอยู่กับแกนกังหัน หมุนพันรอบแกนกังหัน เมื่อเส้นด้ายหมุนพันรอบแกนกังหันไปเรื่อยๆ ทำให้คลิปหนีบกระดาษขนาดเล็กที่ผูกติดเส้นด้ายไว้ มีการเคลื่อนที่เปลี่ยนตำแหน่งไปจากเดิม จนกระทั่งเคลื่อนที่มาสิ้นสุดที่แกนของกังหัน เมื่อเพิ่มระยะห่างตามแนวดิ่งระหว่างตำแหน่งของน้ำที่ปล่อยลงมากับตำแหน่งของแกนกังหันให้มีระยะห่างมากขึ้น กังหันจะหมุนเร็วขึ้น สังเกตได้จากการเคลื่อนที่ของคลิปหนีบกระดาษที่เคลื่อนที่ได้เร็วขึ้นกว่าเดิม

การนำพลังงานน้ำมาใช้หมุนกังหันในกิจกรรมนี้ มีข้อจำกัดเกี่ยวกับระยะห่างตามแนวดิ่งระหว่างตำแหน่งของน้ำที่ปล่อยลงมากับตำแหน่งของกังหันและปริมาณของน้ำที่ใช้ในการกิจกรรม คือ ถ้าต้องการให้กังหันหมุนเร็ว ต้องเพิ่มระยะห่างตามแนวดิ่งระหว่างตำแหน่งของน้ำที่ปล่อยลงมากับตำแหน่งของกังหันให้มีระยะห่างมาก และถ้าต้องการให้กังหันหมุนอย่างต่อเนื่อง ต้องปล่อยน้ำให้ไหลมาปะทะกับกังหันอย่างต่อเนื่อง ซึ่งต้องใช้น้ำเป็นปริมาณมากตามไปด้วย

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

งาน

การให้งานแก่วัตถุเป็นการถ่ายโอนพลังงานให้วัตถุ พลังงานนี้เป็นพลังงานกลซึ่งประกอบด้วย พลังงานศักย์และพลังงานจลน์ พลังงานจลน์เป็นพลังงานของวัตถุขณะวัตถุเคลื่อนที่ ส่วนพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุ เป็นพลังงานของวัตถุที่อยู่สูงจากพื้นโลก

กำลัง

เป็นความสัมพันธ์ระหว่างงานที่ทำได้ กับ เวลาที่ใช้

พลังงานกล

พลังงานกลเป็นผลรวมของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์

พลังงานจากการตกของวัตถุ

เมื่อปล่อยน้ำลงไปที่บริเวณส่วนปลายใบพัดของกังหันอย่างต่อเนื่อง กังหันจะหมุน การปล่อยน้ำจากถังน้ำที่อยู่ในระดับสูงกว่า ลงมากระทบกังหันที่อยู่ระดับต่ำกว่า พลังงานศักย์ของน้ำในถังจะถ่ายโอนให้กับกังหัน ทำให้กังหันเคลื่อนที่โดยการหมุนรอบแกนเกิดเป็นพลังงานจลน์ และคลิปหนีบกระดาษจะเคลื่อนที่เปลี่ยนตำแหน่งไปจากเดิม

กฎการอนุรักษ์พลังงาน

พลังงานรวมของวัตถุไม่สูญหาย แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้

7. การวัดและประเมินผล

วิธีการ

เครื่องมือ

เกณฑ์

ทดสอบ

แบบทดสอบ

ได้คะแนน 60% ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินการนำเสนอผลงาน

แบบประเมินการนำเสนอผลงาน

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินชิ้นงาน

แบบประเมินชิ้นงาน

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินจิตวิทยาศาสตร์และเจตคติเชิงวิทยาศาสตร์

แบบประเมินจิตวิทยาศาสตร์และ

เจตคติเชิงวิทยาศาสตร์

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

แบบประเมินทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินสมรรถนะสำคัญของนักเรียน

แบบประเมินสมรรถนะสำคัญของนักเรียน

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินคุณลักษณะอันพึงประสงค์

แบบประเมินคุณลักษณะอันพึงประสงค์

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

ประเมินค่านิยมพื้นฐาน 12 ประการ

แบบประเมินค่านิยมพื้นฐาน 12 ประการ

ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

เกณฑ์การประเมินชิ้นงาน/ภาระงาน

ประเด็นการประเมิน

เกณฑ์การให้คะแนน

4 (ดีมาก)

3 (ดี)

2 (พอใช้)

1 (ปรับปรุง)

1. รูปแบบชิ้นงาน

- รูปแบบชิ้นงานมีการเลือกใช้วัสดุที่คุ้มค่า

- รูปแบบแปลกใหม่น่าสนใจ

- รูปแบบมีความสวยงาม

- รูปแบบสัมพันธ์กับเนื้อหา

- รูปแบบแปลกใหม่น่าสนใจ

- รูปแบบมีความสวยงาม

- รูปแบบสัมพันธ์กับเนื้อหา

- รูปแบบมีความสวยงาม

- รูปแบบสัมพันธ์กับเนื้อหา

- รูปแบบสัมพันธ์กับเนื้อหา

2. ขั้นตอนการทำงานตามกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

มีการนำกระบวนการทางวิทยาศาสตร์มาใช้ครบทุกหัวข้อได้แก่การสังเกต การวัด การจำแนกประเภท การหาความสัมพันธ์ระหว่างสเปสกับสเปสและสเปสกับเวลา การคำนวณ การจัดทำและสื่อความหมายข้อมูล การลงความคิดเห็นจากข้อมูล การพยากรณ์การตั้งสมมติฐาน การกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ การกำหนดและควบคุมตัวแปร การทดลอง การตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป

