【หนังสือเรียนฉบับคนจีน】ฟิสิกส์มัธยมปลาย ภาคบังคับ ชั้นที่ 3: การเปลี่ยนแปลงพลังงานไฟฟ้า จากปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวันสู่กฎทางฟิสิกส์

พลังงานไฟฟ้าไม่ใช่เพียงก่อรากของอารยธรรมสมัยใหม่ แต่ยังเป็นตัวกลางในการเปลี่ยนแปลงพลังงานในธรรมชาติ“สกุลเงินทั่วไป”บทเรียนนี้มีตรรกะหลักคือ เริ่มจากปรากฏการณ์ทางอุปกรณ์ไฟฟ้าในชีวิตประจำวัน แล้วสังเกตการเปลี่ยนแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล พลังงานความร้อน พลังงานแสง และพลังงานเคมี เพื่อเข้าใจ“งานคือปริมาณของการเปลี่ยนแปลงพลังงาน”หลักการพื้นฐานทางฟิสิกส์นี้

กลไกหลัก

งานไฟฟ้าและการเปลี่ยนแปลงกระบวนการที่กระแสไฟฟ้าทำงานก็คือกระบวนการที่พลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปแบบอื่น แม่เหล็กไฟฟ้าจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลส่วนใหญ่ แต่ในวงจรที่ไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าบริสุทธิ์ จะเกิดพลังงานภายในจากความต้านทานภายใน
มุมมองการอนุรักษ์ระบบพลังงานไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองโดยไม่มีเหตุผล เช่น เขื่อนพลังงานนิวเคลียร์ฮวาหลงอี้ จะเปลี่ยนพลังงานการแตกตัวนิวเคลียร์เป็นพลังงานความร้อน หมุนใบพัดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้กลายเป็นพลังงานกล สุดท้ายส่งออกเป็นพลังงานไฟฟ้า
การประเมินประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงจริงมักมาพร้อมกับการสูญเสีย พัดลมตั้งโต๊ะทำงาน แรงดันไฟฟ้าขาเข้า $P$ จะถูกเปลี่ยนเป็นงานที่มีประโยชน์ $P_{mech}$ และการสูญเสียความร้อน $I^2R$

คำถามที่ 1

[ตอบสั้น] ตามรูปที่ 11-1 แรงดันระหว่างจุด $A$ และ $B$ คือ $10\,\text{V}$ ตัวต้านทาน $R_1 = 1\,\text{k}\Omega$ $R_2 = 5\,\Omega$ $R_3 = 2\,\text{k}\Omega$ และ $R_4 = 10\,\text{k}\Omega$ จงประมาณค่ากระแสไฟฟ้า $I$ ในสายหลัก

0.5 A

2 A

5 A

10 A

คำถามที่ 2

[Short Answer] [Image: Circuit 11.4-7] 在图 11.4-7 的电路中，A、B 之间的电压为 $U$，定值电阻的阻值为 $R$，滑动变阻器的最大阻值为 $R_1$。在滑动变阻器的滑片移动过程中，$R$ 两端电压 $U_R$ 的变化范围是多少？

0 ถึง $U$

$U \frac{R}{R+R_1}$ ถึง $U$

$U \frac{R_1}{R+R_1}$ ถึง $U$

คำถามที่ 3

[ตอบสั้น] [ภาพ: วงจร 12.1-5] ตัวต้านทานคงที่สี่ตัวเชื่อมต่อตามรูปที่ 12.1-5 $R_A$ และ $R_C$ มีสเปก “10 โวลต์ 4 วัตต์” ส่วน $R_B$ และ $R_D$ มีสเปก “10 โวลต์ 2 วัตต์” จงเรียงลำดับตัวต้านทานทั้งสี่ตามขนาดของพลังงานที่สูญเสีย

$P_B = P_D > P_A = P_C$

$P_A = P_C > P_B = P_D$

$P_A = P_B = P_C = P_D$

คำถามที่ 4

ในวงจรตัวนำไฟฟ้าบริสุทธิ์ งานที่กระแสไฟฟ้าทำ ($W$) กับความร้อนจากจูล ($Q$) มีความสัมพันธ์อย่างไร?

$W > Q$

$W = Q$

$W < Q$

คำถามที่ 5

เมื่อโมเตอร์ทำงาน กำลังไฟฟ้าทั้งหมดที่เข้ามาคือ $P$ และกำลังกลที่ส่งออกคือ $P_{out}$ กำลังที่สูญเสียจากความต้านทานภายในของโมเตอร์คือเท่าไร?

$P + P_{out}$

$P - P_{out}$

$P \cdot P_{out}$

การวิเคราะห์กรณี: การออกแบบสถานีรถไฟเบา

การประยุกต์ใช้การเปลี่ยนแปลงและการอนุรักษ์พลังงานในวิศวกรรมสมัยใหม่

รูปที่ 12.4-6 แสดงการออกแบบทางลาดเอียงเล็กๆ ของสถานีรถไฟเบา: ขึ้นเนินเมื่อเข้าสถานี ลงเนินเมื่อออกจากสถานี ชานชาลาสูงกว่าราง 2 เมตร ความเร็วเริ่มต้นเมื่อเข้าสถานีคือ $29.2\,\text{km/h} (\approx 8.11\,\text{m/s})$

คำถาม

1. สมมุติว่าตัดไฟฟ้าและไม่พิจารณาแรงต้าน รถไฟสามารถขึ้นไปยังชานชาลาได้หรือไม่? หากได้ ความเร็วจะเป็นเท่าใด?

คำตอบ:
คำตอบตัวอย่าง: รถไฟสามารถขึ้นไปยังชานชาลาได้ จากหลักการอนุรักษ์พลังงานกล: $\frac{1}{2}mv_1^2 = mgh + \frac{1}{2}mv_2^2$ แทนค่า $v_1 = 8.11, h = 2, g = 10$ ได้ $v_2 = \sqrt{8.11^2 - 2 \times 10 \times 2} \approx 5.08\,\text{m/s}$ เนื่องจาก $v_1^2 > 2gh$ เป็นจริง รถไฟจึงสามารถขึ้นไปยังชานชาลาได้

คำถาม

2. ขออธิบายเจตนาของการออกแบบนี้จากมุมมองของการเปลี่ยนแปลงพลังงานว่าเป็นอย่างไร?

คำตอบ:
คำตอบตัวอย่าง: เจตนาคือประหยัดพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ การขึ้นเนินเมื่อเข้าสถานีจะใช้พลังงานจลน์ของรถไฟเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง ลดการสูญเสียจากการเบรกกลไก; การลงเนินเมื่อออกสถานีจะเปลี่ยนพลังงานศักย์กลับเป็นพลังงานจลน์ ลดการใช้พลังงานไฟฟ้าในตอนเริ่มต้นของมอเตอร์ ทำให้เกิดการคืนพลังงานในเชิงกายภาพ