วิทยาศาสตร์_ฟิสิกส์ บทน ํ า (Introduction) ชาญวิทย์ คําเจริญ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) วิทยาศาสตร์ [Science] ------ ........................................................................ กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ [Scientific Method] 1. การสังเกต 2. การตั้ งปัญหา 3. การตั้ งสมมุติฐาน 4. การทดลอง 5. การสรุปผล --- ตั้ งเป็นกฎและทฤษฏี ฟิสิกส์ - ศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ฟิสิกส์ – เกี่ยวข้องกับการวัด ฟิสิกส์ – ม.ปลาย แบ่งออกเป็ น 5 ส่วน จํานวนทั้ งหมด 18 บท ดังนี ้ กลศาสตร์ คลื่น สมบัติเชิงกลของสสาร ไฟฟ้ า ฟิสิกส์ยุคใหม่ 2
1. หน่วยในการวัดปริมาณทางฟิสิกส์ - ใช้ระบบหน่วย S.I. (System International Unit) - ระบบหน่วย S.I. แบ่ง หน่วยออกเป็ น 3 ประเภท คือ 1. หน่วยฐาน 2. หน่วยเสริม 3. หน่วยอนุพันธ์ - คือหน่วยพื ้นฐานในการวัด - มีทั้ งหมด 7 หน่วย - คือหน่วยที่ใช้วัดมุม - มีทั้ งหมด 2 หน่วย - คือหน่วยที่เกิดจาก หน่วยฐานและหน่วยเสริมมารวมกัน 1 ความยาว 2 มวล 3 เวลา 4 อุณหภูมิ 5 กระแสไฟฟ้า 6 ปริมาณสาร 7 ความเข้มแสง 1 เรเดียน 2 สตีเรเดียน 1 อัตราเร ็ ว 2 อัตราเร่ง 3 ความหนาแน่น 4 น ้ําหนัก 5 ความดัน 6 งาน 7 กําลัง ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 3 2. การเปลี่ยนหน่วย โดยใช้คําอุปสรรค / ตัวพหุคูณ / Prefixes คือ คําที่ใช้เติมหน้าหน่วย เพื่อให้หน่วยมีขนาดใหญขึ ่้ น หรือ เล ็ กลง โดย แยก เป็ น 2 ประเภทคือ เติมแล้วหน่วยมีขนาดใหญ่ขึ้น เติมแล้วหน่วยมีขนาดเล็กลง ชื่อ สัญลักษณ์ค่า ชื่อ สัญลักษณ์ค่า เอซะ E 1018 อัตโต a 10-18 เพตะ P 1015 เฟมโต f 10-15 เทระ T 1012 พิโค p 10-12 จิกะ G 109 นาโน n 10-9 เมกกะ M 106 ไมโคร 10-6 กิโล K 103 มิลลิ m 10-3 เฮกโต H 102 เซนติ c 10-2 เดคา da 101 เดซิ d 10-1 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 4
วิธีการเติมคําอุปสรรค 1. มีแล้วไม่ต้องการ เปลี่ยนเป็ นตัวเลข เช่น 15 mA มีค่าเท่ากับกี่ A 200 kV มีค่าเท่ากับกี่ V 3000 pf มีค่าเท่ากับกี่ f 45 H มีค่าเท่ากับกี่ H ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 5 วิธีการเติมคําอุปสรรค 2. ไม่มีแต่ต้องการ ---- เติม ---- เอาออก เช่น 15 g มีค่าเท่ากับกี่ g 200 m มีค่าเท่ากับกี่ mm 3000 f มีค่าเท่ากับกี่ pf 45 H มีค่าเท่ากับกี่ mH ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 6
วิธีการเติมคําอุปสรรค 3. ที่มีไม่ต้องการ แต่ ที่ต้องการไม่มี เช่น 15 mg มีค่าเท่ากับกี่ g 200 kV มีค่าเท่ากับกี่ mV 3000 f มีค่าเท่ากับกี่ pf 45 H มีค่าเท่ากับกี่ mH ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 7 4. การเปลี่ยนหน่วยใน 2 มิติ (ยกกําลังสอง) เช่น วิธีการเติมคําอุปสรรค 500 ตารางเซนติเมตร มีค่าเท่ากับกี่ตารางเมตร 1.5 ตารางมิลลิเมตรมีค่าเท่ากับกี่ตารางเซนติเมตร 32 ตารางเซนติเมตรมีค่าเท่ากับกี่ตารางกิโลเมตร ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 8