มีการนำกระบวนการทางวิทยาศาสตร์มาใช้ 2 หัวข้อขึ้นไป

มีการนำกระบวนการทางวิทยาศาสตร์มาใช้

ไม่มีการนำกระบวนการทางวิทยาศาสตร์มา

3. เนื้อหา

มีการอธิบายเรื่องงานและกำลัง พลังงานกล และการอนุรักษ์พลังงานได้ครบทุกข้อ

มีการอธิบายเรื่องงานและกำลัง พลังงานกล และการอนุรักษ์พลังงานได้ 80%

มีการอธิบายเรื่องงานและกำลัง พลังงานกล และการอนุรักษ์พลังงานได้ 60%

ไม่สามารถอธิบายเรื่องงานและกำลัง พลังงานกล และการอนุรักษ์พลังงานได้

4. ความร่วมมือในการทำงาน

ทุกคนมีส่วนร่วมและให้ความร่วมมืออย่างเต็มที่

80% ของกลุ่มมีส่วนร่วมและให้ความร่วมมือ

60% ของกลุ่มมีส่วนร่วมและให้ความร่วมมือ

40% ของกลุ่มมีส่วนร่วมและให้ความร่วมมือ

5. ความถูกต้องของเนื้อหา

อธิบายเนื้อหาตามหลักวิชาได้อย่างถูกต้องทั้งหมด

อธิบายเนื้อหาตามหลักวิชาได้อย่างถูกต้อง 80%

อธิบายเนื้อหาตามหลักวิชาได้อย่างถูกต้อง 60%

อธิบายเนื้อหาตามหลักวิชาได้อย่างถูกต้อง 40%

8. กิจกรรม

ชั่วโมงที่ 1-2 (งาน)

จุดประสงค์การเรียนรู้

1) อธิบายและคำนวณงาน

2) ทดลองและอธิบายเกี่ยวกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง

กิจกรรมการเรียนรู้

ออกแบบกิจกรรมโดยใช้เทคนิคการจัดการเรียนรู้แบบวิทยาศาสตร์ ดังนี้

1. ขั้นกำหนดปัญหา

ครูให้นักเรียนทำแบบทดสอบก่อนเรียน เรื่องงานและพลังงาน

ครูนำเสนอปัญหาโดยใช้ภาพคนนั่งทำงาน ม้าลากรถ คนแบกกล่อง ให้นักเรียนคิดหาคำตอบ

ตามความคิดเห็นของนักเรียนว่ากิจกรรมในภาพมีการทำงานเกิดขึ้นหรือไม่ (ครูไม่เฉลยคำตอบ เพื่อโยงไปสู่กิจกรรมที่ 2.1

- นักเรียนร่วมกันวิเคราะห์งานทางวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นจากภาพ

- นักเรียนศึกษาภาพเดิม แล้วบอกครูว่าการออกแรงกระทำต่อวัตถุในทิศใดบ้าง

- นักเรียนลองกระทำวัตถุบนโต๊ะในรูปแบบต่างๆ ว่ามีการเคลื่อนที่หรือไม่

- นักเรียนคิดว่าถ้าเราพิจารณาเฉพาะแรงกับระยะทางที่อยู่ในแนวเดียวกับแรง ระยะทางกับแรงจะมีความสัมพันธ์กันอย่างไร

2. ขั้นกำหนดสมมติฐาน

ครูให้นักเรียนตั้งสมมติฐานเพื่อคาดคะเนคำตอบของปัญหาหรือสาเหตุของปัญหาจากความรู้และประสบการณ์เดิมเกี่ยวกับการเกิดงาน จากบทบาทสมมติที่นักเรียนทำให้ดู และให้นักเรียนวางแผนวิธีการค้นคว้าข้อมูลจากแหล่งต่างๆเพื่อทดสอบสมมติฐาน

3. ขั้นรวบรวมข้อมูล

ครูให้นักเรียนศึกษาใบความรู้ที่ 2.1 งาน และทำใบงานที่ 2.1 งาน และใบงานที่ 2.2การคำนวณหางาน

4. ขั้นวิเคราะห์ข้อมูล

วินิจฉัยผลการทดลองว่ามีความถูกต้อง เที่ยงตรง และเชื่อถือได้มากน้อยเพียงใด

5. ขั้นสรุปและประเมินผล

ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายสรุป โดยมีแนวทาง ดังนี้ งานเกิดจากการออกแรงกระทำให้วัตถุเคลื่อนที่ตามแนวแรงกระทำ แรงดังกล่าวอาจเป็นแรงลัพธ์หรือแรงย่อยที่มีทิศทางตามแนวการเคลื่อนที่ของวัตถุ

ครูให้ความรู้นักเรียนเพิ่มเติมโดยอธิบายว่าการออกแรงกระทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ระยะทางในแนวเดียวกับแรง โดยที่ทิศทางการเคลื่อนที่และทิศทางของแรงอยู่ในแนวเดียวกัน ในทางวิทยาศาสตร์ถือว่ามีงาน (work; W) เกิดขึ้น โดยงานเป็นสเกลาร์ สามารถหาค่าของงานได้จากผลคูณระหว่างขนาดของแรงกับระยะทางการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวเดียวกับแรง

สื่อและแหล่งการเรียนรู้

- ใบความรู้ที่ 2.1 งาน

- ใบงานที่ 2.1 งาน และใบงานที่ 2.2 การคำนวณหางาน

- ภาพคนนั่งทำงาน ม้าลากรถ คนแบกกล่อง

- วัสดุอุปกรณ์ในห้องเรียน

การวัดและประเมินผล

วิธีการ

เครื่องมือ

เกณฑ์

- สังเกตการมีส่วนร่วมในการทำงาน

- ตรวจใบงานที่ 2.1 งาน

และใบงานที่ 2.2การคำนวณหางาน

- ทดสอบก่อนเรียน เรื่องงานและพลังงาน

- แบบสังเกตการมีส่วนร่วมในการทำงาน

- ใบงานที่ 2.1 งาน และใบงานที่ 2.2การคำนวณหางาน

- แบบทดสอบก่อนเรียน เรื่องงานและพลังงาน

-ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

-ได้คะแนนจากการทดสอบ/การตอบคำถามในใบงาน 60% ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

หมายเหตุ

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ คือ ได้แก่ การสังเกต การวัด การจำแนกประเภทการคำนวณ การลงความคิดเห็นจากข้อมูล การพยากรณ์ การตั้งสมมติฐาน การกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ การกำหนดและควบคุมตัวแปร การทดลอง และการตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป

ด้านเจตคติ คุณธรรม จริยธรรม

เห็นคุณค่าทางวิทยาศาสตร์ มีคุณลักษณะทางวิทยาศาสตร์ มีค่านิยมที่ดีงามใช้ความรู้และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการดำรงชีวิต การศึกษาหาความรู้เพิ่มเติม สร้างชิ้นงานตามความสนใจ แสดงถึงความสนใจ มุ่งมั่น รับผิดชอบ รอบคอบ และซื่อสัตย์ในการสืบเสาะหาความรู้ โดยใช้เครื่องมือและวิธีการที่ให้ได้ผลถูกต้องเชื่อถือได้ ทำงานร่วมกับผู้อื่นอย่างสร้างสรรค์ แสดงความคิดเห็นของตนเองและยอมรับฟังความคิดเห็นของผู้อื่น

ชั่วโมงที่ 3 (กำลัง)

จุดประสงค์การเรียนรู้

1) อธิบายและคำนวณกำลังได้

2) เปรียบเทียบกำลังของคน สัตว์ หรือเครื่องมือกล

กิจกรรมการเรียนรู้

ออกแบบกิจกรรมโดยใช้เทคนิคการจัดการเรียนรู้แบบนิรนัย ดังนี้

1. ขั้นกำหนดขอบเขตของปัญหา

นักเรียนร่วมกันอภิปรายว่าถ้าพิจารณาการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าสองตัวทำงานแบบ

เดียวกัน คือ มอเตอร์ตัวที่ 1 ยกวัตถุมวล 1,000 กิโลกรัม ขึ้นสูงขึ้นจากพื้นเป็นระยะทาง 10 เมตร ในเวลา 5 วินาที มอเตอร์ตัวที่ 2 ยกวัตถุเดียวกัน ณ สถานที่เดียวกัน สูงจากพื้นเท่ากัน แต่ใช้เวลา 10 วินาที ครูถามนักเรียนดังนี้

- นักเรียนคิดว่ามอเตอร์สองตัวนี้มีความสามารถในการทำงานเท่ากัน หรือไม่ จะเปรียบเทียบได้อย่างไร (ความสามารถในการทำงานของมอเตอร์ทั้งสองไม่เท่ากัน มอเตอร์ตัวที่ 1 ใช้เวลาน้อยกว่า)

2. ขั้นแสดงและอธิบายทฤษฎี หลักการ

ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปราย ความสามารถในการทำงานของคน สัตว์ หรือเครื่องจักร สามารถเปรียบเทียบได้จากอัตราส่วนระหว่างงานที่ทำได้กับเวลาที่ใช้ในการทำงาน อัตราส่วนนี้เรียกว่ากำลัง

นักเรียนศึกษาใบความรู้ที่ 2.2 กำลัง และร่วมกันอภิปราย นำเสนอ สรุปความคิดรวบยอด ความคิดของนักเรียนและครูปรับความคิดให้ถูกต้อง ชัดเจนสมบูรณ์

3. ขั้นใช้ทฤษฎี หลักการ

นักเรียนใช้ความรู้ใช้ทฤษฎีที่ครูอธิบายไว้ หาคำตอบของในใบงานที่ 2.3 กำลัง

4. ขั้นตรวจสอบและสรุป

ครูเฉลยคำตอบและให้คำปรึกษาแก่นักเรียน หลังจากนั้นครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายอธิบายถึงแนวทางการนำความรู้ไปใช้ในชีวิตประจำวันได้

5. ขั้นฝึกปฏิบัติ

- นักเรียนสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมเรื่องกำลังจากอินเตอร์เน็ต

สื่อและแหล่งการเรียนรู้

- ใบความรู้ที่ 2.2 กำลัง

- ใบงานที่ 2.3 กำลัง

การวัดและประเมินผล

วิธีการ

เครื่องมือ

เกณฑ์

- ตรวจใบงานที่ 2.3 กำลัง

- ใบงานที่ 2.3 กำลัง

ได้คะแนนจากการตอบคำถามในใบงาน 60 % ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

หมายเหตุ

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ คือ ได้แก่ การสังเกต การวัด การจำแนกประเภทการคำนวณ การลงความคิดเห็นจากข้อมูล การตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป

ด้านเจตคติ คุณธรรม จริยธรรม

เห็นคุณค่าทางวิทยาศาสตร์ มีคุณลักษณะทางวิทยาศาสตร์ มีค่านิยมที่ดีงามใช้ความรู้และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการดำรงชีวิต การศึกษาหาความรู้เพิ่มเติม ความสนใจ มุ่งมั่น รับผิดชอบ รอบคอบ และซื่อสัตย์ในการสืบเสาะหาความรู้ โดยใช้เครื่องมือและวิธีการที่ให้ได้ผลถูกต้องเชื่อถือได้ ทำงานร่วมกับผู้อื่นอย่างสร้างสรรค์ แสดงความคิดเห็นของตนเองและยอมรับฟังความคิดเห็นของผู้อื่น

ชั่วโมงที่ 4-5 (กำลัง พลังงานกล พลังงานจากการตกของวัตถุ)

จุดประสงค์การเรียนรู้

ทดลอง และอธิบายเกี่ยวกับพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุ พลังงานจลน์

กิจกรรมการเรียนรู้

ออกแบบกิจกรรมโดยใช้เทคนิคการจัดการเรียนรู้แบบวิทยาศาสตร์ ดังนี้

1. ขั้นกำหนดปัญหา

ครูนำเข้าสู่บทเรียน โดยครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายว่า

- ชีวิตประจำวันของเราเกี่ยวข้องกับการออกแรง และการใช้พลังงานหลายรูปแบบครูเชื่อมโยง งานกับพลังงาน โดยร่วมอภิปรายกับนักเรียนว่า

- ถ้าพิจารณาการทำงานของรถยนต์ พลังงานความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในกระบอกสูบ ทำให้เกิดแรงอัดดันสูบให้เคลื่อนที่ไปมา (งานจากลูกสูบถ่ายทอดไปยังเพลา ทำให้เพลาหมุน) งานจากการหมุนของเพลา ถ่ายทอดไปยังล้อ ทำให้ล้อหมุน รถยนต์จึงเคลื่อนที่ได้จะเห็นได้ว่า งานกับพลังงาน มีความเกี่ยวข้องกัน

