บทนำ ความรู้ทางฟิสิกส์ได้รับการพัฒนามาจากการสังเกต
การสำรวจตรวจสอบและความคิดของหลายคนสะสมและพัฒนาขึ้นมาเป็นเวลายาวนาน ในลักษณะที่เป็นหลักการ กฏ และทฤษฏี ซึ่งองค์ความรู้ต่างๆ มีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงไปตามที่มีประจักษ์พยาน มีการค้นพบและมีข้อมูลมากขึ้น เนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีทำให้ความรู้ทางฟิสิกส์พัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็วในปัจจุบันความรู้ทางฟิสิกส์และกิจกรรมที่นักเรียนจะได้ปฏิบัติในหนังสือเล่มนี้เป็นเพียงความรู้เบื้องต้น ซึ่งจะเป็นพื้นฐานให้นักเรียนเกิดความคิด
และความเข้าใจเกี่ยวกับโลกธรรมชาติ และนำความรู้มาใช้ประโยชน์ในชีวิตจริงและเป็นพื้นฐานในการศึกษาต่อที่สูงขึ้นได้ ในชีวิตประจำวัน เราพบเห็นการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ เช่น นกบิน รถยนต์แล่นบนถนน ลูกฟุตบอลเคลื่อนที่ในอากาศ ใบพัดลมหมุน เด็กแกว่งชิงช้า ผลไม้หล่นจากต้น เป็นต้น การเคลื่อนที่ดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะอย่างไร และขึ้นกับปัจจัยอะไรบ้าง นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป 1.1 การเคลื่อนที่แนวตรง ปริมาตรต่างๆที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ในแนวตรงมีความเกี่ยวข้องกันอย่างไร ในขณะที่รถยนต์เริ่มเคลื่อนที่บนถนนตรง คนขับจะเหยียบคันเร่งทำให้รถเคลื่อนที่เร็วขึ้น ถ้าสังเกตที่เข็มวัดอัตราเร็วบนหน้าปัดของรถ จะพบว่าเข็มเบนมากขึ้น แสดงว่ารถเคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็ว (speed) เพิ่มขึ้น และถ้าพิจารณาทิสของการเคลื่อนที่ด้วย ความเร็ว (velocity) เพิ่มขึ้น เมื่ออ่านค่าจากเข็มชี้อัตราเร็วของรถที่กำลังเคลื่อนที่ในภาพ ขณะนี้รถเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมงหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ไปทางทิศใต้ หากความเร็วของรถเปลี่ยนแปลง กล่าวได้ว่ารถเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (acceleration) การเข้าใจปริมาณต่างๆที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ จะทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นในการขับขี่ยวดยานพาหนะ และนำไปใช้ประโยชน์ด้านต่างๆได้ การเคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับปริมาณอะไรบ้าง การเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ มีอัตราเร็วเท่ากันตลอดการเคลื่อนที่หรือไม่ และจะสามารถวัดได้อย่างไร 1.1.1 อัตราเร็วและความเร็ว นักเรียนจะศึกษาและหาอัตราเร็วเฉลี่ยได้จากกิจกรรมต่อไปนี้ กิจกรรม 1.1 การหาอัตราเร็วเฉลี่ย ภาพการจัดอุปกรณ์ 1. ต่อเครื่องเคาะสัญญาณเวลาเข้ากับหม้อแปลงโวลต่ำที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า 4-6 โวลต์ สอแถบกระดาษผ่านใต้กระดาษคาร์บอนของเครื่องเคาะสัญญาณเวลา ติดแถบกระดาษกับรถทดลอง เปิดสวิตซ์หม้อแปลงโวลต์ต่ำแล้วผลักรถทดลองให้แถบกระดาษเคลื่อนที่ ผ่านคันเคาะของเครื่องเคาะสัญญาณเวลาเลือกจุดเริ่มต้นและจุดสุดท้ายบนแถบกระดาษที่สามารถวัดระยะทางได้สะดวก 2. นำข้อมูลมาอภิปรายในประเด็นต่อไปนี้ – ระยะทางระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสุดท้ายเป็นเท่าใด และมีกี่ช่วงจุด – ช่วงเวลาระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสุดท้ายเป็นเท่าใด – อัตราเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ในช่วงดังกล่าวเป็นเท่าใด 3. สรุปและนำเสนอผลการศึกษา เครื่องเคาะสัญญาณเวลา (ticker timer) เครื่องเคาะสัญญาณเวลาเป็นอุปกรณ์ ที่ใช้หาอัตราเร็วของวัตถุ เมื่อต่อเครื่องเคาะสัญญาณเวลาเข้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้า 4-6 โวลต์ของหม้อแปลงโวลต์ต่ำ จะทำให้คันเคาะสั่นด้วยความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ คือ 50 ครั้งต่อวินาที เมื่อดึงแถบกระดาษที่สอดใต้กระดาษคาร์บอน จะทำให้เกิดจุดต่างๆเรียงกันบนแถบกระดาษ จุดเหล่านี้ช่วยให้ทราบระยะทางและเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ เพราะเวลาระหว่างจุด 2 จุด ที่เรียงกันเท่ากับ 1/50 วินาที ข้อมูลเวลาและระยะทางช่วยให้วิเคราะห์หาอัตราเร็วได้ โดยทั่วไปเราสนใจทราบอัตราเร็ว ณ
เวลาใดเวลาหนึ่งซึ่งสามารถหาได้โดยการหาอัตราเร็วเฉลี่ยในช่วงเวลานั้นๆ ตัวอย่าง จากข้อมูลบนแถบกระดาษในภาพ 1.2 ระหว่างเวลา วินาที และเวลา วินาที อัตราเร็วขณะหนึ่งเป็นเท่าใด วิธีทำ จากอัตราเร็วเฉลี่ย = ระยะทางจากเวลา ถึง = 0.008 m เวลาที่ใช้เคลื่อนที่ แทนค่าอัตราเร็วเฉลี่ย อัตราเร็วเฉลี่ยนี้คืออัตราเร็ว ณ จุดกึ่งกลางเวลา ซึ่งคืออัตราเร็วขณะหนึ่ง คำตอบ อัตราเร็วขณะหนึ่งเท่ากับ 0.2 เมตร/ วินาที ถ้าการเคลือนที่มีทิศเข้ามาเกี่ยวข้อง
จะบอกอัตราเร็วของรถด้วยปริมาณใด โดยปกติแล้ว ในการเคลื่อนที่ของรถยนต์
ความเร็วของรถยนต์อาจเปลี่ยนแปลงได้ตลอดการเคลื่อนที่ ดังนั้นในบางครั้งจึงนิยมบอกความเร็วของรถด้วยความเร็วเฉลี่ย ซึ่งหาได้จากสมการต่อไปนี้ ภาพ 1.3 รถยนต์เคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออก 200 เมตร ในเวลา 20 นาที – จากภาพ 1.3
รถเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออก จากจุด A ไปยังจุด B ในเวลา 20 นาทีได้ระยะทาง 200 เมตร หรือการกระจัด 200 เมตร ไปทางทิศตะวันออก รถคันนี้มีอัตราเร็วเฉลี่ยและความเร็วเฉลี่ยเท่าไร ภาพ 1.4 รถไฟฟ้าบีทีเอสและเส้นทางเดินรถ กิจกรรมเพิ่มเติม 1.1.2 ความเร่ง ดังนั้นถ้าให้ = ความเร็วต้น (ขณะเวลา ) = ความเร็วปลาย (ขณะเวลา ) และ a = ความเร่งเฉลี่ย จะได้ เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของรถยนต์คันหนึ่งบนทางตรง
โดยสังเกตมาตรวัดอัตราเร็วของรถยนต์ ตั้งแต่รถเริ่มเคลื่อนที่จากหยุดนิ่ง แล้วเคลื่อนที่ไปได้ระยะหนึ่ง จนในที่สุดก็หยุดนิ่งอีกครั้งหนึ่ง ดังภาพ 1.5 ภาพ 1.5 การเคลื่อนที่แนวตรงของรถยนต์ในช่วงเวลาหนึ่ง – การขับรถด้วยอัตราเร็วดังภาพมีความสัมพันธ์กับการใช้เชื้อเพลิงอย่างไร เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของรถในช่วงเวลา t = 25s ถึง t = 50s จะเห็นว่า รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิม หรือรถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว นั่นคือความเร็วของรถที่เปลี่ยนไปมีค่าเท่ากับศูนย์ ทำให้ความเร่งของรถมีค่าเท่ากับศูนย์ด้วย หน่วยของอัตราเร็ว สำหรับการเคลื่อนที่ของรถในช่วงเวลา t = 50s
