305 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามระหว่างเรียน • เมื่อกดลูกบอลให้จมลงไปในน้ำแล้วปล่อยมือพบว่า ลูกบอลเคลื่อนที่ขึ้นมาบนผิวน้ำ ขณะที่ลูกบอล เคลื่อนที่ แรงพยุงของน้ำเป็นอย่างไรเมื่อเทียบกับน้ำหนักของลูกบอล แนวคำตอบ เมื่อกดลูกบอลให้จมลงในน้ำแล้วปล่อยมือ ลูกบอลเคลื่อนที่ขึ้นมาบนผิวน้ำ ขณะลูกบอลเคลื่อนที่ แรงลัพธ์จะไม่เป็นศูนย์ โดยแรงทิศขึ้นมีค่ามากกว่าแรงทิศลง ดังนั้น ขณะที่ลูกบอลเคลื่อนที่นั้นแรงพยุงของน้ำ มีค่ามากกว่าน้ำหนักของลูกบอล 7. ให้นักเรียนร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า แรงพยุงของของเหลวเป็นแรงลัพธ์ที่ของเหลวกระทำต่อวัตถุส่วนที่ จมในของเหลวและมีทิศขึ้น โดยขนาดของแรงพยุงของของเหลวจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาตรของวัตถุส่วนที่ จมและความหนาแน่นของของเหลว การจมหรือการลอยของวัตถุขึ้นอยู่กับน้ำหนักของวัตถุและแรงพยุงของของเหลว ถ้าแรงพยุงของของเหลวกับน้ำหนักของวัตถุมีค่าเท่ากัน วัตถุจะลอยนิ่งในของเหลวนั้น แต่ถ้าน้ำหนักของวัตถุมากกว่า แรงพยุงของของเหลว วัตถุจะจมลงไปในของเหลวนั้น จากนั้นให้นักเรียนศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับแรงพยุงของของเหลว โดยอ่านเกร็ดน่ารู้เรื่องอาร์คิมีดีสกับมงกุฎทองคำในหนังสือเรียนหน้า 215 8. ถ้าพบว่านักเรียนมีแนวคิดคลาดเคลื่อนเกี่ยวกับเรื่องนี้ จากการตอบคำถามก่อนเรียน ระหว่างเรียน หรืออาจ ตรวจสอบโดยใช้กลวิธีอื่น ๆ ให้ครูแก้ไขแนวคิดคลาดเคลื่อนนั้นให้ถูกต้อง เช่น แนวคิดคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง วัตถุที่ลอยน้ำได้เพราะน้ำหนักของวัตถุน้อยกว่า แรงพยุงของน้ำ (Kiray et al., 2015) วัตถุที่ลอยน้ำ น้ำหนักของวัตถุและแรงพยุงของน้ำจะมีค่า เท่ากันเพราะแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์ 9. เชื่อมโยงสู่เรื่องโมเมนต์ของแรง โดยยกสถานการณ์ให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายว่าถ้าจะเปิดประตูแบบที่มีบานพับ ควรออกแรงที่ตำแหน่งใกล้หรือไกลบานพับ โดยครูยังไม่เฉลยคำตอบ
306 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวการจัดการเรียนรู้ครูดำเนินการดังนี้ 1. ให้นักเรียนสังเกตภาพนำเรื่องอ่านเนื้อหา นำเรื่องและคำสำคัญ และทำกิจกรรมทบทวน ความรู้ก่อนเรียนเกี่ยวกับแรงลัพธ์ แล้วร่วมกัน อภิปรายเพื่อให้ได้คำตอบที่ถูกต้อง หากพบว่า นักเรียนยังมีความรู้พื้นฐานไม่ถูกต้อง ครูควร ทบทวนหรือแก้ไขความเข้าใจผิดของนักเรียน เพื่อให้นักเรียนมีความรู้พื้นฐานที่ถูกต้องและ เพียงพอที่จะเรียนเรื่องโมเมนต์ของแรงต่อไป เรื่องที่ 5 โมเมนต์ของแรง
307 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยทบทวนความรู้ก่อนเรียน วัตถุต่าง ๆ วางอยู่นิ่งบนโต๊ะลื่น เมื่อมองจากด้านบนลงมา พบว่ามีแรงกระทำต่อวัตถุซึ่งแทนขนาดและทิศทาง ของแรงด้วยลูกศร วัตถุใดบ้างที่จะเคลื่อนที่และเคลื่อนที่ไปทิศทางใด แนวคิด วัตถุจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุมีค่าไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเคลื่อนที่ไป ตามทิศทางของแรงลัพธ์ การพิจารณาว่าวัตถุใดเคลื่อนที่สามารถตรวจสอบได้ด้วยการหาแรงลัพธ์ โดยการรวม เวกเตอร์แบบห่างต่อหัว แนวคำตอบ วัตถุเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันออก เพราะแรงที่กระทำต่อวัตถุมี เพียง 1 แรง ซึ่งเป็นแรงลัพธ์ วัตถุเคลื่อนที่ไปทางทิศเหนือ เพราะแรงที่มีทิศไปทางเหนือ มีขนาดมากกว่า เนื่องจากลูกศรยาวกว่าแรงลัพธ์จึงมีทิศไปทาง เหนือ วัตถุเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือ เพราะแรงลัพธ์มีทิศไป ทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือ วัตถุไม่เคลื่อนที่ เพราะแรงกระทำต่อวัตถุมีทิศทางตรงข้ามกัน และมีขนาดเท่ากัน ทำให้แรงลัพธ์มีค่าเป็นศูนย์ แรงลัพธ์ แรงลัพธ์ แรงลัพธ์
308 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 2. ตรวจสอบความรู้เดิมของนักเรียนเกี่ยวกับโมเมนต์ ของแรง โดยทำกิจกรรมรู้อะไรบ้างก่อนเรียน นักเรียนสามารถเขียนหรือวาดภาพได้ตามความ เข้าใจของตนเอง โดยครูไม่เฉลยคำตอบ ซึ่งครูควร รวบรวมแนวคิดคลาดเคลื่อนที่พบเพื่อนำไปใช้ใน การวางแผนการจัดการเรียนรู้และแก้ไขแนวคิด เหล่านั้นให้ถูกต้อง 3. กระตุ้นความสนใจของนักเรียน โดยให้นักเรียนคาดการณ์ผลการออกแรงผลักหนังสือที่วางบนโต๊ะหน้าชั้นเรียนที่ ตำแหน่งต่างกัน เช่น ด้านใดด้านหนึ่งของสันหนังสือโดยให้อีกด้านตรึงอยู่กับที่ จุดกึ่งกลางของสันหนังสือ แล้วครู สาธิตการออกแรงผลักหนังสือที่ตำแหน่งต่าง ๆ โดยให้นักเรียนสังเกตการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้น จากนั้นร่วมกันอภิปราย โดยใช้คำถามดังนี้ • จากผลการสาธิต สอดคล้องกับสิ่งที่นักเรียนคาดการณ์ไว้หรือไม่ อย่างไร • การออกแรงผลักหนังสือตำแหน่งใด ทำให้หนังสือเคลื่อนที่ไปข้างหน้า และการออกแรงผลักตำแหน่งใดทำให้ หนังสือเกิดการเคลื่อนที่แบบหมุน (การออกแรงผลักตรงจุดกึ่งกลางของสันหนังสือทำให้หนังสือเคลื่อนที่ไป ข้างหน้า ส่วนการออกแรงผลักที่มุมขวาและซ้ายของสันหนังสือโดยอีกด้านตรึงอยู่กับที่ทำให้หนังสือเกิด การเคลื่อนที่แบบหมุน) • เพราะเหตุใด การออกแรงผลักที่ด้านใดด้านหนึ่งของสันหนังสือที่อีกด้านตรึงอยู่กับที่ทำให้หนังสือเกิดการเคลื่อนที่ แบบหมุน (นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเอง) • การออกแรงผลักที่ด้านใดด้านหนึ่งของสันหนังสือให้จุดกึ่งกลางสันหนังสืออยู่กับที่ทำให้หนังสือหมุนแตกต่างกัน หรือไม่ อย่างไร (นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเอง) 4. ร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า การออกแรงกระทำต่อวัตถุแล้วทำให้วัตถุหมุนเนื่องจากเกิดโมเมนต์ของแรง จากนั้นนำเข้าสู่กิจกรรมที่ 4.11 โมเมนต์ของแรงคืออะไร โดยอาจใช้คำถามว่า โมเมนต์ของแรงคืออะไร มีขนาดและ ทิศทางอย่างไร ความรู้เพิ่มเติมสำหรับครู ภาพ 5.1 เครนก่อสร้าง เครนหรือปั่นจั่น (Crane or derricks) เป็นเครื่องจักรที่ใช้ยกวัตถุที่มีน้ำหนักมากให้เคลื่อนที่ขึ้นลงตาม แนวดิ่งและเคลื่อนย้ายวัตถุนั้นในลักษณะแขวนลอยไปตาม แนวราบโดยรอบหรือตามทิศทางที่กำหนด เครนแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ ชนิดที่อยู่กับที่ เช่น เครนหอสูง และชนิด เคลื่อนที่ เช่น รถเครน ตัวอย่างแนวคิดความคลาดเคลื่อนที่อาจพบในเรื่องนี้ • โมเมนต์ของแรงคือแรงอย่างหนึ่ง (สสวท., 2561)
309 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวการจัดการเรียนรู้ครูดำเนินการดังนี้ 1. ให้นักเรียนอ่านชื่อกิจกรรม จุดประสงค์ และวิธีดำเนินกิจกรรม และตรวจสอบความเข้าใจการอ่าน โดยใช้คำถาม ดังต่อไปนี้ • กิจกรรมนี้เกี่ยวกับเรื่องอะไร (ขนาดและทิศทางของการหมุนของโมเมนต์ของแรง) • กิจกรรมนี้มีจุดประสงค์อะไร (อธิบายขนาดและทิศทางของการหมุนของโมเมนต์ของแรง) • วิธีดำเนินกิจกรรมมีขั้นตอนโดยสรุปอย่างไร (ผูกเชือกที่ปลายด้านหนึ่งของแท่งเหล็ก ใช้เครื่องชั่งสปริงเกี่ยวที่ ปลายเชือกด้านนั้นและวางแท่งเหล็กให้ปลายอีกด้านหนึ่งชิดวัตถุหนัก ๆ ออกแรงดึงเครื่องชั่งสปริงขึ้นในแนวดิ่ง ให้ปลายแท่งเหล็กสูงจากพื้น 1 เซนติเมตร สังเกตลักษณะการเคลื่อนที่ของแท่งเหล็กและอ่านค่าของแรงจาก เครื่องชั่งสปริง วัดระยะทางจากปลายแท่งเหล็กที่ชิดวัตถุหนักถึงจุดที่เกี่ยวเครื่องชั่งสปริง แล้วทำซ้ำแต่เปลี่ยน ตำแหน่งที่เกี่ยวเครื่องชั่งสปริง 3 ตำแหน่ง โดยไม่ให้เกินจุดกึ่งกลางของแท่งเหล็ก แล้วหาผลคูณของขนาดของแรง ที่อ่านได้กับระยะทางจากปลายแท่งเหล็กด้านชิดวัตถุหนักถึงจุดที่เกี่ยวเครื่องชั่งสปริง) ครูควรบันทึกขั้นตอน การทำกิจกรรมโดยสรุปบนกระดาน • นักเรียนต้องสังเกตหรือรวบรวมข้อมูลอะไรบ้าง (ลักษณะการเคลื่อนที่ของแท่งเหล็ก ขนาดของแรงกระทำ และ ระยะห่างระหว่างปลายแท่งเหล็กด้านชิดวัตถุหนักถึงจุดที่เกี่ยวเครื่องชั่งสปริง) 2. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มกำหนดคำถามเพื่อนำไปสู่การสำรวจตรวจสอบ เช่น ตำแหน่งการออกแรงดึงเครื่องชั่งสปริงที่ แตกต่างกัน มีผลต่อขนาดของแรงอย่างไร จากนั้นวางแผนและดำเนินการสำรวจตรวจสอบ และตอบคำถามดังกล่าว โดยครูควรเดินสังเกตการทำกิจกรรมของนักเรียนแต่ละกลุ่มเพื่อให้คำแนะนำหากนักเรียนมีข้อสงสัย และครูควร รวบรวมข้อมูลเหล่านั้นเพื่อใช้ประกอบการอภิปรายหลังการทำกิจกรรม 3. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มนำเสนอผลจากการทำกิจกรรม ตอบคำถามท้ายกิจกรรม และร่วมกันสรุปผลของกิจกรรม โดยใช้คำถามท้ายกิจกรรมเป็นแนวทาง จากนั้นอภิปรายเพื่อตอบคำถามว่า โมเมนต์ของแรงคืออะไร มีทิศทางอย่างไร เพื่อให้ได้ข้อสรุปจากกิจกรรมว่า เมื่อเปลี่ยนตำแหน่งที่ออกแรงดึง ค่าของแรงก็เปลี่ยนไป โดยยิ่งเข้าใกล้จุดที่ติดกับ วัตถุหนัก ๆ ที่เป็นจุดยึดแท่งเหล็ก แรงที่ออกก็จะมากขึ้น โดยผลคูณระหว่างขนาดของแรงที่กระทำต่อวัตถุกับ ระยะทางจากจุดที่เกี่ยวเครื่องชั่งสปริงไปยังจุดที่ติดกับวัตถุมีค่าคงที่ ทำให้แท่งเหล็กเกิดการหมุนโดยมีตำแหน่งที่ติด กับวัตถุเป็นจุดหมุน และผลคูณที่ได้มีหน่วยเป็นนิวตัน เมตร ก่อนการทำกิจกรรม (10 นาที) ระหว่างการทำกิจกรรม (25-30 นาที) หลังการทำกิจกรรม (15 นาที) กิจกรรมที่ 4.11 โมเมนต์ของแรงคืออะไร http://ipst.me/9880
