ตัวชี้วัด แรงในธรรมชาติ • สืบคนขอมูลและอธิบายแรงโนมถวงที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุตางๆ รอบโลก • สังเกตและอธิบายการเกิดสนามแมเหล็กเนื่องจากกระแสไฟฟา • สังเกตและอธิบายแรงแมเหล็กที่กระทําตออนุภาคที่มีประจุไฟฟาที่เคลื่อนที่ในสนามแมเหล็ก และแรงแมเหล็กที่กระทําตอลวดตัวนําที่มีกระแสไฟฟาผานในสนามแมเหล็ก รวมทั้งอธิบายหลักการทํางานของมอเตอร • สังเกตและอธิบายการเกิดอีเอ็มเอฟ รวมทั้งยกตัวอยางการนําความรูไปใชประโยชน์ • สืบคนขอมูลและอธิบายแรงเขมและแรงออน หน่วยการเรียนรู้ที่ 2
แรงจากสนามโน้มถ่วง เมื่อปล่อยวัตถุจากความสูงวัตถุนั้นจะตกลงสู่พื้น เนื่องจาก มีแรงดึงดูดจากโลกกระทําต่อวัตถุทําให้วัตถุเคลื่อนที่จาก ตําแหน่งที่สูงกว่าไปยังต่าแหน่งที่ต่่ากว่า แรงนั้นเรียกว่า แรงโน้มถ่วง (gravitational force) รอบโลกมีสนามโน้มถ่วง (gravitational field) ซึ่งส่งผลให้ เกิดแรงดึงดูดกระทําต่อมวลของวัตถุทั้งหลาย โดยสนามโน้มถ่วง ของโลกจะมีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางของโลก และแรงที่กระทําต่อ แต่ละวัตถุจะมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศตรงข้ามเสมอ
แรงจากสนามโน้มถ่วง ผิวโลก g = 9.8 m/s2 เพดานบินของเครื่องบินโดยสาร g = 9.77 m/s2 สถานีอวกาศ g = 8.68 m/s2 ดาวเทียมสื่อสาร g = 0.255 m/s2 ดวงจันทร์ g = 0.026 m/s2 สนามโน้มถ่วงที่ความสูงต่าง ๆ จากผิวโลก
แรงจากสนามโน้มถ่วง การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วงของโลก เมื่อเราปล่อยวัตถุให้ตกใกล้ผิวโลก แรงดึงดูดของโลกจะทําให้ วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น โดยวัตถุจะมีความเร่งเท่ากับ ความเร่งโน้ม ถ่วงของโลก มีค่าคงตัวเท่ากับ 9.8 เมตรต่อวินาที2 ทุก ๆ 1 วินาที ขนาดของความเร็วจะเพิ่มขึ้น 9.8 เมตรต่อวินาที t = 0 s u = 0 m/s t = 1 s v = 9.8 m/s t = 2 s v = 19.6 m/s u = 14.7 m/s t = 0 s v = 4.9 m/s t = 1 s t = 2.0 s v = 9.8 m/s t = 1.5 s v = 0 m/s t = 3.0 s v = 19.6 m/s t = 4.0 s v = 29.4 m/s t = 5.0 s v = 39.2 m/s เมื่อปล่อยวัตถุลงในแนวดิ่ง ทุก ๆ 1 วินาที ขนาดของความเร็วจะลดลง 9.8 เมตรต่อวินาที จนเป็น 0 เมื่อถึงจุดสูงสุด แล้วจึงตกลงมา เมื่อโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง
แรงจากสนามโน้มถ่วง น้่าหนัก W = mg W คือ น้ําหนักของวัตถุ (N) m คือ มวลของวัตถุ (kg) g คือ ความเร่งโน้มถ่วง ณ ตําแหน่งที่วัตถุวางอยู่ (m/s2 ) น้่าหนัก (weight) คือ แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทําต่อวัตถุซึ่งสามารถคํานวณได้จากสมการ ความเร่งโน้มถ่วง (g) จะมีค่าลดลงที่ระดับสูงขึ้นไปจากพื้นผิวโลก เนื่องจากอยู่ห่างจากศูนย์กลางของโลกมากขึ้น W = (10 kg)(9.8 m/s2 ) = 98.0 N ผิวโลก ผิวดวงจันทร์ W = (10 kg)(1.6 m/s2 ) = 16 N
แรงจากสนามไฟฟ้า แรงไฟฟ้า (electric force) เป็นแรงกระทําระหว่างประจุไฟฟ้า ซึ่งมีทั้งที่เป็นแรงผลักและแรงดึงดูด ประจุ (charge) มี 2 ชนิด F = kQ1Q2 r2 F คือ ขนาดของแรงระหว่างจุดประจุ (N) k คือ ค่าคงตัวของการแปรผัน (N m2 /C2 ) r คือ ระยะห่างระหว่างจุดประจุ (m) Q1 Q คือ ขนาดของจุดประจุ (C) 2 และ 9 × 109 N m2 /C2 ซึ่งเท่ากับ หรือ k = 1 4πε0 ประจุบวก ประจุลบ แรงไฟฟ้าระหว่างประจุต่างชนิดกันจะเป็นแรงดึงดูด แรงไฟฟ้าระหว่างประจุชนิดเดียวกันจะเป็นแรงผลัก สามารถคํานวณหาขนาดของแรงระหว่างจุดประจุได้จากสมการ
