ธรรมชาติและพัฒนาการทางฟิสิกส์

ธรรมชาติและพัฒนาการทางฟิสิกส์

SI

สือ่ ประกอบการสอนรายวิชา ฟิสิกส์ หลกั สตู รแกนกลาง
การศึกษาขึ้นพืน้ ฐาน พุทธศกั ราช 2551 (ฉบับปรับปรุง 2560)

ธรรมชาติและพัฒนาการทางฟิสิกส์

1 ธรรมชาติของฟิสิกส์

2 การวัดและการบนั ทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์
3 การทดลองทางฟสิ ิกส์

1 ธรรมชาติของฟิสิกส์

ฟิสิกส์ (Physics) มาจากภาษากรีกคาว่า ฟิสิกา (physikas) หมายความว่า

“ธรรมชาติ” เป็นศาสตร์วิชาวิทยาศาสตร์กายภาพ ที่ว่าด้วยกฎเกณฑ์หรืปรากฏการณ์
ธรรมชาติ ของสิ่งที่ไม่มีชีวิตของอนภุ าคของสสารและพลงั งาน

1 ธรรมชาติของฟิสิกส์

กลศาสตร์ ฟิสิกส์อะตอม
อณุ หภูมิพลศาสตร์
ฟิสิกสน์ ิวเคลียร์
ไฟฟ้าและแม่เหลก็ ฟิสิกสค์ วอนตมั
ทศั นศาสตร์
ฟิสิกส์เชงิ อนภุ าค
ฟิสิกส์ยุคเกา่ ฟิสิกสส์ สารอดั แน่น

(classical physics) ฟิสิกสย์ ุคใหม่

(modern physics)

2 การวัดและการบันทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

ระบบหน่วยระหวา่ งชาติ

ระบบหนว่ ยระหว่างชาติ (The International System of Units) หรือ ระบบหนว่ ยเอสไอ (SI)
ประกอบไปด้วย หน่วยฐาน (base unit) หน่วยเสรมิ (supplymentary units) หน่วยอนุพัทธ์ (derived unit) และ
คาอุปสรรค (prefix)

หน่วย หน่วย หน่วย คา

ฐาน เสริม อนุพทั ธ์ อปุ สรรค

2 การวดั และการบันทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

ระบบหน่วยระหวา่ งชาติ

หนว่ ยฐาน (base unit) เปน็ หนว่ ยหลักของระบบ SI ประกอบด้วย 7 หน่วย ดังน้ี

ปริมาณฐาน ชื่อหนว่ ย สัญลักษณ์

ความยาว เมตร (metter) m

มวล กโิ ลกรัม (kilogram) kg

เวลา วินาที (second) s

กระแสไฟฟ้า แอมแปร์ (ampere) A

อุณหภูมอิ ณุ หพลวัต เคลวิน (kelvin) K

ปริมาณสาร โมล (mole) mol

ความเข้มของการสอ่ งสว่าง แคนเดลา (candela) cd

2 การวัดและการบันทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

ระบบหน่วยระหว่างชาติ

หนว่ ยเสริม (supplymentary units) เป็นหนว่ ยทีใ่ ชว้ ดั มมุ ในระบบ 2 มิติใชส้ ญั ลกั ษณ์

มีหนว่ ยคอื เรเดียน (rad) และ 3 มิตหิ น่วยคือ สเตอเรเดียน (sr)

เรเดียน : rad สเตอเรเดียน : sr

2 การวัดและการบนั ทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

ระบบหน่วยระหว่างชาติ

อนพุ ทั ธ์ (derived units) เป็นหน่วยทีป่ ระกอบดว้ ยหน่วยฐานได้จากหน่วยของปรมิ าณตา่ ง ๆ

ทีน่ ามาคานวณทางฟสิ ิกส์ ยกตวั อย่างเชน่

แรง คือ ผลคูณของมวล (kg) กบั ความเร่ง (m/s2) โมเมนตัม มีหน่วยเปน็ กิโลกรมั เมตรตอ่ วินาที
แรงจึงมีหน่วยเป็น kg. m/s2 หรือ นิวตัน (N) (kg.m/s)

งาน มหี น่วยเปน็ จูล (J) หรือ นิวตัน เมตร (N.m) อตั ราเร่ง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวนิ าที2 (m/s2)
ประกอบไปด้วยหน่วยฐาน kg.m2/s2 ความถ่ี มีหน่วยเปน็ เฮิรตซ์ (Hz) หรือ ต่อวินาที

