หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐาน วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีม. 2 ชั้นมัธยมศึกษาปที่ 2 ตามมาตรฐานการเรียนรู้และตัวชี้วัด กลุมสาระการเรียนรูวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551 เล่ม 2 ผลิตและจัดจำหนายโดย บริษัท สำนักพิมพวัฒนาพานิช จำกัด วัฒนาพานิช สำราญราษฎร 216–220 ถนนบำรุงเมือง แขวงสำราญราษฎร เขตพระนคร กรุงเทพฯ 10200 โทร. 02 222 9394 • 02 222 5371–2 FAX 02 225 6556 • 02 225 6557 email: [email protected] ผู้เรียบเรียง ผศ. ดร.เศรษฐวัชร ฉ�่ำศาสตร์ วท.บ., วท.ม., M.Sc., Ph.D. ชนิกานต์ นุ่มมีชัย กศ.บ., กศ.ม. นริสรา ศรีเคลือบ วท.บ., วท.ม. วารี โตพันธ์ วท.บ. รื่นฤดี ต่อชีวัน วท.บ. ผู้ตรวจ ดร.สมพิศ เผ่าจินดา กศ.บ., กศ.ม., ศษ.ด. ศศิพินทุ์ นรเศรษฐพันธุ์ วท.บ., กศ.ม. ภูริชัย ชัยศร กศ.บ., ศษ.ม. บรรณาธิการ อนุวัชร นามเชื้อ วท.บ.
ผู้เรียบเรียง ผศ. ดร.เศรษฐวัชร ฉ่ำศาสตร์ ชนิกานต์ นุ่มมีชัย นริสรา ศรีเคลือบ วารี โตพันธ์ รื่นฤดี ต่อชีวัน ผู้ตรวจ ดร.สมพิศ เผ่าจินดา ศศิพินทุ์ นรเศรษฐพันธุ์ ภูริชัย ชัยศร บรรณาธิการ อนุวัชร นามเชื้อ ปีที่พิมพ์ พ.ศ. 2563 พิมพ์ครั้งที่ 2 จำนวน 20,000 เล่ม ISBN 978-974-18-7485-9 พิมพ์ที่ บริษัท โรงพิมพ์วัฒนาพานิช จำกัด นายเริงชัย จงพิพัฒนสุข กรรมการผู้จัดการ สงวนลิขสิทธิ์ตามกฎหมาย หามละเมิด ทำซ้ำ ดัดแปลง เผยแพร B สวนหนึ่งสวนใด เวนแตจะไดรับอนุญาต ข หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐาน วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ม. 2 เล่ม 2 ชั้นมัธยมศึกษาปที่ 2 ตามมาตรฐานการเรียนรู้และตัวชี้วัด กลุมสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตรและเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551
คํานํา ค หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 2 เล่มนี้ จัดทําขึ้นตามมาตรฐานการเรียนรู้ ตัวชี้วัดชั้นปี และสาระการเรียนรู้แกนกลาง กลุ่มสาระการเรียนรู้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) หลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551 โดยมีเปาหมายให้นักเรียนและครูใช้เปนสื่อในการจัดการเรียนรู้ เพื่อพัฒนา นักเรียนให้มีคุณภาพตามมาตรฐานการเรียนรู้และตัวชี้วัดชั้นปีที่หลักสูตรกําหนด พัฒนานักเรียน ให้มีสมรรถนะตามที่ต้องการทั้งด้านการสื่อสาร การคิด การแก้ปญหา การใช้ทักษะชีวิต และการ ใช้เทคโนโลยี ตลอดจนพัฒนานักเรียนให้มีคุณลักษณะอันพึงประสงค์ เพื่อให้สามารถอยู่ร่วมกับ ผู้อื่นในสังคมไทยและสังคมโลกได้อย่างมีความสุข ในการจัดทําหนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานชุดนี้ คณะผู้จัดทําซึ่งเปนผู้เชี่ยวชาญในสาขาวิชา และการพัฒนาสื่อการเรียนรู้ได้ศึกษาหลักสูตรอย่างลึกซึ้ง ทั้งด้านวิสัยทัศน์ หลักการ จุดหมาย สมรรถนะสําคัญของผู้เรียน คุณลักษณะอันพึงประสงค์ สาระ มาตรฐานการเรียนรู้ ตัวชี้วัดชั้นปี สาระการเรียนรู้แกนกลาง แนวทางการจัดการเรียนรู้ การวัดและประเมินผลการเรียนรู้ รวมทั้ง เอกสารหลักสูตรอื่น ๆ แล้วจึงออกแบบหน่วยการเรียนรู้ แต่ละหน่วยการเรียนรู้ประกอบด้วย คําถามสําคัญ บทเรียนนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับ ศัพท์ที่ควรรู้ น่ารู้ กิจกรรม ค้นหาคําตอบ แหล่งสืบค้นความรู้ ฝกเพิ่มพูนทักษะ กิจกรรมสะเต็มศึกษา ทบทวนความเข้าใจ ผังมโนทัศน์ สาระ สําคัญประจําหน่วย และกิจกรรมประจําหน่วย และท้ายเล่มยังมีบรรณานุกรมและภาคผนวก ซึ่งองค์ประกอบของหนังสือเรียนเหล่านี้จะช่วยส่งเสริมให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้อย่างครบถ้วน ตามหลักสูตร การเสนอเนื้อหา กิจกรรม และองค์ประกอบอื่น ๆ ในหนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานเล่มนี้ มุ่งเน้นผู้เรียนเปนสําคัญ โดยคํานึงถึงศักยภาพของนักเรียน เน้นการเรียนรู้แบบองค์รวมบนพื้นฐาน ของการบูรณาการแนวคิดทางการเรียนรู้อย่างหลากหลาย จัดการเรียนรู้แบบบูรณาการเน้นให้ นักเรียนสร้างองค์ความรู้ด้วยตนเอง มุ่งพัฒนาการคิด และพัฒนาการเรียนรู้ที่สอดคล้องกับ พัฒนาการทางสมองของนักเรียน อันจะช่วยให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้อย่างสมบูรณ์และสามารถ นําไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจําวันได้ หวังเปนอย่างยิ่งว่า หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษา ปีที่ 2 เล่ม 2 เล่มนี้ จะช่วยพัฒนาการเรียนรู้ของนักเรียนตามหลักสูตรได้เปนอย่างดี คณะผู้จัดทํา
คําชี้แจง คําถามนําเพื่อให้นักเรียนค้นหาองค์ความรู้เมื่อเรียนจบ หน่วยการเรียนรู้ เปาหมายของการพัฒนานักเรียนแต่ละชั้นปี ซึ่งสอดคล้องกับ มาตรฐานการเรียนรู้ ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจ ซึ่งสอดคล้องกับความคิด รวบยอดและสาระที่นักเรียนเรียนรู้ในบทเรียน คำ ถามหรือกิจกรรมที่ให้นักเรียนได้เรียนรู้ เพื่อสร้างเสริม ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ และทักษะกระบวนการ คิดที่สำ คัญ คำ ถามหลักท้ายกิจกรรมพัฒนาการเรียนรู้เพื่อช่วยสร้างเสริม ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ของนักเรียน องคประกอบที่สําคัญของหนวยการเร�ยนรู บทสรุปความคิดหลักของแต่ละหน่วยการเรียนรู้ เพื่อ ตรวจสอบความรู้ ความเข้าใจของนักเรียนและช่วยในการ จดจำ สิ่งที่เรียนรู้ แหล่งการเรียนรู้ที่ประกอบด้วยเว็บไซต์ และสื่อ QR (Quick Response) ที่นักเรียนสามารถค้นคว้าเนื้อหาที่สอดคล้องกับ เรื่องที่เรียนรู้ คำ ถามหลักท้ายหัวเรื่องหลัก เพื่อประเมินความรู้ ความเข้าใจ ในสาระที่นักเรียนได้เรียนรู้ กิจกรรมการเรียนรู้ที่บูรณาการวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรมศาสตร์ และคณิตศาสตร์เข้าด้วยกัน เพื่อนําความรู้ เหล่านี้ไปใช้แก้ปญหาและสร้างสรรค์ชิ้นงานที่เปนประโยชน์ ในชีวิตจริงและพัฒนาทักษะในศตวรรษที่ 21 ภาระงานที่นักเรียนฝกปฏิบัติเพื่อให้เกิดทักษะกระบวนการ ทางวิทยาศาสตร์ที่นำ ไปสู่ความเข้าใจที่คงทนของนักเรียน คำ ศัพท์วิทยาศาสตร์ที่ควรจดจำ ซึ่งเปนคำ หลักในสาระ ที่เรียนรู้ซึ่งจะนำ ไปสู่ความเข้าใจที่คงทนของนักเรียน บทเร�ยนนี้นักเร�ยนจะไดเร�ยนรูเกี่ยวกับ คําถามสําคัญ ศัพทที่ควรรู นารู ฝกเพิ�มพูนทักษะ กิจกรรม คนหาคําตอบ แหลงสืบคนความรู ทบทวนความเขาใจ สรุปแนวคิด หลักการ และความคิดรวบยอดของสาระที่นำ ไปสู่ความเข้าใจที่คงทนของนักเรียน ในแต่ละหน่วยการ เรียนรู้ที่สอดคล้องกับตัวชี้วัดชั้นปี สาระสําคัญประจําหนวย ผังมโนทัศน (concept map) กิจกรรมสรุปความรู้ หลักการ ความคิดรวบยอด คำ ศัพท์ ที่ได้เรียนรู้ในแต่ละหน่วยการเรียนรู้ รวมทั้งการนำ ความรู้ ที่ได้ไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำ วัน กิจกรรมประจําหนวย กิจกรรมสะเต็มศึกษา หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 2 ได้ ออกแบบหน่วยการเรียนรู้ให้แต่ละหน่วยการเรียนรู้ประกอบด้วยองค์ประกอบที่สำ คัญ ดังนี้ ง