แรงจากสนามไฟฟ้า วัตถุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม และภายในอะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน (elementary particle) ซึ่งมี 3 ชนิด ดังนี้ อนุภาคมูลฐาน อะตอม เป็นอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โปรตอน (proton) มวล 1.673 × 10-27 กิโลกรัม ประจุไฟฟ้า 1.602 × 10-19 คูลอมบ์ +1 นิวตรอน (neutron) เป็นอนุภาคย่อยของอะตอมอีกตัวหนึ่งที่ไม่มีประจุไฟฟ้า มวล 1.675 × 10-27 กิโลกรัม ประจุไฟฟ้า 0 คูลอมบ์ 0 อิเล็กตรอน (electron) เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส มวล 9.109 × 10-31 กิโลกรัม ประจุไฟฟ้า 1.602 × 10-19 คูลอมบ์ -1
แรงจากสนามไฟฟ้า เส้นสนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจากประจุบวก สนามไฟฟ้าจากประจุลบ เมื่อพิจารณาบริเวณรอบ ๆ วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าจะมีสนามไฟฟ้า (electric field) แผ่กระจายในบริเวณรอบประจุ สนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุต้นก่าเนิดสองจุด จุดสะเทิน (สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์) จากกฎของคูลอมบ์สามารถหาสนามไฟฟ้าได้จากสมการ E = kQ r 2
แรงจากสนามแม่เหล็ก เส้นแรงแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กที่หันขั้วต่างกันเข้าหากัน เส้นแรงแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กที่หันขั้วเหมือนกันเข้าหากัน สนามแม่เหล็กเป็นบริเวณรอบ ๆ แท่งแม่เหล็ก ซึ่งมีแรงแม่เหล็กกระทํา ต่อวัตถุ ความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็กแสดงโดยเส้นแรง แม่เหล็ก โดยจะมีทิศพุ่งออกจากขั้วเหนือ (N) ไปยังขั้วใต้ (S) เส้นสนามแม่เหล็ก
แรงจากสนามแม่เหล็ก โลกมีสนามแม่เหล็กซึ่งมีสมบัติคล้ายกับแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่อยู่ใจกลางโลก วางตัวระหว่างทิศเหนือและทิศใต้ทางภูมิศาสตร์ของโลก สนามแม่เหล็กโลก ขั้วเหนือของเข็มทิศจะชี้ไปยังจุดทาง ทิศเหนือ เรียกว่า ทิศเหนือแม่เหล็ก และขั้วใต้ของเข็มทิศจะชี้ไปยังจุดทาง ทิศใต้ เรียกว่า ทิศใต้แม่เหล็ก ทิศใต้ทางภูมิศาสตร์ ทิศใต้แม่เหล็ก ทิศเหนือแม่เหล็ก ทิศเหนือทางภูมิศาสตร์ จะพบว่าสนามแม่เหล็กโลกมีทิศพุ่งออกจากขั้วเหนือ (ทิศใต้แม่เหล็ก) ไปยังขั้วใต้(ทิศเหนือแม่เหล็ก) แม่เหล็กสมมติใจกลางโลก จะมีขั้วใต้ชี้ไปยังทิศเหนือแม่เหล็ก และมีขั้วเหนือชี้ไปยังทิศใต้แม่เหล็ก
แรงจากสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนอกจากจะส่งแรงกระทําต่อสารแม่เหล็กแล้ว ยังส่งแรงกระทําต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าด้วย โดยสนามแม่เหล็กจะส่ง แรงกระทําต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่กําลังเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก ซึ่งแรงแม่เหล็ก (FB) จะมีทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก(B) และความเร็วของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (v) ผลของสนามแม่เหล็กต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เช่น โปรตอน FB v B อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เช่น อิเล็กตรอน FB v B FB v B คือ สนามแม่เหล็ก คือ ความเร็วของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า คือ แรงแม่เหล็ก FB = B × v สามารถหาแรงแม่เหล็กได้จากผลคูณเชิงเวกเตอร์