310 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 4. ให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายเพื่อวิเคราะห์การใช้งานกับการหมุนของวัตถุในชีวิตประจำวัน เช่น การใช้ประแจใน การหมุนนอต การออกแรงเพื่อเปิดปิดประตูแบบที่มีบานพับ โดยอาจใช้คำถามว่า ในการใช้งานวัตถุดังกล่าว ตำแหน่ง ใดคือจุดหมุนและตำแหน่งใดคือจุดที่ควรออกแรงกระทำ และถ้าต้องการให้ได้การหมุนที่เหมือนกัน ระยะห่างของแรง ที่กระทำจากจุดหมุนน้อยหรือมากมีผลต่อขนาดของแรงกระทำหรือไม่ อย่างไร เพราะเหตุใดการใช้งานประแจและ การเปิดปิดประตูแบบที่มีบานพับ นักเรียนควรออกแรงกระทำที่ตำแหน่งห่างจากบานพับมาก ๆ เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า ในการทำให้วัตถุหมุนด้วยค่าโมเมนต์ของแรงค่าหนึ่ง ถ้าเพิ่มระยะห่างของแนวแรงที่กระทำจากจุดหมุน จะออกแรง น้อยกว่าการออกแรงกระทำต่อวัตถุที่ระยะใกล้จุดหมุน ตัวอย่างเช่น การเปิดประตูหนีไฟ ประตูจะเปิดได้ด้วยโมเมนต์ ของแรงค่าหนึ่ง ถ้าออกแรงที่บานประตูที่ตำแหน่งไกลจากบานพับหรือจุดหมุนก็จะเปิดได้ง่าย เพราะออกแรงน้อย กว่าการออกแรงที่กลางประตูหรือบริเวณที่อยู่ใกล้กับบานพับ 5. ร่วมกันอภิปรายโดยอาจใช้คำถามว่า ถ้ามีแรงกระทำต่อวัตถุหลายแรงพร้อมกัน นักเรียนคิดว่าจะสามารถนำค่า โมเมนต์ของแรงมารวมกันได้หรือไม่ อย่างไร นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเองโดยครูไม่เฉลยคำตอบ 6. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโมเมนต์ของแรง โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 219-221 และร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า ทิศทางการหมุนของวัตถุจะเรียกตามทิศทางการเคลื่อนที่ของเข็มนาฬิกา ได้แก่ ทิศทางตามเข็ม นาฬิกาและทิศทางทวนเข็มนาฬิกา จากนั้นศึกษาการหาโมเมนต์ของแรงจากตัวอย่างโจทย์ ตอบคำถามระหว่างเรียน และคำถามชวนคิด แล้วร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับคำตอบของนักเรียน เฉลยคำถามระหว่างเรียน • ถ้าแรงที่กระทำต่อวัตถุโดยแนวแรงผ่านจุดหมุน โมเมนต์ของแรงจะเป็นอย่างไร แนวคำตอบ ถ้าแรงที่กระทำต่อวัตถุโดยผ่านจุดหมุน โมเมนต์ของแรงจะมีค่าเท่ากับศูนย์ เพราะระยะทางจาก จุดหมุนไปตั้งฉากกับแนวแรงมีค่าเท่ากับศูนย์ ทำให้ผลคูณระหว่างขนาดของแรงที่กระทำต่อวัตถุกับระยะทาง จากจุดหมุนไปตั้งฉากกับแนวแรงมีค่าเท่ากับศูนย์
311 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามชวนคิด 1. มีแรงกระทำวัตถุที่มีน้ำหนักน้อยมาก ดังภาพ แรงใดทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา โมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา และโมเมนต์ของแรงแต่ละแรงมีค่าเท่าใด แนวคิด จากภาพ แรง 1 และ 3 ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ส่วนแรง 2 ทำให้เกิด โมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา โมเมนต์ของแรงแต่ละแรงหาได้ดังนี้ หาโมเมนต์ของแรง 1 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา Mตาม = 1 x 1 เมื่อ 1 = 10 m = 2 N x 10 m = 20 N m หาโมเมนต์ของแรง 3 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา Mตาม = 3 x 3 เมื่อ 3 = 4 m = 1 N x 4 m = 4 N m หาโมเมนต์ของแรง 2 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา Mทวน = 2 x 2 เมื่อ 2 = 7 m = 3 N x 7 m = 21 N m ดังนั้น แรงที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา คือ 1 และ 3 โดยโมเมนต์ของแรง 1 มีค่า 20 นิวตัน เมตร และโมเมนต์ของแรง 3 มีค่า 4 นิวตัน เมตร และแรงที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทาง ทวนเข็มนาฬิกา คือ 2 โดยโมเมนต์ของแรง 2 มีค่า 21 นิวตัน เมตร
312 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามชวนคิด 2. มีแรงกระทำต่อวัตถุที่มีน้ำหนักน้อยมาก ดังภาพ จะทำให้วัตถุมีการหมุนหรือเกิดโมเมนต์ของแรงอย่างไร แนวคิด จากภาพ แรง 1 และ 4 ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ส่วนแรง 3 ทำให้เกิด โมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา ส่วน 2 ไม่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงเพราะแนวแรง 2 ผ่าน จุดหมุน หาโมเมนต์ของแรง 1 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา Mตาม = 1 x 1 เมื่อ 1 = 3 m = 2 N x 3 m = 6 N m หาโมเมนต์ของแรง 4 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา Mตาม = 4 x 4 เมื่อ 4 = 6 m = 1 N x 6 m = 6 N m หาโมเมนต์ของแรง 3 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา Mทวน = 3 x 3 เมื่อ 3 = 2 m = 3 N x 2 m = 6 N m จาก ผลรวมโมเมนต์ของแรง = ผลรวมของโมเมนต์ของแรงแต่ละแรง นั่นคือ ผลรวมโมเมนต์ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา = โมเมนต์ของแรง 1 + โมเมนต์ของแรง 4 = 6 N m + 6 N m = 12 N m ผลรวมโมเมนต์ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา = โมเมนต์ของแรง 3 = 6 N m ดังนั้น โมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกามีขนาดมากกว่าโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา วัตถุจะหมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา โดยมีโมเมนต์ของแรงเท่ากับ 12 – 6 = 6 นิวตัน เมตร
313 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามชวนคิด 3. มีแรงกระทำวัตถุที่มีน้ำหนักน้อยมากรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสยาวด้านละ 1 เมตร ดังภาพ โดยแต่ละแรงมีขนาด 2 นิวตัน ถ้าจุดหมุนอยู่ที่จุดกึ่งกลางวัตถุ แรงใดทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา โมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา และโมเมนต์ของแรงแต่ละแรงมีค่าเป็นเท่าใด แนวคิด จากภาพ แรง 4 ทำให้เกิดโมเมนต์ในทิศทางตามเข็มนาฬิกา แรง 1 2 และ 3 ทำให้เกิดโมเมนต์ ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา หาโมเมนต์ของแรง 4 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา Mตาม = 4 x 4 เมื่อ 4 = 0.5 m = 2 N x 0.5 m = 1 N m หาโมเมนต์ของแรง 1 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา Mทวน = 1 x 1 เมื่อ 1 = 0.5 m = 2 N x 0.5 m = 1 N m หาโมเมนต์ของแรง 2 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา Mทวน = 2 x 2 เมื่อ 2 = 0.5 m = 2 N x 0.5 m = 1 N m หาโมเมนต์ของแรง 3 ที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา Mทวน = 3 x 3 เมื่อ 3 = 0.5 m = 2 N x 0.5 m = 1 N m ดังนั้น แรงที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา คือ 4 โดยโมเมนต์ของแรง 4 มีค่า 1 นิวตัน เมตร และแรงที่ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา คือ 1 2 และ 3 โดยโมเมนต์ของแรงแต่ละแรงมี ค่า1 นิวตัน เมตร 0.5 m
314 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 7. กระตุ้นความสนใจของนักเรียน เพื่อนำเข้าสู่กิจกรรมที่ 4.12 ทำอย่างไรให้ไม้เมตรอยู่นิ่งในแนวระดับ โดยกำหนด คำถามให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับโมบาย นักเรียนตอบคำถามตามความเข้าใจของตนเองโดยครูไม่เฉลย คำตอบ ดังนี้ • วัตถุต่าง ๆ ที่แขวนบนแขนของโมบายที่ตำแหน่งต่างกัน วัตถุแต่ละอันทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงหรือไม่ อย่างไร • เหตุใดโมบายจึงวางตัวอยู่ในแนวระดับได้โดยไม่พลิกคว่ำ
315 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวการจัดการเรียนรู้ครูดำเนินการดังนี้ 1. ให้นักเรียนอ่านชื่อกิจกรรม จุดประสงค์ และวิธีดำเนินกิจกรรม และตรวจสอบความเข้าใจการอ่าน โดยใช้คำถาม ดังต่อไปนี้ • กิจกรรมนี้เกี่ยวกับเรื่องอะไร (การทำให้ไม้เมตรวางตัวอยู่นิ่งในแนวระดับ) • กิจกรรมนี้มีจุดประสงค์อะไร (ออกแบบวิธีที่ทำให้ไม้เมตรวางตัวอยู่นิ่งในแนวระดับ) • วิธีดำเนินกิจกรรมมีขั้นตอนโดยสรุปอย่างไร (ออกแบบวิธีการทำให้ไม้เมตรที่มีดินน้ำมันหนัก 5 นิวตันแขวนอยู่ กลับมาวางตัวนิ่งในแนวระดับอย่างน้อย 3 วิธีโดยใช้ดินน้ำมัน ลงมือปฏิบัติตามวิธีการที่ได้ออกแบบไว้ คำนวณ และเปรียบเทียบโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกาและโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา) ครูควร บันทึกขั้นตอนการทำกิจกรรมโดยสรุปบนกระดาน • นักเรียนต้องสังเกตหรือรวบรวมข้อมูลอะไรบ้าง (ตำแหน่งจุดหมุน ระยะทางจากจุดหมุนถึงจุดแขวนดินน้ำมัน การวางตัวนิ่งในแนวระดับเมื่อแขวนดินน้ำมันตามวิธีการที่ได้ออกแบบไว้ และหาค่าโมเมนต์ของแรง) 2. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มลงมือทำกิจกรรม โดยครูควรเดินสังเกตการทำกิจกรรมของนักเรียนแต่ละกลุ่มเพื่อให้คำแนะนำ หากนักเรียนมีข้อสงสัย และครูควรรวบรวมข้อมูลเหล่านั้น เพื่อใช้ประกอบการอภิปรายหลังการทำกิจกรรม 3. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มนำเสนอวิธีการทำให้ไม้เมตรวางตัวอยู่นิ่งในแนวระดับ ตอบคำถามท้ายกิจกรรม และร่วมกัน สรุปผลของกิจกรรมโดยใช้คำถามท้ายกิจกรรมเป็นแนวทาง เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า วัตถุใด ๆ ที่ผลรวมโมเมนต์ของแรง ที่มีทิศทางตามเข็มนาฬิกาเท่ากับผลรวมโมเมนต์ของแรงที่มีทิศทางทวนเข็มนาฬิกา วัตถุนั้นจะอยู่นิ่งไม่หมุน เราสามารถกล่าวได้ว่า วัตถุนั้นอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน 4. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสภาพสมดุลต่อการหมุนและศึกษาการทำให้วัตถุอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุนจาก ตัวอย่างโจทย์ โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 227-228 ตอบคำถามชวนคิดและร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับคำตอบ ของนักเรียน ก่อนการทำกิจกรรม (10 นาที) ระหว่างการทำกิจกรรม (25-30 นาที) หลังการทำกิจกรรม (15 นาที) กิจกรรมที่ 4.12 ทำอย่างไรให้ไม้เมตรอยู่นิ่งในแนวระดับ http://ipst.me/9883
316 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามชวนคิด 1. แรง ⃑1 กระทำต่อวัตถุที่มีน้ำหนักน้อยมาก ดังภาพ ต้องแขวนมวลที่หนัก 16 นิวตัน ที่ตำแหน่งใดจึงจะ ทำให้วัตถุอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน แนวคิด จากภาพ แรง 1 ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา หาโมเมนต์ของแรง 1 Mตาม = 1 x 1 เมื่อ 1 = 2 m = 10 N x 2 m = 20 N m นั่นคือ โมเมนต์ของแรง 1 มีค่า 20 นิวตัน เมตร ถ้าวัตถุนี้จะอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน โมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาจะต้องมีขนาด เท่ากับโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา นั่นคือ ต้องแขวนมวลหนัก 16 นิวตันไว้ที่ด้านขวาของจุดหมุนเพื่อให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็ม นาฬิกามีค่า 20 นิวตัน เมตร หาตำแหน่งของแรง 16 นิวตัน (2 ) ที่ห่างจากจุดหมุน Mทวน = Mตาม 20 N m = 2 x 2 = 16 N x 2 2 = 20 N m 16 N = 1.25 m หรือ 125 cm ดังนั้น เราต้องแขวนมวลหนัก 16 นิวตัน ไว้ที่ด้านขวาของจุดหมุน ห่างจากจุดหมุน 125 เซนติเมตร ดังภาพ 1.25 m 2 = 16 N