สัญลักษณกระบวนการเร�ยนรู สัญลักษณ์ต่าง ๆ ที่กำ หนดไว้ที่กิจกรรมนั้นมีจุดมุ่งหมายและจุดเน้นที่แตกต่างกันตาม ลักษณะของกระบวนการเรียนรู้ที่ต้องการให้นักเรียนได้เรียนรู้ ซึ่งมีความสอดคล้องกับธรรมชาติ ของกลุ่มสาระการเรียนรู้และจุดเน้นของหลักสูตร ดังนั้น สัญลักษณ์จึงเปนแนวทางที่เอื้อประโยชน์ ต่อนักเรียนที่จะศึกษาหาความรู้ตามรายละเอียดของกิจกรรม ในหนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐาน วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 2 ได้กำ หนดสัญลักษณ์ไว้เปน 2 กลุ่ม ดังนี้ สัญลักษณหลักของกลุมสาระการเร�ยนรู วิทยาศาสตรและเทคโนโลยี การสังเกต เปนกิจกรรมที่กําหนดให้ นักเรียนสังเกตปรากฏการณ์ต่าง ๆ ตาม ความคิดรวบยอดของแต่ละหัวเรื่อง แล้ว ใช้ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เช่น การจําแนก การลงสรุปข้อมูล เพื่อ ให้เกิดองค์ความรู้ด้วยตนเอง การสํารวจ เปนกิจกรรมที่กําหนดให้ นักเรียนสํารวจปรากฏการณ์ต่าง ๆ ตาม ความคิดรวบยอดของแต่ละหัวเรื่อง แล้ว ใช้ทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เช่น การสังเกต การจัดกระทําและสื่อ ความหมายข้อมูล การลงสรุปข้อมูล เพื่อ ให้เกิดองค์ความรู้ด้วยตนเอง จ สัญลักษณเสร�มของกลุมสาระการเร�ยนรู วิทยาศาสตรและเทคโนโลยี การทดลอง เปนกิจกรรมที่กําหนดให้ นักเรียนได้ปฏิบัติการทดลองเพื่อพิสูจน์ ความคิดรวบยอดที่เรียนรู้ โดยการ ออกแบบการทดลอง ดําเนินการทดลอง และสรุปผลการทดลอง แล้วใช้ทักษะ กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เช่น การ สังเกต การพยากรณ์ การจัดกระทําและ สื่อความหมายข้อมูล การลงสรุปข้อมูล เพื่อให้เกิดองค์ความรู้ด้วยตนเอง การสืบค้นข้อมูล เปนกิจกรรมที่กำ หนด ให้นักเรียนสืบค้นข้อมูลจากแหล่งการ เรียนรู้ต่าง ๆ แล้วใช้ทักษะกระบวนการ ทางวิทยาศาสตร์ เช่น การลงสรุปข้อมูล เพื่อให้เกิดองค์ความรู้ด้วยตนเอง การพัฒนากระบวนการคิด เปนกิจกรรม ที่กําหนดให้นักเรียนได้ใช้กระบวนการคิด เพื่อเพิ่มพูนทักษะการคิดของตนเอง การปฏิบัติจริง/ฝƒกทักษะ เปนกิจกรรม ที่กำ หนดให้นักเรียนได้ฝกปฏิบัติเพื่อให้ เกิดและเพิ่มพูนทักษะกระบวนการทาง วิทยาศาสตร์ การประยุกต์ใช้ในชีวิตประจําวัน เปน กิจกรรมที่กําหนดให้นักเรียนต้องนํา หลักการ แนวคิดของความคิดรวบยอด ในหัวเรื่องที่เรียนรู้มาใช้แก้ปญหาใน สถานการณ์จริงของชีวิตประจําวัน โครงงาน เปนกิจกรรมโครงงานคัดสรรที่ นำ หลักการ แนวคิดของความคิดรวบยอด ในหัวเรื่องที่เรียนรู้มาใช้แก้ปญหา การทำ ประโยชน์ให้สังคม เปนกิจกรรม ที่กำ หนดให้นักเรียนนำ ความรู้ที่ได้จาก การเรียนรู้ไปปฏิบัติเพื่อให้ตระหนักใน การทำ ประโยชน์ให้สังคม ความคิดริเริ่มสร้างสรรค์ เปนกิจกรรม ที่กําหนดให้นักเรียนได้ใช้ความคิด สร้างสรรค์สร้างภาระงาน เพื่อเพิ่มพูน ทักษะการคิดของตนเอง การวิเคราะห์ข้อมูล เปนกิจกรรมที่ กำ หนดให้นักเรียนได้แยกแยะหาความ สัมพันธ์หรือความเปนเหตุเปนผลของ ข้อมูลจากปรากฏการณ์ที่สนใจ เพื่อให้ เกิดองค์ความรู้ด้วยตนเอง
สารบัญ คำ นำ ....................................................ค คำ ชี้แจง ................................................ ง หนวยการเรียนรู้ที่ 4 งานและพลังงาน ..........1 งาน .................................................2 กำ ลัง ..................................................5 เครื่องกลอย่างง่าย ...............................8 พลังงาน .........................................16 พลังงานศักย์โน้มถ่วง .........................16 พลังงานจลน์ .....................................17 พลังงานกล .......................................20 กฎการอนุรักษ์พลังงาน ....................... 21 การใช้ประโยชน์จากกฎการอนุรักษ์ พลังงาน .......................................22 ผังมโนทัศน์ .......................................25 สาระสำ คัญประจำ หน่วย .....................26 กิจกรรมประจำ หน่วย .........................27 หนวยการเรียนรู้ที่ 5 การแยกสาร .............. 31 การระเหยแห้ง .................................. 32 การตกผลึก ...................................... 34 การกลั่นอยางงาย .............................. 35 การสกัด .......................................... 37 โครมาโทกราฟ ................................. 39 กิจกรรมสะเต็มศึกษา .......................... 42 ผังมโนทัศน์ .......................................53 สาระสำ คัญประจำ หน่วย .....................54 กิจกรรมประจำ หน่วย .........................55 หนวยการเรียนรู้ที่ 6 โลกและการ เปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก ...................... 57 โครงสร้างของโลก ............................. 58 การเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก ............61 ฉ การผุพังอยู่กับที่ ................................61 การกร่อน ..........................................65 การพัดพาและการทับถม.....................66 ดิน ................................................70 กระบวนการเกิดดิน............................70 ลักษณะทั่วไปของดิน..........................70 ปจจัยในการเกิดดิน ...........................77 การปรับปรุงคุณภาพของดิน ................78 แหลงน้ำ ......................................... 79 แหล่งน้ำ ผิวดิน ...................................79 แหล่งน้ำ ใต้ดิน ...................................83 การใช้ประโยชน์และการอนุรักษ์ แหล่งน้ำ ในท้องถิ่น ........................85 ธรณีพิบัติภัยจากน้ำ ...........................88 ผังมโนทัศน์ .......................................92 สาระสำ คัญประจำ หน่วย .....................93 กิจกรรมประจำ หน่วย .........................95 หนวยการเรียนรู้ที่ 7 แหลงพลังงาน ........... 99 เชื้อเพลิงธรรมชาติ ...........................100 ถ่านหิน ...........................................100 หินน้ำ มัน ........................................102 ปโตรเลียม ......................................104 ผลจากการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติ ........108 พลังงานทดแทน .............................109 ผังมโนทัศน์ .....................................111 สาระสำ คัญประจำ หน่วย ...................112 กิจกรรมประจำ หน่วย .......................113 บรรณานุกรม ......................................116 ภาคผนวก ......................................... 117 อุปกรณ์และแหล่งการเรียนรู้ .............117 อภิธานศัพท์ ....................................121
หนว่ ยการเรี ยนรู ้ ที่ คำาถามสำาคัญ งานและพลังงาน 4 1. งานคืออะไร 2. กำ ลังคืออะไร สัมพันธ์กับงานหรือไม่ อย่างไร 3. งานและกำ ลังเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำ วันของเราหรือไม่ อย่างไร 4. เครื่องกลอย่างง่ายแต่ละประเภทมีหลักการทำ งานอย่างไร 5. พลังงานกลประกอบด้วยพลังงานอะไรบ้าง 6. พลังงานเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำ วันของเราหรือไม่ อย่างไร
งานและพลังงาน บทเรียนนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับ s F F 1. งานและก�ำลังที่เกิดจากแรงที่กระท�ำต่อวัตถุ โดยใช้สมการ W = Fs และ P = w t 2. หลักการท�ำงานของเครื่องกลอย่างง่าย 3. ประโยชน์ของเครื่องกลอย่างง่าย 4. ปัจจัยที่มีผลต่อพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ โน้มถ่วง 5. การเปลี่ยนพลังงานระหว่างพลังงานศักย์โน้ม ถ่วงและพลังงานจลน์ของวัตถุโดยพลังงานกล ของวัตถุมีค่าคงตัว 6. การเปลี่ยนและถ่ายโอนพลังงานโดยใช้กฎการ อนุรักษ์พลังงาน เมื่อพูดถึงงานในชีวิตประจ�ำวัน นักเรียน อาจนึกถึงงานที่พ่อแม่ต้องออกไปท�ำทุกวัน หรือ งานบ้านต่าง ๆ เช่น กวาดพื้น ล้างจาน ซักผ้า แต่งานในทางวิทยาศาสตร์นั้นต่างไปจากงานใน ชีวิตประจ�ำวัน โดยในทางวิทยาศาสตร์งานจะ เกิดขึ้นได้เมื่อเราออกแรงกระท�ำต่อวัตถุแล้วทำ�ให้ วัตถุเคลื่อนที่ในแนวเดียวกับแรง เมื่อพิจารณาแรงขนาดคงตัว F ที่กระท�ำ ต่อวัตถุ แล้วท�ำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง เป็นระยะทาง s ดังรูปที่ 4.1 รูปที่ 4.1 แรงคงตัว F กระทำต่อวัตถุทำให้วัตถุเคลื่อนที่เป็นระยะทาง s งาน งาน (work) ที่เกิดขึ้นจากการกระท�ำต่อวัตถุสามารถค�ำนวณได้จาก ผลคูณระหว่างขนาดของแรงที่กระท�ำต่อวัตถุกับระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ ตามแนวแรง ดังสมการ W = Fs ศัพทที่ควรรู งาน เมื่อ W คือ งานที่ท�ำได้มีหน่วยเป็นจูล F คือ ขนาดของแรงที่ท�ำให้เกิดงาน มีหน่วยเป็นนิวตัน s คือ ระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ไปตามแนวแรง มีหน่วยเป็นเมตร
หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 3 หน่วยของงานในระบบ SI คือ จูล (Joule: J) หรือนิวตัน–เมตร (Newton–metre: N–m) ดังนั้น งานที่เกิดขึ้นจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของแรงและระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ตาม แนวแรง กรณีที่ออกแรงกระท�ำต่อวัตถุแล้วไม่ท�ำให้เกิดงานขึ้น เช่น การถือวัตถุอยู่นิ่ง ๆ เนื่องจาก วัตถุไม่มีการเคลื่อนที่แม้ว่าจะออกแรงถือวัตถุอยู่ก็ตาม หรือการยกกระเป๋าแล้วเดินในแนวระดับ ก็ไม่เกิดงานเช่นกัน เพราะกระเป๋าไม่ได้เคลื่อนที่ตามแรงยก ตัวอย่าง คนงานออกแรงยกกระสอบปูนด้วยแรงขนาด 500 นิวตัน ขึ้นสูงจากพื้นในแนวดิ่ง 1.6 เมตร แล้วถือกระสอบปูนและเดินไปในแนวระดับเป็นระยะทาง 10 เมตร คนงานคนนี้ท�ำงานได้ ทั้งหมดเท่าใด วิธีท�ำ จากโจทย์ ขณะที่คนงานถือกระสอบปูนและเดินในแนวระดับ แรงที่กระท�ำต่อกระสอบปูน ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของกระสอบปูน เพราะฉะนั้นงานที่ท�ำในช ่วงนี้จึงเท ่ากับศูนย์ คนงานคนนี้จึงท�ำงานเฉพาะช่วงที่เขายกกระสอบปูนขึ้นจากพื้นเท่านั้น คนงานออกแรงยกกระสอบปูนด้วยแรงขนาดเท่ากับ 500 นิวตัน ระยะทางที่เคลื่อนที่ตามแนวแรงเท่ากับ 1.6 เมตร หางานจาก W = Fs = (500 นิวตัน)(1.6 เมตร) = 800 จูล ดังนั้น คนงานคนนี้ท�ำงานได้ทั้งหมด 800 จูล มีกิจกรรมใดบ้างในชีวิตประจำวันที่ทำให้เกิดงาน
กิจกรรมที่ 1 วิเคราะห์ข้อมูล 4 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 รูปที่ 4.2 แบกท่อนซุงอยู่นิ่ง ๆ รูปที่ 4.4 ผลักรถยนต์ให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า รูปที่ 4.5 ลูกกระท้อนตกจากต้น ตามแรงโน้มถ่วงของโลก รูปที่ 4.3 ถือกระเป๋าเดินในแนวระดับ กิจกรรมใดมีงานเกิดขึ้น ปญหา กิจกรรมใดทำให้เกิดงานตามหลักวิทยาศาสตร์ ขั้นตอน ให้นักเรียนวิเคราะห์กิจกรรมจากรูปที่ 4.2–4.5 แล้วอภิปรายว่าเกิดงานหรือไม่ เพราะ เหตุใด
ค้นหาคำ ตอบ หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 5 1. กิจกรรมใดบ้างที่เกิดงาน 2. งานในชีวิตประจ�ำวันกับงานในทางวิทยาศาสตร์แตกต่างกันอย่างไร ความสามารถในการทำงาน สามารถเปรียบเทียบได้จากอัตราส่วนของงานที่ทำในหนึ่งหน่วย เวลา อัตราส่วนนี้เรียกว่า กำลัง (power) เมื่อ P คือ กำลัง มีหน่วยเป็นจูลต่อวินาทีหรือ วัตต์ W คือ งานที่ทำได้มีหน่วยเป็นจูล t คือ เวลาที่ใช้ในการทำงาน มีหน่วยเป็นวินาที กำ ลัง ศัพทที่ควรรู กำลัง แรงม้าหรือกำลังม้า (horsepower: hp) เป็นหน่วยของกำลังหน่วยหนึ่งที่นิยมใช้ในการบอก กำลังของเครื่องจักรหรือเครื่องยนต์คิดค้นโดยเจมส์วัตต์วิศวกรชาวอังกฤษ โดย 1 แรงม้า เท่ากับ 746 วัตต์นอกจากนี้หน่วยวัตต์ก็ตั้งตามชื่อของเจมส์วัตต์เพื่อเป็นเกียรติให้กับเขาด้วย น่ารู้ P = W t วันหนึ่งมานีออกแรง 40 นิวตัน ผลักกล่องให้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัว ได้ระยะทาง 5 เมตร โดยใช้เวลา 6 วินาทีวันต่อมา มานีผลักกล่องเดิมให้เคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็วคงตัวและได้ระยะทางเท่าเดิม แต่ใช้เวลาเพิ่มขึ้นเป็น 10 วินาที โดยการผลักกล่องทั้ง 2 วันของมานีมีการทำงานเท่ากัน แต่มีปริมาณงาน ที่ทำได้ต่อหนึ่งหน่วยเวลาแตกต่างกัน กล่าวคือ กำลังของมานีในวันแรก จะมากกว่าในวันที่สองเนื่องจากใช้เวลาน้อยกว่าในการทำงานปริมาณเท่ากัน
6 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อปริมาณงานและกำลัง ตัวอย่าง 1 เด็กชายคนหนึ่งดึงถังน้ำด้วยแรง 196 นิวตัน ขึ้นจากบ่อน้ำลึก 5 เมตร ด้วยอัตราเร็ว คงตัว ในเวลา 20 วินาทีงานที่เด็กชายคนนี้ทำได้มีค่าเท่าใด และมีกำลังเท่าใด วิธีทำ ระยะทางที่เคลื่อนที่ตามแนวแรงเท่ากับ 5 เมตร หางานที่เด็กชายทำได้จาก W = Fs = (196 นิวตัน)(5 เมตร) = 980 จูล นั่นคือ เด็กชายคนนี้ทำงานได้980 จูล หากำลังจากปริมาณงานที่ทำได้ต่อเวลาที่ใช้ในการทำงาน จาก P = W t แทนค่า P = 980 จูล 20 วินาที P = 49 วัตต์ นั่นคือ เด็กชายคนนี้มีกำลังในการดึงถังน้ำขึ้นจากบ่อเท่ากับ 49 วัตต์ ตัวอย่าง 2 นักกายกรรมหนัก 735 นิวตัน ไต่เชือกขึ้นสูง 6 เมตร ในเวลา 30 วินาทีกำลังที่เขาใช้ เป็นกี่วัตต์ วิธีทำ จาก P = W t จาก P = Fs t แทนค่า P = 735 นิวตัน × 6 เมตร 30 วินาที P = 147 วัตต์ นั่นคือ นักกายกรรมมีกำลังในการไต่เชือกเท่ากับ 147 วัตต์
บันทึกผลการสังเกต หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 7 งานและกำ ลัง ปญหา งานและกำลังที่ทำได้ขึ้นอยู่กับสิ่งใด ขั้นตอน 1. วางถุงทรายไว้ที่จุดเริ่มต้นโดยกำหนดระยะทางที่ใช้ลากถุงทรายเป็นระยะทาง 20 เซนติเมตร 2. ลากถุงทรายด้วยเครื่องชั่งสปริง สังเกตแรงที่ใช้และเวลาที่ใช้ในการลากถุงทราย ดังรูปที่ 4.6 3. เพิ่มจำนวนถุงทรายอีก 1 ถุง แล้วลากถุงทรายด้วยระยะทางเดิม 4. ดำเนินการเช่นเดียวกับข้อ 1–3 โดยเปลี่ยนระยะทางที่ลากเป็น 30 และ 40 เซนติเมตร ตามลำดับ 5. นำระยะทางที่ใช้ขนาดของแรง และเวลาที่ใช้ในการลากถุงทราย มาคำนวณหางานและ กำลัง จากสมการ W = Fs และ P = W t ตามลำดับ รูปที่ 4.6 การลากถุงทรายด้วยเครื่องชั่งสปริง ถุงทราย เครื่องชั่งสปริง จำนวน ถุงทราย (ถุง) ระยะทางที่ใช้ ในการลาก (เซนติเมตร) ขนาดของแรง ที่วัดได้ (นิวตัน) เวลาที่ใช้ ในการลากถุงทราย (วินาที) งาน (จูล) กำลัง (วัตต์) 1 20 30 40 2 20 30 40 ควรบันทึกผลการสังเกตในสมุด กิจกรรมที่ 2 สังเกต
8 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ม. 2 เล่ม 2 รูปที่ 4.7 ตัวอย่างเครื่องกลประเภทคาน ค้นหาคำาตอบ 1. ปริมาณงานขึ้นอยู่กับปัจจัยใด 2. ก�าลังขึ้นอยู่กับปัจจัยใด 3. ถ้าเปลี่ยนจากลากถุงทรายเป็นยกถุงทรายขึ้น แล้วเดินไปในแนวระดับ จะมีก�าลังหรือไม่ เพราะ เหตุใด เครื่องกล คือ อุปกรณ์ที่ช่วยในการผ่อนแรงหรือช่วยให้ทำ งานได้สะดวกขึ้น โดยหลักการ ทำ งานของเครื่องกลอย่างง่ายต่าง ๆ อาศัยหลักการของงานดังสมการ งานที่ให้กับเครื่องกล = งานที่ได้จากเครื่องกล + งานที่สูญเสีย โดยในความเป็นจริงเมื่อมีการให้งานกับเครื่องกลจะต้องมีการสูญเสียงาน ทำ ให้งานที่ได้จาก เครื่องกลจะน้อยกว่างานที่ให้กับเครื่องกลเสมอ แต่ถ้างานที่สูญเสียมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับงาน ที่ได้จากเครื่องกล จะสามารถสรุปได้ว่าเป็นเครื่องกลอุดมคติที่ไม่มีการสูญเสียงาน ทำ ให้งานที่ให้ กับเครื่องกลเท่ากับงานที่ได้จากเครื่องกล คาน เครื่องกลประเภทคานมีทั้งคานขนาดใหญ่ เช่น ชะแลงและไม้กระดก และคานขนาดเล็ก เช่น คีม กรรไกร และตะเกียบ ดังรูปที่ 4.7 เคร�่องกลอย่างง่าย หลักการทำ งานของคานนั้นสามารถใช้หลักการของโมเมนต์ของแรงอธิบายได้ โดยโมเมนต์ ของแรงพยายาม E ซึ่งหาได้จากขนาดของแรง E คูณกับระยะห่างจากจุดหมุน F ตั้งฉากกับ แนวแรงพยายาม l 2 มีขนาดอย่างน้อยเท่ากับโมเมนต์ของแรงต้านทาน mg ซึ่งหาได้จากน้ำ หนัก ของวัตถุ mg คูณกับระยะห่างจากจุดหมุนตั้งฉากกับแนวแรงต้านทาน l1 ซึ่งสามารถคำ นวณได้ว่า คานผ่อนแรงได้เท่าใด ดังนี้ ที่มา: คลังภาพ วพ.