ครูถามคำถามนักเรียนว่า

- นักเรียนคิดว่า พลังงานรูปแบบต่างๆ มีความสัมพันธ์กันอย่างไร

2. ขั้นกำหนดสมมติฐาน

ครูให้นักเรียนตั้งสมมติฐานเพื่อคาดคะเนคำตอบของปัญหาหรือสาเหตุของปัญหาจากความรู้และประสบการณ์เดิม และให้นักเรียนวางแผนวิธีการค้นคว้าข้อมูลจากใบความรู้ที่ 2.3 พลังงาน เพื่อทดสอบสมมติฐาน

3. ขั้นรวบรวมข้อมูล

นักเรียนศึกษาค้นคว้าและทำการทดลองในใบงานที่ 2.4 พลังงานจากการตกของวัตถุเพื่อเก็บรวบรวมข้อมูลตามแผนที่กำหนดไว้

4. ขั้นวิเคราะห์ข้อมูล

วินิจฉัยผลการทดลองว่ามีความถูกต้อง เที่ยงตรง และเชื่อถือได้มากน้อยเพียงใดพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการตกของวัตถุว่ามีความสัมพันธ์กันอย่างไร

5. ขั้นสรุปและประเมินผล

ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายสรุปผลการทำกิจกรรม ดังนี้

- วัตถุที่ตกจากตำแหน่งที่มีระดับสูงมากกว่า มีพลังงานมากกว่าวัตถุที่มีขนาดและมวลเท่ากัน แต่ตกจากระดับต่ำกว่า

- วัตถุที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีมวลมากกว่า เมื่อตกจากระดับสูงเท่ากัน วัตถุที่มีมวลมากกว่าจะมีพลังงานมากกว่า

ครูและนักเรียนร่วมกันอภิปรายสูตรการหาพลังงานจลน์ Ek = 1/2 mv2

สูตรการหาพลังงานศักย์ Ep = mgh

ครูให้นักเรียนทำใบงานที่ 2.5 การคำนวณพลังงาน

สื่อและแหล่งการเรียนรู้

- ชุดอุปกรณ์ทดลองกิจกรรมที่ 2.2

- ใบความรู้ที่ 2.3 พลังงาน

- ใบงานที่ 2.4 พลังงานจากการตกของวัตถุ และใบงานที่ 2.5 การคำนวณพลังงาน

การวัดและประเมินผล

วิธีการ

เครื่องมือ

เกณฑ์

- การสังเกตการมีส่วนร่วมในการทำงาน

- ตรวจใบงานที่ 2.4 พลังงานจากการตกของวัตถุ และใบงานที่ 2.5 การคำนวณพลังงาน

- แบบสังเกตการมีส่วนร่วมในการทำงาน

- ใบงานที่ 2.4 พลังงานจากการตกของวัตถุ และใบงานที่ 2.5

การคำนวณพลังงาน

-ระดับคุณภาพ ดี ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

-ได้คะแนนจากการตอบคำถามในใบงาน 50 % ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

หมายเหตุ

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ คือ การสังเกต การวัด การคำนวณ การลงความคิดเห็นจากข้อมูล การพยากรณ์ การตั้งสมมติฐาน การกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ การกำหนดและควบคุมตัวแปร การทดลอง การตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป

เจตคติทางวิทยาศาสตร์ คือ ความสนใจใฝ่รู้ ความมุ่งมั่น ความอดทน ความรอบคอบ ความรับผิดชอบ ความซื่อสัตย์ การร่วมแสดงความคิดเห็น การยอมรับความคิดเห็นของผู้อื่น ความมีเหตุผล การทำงานร่วมกับผู้อื่นอย่างสร้างสรรค์

ชั่วโมงที่ 6 (พลังงานจากการตกของวัตถุ)

จุดประสงค์การเรียนรู้

อธิบายเกี่ยวกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานจลน์ และการนำไปใช้

กิจกรรมการเรียนรู้

การออกแบบกิจกรรมโดยใช้การจัดการเรียนรู้โดยใช้กระบวนการสืบเสาะหาความรู้ดังนี้

1. ขั้นสร้างความสนใจ

ครูทบทวนความรู้จากกิจกรรมที่ 2.2 และตั้งคำถามว่า

- ในชีวิตประจำวันเราเกี่ยวข้องกับพลังงานจลน์และพลังงานศักย์โน้มถ่วงอย่างไร และนอกจากพลังงานดังกล่าวแล้วยังมีพลังงานใดอีกบ้าง

2. ขั้นสำรวจและค้นหา

ครูให้นักเรียนศึกษาข้อมูลจากใบความรู้ที่ 2.4 พลังงานศักย์ยืดหยุ่นและพลังงานกล

3. ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป

นักเรียนนำข้อมูลที่ได้มาทำใบงานที่ 2.6 พลังงานศักย์ยืดหยุ่นและพลังงานกล เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่าพลังงานของวัตถุขณะที่มีการเคลื่อนที่เรียกว่า พลังงานจลน์ ดังนั้นจากการทดลอง 2.2 ขณะที่ลูกเหล็กเคลื่อนที่ก็จะมีพลังงานจลน์เกิดขึ้นและวัตถุที่อยู่ห่างจากระดับอ้างอิงในแนวดิ่ง วัตถุนั้นจะมีพลังงานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เรียกว่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง และยังมีพลังงานศักย์ยืดหยุ่น เช่น พลังงานที่สะสมอยู่ในสปริงที่ขดตัวอยู่ โดยพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ถูกเรียกรวมกันว่า พลังงานกล

4. ขั้นขยายความรู้

ครูและนักเรียนอภิปรายว่าในชีวิตประจำวันเราเกี่ยวข้องกับพลังงานจลน์ เช่น การเคลื่อนที่ของรถยนต์ การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มเหล็กที่ติดกับปั้นจั่นที่ใช้ในการตอกเสาเข็ม ในชีวิตประจำวันเราเกี่ยวข้องกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง เช่น การกักเก็บน้ำในถังเก็บน้ำของประปาหมู่บ้าน ต้องเก็บไว้ที่สูง เพื่อช่วยให้มีพลังงานเพียงพอในการส่งน้ำไปทั่วทุกครัวเรือน

