402 Views
Favorite
การเรียนวิชาฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาปีที่ 4 เทอม 2 ถือเป็นจุดเริ่มต้นสำคัญสำหรับการเข้าใจหลักการฟิสิกส์ในระดับที่สูงขึ้น เนื้อหาที่เรียนจะเกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้กฎฟิสิกส์พื้นฐานที่ได้เรียนมาในระดับม.ต้น ให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น โดยครอบคลุมหัวข้อดังต่อไปนี้
ฟิสิกส์ ม. 4 เทอม 2 เรียนเรื่องอะไรบ้าง
1. สมดุลกล
2. งานและพลังงาน
3. โมเมนตัมและการชน
4. การเคลื่อนที่แนวโค้ง
ในหัวข้อนี้ นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับ สมดุลของแรง และกฎของนิวตันเพิ่มเติมจากที่ได้เรียนมาในเทอมก่อน สมดุลกลแบ่งเป็นสองส่วนหลัก คือ สมดุลการเลื่อน (Translation Equilibrium) และ สมดุลการหมุน (Rotational Equilibrium) โดยสมดุลการเลื่อนนั้น จะเกิดขึ้นเมื่อแรงที่กระทำต่อตัววัตถุสมดุลกัน ทำให้วัตถุไม่เคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ส่วนสมดุลการหมุนจะเกิดขึ้นเมื่อผลรวมของโมเมนต์หรือแรงบิดที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ ทำให้วัตถุไม่หมุน สิ่งสำคัญคือนักเรียนต้องมีพื้นฐานในเรื่องของโมเมนต์จากระดับมัธยมต้นเพื่อนำมาใช้ในเนื้อหานี้
สมดุลการเลื่อนเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่ในสภาวะที่ผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ กล่าวคือแรงที่กระทำในทุกทิศทางจะสมดุลกัน ทำให้วัตถุไม่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง ตามหลักการนี้ เมื่อแรงที่กระทำต่อวัตถุมีค่าและทิศทางที่ตรงข้ามกัน จะทำให้ผลรวมของแรงสุทธิ (Net Force) เป็นศูนย์ ซึ่งสอดคล้องกับ กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน ที่กล่าวว่า “วัตถุที่ไม่ถูกแรงภายนอกมากระทำจะคงสภาพอยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในเส้นตรง”
ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของสมดุลการเลื่อน เช่น การวางหนังสือบนโต๊ะ แรงโน้มถ่วงจะดึงหนังสือลงในแนวดิ่ง ขณะที่แรงปฏิกิริยาจากพื้นโต๊ะจะดันขึ้น ซึ่งทำให้เกิดสมดุลกัน ทำให้หนังสือไม่เคลื่อนที่ไปในทิศทางใด ๆ
สมดุลการหมุนเกิดขึ้นเมื่อผลรวมของ โมเมนต์หรือแรงบิด (Torque) ที่กระทำต่อตัววัตถุเป็นศูนย์ โมเมนต์เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นเมื่อมีแรงกระทำที่ห่างจากจุดหมุน โดยจะทำให้วัตถุมีแนวโน้มที่จะหมุน สมดุลการหมุนจึงเป็นการรักษาสภาวะที่วัตถุไม่หมุนไปในทิศทางใด ๆ ซึ่งหมายความว่าผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาจะต้องสมดุลกัน
การคำนวณโมเมนต์จะใช้สมการดังนี้
ตัวอย่างเช่น เมื่อนำไม้กระดานวางบนจุดหมุนและมีแรงกระทำที่ปลายทั้งสองด้าน การคำนวณแรงที่กระทำบนจุดต่าง ๆ และระยะทางจากจุดหมุนจะช่วยบอกได้ว่าไม้กระดานจะสมดุลหรือไม่
ในการวิเคราะห์สมดุลกล นักเรียนจะต้องทำการวิเคราะห์ทั้งในด้านสมดุลการเลื่อนและสมดุลการหมุนพร้อมกัน โดยต้องพิจารณาว่า:
- ผลรวมของแรงในแนวแกน x และ y ต้องเป็นศูนย์ เพื่อให้วัตถุไม่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง
- ผลรวมของโมเมนต์ต้องเป็นศูนย์ เพื่อให้วัตถุไม่หมุนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง
การคำนวณสมดุลกลจึงเป็นการประยุกต์ใช้ทั้งกฎของนิวตันและหลักการโมเมนต์ ทำให้ต้องอาศัยความเข้าใจอย่างถ่องแท้ของทั้งแรงและระยะทางที่มีผลต่อการหมุน