317 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามชวนคิด 2. แรง 1 กระทำต่อวัตถุที่มีน้ำหนักน้อยมาก ดังภาพ ต้องนำมวลที่มีน้ำหนักกี่นิวตันมาแขวนที่ขอเกี่ยว จึงจะทำให้วัตถุอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน แนวคิด จากภาพ แรง 1 ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา หาโมเมนต์ของแรง 1 Mตาม = 1 x 1 เมื่อ 1 = 0.04 m = 60 N x 0.04 m = 2.4 N m นั่นคือ โมเมนต์ของแรง 1 มีค่า 2.4 นิวตัน เมตร ถ้าวัตถุนี้จะอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน โมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาจะต้องมีขนาด เท่ากับโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกา นั่นคือ ต้องแขวนวัตถุที่มีน้ำหนัก 2 นิวตัน ไว้ที่ขอเกี่ยวเพื่อให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็ม นาฬิกามีค่า 2.4 นิวตัน เมตร หาน้ำหนักของวัตถุ (2 ) ที่ห่างจากจุดหมุน Mทวน = Mตาม 2.4 N m = 2 x 2 เมื่อ 2 = 0.05 m = 2 x 0.05 m 2 = 2.4 N m 0.05 m = 48 N ดังนั้น ต้องแขวนมวลที่มีน้ำหนัก 48 นิวตันไว้ที่ขอเกี่ยว จึงจะทำให้วัตถุอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน
318 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 5. ให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายโดยอาจใช้คำถามว่า เครนใช้หลักการของสมดุลต่อการหมุนหรือไม่ อย่างไร (การออกแบบ เครนเพื่อใช้ยกวัตถุหนักขึ้นสู่ที่สูงต้องคำนึงถึงสภาพสมดุลต่อการหมุน ซึ่งจะเห็นว่ามีการใช้วัตถุที่มีน้ำหนักมากไว้ด้าน ตรงข้ามกับด้านที่ใช้ยกวัตถุ ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกาเท่ากับโมเมนต์ของแรงในทิศทาง ทวนเข็มนาฬิกา เครนจึงมีความมั่นคง ไม่ล้ม) จากนั้นให้นักเรียนยกตัวอย่างอุปกรณ์ เครื่องเล่น หรือเครื่องมือใน ชีวิตประจำวันที่มีการประยุกต์ใช้โมเมนต์ของแรงและสภาพสมดุลต่อการหมุน เช่น คานดีดหรือคานงัด กรรไกร สำหรับตัดแต่งต้นไม้ คีมตัดลวด ม้าหมุนในสนามเด็กเล่น กระดานหก เครื่องชั่งสามแขน พร้อมทั้งอธิบายหลักการ โมเมนต์ของแรงและสภาพสมดุลต่อการหมุนผ่านวิธีการใช้งาน 6. ให้นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับโมเมนต์ของแรงและสภาพสมดุลต่อการหมุน เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า เมื่อมีแรงกระทำต่อ วัตถุโดยแนวแรงไม่ผ่านจุดหมุนจะเกิดโมเมนต์ของแรงนั้น ซึ่งโมเมนต์ของแรงคำนวณได้จากผลคูณของแรงและระยะ ตั้งฉากจากจุดหมุนไปยังแนวแรง (M = Fl) ในกรณีที่ผลรวมของโมเมนต์ของแรงในทิศทางตามเข็มนาฬิกาเท่ากับ ผลรวมของโมเมนต์ของแรงในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา วัตถุจะอยู่ในสภาพสมดุลต่อการหมุน 7. ถ้าพบว่านักเรียนมีแนวความคิดคลาดเคลื่อนเกี่ยวกับเรื่องนี้จากการตอบคำถามก่อนเรียน ระหว่างเรียน หรืออาจ ตรวจสอบโดยใช้กลวิธีอื่น ๆ ให้ครูแก้ไขแนวคิดคลาดเคลื่อนนั้นให้ถูกต้อง เช่น แนวคิดคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง โมเมนต์ของแรงคือแรงอย่าง หนึ่ง (สสวท., 2561) โมเมนต์ของแรงและแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ แต่มีความแตกต่างกัน โดย โมเมนต์ของแรงเกิดจากการออกแรงกระทำต่อวัตถุโดยไม่ผ่านจุดหมุน ทำให้ วัตถุหมุนรอบจุดหมุนมีขนาดเท่ากับผลคูณระหว่างขนาดของแรงที่กระทำต่อ วัตถุกับระยะทางจากจุดหมุนไปตั้งฉากกับแนวแรง มีหน่วยเป็นนิวตัน เมตร 8. เชื่อมโยงเข้าสู่เรื่องแรงและสนามของแรง โดยอาจใช้คำถามว่า จากที่ศึกษามาแล้ว แรงที่กระทำต่อวัตถุล้วน ต้องสัมผัสกับวัตถุเพื่อทำให้วัตถุเคลื่อนที่หรือทำให้วัตถุหมุน แต่ในบางครั้งวัตถุจะเคลื่อนที่ได้โดยแรงไม่จำเป็นต้อง สัมผัสกับวัตถุ นักเรียนคิดว่ามีแรงอะไรบ้าง ร่วมกันอภิปรายและยกตัวอย่าง เฉลยคำถามระหว่างเรียน • จากภาพ ถ้าออกแรงแล้วไม้เมตรมีลักษณะเอียง แต่ไม้เมตรอยู่นิ่งไม่หมุน ไม้เมตรอยู่ในสภาพสมดุลหรือไม่ อย่างไร แนวคำตอบ ไม้เมตรอยู่ในสภาพสมดุล เพราะเมื่อมีแรงกระทำต่อไม้เมตร 2 แรง แล้วไม้เมตรสามารถอยู่นิ่งโดย ไม่หมุน แสดงว่าไม้เมตรรักษาสภาพการเคลื่อนที่ ทั้งนี้การรักษาสภาพการเคลื่อนที่นั้นมี 2 กรณี คือ อยู่นิ่งหรือ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ซึ่งในกรณีไม้เมตรอยู่นิ่ง ไม้เมตรจึงอยู่ในสภาพสมดุล
319 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวการจัดการเรียนรู้ครูดำเนินการดังนี้ 1. ให้นักเรียนสังเกตภาพนำเรื่อง อ่านเนื้อหา นำเรื่องและคำสำคัญ และทำกิจกรรมทบทวน ความรู้ก่อนเรียนเกี่ยวกับแรงสัมผัสหรือแรงไม่ สัมผัส แล้วร่วมกันอภิปรายเพื่อให้ได้คำตอบที่ ถูกต้อง หากพบว่านักเรียนยังมีความรู้พื้นฐาน ไม่ถูกต้อง ครูควรทบทวนหรือแก้ไขความเข้าใจ ผิดของนักเรียนเพื่อให้นักเรียนมีความรู้พื้นฐาน ที่ถูกต้องและเพียงพอที่จะเรียนเรื่องแรงและ สนามของแรงต่อไป ความรู้เพิ่มเติมสำหรับครู ภาพ 6.1 แสงเหนือบนท้องฟ้าบริเวณ Glacier Lagoon ประเทศไอซ์แลนด์ ในปี 1896 คริสเตียน ไบรค์แลนด์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวนอร์เวย์ อธิบายปรากฏการณ์แสงเหนือหรือแสงออโรราว่า แสงออโรราเกิดจากอนุภาคมีประจุไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์เดินทาง มาถึงสนามแม่เหล็กโลก แรงจากสนามแม่เหล็กโลกจะเบนการเคลื่อนที่ของอนุภาค เพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นเข้ามายัง ชั้นบรรยากาศส่วนบริเวณขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ซึ่งอนุภาคเคลื่อนที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศแปลงพลังงานแล้ว เปล่งแสงสีในช่วง ที่ตามองเห็นออกมา เรื่องที่ 6 แรงและสนามของแรง
320 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยทบทวนความรู้ก่อนเรียน 1. แรงที่เกิดขึ้นในสถานการณ์ต่อไปนี้ ข้อใดเป็นแรงสัมผัสและข้อใดเป็นแรงไม่สัมผัส 1.1 ออกแรงผลักโต๊ะให้เคลื่อนที่ แนวคำตอบ แรงที่ผลักโต๊ะให้เคลื่อนที่เป็นแรงสัมผัส เนื่องจากเราออกแรงกระทำต่อโต๊ะโดยมีการสัมผัส 1.2 ใช้แม่เหล็กดูดลวดเสียบกระดาษให้ลอยขึ้นมา แนวคำตอบ แรงที่แม่เหล็กดูดลวดเสียบกระดาษเป็นแรงไม่สัมผัส เนื่องจากมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อ ลวดเสียบกระดาษโดยไม่มีการสัมผัสซึ่งกันและกัน 1.3 ลมทำให้ใบไม้ปลิว แนวคำตอบ แรงที่ลมทำให้ใบไม้ปลิวเป็นแรงสัมผัส เนื่องจากมีแรงลมกระทำต่อวัตถุโดยมีการสัมผัส 1.4 ผลมะม่วงกำลังร่วงลงสู่พื้น แนวคำตอบ แรงที่ทำให้ลูกมะม่วงร่วงสู่พื้นเป็นแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นแรงไม่สัมผัส เนื่องจากมีแรงกระทำ ต่อลูกมะม่วง โดยไม่มีการสัมผัสซึ่งกันและกัน 1.5 เมื่อถูลูกโป่งด้วยผ้า ลูกโป่งจะสามารถดึงดูดเศษกระดาษชิ้นเล็ก ๆ ได้ แนวคำตอบ แรงที่ลูกโป่งดึงดูดเศษกระดาษเป็นแรงไฟฟ้า ซึ่งเป็นแรงไม่สัมผัส เนื่องจากมีแรงกระทำต่อ เศษกระดาษโดยไม่มีการสัมผัส 2. จากภาพ จงทำนายว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับวัตถุในภาพ 2.1 วางแม่เหล็กใกล้ตะปู แนวคำตอบ ตะปูเคลื่อนที่เข้าหาแม่เหล็ก เนื่องจากแม่เหล็กสามารถดึงดูดตะปู ซึ่งตะปูคือวัตถุที่เป็นสารแม่เหล็ก 2.2 วางแม่เหล็กใกล้แก้วน้ำ แนวคำตอบ ไม่เกิดอะไรขึ้น เนื่องจากแม่เหล็กไม่สามารถดึงดูดแก้วน้ำ ซึ่งแก้วน้ำไม่ใช่วัตถุที่เป็นสารแม่เหล็ก
321 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยทบทวนความรู้ก่อนเรียน 2.3 วางแม่เหล็กใกล้หม้ออะลูมิเนียม แนวคำตอบ ไม่เกิดอะไรขึ้น เนื่องจากแม่เหล็กไม่สามารถดึงดูดหม้ออะลูมิเนียม ซึ่งหม้ออะลูมิเนียม ไม่ใช่วัตถุที่เป็นสารแม่เหล็ก 2.4 วางแม่เหล็กขั้วเหนือไว้ใกล้แม่เหล็กขั้วเหนือ แนวคำตอบ แม่เหล็กจะเคลื่อนที่ออกจากกัน เนื่องจากแม่เหล็กขั้วเหมือนกันเมื่ออยู่ใกล้กันจะเกิด แรงผลักระหว่างกัน 2.5 วางแม่เหล็กขั้วเหนือไว้ใกล้แม่เหล็กขั้วใต้ แนวคำตอบ แม่เหล็กจะเคลื่อนที่เข้าหากัน เนื่องจากแม่เหล็กขั้วต่างกันเมื่ออยู่ใกล้กันจะเกิดแรงดึงดูด ระหว่างกัน 2.6 วางเข็มทิศไว้บนโต๊ะ แนวคำตอบ เข็มของเข็มทิศวางตัวในแนวเหนือใต้ เนื่องจากเข็มทิศเป็นแม่เหล็กจะถูกแรงจาก สนามแม่เหล็กโลกกระทำ ทำให้เข็มเบนและวางตัวในทิศเหนือและทิศใต้
322 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 2. ตรวจสอบความรู้เดิมของนักเรียนเกี่ยวกับเวกเตอร์ของแรงและสนามแม่เหล็ก โดยทำกิจกรรมรู้อะไรบ้างก่อนเรียน นักเรียนสามารถเขียนหรือวาดภาพได้ตามความเข้าใจของตนเอง โดยครูไม่เฉลยคำตอบ ซึ่งครูควรรวบรวมแนวคิด คลาดเคลื่อนที่พบเพื่อนำไปใช้ในการวางแผนการจัดการเรียนรู้และแก้ไขแนวคิดเหล่านั้นให้ถูกต้อง ตัวอย่างแนวคิดคลาดเคลื่อนซึ่งอาจพบในเรื่องนี้ • แรงโน้มถ่วงของโลกจะหยุดกระทำต่อวัตถุเมื่อวัตถุนั้นกระทบพื้น • มวลและน้ำหนักคือสิ่งเดียวกัน และมีค่าเท่ากันทุกสถานที่ • แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อวัตถุที่หนักเท่านั้น • แม่เหล็กจะดึงดูดวัตถุที่เป็นโลหะทุกชนิด • ขั้วของแม่เหล็กเป็นขั้วบวกขั้วลบ • ที่ขั้วโลกเหนือเป็นขั้วเหนือของแม่เหล็กโลก และขั้วโลกใต้เป็นขั้วใต้ของแม่เหล็กโลก 3. กระตุ้นความสนใจของนักเรียน โดยใช้คำถามดังนี้ • การวางลวดเสียบกระดาษหรือตะปูไว้ที่ตำแหน่งใกล้และไกลจากแท่งแม่เหล็ก ทำให้เกิดผลแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร (นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเอง) • การวางลวดเสียบกระดาษหรือตะปูไว้ที่ตำแหน่งต่าง ๆ โดยรอบแท่งแม่เหล็ก ทำให้เกิดผลแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร (นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเอง) 4. ร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า แม่เหล็กมีแรงกระทำต่อสารแม่เหล็กด้วยกันได้ เรียกแรงกระทำนี้ว่า แรงแม่เหล็ก ซึ่งเป็นแรงไม่สัมผัสที่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่อยู่โดยรอบแท่งแม่เหล็ก จากนั้นนำเข้าสู่กิจกรรมที่4.13 สนามแม่เหล็กเป็นอย่างไร โดยอาจใช้คำถามว่า จะรู้ได้อย่างไรว่ารอบ ๆ แท่งแม่เหล็กมีสนามแม่เหล็ก โดยครูยังไม่ เฉลยคำตอบ