5. การเปลี่ยนหน่วยใน 3 มิติ (ยกกําลังสาม) เช่น วิธีการเติมคําอุปสรรค 40 ลูกบาศก์เซนติเมตร เท่ากับกี่ลูกบาศก์เมตร 1.2 ลูกบาศก์มิลลิเมตรมีเท่ากับกี่ลูกบาศก์เซนติเมตร 30 ลูกบาศก์เมตรเท่ากับกีลู่กบาศก์เซนติเมตร ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 9 6. การเปลี่ยนหน่วยในรูปของอัตราส่วน เช่น วิธีการเติมคําอุปสรรค ความหนาแน่น 0.004 kg/m3 มีค่าเท่าใดในหน่วย mg/mm3 ความหนาแน่น 1 g/cm3 น ้ําจะมีความหนาแน่นเทาใดในหน ่ ่วย kg/m3 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 10
6. การเปลี่ยนหน่วยในรูปของอัตราส่วน เช่น วิธีการเติมคําอุปสรรค อัตราเร ็ ว 72 กิโลเมตร/ชั่วโมง มีค่าเท่ากับกี่เมตร/วินาที อัตราเร ็ ว 40 เมตร/วินาที มีค่าเท่ากบกี ั่ กิโลเมตร/ชั่วโมง ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 11 3. การบันทึกผลจากการวัด หลักการในการบันทึกผลจากการวัดใช้หลักของเลขนัยสําคัญ เลขนัยสําคัญ (Significant Number) คือ........................................................... ยกตัวอย่างเช่น 1. 2. ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 12
1. เลขทุกตัวที่ไม่ใช่ศูนย์ถือว่าเป็ นเลขนัยสําคัญ 2. เลขศูนย์แบ่งเป็ น 3 ประเภท 2.1 เลขศูนย์ทางขวามือ เป็ น เลขนัยสําคัญ 2.2 เลขศูนย์ตรงกลาง เป็ น เลขนัยสําคัญ 2.3 เลขศูนย์ทางซ้ายมือ ไม่เป็ น เลขนัยสําคัญ หลักการนับจานวนตํ ัวเลขนัยสําคัญ 3. ตัวเลขที่เขียนในรูป A10n เมื่อ 1A10 และ n เป็ นเลขจํานวนเต ็ ม จะนับ จํานวนเลขนัยสําคัญเฉพาะของตัว A เท่านั้ น ตัวอย่างการนับจํานวนตัวเลขนัยสําคัญ 3.50 0.35 0.003 4.01 15.09 1.00 1.02105 0.00610-6 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 13 การคํานวณตามหลักเลขนัยสําคัญ 1. หลักการบวก และ การลบ เวลาตอบตอบตามจํานวนทศนิยมน้อยที่สุด 1 4.36 + 2.1 = 2 2.1 - 0.002 = 3 123.45 + 2.0 = 4 62.543 + 10.12 = 5 3.95 + 0.5 = ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 14
การคํานวณตามหลักเลขนัยสําคัญ 2. หลักการคูณ และ การหาร เวลาตอบตอบตามจํานวนเลขนัยสําคัญน้อยที่สุด 1 1.50 3.6 = 2 4.5 2.0 = 3 1.50 0.25 = 4 123.45 2.0 = 5 0.025 2.0 = ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 15 4. ตัวอักษรภาษากรีก ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 16
ม ุ ม sin cos tan 0 30 45 60 90 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 17 ม ุ ม sin cos tan 180 270 360 37 53 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 18
หลักการหาคามุ่ม 1. พิจารณาคาของมุ่มว่า เป็ น บวก หรือ ลบ ตาม Quadrant โดย Quadrant x y 1 2 3 4 2. แยกมุมที่ต้องการคิดให้อยู่ในรปของูมุมตามจุดตัดแกน [90, 180, 270, 360] กับมุมที่ทราบค่า 3. ถ้ามุมที่แยกเป็ นมุมบนจุดตัดแกน Y [90, 270] ให้เปลี่ยน จากค่า sin cos และ cos sin แต่ถ้าเป็ นมุมบน จุดตัดแกน X ไม่เปลี่ยน 4. หาค่าตามค่าของมุมที่นํามา ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 19 1. sin 120 2. cos 300 3. cos 150 4. sin 225 จงหาค่า sin , cos และ tan ของม ุ มต่อไปนี้ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 20