จนกระทั่งรถหยุดนิ่งที่เวลา t =75s รถมีความเร็วน้อยลง เราสามารถหาความเร่งเฉลี่ยของรถในช่วงนี้ได้ดังนี้ นั่นคือ รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเฉลี่ย 1 เมตรต่อวินาที และมีทิศทางตรงข้ามกับทิสของความเร็ว เพราะความเร่งเฉลี่ย (a) มีเครื่องหมาย – ซ่งหมายความว่า ความเร็วรถลดลงวินาทีละ 1 เมตรต่อวินาที – จากประจักษ์พยานการเคลื่อนที่ในตัวอย่างนี้ นักเรียนจะอธิบายความสัมพันธ์ของความเร็วและความเร่งว่าอย่างไร แผนภาพแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วของยานพาหนะและระยะหยุด ในกรณีฉุกเฉิน คนขับต้องหยุดรถอย่างกะทันหัน ระยะทางที่รถเคลื่อนที่ได้นับตั้งแต่ เมื่อคนขับเริ่มมีปฏิกิริยาตอบสนองจนรถหยุดสนิท เรียกว่า ระยะหยุด ระยะหยุดประกอบด้วย ระยะคิด ซึ่งเป็นระยะทางที่รถเคลื่อนที่ได้ ก่อนที่คนขับจะเหยียบเบรกและระยะเบรก ซึ่งเป็นระยะทางที่รถเคลื่อนที่ได้ หลังเหยียบเบรกจนรถหยุด (ดัดแปลงจาก The World of Physics : Mysteries Magic & Myth John W. Jewitt, Jr.Brooks/Cole,2001.P.20) – จากแผนภาพอัตราเร็ว ระยะคิด และระยะเบรกมีความสัมพันธ์กันอย่างไร การเคลื่อนที่แนวตรงที่นักเรียนพบเห็นในชีวิตประจำวัน ไม่ได้มีเฉพาะการเคลื่อนที่แนวตรงตามแนวระดับเท่านั้น แต่ถ้านักเรียนพิจารณาผลไม่ที่ตกจากต้นสู่พื้นดินหรือวัตถุต่างๆที่ตกจากที่สูง จะพบว่าเป็นการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง การเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง
แตกต่างจากการเคลื่อนที่ในแนวระดับหรือไม่อย่างไร ภาพ1.6 มะม่วงตกในแนวดิ่ง ภาพ 1.7 แถบกระดาษบันทึกการเคลื่อนที่ลงในแนวดิ่งของวัตถุ – ให้นักเรียนยกตัวอย่างการเคลื่อนที่แนวตรงในชีวิตประจำวัน มา 3 ตัวอย่าง และบรรยายลักษณะของการเคลื่อนที่นั้น – เมื่อลูกบาสเกตบอลกำลังเคลื่อนที่ขึ้นในแนวดิ่ง โดยมีความเร็วลดลงอย่างสม่ำเสมอ ความเร่งของการเคลื่อนที่ของลูกบาสเกตบอลเป็นอย่างไร การเคลื่อนที่ของวัตถุที่มีแนวของการเคลื่อนที่ขึ้นในแนวดิ่ง ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ภายใต้แรงดึงดึดของโลก ความเร็วของวัตถุจะลดลงอย่างสม่ำเสมอ แสดงว่าวัตถุเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่งที่มีทิศตรงข้ามกับความเร็ว – มะม่วงสุกลูกหนึ่งตกจากต้นลงมาในแนวดิ่งเสมอ เช่น ผลไม้ ก้อนหินบนหน้าผา ดังนั้น จึงควรระวังไม่ให้เกิดอันตราย การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ กิจกรรมหลายอย่างที่เห็นในชีวิตประจำวัน เช่น การโยนมะพร้าวและแตกโมของชาวสวน การโยนและรับถังปูนของช่างก่อสร้าง การปล่อยถุงเสบียงสัมภาระจากเครื่องบินลงในถิ่นทุรกันดาร และการเล่นกีฬาหลายชนิด เช่น วอลเลย์บอล ฟุตบอล เทนนิส แชร์บอล พุ่งแหลน ต้องมีการโยนหรือขว้างวัตถุ เพื่อให้วัตถุพุ่งถึงเป้าหมาย แนวการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ ในกิจกรรมที่ได้กล่าวมาแล้ว จะเป็นเส้นโค้งทั้งสิ้น การเคลื่อนที่ในแนวโค้งเป็นอย่างไร นักเรียนจะทำความเข้าใจได้จากกิจกรรมต่อไปนี้ กิจกรรม 1.2 การเคลื่อนที่ในแนวโค้ง ภาพการจัดอุปกรณ์ 3. ปล่อยโลหะกลม ณ ตำแหน่งเดิมอีก 6-8 ครั้ง ในแต่ละครั้ง เลื่อนที่กั้นให้ห่างออกไป 1 เซนติเมตร แล้วบันทึกตำแหน่งที่โลหะกระแทะที่กั้นบนกระดาษกราฟ -ระยะที่วัตถุตกถึงพื้นจะใกล้หรือไกล ขึ้นอยู่กับอะไร แนวการเคลื่อนที่ของวัตถุเป็นอย่างไร การเคลื่อนที่ของวัตถุจากกิจกรรม 1.2 ซึ่งความเร็วของวัตถุสามารถแยกออกได้เป็น 2 แนว คือ ความเร็วในแนวดิ่ง และความเร็วในแนวระดับ เมื่อเริ่มต้นเคลื่อนที่ความเร็วในแนวดิ่งจะเป็นศูนย์ และเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจนวัตถุตกถึงพื้น ส่วนความเร็วในแนวระดับจะคงตัวตลอดการเคลื่อนที่ (เท่ากับความเร้วี่จุดเริ่มต้น) ดังนั้นถ้าวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ ด้วยความเร็วเริ่มต้น (ในแนวระดับ) มีค่ามาก ก็จะเคลื่อนที่ไปได้ไกล แนวการเคลื่อนที่ดังกล่าวจะเป็นแนวโค้งและถ้าไม่คิดแรงต้านอากาศจะเป็นเส้นโค้งพาราโบลาและเรียการเคลื่อนที่ลักษณะนี้ว่าการเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์
(projectile motion) สาเหตุที่ทำให้แนวการเคลื่อนที่เป็นแนวโค้ง และการที่ความเร็วแนวดิ่งเพิ่มขึ้น ก็เนื่องมาจากแรงดึงดูดของโลกนั่นเอง ภาพ 1.9 การเคลื่อนที่ของลูกบาสเกตบอล – จากภาพ 1.9 แนวการเคลื่อนที่ของลูกบาสเกตบอลเป็นอย่างไร เหตุใดนักบาสเกตบอลบางคนจึงยิงลูกบอลลงห่วงได้แม่นยำ การเคลื่อนที่แบบวงกลม การเคลื่อนที่แบบวงกลมมีเงื่อนไขอย่างไร นักเรียนศึกษาได้จากพิจารณาได้จากกิจกรรมต่อไปนี้ กิจกรรม 1.3 การเคลื่อนที่เป็นวงกลมในแนวระดับ< 1. เหวี่ยงจุกยางในชุดการเคลื่อนที่แบบวงกลม ให้เคลื่อนที่เป็นวงเหนือศีรษะ ดังภาพ สังเกตเส้นทางเดินของจุกยาง อัตราเร็วในการเคลื่อนที่ ความยาวของเชือก และแรงดึงเชือก ภาพการเหวี่ยงหมุนจุกยาง 2. ลองเหวี่ยงจุกยางด้วยเงื่อนไขที่ต่างไปจากเดิม เช่น เหวี่ยงด้วยอัตราเร็วเพิ่มขึ้น แต่ความยาวของเชือกเท่าเดิม หรือเหวี่ยงด้วยอัตราเร็วคงตัว แต่เปลี่ยนความยาวของเชือก หรือคิดเปลี่ยนเงื่อนไขอื่นๆตามความสนใจ สังเกตและอธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของจุกยากในแต่ละกรณี 3. อภิปรายร่วมกัน แล้วสรุปและนำเสนอผลการศึกษา – จุกยางจะคงสภาพการเคลื่อนที่แบบวงกลมอยู่ได้ ภายใต้เงื่อนไขอะไรบ้าง – มีแรงดึงที่เชือกกระทำต่อจุกยางหรือไม่ – วิเคราะห์ความสัมพันธืระหว่างอัตราเร้วในการเคลื่อนที่ รัศมีการเคลื่อนที่ของจุกยางและแรงดึงเชือก เมื่อวัตถุมวล m เคลื่อนที่เป็นวงกลม จะมีแรงกระทำต่อวัตถุ ซึ่งมีทิศเข้าหาศูนย์กลางของการเคลื่อนที่นั้นเสมอเรียกว่า แรงสู่ศูนย์กลาง(centripetal force, ) ขณะที่จุกยางเคลื่อนที่แบบวงกลมไปรอบมือ