323 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวการจัดการเรียนรู้ครูดำเนินการดังนี้ 1. ให้นักเรียนอ่านชื่อกิจกรรม จุดประสงค์ และวิธีดำเนินกิจกรรม และตรวจสอบความเข้าใจการอ่าน โดยใช้คำถาม ดังต่อไปนี้ • กิจกรรมนี้เกี่ยวกับเรื่องอะไร (สนามแม่เหล็ก) • กิจกรรมนี้มีจุดประสงค์อะไร (สังเกตและเขียนเส้นสนามแม่เหล็ก) • วิธีดำเนินกิจกรรมมีขั้นตอนโดยสรุปอย่างไร (โรยผงเหล็กบนแผ่นพลาสติกใสที่วางทับบนแท่งแม่เหล็ก ใช้มือเคาะ แผ่นพลาสติกใสเบา ๆ สังเกตและบันทึกการเรียงตัวของผงเหล็ก จากนั้นนำแผ่นพลาสติกใสออก วางแท่งแม่เหล็ก บนกระดาษขาวและวาดเส้นระหว่างขั้วเหนือ-ใต้ตามแนวการเรียงตัวของผงเหล็กทั้ง 2 ข้าง แล้ววางเข็มทิศข้าง แท่งแม่เหล็กตามเส้นที่วาดไว้และบันทึกทิศทางการวางตัวของเข็มทิศ) ครูควรบันทึกขั้นตอนการทำกิจกรรมโดย สรุปบนกระดาน • นักเรียนต้องสังเกตหรือรวบรวมข้อมูลอะไรบ้าง (การเรียงตัวของผงเหล็กระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้ของ แท่งแม่เหล็กและการวางตัวของเข็มทิศ) 2. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มลงมือทำกิจกรรม โดยครูควรเดินสังเกตการทำกิจกรรมของนักเรียนแต่ละกลุ่มเพื่อให้คำแนะนำ หากนักเรียนมีข้อสงสัย และครูควรรวบรวมข้อมูลเหล่านั้น เพื่อใช้ประกอบการอภิปรายหลังการทำกิจกรรม 3. ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มนำเสนอผลจากการทำกิจกรรม ตอบคำถามท้ายกิจกรรม และร่วมกันสรุปผลของกิจกรรมโดยใช้ คำถามท้ายกิจกรรมเป็นแนวทาง จากนั้นอภิปรายเพื่อตอบคำถามว่า สนามแม่เหล็กคืออะไร มีลักษณะอย่างไร เพื่อให้ได้ข้อสรุปของกิจกรรมว่า แม่เหล็กแท่งหนึ่ง ๆ จะมีสนามแม่เหล็กรอบ ๆ แท่งแม่เหล็ก เมื่อนำแม่เหล็กอื่น หรือสารแม่เหล็กเข้าไปในบริเวณดังกล่าวจะเกิดแรงแม่เหล็กกระทำต่อแท่งแม่เหล็กหรือสารแม่เหล็ก ในสนามแม่เหล็กจะมีเส้นสนามแม่เหล็ก โดยเส้นสนามแม่เหล็กที่อยู่ภายนอกแท่งแม่เหล็กจะมีทิศทางพุ่งออกจาก ขั้วเหนือและพุ่งเข้าหาขั้วใต้เสมอ ส่วนเส้นสนามแม่เหล็กที่อยู่ภายในแท่งแม่เหล็กจะมีทิศพุ่งจากขั้วใต้ไปยังขั้วเหนือ เราไม่สามารถมองเห็นเส้นสนามแม่เหล็กแต่สามารถใช้การเรียงตัวของผงเหล็กหรือการวางตัวของเข็มทิศแสดง เส้นสนามแม่เหล็กได้ ก่อนการทำกิจกรรม (10 นาที) ระหว่างการทำกิจกรรม (20 นาที) หลังการทำกิจกรรม (15 นาที) กิจกรรมที่ 4.13 สนามแม่เหล็กเป็นอย่างไร
324 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 4. ขยายความรู้โดยสาธิตการโรยผงเหล็กบนแผ่นพลาสติกใสที่วางบนแท่งแม่เหล็กที่วางให้ขั้วต่างกันอยู่ใกล้กันและ ขั้วเหมือนกันอยู่ใกล้กัน แล้วให้นักเรียนสังเกตการเรียงตัวของผงเหล็ก และร่วมกันวิเคราะห์ทิศทางของแรงแม่เหล็กที่ กระทำต่อแท่งแม่เหล็กในสนามแม่เหล็ก 5. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กและทิศทางของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อขั้วแม่เหล็กที่อยู่ใน สนามแม่เหล็ก โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 234-236 และร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า แรงแม่เหล็กที่ กระทำต่อขั้วแม่เหล็กขั้วเหนือจะมีทิศทางเดียวกับทิศทางของสนามแม่เหล็กและแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อขั้วแม่เหล็ก ขั้วใต้จะมีทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก จากนั้นให้นักเรียนตอบคำถามระหว่างเรียน และร่วมกัน อภิปรายเกี่ยวกับคำตอบของนักเรียน เฉลยคำถามระหว่างเรียน • เมื่อกำหนดให้สนามแม่เหล็กมีลักษณะและทิศทางดังภาพ จะระบุขั้วแม่เหล็กของตำแหน่ง A B C และ D ได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ เส้นสนามแม่เหล็กพุ่งออกจาก A และ C ดังนั้น A และ C คือ ขั้วเหนือของแท่งแม่เหล็ก ส่วนเส้น สนามแม่เหล็กพุ่งเข้าหา B และ D ดังนั้น B และ D คือ ขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก เนื่องจากเส้นสนามแม่เหล็กมี ทิศพุ่งออกจากขั้วเหนือและพุ่งเข้าหาขั้วใต้เสมอ 6. นำเข้าสู่กิจกรรมที่ 4.14 ขนาดของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับอะไร โดยอาจใช้คำถามว่า นักเรียนคิดว่าแรงแม่เหล็กที่ เกิดขึ้นนี้จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณใด นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเองโดยครูไม่เฉลยคำตอบ
325 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวการจัดการเรียนรู้ครูดำเนินการดังนี้ 1. ให้นักเรียนอ่านชื่อกิจกรรม จุดประสงค์ และวิธีดำเนินกิจกรรม และตรวจสอบความเข้าใจการอ่าน โดยใช้คำถาม ดังต่อไปนี้ • กิจกรรมนี้เกี่ยวกับเรื่องอะไร (ความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสารแม่เหล็กกับระยะห่างจาก แท่งแม่เหล็ก) • กิจกรรมนี้มีจุดประสงค์อะไร (วิเคราะห์และอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสารแม่เหล็ก กับระยะห่างจากแท่งแม่เหล็ก) • วิธีดำเนินกิจกรรมมีขั้นตอนโดยสรุปอย่างไร (วิเคราะห์ตารางแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสารแม่เหล็ก เขียนกราฟ และวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสารแม่เหล็กกับระยะห่างจากแท่งแม่เหล็ก)ครูควร บันทึกขั้นตอนการทำกิจกรรมโดยสรุปบนกระดาน • นักเรียนต้องสังเกตหรือรวบรวมข้อมูลอะไรบ้าง (ระยะห่างจากแท่งแม่เหล็กและขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำ ต่อสารแม่เหล็ก เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสารแม่เหล็กกับระยะห่างจาก แท่งแม่เหล็ก) 2. ให้นักเรียนแต่ละคนทำกิจกรรม โดยครูควรเดินสังเกตการทำกิจกรรมของนักเรียน เพื่อให้คำแนะนำหากนักเรียน มีข้อสงสัย เช่น การกำหนดตัวแปรต้น ตัวแปรตาม และการกำหนดแกนของกราฟ และครูควรรวบรวมข้อมูลเหล่านั้น เพื่อใช้ประกอบการอภิปรายหลังการทำกิจกรรม 3. สุ่มนักเรียนนำเสนอกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อสารแม่เหล็กกับระยะห่างจาก แท่งแม่เหล็ก ตอบคำถามท้ายกิจกรรม และร่วมกันสรุปผลของกิจกรรมโดยใช้คำถามท้ายกิจกรรมเป็นแนวทาง เพื่อให้ได้ข้อสรุปของกิจกรรมว่า เมื่อสารแม่เหล็กอยู่ในสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กหนึ่งจะมีแรงแม่เหล็กกระทำ ต่อสารแม่เหล็กนั้น แรงแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างสารแม่เหล็กกับแท่งแม่เหล็ก โดยแรงแม่เหล็กมี ขนาดลดลงเมื่อระยะห่างจากแท่งแม่เหล็กเพิ่มขึ้น ก่อนการทำกิจกรรม (10 นาที) ระหว่างการทำกิจกรรม (10 นาที) หลังการทำกิจกรรม (15 นาที) กิจกรรมที่ 4.14 ขนาดของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับอะไร
326 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 4. เชื่อมโยงจากการสาธิตการโรยผงเหล็กบนแท่งแม่เหล็กพบว่า บริเวณใกล้ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็กจะมีเส้น ผงเหล็กหนาแน่นมากกว่าบริเวณอื่น ซึ่งแสดงว่ามีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นที่บริเวณนั้น เราเรียกความหนาแน่นของเส้น สนามแม่เหล็กที่ผ่านหนึ่งหน่วยพื้นที่ในแนวตั้งฉากว่า ความเข้มของสนามแม่เหล็ก และร่วมกันอภิปรายโดยอาจใช้คำถามว่า • นักเรียนคิดว่าความเข้มของสนามแม่เหล็กบริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กและบริเวณที่ห่างออกไปจะมีความแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร • ตำแหน่งที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กมากและตำแหน่งที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กน้อยจะมีแรงแม่เหล็กเป็น อย่างไร เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า ความเข้มของสนามแม่เหล็กเป็นความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็กที่ผ่านหนึ่งหน่วยพื้นที่ใน แนวตั้งฉาก มีหน่วยเป็นเวเบอร์ต่อตารางเมตรหรือเทสลา บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กจะมีความเข้มของสนามแม่เหล็กมาก และบริเวณที่ห่างออกไปจากแท่งแม่เหล็กจะมีความเข้มของสนามแม่เหล็กลดลง แรงแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กับ ความเข้มสนามของแม่เหล็กที่ตำแหน่งใด ๆ โดย ณ ตำแหน่งที่มีความเข้มสนามแม่เหล็กมากจะมีแรงแม่เหล็กมาก และตำแหน่งที่มีความเข้มสนามแม่เหล็กลดลงจะมีแรงแม่เหล็กลดลงด้วย 5. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความเข้มของสนามแม่เหล็กและความสัมพันธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อ สารแม่เหล็กกับระยะห่างจากแท่งแม่เหล็ก โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 238 ตอบคำถามระหว่างเรียนและ ร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับคำตอบของนักเรียน เฉลยคำถามระหว่างเรียน • เขียนลูกศรแสดงทิศทางของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อลวดเสียบกระดาษ แนวคำตอบ เนื่องจากลวดเสียบกระดาษทำด้วยเหล็กซึ่งเป็นสารแม่เหล็ก ดังนั้นจะเกิดแรงดึงดูดเมื่ออยู่ใน สนามแม่เหล็ก ดังภาพ
327 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามระหว่างเรียน • เขียนลูกศรแสดงทิศทางของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อขั้วแม่เหล็กขั้วเหนือที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก A แนวคำตอบ แรงที่กระทำต่อขั้วเหนือของแม่เหล็กจะมีทิศทางเดียวกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก A ดังภาพ • เราสามารถนำความรู้เรื่องแรงแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันอย่างไรบ้าง แนวคำตอบ การแยกขยะในโรงงาน ผลิตไฟฟ้าด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 6. เชื่อมโยงเข้าสู่เนื้อหาเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลก โดยร่วมกันอภิปรายว่า ทำไมเข็มของเข็มทิศจึงวางตัวในแนวเหนือใต้ ตลอดเวลา เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า เข็มของเข็มทิศจะวางตัวในแนวของสนามแม่เหล็กโลก นักเรียนคิดว่าสนามแม่เหล็ก โลกเกิดขึ้นได้อย่างไร และมีทิศทางอย่างไร นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเองโดยครูไม่เฉลยคำตอบ 7. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กโลก โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 240 และร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า สนามแม่เหล็กโลกเกิดจากของเหลวร้อนใต้เปลือกโลกบริเวณแกนโลกชั้นนอกซึ่งมีประจุไฟฟ้า เคลื่อนที่หมุนวนอย่างช้า ๆ จนเกิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกขึ้น โดยขั้วเหนือมีตำแหน่งอยู่ ใกล้บริเวณขั้วโลกใต้และขั้วใต้มีตำแหน่งอยู่ใกล้บริเวณขั้วโลกเหนือ ให้สนามแม่เหล็กโลกมีทิศพุ่งจากขั้วโลกใต้ไปยัง ขั้วโลกเหนือ ดังนั้นเข็มทิศจึงชี้ไปยังขั้วโลกเหนือเสมอ 8. ร่วมกันอภิปรายโดยอาจกำหนดประเด็นการสนทนาและใช้คำถามว่า นักเรียนเรียนรู้แล้วว่าแม่เหล็กมีสนามแม่เหล็ก อยู่โดยรอบ ซึ่งสนามแม่เหล็กทำให้เกิดแรงแม่เหล็กกระทำต่อวัตถุอื่นที่เป็นสารแม่เหล็กและขั้วแม่เหล็กได้ โดยแรงแม่เหล็กจัดเป็นแรงไม่สัมผัส นักเรียนคิดว่านอกจากแรงแม่เหล็กแล้ว ยังมีแรงอื่น ๆ ที่เป็นแรงไม่สัมผัสอีก หรือไม่ อย่างไร (แรงไฟฟ้า แรงโน้มถ่วงของโลก) นักเรียนตอบตามความเข้าใจของตนเองโดยครูไม่เฉลยคำตอบ