m E s h F l 1 l 2 F E L F L E หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 9 รูปที่ 4.8 การออกแรงพยายาม E เพื่อยกวัตถุมวล m ด้วยคานที่มีจุดหมุน F จากรูปที่ 4.8 โมเมนต์ของแรงพยายาม = โมเมนต์ของแรงต้านทาน El 2 = mgl1 E = mg l 1 l 2 เพราะฉะนั้น คานจะช่วยผ่อนแรงเมื่อระยะห่างจากจุดหมุนตั้งฉากกับแนวแรงพยายาม มากกว่าระยะห่างจากจุดหมุนตั้งฉากกับแนวแรงต้านทาน (l2 > l 1 ) แต่ปริมาณงานที่ได้จากคาน ก็ยังคงเท่ากับงานที่ให้กับคาน เพราะต้องออกแรงเป็นระยะทางตามแนวแรง s ซึ่งมีค่ามากกว่า ความสูงที่วัตถุยกขึ้นจากเดิม h โดยสามารถแบ่งประเภทของคานในชีวิตประจำวันได้เป็น 3 ประเภท ตามตำแหน่งของ จุดหมุน ดังนี้ 1. คานอันดับ 1 คานที่จุดหมุนอยู่ระหว่างแรงพยายาม E และแรงต้านทาน L เช่น คีมตัดลวด ค้อนงัดตะปู กระดานหก และกรรไกร คานอันดับ 1 จะช่วยผ่อนแรงเมื่อจุดหมุน F อยู่ใกล้แรงต้านทาน แต่ ไม่ช่วยผ่อนแรงเมื่ออยู่ใกล้แรงพยายาม รูปที่ 4.9 คานอันดับ 1 รูปที่ 4.10 คีมตัดลวด รูปที่ 4.11 ค้อนงัดตะปู L F E
10 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 2. คานอันดับ 2 คานที่แรงต้านทานอยู่ระหว่างจุดหมุนและแรงพยายาม ดังนั้น คานชนิดนี้จะช่วยผ่อนแรง เสมอ (l2 > l 1 เสมอ) เช่น รถเข็นทรายและเครื่องตัดกระดาษ รูปที่ 4.12 คานอันดับ 2 รูปที่่ 4.13 รถเข็นทราย รูปที่ 4.16 ไม้กวาด รูปที่ 4.14 เครื่องตัดกระดาษ รูปที่ 4.17 ที่คีบน้ำแข็ง 3. คานอันดับ 3 คานที่แรงพยายามอยู่ระหว่างจุดหมุนและแรงต้านทาน ดังนั้น คานชนิดนี้จะต้องออกแรง พยายามมากกว่าแรงต้านทานเสมอ (l1 > l 2 เสมอ) แต่อย่างไรก็ตาม คานชนิดนี้ช่วยอำนวยความ สะดวกในการทำงานได้เช่น ไม้กวาดและที่คีบน้ำแข็ง L F E F F L L E E F F L L L E E รูปที่ 4.15 คานอันดับ 3 L F l 2 l 1 E l 1 l 2
หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 11 พื้นเอียง พื้นเอียงเป็นเครื่องกลที่มีอยู่ทั่วไป ซึ่งเราอาจคาดไม่ถึงว่าสิ่งเหล่านั้นจะเป็นเครื่องกล เช่น พื้นเอียงในโรงพยาบาลสำหรับคนที่นั่งรถเข็น และพื้นเอียงที่ใช้สำหรับขนของ พื้นเอียงเป็นเครื่องมือที่ช่วยในการเคลื่อนย้ายวัตถุจากที่ต่ำไปยังที่สูงกว่าให้เป็นไปอย่าง สะดวกและง่ายขึ้น โดยไม่ต้องอาศัยอุปกรณ์อื่นมาช่วยในการเคลื่อนย้าย ดังรูปที่ 4.18 รูปที่ 4.18 การใช้พื้นเอียงในโรงพยาบาล รูปที่ 4.19 การทำงานของพื้นเอียง จากรูปที่ 4.19 เพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ขึ้นด้วยระยะทาง s ตามพื้นเอียงได้จะต้องออกแรง F ขนาดอย่างน้อยเท่ากับแรงโน้มถ่วงในทิศทางตามการเคลื่อนที่ขนาด mgsin(θ) ซึ่งค่า sin(θ) มีค่าไม่เกิน 1 ขึ้นอยู่กับมุม θ โดยมีค่ามากที่สุดที่ 90 องศา ดังนั้น ขนาดของแรง F มีค่า น้อยกว่าหรือเท่ากับขนาดของน้ำหนัก mg เสมอ พื้นเอียงจึงช่วยผ่อนแรงได้แต่ปริมาณงานยัง เท่ากับการยกวัตถุขึ้นในแนวดิ่งด้วยระยะทาง h เพราะต้องเคลื่อนย้ายด้วยระยะทางที่เคลื่อนที่ ตามพื้นเอียง s ซึ่งมีค่ามากกว่าระยะทาง h นั่นเอง F mg s h θ mgsin( ) θ ที่มา: คลังภาพ วพ.
s F m s 12 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 รอกเดี่ยวแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ รอกเดี่ยวตายตัวและรอกเดี่ยวเคลื่อนที่ 1. รอกเดี่ยวตายตัว รอกเดี่ยว รอกเดี่ยวเป็นเครื่องกลที่นิยมใช้กันมากในโรงงานอุตสาหกรรมและงานก่อสร้าง เช่น การ ซ่อมหรือวางท่อประปา ท่อระบายน้ำ เราจะเห็นคนใช้รอกช่วยในการยกวัตถุหนักมาก ๆ โดยรอก จะติดตั้งอยู่กับปั้นจั่นหรือคานของโรงงาน ดังรูปที่ 4.20 รูปที่ 4.20 การใช้รอกในการทำงาน รูปที่ 4.21 การทำงานของรอกเดี่ยวตายตัว รอกเดี่ยวตายตัวเป็นรอกที่ติดอยู่กับที่และใช้เชือกเส้นหนึ่งคล้องอยู่กับรอก โดยปลายเชือก ข้างหนึ่งเกี่ยวอยู่กับวัตถุและปลายเชือกอีกข้างหนึ่งใช้สำหรับดึง ในการออกแรงดึงให้วัตถุเคลื่อนที่ ขึ้นสูงจากพื้นเป็นระยะทาง s จะต้องออกแรงดึงเชือก F ขนาดอย่างน้อยเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ mg เป็นระยะทาง s เช่นกัน ดังนั้น รอกเดี่ยวตายตัวจึงไม่ช่วยผ่อนแรง แต่จะช่วยให้สามารถ ทำงานได้สะดวกขึ้น เช่น การลำเลียงอุปกรณ์ก่อสร้างขึ้นไปยังที่สูง ดังรูปที่ 4.21 ที่มา: คลังภาพ วพ.
หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 13 รอกเดี่ยวเคลื่อนที่เป็นรอกที่สามารถเคลื่อนที่ได้ขณะใช้งาน ซึ่งจะเกี่ยววัตถุไว้กับตัวรอก และใช้เชือกคล้องกับรอกไว้ โดยผูกปลายเชือกข้างหนึ่งไว้กับเพดาน และปลายอีกข้างหนึ่งใช้ สำหรับดึง ในการออกแรงดึงเป็นระยะทาง s รอกจะดึงวัตถุขึ้นเป็นระยะทางเพียง s 2 ถ้าไม่มี การสูญเสียงาน งานที่ให้กับรอกจะเท่ากับงานที่ได้จากรอก ดังนั้น เราจะออกแรงเพียงครึ่งหนึ่ง ของน้ำหนักวัตถุที่ต้องการยก ดังรูปที่ 4.22 ลิ่ม ลิ่มเป็นเครื่องกลที่ช่วยผ่อนแรง มีรูปร่างสามเหลี่ยม ใช้สำหรับผ่าวัตถุออกจากกัน และใช้ หนุนหรือตรึงวัตถุให้อยู่กับที่ เช่น มีด ขวาน และตะปูดังรูปที่ 4.23 F m s s 2 รูปที่ 4.22 การทำงานของรอกเดี่ยวเคลื่อนที่ รูปที่ 4.23 การทำงานของลิ่ม H W F L W หลักการท�ำงานของลิ่ม คือ เมื่อให้งานกับลิ่มโดยออกแรง F ท�ำให้ลิ่มเข้าไปในวัตถุเป็น ระยะ H ลิ่มจะท�ำงานได้โดยแยกวัตถุออกจากกันเป็นระยะ L ด้วยแรงเท่ากับแรงต้าน W จาก ภายในเนื้อวัตถุ ถ้าปริมาณงานที่ให้ไม่มีการสูญเสีย งานที่ให้กับลิ่มจะเท่ากับงานที่ได้จากลิ่ม ดังนั้น หากความยาวของลิ่มมากเมื่อเปรียบเทียบกับความกว้างของลิ่ม จะช่วยให้เราออกแรงได้น้อยลง สกรู สกรูเป็นเครื่องกลที่ใช้สำหรับยกวัตถุขึ้นที่สูง หรือใช้ยึดวัตถุเข้าด้วยกัน ตัวอย่างที่พบเห็น กันทั่วไป คือ การใช้แม่แรงยกรถแบบสกรูดังรูปที่ 4.24 2. รอกเดี่ยวเคลื่อนที่
mg F R h 14 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ม. 2 เล่ม 2 รูปที่ 4.24 การทำ งานของสกรู รูปที่ 4.25 ล้อและเพลาในรถยนต์ จากงานที่ให้กับสกรู โดยออกแรงหมุนครบ 1 รอบ ที่รัศมี R ด้วยขนาดของแรง F ใน ทิศทางตั้งฉากกับรัศมี โดยไม่มีการสูญเสียงาน งานที่ให้กับสกรูจะเท่ากับงานที่สกรูท�าได้ คือ สกรูยกวัตถุที่มีน�้าหนัก mg ขึ้นสูงจากเดิมด้วยระยะทางเท ่ากับระยะห ่างระหว ่างเกลียว h ดังนั้น สกรูจะช่วยเราผ่อนแรงในการยกวัตถุขึ้นเมื่อระยะทางจากสกรูถึงต�าแหน่งที่ออกแรง R มีค่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับระยะห่างระหว่างเกลียว h นอกจากประโยชน์ในการใช้ยกวัตถุขึ้นที่สูงแล้ว สกรูยังมีประโยชน์ในการใช้ยึดวัสดุต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เช่น สกรูยึดเครื่องยนต์ และนอตยึดคานไม้ ล้อและเพลา ล้อและเพลาเป็นเครื่องกลที่เป็นส่วนประกอบที่สำ คัญของเครื่องจักรชนิดต่าง ๆ เช่น รถยนต์ เครื่องกลึง เครื่องกำ เนิดไฟฟ้า เครื่องผสมอาหาร และสว่านไฟฟ้า ดังรูปที่ 4.25 การทำ งานของเครื่องจักรเหล่านี้มาจากการหมุนของอุปกรณ์ภายในเครื่องจักร โดยกำ ลัง ของเครื่องจักรจะได้มาจากเครื่องยนต์ กังหันน้ำ กังหันไอน้ำ กังหันแกส หรือมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งการใช้ล้อและเพลาจะช่วยส่งกำ ลังและควบคุมการทำ งานของเครื่องจักรให้เป็นไปตามที่ต้องการ ได้ เพลา ที่มา: คลังภาพ วพ.
ทบทวนความเข้าใจ หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 15 เมื่อ F 1 คือ แรงที่กระทำกับล้อ F 2 คือ แรงที่กระทำกับเพลา s 1 คือ ขนาดของการกระจัดที่เกิดจากล้อ s 2 คือ ขนาดของการกระจัดที่เกิดจากเพลา R คือ รัศมีของล้อ r คือ รัศมีของเพลา จากงานที่ให้กับล้อ (F1 s 1 ) เท่ากับงานที่ได้จากเพลา (F2 s 2 ) ถ้าไม่มีการสูญเสียงาน ในการ หมุน 1 รอบ การกระจัดที่เกิดจากล้อมีค่ามากกว่าการกระจัดที่เกิดจากเพลา (s1 > s 2 ) เพราะ ฉะนั้น แรงที่กระทำกับล้อจึงมีค่าน้อยกว่าแรงที่กระทำกับเพลา (F1 < F 2 ) หรือกล่าวได้ว่าเราใช้ แรงดึงน้อยลงในการยกวัตถุซึ่งการกระจัดที่เกิดจากล้อและเพลานี้ขึ้นอยู่กับรัศมีของล้อและเพลา ตามลำดับ 1. งานในทางวิทยาศาสตร์จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอะไร 2. มอเตอร์ตัวหนึ่งมีก�ำลัง 300 วัตต์ ถ้ามอเตอร์ท�ำงานเป็นเวลา 25 วินาทีงานที่มอเตอร์ท�ำ มีปริมาณเท่าไร 3. เครื่องกลทุกชนิดช่วยผ่อนแรงเสมอจริงหรือไม่ F1 s 2 s 1 R r F2 รูปที่ 4.26 การทำงานของล้อและเพลา เพลา ล้อ
ศัพทที่ควรรู F mg h m 16 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 พลังงาน ในทางวิทยาศาสตร์ พลังงาน (energy) คือ ปริมาณที่บอกถึงความสามารถในการทำงาน ของวัตถุ พลังงานมีหลายรูปแบบ เช่น พลังงานกล พลังงานความร้อน พลังงานเคมีพลังงานแสง และพลังงานไฟฟ้า ซึ่งมนุษย์ใช้ประโยชน์จากพลังงานเหล่านี้ในชีวิตประจำวัน เช่น การใช้พลังงาน ไฟฟ้าในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ ใช้พลังงานเคมีในอาหารเพื่อทำให้ร่างกายเคลื่อนไหว และใช้พลังงาน ความร้อนจากเชื้อเพลิงเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงาน ซึ่งในบทเรียนนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับ พลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานจลน์และพลังงานกล พลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานศักย์ (potential energy) คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในตัววัตถุ อันเนื่องมาจาก ตำแหน่งหรือสภาพของวัตถุซึ่งพลังงานศักย์มีหลายชนิด เช่น พลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานศักย์ ยืดหยุ่น และพลังงานศักย์ไฟฟ้า โดยบทเรียนนี้จะเรียนรู้เฉพาะพลังงานศักย์โน้มถ่วงเท่านั้น พลังงานศักย์เป็นพลังงานที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุ หากวัตถุอยู่ในบริเวณที่มีสนาม โน้มถ่วง เช่น บริเวณผิวโลกซึ่งมีแรงดึงดูดของโลกหรือสนามโน้มถ่วงของโลก วัตถุจะมีพลังงาน ศักย์สะสมอยู่ภายใน เรียกว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy) โดย ค่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลและตำแหน่งของวัตถุเทียบกับ ระดับอ้างอิง ซึ่งเป็นระดับที่กำหนดขึ้นมาเพื่อใช้บอกความสูง โดยสามารถกำหนดที่ระดับใดก็ได้ แต่โดยทั่วไปมักจะใช้พื้นดินเป็นระดับอ้างอิง ดังนั้น พลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงขึ้นอยู่กับมวลและ ความสูงจากระดับอ้างอิง ถ้าระดับอ้างอิงต่างกัน พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะมีค่าต่างกันด้วย ดังรูปที่ 4.27 รูปที่ 4.27 ออกแรง F ยกวัตถุขึ้นที่สูงจากพื้นดินเป็นระยะ h พลังงาน พลังงานศักย์ พลังงานศักย์โน้มถ่วง