โมเมนต์เป็นพื้นฐานสำคัญที่นักเรียนควรมีความเข้าใจมาก่อน เนื่องจากในเนื้อหาสมดุลกลนี้ นักเรียนจะต้องใช้ความรู้ในเรื่องของการคำนวณโมเมนต์อย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะในการแก้โจทย์ปัญหาที่ซับซ้อนขึ้น โมเมนต์เป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการหมุน และมีบทบาทสำคัญในการศึกษาเรื่องของสมดุลการหมุนในระดับที่สูงขึ้น
งาน (Work) เป็นหัวข้อสำคัญที่หลายคนอาจมองว่าเป็นแนวคิดที่เข้าใจยาก เนื่องจากไม่มีตัวตนชัดเจน การทำงานเกิดขึ้นเมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ และวัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรงนั้น การเรียนในระดับนี้จะลงรายละเอียดไปถึงการคำนวณงานจากแรงต่าง ๆ ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นส่วนย่อย ๆ ต่อกัน
หัวข้อพลังงานที่ศึกษาในเทอมนี้จะเน้นไปที่การ อนุรักษ์พลังงาน โดยพิจารณาพลังงานในรูปแบบต่าง ๆ เช่น พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) และ พลังงานศักย์ (Potential Energy) รวมถึงการเชื่อมโยงระหว่างงานและพลังงานด้วยสมการทางฟิสิกส์ และการนำความรู้นี้ไปใช้ในโจทย์ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน
ในวิชาฟิสิกส์ งานหมายถึงการที่แรงกระทำต่อวัตถุ และวัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปตามทิศทางของแรง การคำนวณงาน (Work) สามารถทำได้โดยใช้สูตร
โดยที่
- W คือ งาน มีหน่วยเป็นจูล (J)
- F คือ แรงที่กระทำต่อวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
- d คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกับแรง มีหน่วยเป็นเมตร (m)
- θ คือ มุมระหว่างแรงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ
พลังงานสามารถแยกออกได้เป็นสองประเภทหลัก ๆ คือ พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) และพลังงานศักย์ (Potential Energy) โดยแต่ละประเภทมีความหมายและการคำนวณที่แตกต่างกันไป
พลังงานจลน์หมายถึงพลังงานที่วัตถุมีเมื่อเคลื่อนที่ สามารถคำนวณได้จากสมการ
โดยที่
- K E คือ พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็นจูล (J)
- m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
- v คือ ความเร็วของวัตถุ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)
พลังงานจลน์จะแปรผันตามความเร็วของวัตถุ กล่าวคือ หากความเร็วเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
พลังงานศักย์คือพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุเนื่องจากตำแหน่งหรือสภาวะของมัน พลังงานศักย์ในที่นี้จะเน้นไปที่พลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสมการ:
โดยที่:
- PE คือ พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็นจูล (J)
- m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
- g คือ ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง มีค่าเท่ากับ 9.8 เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง (m/s²)
- h คือ ความสูงจากจุดอ้างอิง มีหน่วยเป็นเมตร (m)
กฎการอนุรักษ์พลังงานกล่าวว่า "พลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือทำลายได้ พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากแบบหนึ่งไปเป็นอีกแบบหนึ่งได้" กล่าวคือ พลังงานทั้งหมดในระบบที่ถูกปิดจะคงที่เสมอ
ตัวอย่างเช่น เมื่อวัตถุตกลงจากความสูงหนึ่ง พลังงานศักย์จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ซึ่งสมการที่เชื่อมโยงงานและพลังงานในกรณีนี้สามารถแสดงได้ดังนี้:
KE+PE=Constant
ในชีวิตประจำวัน แนวคิดของงานและพลังงานสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายสถานการณ์ เช่น การเคลื่อนย้ายของวัตถุ การออกแบบอุปกรณ์ที่ประหยัดพลังงาน การคำนวณความเร็วของวัตถุเมื่อเคลื่อนที่บนทางลาด เป็นต้น
หัวข้อนี้เน้นการศึกษาเรื่องของ โมเมนตัม (Momentum) ซึ่งเป็นปริมาณเวกเตอร์ที่ต้องพิจารณาทิศทางและขนาดของการเคลื่อนที่ โมเมนตัมของวัตถุจะเปลี่ยนแปลงเมื่อมีแรงกระทำ และการเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า แรงกระทำ (Impulse)
ในหัวข้อการชน จะต้องศึกษาเรื่องของการชนในรูปแบบต่าง ๆ เช่น การชนยืดหยุ่น (Elastic Collision) และ การชนไม่ยืดหยุ่น (Inelastic Collision) ที่ต้องใช้หลักการอนุรักษ์โมเมนตัมในการพิจารณา ซึ่งแต่ละรูปแบบการชนมีลักษณะเฉพาะที่ต้องวิเคราะห์ตามสถานการณ์
โมเมนตัม (Momentum) คือปริมาณทางฟิสิกส์ที่บ่งบอกถึงการเคลื่อนที่ของวัตถุ โดยโมเมนตัมเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งหมายความว่ามีทั้งขนาดและทิศทาง สามารถคำนวณได้จากสมการ:
โดยที่:
- p คือ โมเมนตัม มีหน่วยเป็นกิโลกรัมเมตรต่อวินาที (kg·m/s)
- m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
- v คือ ความเร็วของวัตถุ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)
โมเมนตัมของวัตถุจะเปลี่ยนแปลงเมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ ซึ่งแรงที่กระทำนี้ส่งผลให้วัตถุมีการเร่งหรือเปลี่ยนแปลงทิศทาง
แรงกระทำ (Impulse) คือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุในช่วงเวลาหนึ่ง ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสมการ:
โดยที่
- J คือ แรงกระทำ มีหน่วยเป็นนิวตันวินาที (N·s)
- F คือ แรงที่กระทำต่อวัตถุ มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)
- Δt คือ ช่วงเวลาที่แรงกระทำ มีหน่วยเป็นวินาที (s)
นอกจากนี้ แรงกระทำสามารถคำนวณได้จากการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมโดยตรงตามสมการ:
โดยที่ pf คือ โมเมนตัมสุดท้าย และ pi คือ โมเมนตัมเริ่มต้น
การชนสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลัก ๆ คือ การชนยืดหยุ่น (Elastic Collision) และการชนไม่ยืดหยุ่น (Inelastic Collision) ซึ่งแต่ละประเภทจะมีลักษณะเฉพาะดังนี้
การชนยืดหยุ่นคือการชนที่ไม่มีการสูญเสียพลังงานจลน์ โดยหลังการชน วัตถุทั้งสองยังคงพลังงานจลน์รวมเท่ากับก่อนการชนและคงโมเมนตัมรวม ดังนั้นการชนแบบนี้สามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้กฎอนุรักษ์โมเมนตัมและกฎอนุรักษ์พลังงานจลน์ ซึ่งมีสมการดังนี้
การชนไม่ยืดหยุ่นคือการชนที่มีการสูญเสียพลังงานจลน์บางส่วน โดยหลังการชน พลังงานจลน์รวมจะน้อยกว่าพลังงานจลน์ก่อนการชน ซึ่งในกรณีที่วัตถุชนกันแล้วเคลื่อนที่เป็นก้อนเดียวกันหรือมีการรวมกันหลังการชน จะเรียกว่า “การชนไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์” (Perfectly Inelastic Collision) สำหรับการวิเคราะห์การชนไม่ยืดหยุ่นนี้ จะใช้เพียงกฎอนุรักษ์โมเมนตัมในการคำนวณเท่านั้น ดังสมการ
โดยที่:
v คือ ความเร็วของวัตถุที่รวมกันหลังการชน
กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมกล่าวว่า “โมเมนตัมรวมของระบบที่ไม่มีแรงภายนอกจะคงที่” ซึ่งหมายความว่าในระบบที่ไม่มีแรงภายนอกกระทำ โมเมนตัมก่อนและหลังการชนจะเท่ากันเสมอ โดยกฎนี้สามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์สถานการณ์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการชน ทั้งในกรณีของการชนยืดหยุ่นและการชนไม่ยืดหยุ่น
โมเมนตัมและการชนเป็นหลักการที่นำไปใช้ได้ในชีวิตประจำวัน เช่น การคำนวณแรงกระทำที่เกิดขึ้นในการชนของรถยนต์ การออกแบบอุปกรณ์ป้องกันแรงกระแทก การพิจารณาการเคลื่อนที่ของวัตถุที่ชนกันในกีฬา เป็นต้น ซึ่งเป็นความรู้ที่มีความสำคัญในทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์
การเคลื่อนที่แนวโค้ง (Projectile Motion) เป็นการเคลื่อนที่ของวัตถุในสองมิติ โดยใช้หลักการของแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในลักษณะโค้ง การเคลื่อนที่แนวโค้งสามารถแยกออกเป็นการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและแนวราบ ซึ่งต้องใช้สมการทางคณิตศาสตร์ในการคำนวณตำแหน่ง ความเร็ว และเวลาของการเคลื่อนที่
นอกจากนี้ บางโรงเรียนอาจศึกษาเพิ่มเติมเรื่อง การเคลื่อนที่แบบวงกลม (Circular Motion) ซึ่งใช้หลักการเดียวกันกับการเคลื่อนที่แนวโค้งแต่มีการเคลื่อนที่เป็นวงแทนที่จะแนวตรง หัวข้อนี้ยังมีความสำคัญในการสอบแข่งขันและเป็นพื้นฐานในการศึกษาวิชาฟิสิกส์ระดับที่สูงขึ้น
การเคลื่อนที่แนวโค้ง คือการที่วัตถุเคลื่อนที่ภายใต้แรงโน้มถ่วง โดยการเคลื่อนที่ของวัตถุจะแบ่งออกเป็นสองมิติ ได้แก่ แนวราบและแนวดิ่ง
การเคลื่อนที่ในแนวราบเป็นการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เนื่องจากไม่มีแรงโน้มถ่วงกระทำในทิศทางนี้ ดังนั้นสมการการเคลื่อนที่สามารถเขียนได้ว่า:
โดยที่:
x คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ในแนวราบ
vx คือ ความเร็วในแนวราบ ซึ่งมีค่าคงที่
t คือ เวลาในการเคลื่อนที่
การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ ทำให้วัตถุมีการเร่งในทิศทางลง สมการการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีดังนี้:
เมื่อนำทั้งแนวราบและแนวดิ่งมารวมกัน จะได้เป็นการเคลื่อนที่ในลักษณะโค้ง ซึ่งสามารถคำนวณหาได้โดยการแยกการเคลื่อนที่ออกเป็นสองส่วนแล้วนำมารวมกันเพื่อหาตำแหน่งและความเร็วของวัตถุในขณะต่าง ๆ โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่:
- R คือ ระยะทางแนวราบสูงสุด (Range)
- H คือ ความสูงสูงสุดของการเคลื่อนที่
- θ คือ มุมยิงของวัตถุ
การเคลื่อนที่แบบวงกลมเป็นการเคลื่อนที่ที่วัตถุเคลื่อนที่ตามแนวเส้นรอบวงของวงกลม โดยมีความเร็วที่เปลี่ยนแปลงทิศทางตลอดเวลา ซึ่งเรียกว่า “ความเร็วเชิงเส้น” ส่วนการเคลื่อนที่ในทิศทางเข้าสู่จุดศูนย์กลางของวงกลมเรียกว่า “ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง” หรือ “ความเร่งสู่จุดศูนย์กลาง”
สำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นวงกลม จะมีความสัมพันธ์ของความเร็วและความเร่ง ดังนี้
ในการเคลื่อนที่แบบวงกลม วัตถุต้องการแรงที่กระทำในทิศเข้าสู่จุดศูนย์กลางของวงกลม (เรียกว่าแรงสู่ศูนย์กลาง) แรงนี้สามารถคำนวณได้จากสมการ:
การเคลื่อนที่แนวโค้งและการเคลื่อนที่แบบวงกลมมีการประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันหลายด้าน เช่น การออกแบบการยิงของขีปนาวุธ การคำนวณการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ การเคลื่อนที่ของวัตถุในเครื่องเล่นสวนสนุก เป็นต้น การเข้าใจหลักการเหล่านี้สามารถช่วยให้นักเรียนเข้าใจการเคลื่อนที่ของวัตถุในสองและสามมิติได้อย่างละเอียดมากขึ้น