อตั ราเรว็ มีหน่วยเปน็ เมตรตอ่ วินาที (m/s) (s−1)

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

ระบบหนว่ ยระหว่างชาติ

คาอปุ สรรค (prefix) เปน็ คานาหน้าหนว่ ย SI เพื่อทาให้หนว่ ยทีม่ ีขนาดใหญข่ ึ้นหรือเลก็ ลง

คาอุปสรรค สัญลักษณ์ย่อ ตัวพหคุ ณู

pico- p 10−12
nana- n
micro- μ 10−9
milli- m
centi- c 10−6
deci- d
kilo- k 10−3
mega- M
giga- G 10−2
tera- T
10−1
103
106
109
1012

2 การวัดและการบนั ทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

การเปลีย่ นหนว่ ย

จงเปลี่ยนหน่วยของรัศมีของนวิ เคลียสมีคา่ ประมาณ 7.0 × 10−15 เมตร (m)
ให้เป็นนาโนเมตร (nm)
แนวคิด แปลงหน่วยรศั มีนวิ เคลียสของทองคาจาก เมตร เปน็ นาโนเมตร
จาก 1 nm = 10−9 m
วิธีทา รัศมขี องนิวเคลียสทองคา = 7.0 × 10−15 m

= 7.0 × 10−6 × 10−9 m
= 7.0 × 10−6 nm
ตอบ รัศมขี องนิวเคลียสทองคาเท่ากับ 7.0 × 10−6 นาโนเมตร

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

การเปลี่ยนหน่วย

จงเปลี่ยนหนว่ ยของกาลังการผลิตของโรงไฟฟา้ จาก 5.4 × 108 วตั ต์ (W)
ให้เปน็ เมกกะวัตต์ (MW)
แนวคดิ แปลงกาลงั การผลิตของโรงไฟฟ้าจากวตั ต์ เป็นเมกกะวัตต์
จาก 1 MW = 106 W
วธิ ที ากาลงั การผลิตของโรงไฟฟ้า = 5.4 × 108 W

= 5.4 × 102 × 106 W
= 5.4 × 102 MW
ตอบ กาลังการผลิตของโรงไฟฟ้าเท่ากับ 5.4 × 102เมกะวตั ต์

2 การวัดและการบันทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

การเปลีย่ นหน่วย

จงเปลี่ยนหน่วยของความยาวเชือกจาก 15 เซนติเมตร (cm) ใหเ้ ปน็ เมตร (m)

แนวคดิ แปลงความยาวเชือกจากเซนติเมตร เป็นเมตร
จาก 1 cm = 10−2 m

วธิ ที า ความยาวเชือก = 15 cm
= 15 × 10−2 m
= 0.15 m

ตอบ ความยาวเชือกเท่ากับ 0.15 เมตร

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

การเปลีย่ นหนว่ ย

จงเปลีย่ นหนว่ ยของพืน้ ทผี่ ิวทรงกลมขนาด 1.75 × 102 ตารางมลิ ลิเมตร
(mm2) ให้เป็นตารางเมตร (m2)
แนวคดิ แปลงพื้นทีผ่ วิ ทรงกลมจาก ตารางมิลลิเมตร เป็นตารางเมตร
จาก 1 mm = 10−3 m ดังน้ัน 1 mm2 = 10−6 m2
วธิ ที า พื้นท่ผี ิวทรงกลม = 1.75 × 102 mm2

= 1.75 × 102 × 10−6 m2
= 1.75 × 10−4 m2
ตอบ พื้นท่ผี ิวทรงกลมเทา่ กับ 1.75 × 10−4 ตารางเมตร

2 การวัดและการบันทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

การเปลีย่ นหนว่ ย

จงเปลี่ยนหนว่ ยมวลของวัตถขุ นาด 74000 มิลลิกรมั (mg) ใหเ้ ป็นกิโลกรมั (kg)
แนวคิด แปลงมวลของวตั ถุจาก มิลลิกรัม เปน็ กโิ ลกรัม
มีคานาหน้าหน่วยทง้ั สองกรณี จึงตอ้ งแปลงจากมิลลิกรมั ให้เป็นกรัมก่อน หลังจากน้ันจงึ แปลงจากรัม
เปน็ กโิ ลกรมั จาก 1 mg = 10−3 g และ 1 kg = 103 g ดงั นั้น 1 g = 10−3kg
วธิ ที า มวลของวตั ถุ = 74000 mg