ศัพทที่ควรรู พลังงานจลน์ หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 17 จากรูปที่ 4.27 ถ้าเรายกวัตถุมวล m ให้สูงขึ้นในแนวดิ่งจากพื้นเป็นระยะ h ด้วย ความเร็วคงตัว เราจะต้องออกแรง F ขนาดเท่ากับขนาดของน้ำหนักของวัตถุmg จึงจะสามารถ ยกวัตถุได้ตามต้องการ การยกวัตถุมวล m นี้จะทำให้เกิดงานขึ้น งานนี้หาได้จากขนาดของแรงคูณกับระยะทางที่ วัตถุเคลื่อนที่ได้ตามแนวแรง นั่นคือ ในกรณียกวัตถุมวล m ขึ้นในแนวดิ่ง หางานที่ทำจากการยกวัตถุมวล m จาก W = Fs กำหนดให้ s = h = ความสูงในแนวดิ่งจากพื้นดิน W = Fh (1) แต่เนื่องจากแรง F มีขนาดเท่ากับขนาดของน้ำหนักของวัตถุ โดยน้ำหนัก หมายถึง แรงบนวัตถุอันเนื่องมาจากความโน้มถ่วง มีค่าเท่ากับผลคูณของมวลของวัตถุ (m) กับขนาดของ ความเร่งโน้มถ่วง (g) ซึ่งค่าความเร่งโน้มถ่วง คือ ความเร็วที่เปลี่ยนไปต่อเวลาเนื่องจากแรง โน้มถ่วง ค่าความเร่งโน้มถ่วงนี้มีค่าประมาณ 9.8 เมตร/วินาที2 ดังนั้น W = mgh (2) จากสมการที่ (2) เราพบว่า งานที่ทำได้ในการยกวัตถุให้สูงขึ้นจากพื้นเป็นระยะ h นั้นมีค่า เท่ากับ mgh ปริมาณนี้มีค่าเท่ากับงานที่ทำโดยความโน้มถ่วงของโลกต่อมวล m เมื่อวัตถุตกลงถึง พื้นดินโดยมีระยะความสูง h จากระดับอ้างอิง (ซึ่งระดับอ้างอิงในที่นี้คือพื้นดิน) จึงกล่าวได้ว่า mgh เป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุ ณ ตำแหน่งนี้ ถ้าเรากำหนดให้E p แทน พลังงานศักย์โน้มถ่วง ซึ่งพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุที่อยู่สูง จากพื้นหรือระดับอ้างอิงที่ระยะความสูง h สามารถเขียนแทนได้ดังสมการ E p = mgh หน่วยของพลังงานศักย์โน้มถ่วงในระบบ SI คือ จูล หรือนิวตัน–เมตร เช่นเดียวกับหน่วย ของงานนั่นเอง พลังงานจลน์ เมื่อนักเรียนเตะลูกตะกร้อให้พุ่งไปชนวัตถุ เช่น ชนกระป๋อง แล้วกระป๋องนั้นกระเด็น ออกจากที่ตั้งได้จึงกล่าวได้ว่าลูกตะกร้อที่กำลังเคลื่อนที่นี้มีความสามารถในการทำงานหรือ มีพลังงาน พลังงานของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่นี้เรียกว่า พลังงานจลน์ (kinetic energy) ซึ่งขนาดของพลังงานจลน์จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่ กับมวลและอัตราเร็วของวัตถุซึ่งสามารถหาได้ดังสมการ
E k = mv2 1 2 18 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ม. 2 เล่ม 2 ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อปริมาณพลังงานในการตกของวัตถุ กิจกรรมที่ 3 ทดลอง พลังงานจากการตกของวัตถุ ขั้นตอนการทดลอง ปญหา ความสูงและมวลของวัตถุที่ตกมีผลต่อการจมของวัตถุในผิวทรายหรือไม่ อย่างไร กำ หนดสมมุติฐาน เมื่อความสูงหรือมวลของวัตถุมากขึ้น การจมของผิวทรายจะยิ่งมากขึ้น ทดสอบสมมุติฐาน 1. เตรียมกระบะพร้อมทรายละเอียดที่ปาดผิวเรียบ 1 ใบ ดังรูปที่ 4.28 (ก) 2. ปล ่อยลูกเหล็กกลม 2 ลูกขนาดเท ่ากันที่ระดับความสูงเดียวกันลงสู ่กระบะทราย พร้อมกัน ดังรูปที่ 4.28 (ข) สังเกตการเปลี่ยนแปลงของผิวทรายและการจมของลูกเหล็กกลม ทั้งสอง 3. ด�าเนินการเช่นเดียวกับข้อ 2 แต่เพิ่มความสูงของลูกเหล็กกลมลูกที่ 2 ขึ้นเป็น 2 เท่า จากความสูงเดิม ดังรูปที่ 4.28 (ค) 4. ด�าเนินการเช่นเดียวกับข้อ 3 แต่เพิ่มความสูงของลูกเหล็กกลมลูกที่ 2 อย่างน้อย 3 เท่าของความสูงของลูกที่ 1 โดยลูกที่ 1 ยังสูงเท่าเดิมดังรูปที่ 4.28 (ง) 5. น�าลูกเหล็กกลมและลูกพลาสติกกลมซึ่งมีขนาดเท่ากันอย่างละ 1 ลูก มาชั่งมวล แล้ว ปล่อยลูกกลมทั้งสองที่ระดับความสูงเดียวกันลงสู่กระบะทรายพร้อมกันเช่นเดียวกับข้อ 1 ดังรูป ที่ 4.28 (จ) สังเกตการเปลี่ยนแปลงของผิวทรายและการจมของลูกกลมทั้งสองในผิวทราย เมื่อ E k คือ พลังงานจลน์ของวัตถุ มีหน่วยเป็นจูล m คือ มวลของวัตถุ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม v คือ อัตราเร็วของวัตถุ มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที
ค้นหาคำ ตอบ หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 19 รูปที่ 4.28 การปล่อยลูกเหล็กกลมที่ระดับความสูงจากระดับต่างกัน 1. การปล่อยลูกเหล็กกลมที่ระดับความสูงต่างกันมีผลต่อผิวทรายอย่างไร 2. การปล่อยลูกเหล็กกลมจากระดับความสูงจากผิวทรายมากขึ้น จะท�ำให้ค่าของพลังงานจลน์ของ ลูกเหล็กกลมที่ตกลงผิวทรายเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร 3. มวลของลูกเหล็กกลมกับลูกพลาสติกกลมมีผลต่อการจมในทรายหรือไม่ เพราะอะไร 4. ผลสรุปของกิจกรรมนี้คืออะไร บันทึกผลการทดลอง สิ่งที่ทดลอง ผลการทดลอง การตกของลูกเหล็กกลมที่ระดับความสูงเท่ากัน การตกของลูกเหล็กกลมที่ระดับความสูงต่างกัน การตกของลูกเหล็กและลูกพลาสติกกลมที่ระดับความสูงเท่ากัน ลูกเหล็ก กลม ลูกพลาสติก กลม 1 2 1 1 2 2 จากกิจกรรมพบว่า การปล่อยวัตถุที่ระดับความสูงต่างกันโดยใช้ผิวทรายเป็นระดับอ้างอิง ท�ำให้การจมของวัตถุจากผิวทรายแตกต่างกัน โดยยิ่งวัตถุมีความสูงมากขึ้น การจมของวัตถุจาก ผิวทรายก็ยิ่งลึกขึ้น และถ้ามวลต่างกันจะส่งผลต่อการจมของวัตถุจากผิวทรายด้วยเช่นกัน โดย ยิ่งวัตถุมีมวลมากขึ้น การจมของวัตถุจากผิวทรายยิ่งลึกขึ้น นั่นแสดงว่าทั้งมวลและความสูงจาก ผิวทรายส่งผลต่อพลังงานศักย์โน้มถ่วง ในขณะที่วัตถุก�ำลังตกลงมา วัตถุจะมีอัตราเร็วเพิ่มขึ้นตาม แรงโน้มถ่วง ท�ำให้วัตถุมีพลังงานจลน์ จึงอาจกล่าวได้ว่า พลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุสามารถ เปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ได้นั่นเอง ควรบันทึกผลการทดลองในสมุด (ก) (ข) (ค) (ง) (จ)
ศัพทที่ควรรู A B C D 20 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 รูปที่ 4.29 การตกแบบเสรีของลูกบอล พลังงานกล จากที่นักเรียนได้เรียนรู้แล้วว่า พลังงาน คือ ความสามารถในการท�ำงานของวัตถุและ ได้เรียนรู้ทั้งพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์แล้วนั้น ซึ่งในธรรมชาติวัตถุสามารถมีได้ ทั้งพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ ดังเช่นในกิจกรรมที่ 3 ทดลองพลังงานจากการ ตกของวัตถุ ซึ่งได้แสดงว่าพลังงานศักย์โน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ได้และใน ทางกลับกัน พลังงานจลน์ก็สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงได้เช่น การโยนลูกบอล ขึ้นในแนวดิ่ง ขณะที่ลูกบอลพุ่งขึ้น ความสูงเพิ่มขึ้น อัตราเร็วของลูกบอลลดลง พลังงานจลน์ ของลูกบอลลดลงเพราะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ ซึ่งผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ ่วงและ พลังงานจลน์นั้นเรียกว่า พลังงานกล (mechanical energy) ถ้าวัตถุไม่มีการสูญเสียพลังงาน หรือได้รับพลังงานจากภายนอก พลังงานกลของวัตถุนั้นจะมีค่าคงตัว เช่น การตกแบบเสรีของ ลูกบอล โดยการตกแบบเสรีคือ การตกที่มีแรงกระท�ำกับวัตถุเพียงแรงเดียวคือแรงโน้มถ่วง ของโลก จึงถือว่าลูกบอลนั้นไม่มีการสูญเสียหรือได้รับพลังงานจากภายนอก ดังรูปที่ 4.29 จากรูปที่ 4.29 ถ้าเราปล่อยลูกบอลจากต�ำแหน่ง A ให้ตกแบบเสรีและก�ำหนดให้ ต�ำแหน่ง D เป็นระดับอ้างอิง พลังงานของลูกบอลที่ต�ำแหน่งต่าง ๆ จะเป็นดังนี้ 1) ที่ต�ำแหน่ง A วัตถุเริ่มจากหยุดนิ่ง ดังนั้น พลังงานจลน์จึงเท่ากับ 0 ขณะที่พลังงาน ศักย์โน้มถ่วงมีค่าสูงสุดและมีค่าเท่ากับพลังงานกล เพราะพลังงานกลเป็นผลรวมของพลังงาน ศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ พลังงานกล