328 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี แนวคิดคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง แม่เหล็กจะดึงดูดวัตถุที่เป็นโลหะทุกชนิด (Finley, 1986) แม่เหล็กสามารถดึงดูดวัตถุที่เป็นสารแม่เหล็ก ได้แก่ เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ ไม่ดึงดูดโลหะอื่น ๆ ขั้วของแม่เหล็กเป็นขั้วบวกขั้วลบ (Heller & Stewart, 2010) ขั้วแม่เหล็กมี 2 ขั้ว คือ ขั้วเหนือและขั้วใต้ ที่ขั้วโลกเหนือเป็นขั้วเหนือของแม่เหล็กโลก และที่ขั้วโลกใต้เป็นขั้วใต้ของแม่เหล็กโลก (The Open University, 2017) ขั้วเหนือของสนามแม่เหล็กโลกอยู่ที่ขั้วโลกใต้ตามภูมิศาสตร์ และขั้วใต้ของสนามแม่เหล็กโลกอยู่ที่ขั้วโลกเหนือตาม ภูมิศาสตร์ 9. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแรงไฟฟ้าและสนามไฟฟ้า โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 241-243 และ ร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า เมื่อขัดถูวัตถุทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าหรือเกิดไฟฟ้าสถิต หากนำวัตถุที่มี ประจุไฟฟ้า 2 อัน เข้าใกล้กันจะเกิดการดึงดูดหรือผลักกันเรียกแรงที่เกิดขึ้นว่า แรงไฟฟ้า ซึ่งเป็นแรงไม่สัมผัส วัตถุที่มี ประจุไฟฟ้าทั้งประจุบวกและประจุลบจะเป็นแหล่งสนามไฟฟ้าที่มีสนามไฟฟ้าอยู่โดยรอบ ทิศทางของสนามไฟฟ้ามี ทิศทางเดียวกับทิศทางของแรงที่กระทำต่อประจุบวกที่อยู่ในสนามไฟฟ้า โดยทิศทางของสนามไฟฟ้าพุ่งออกจาก แหล่งสนามไฟฟ้าที่มีประจุบวกและพุ่งเข้าหาแหล่งสนามไฟฟ้าที่มีประจุลบ แรงไฟฟ้าที่กระทำกับประจุบวกที่วางใน สนามไฟฟ้าจะมีทิศทางเดียวกับทิศทางของสนามไฟฟ้า แต่ทิศทางของแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุลบที่วางใน สนามไฟฟ้าจะมีทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของสนามไฟฟ้า เรียกความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้าที่ผ่านหน่วย พื้นที่ในแนวตั้งฉากว่า ความเข้มของสนามไฟฟ้า โดยความเข้มของสนามไฟฟ้าจะมีค่าลดลงเมื่อระยะห่างจาก แหล่งสนามไฟฟ้ามีค่าเพิ่มขึ้น และแรงไฟฟ้าก็จะมีขนาดลดลงเมื่อระยะห่างจากแหล่งสนามไฟฟ้ามีค่าเพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งมีความสัมพันธ์คล้ายกับสนามแม่เหล็ก 10. ให้นักเรียนศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการรับรู้สนามไฟฟ้าของปลาฉลาม โดยอ่านเกร็ดน่ารู้ปลาฉลามกับเหยื่อใต้พื้นทราย ในหนังสือเรียนหน้า 243 ตอบคำถามระหว่างเรียน และร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับคำตอบของนักเรียน
329 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามระหว่างเรียน • เขียนทิศทางของแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุในสนามไฟฟ้าได้อย่างไร แนวคิด แรงไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุบวกที่วางในสนามไฟฟ้าจะมีทิศทางเดียวกับทิศทางของสนามไฟฟ้า แต่ทิศทางของแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุลบที่วางในสนามไฟฟ้าจะมีทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางของ สนามไฟฟ้า 1. แนวคำตอบ 2. แนวคำตอบ 3. แนวคำตอบ 4. แนวคำตอบ 11. ให้นักเรียนเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสนามโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงของโลก โดยอ่านเนื้อหาในหนังสือเรียนหน้า 244-245 และร่วมกันอภิปราย เพื่อให้ได้ข้อสรุปว่า • วัตถุที่มีมวลจะเป็นแหล่งสนามโน้มถ่วงที่มีสนามโน้มถ่วงอยู่โดยรอบวัตถุนั้น โลกมีมวลจึงมีสนามโน้มถ่วงอยู่ โดยรอบและจะมีแรงดึงดูดวัตถุอื่น ๆ ที่มีมวล เราเรียกแรงดึงดูดนี้ว่า แรงโน้มถ่วงของโลก • กำหนดให้สนามโน้มถ่วงของโลกมีขนาดเท่ากับขนาดของแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อมวล 1 กิโลกรัม แรงไฟฟ้า แรงไฟฟ้า แรงไฟฟ้า แรงไฟฟ้า
330 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี • สนามโน้มถ่วงที่ตำแหน่งหนึ่ง ๆ จะมีทิศทางตามทิศทางของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุที่มีมวลซึ่งอยู่ใน สนามโน้มถ่วงนั้น โดยมีทิศทางพุ่งเข้าหามวลที่เป็นแหล่งของสนามโน้มถ่วงเสมอ • ความเข้มของสนามโน้มถ่วงมีค่าลดลง เมื่อระยะห่างจากแหล่งสนามมีค่าเพิ่มขึ้น และแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ หนึ่งก็จะมีขนาดลดลงเมื่อระยะห่างจากแหล่งของสนามโน้มถ่วงไปยังวัตถุนั้นมีค่าเพิ่มขึ้นด้วย จากนั้นให้นักเรียนตอบคำถามระหว่างเรียน และร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับคำตอบของนักเรียน เฉลยคำถามระหว่างเรียน • เขียนเวกเตอร์แทนขนาดและทิศทางของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่ง เมื่อวัตถุนั้นอยู่ตำแหน่งต่าง ๆ ดังภาพ ได้อย่างไร แนวคิด แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลหนึ่ง ๆ จะมีทิศทางพุ่งเข้าหามวลที่เป็นแหล่งของสนามโน้มถ่วง และ แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งจะมีขนาดลดลงเมื่อระยะห่างจากแหล่งของสนามโน้มถ่วงไปยังวัตถุนั้นมีค่า เพิ่มขึ้น ดังนั้น แรงโน้มถ่วงจะมีขนาดเรียงจากมากไปน้อย คือ ตำแหน่ง 1 2 3 และ 4 ตามลำดับ แนวคำตอบ • โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งในระบบสุริยะ นักเรียนคิดว่าดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ จะมีสนามโน้มถ่วง เช่นเดียวกับโลกหรือไม่ เพราะเหตุใด แนวคำตอบ ดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ มีสนามโน้มถ่วงเช่นเดียวกับโลก เพราะดาวเคราะห์มีมวลจึงมี สนามโน้มถ่วงอยู่โดยรอบ
331 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 12. ถ้าพบว่านักเรียนมีแนวความคิดคลาดเคลื่อนเกี่ยวกับเรื่องนี้จากการตอบคำถามก่อนเรียน ระหว่างเรียน หรืออาจ ตรวจสอบโดยใช้กลวิธีอื่น ๆ ให้ครูแก้ไขแนวคิดคลาดเคลื่อนนั้นให้ถูกต้อง เช่น แนวคิดคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง แรงโน้มถ่วงของโลกจะหยุดกระทำต่อวัตถุ เมื่อวัตถุนั้นกระทบพื้น (Watt & Gilbert, 1985) แรงโน้มถ่วงของโลกจะกระทำต่อวัตถุทุกชนิดที่มวล ตลอดเวลาที่วัตถุนั้นอยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลก มวลและน้ำหนักคือสิ่งเดียวกันและมีค่า เท่ากันทุกสถานที่ (สุพรรษา หอมฤทธิ์ และ ชนินันท์ พฤกษ์ประมูล, 2560) มวลคือปริมาณของเนื้อสารที่มีอยู่ในวัตถุนั้น มีค่าคงที่ไม่ว่า วัตถุนั้นจะอยู่ที่ใดก็ตาม มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg) ใน ระบบหน่วย SI ส่วนน้ำหนักเป็นแรงที่โลกดึงดูดวัตถุหรือ แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุ น้ำหนักของวัตถุจึง ขึ้นอยู่กับขนาดของสนามโน้มถ่วงของโลก ซึ่งจะแตกต่างไป ตามแต่ละสถานที่ น้ำหนักจึงมีค่าเปลี่ยนแปลงได้ มีหน่วย เป็นนิวตัน (N) ในระบบหน่วย SI แรงโน้มถ่วงของโลกกระทำต่อวัตถุที่หนัก เท่านั้น (Driver et al., 1994) แรงโน้มถ่วงของโลกจะกระทำต่อวัตถุที่มีมวล 13. ร่วมกันสรุปหัวข้อเรื่องแรงในชีวิตประจำวัน จากนั้นนักเรียนทำกิจกรรมตรวจสอบตนเองเพื่อสรุปความรู้ที่ได้เรียนรู้ จากบทเรียน โดยการเขียนบรรยาย วาดภาพ หรือเขียนผังมโนทัศน์สิ่งที่ได้เรียนรู้จากบทเรียนเรื่องแรงในชีวิตประจำวัน
332 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 14. สุ่มนักเรียนนำเสนอผังมโนทัศน์สรุปความรู้ที่ได้จากบทเรียน โดยอาจออกแบบให้นักเรียนนำเสนอเป็นกลุ่มย่อย และ อภิปรายภายในกลุ่ม จากนั้นอภิปรายร่วมกันในชั้นเรียน หรือจัดแสดงผลงานเพื่อร่วมพิจารณาให้ความเห็น และ ร่วมกันอภิปรายสรุปความรู้ที่ได้จากบทเรียน 15. ให้นักเรียนทำกิจกรรมท้ายบท สร้างรถไฟ Maglev ได้อย่างไร และตอบคำถามท้ายกิจกรรม จากนั้นใช้คำถามสำคัญ ของบทเรียนเพื่อให้นักเรียนร่วมกันอภิปราย โดยนักเรียนควรตอบคำถามสำคัญดังกล่าวได้ ดังตัวอย่าง ตัวอย่างผังมโนทัศน์สิ่งที่ได้เรียนรู้เกี่ยวกับแรงในชีวิตประจำวัน
