Lab 114 — กำลังไฟฟ้าและพลังงานความร้อน (3D)

🎯 สิ่งที่ต้องวัด: V คร่อมฮีตเตอร์ (มัลติมิเตอร์ ②) · กระแส I (มัลติมิเตอร์ ①) · เวลา t (นาฬิกาจับเวลา) · อุณหภูมิ θ (เทอร์มอมิเตอร์ดิจิทัล) — รายละเอียดอยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง

🖐 แตะสวิตช์แหล่งจ่ายเพื่อเปิด/ปิดฮีตเตอร์ (นาฬิกาเดินพร้อมสวิตช์) · แตะปุ่มหมุนเพื่อเพิ่มแรงดัน · แตะแคลอริมิเตอร์เพื่อเปลี่ยนของเหลว · แตะเทอร์มอมิเตอร์/นาฬิกา/มิเตอร์เพื่อซูมอ่าน
🖱 ลากที่ว่าง = หมุนภาพ · ล้อ = ซูม · Shift+ลาก = เลื่อน
📱 1 นิ้ว = หมุน · 2 นิ้ว = ซูม/เลื่อน

⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — เปลี่ยนเป็นโหมด ⚡ อัตโนมัติ

📝 บันทึกผลการวัด — กด ⏸ หยุดเวลาก่อนอ่าน θ และ t ให้ตรงกัน

การทดลองครั้งนี้ — ทราบค่า V คร่อมฮีตเตอร์ V กระแส I A เวลา t s อุณหภูมิ θ °C

โหมดการทดลอง

ตารางบันทึกผลและค่าปริศนาที่ซ่อนไว้ไม่เปลี่ยน

🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร

♨️ แคลอริมิเตอร์

ของเหลว (เปลี่ยนได้ตอนสวิตช์ปิด — จะเทใหม่ที่อุณหภูมิห้อง)

มวลของเหลว (ชั่งแล้ว)

ความจุความร้อนของถ้วยแคลอริมิเตอร์ + ฮีตเตอร์ + แท่งคน C = 40 J/K (พิมพ์บนฉลาก) · น้ำ c = 4186 J/(kg·K) · อุณหภูมิห้อง 25 °C · ตัดไฟอัตโนมัติที่ 65 °C

🔌 แหล่งจ่าย (ปุ่มหมุน)

ขีดบนปุ่มหมุนเป็นค่าโดยประมาณ — ค่าจริงต้องอ่านจากมัลติมิเตอร์ ② · เปลี่ยนแรงดันระหว่างให้ความร้อนไม่ได้

🔬 เครื่องมือวัด

ย่านวัดของมัลติมิเตอร์ ① (DCA)

มัลติมิเตอร์ ② ตั้ง DCV 20 V · เทอร์มอมิเตอร์ละเอียด 0.1 °C · นาฬิกาจับเวลาละเอียด 0.1 s

📊 ผลที่บันทึกล่าสุด

ยังไม่มีการบันทึก

📋 ตารางบันทึกผล

แต่ละครั้งที่เติมของเหลวใหม่ = การทดลองครั้งใหม่ (#) · c = (P / ความชัน − C) / m

📈 กราฟ θ – t

📈 กราฟ P – V²

🎯 ตรวจคำตอบ (ของเหลว ❓X)

c_X = J/(kg·K)

ของเหลว X น่าจะเป็น

ความต้านทานฮีตเตอร์ R = Ω

c_X ถือว่าถูกเมื่อคลาดไม่เกิน 8% · R ไม่เกิน 3% · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

หากำลังไฟฟ้าของฮีตเตอร์จาก P = VI และแสดงว่า P แปรผันตรงกับ V² (P = V²/R)
หาพลังงานไฟฟ้า W = Pt ที่เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน และเชื่อมโยงกับ Q = (mc + C)Δθ
หาความจุความร้อนจำเพาะของของเหลวจากความชันของกราฟอุณหภูมิ–เวลา
อธิบายผลของการสูญเสียความร้อนต่อความคลาดเคลื่อน และวิธีลดผลนั้น

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

แคลอริมิเตอร์หุ้มฉนวน (ภาพตัดให้เห็นด้านใน) พร้อมฮีตเตอร์ขดลวดจุ่ม แท่งคน และฝาปิด · ความจุความร้อนของถ้วย + ฮีตเตอร์ + แท่งคน C = 40 J/K
ของเหลว: น้ำ (c = 4186 J/(kg·K) ใช้ตรวจวิธี) · ❓ของเหลว X · มวล 150 / 200 / 250 g
แหล่งจ่ายไฟตรงปรับได้ 2–12 V พร้อมสวิตช์ · นาฬิกาจับเวลาเริ่ม/หยุดพร้อมสวิตช์
มัลติมิเตอร์ ① DCA (2 A / 10 A) ต่ออนุกรม · ② DCV คร่อมฮีตเตอร์ · เทอร์มอมิเตอร์ดิจิทัล