ครูให้นักเรียนยกตัวอย่างการใช้ประโยชน์จากพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ในชีวิตประจำวัน อย่างน้อย 5 ตัวอย่าง

5. ขั้นประเมิน

ครูสุ่มเรียกนักเรียนออกมานำเสนอผลงานหน้าชั้นเรียน

สื่อและแหล่งการเรียนรู้

- ใบความรู้ที่ 2.4 พลังงานศักย์ยืดหยุ่นและพลังงานกล

- ใบงานที่ 2.6 พลังงานศักย์ยืดหยุ่นและพลังงานกล

การวัดและประเมินผล

วิธีการ

เครื่องมือ

เกณฑ์

- ตรวจใบงานที่2.6 พลังงานศักย์ยืดหยุ่นและพลังงานกล

- ใบงานที่2.6 พลังงานศักย์ยืดหยุ่นและพลังงานกล

ได้คะแนนจากการตอบคำถามในใบงาน 50 % ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

หมายเหตุ

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ คือ การสังเกต การจำแนกประเภท การคำนวณ การลงความคิดเห็นจากข้อมูล

เจตคติทางวิทยาศาสตร์ คือ ความสนใจใฝ่รู้ความมุ่งมั่น ความรอบคอบ ความมีเหตุผล

ชั่วโมงที่ 7- 12 (พลังงานจากการตกของวัตถุ การอนุรักษ์พลังงาน)

จุดประสงค์การเรียนรู้

ศึกษา วิเคราะห์ และอธิบายเกี่ยวกับกฎการอนุรักษ์พลังงานและนำไปใช้ประโยชน์

กิจกรรมการเรียนรู้

การออกแบบกิจกรรมโดยใช้การจัดการเรียนรู้โดยใช้กระบวนการสืบเสาะหาความรู้ดังนี้

1. ขั้นสร้างความสนใจ

ครูนำเข้าสู่บทเรียน โดยการอภิปรายเกี่ยวกับพลังงานกล (ควรสรุปว่า พลังงานกล เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่และตำแหน่งของวัตถุประกอบด้วยพลังงานจลน์ และพลังงานศักย์)

ครูถามคำถามนักเรียนในขณะที่วัตถุกำลังเคลื่อนที่ขึ้น-ลง พลังงานกลของวัตถุที่แต่ละตำแหน่งเปลี่ยนแปลงอย่างไร

2. ขั้นสำรวจและค้นหา

ครูให้นักเรียนศึกษาข้อมูลเพื่อบรรยายการเคลื่อนที่ของลูกบอล ทั้ง 2 ช่วง คือ ช่วงที่เคลื่อนที่ขึ้น และช่วงที่เคลื่อนที่ลงครูให้นักเรียนศึกษาใบความรู้ที่ 2.5 กฎการอนุรักษ์พลังงาน

3. ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป

ครูบรรยายสรุป ดังนี้

- การเคลื่อนที่ขึ้น เมื่อโยนลูกบอลขึ้นในแนวดิ่ง ความเร็วของลูกบอลมีทิศทางตรงข้ามกับความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก จึงทำให้เคลื่อนที่ช้าลง จนมีขนาดความเร็วเป็นศูนย์ที่ระดับสูงสุด

- การเคลื่อนที่ลง เมื่อลูกบอลเคลื่อนที่ในแนวดิ่งถึงตำแหน่งสูงสุด ทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกบอลมีทิศทางลงเหมือนกับทิศทางของความเร่ง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ทำให้ลูกบอลเคลื่อนที่เร็วขึ้นจนกระทบมือที่ระดับอ้างอิง

ครูอธิบายเพิ่มเติมว่า การที่พลังงานกลรวมของวัตถุในแต่ละระดับ มีค่าคงที่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานกล ซึ่งจะใช้ได้ในกรณีที่ไม่มีพลังงานกลเปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานความร้อน หรือ พลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล กฎการอนุรักษ์พลังงานและการนำไปใช้ประโยชน์

4. ขั้นขยายความรู้

นักเรียนแบ่งกลุ่มออกแบบกังหันน้ำในหัวข้อ มหัศจรรย์พลังงานน้ำ โดยสร้างแบบจำลองกังหันน้ำ เพื่อสรุปเกี่ยวกับพลังงานน้ำและผลที่เกิดจากพลังงานน้ำ โดยนำปลายด้านหนึ่งของเส้นด้ายไปผูกติดไว้กับคลิปหนีบกระดาษขนาดเล็ก จำนวน 1 อัน และนำปลายอีกด้านหนึ่งของเส้นด้ายไปผูกติดไว้ที่ปลายแกนกังหัน จากนั้นให้ยกถังน้ำที่บรรจุน้ำ 5,000 cm3 ขึ้น ให้ระดับน้ำที่จะปล่อยอยู่สูงกว่าระดับแกนกังหัน 15 cm และปล่อยน้ำจากถังให้ไหลลงไปที่บริเวณปลายใบพัดของกังหันอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งน้ำในถังหมด ให้สังเกตการหมุนของกังหันและจับเวลาตั้งแต่คลิปหนีบกระดาษเริ่มเคลื่อนที่จนกระทั่งเคลื่อนที่มาสิ้นสุดที่แกนของกังหัน โดยให้นักเรียนออกแบบ และทำการทดลองใช้ โดยกำหนดวัสดุอุปกรณ์เอง จัดการแข่งขันจับเวลากับเพื่อนในห้อง กลุ่มใดที่คลิปหนีบกระดาษเคลื่อนที่เร็วที่สุดและถึงจุดที่กำหนดก่อนเป็นผู้ชนะ

5. ขั้นประเมิน

ครูประเมินผลการเรียนรู้ด้วยการให้นักเรียนทำใบงานที่ 2.7 กฎการอนุรักษ์พลังงานและทำแบบทดสอบหลังเรียนเรื่อง งานและพลังงาน