5. cos 323 6. sin 307 7. cos 233 8. tan 127 จงหาค่า sin , cos และ tan ของม ุ มต่อไปนี้ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 21 A B C 90‐ A2 = B2 + C2 ทฤษฎีบทปิทากอรัส ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 22
10cm 30O 1. 20cm 37O 2. จงหาความยาวของด ้านที่เหลือกับม ุ มที่เหลือ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 23 9cm 3. 12cm 4. 0.8m 1.0m ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 24
แบ่ง เป็ น 2 ประเภท คือ 5. ปริมาณในทางฟิสิกส์ 1. ปริมาณเวกเตอร์ คือ ปริมาณที่ต้องกําหนดทงขนาดและทิศทางจึงจะมีความหมาย ั้ ตัวอย่างของปริมาณเวกเตอร์ได้แก่ แรง การกระจดัความเร ็ ว ความเร่ง การเขียนรูปแทนใช้รปู เหตุผลเพราะว่า สัญลักษณ์ที่ใช้แทนเขียนแทนด้วย มีการกําหนดมาตราส่วน : Scale ตัวอย่างเช่น ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 25 2. ปริมาณสเกลาร์ คือ ปริมาณที่ระบุแต่เพียงขนาดอย่างเดียวก็ได้ใจความสมบูรณ์ ตัวอย่างของปริมาณเวกเตอร์ได้แก่ เวลา ระยะทาง พื ้ นที่อัตราเร ็ ว เป็ นต้น การคํานวณใช้หลักพีชคณิตธรรมดา 1 สเกลาร์ บวก สเกลาร์ 2 สเกลาร์คูณ สเกลาร์ 3 สเกลาร์บวก เวกเตอร์ 4 สเกลาร์คูณ เวกเตอร์ 5 เวกเตอร์บวก เวกเตอร์ 6 เวกเตอร์คูณ เวกเตอร์ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 26
การรวมเวกเตอร์มีวิธีการดังนี ้ 1. วาดรูปเวกเตอร์ตัวแรก 2. วาดรูปเวกเตอร์ตัวที่สองโดยวาดหางต่อหัวเวกเตอร์ตัวแรก 3. ลากเวกเตอร์ลัพธ์จากหางเวกเตอร์ตัวแรกไปยังหวเวกเตอรั ์ตัวที่สอง ตัวอย่างเช่น A B จงหา A B C และ B A D ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 27 จงหาผลรวมของเวกเตอร์ต่อไปนี้ A 3 B 4 (1) A 3 B 4 (2) ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 28
จงหาผลรวมของเวกเตอร์ต่อไปนี้ A 3 B 4 (3) A 3 B 4 (4) ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 29 จงหาผลรวมของเวกเตอร์ต่อไปนี้ A 5 B 3 (5) 0 60 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 30
จากตัวอย่างที่ (1) – (5) สรุปการรวมเวกเตอร์ 1. เวกเตอร์สองเวกเตอร์รวมกันได้ขนาดมากที่สุดเมื่อทํามุม....................ต่อกัน 2. เวกเตอร์สองเวกเตอร์รวมกันได้ขนาดน้อยที่สุดเมื่อทํามุม...................ต่อกัน 3. ถ้าเวกเตอร์ทั้ งสองตั้ งฉากกันจะได้ว่า ใช้ทบ.ปิทากอรสั ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 31 4. ถ้าเวกเตอร์ทั้ งสองทํามุม ต่อกันได้ว่า โดย ทํามุม กับ ได้ว่า ଶ ଶ ܣ ܤ ܥ ߙ พิสูจน์สูตรการคํานวณ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 32 ܣ ܥ ܤ ߙ