= 7.4 × 104 mg
= 7.4 × 104× 10−3 g
= 7.4 × 104× 10−3× 10−3 kg
= 7.4 × 10−2 kg
ตอบ มวลของวัตถเุ ท่ากบั 7.4 × 10−2 กโิ ลกรัม

2 การวัดและการบนั ทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

สัญกรณว์ ิทยาศาสตร์

การเขียนตัวเลขในรูปการคูณของเลขยกกาลังที่มีฐานเป็นสิบและเลขชีก้ าลังเป็นจานวนเตม็
มีรปู ทั่วไปคอื A × 10n เมื่อ 1 ≤ A < 10 และ n เปน็ จานวนเตม็

อตั ราเรว็ แสงมีคา่ ประมาณ 300000000 เมตรต่อวนิ าที เขียนได้เปน็ 3 × 108 เมตรต่อวนิ าที

รัศมอี ะตอมไฮโดรเจน เท่ากับ 0.000000000053 เมตร เขียนได้เป็น 5.3× 10−11เมตร

2 การวดั และการบันทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

ความไม่แน่นอนในการวัด

รปู แบบของเครื่องมือวดั

เครอ่ื งมอื วดั แบบขีดสเกล เคร่อื งมอื วดั แบบแสดงผลเป็นตัวเลข
(analog) (digital)

2 การวดั และการบันทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

ความไม่แน่นอนในการวดั

เครื่องมือในการวัด

ตลบั เมตร ไมบ้ รรทดั

เวอร์เนยี ไมโครมิเตอร์

2 การวัดและการบันทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

ความไม่แนน่ อนในการวัด
คือ ตัวเลขทีไ่ ด้จากการวดั รวมทั้งตัวเลขสดุ ทา้ ยหนึง่ ตวั ทีไ่ ด้จากการประมาณด้วยสายตา

ไม้บรรทัดนี้มีสเกลเล็กสุดเท่ากับ 1 mm หรือ 0.1 cm ค่าละเอียดที่สดุ ที่สามารถอ่านได้
คือทศนิยมตาแหน่งที่ 1 ของเซนติเมตร และประมาณค่าตวั เลขหลงั ทศนิยมตาแหนง่ ที่ 2
ดังนั้น วัดความยาวของแท่งโลหะได้ 2.27 cm

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

เลขนัยสาคัญ

เลขนยั สาคัญ (significant fiures) คือ ตัวเลขทีไ่ ด้จากการวัด รวมทัง้ ตวั เลข

สุดท้ายหนึง่ ตวั ที่ได้จากการประมาณด้วยสายตา
 หลักการนบั จานวนเลขนยั สาคญั

1. ตวั เลข 1-9 ใหน้ บั ทุกตัว เชน่ 2156 มีจานวนเลขนยั สาคญั 4 ตัว 32.8672 มีจานวนเลขนยั สาคัญ 6 ตัว
2. เลข 0 มีวธิ นี ับดังนี้
2.1 เลข 0 ทีอ่ ย่หู นา้ ตวั เลขอืน่ ไม่นบั เชน่ 0.0003 มีจานวนเลขนยั สาคัญ 1 ตัว
2.2 เลข 0 อยทู่ ีห่ ลงั ตัวเลขอื่นและเปน็ ทศนิยมใหน้ บั ทกุ ตวั เชน่ 0.000300 มีจานวนเลขนัยสาคัญ 3 ตัว
2.3 เลข 0 ทีอ่ ยู่หลงั ตวั เลขอืน่ ที่เป็นจานวนเต็ม อาจนับหรือไมน่ บั ขึน้ กับความลพเอียดของเครือ่ งวัด
ดงั น้ันจึงควรเขยี นในรูปแบบสญั กรณ์วทิ ยาศาสตร์ เช่น ตวั เลข 14000 ถ้าต้องการเลขนัยสาคญั 3 ตวั ให้
เขียนเปน็ 1.40 × 104 แต่ถ้าต้องการเลขนยั สาคัญ 2 ตัว ให้เขียนเป็น 1.40 × 103
2.4 ตัวคงที่ท้งั หลาย เช่น และเลข 2 ใน 2 R ไมน่ ับเป็นเลขนยั สาคญั