ขั้นตอน

เลือกน้ำ 200 g · ตั้งปุ่มหมุนประมาณ 9 V · อ่านอุณหภูมิเริ่มต้นที่ t = 0 แล้วบันทึก (V และ I กรอกหลังเปิดสวิตช์)
กด ▶ เปิดสวิตช์ นาฬิกาเริ่มเดิน · อ่าน V และ I · ใช้ปุ่ม ⏩ เร่งเวลา แล้วกด ⏸ หยุดเวลาทุก ๆ 30–60 s เพื่ออ่าน t และ θ พร้อมกัน บันทึก 6 จุดขึ้นไป · ให้อุณหภูมิสูงขึ้นไม่เกินประมาณ 10 °C
ดูความชันของกราฟ θ–t แล้วคำนวณ c ของน้ำ เทียบกับ 4186 J/(kg·K) — ถ้าต่างมาก แปลว่ามีความร้อนสูญเสียหรือวิธีวัดคลาด
กด 🔄 เติมใหม่ แล้วทำซ้ำที่แรงดันอื่นอย่างน้อยอีก 1 ครั้ง (ใช้เขียนกราฟ P–V² หาค่า R ของฮีตเตอร์)
เปลี่ยนเป็น ❓ของเหลว X ทำซ้ำ แล้วหา c_X และเทียบกับตารางในแท็บทฤษฎี

⚠️ อ่านค่าจากหน้าปัดเอง — โหมดวัดค่าเองไม่บอกตัวเลข · ความร้อนรั่วออกสู่อากาศมากขึ้นเมื่อของเหลวร้อนกว่าห้องมาก ทำให้กราฟโค้งลงและ c ที่คำนวณได้สูงเกินจริง — ใช้กำลังสูงและช่วงอุณหภูมิแคบจะแม่นกว่า · ในของจริงต้องคนของเหลวตลอด

คำถามท้ายการทดลอง

ถ้าเพิ่มแรงดันเป็น 2 เท่า กำลังของฮีตเตอร์เปลี่ยนเป็นกี่เท่า และผลการทดลองเป็นเช่นนั้นหรือไม่
ทำไมกราฟ θ–t จึงเริ่มโค้งลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นมาก
ค่า c ของน้ำที่วัดได้สูงหรือต่ำกว่า 4186 J/(kg·K) เพราะเหตุใด
ถ้าลืมคิดความจุความร้อนของแคลอริมิเตอร์ (C) ค่า c ที่ได้จะคลาดไปทางใด

1. กำลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า

P = VI = I²R = V²/R (หน่วยวัตต์ W = J/s)
พลังงานไฟฟ้า W = Pt = VIt (หน่วยจูล · 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J)

2. ความร้อนที่ของเหลวและแคลอริมิเตอร์ได้รับ

Q = (mc + C) Δθ
ถ้าไม่มีความร้อนสูญเสีย: VI t = (mc + C) Δθ → Δθ/t = P / (mc + C)
กราฟ θ–t เป็นเส้นตรง ความชัน k = P/(mc + C) → c = (P/k − C) / m

3. ความจุความร้อนจำเพาะของของเหลวบางชนิด

ของเหลว	c (J/(kg·K))

4. การสูญเสียความร้อน

เมื่อของเหลวร้อนกว่าอากาศรอบ ๆ ความร้อนจะรั่วออกด้วยอัตราประมาณแปรผันตรงกับผลต่างอุณหภูมิ (กฎการเย็นตัวของนิวตัน) อัตราการเพิ่มอุณหภูมิจึงลดลงเรื่อย ๆ ถ้าใช้ช่วงต้นของกราฟ (ใกล้อุณหภูมิห้อง) การสูญเสียจะน้อยที่สุด

💡 แบบจำลอง: ฮีตเตอร์มีความต้านทานคงตัว · แหล่งจ่ายมีความต้านทานภายใน 0.3 Ω (V ที่ฮีตเตอร์จึงต่ำกว่าขีดบนปุ่มหมุน) · แอมมิเตอร์ 0.05 Ω · ความร้อนรั่ว 0.12 W/K · คนของเหลวทั่วถึงตลอด · ความต้านทานฮีตเตอร์และชนิดของเหลว X สุ่มต่อการเปิดหน้า