ในกรณีที่มีเวกเตอร์รวมกันมากกว่า 2 เวกเตอร์ให้ทําดังนี ้ 1. วาดแกน XY 2. วาดเวกเตอร์ทุกตัวลงบนแกน XY โดยมีจุดเริ่มต้นอยู่ที่พิกัด (0,0) 3. แตกเวกเตอร์ให้อยู่บนแนวแกน XY ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 33 53 A=50m 30 B=60m C=100m 60 ในกรณีที่มีเวกเตอร์รวมกันมากกว่า 2 เวกเตอร์ให้ทําดังนี ้ 4. รวมเวกเตอร์ในแต่ละแกนเข้าด้วยกันได้เวกเตอร์ผลลัพธ์ตามแนวแกน xy 5. รวมเวกเตอร์แกน X และ แกน Y เข้าด้วยกันด้วย ทบ.ปิทากอรสั ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 34 ܥ ܤ ܣ ൌܴ 53 53 37 A=10m B=10m C=45m
ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 35 53 A=10m 37 B=10m 53 C=45m X y X y บทสรุปเกี่ยวกับการรวมเวกเตอร์ 1. เวกเตอร์สองเวกเตอร์จะเท่ากันก ็ ต่อเมื่อ มีขนาดเท่ากันและมีทิศทาง ไปทางเดียวกัน 2. เวกเตอร์ที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงข้ามกันเรียกว่า นิเสธของเวกเตอร์ 3. การรวมเวกเตอร์มีสมบัติของการสลับที่นั่นคือ A B B A 4. เวกเตอร์บวกกันเองได้เวกเตอร์ (บวกโดยการวาดรูปแบบหางต่อหัว) 5. เวกเตอร์บวกกับสเกลาร์ไม่ได้ 6. เวกเตอร์คูณกับสเกลาร์ได้เวกเตอร์ ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 36
โจทย์ตัวอย่าง 1. พิจารณาเวกเตอร์ในรปดู้านล่าง เวกเตอร์คู่ใด มีขนาดเท่ากัน 2. พิจารณาเวกเตอร์ในรปดู้านล่าง เวกเตอร์ใดมีทิศทางเดียวกับเวกเตอร์ A ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 37 3. พิจารณาเวกเตอร์ในรปดู้านล่าง เวกเตอร์ใดมีทิศทางเดียวกับเวกเตอร์ R เมื่อ R A B 4. พิจารณาเวกเตอร์ในรูปด้านล่าง เวกเตอร์ใดคือเวกเตอร์ R เมื่อ R A B ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 38
5. ให้วาดรูปหาเวกเตอร์ R เมื่อ R A B ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 39 6. จงหาขนาดของเวกเตอร์ลัพธ์ของเวกเตอร์ขนาด 10 หน่วย เท่ากัน 2 เวกเตอร์ซึ่งทํามุม 120 ซึ่งกันและกัน ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 40
7. จุดมุ่งหมายหลักของวิชาฟิสิกส์อยู่ที่ 1. การศึกษาหาความรู้เกี่ยวกับ กลศาสตร์ ความร้อน คลื่น แสง แม่เหล ็กไฟฟ้ า และ ปรากฏการณ์ธรรมชาติอื่น ๆ เพื่อให้รู้และเข้าใจธรรมชาติ มากที่สุด 2. การศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ต่าง ๆ ของธรรมชาติ เพื่อเป็ น พื ้นฐานของการศึกษาในสาขาวิชาอื่น ๆ เช่น เคมี คณิตศาสตร์และ วิศวกรรมศาสตร์ 3. การศึกษาวิชาพื ้ นฐานเพื่อใหเกิดความเข ้ ้าใจปรากฏการณ์ธรรมชาติ และเป็นพื ้ นฐานนําไปสู่การพัฒนาทางด้านเทคโนโลยี 4. การสังเกต บันทึกข้อมูล และสร้างแบบจําลองความคิด เพื่อ การศึกษาและอธิบายธรรมชาติทุกรปแบบู ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 41 8. นักเรียนคนหนึ่งบันทึกตัวเลขจากการทดลองเป็ น 0.0652 กิโลกรัม, 8.20x10-2 เมตร, 25.5 เซนติเมตร และ 8.00 วินาที จํานวนเหล่านี ้ มีเลข นัยสําคัญกี่ตัว 1. 1 ตัว 2. 2 ตัว 3. 3 ตัว 4. 4 ตัว 9. แสงเลเซอร์ชนิด ฮีเลียม – นีออน ให้แสงสีแดงความยาวคลื่น 632.8 นาโน เมตรหรือเท่ากับ 1. 6.328 x 10– 3 มิลลิเมตร 2. 6.328 x 10– 5 เซนติเมตร 3. 6.328 x 10– 8 เมตร 4. 6.328 x 10– 12 กิโลเมตร ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 42