333 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามสำคัญของบท • แรงส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของวัตถุอย่างไร แนวคำตอบ เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ ถ้าผลรวมของแรงหรือแรงลัพธ์เป็นศูนย์ วัตถุจะไม่เปลี่ยนแปลง การเคลื่อนที่ โดยถ้าวัตถุอยู่นิ่ง วัตถุก็จะอยู่นิ่งต่อไป หรือถ้าวัตถุกำลังเคลื่อนที่ วัตถุก็จะเคลื่อนที่ต่อไปด้วย ความเร็วคงที่ แต่ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ ซึ่งวัตถุอาจเปลี่ยน จากอยู่นิ่งเป็นเคลื่อนที่ หรือวัตถุอาจเปลี่ยนจากเคลื่อนที่เป็นเคลื่อนที่เร็วขึ้น ช้าลง หรือหยุดนิ่งได้ • แรงเกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ในชีวิตประจำวันอย่างไร แนวคำตอบ แรงมีส่วนเกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ต่าง ๆ ในชีวิตประจำวันมากมาย ในการทำให้วัตถุเคลื่อนที่หรือ หยุดเคลื่อนที่ล้วนต้องใช้แรง บางกิจกรรมต้องอาศัยแรงในการทำกิจกรรมนั้น ๆ เช่น การเดิน การวิ่ง จะไม่ สามารถเดินหรือวิ่งได้ถ้าพื้นลื่น การที่เรือสินค้าสามารถลอยน้ำได้ก็เนื่องจากแรงพยุงของน้ำ การแยกเศษเหล็ก ออกจากโลหะอื่น ๆ ก็สามารถทำได้โดยใช้แรงแม่เหล็ก หรือแม้กระทั่งการที่เราอยู่บนโลก ไม่หลุดลอยออกจาก โลกไปก็เนื่องจากแรงจากสนามโน้มถ่วงนั่นเอง 16. ใช้คำถามสำคัญของหน่วยเพื่อให้นักเรียนร่วมกันอภิปราย โดยนักเรียนควรตอบคำถามสำคัญดังกล่าวได้ ดังตัวอย่าง เฉลยคำถามสำคัญของหน่วย • แรงส่งผลต่อสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุอย่างไร แนวคำตอบ เมื่อมีแรงกระทำต่อวัตถุ ถ้าผลรวมของแรงหรือแรงลัพธ์เป็นศูนย์ วัตถุจะไม่เปลี่ยนสภาพ การเคลื่อนที่ โดยถ้าเดิมวัตถุอยู่นิ่งก็จะอยู่นิ่งต่อไป หรือถ้าเดิมวัตถุกำลังเคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็ว คงที่ แต่ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุไม่เป็นศูนย์ วัตถุจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ โดยอาจเปลี่ยนจาก สภาพการอยู่นิ่งเป็นเคลื่อนที่ หรือเปลี่ยนจากสภาพที่กำลังเคลื่อนที่เป็นเคลื่อนที่เร็วขึ้น ช้าลง หรือหยุดนิ่ง ความรู้เพิ่มเติมสำหรับครู คำว่า “สภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ” และคำว่า “การเคลื่อนที่ของวัตถุ” มีความหมายเดียวกัน โดยสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุเป็น การบอกว่าวัตถุนั้นมีรูปแบบของการเคลื่อนที่อย่างไร ซึ่งอาจจะเคลื่อนที่หรือไม่เคลื่อนที่ก็ได้ 17. ให้นักเรียนตรวจสอบความรู้ของตนเองด้านทักษะกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 ที่ได้ทำ ในบทเรียนนี้ อ่านสรุปท้ายบท และทำแบบฝึกหัดท้ายบท
334 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยกิจกรรมและแบบฝึกหัดของบทที่2
335 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับการหาผลรวมของแรงในระนาบเดียวกัน โดยการเขียนแผนภาพแสดงเวกเตอร์ของ แรงแบบหางต่อหัว 1. เขียนแผนภาพแสดงขนาดและทิศทางของแรงที่กระทำต่อวัตถุโดยใช้ลูกศร 2. เขียนแผนภาพแสดงขนาดและทิศทางของแรงลัพธ์ของแรงหลายแรงที่กระทำต่อวัตถุ โดยใช้ การรวมเวกเตอร์แบบหางต่อหัว 3. พยากรณ์การเคลื่อนที่ของวัตถุที่เป็นผลของแรงลัพธ์ที่เกิดจากแรงหลายแรงที่กระทำต่อวัตถุ 1 ชั่วโมง 35 นาที วัสดุที่ใช้ต่อกลุ่ม รายการ ปริมาณ/กลุ่ม 1. เครื่องชั่งสปริง 3 อัน 2. วงแหวนขนาดเล็ก 1 วง 3. เชือกเส้นเล็ก 1 ม้วน 4. กระดาษ A4 1 แผ่น 5. กรรไกร 1 เล่ม ครูควรตรวจเครื่องชั่งสปริงให้อยู่ในสภาพใช้งาน โดยเข็มชี้ค่าของแรงควรเริ่มต้นที่ขีดศูนย์ ถ้าเข็มสเกล ไม่เริ่มต้นที่ขีดศูนย์ ให้ปรับสกรูที่อยู่ด้านบนของเครื่องชั่งสปริง • ในกิจกรรมนี้ นักเรียนที่ดึงเครื่องชั่งสปริง และนักเรียนที่อ่านค่าของแรง พร้อมเขียนแนวแรง ควรเป็นคนละคนกัน เพื่อให้อ่านค่าจากเครื่องชั่งสปริงได้อย่างแม่นยำ • การนำเสนอผลการทำกิจกรรม ครูสุ่มเลือกบางกลุ่มนำเสนอ โดยอาจติดผลการทำกิจกรรม รอบผนังห้องเรียนหรือจัดแสดงที่โต๊ะ • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. • วัตถุต่าง ๆ ที่เตรียมมา หรือวัตถุต่าง ๆ ที่มีในห้องเรียน เวลาที่ใช้ใน การทำกิจกรรม วัสดุและอุปกรณ์ ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ จุดประสงค์ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู กิจกรรมที่ 4.4 การรวมแรงในระนาบเดียวกันทำได้อย่างไร ตอนที่ 1 รวมแรงในระนาบ
336 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม ตอนที่ 1 การรวมแรง 2 แรง ⃑ 1 และ ⃑ 2 แบบหางต่อหัว ให้ความยาว 1 เซนติเมตร แทน แรง 1 นิวตัน โดยแรง ⃑ 1 เท่ากับ 3.6 นิวตัน แรง ⃑ 2 เท่ากับ 2.7 นิวตัน และ แรง ⃑ 3 เท่ากับ 4.4 นิวตัน หาผลรวมของแรง ⃑ 1 และ ⃑ 2 โดยการบวกเวกเตอร์แบบห่างต่อหัว ลาก เวกเตอร์ลัพธ์จากห่างของแรง ⃑ 1 ไปยังหัวของแรง ⃑ 2 แล้ววัดความยาว ของลูกศร ซึ่งได้ ⃑ 1 + ⃑ 2 เท่ากับ 4.4 N และมีขนาดเท่ากับแรง ⃑ 3 และมีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางของแรง ⃑ 3 ดังภาพ ⃑ 1 = 3.6 N ⃑ 2 = 2.7 N ⃑ 3 = 4.4 N ⃑ 3 ⃑ 1 = 3.6 N ⃑ 2 = 2.7 N ⃑ 1 + ⃑ 2 = 4.4 N
337 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม 1. เมื่อออกแรงกระทำต่อวงแหวนและวงแหวนอยู่นิ่ง แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวงแหวนมีขนาดเท่าใด ทราบได้ อย่างไร แนวคำตอบ แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวงแหวนมีค่าเป็นศูนย์ เพราะวงแหวนอยู่นิ่ง 2. ลูกศรที่ลากจากหางเวกเตอร์⃑ 1 ไปยังหัวเวกเตอร์⃑ 2 มีขนาดและทิศทางเป็นอย่างไร เมื่อเปรียบเทียบกับ เวกเตอร์⃑ 3 แนวคำตอบ ลูกศรที่ลากจากหางเวกเตอร์ ⃑ 1 ไปยังหัวเวกเตอร์ ⃑ 2 มีขนาดเท่าขนาดของเวกเตอร์ ⃑ 3 แต่มีทิศทางตรงกันข้าม 3. ลูกศรที่ลากจากหางเวกเตอร์⃑ 1 ไปยังหัวเวกเตอร์⃑ 2 น่าจะเป็นปริมาณใด แนวคำตอบ ลูกศรที่ลากจากหางเวกเตอร์⃑ 1 ไปยังหัวเวกเตอร์⃑ 2 น่าจะแทนผลรวมของเวกเตอร์ทั้งสอง 4. จากกิจกรรมตอนที่1 สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ แรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งมีทั้งขนาดและทิศทาง โดยเขียนแทนได้ด้วยลูกศรให้ความยาวของ ลูกศรแทนขนาดเวกเตอร์ หัวลูกศรแทนทิศทางของเวกเตอร์ การรวมเวกเตอร์ทำได้โดยการเขียนแผนภาพ โดยรวมเวกเตอร์แบบหางต่อหัว นำหางเวกเตอร์หนึ่งมาต่อกับหัวของอีกเวกเตอร์หนึ่ง และหาเวกเตอร์ลัพธ์ โดยลากจากหางเวกเตอร์แรกไปยังหัวเวกเตอร์สุดท้าย และเมื่อใช้เชือก 3 เส้นดึงวงแหวนให้อยู่นิ่ง จะได้ว่า ผลรวมของแรงสองแรงแรกจะมีขนาดเท่าแรงที่สาม แต่มีทิศทางตรงกันข้าม โดยแรงลัพธ์ทั้งหมดมีค่าเป็นศูนย์
338 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ครูควรตรวจเครื่องชั่งสปริงให้อยู่ในสภาพใช้งาน โดยเข็มชี้ค่าของแรงควรเริ่มต้นที่ขีดศูนย์ ถ้าเข็มสเกล ไม่เริ่มต้นที่ขีดศูนย์ ให้ปรับสกรูที่อยู่ด้านบนของเครื่องชั่งสปริง • ในกิจกรรมนี้ นักเรียนที่ดึงเครื่องชั่งสปริง และนักเรียนที่อ่านค่าของแรง พร้อมเขียนแนวแรง ควรเป็นคนละคนกัน เพื่อให้อ่านค่าจากเครื่องชั่งสปริงได้อย่างแม่นตรง • การนำเสนอผลการทำกิจกรรม ครูสุ่มเลือกบางกลุ่มนำเสนอ โดยอาจติดผลการทำกิจกรรม รอบผนังห้องเรียนหรือจัดแสดงที่โต๊ะ • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. • วัตถุต่าง ๆ ที่เตรียมมา หรือวัตถุต่าง ๆ ที่มีในห้องเรียน ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม ตอนที่ 2 แรงที่กระทำต่อวงแหวนก่อนตัดเส้นเชือก (แรง ⃑ 3 ) ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู ตอนที่ 2 พยากรณ์การเคลื่อนที่ ⃑ 3 = 3.2 N ⃑ 2 = 4.2 N ⃑ 1 = 3 N
339 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม แนวการเคลื่อนที่ของวงแหวนเมื่อตัดแรง ⃑ 3 แรงลัพธ์ของแรง ⃑ 1 และแรง ⃑ 2 เมื่อตัดแรง ⃑ 3 เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม 1. เมื่อตัดเชือกที่เกี่ยวกับวงแหวนออก 1 เส้น ทิศทางการเคลื่อนที่ของวงแหวนเหมือนหรือแตกต่างกับ ทิศทางของแรงลัพธ์ของ 2 แรงที่เหลืออย่างไร แนวคำตอบ วงแหวนเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกับแรงลัพธ์ของ 2 แรงที่เหลือ 2. จากกิจกรรมตอนที่ 2 สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ถ้าแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์วงแหวนจะอยู่นิ่ง เมื่อแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุไม่เป็นศูนย์ วงแหวนจะเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกับทิศทางของแรงลัพธ์ 3. จากกิจกรรมทั้ง 2 ตอน สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ การหาแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุทำได้โดยเขียนแผนภาพการรวมแรงแบบหางต่อหัว และเมื่อ แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุเป็นศูนย์วัตถุจะไม่เปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ (วัตถุจะอยู่นิ่ง) แต่ถ้าแรงลัพธ์ที่ กระทำต่อวัตถุไม่เป็นศูนย์วัตถุจะเปลี่ยนแปลงสภาพการเคลื่อนที่ โดยเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกับทิศทางของ แรงลัพธ์ ⃑ 2 ⃑ 1 + ⃑ 2 ⃑ 1
340 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่นิ่ง และเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ 1. สังเกตและอธิบายแรงเสียดทานที่กระทำต่อแผ่นไม้เมื่อแผ่นไม้ไม่เคลื่อนที่และเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วคงที่ 2. เขียนแผนภาพแสดงแรงเสียดทานที่กระทำต่อแผ่นไม้เมื่อแผ่นไม้ไม่เคลื่อนที่และเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วคงที่ 45 นาที วัสดุที่ใช้ต่อกลุ่ม รายการ ปริมาณ/กลุ่ม 1. เครื่องชั่งสปริง 1 อัน 2. ถุงทรายขนาด 500 g 3 ถุง 3. แผ่นไม้ 1 แผ่น ครูควรตรวจสอบเครื่องชั่งสปริงให้อยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน และตรวจสอบให้หมุดชี้สเกลเริ่มต้นที่ เลขศูนย์ ในกรณีที่หมุดไม่ได้เริ่มที่เลขศูนย์สามารถปรับโดยหมุนนอตบนเครื่องชั่งสปริง • การดึงเครื่องชั่งสปริงต้องดึงให้เครื่องชั่งสปริงขนานกับพื้นราบ • การดึงแผ่นไม้ให้เริ่มเคลื่อนที่ต้องค่อย ๆ เพิ่มแรงที่ดึงให้มากขึ้นทีละ 1 นิวตัน บันทึกค่าของ แรงทุกครั้งจนแผ่นไม้เริ่มเคลื่อนที่ • การอ่านค่าของแรงที่ดึงแผ่นไม้ให้เริ่มเคลื่อนที่ นักเรียนอาจใช้การถ่ายรูปหรือถ่ายคลิป วีดิทัศน์โดยใช้โทรศัพท์มือถือเพื่อช่วยในการอ่านค่าของแรงได้ • ในการดึงแผ่นไม้ให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ควรให้นักเรียนคนที่ดึงเครื่องชั่งสปริงและคนที่ อ่านค่าของแรงเป็นคนละคนกันเพื่อให้อ่านค่าได้แม่นยำ • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. • โทรศัพท์มือถือ เวลาที่ใช้ใน การทำกิจกรรม วัสดุและอุปกรณ์ ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ จุดประสงค์ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู กิจกรรมที่ 4.5 แรงเสียดทานเมื่อวัตถุไม่เคลื่อนที่และเคลื่อนที่แตกต่างกันอย่างไร
341 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม ตาราง แรงที่ใช้ดึงแผ่นไม้ที่มีถุงทรายวางทับและการเคลื่อนที่ของแผ่นไม้ ค่าของแรงที่อ่านได้จากเครื่องชั่งสปริง (N) การเคลื่อนที่ของแผ่นไม้ 1.00 ไม่เคลื่อนที่ 2.00 ไม่เคลื่อนที่ 3.00 ไม่เคลื่อนที่ 4.00 ไม่เคลื่อนที่ 5.20 เริ่มเคลื่อนที่ 4.50 เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แผนภาพแสดงแรงที่ดึงวัตถุและแรงเสียดทานเมื่อแผ่นไม้ไม่เคลื่อนที่ เริ่มเคลื่อนที่ และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แรง 4.00 นิวตัน แผ่นไม้ไม่เคลื่อนที่ แรงเสียดทาน 4.00 นิวตัน แผ่นไม้เริ่มเคลื่อนที่ แรง 5.20 นิวตัน แรงเสียดทาน 5.20 นิวตัน แผ่นไม้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แรง 4.50 นิวตัน แรงเสียดทาน 4.50 นิวตัน