แรงจากสนามแม่เหล็ก ผลของสนามแม่เหล็กต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า การหาทิศของแรงแม่เหล็กโดยใช้กฎมือขวา การหาทิศของแรงแม่เหล็กบนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก การหาทิศของแรงแม่เหล็กบนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ B v v B FB B v จะใช้วิธีการเหมือนกับการหาทิศของแรงแม่เหล็ก บนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกแต่กลับทิศ 180 องศา ซึ่งก็คือ ทิศตรงข้ามกับนิ้วหัวแม่มือขวา 1 กางมือขวาออกให้นิ้วทั้งสี่เรียงชิดกัน 2 นิ้วทั้งสี่ชี้ไปตามทิศของความเร็ว (v) 3 ทิศของสนามแม่เหล็ก (B) พุ่งออกจากฝ่ามือ 4 งอนิ้วทั้งสี่เข้าหาสนามแม่เหล็ก B นิ้วหัวแม่มือจะเป็นทิศของแรงแม่เหล็ก FB 5 v B FB
B แรงจากสนามแม่เหล็ก ผลของสนามแม่เหล็กต่อตัวน่าที่มีกระแสไฟฟ้า FB I I Bout การหาทิศของแรงแม่เหล็กบนลวดตัวน่าตรง FB I I Bout การกลับทิศของกระแสไฟฟ้าส่งผลให้แรงแม่เหล็ก บนลวดตัวนําตรงกลับทิศด้วยเช่นกัน B 2 หันฝ่ามือไปตามทิศของสนามแม่เหล็ก (B) 3 งอนิ้วทั้งสี่เข้าหาทิศสนามแม่เหล็ก 1 นิ้วทั้งสี่ชี้ไปตามทิศของกระแสไฟฟ้า () นิ้วหัวแม่มือชี้ทิศของแรงแม่เหล็กบนลวด ตัวนําตรง (FB) ที่ต้องการ 4 B FB FB B
แรงจากสนามแม่เหล็ก โครงสร้างมอเตอร์อย่างง่าย เมื่อนําลวดตัวนํามาพันเป็นขดลวดแล้วนําไปวางในสนามแม่เหล็กระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็ก ซึ่งเป็นสนามสม่ําเสมอ แล้วจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด ขดลวดจะหมุนรอบแกนของขดลวด ผลที่เกิดขึ้นนี้เป็นพื้นฐานในการสร้างเครื่องวัดไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น มอเตอร์ โดยมอเตอร์แบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ มอเตอร์กระแสตรงและมอเตอร์กระแสสลับ มอเตอร์กระแสตรง แปรงสัมผัส แปรงสัมผัส แหวนผ่าซีก ขดลวด แกนหมุน มอเตอร์กระแสสลับ แหวน แหวน แปรงสัมผัส ขดลวด แกนหมุน
แรงในนิวเคลียส แรงนิวเคลียร์ (nuclear force) เป็นแรงกระทําที่เกิดขึ้น ภายในนิวเคลียส โดยทําหน้าที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคต่าง ๆ ให้ อยู่รวมกันในนิวเคลียส อนุภาคในนิวเคลียสเรียกรวมกันว่า นิวคลีออน (nucleon) นิวคลีออน แทนแรงนิวเคลียร์ เป็นแรงกระทําระหว่างนิวคลีออนให้รวมตัวกันอยู่ในนิวเคลียส สามารถยึดโปรตอนกับนิวเคลียสของอะตอมเข้าด้วยกันได้ แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force)
แรงในนิวเคลียส โครงสร้างของสสาร สสาร อะตอม ~10 m -10 อิเล็กตรอน <10 m -16 นิวเคลียส ~10 m -14 นิวคลีออน ~10 m -15 ควาร์ก <10 m -16 โมเลกุล
แรงในนิวเคลียส แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) นิวตรอนจะกลายเป็นโปรตอนผ่านการสลายตัวของอนุภาค W - โบซอน ในระดับควาร์ก การปลดปล่อย W - เปลี่ยนดาวน์ควาร์กให้ เป็นอัพควาร์ก เปลี่ยนนิวตรอนให้เป็นโปรตอน จากนั้น W - โบซอน จะสลายตัวกลายเป็นอิเล็กตรอนและปฏินิวทริโน ตามสมการ u d d นิวตรอน u d d n → p + e − + Vഥe เป็นแรงกระทําภายในแต่ละนิวคลีออน จึงเป็นแรงกระทําในระยะใกล้กว่าแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเป็นแรงที่ทํา ให้โปรตอนเปลี่ยนเป็นนิวตรอน และนิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน ผ่านการสลายให้อนุภาคบีตาของธาตุกัมมันตรังสี ส่งผลให้ทุกสิ่งอยู่ รวมกันได้ในนิวเคลียส โปรตอน u u d W-