10. ข้อใด ไม่ใช่หน่วยฐานของระบบหน่วยระหว่างชาติ (เอสไอ) ทั้ งหมด 1. วินาที โวลต์ แอมแปร์ 2. แคนเดลา ลูเมน เฮนรี 3. นิวตัน คูลอมป์ จูล 4. โอหม์ โมล ซีเมนส์ 11. จากรูป ความยาวของแท่งดินสอมีค่าเท่ากับกีเซนติเมตร่ 1. 9.4 2. 9.375 3. 9.36 4. 9.3 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 43 12. เวกเตอร์สามตัวต่อกันดังรูป ความสัมพันธ์ทางเวกเตอร์ในข้อใดต่อไปนี้ ผิด ก. A + B + C = 0 ข. - C = A + B ค. A = - B - C ง. B = C + A 13. ผลรวมของ 1.234, 12.34 และ 123.4 จะเป็ นเท่าไร ก. 136.974 ข. 136.97 ค. 136.0 ง. 137.0 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 44
14. แรงสามแรงกระทาตํ ่อวัตถุหนึ่ง ณ จุดกําเนิดดังแสดงในรูป จงหาเวกเตอร์ ผลรวมของเวกเตอร์ทั้ งสามเวกเตอร์มีขนาดกี่นิวตัน ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 45 X y A=50N B=50N C=25N 37O 37O 15. ห้องหนึ่ง กว้าง 3.40 เมตร ยาว 12.71 เมตร ห้องจะมีพื ้ นที่เท่าไร 1. 43.214 ตารางเมตร 2. 43.2 ตารางเมตร 3. 43.21 ตารางเมตร 4. 43.2140 ตารางเมตร 16. เหล ็ กแท่งหนึ่งมวล 47.0 กรัม มีปริมาตร 6.0 ลูกบาศก์เซนติเมตร ถามว่า ค่าความหนาแน่นของเหล ็ กแท่งนี ้ เป็นกี่กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร 1. 7.8 2. 7.83 3. 7.833 4. 7.8333 ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 46
17. จงพิจารณาโจทย์ต่อไปนี้ ก. 1.2 + 62.543 + 10.12 =? ข. 123.45 x 2.0 =? โจทย์ที่ปรากฏข้างบนนี ้ มีข้อความใดบ้างที่ถูกต้อง 1. ผลลัพธ์ของข้อ ก. มีเลขนัยสําคัญ 3 ตัว และผลลัพธ์ของข้อ ข. มีเลขนัยสําคัญ 2 ตัว 2. ผลลัพธ์ของข้อ ก. มีเลขนัยสําคัญ 2 ตัว และผลลัพธ์ของข้อ ข. มีเลขนัยสําคัญ 5 ตัว 3. ทั้งผลลัพธ์ของข้อ ก. และผลลัพธ์ของข้อ ข. มีเลขนัยสําคัญ 5 ตัว 4. คําตอบเป็ นอย่างอื่น ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 47 18. ให้เติมคําตอบที่ถูกต้องลงในช่องว่างต่อไปนี้ 1) 7.2 cm = ……..……....m 2) 6.524 mg = ……..……....g 3) 6.23 nm = ……..……....m 4 ) 55.26 μm = ……..……....m 5) 62.5 pg = ……..……....g 6) 425 km = ……..……....m 7) 0.042 μg = ……..……....g 8) 0.0659 MΩ = …....……....Ω 9) 0.0073 GΩ = ……..……....Ω 10) 3.3 x 103 km = ……..……....m ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 48
19. ให้เติมคําตอบที่ถูกต้องลงในช่องว่างต่อไปนี้ 1) 1.35 x 103 m = …………………..km 2) 1.32 x 10–3 A = …………………..mA 3) 4.2 x 10–8 g = …………………..μg 4) 3.25 x 10–10 m = …………………..nm 5) 6.5 x 105 g = …………………..kg 6) 7.23 x 103 A = …………………..mA 7) 7.23 x 10–5 Ω = …………………..kΩ 8) 7.31 x 10–5 m = …………………..cm 9) 4.62 x 10–7 m = …………………..nm 10) 5.53 x 103 A = …………………..GA ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 49 20. ความยาว 4.9 นาโนเมตร มีค่าเท่าไรในหน่วยกิโลเมตร 1. 4.9x10–9 km 2. 4.9x10–11 km 3. 4.9x10–12 km 4. 4.9x10–13 km ฟิสิกส์บทนํา (Introduction) 50