342 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม 1. ช่วงที่ออกแรงดึงแล้วแผ่นไม้ยังไม่เคลื่อนที่ มีแรงเสียดทานหรือไม่ ทราบได้อย่างไร แนวคำตอบ ช่วงที่ออกแรงดึงแล้วแผ่นไม้ไม่เคลื่อนที่มีแรงเสียดทาน เพราะเมื่อวัตถุอยู่นิ่ง แรงลัพธ์จะเป็นศูนย์ ดังนั้นเมื่อมีแรงกระทำต่อแผ่นไม้แล้วแรงลัพธ์เป็นศูนย์แสดงว่าต้องมีแรงอีก 1 แรงที่มีขนาดเท่ากับแรงที่ดึง แต่ทิศทางตรงกันข้ามกระทำต่อแผ่นไม้ด้วยซึ่งก็คือแรงเสียดทาน 2. ขณะที่แผ่นไม้ยังไม่เคลื่อนที่ เมื่อออกแรงดึงเพิ่มขึ้น ค่าของแรงเสียดทานเป็นอย่างไร ทราบได้อย่างไร แนวคำตอบ เมื่อออกแรงเพิ่มขึ้น แต่แผ่นไม้ยังไม่เคลื่อนที่ แรงเสียดทานจะมีค่าเพิ่มขึ้นด้วยเพื่อทำให้แรงลัพธ์ เป็นศูนย์ 3. ค่าของแรงเสียดทานขณะที่แผ่นไม้เริ่มจะเคลื่อนที่เป็นอย่างไร เมื่อเทียบกับขณะที่แผ่นไม้ยังไม่เคลื่อนที่ แนวคำตอบ กรณีแผ่นไม้เริ่มเคลื่อนที่ แรงเสียดทานขณะนั้นยังคงเท่ากับแรงที่ดึง โดยแรงที่ดึงมีค่ามากที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับแรงที่ใช้ดึงในกรณีที่แผ่นไม้ยังไม่เคลื่อนที่ จะได้ว่าแรงเสียดทานขณะนั้นจะมีค่ามากที่สุด ด้วยเมื่อเปรียบเทียบกับแรงเสียดทานในกรณีที่แผ่นไม้ยังไม่เคลื่อนที่ 4. ค่าของแรงเสียดทานขณะที่แผ่นไม้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เป็นอย่างไร เมื่อเทียบกับขณะที่แผ่นไม้เริ่ม จะเคลื่อนที่ แนวคำตอบ ขณะที่แผ่นไม้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แรงลัพธ์จะเป็นศูนย์ นั่นคือ แรงเสียดทานจะมีขนาด เท่ากับแรงที่ใช้ดึงแผ่นไม้ แต่เนื่องจากเมื่อดึงแผ่นไม้ให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แรงที่ใช้มีค่าน้อยกว่าแรงที่ใช้ ดึงให้แผ่นไม้เริ่มเคลื่อนที่ ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่า แรงเสียดทานขณะที่แผ่นไม้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่จะมี ค่าน้อยกว่าแรงเสียดทานเมื่อแผ่นไม้เริ่มเคลื่อนที่ 5. จากการเขียนแผนภาพขนาดและทิศทางของแรงเสียดทานเป็นอย่างไรเมื่อเทียบกับแรงที่ใช้ดึงแผ่นไม้ แนวคำตอบ แรงเสียดทานมีขนาดเท่ากับแรงที่ใช้ดึงวัตถุ แต่มีทิศทางตรงกันข้าม 6. จากกิจกรรม สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ เมื่อมีแรงกระทำให้วัตถุเคลื่อนที่จะมีแรงเสียดทานกระทำในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อต้าน การเคลื่อนที่ของวัตถุนั้น ถ้าวัตถุอยู่นิ่ง ถ้าแรงที่กระทำต่อวัตถุเพิ่มขึ้น แรงเสียดทานก็จะเพิ่มขึ้นด้วยจนถึงค่า แรงเสียดทานที่มากที่สุด วัตถุจะเริ่มเคลื่อนที่ และเมื่อวัตถุเคลื่อนที่แล้วแรงเสียดทานจะมีค่าลดลง
343 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับปัจจัยที่มีผลต่อขนาดของแรงเสียดทาน ออกแบบการทดลองและทดลองด้วยวิธีที่เหมาะสมเพื่อหาปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน 55 นาที วัสดุที่ใช้ต่อกลุ่ม รายการ ปริมาณ/กลุ่ม 1. เครื่องชั่งสปริง 1 อัน 2. ถุงทรายขนาด 500 g 3 ถุง 3. แผ่นไม้ 1 แผ่น 4. ถุงพลาสติก 1 ใบ 5. กระดาษทราย 1 แผ่น 6. แผ่นโฟม 1 แผ่น 7. แผ่นกระดาษลูกฟูก 1 แผ่น 8. แผ่นพลาสติกลูกฟูก 1 แผ่น ครูควรตรวจสอบเครื่องชั่งสปริงให้อยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน และตรวจสอบให้หมุดชี้สเกลเริ่มต้นที่ เลขศูนย์ ในกรณีที่หมุดไม่ได้เริ่มที่เลขศูนย์สามารถปรับโดยหมุนนอตบนเครื่องชั่งสปริง • ครูอาจจัดอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น แม่เหล็กขั้วข้าง ตาชั่งพลาสติก และเชือก ให้แก่นักเรียนกลุ่ม ที่ต้องการศึกษาว่าแรงที่วัตถุกดพื้นมีผลต่อขนาดของแรงเสียดทาน • การนำเสนอผลการทำกิจกรรม ครูเลือกกลุ่มที่ศึกษาปัจจัยเดียวกันให้นำเสนอพร้อมกัน และอาจติดผลการทำกิจกรรมที่ผนังห้องเรียนใกล้ๆ กัน และนักเรียนทุกคนเดินศึกษา (Gallery walk) ปัจจัยต่างๆ ที่มีผลต่อขนาดของแรงเสียดทาน • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. เวลาที่ใช้ใน การทำกิจกรรม วัสดุและอุปกรณ์ ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ จุดประสงค์ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู กิจกรรมที่ 4.6 ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อขนาดของแรงเสียดทาน
344 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม การออกแบบการทดลอง ปัญหา ลักษณะผิวสัมผัสมีผลต่อขนาดของแรงเสียดทานหรือไม่ สมมติฐาน ลักษณะผิวสัมผัสมีผลต่อขนาดของแรงเสียดทาน ทั้งแรงเสียดทานสถิตสูงสุด และแรงเสียดทานจลน์ ตัวแปรต้น วัตถุที่มีลักษณะผิวที่แตกต่างกัน ตัวแปรตาม ขนาดของแรงเสียดทานสถิตสูงสุดและแรงเสียดทานจลน์ ตัวแปรควบคุม แผ่นไม้ ถุงทราย เครื่องชั่งสปริงชุดเดิม และคนออกแรงกระทำคนเดิม คนที่อ่านค่าของแรงเป็นคนเดิม วิธีการทดลอง 1. ดึงแผ่นไม้ที่มีถุงทราย 3 ถุงวางทับอยู่ให้เริ่มเคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวที่มีลักษณะต่างกัน บันทึก ค่าของแรง โดยแรงที่ใช้ดึงเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่จะเท่ากับแรงเสียดทานสถิตสูงสุด 2. ทำซ้ำ โดยดึงแผ่นไม้ให้เคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วคงที่บนพื้นผิวที่มีลักษณะต่างกัน บันทึกค่า ของแรง โดยแรงที่ใช้ดึงเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่จะเท่ากับแรงเสียดทานจลน์ ตาราง ตัวอย่างแรงเสียดทานสถิตสูงสุด แรงเสียดทานจลน์ และวัตถุที่มีลักษณะพื้นผิวต่าง ๆ วัตถุ ลักษณะผิวสัมผัสได้ ขนาดของ แรงเสียดทานสถิตสูงสุด (N) ขนาดของ แรงเสียดทานจลน์ (N) แผ่นไม้กับพื้นโต๊ะ เรียบ 5.20 4.50 แผ่นไม้กับกระดาษทราย หยาบ 8.10 7.50 แผ่นไม้หุ้มถุงพลาสติกกับพื้น เรียบลื่น 4.60 4.00
345 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม (ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่นักเรียนเลือกศึกษา ในที่นี้เลือกศึกษาเกี่ยวกับลักษณะผิวสัมผัส) 1. การทดลองนี้ต้องการศึกษาปัจจัยใด แนวคำตอบ ศึกษาเกี่ยวกับลักษณะของผิวสัมผัส 2. สมมติฐานของการทดลองนี้คืออะไร แนวคำตอบ ลักษณะผิวสัมผัสที่ต่างกันมีผลต่อขนาดของแรงเสียดทานสถิตและแรงเสียดทานจลน์ 3. ผลการทดลองที่ได้สอดคล้องกับสมมติฐานที่นักเรียนตั้งไว้หรือไม่ อย่างไร แนวคำตอบ ผลการทดลองสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้ คือ ลักษณะผิวสัมผัสที่ต่างกัน ขนาดของ แรงเสียดทานจะต่างกัน โดยผิวสัมผัสที่หยาบมีแรงเสียดทานมากกว่าผิวสัมผัสที่เรียบลื่น 4. นอกจากปัจจัยที่นักเรียนศึกษาแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นอีกหรือไม่ แนวคำตอบ ขึ้นอยู่กับการทดลองตามปัจจัยที่ได้อภิปรายในชั้นเรียน เช่น ขึ้นอยู่กับแรงที่กดบนพื้นผิว ขึ้นอยู่ กับน้ำหนักที่กดทับ (ซึ่งยังไม่ใช่ปัจจัยที่ถูกต้อง) 5. จากกิจกรรม สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ปัจจัยที่มีผลต่อขนาดของแรงเสียดทาน ได้แก่ ลักษณะของผิวสัมผัสและแรงที่กดบนพื้นผิว
346 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับแรงที่น้ำกระทำต่อวัตถุและทิศทางของแรงนั้น ระบุทิศทางของแรงที่กระทำต่อวัตถุ 20 นาที วัสดุที่ใช้ต่อกลุ่ม รายการ ปริมาณ/กลุ่ม 1. ภาชนะใส่น้ำ 1 อัน 2. ถุงพลาสติก 1 ใบ -ไม่มี- • ถุงพลาสติกที่ใช้ในกิจกรรมนี้ควรเป็นถุงที่ยาว เพื่อให้สามารถจุ่มมือลงไปในน้ำได้ลึก จะได้ สังเกตถุงพลาสติกได้ชัดเจน • ในการจุ่มมือที่มีถุงพลาสติกหุ้มอยู่ลงไปในน้ำ ต้องระมัดระวังไม่ให้น้ำเข้าไปในถุง เพราะจะทำ ให้สังเกตผลได้ไม่ชัดเจน • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. เวลาที่ใช้ใน การทำกิจกรรม วัสดุและอุปกรณ์ ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ จุดประสงค์ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู กิจกรรมที่ 4.7 น้ำมีแรงกระทำต่อวัตถุหรือไม่อย่างไร
347 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม ลักษณะของถุงพลาสติก • ก่อนจุ่มมือลงไปในน้ำ ถุงพอง โดยสามารถขยับมือไปมาได้ โดยไม่สัมผัสกับถุง • ขณะจุ่มมือลงในน้ำ ถุงแฟบมาติดแนบกับมือ เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม 1. เมื่อจุ่มมือที่หุ้มถุงพลาสติกลงในน้ำ รู้สึกถึงแรงที่กระทำต่อมือหรือไม่อย่างไร แนวคำตอบ เมื่อจุ่มมือที่สวมถุงพลาสติกลงในน้ำ รู้สึกถึงแรงที่กระทำต่อมือในทุกทิศทาง 2. น้ำมีแรงกระทำต่อถุงพลาสติกหรือไม่ ทราบได้อย่างไร แนวคำตอบ น้ำมีแรงกระทำต่อถุงพลาสติก โดยสังเกตจากถุงพลาสติกมีรูปร่างเปลี่ยนไป 3. ถ้าน้ำมีแรงกระทำต่อถุงพลาสติก แรงที่น้ำกระทำมีทิศทางใด รู้ได้อย่างไร แนวคำตอบ น้ำมีแรงกระทำต่อถุงพลาสติกในทุกทิศทาง สังเกตได้จากน้ำดันถุงพลาสติกในทุกทิศทางให้แนบกับมือ 4. จากกิจกรรม สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ น้ำมีแรงกระทำต่อวัตถุโดยกระทำในทุกทิศทาง
348 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อความดันของของเหลว ออกแบบการทดลองและทดลองด้วยวิธีที่เหมาะสมเพื่อหาปัจจัยที่มีผลต่อความดันของของเหลว 1 ชั่วโมง 10 นาที วัสดุที่ใช้ต่อกลุ่ม การเตรียมน้ำสีไว้สำหรับใส่ลูกโป่งเพื่อใช้สำหรับบอกระดับของน้ำสีที่เพิ่มขึ้น ควรจัดทำสเกลบอก ระดับของเหลวที่หลอดแก้วนำแก๊ส เพื่อช่วยในการอ่านค่าระดับของเหลว การนำเสนอผลการทำกิจกรรม ครูเลือกกลุ่มที่ศึกษาปัจจัยเดียวกันให้นำเสนอพร้อมกันและอาจ ติดผลการทำกิจกรรมที่ผนังห้องเรียนใกล้กัน และนักเรียนทุกคนเดินศึกษา (Gallery walk) ปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อความดันของของเหลว • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. รายการ ปริมาณ/กลุ่ม 1. ขวดพลาสติกขนาด 1.5 ลิตร 1 ขวด 2. ของเหลวชนิดต่าง ๆ เช่น น้ำ น้ำสี น้ำเชื่อม น้ำเกลือ น้ำมันพืช ขึ้นอยู่กับขนาดของภาชนะ 3. ลูกแก้ว 1 ลูก 4. จุกยางที่เสียบหลอดแก้วนำแก๊ส 1 อัน 5. ลูกโป่ง 1 ใบ 6. ไม้บรรทัด 1 อัน เวลาที่ใช้ใน การทำกิจกรรม วัสดุและอุปกรณ์ จุดประสงค์ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู กิจกรรมที่ 4.8 ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อความดันของของเหลว ตอนที่ 1 อุปกรณ์วัดความดันของของเหลว ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้