สื่อและแหล่งการเรียนรู้

- แบบทดสอบหลังเรียน เรื่องงานและพลังงาน

- ใบความรู้ที่ 2.5 กฎการอนุรักษ์พลังงาน

- ใบงานที่ 2.7 กฎการอนุรักษ์พลังงาน

การวัดและประเมินผล

วิธีการ

เครื่องมือ

เกณฑ์

- ทดสอบหลังเรียน เรื่องงานและพลังงาน

- ตรวจใบงานที่ 2.7 กฎการอนุรักษ์พลังงาน

-ตรวจชิ้นงานสิ่งประดิษฐ์มหัศจรรย์พลังงานน้ำ

- แบบทดสอบหลังเรียน เรื่องงานและพลังงาน

- ใบงานที่ 2.7 กฎการอนุรักษ์พลังงาน

- แบบประเมินชิ้นงานสิ่งประดิษฐ์มหัศจรรย์พลังงานน้ำ

- ได้คะแนนจากการทำแบบทดสอบ/ตอบคำถามในใบงาน 60 % ขึ้นไปจึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

- ได้คะแนนระดับดีขึ้นไป จึงจะผ่านเกณฑ์การประเมิน

หมายเหตุ

ด้านทักษะและกระบวนการ

ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ ได้แก่ การสังเกต การวัด การจำแนกประเภทการคำนวณ การลงความคิดเห็นจากข้อมูล การพยากรณ์ การตั้งสมมติฐาน การกำหนดนิยามเชิงปฏิบัติการ การกำหนดและควบคุมตัวแปร การทดลอง และการตีความหมายข้อมูลและลงข้อสรุป

ด้านเจตคติ คุณธรรม จริยธรรม

เห็นคุณค่าทางวิทยาศาสตร์ มีคุณลักษณะทางวิทยาศาสตร์ มีค่านิยมที่ดีงามใช้ความรู้และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการดำรงชีวิต การศึกษาหาความรู้เพิ่มเติม ทำโครงงานหรือสร้างชิ้นงานตามความสนใจ แสดงถึงความสนใจ มุ่งมั่น รับผิดชอบ รอบคอบ และซื่อสัตย์ในการสืบเสาะหาความรู้ โดยใช้เครื่องมือและวิธีการที่ให้ได้ผลถูกต้องเชื่อถือได้ ทำงานร่วมกับผู้อื่นอย่างสร้างสรรค์ แสดงความคิดเห็นของตนเองและยอมรับฟังความคิดเห็นของผู้อื่น

ใบความรู้ที่ 2.1

งาน

งาน (Work , W) ความหมายโดยทั่วไป เป็นการกระทำกิจกรรมหรือสิ่งใด ๆ เพื่อที่จะได้รับซึ่งผลตอบแทน เช่น การรดน้ำต้นไม้ การเล่นฟุตบอล การวาดภาพ การล้างรถ การล้างจาน

            ความหมายของงานทางวิทยาศาสตร์ เป็นผลจากการกระทำของแรงต่อวัตถุอย่างต่อเนื่องและทำให้วัตถุเคลื่อนที่ตามแนวแรงกระทำ แรงที่กระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวราบแสดงว่าเกิดงาน ถ้าเราออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุไม่เคลื่อนที่ แสดงว่าไม่เกิดงาน

            ดังนั้นการเกิดงานจะต้องมีแรงกระทำและระยะทางการเคลื่อนที่เกี่ยวข้องเสมอเช่น  การออกแรงดันตู้เสื้อผ้าจากกลางห้องเลื่อนไปติดผนัง แต่ถ้าออกแรงดันแล้วตู้ไม่ขยับหรือเคลื่อนที่จากเดิมถือว่า

ไม่เกิดงาน

ปริมาณของงานขึ้นอยู่กับ

            1. ขนาดของแรงที่ใช้

            2. ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแนวแรง

            3. ทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุตามแนวแรง

เราสามารถหาขนาดของงานได้จากผลคูณระหว่างขนาดของแรงกับการกระจัดตามแนวแรงนั้น เขียนเป็นสมการจะได้

2

mv

2

1

W = Fs

เมื่อ F คือ ขนาดของแรงที่ทำให้เกิดงาน มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)

s คือ ระยะกระจัด มีหน่วยเป็น เมตร(m)

W คือ งาน มีหน่วยเป็น นิวตัน(เมตร (N m)หรือจูล (J)

เช่น การออกแรงยกกล่องให้สูงขึ้น ทิศทางการเคลื่อนที่ของกล่องมีทิศทางเดียวกับแนวแรง การกระทำเช่นนี้เป็นการทำให้เกิดงานทางวิทยาศาสตร์

หมายเหตุ ถ้าทิศของแรงมีทิศเดียวกับทิศของระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ ต้องแทนค่าแรง (F) เป็นบวก

ถ้าทิศของแรงมีทิศตรงกันข้ามกับทิศของระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ต้องแทนค่าแรง (F) เป็นลบ

            หน่วยของงานในระบบเอสไอ คือ จูล (J) หรือนิวตัน-เมตร (N-m) โดยที่ 1 จูลของงานที่ทำเกิดจากการออกแรง 1 นิวตันกระทำต่อวัตถุให้วัตถุเคลื่อนที่ไปได้ 1 เมตร ตามทิศทางของแนวแรง

            จากรูป งานขนาด 1 จูลที่ทำได้เมื่อยกกล่องหนัก 1 นิวตันขึ้นไปในแนวดิ่งเป็นระยะทางสูง 1 เมตร ซึ่งเราอาจใช้หน่วยของงานที่ใหญ่กว่าจูล เช่น กิโลจูล (kJ) เมกะจูล (MJ) เป็นต้น

เมื่อ

            1 kJ = 1,000 J

            1 MJ = 1,000,000 J

ตัวอย่าง วินัยออกแรงยกกล่องด้วยแรง 30 นิวตัน แล้วเดินขึ้นบันได 5 ขั้น แต่ละขั้นสูง 20 เซนติเมตรงานที่วินัยทำจากการยกกล่องขึ้นบันไดมีค่าเท่าใด

วิธีทำ จากโจทย์ความสูงของขั้นบันใด = 5 x 20 = 100 cm = 1 m จากสูตร W = F x s = 30 n x 1 m = 30 J (n-m)ตอบ วินัยทำงานจากการลากกล่องได้ 30 จูล

กรณีแรง F กระทำต่อวัตถุในแนวทำมุม(กับทิศการเคลื่อนที่ของวัตถุแล้ว ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้ระยะกระจัด S