ทบทวนความเข้าใจ หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 21 2) ที่ต�ำแหน่ง B วัตถุมีการเคลื่อนที่จึงมีพลังงานจลน์ ขณะที่ความสูงลดลงพลังงาน ศักย์โน้มถ่วงจึงลดลง แต่ผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์คือพลังงานกล ยังเท่าเดิม 3) ที่ต�ำแหน่ง C วัตถุมีอัตราเร็วมากขึ้นจากต�ำแหน่ง B พลังงานจลน์จึงมากขึ้น ขณะท ี่ ความสูงลดลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงลดลง แต่ผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ คือพลังงานกลยังเท่าเดิม 4) ที่ต�ำแหน่ง D วัตถุตกถึงพื้นด้วยอัตราเร็วสูงสุด พลังงานจลน์จึงมีค่ามากที่สุด ขณะที่ ความสูงเป็น 0 พลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงมีค่าเป็น 0 แต่ผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วงและ พลังงานจลน์คือพลังงานกลยังเท่าเดิม ในธรรมชาตินอกจากพลังงานกลที่เราเรียนรู้ไปแล้ว ยังมีพลังงานอื่น ๆ อีก เช่น พลังงานแสง พลังงานเสียง พลังงานความร้อน พลังงานเคมีและพลังงานไฟฟ้า พลังงานเหล่านี้ไม่สามารถสร้าง ใหม่หรือสูญหายไปได้แต่สามารถเปลี่ยนจากพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกพลังงานหนึ่งได้โดยที่พลังงาน รวมของระบบมีค่าคงตัว ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เช่น ไดนาโมที่เปลี่ยนพลังงานกล เป็นพลังงานไฟฟ้า การเบรกของรถยนต์มีการเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นพลังงานความร้อน เนื่อง มาจากแรงเสียดทาน และสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนพลังงานเคมีในอาหารเป็นพลังงานที่ใช้ในการท�ำงาน นอกจากนี้พลังงานยังสามารถถ่ายโอนจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่งได้เช่น การถ่ายโอน ความร้อนระหว่างสสาร การถ่ายโอนพลังงานจากการสั่นของแหล่งก�ำเนิดเสียงไปยังผู้ฟัง ซึ่งการ เปลี่ยนรูปและการถ่ายโอนของพลังงานนี้ พลังงานรวมทั้งหมดจะมีค่าเท่าเดิมตามกฎการอนุรักษ์ พลังงาน ดังรูปที่ 4.30 1. พลังงานคืออะไร 2. เมื่อใช้ระดับอ้างอิงต่างกันจะส่งผลต่อพลังงานศักย์โน้มถ่วงอย่างไร 3. พลังงานจลน์จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปัจจัยใด 4. พลังงานกลของก้อนหินที่ตกแบบเสรีมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
22 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 (ก) การถ่ายโอนความร้อนของวัตถุ รูปที่ 4.31 เขื่อนสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้า รูปที่ 4.30 การถ่ายโอนของพลังงาน (ข) การถ่ายโอนพลังงานเสียงไปยังผู้ฟัง นักเรียนได้เรียนรู้มาแล้วว่า พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปแบบได้โดยที่ผลรวมของพลังงานนั้น ยังคงเดิม ดังนั้นจึงมีนักวิทยาศาสตร์ศึกษาการใช้ประโยชน์จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน โดยตัวอย่าง ที่เห็นได้ชัดเจน คือ การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเขื่อน และการใช้ปั้นจั่นตอกเสาเข็ม การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเขื่อน เขื่อนสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยใช้ พลังงานจากน�้ำ น �้ ำที่ถูกกักไว้เหนือเขื่อนจะถูกส่ง เข้าเครื่องกังหันน�้ำแล้วผลักดันใบพัดท�ำให้กังหัน หมุน ซึ่งเพลาของเครื่องกังหันน�้ำต่อกับเพลาของ เครื่องก�ำเนิดไฟฟ้า ท�ำให้เกิดการเหนี่ยวน�ำขึ้นใน เครื่องก�ำเนิดไฟฟ้า แล้วได้พลังงานไฟฟ้าออกมา ใช้งาน ดังรูปที่ 4.31 น�้ำสามารถผลักดันใบพัดในเครื่องกังหันน�้ำ ได้เนื่องจากน�้ำที่ถูกกักไว้เหนือเขื่อนถูกปล่อยลงมาจากที่สูง ซึ่งน�้ำจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงสะสม ไว้ เมื่อปล่อยให้น�้ำไหลลงสู่ที่ต�่ำ พลังงานศักย์โน้มถ่วงที่มีอยู่ก็จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ซึ่งเป็น พลังงานในการเคลื่อนที่ เมื่อน�้ำกระทบกับกังหันจึงท�ำให้กังหันหมุนแล้วเหนี่ยวน�ำให้เกิดกระแส ไฟฟ้าได้ การท�ำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานน�้ำมีขั้นตอนการเปลี่ยนพลังงาน ดังนี้ น้ำในอ่างเก็บน้ำ ของเขื่อน น้ำจากอ่างเก็บน้ำ ไหลลงสู่ท่อส่งน้ำ น้ำที่มีแรงดันสูง หมุนเพลาของ เครื่องกังหันน้ำ ไฟฟ้าที่เกิดการ เหนี่ยวนำในเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า พลังงานศักย์ โน้มถ่วง พลังงานจลน์ พลังงานกล พลังงานไฟฟ้า การใช้ประโยชน์จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน ที่มา: คลังภาพ วพ. ที่มา: คลังภาพ วพ.
หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 23 รูปที่ 4.32 ปั้นจั่นสำหรับตอกเสาเข็ม หัวค้อนที่ปั้นจั่นถูกยกขึ้น ปล่อยหัวค้อนของปั้นจั่นลงมา เสาเข็มจมลงสู่พื้นดิน พลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานจลน์ พลังงานกล การใช้ปั้นจั่นตอกเสาเข็ม การก่อสร้างบ้านเรือนที่อยู่อาศัย อาคารส�ำนักงานต่าง ๆ ถนน หรือสะพานต่าง ๆ ผู้ควบคุม การก่อสร้างจะใช้ปั้นจั่นตอกเสาเข็มเพื่อให้ฐานของสิ่งก่อสร้างเหล่านั้นมีความมั่นคงแข็งแรง เมื่อ ปั้นจั่นท�ำงานก็จะยกหัวค้อนที่ท�ำจากเหล็กกล้าตอกลงที่เสาเข็ม เสาเข็มที่ถูกตอกจะจมลงสู่พื้นดิน ดังรูปที่ 4.32 เมื่อหัวค้อนถูกยกขึ้น หัวค้อนจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงเพิ่มขึ้น เมื่อหัวค้อนอยู่ที่จุดสูงสุด หัวค้อนจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงสูงสุด เมื่อปั้นจั่นปล่อยหัวค้อนลง พลังงานศักย์โน้มถ่วงที่ สะสมไว้ก็จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์จนกระทั่งหัวค้อนกระทบกับหัวเสาเข็มท�ำให้เสาเข็มจมลง สู่พื้นดินได้ พลังงานไฟฟ้าที่เราใช้ในชีวิตประจำวันมาจากแหล่งใด กิจกรรมที่ 4 การประยุกต์ใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานในการผลิตกระแสไฟฟ้า สืบค้นข้อมูล ปญหา พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในชีวิตประจำวันมาจากการเปลี่ยนรูปของพลังงานใด และมีขั้นตอน อย่างไรบ้าง ขั้นตอน 1. นักเรียนแบ่งกลุ่ม กลุ่มละ 3–5 คน 2. ให้แต่ละกลุ่มสืบค้นข้อมูลจากแหล่งสืบค้นต่าง ๆ เช่น หนังสือเรียน หนังสืออ้างอิง หนังสืออ่านประกอบ หนังสือพิมพ์วารสารต่าง ๆ หรือทางอินเทอร์เน็ตที่มีเว็บไซต์ที่เกี่ยวกับหัวข้อ หลักการท�ำงานของโรงไฟฟ้าที่มีความเกี่ยวข้องกับกฎการอนุรักษ์พลังงานของโรงไฟฟ้าต่อไปนี้ ที่มา: คลังภาพ วพ.