349 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม เมื่อจุ่มอุปกรณ์วัดความดันของของเหลว คือ ลูกโป่งที่บรรจุลูกแก้วและน้ำสีไว้ลงไปในน้ำพบว่า ระดับน้ำสี ในหลอดแก้วนำแก๊สจะสูงขึ้น -ไม่มี- • ในการศึกษาความดันของของเหลว นอกจากจะใช้อุปกรณ์วัดความดันของของเหลวที่สร้าง ขึ้นแล้วอาจใช้ขวดพลาสติกบรรจุของของเหลวที่ต้องการจะศึกษา แล้วเจาะรูเพื่อให้ ของเหลวพุ่งออกจากขวด สังเกตระยะทางที่ของเหลวพุ่งออกจากขวด ซึ่งวิธีนี้จะศึกษาได้ดี กับของเหลวที่มีความหนืดต่ำ เช่น น้ำ น้ำเกลือ ส่วนของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น น้ำเชื่อม น้ำมันพืช ไม่สามารถทดลองโดยวิธีนี้ได้ • การนำเสนอผลการทำกิจกรรม ครูเลือกกลุ่มที่ศึกษาปัจจัยเดียวกันให้นำเสนอพร้อมกัน และ อาจติดผลการทำกิจกรรมที่ผนังห้องเรียนใกล้กัน และนักเรียนทุกคนเดินศึกษา (Gallery walk) ปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อความดันของของเหลว • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม 1. เมื่อจุ่มอุปกรณ์วัดความดันของของเหลวลงไปในน้ำ มีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร เพราะเหตุใด แนวคำตอบ ระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สเพิ่มขึ้น เพราะน้ำมีแรงกระทำต่อลูกโป่งในทุกทิศทางจึงบีบลูกโป่ง ทำให้ลูกโป่งดันน้ำสีในลูกโป่ง 2. จากกิจกรรมตอนที่ 1 สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ อุปกรณ์วัดความดันของของเหลวสามารถวัดแรงที่น้ำกระทำต่ออุปกรณ์นี้ได้โดยสังเกตจากระดับ น้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สที่สูงขึ้น ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู ตอนที่ 2 ปัจจัยที่มีผลต่อความดันของของเหลว
350 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม 1. ปัจจัยที่มีผลต่อความดันของของเหลว คือ ความหนาแน่นของของเหลว สมมติฐาน ที่ระดับความลึกเดียวกัน ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากจะมีความดันมาก ตัวแปรต้น ความหนาแน่นของของเหลว ตัวแปรตาม ความดันของของเหลว ตัวแปรควบคุม ขนาดขวดพลาสติก ระดับความลึก และอุปกรณ์วัดความดันของของเหลวชุดเดิม นิยามเชิงปฏิบัติการ การเปรียบเทียบความดันของของเหลว สังเกตจากระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊ส โดยถ้าความดันของ ของเหลวมาก ระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สจะขึ้นสูง วัสดุอุปกรณ์ 1. น้ำ 4. ภาชนะใส 2. น้ำเกลือ 5. อุปกรณ์วัดความดันของของเหลว 3. น้ำมันพืช 6. ไม้บรรทัด วิธีทดลอง จุ่มอุปกรณ์วัดความดันของของเหลวลงในภาชนะที่บรรจุของเหลวแต่ละชนิดให้ก้นลูกโป่งอยู่ต่ำจากผิว ของเหลวเท่า ๆ กัน สังเกตเปรียบเทียบระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊ส ตาราง ตัวอย่างระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สของของเหลวชนิดต่าง ๆ ที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน ชนิดของเหลว ความหนาแน่น ณ อุณหภูมิห้อง (25oC) (g/cm3 ) ความสูงของระดับน้ำสี (cm) น้ำ 1.0 6.0 น้ำเกลือ มากกว่า 1 7.2 น้ำมันพืช น้อยกว่า 1 4.8 น้ำ น้ำเกลือ น้ำมัน
351 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม (ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่นักเรียนเลือกศึกษา ในที่นี้เลือกศึกษาเกี่ยวกับความหนาแน่นของของเหลว) 1. การทดลองนี้ต้องการศึกษาปัจจัยใดที่มีผลต่อความดันของของเหลว แนวคำตอบ ปัจจัยที่เลือกศึกษา คือ ความหนาแน่นของของเหลว 2. สมมติฐานของการทดลองนี้คืออะไร แนวคำตอบ ที่ระดับความลึกเดียวกัน ของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก จะมีความดันมาก 3. นิยามเชิงปฏิบัติการ เพื่อสังเกตความดันของของเหลวกำหนดได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ความดันของของเหลว สังเกตจากระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊ส โดยถ้าระดับน้ำสีในหลอดแก้ว นำแก๊สสูง แสดงว่าของเหลวมีความดันมาก 4. ผลการทดลองที่ได้สอดคล้องกับสมมติฐานที่นักเรียนตั้งไว้หรือไม่ อย่างไร แนวคำตอบ ผลการทดลองเป็นไปตามสมมติฐานที่ตั้งไว้ คือ ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากจะมีความดันมาก โดยน้ำเกลือมีความหนาแน่นมากที่สุดก็มีความดันมากที่สุดด้วย ทำให้น้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สมีระดับสูงสุด 5. บอกจากปัจจัยที่นักเรียนศึกษาแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นอีกหรือไม่ที่มีผลต่อความดันของของเหลว แนวคำตอบ ปัจจัยอื่นที่มีผลต่อความดันของของเหลว นอกเหนือจากความหนาแน่นของของเหลว คือ ระดับ ความลึกของของเหลว 6. จากกิจกรรมตอนที่ 2 สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ปัจจัยที่มีผลต่อความดันของของเหลว คือ ความหนาแน่นของของเหลวและระดับความลึกของ ของเหลว 7. จากกิจกรรมทั้ง 2 ตอน สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ความหนาแน่นของของเหลวและระดับความลึกของของเหลวเป็นปัจจัยที่มีผลต่อความดันของ ของเหลว
352 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างผลการทำกิจกรรม 2. ปัจจัยที่มีผลต่อความดันของของเหลว คือ ความลึก สมมติฐาน ความดันของของเหลวขึ้นอยู่กับระดับความลึก โดยที่ระดับความลึกมาก ความดันของของเหลวจะมี ค่ามากกว่าความดันของของเหลวที่ระดับความลึกน้อย ตัวแปรต้น ระดับความลึก ตัวแปรตาม ความดันของของเหลว ตัวแปรควบคุม ขนาดขวดพลาสติก ความหนาแน่นของของเหลว และอุปกรณ์วัดความดันของของเหลวชุดเดิม นิยามเชิงปฏิบัติการ การเปรียบเทียบความดันของของเหลว สังเกตจากระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊ส โดยถ้าความดันของ ของเหลวมาก ระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สจะขึ้นสูง วัสดุอุปกรณ์ 1. น้ำ 4. อุปกรณ์วัดความดันของของเหลว 2. น้ำเกลือ 5. ไม้บรรทัด 3. ภาชนะใส วิธีทดลอง จุ่มอุปกรณ์วัดความดันของของเหลวลงในภาชนะที่บรรจุน้ำเกลือให้ก้นลูกโป่งอยู่ต่ำจากผิวของน้ำเกลือ แตกต่างกัน สังเกตเปรียบเทียบระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊ส ตาราง ตัวอย่างระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สของน้ำเกลือที่ระดับความลึกจากผิวแตกต่างกัน ระดับความลึกจากผิวของน้ำเกลือ (cm) ความสูงของระดับน้ำสี (cm) 4 4.8 5 6.0 6 7.2
353 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เฉลยคำถามท้ายกิจกรรม (ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่นักเรียนเลือกศึกษา ในที่นี้เลือกศึกษาเกี่ยวกับระดับความลึกจากผิวของของเหลว) 1. การทดลองนี้ต้องการศึกษาปัจจัยใดที่มีผลต่อความดันของของเหลว แนวคำตอบ ปัจจัยที่เลือกศึกษา คือ ระดับความลึกจากผิวของของเหลว 2. สมมติฐานของการทดลองนี้คืออะไร แนวคำตอบ สมมติฐานของการทดลองนี้ คือ ความดันของของเหลวขึ้นอยู่กับระดับความลึกจากผิวของ ของเหลว โดยที่ระดับความลึกมาก ความดันของของเหลวจะมีค่ามากกว่าความดันของของเหลวที่ระดับ ความลึกน้อย 3. นิยามเชิงปฏิบัติการเพื่อสังเกตความดันของของเหลวกำหนดได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ การเปรียบเทียบความดันของของเหลว จะสังเกตจากระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊ส โดยถ้า ความดันของของเหลวมาก ระดับน้ำสีในหลอดแก้วนำแก๊สจะขึ้นสูง 4. ผลการทดลองที่ได้สอดคล้องกับสมมติฐานที่นักเรียนตั้งไว้หรือไม่ อย่างไร แนวคำตอบ ผลการทดลองสอดคล้องกับสมมติฐานที่ตั้งไว้ คือ ที่ระดับความลึกมาก ความดันของของเหลวมี ค่ามากกว่าความดันของของเหลวที่ระดับความลึกน้อย 5. นอกจากปัจจัยที่นักเรียนศึกษาแล้ว ยังมีปัจจัยอื่นอีกหรือไม่ที่มีผลต่อความดันของของเหลว แนวคำตอบ ปัจจัยอื่นที่มีผลต่อความดันของเหลวนอกเหนือจากระดับความลึก คือ ความหนาแน่นของ ของเหลว 6. จากกิจกรรมตอนที่ 2 สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ปัจจัยที่มีผลต่อความดันของของเหลว คือ ระดับความลึกจากผิวของของเหลวและความหนาแน่น ของของเหลว 8. จากกิจกรรมทั้ง 2 ตอน สรุปได้ว่าอย่างไร แนวคำตอบ ความหนาแน่นของของเหลวและระดับความลึกจากผิวของของเหลวเป็นปัจจัยที่มีผลต่อความดัน ของของเหลว
354 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี หน่วยที่ 4 | การเคลื่อนที่และแรง คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับความหมายของแรงพยุงของของเหลว การหาค่าแรงพยุงของของเหลวและระบุ ทิศทาง 1. วิเคราะห์และอธิบายขนาดและทิศทางของแรงพยุงของของเหลว 2. เขียนแผนภาพแสดงแรงพยุงของของเหลว 45 นาที วัสดุที่ใช้ต่อกลุ่ม รายการ ปริมาณ/กลุ่ม 1. เครื่องชั่งสปริง 1 อัน 2. ดินน้ำมัน 1 ก้อน 3. เชือก 1 เส้น 4. ภาชนะใส่น้ำก้นลึก 1 ใบ ครูควรตรวจสอบเครื่องชั่งสปริงให้อยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน โดยตรวจสอบเช่นเดียวกับเรื่องแรง คือ ให้หมุดชี้สเกลเริ่มต้นที่เลขศูนย์ ในกรณีที่หมุดไม่ได้เริ่มต้นที่เลขศูนย์ สามารถปรับโดยหมุนนอตบน เครื่องชั่งสปริง • ดินน้ำมัน ควรใช้ดินน้ำมันก้อนใหญ่ที่มีน้ำหนักประมาณ 7-8 นิวตัน เพื่อให้ค่าของแรงบน เครื่องชั่งสปริงเมื่อชั่งในอากาศและในน้ำแตกต่างกันอย่างชัดเจน • อาจทดลองโดยใช้วัสดุอื่น ๆ เช่น ก้อนหิน ถ่านไฟฉาย โดยวัสดุที่เตรียมต้องมีความหนาแน่น มากกว่าน้ำ และมีน้ำหนักไม่เกินขีดสเกลของเครื่องชั่งสปริง คือ 10 นิวตัน • หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับมัธยมศึกษาปีที่ 2 เล่ม 1 สสวท. เวลาที่ใช้ใน การทำกิจกรรม วัสดุและอุปกรณ์ ข้อเสนอแนะ ในการทำกิจกรรม สื่อการเรียนรู้/ แหล่งเรียนรู้ จุดประสงค์ การเตรียมตัว ล่วงหน้าสำหรับครู กิจกรรมที่ 4.9 แรงพยุงของของเหลวเป็นอย่างไร