แรง F ไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่กล่าวคือแรง F อยู่ในแนวเอียงแต่การเคลื่อนที่อยู่ในแนวราบ ซึ่งจะคำนวณหางานจากสูตร W=Fsไม่ได้ดังนั้น จึงต้องพิจารณาโดยการแตกแรงคือแตกแรงเป็นแรงองค์ประกอบในแนวราบ และแนวดิ่ง

แรงที่อยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่คือแรง Fcos(ซึ่งอยู่ในแนวราบ และวัตถุก็เคลื่อนที่ในแนวราบจึงถือได้ว่าอยู่ในแนวเดียวกัน เพราะฉะนั้นสามารถคำนวณหางานได้จาก

2

kx

2

1

งาน (W) = แรง (Fcos( ) x ระยะ (S) ; (คือมุมที่แรงทำกับแนวระนาบ

ตัวอย่าง  จงหางานที่เกิดขึ้น เมื่อสมปองออกแรง 200 นิวตัน ลากกระสอบข้าวสาร เคลื่อนที่เป็นระยะทาง

20 เมตร

             ก.  ทำมุม 0 องศากับพื้นราบ

             ข.  ทำมุม 60 องศากับพื้นราบ

            วิธีทำ   ก. เมื่อทำมุม 0 องศากับพื้นราบ

                            จาก สูตร                          W         =  s cos 

                            เมื่อ                                     =  200 N

                                                                 s           =  20 m

                                                                 cos 0 ํ   =  1

                            แทนค่า                            W      =  200 n x 20 m

                                                                            =  4,000 J(n-m)

                            งานที่เกิดขึ้น  4,000 จูล หรือ 4 กิโลจูล

                        ข. เมื่อทำมุม 60 องศากับพื้นราบ

                            จาก สูตร                           W        =  s cos    

                            เมื่อ                                         = 200 N

                                                                  s          =   20 m

                                                                   cos 60 ํ =   0.5

                            แทนค่า                              W     =  200 x 20 x 0.5

                                                                               =  2,000 J

                            งานที่เกิดขึ้น  2,000 จูล

ใบความรู้ที่ 2.2

กำลัง

ถ้าเราทราบปริมาณงานที่ทำได้ในช่วงเวลาหนึ่ง เช่น ออกแรง 10 นิวตัน ดันกล่องมวล 100 กิโลกรัมไปตามแนวราบบนพื้นได้ระยะทาง 5 เมตรในเวลา 10 วินาที งานที่ทำได้มีค่า (10N x 5m) = 50 J 

ถ้าทำงานเท่ากันนี้ในช่วงเวลาที่แตกต่างไป เช่น 10 นาที สิ่งที่แตกต่างกัน คืออัตราการทำงานหรือ งานที่ทำได้ในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า กำลัง (Power) ใช้สัญลักษณ์ P มีหน่วยเป็น จูล วินาที หรือ วัตต์  (watt  ใช้สัญลักษณ์ W)          ถ้า  W เป็นงานที่ทำได้ในช่วงเวลา t จะได้ค่าเฉลี่ยของงานที่ทำต่อ 1 หน่วยเวลาซึ่งเป็นกำลังเฉลี่ย

มีค่าเป็น

5

16

516

10

8

108

10

16

1016

ถ้า 

w

D

 เป็นงานส่วนย่อยที่ทำได้ในช่วงเวลา 

t

D

  สั้นๆ จะได้ค่าของกำลังในช่วงเวลานั้น ซึ่งถ้า 

t

D

  สั้นมาก ค่าที่ได้จะเป็นกำลัง ณ ขณะนั้น (instantaneous power) มีค่าเป็น

  P =

t

w

D

D

          ในกรณีการทำงาน 50 จูลในเวลา 10 วินาทีก็หมายถึงการทำงานที่ใช้กำลังเฉลี่ย 50/10 = 5 วัตต์และถ้าทำงาน 50 จูลในเวลา 10 นาที หมายถึงการทำงานที่ใช้กำลังเฉลี่ย 50/(10x60) = 0.08 วัตต์ ซึ่งเป็นกำลังเฉลี่ยที่น้อยกว่ามาก อย่างไรก็ตามอัตราการทำงานในช่วง 10 นาที นั้นอาจจะไม่สม่ำเสมอ มากบ้างน้อยบ้าง ค่ากำลังที่คำนวณจึงเป็นกำลังเฉลี่ย

          จาก    

w

D

= F

s

D

   สมการ (5.7) คือ   

            ดังนั้น P =

t

w

D

D

= F

t

s

D

D

   = F v

เป็นสมการสำหรับกำลังที่ขณะต่างๆ ที่เป็นจริงทั่วไป

          ยังมีหน่วยของกำลังที่ใช้ (ไม่เป็นหน่วย SI  ) คือ กำลังม้า (horsepower, hp) โดยการเทียบคือ1  hp  =   745.7 watt (หรือประมาณ 746 วัตต์)          ดังนั้นเรือในตัวอย่างต่อไปนี้ที่กำหนดว่ามีอัตราการทำงาน 3,000 จูลต่อวินาที ก็คือ เครื่องยนต์มีกำลัง 3,000 วัตต์ หรือประมาณ 4 กำลังม้า

ตัวอย่าง เครื่องยนต์ของเรือลำหนึ่งทำงานในอัตรา 3,000  จูล / วินาที ทำให้เรือแล่นไปได้ในแนวตรงด้วย

อัตราเร็วคงตัว 90 กิโลเมตร / ชั่วโมง  จงหาแรงขับของเครื่องยนต์ที่ทำให้เรือลำนี้แล่นไปวิธีทำ จาก   P = F v แต่เนื่องจากแรงและการกระจัดอยู่ในทิศเดียวกัน

จะได้  P = F v ดังนั้น   F =

v

P

โดย     P = 3000 J/s และ v = 9 km/hr= 

s

3600

m

1000

9

´

 = 2.5 m/s         F =

s

/

m

5

.