ทบทวนความเข้าใจ 24 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 1) โรงไฟฟ้าพลังงานลม 2) โรงไฟฟ้าพลังงานน�้ำ 3) โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้เซลล์สุริยะ 4) โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิล 3. น�ำข้อมูลที่ได้ในแต่ละกลุ่มมาสรุปและอภิปรายร่วมกันในห้องเรียน บันทึกผลการสืบค้นข้อมูล รายการบันทึกผลการสืบค้นข้อมูล วันที่ เดือน พ.ศ. ควรบันทึกผลการสืบค้นข้อมูลในสมุด ค้นหาคำ ตอบ 1. จากการค้นหาข้อมูล โรงไฟฟ้าใดที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ 2. โรงไฟฟ้าใดที่มีขั้นตอนการเปลี่ยนรูปพลังงานมาเป็นพลังงานไฟฟ้าน้อยที่สุด 1. กฎการอนุรักษ์พลังงานคืออะไร 2. การที่พลังงานกลคงที่ในการตกแบบเสรีสอดคล้องกับกฎการอนุรักษ์พลังงานหรือไม่ 3. การที่พลังงานถ่ายโอนไประบบอื่นยังเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานหรือไม่
เรียนรู้เกี่ยวกับ คือ คือ ได้แก่ เกี่ยวข้องกับ คือ คือ ผลรวม เกี่ยวข้องกับ หาได้จาก หาได้จาก มีประโยชน์ต่อ ได้แก่ งานและพลังงาน งาน พลังงาน การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเขื่อน • คาน • พื้นเอียง • รอก • ลิ่ม • สกรู • ล้อและเพลา ความสามารถในการทำงาน พลังงานศักย์โน้มถ่วง เครื่องกลอย่างง่าย พลังงานที่ขึ้นอยู่กับตำแหน่ง และมวลของวัตถุที่อยู่ใน สนามโน้มถ่วง พลังงานจลน์ กำลัง พลังงานกล พลังงานของวัตถุ ที่กำลังเคลื่อนที่ การใช้ปั้นจั่นตอกเสาเข็ม W = Fs P = W t อุปกรณ์ที่ช่วย ในการทำงาน ให้สะดวกขึ้น พลังงานสามารถเปลี่ยนเป็น พลังงานอื่นหรือถ่ายโอนไป ยังระบบอื่นได้ แต่ผลรวม ของพลังงานยังคงเดิม กฎการอนุรักษ์พลังงาน ผังมโนทัศน์ (concept map) หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 25
สาระสำ คัญประจำ หน่วย 26 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 1. งานเกิดขึ้นเมื่อมีแรงกระท�ำต่อวัตถุแล้ววัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรง 2. ปริมาณของงานขึ้นอยู่กับขนาดของแรง และระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ตามทิศทางของแนวแรง ซึ่งมีหน่วยคือ จูล หรือ นิวตัน–เมตร 3. ก�ำลัง คือ งานที่ท�ำได้ต่อหนึ่งหน่วยเวลา 4. เครื่องกลอย่างง่ายเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยผ่อนแรงหรือช่วยอ�ำนวยความสะดวกในการท�ำงาน เช่น คานช่วยในการยกวัตถุด้วยแรงที่น้อยลง ลิ่มช่วยในการผ่าวัตถุออกจากกันได้ง่าย พื้นเอียงช่วย ในการเคลื่อนย้ายวัตถุขึ้นที่สูง 5. พลังงานศักย์โน้มถ่วง คือ พลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วง ซึ่งพลังงานศักย์ โน้มถ่วงมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับมวลและต�ำแหน่งของวัตถุ 6. พลังงานจลน์ คือ พลังงานที่เกิดขึ้นกับวัตถุที่ก�ำลังเคลื่อนที่ ซึ่งจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ มวลและอัตราเร็วของวัตถุ 7. พลังงานกล คือ ผลรวมของพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ ซึ่งพลังงานศักย์โน้มถ่วง และพลังงานจลน์ของวัตถุหนึ่ง ๆ สามารถเปลี่ยนกลับไปกลับมาได้ โดยผลรวมของพลังงาน ทั้งสองมีค่าคงตัว นั่นคือพลังงานกลมีค่าคงตัว 8. กฎการอนุรักษ์พลังงานกล่าวว่า พลังงานไม่สามารถสร้างหรือสูญหายไปได้แต่สามารถเปลี่ยน จากพลังงานหนึ่งไปเป็นอีกพลังงานหนึ่งได้หรืออาจถ่ายโอนไปยังระบบหนึ่งได้
หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 27 ทบทวนคำ ศัพท์และหลักการทางวิทยาศาสตร์ กิจกรรมประจำ หน่วย 1. ความหมายของงานทางวิทยาศาสตร์คืออะไร 2. ก�ำลังสัมพันธ์กับงานอย่างไร 3. หลักการของงานเกี่ยวข้องกับเครื่องกลอย่างไร 4. พลังงานกลคืออะไร แบ่งได้กี่ประเภท 5. พลังงานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่เรียกว่าอะไร 6. พลังงานศักย์โน้มถ่วงเกิดขึ้นเมื่อใด และมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปัจจัยใด 7. พลังงานสามารถสร้างใหม่หรือสูญหายไปได้หรือไม่ ทักษะสร้างเสริมความเข้าใจที่คงทน 1. คนงานยกกล่องน�้ำหนัก 200 นิวตัน แล้วเดินในแนวระดับ 20 เมตร เขาท�ำงานได้เท่าไร 2. จิ๊บผลักกล่องให้เคลื่อนที่ในแนวระดับได้ระยะทาง 5 เมตรด้วยอัตราเร็วคงตัว ในเวลา 5 วินาที จ้อยผลักกล่องเดียวกันกับจิ๊บโดยผลักระยะทางและอัตราเร็วเท่ากัน แต่ใช้เวลา 7 วินาที ทั้ง 2 คนใครท�ำงานมากกว่า และก�ำลังของใครมากกว่า 3. วัตถุที่มีพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นศูนย์แสดงว่าวัตถุไม่ได้อยู่ในสนามโน้มถ่วงใช่หรือไม่ 1. ถ้ามีมอเตอร์ที่ใช้พลังงานเท่ากัน มีรูปร่างและขนาดเท่ากัน แต่มอเตอร์เครื่องที่ 1 สามารถ ท�ำงานได้550 จูล ในเวลา 10 วินาทีขณะที่มอเตอร์เครื่องที่ 2 ท�ำงานได้850 จูล ในเวลา 15 วินาทีนักเรียนควรเลือกใช้มอเตอร์เครื่องใด เพราะเหตุใด 2. อธิบายการเปลี่ยนแปลงของพลังงานตั้งแต่นักเรียนโยนลูกบอลขึ้นฟ้าในแนวดิ่งจนกระทั่ง ลูกบอลตกถึงมือนักเรียนอีกครั้ง 3. ความรู้เรื่องกฎการอนุรักษ์พลังงานสามารถน�ำมาใช้แก้ปัญหาในชีวิตประจ�ำวันในเรื่องใด ยกตัวอย่างประกอบ การประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน
28 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 บทความชวนคิด คำชี้แจง อ่านบทความต่อไปนี้แล้วตอบคำถาม รถไฟเหาะเป็นเครื่องเล่นชนิดหนึ่งในสวนสนุกที่ได้รับความนิยมมาก เนื่องจากเป็นเครื่องเล่น ที่สร้างความสนุกสนานและตื่นเต้นไปพร้อมกัน รถไฟเหาะจะเคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้นขึ้นเนินแรกที่มี ความสูงจากพื้นมากที่สุด จากนั้นรถไฟเหาะจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงตามเส้นทางที่คดเคี้ยวไปมา และบางสวนสนุกอาจเพิ่มความตื่นเต้นด้วยการมีลูปเพื่อให้รถไฟเหาะตีลังกาได้แต่จะมีใครทราบ หรือไม่ว่า รถไฟเหาะนี้เคลื่อนที่ด้วยเครื่องจักรในช่วงเริ่มต้นเท่านั้น เมื่อรถไฟเหาะเคลื่อนที่ลงจาก เนินแรกแล้ว รถไฟเหาะไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยแรงของเครื่องจักรเลย เมื่อรถไฟเหาะเคลื่อนที่ลงจากเนินแรกซึ่งเป็นเนินที่สูงที่สุดจากพื้น ความเร็วจะเพิ่มขึ้นจนถึง จุดต�่ำสุดของเนิน ความเร็วท�ำให้รถไฟเหาะพุ่งต่อไปยังเนินที่สองที่มีความสูงลดลงมา ขณะที่ไต่ขึ้น เนินที่สองความเร็วจะลดลง รถไฟเหาะ ที่มา: คลังภาพ วพ.
หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 29 เพราะเหตุใด รางของรถไฟเหาะเนินแรกจึงเป็นเนินที่มีความสูงจากพื้นมากที่สุด และเนินถัดไปมีความสูง ลดลงมาตามล�ำดับ 1. พลังงานกลรวมมีค่าเพิ่มขึ้น 2. สูญเสียพลังงานไปให้กับแรงเสียดทาน 3. ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกลดลง 4. พลังงานจลน์เปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง จากรูป แสดงแบบจ�ำลองเส้นทางของรางรถไฟเหาะ โดยเนินแรกที่รถไฟเหาะเคลื่อนที่เริ่มจากหยุดนิ่ง ที่จุด 1 และให้จุดที่ 2 เป็นจุดต�่ำสุดและเป็นระดับอ้างอิง จากจุดทั้ง 4 จุดนี้(1 ถึง 4) จุดใดที่รถไฟ เหาะมีพลังงานจลน์สูงสุด และจุดใดที่รถไฟเหาะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงสูงสุด จงอธิบาย คำถามที่ 1: รถไฟเหาะ คำถามที่ 2: รถไฟเหาะ ระดับอ้างอิง 2 3 1 4
คำถามที่ 3: รถไฟเหาะ 30 หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีม. 2 เลม 2 จากบทความกล่าวว่า “เมื่อรถไฟเหาะเคลื่อนที่ลงจากเนินแรกแล้ว รถไฟเหาะไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยแรง ของเครื่องจักรเลย” การปรับเปลี่ยนลักษณะต่อไปนี้ท�ำให้รถไฟเหาะสามารถเคลื่อนที่บนรางได้นานขึ้น หรือไม่ จงเขียนวงกลมล้อมรอบค�ำว่า “ใช่” หรือ “ไม่ใช่” ในแต่ละข้อ การปรับเปลี่ยนลักษณะต่อไปนี้ทำให้รถไฟเหาะสามารถเคลื่อนที่บนราง ได้นานขึ้นหรือไม่ ใช่ หรือ ไม่ใช่ เพิ่มความสูงของเนินแรก ใช่/ไม่ใช่ เพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่ของรถไฟเหาะในช่วงก่อนขึ้นสู่เนินแรก ใช่/ไม่ใช่ ปรับให้เนินมีความสูง–ต่ำ�สลับกัน ใช่/ไม่ใช่