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

เลขนยั สาคัญ

 หลักการคานวณเลขนัยสาคญั

การบวก ลบเลขนยั สาคญั การคูณ หารเลขนยั สาคญั

ผลลพั ธท์ ีไ่ ดจ้ ะต้องมีตัวเลขจุดทศนิยมเทา่ กับ ผลลัพธท์ ีไ่ ดจ้ ะตอ้ งมีเลขนยั สาคัญเทา่ กบั จานวน
จานวนตวั เลขหลังจดุ ทศนิยมที่น้อยทีส่ ุดของ เลขนัยสาคัญที่นอ้ ยที่สดุ ของกลุม่ ตวั เลขที่นามา

กลมุ่ ตวั เลขทีน่ ามาบวกหรือลบกัน คณู หรือหารกัน

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวดั ปริมาณทางฟิสิกส์

เลขนยั สาคัญ

นาแท่งไม้สองแท่ง มีความยาว 5.50 เซนติเมตร และ 3.276 เซนติเมตร มาตอ่ กนั
จะได้แทง่ ไม้ที่มคี วามยาวเท่าใด

วธิ ที า แทง่ ไม้ยาว 5.50 +
3.276

แท่งไมร้ วมยาว 8.776 เซนติเมตร

ตอบ แทง่ ไม้ที่ตอ่ กนั จะยาว 8.78 เซนติเมตร

2 การวดั และการบนั ทึกผลการวัดปริมาณทางฟิสิกส์

เลขนยั สาคัญ

นา้ เกลือปริมาตร 100 ลกู บาศก์เซนตเิ มตร เมื่อนามาช่งั ไดม้ วล 120.5 กรมั จงหา

ความหนาแนน่ ของน้าเกลือ
มวล
วธิ ที า ความหนาแน่น =
1ป2ร0ิม.5าตร
=
= 100 g/cm3
1.205
= 1.205 ×103 kg/cm3
ตอบ ความหนาแนน่ ของนา้ เกลือเท่ากับ 1.21 ×103 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

3 การทดลองทางฟิสิกส์

การรายงานความคลาดเคลือ่ น

การวัดปริมาณต่าง ๆ จะมีความคาดเคลื่อนเสมอขึ้นอยู่กับเครื่องมือ วิธีการวัดและ
ประสบการณ์ของผู้วัด ในการทดลองเราจะวัดซ้าหรือทดลองซ้าหลายคร้ังเพื่อลดความคาด
เคลือ่ น ดงั น้นั เราสามารถเขียนรายงานผลการทดลองในรปู คา่ เฉลี่ย ± คา่ เคลื่อนของค่าเฉลีย่

x ± ∆x

คา่ เฉลยี่ x หาไดจ้ าก คา่ คาดเคลอ่ื นของคา่ เฉลย่ี ∆x หาได้จาก

x = x1+x2+…+xN x = xmax − xmin
N 2

3 การทดลองทางฟิสิกส์

การรายงานความคลาดเคลือ่ น

จงเขียนรายงานผลการวัดความยาวของวตั ถุชน้ิ หนึง่ (ในหน่วยมิลลิเมตร) ซึง่ ทา

การวดั 5 ครั้ง ไดผ้ ลการทดลองดงั นี้ 23.1 22.8 22.7 23.0 22.6
23.1+22.8+22.7+23.0+22.6
วธิ ที า ค่าเฉลย่ี x = 114.2 5
=
5
= 22.84
23.1−22.6
ค่าคาดเคลื่อนของคา่ เฉลี่ย ∆x = 2

= 0.25 =0.3 (เลขนัยสาคญั 1 ตัว)
ตอบ ความยาวของวัตถนุ ีเ้ ท่ากับ 22.8 ± 0.3 มิลลิเมตร

3 การทดลองทางฟิสิกส์

การวิเคราะห์ผลการทดลอง

การนาผลการทดลองมาเขียนเป็นกราฟ โดยทั่วไปนิยมใช้ตัวแปรต้นเป็นแกนนอนและตัว
แปรตามเปน็ แกนต้งั การนาเสนอข้อมูลโดยใช้กราฟ

กราฟเส้นตรง

สมการท่วั ไปของกราฟ โดย y, x = แทนตวั แปรใด ๆ

Y = mx + c m = ความช้ันกราฟ = tanθ

c = จดุ ที่เส้นกราฟตัดแกน y

หาความชันของกราฟ m = tanθ = ∆y
∆x