2

s

/

J

3000

= 1200 N

v

P

    

ตอบ แรงที่ทำให้เรือลำนี้แล่นได้มีขนาด 1,200 นิวตัน

ตัวอย่าง  ในการสาวโซ่เส้นหนึ่งยาว 6 เมตร มีน้ำหนักเมตรละ 10 นิวตัน ซึ่งแขวนห้อยไว้กับขอบดาดฟ้า

ขึ้นไปจนหมดทั้งเส้นในเวลา 10 วินาที  จะต้องใช้กำลังในการสาวโซ่เฉลี่ยเป็นเท่าไหร่ แนวคิดในการทำ         ในการสาวโซ่ขึ้น แรงดึงที่จำเป็นจะลดลงตามความยาวของโซ่ที่เหลือ แรงเฉลี่ยในการสาวโซ่

จึงมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของน้ำหนักโซ่ หรือจุดศูนย์กลางโซ่จะย้ายตำแหน่งเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาว

วิธีทำ  โซ่ยาว 6 เมตร มีน้ำหนักเมตรละ 10 นิวตัน มีน้ำหนักรวม 60 นิวตัน          ดังนั้นจะต้องใช้แรงเฉลี่ยในการสาวโซ่  = 

60

2

1

´

N = 30 N          และทำงานทั้งหมด  = 30 N x 6m = 180 J (หากคิดจากจุดศูนย์กลางมวลเลื่อน 3 m ทำงาน = 60 N x 3 m จะได้เท่ากัน)          เพราะฉะนั้นจะต้องใช้กำลังในการสาวโซ่  =

s

10

J

180

  = 18 Wตอบ  กำลังที่จะต้องใช้ในการสาวโซ่มีค่า 18 วัตต์

ใบความรู้ที่ 2.3

พลังงาน

            พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถของวัตถุที่ทำงานได้ แสดงว่าวัตถุนั้นมีพลังงาน             พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถในการทำงาน เมื่อเราเห็นคนคนหนึ่งสามารถทำงานได้จำนวนมาก เราจะกล่าวว่าคนนั้นมีพลังงานมาก หรือน้ำมันแก๊สโซลีนเป็นเชื้อเพลิงซึ่งให้พลังงานออกมาเมื่อเผาไหม้ พลังงานสามารถทำงานได้ จึงทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่            วัตถุใดๆ ก็ตามมีพลังงานอยู่ในตัว 2 รูปด้วยกันคือ                1.พลังงานอันเกิดจากการเคลื่อนที่ เรียกว่า พลังงานจลน์ (kinetic energy) และ                2.พลังงานที่มีสะสมอยู่ในตัว เนื่องมาจากภาวะของวัตถุ เรียกว่า พลังงานศักย์ (potential energy)            ตัวอย่างของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์นั้นเราพอจะเห็นได้ง่ายๆ จากสิ่งที่เกิดขึ้นรอบๆ ตัวเราอยู่ทุกวัน เช่น รถยนต์กำลังวิ่งด้วยความเร็วปกติบนถนนในที่ราบ ถ้าต้องการให้หยุดเราต้องใชัห้ามล้อ ซึ่งหมายถึงออกแรงต้านการเคลื่อนที่ รถยนต์ยังไม่สามารถหยุดได้ทันทีแต่จะเลื่อนต่อไปเป็นระยะทางหนึ่ง เราต้องทำงานด้วยแรงต้านทานเพื่อให้รถหยุด เพราะรถมีพลังงานเนื่องจากกำลังเคลื่อนที่อยู่ นั่นคือรถมีพลังงานจลน์ 

             สำหรับตัวอย่างของพลังงานศักย์แบบหนึ่งที่น่าจะเห็นได้ ก็คือก้อนหินผูกห้อยที่ปลายเชือก

ในภาวะที่ 1 ก้อนหินแขวนห้อยอยู่นิ่งๆ แต่ในภาวะที่ 2 ก้อนหินถูกยกขึ้นไปสูงกว่าระดับเดิม 

             ทำให้ตัวของมันเองมีพลังงานพร้อมที่จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ได้ทันที และถ้ายกให้ก้อนหินสูงขึ้นอีก มันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงขึ้นอีกด้วย เพราะมีพลังงานศักย์มากขึ้นเนื่องจากตำแหน่งของวัตถุสูงขึ้น 

             พลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานเคมี พลังงานความร้อน พลังงานไฟฟ้า พลังงานจลน์ พลังงานศักย์ พลังงานแสง พลังงานเสียง ฯลฯ

พลังงานจลน์

พลังงานจลน์ (Kinetic Energy)

            จากกฎของนิวตัน F=ma หรือเมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ วัตถุเคลื่อนที่ ก็จะมีพลังงานของวัตถุกำลังเคลื่อนที่

พลังงานที่เกิดขึ้น เป็นพลังงานจลน์ (Kinematic)

เมื่อ Ek = พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็นจูล (J) 

        m = มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)          v = อัตราเร็วของวัตถุ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)

            แต่ว่าพลังงานจลน์นี้จะน้อยลงไปเรื่อยๆหากพลังงานศักย์เพิ่มขึ้นเมื่อโยนวัตถุหนึ่ง วัตถุนั้นจะเริ่มเก็บพลังงานศักย์ไปเรื่อยๆ แต่เมื่อวัตถุนั้นตกลงมาวัตถุมีการใช้พลังงานศักย์โดยเปลี่ยนรูปพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ในการตกลงมาของวัตถุ

พลังงานศักย์

พลังงานศักย์ (Potential Energy)

         

            ถ้ากลิ้งวัตถุจากที่สูงต่างกันลงมายังพื้น โดยให้ความชันเท่ากัน จะพบว่าวัตถุที่อยู่ที่สูง เมื่อกลิ้งลงมาวัตถุที่อยู่สูงจะมีพลังงานสะสมไว้ในตัวมาก พลังศักย์ (Potential Energy) เป็นพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงตำแหน่ง จากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่ง

           1.พลังงานศักย์โน้มถ่วง (Gravitational Potential Energy)

                 สมมุติยกวัตถุก้อนหนึ่งที่มีมวลสาร m ไปไว้ที่ความสูง h พลังงานที่สะสมในวัตถุเกิดจากการเปลี่ยนระดับความสูงของวัตถุ 

           Ep คือ พลังงานศักย์จากแรงโน้มถ่วง( จูล )          m  คือ มวล ( กิโลกรัม )           h   คือ ความสูงของวัตถุ