เราจะรู้สึกว่าเชือกออกแรงดึงมือ โดยทิศของแรงพุ่งออกจากมือและในขณะเดียวกันเชือกก็จะดึงจุกยางโดยทิศของแรงพุ่งเข้าหามือตลอดเวลาด้วย ภาพ 1.10 แรงกระทำต่อวัตถุมีทิศเข้าหาศูนย์กลางการเคลื่อนที่ เมื่อมองจากตำแหน่งตั้งฉากกับระนาบการเคลื่อนที่ – ในขณะที่จุกยางเคลื่อนที่แบบวงกลม ถ้าเชือกที่ผูกติดกับจุกยางขาด จุกยางจะเคลื่อนที่อย่างไร – การขับรถบนถนนโค้งในสภาพถนนเปียกลื่น ควรขับรถอย่างไรให้ปลอดภัยมากที่สุด ภาพ 1.11 การโคจรของโลกและดวงจันทร์รอบดวงอาทิตย์ การเคลื่อนที่แบบวงกลมในธรรมชาติ เช่นการโคจรของโลกและดาวเคราะห์อื่นๆ รอบดวงอาทิตย์ ก็สามารถอธิบายได้ด้วยหลักของการเคลื่อนที่แบบวงกลมที่เรียนรู้ไปแล้ว นั่นคือมีแรงสู่ศูนย์กลางกระทำต่อโลก จึงจะทำให้ดลกโคจรรอบดวงอาทิตย์อยู่ได้ แรงที่กระทำต่อโลกและทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางเป็นแรงอะไร –
ทำไมดวงจันทร์จึงโคจรรอบโลกอยู่ได้ ภาพ 1.13 แรงดึงดูดระหว่างมวลคู่หนึ่ง ภาพ 1.14 ดาวเทียมโคจรรอบโลก การเคลื่อนที่แบบวงกลมของวัตถุทั้งหมดนี้ มีลักษณะเฉพาะคือ เป็นการเคลื่อนที่ที่วัตถะเคลื่อนที่กลับมาซ้างเดิมเสมอ ช่วงเวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ เรียก คาบ (period) ซึ่งมีหน่วยเป็น วินาที และจำนวนรอบที่วัตถุเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วยเวลา เรียกว่า ความถี่ (frequency) ซึ่งมีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (hertz) ความสัมพันธ์ของความถี่กับคาบดังนี้ ภาพ 1.15 รถไต่ถัง – รถมอเตอร์ไซค์ไต่ถังเคลื่อนที่รอบถัง 4 รอบในเวลา 1 นาที คาบของการเคลื่อนที่เป็นเท่าไร การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่าย
– ถ้าแรงต้านมีค่าน้อยและมวลของวัตถุเปลี่ยนจะมีผลต่อการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาหรือไม่ กิจกรรม 1.4 การเคลื่อนที่แบบแกว่ง ภาพการจัดอุปกรณ์ 1. จัดอุปกรณ์ดังภาพ ผลักนอตให้แกว่งโดยเส้นเชือกทำมุมเล็กๆกับแนวดิ่ง แล้วจัวเวลาที่น๊อตแกว่งครบ 10 รอบ แล้วคำนวณหาคาบการแกว่ง 2. ระดมความคิดออกแบบการทดลองเพื่อการศึกษาว่าการเปลี่ยนแปลงค่าตัวแปรต่างๆในชุดทดลองมีผลต่อคาบการแก่วงอย่างไร 3. นำเสนอผลการทดลองในรูปกราฟ และอธิบายความสัมพันธ์จากกราฟ การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาซ้ำทางเดิม โดยมุมที่เบนจากแนวดิ่งซึ่งเป็นค่าสูงสุดคงตัวตลอด เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่าย (simple harmonic motion) การเคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้นไปด้านหนึ่งแล้วเคลื่อนที่กลับมายังจุดเริ่มต้นเดิม ดังเช่นภาพที่ 1.14 เมื่อน๊อตเคลื่อนที่จาก A ไป B ไป C แล้วกลับมาที่ A อีกครั้งหนึ่งเป็นการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ เวลาในการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาครบ 1 รอบ เรียกว่า คาบ ของการเคลื่อนที่ จำนวนรอบของการเคลื่อนที่ใน 1 วินาที
เรียกว่า ความถี่ มีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ ภาพ 1.14 การแกว่งของนอต – การเคลื่อนที่ของชิงช้าแก่วงเป็นกาเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกยอย่างง่ายหรือไม่ อธิบายประกอบ – เพราะเหตุใดการหาคาบการเคลื่อนที่จึงต้องจับเวลาในการเคลื่อนที่หลายๆรอบ – จากการเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิกอย่างง่าย ต่างจากการเคลื่อนที่แบบวงกลมอย่างไร ภาพ 1.15 นาฬิกาลูกตุ้ม ความรู้เรื่องการเคลื่อนที่แบบอาร์โมนิกอย่างง่าย นำไปสู่การสร้างนาฬิกาแบลูกตุ้ม |