หน่วยการเรียนรู้ที่ 1 เรื่อง แรง ( Forces )

1. หน่วยการเรียนรู้ที่ 1เรื่อง แรง (Forces) วิทยาศาสตร์ (ว 40215) ฟิสิกส์ ม.6

2. แรง (Forces) • 1. แรง • 2. ชนิดของแรง • 3. การเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือวัตถุในสนามโน้มถ่วง สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก • 4. แรงยึดเหนี่ยวในนิวเคลียส

3. 2. ชนิดของแรง

4. ผลการเรียนรู้ • 1. อธิบายความหมายของแรงโน้มถ่วง แรงยืดหยุ่น แรงตึง แรงแม่เหล็ก แรงไฟฟ้า แรงเสียดทาน และแรงหน่วงได้ • 2. คำนวณหาแรงต่าง ๆ ได้เมื่อกำหนดสถานการณ์ให้ • 3. ประยุกต์ใช้แรงต่าง ๆ ให้เกิดประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้

5. 1. แรงโน้มถ่วง (gravitational force) 2. แรงยืดหยุ่น (elasticity) 3. แรงตึง 4. แรงไฟฟ้า 5. การตรวจสอบประจุไฟฟ้า 6. แรงแม่เหล็ก 7. แรงลอยตัว 8. แรงเสียดทาน (frictional force) 2. ชนิดของแรง

6. 1. แรงโน้มถ่วง (gravitational force) • 1.1 ขนาดแรงโน้มถ่วง • 1.2 สนามโน้มถ่วง • 1.3 แรงโน้มถ่วงกับการใช้งาน

7. 1. แรงโน้มถ่วง (gravitational force) • แรงโน้มถ่วง (gravitational force) เป็นแรงดึงดูดระหว่างมวล 2 ก้อน • แรงโน้มถ่วงจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ • 1. มวลของวัตถุ • 2. ระยะห่างจากโลก

8. 1.1 ขนาดของแรงโน้มถ่วง • นิวตัน พบว่าแรงโน้มถ่วงแปรผันตรงกับมวลทั้งสอง และแปรผกผันกับระยะทาง ดังสมการ เมื่อ • F คือ แรงโน้มถ่วง (N) • r คือ ระยะทางระหว่างมวล (m) • Gคือ ค่าคงตัวความโน้มถ่วงสากล (6.67 x 10-11Nm2/kg2) • m , M คือ มวล (kg) http://www.physics.hku.hk/~nature/CD/regular_e/lectures/chap04.html

9. http://earthguide.ucsd.edu/oceanography/tides/gravity.jpg

10. 1.2 สนามโน้มถ่วง • แรงโน้มถ่วงบนมวล 1 kg เรียกว่า สนามโน้มถ่วง (g) • แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุ เรียกว่า น้ำหนัก (W) • จะมีความสัมพันธ์กัน ดังนี้ W = mg

11. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 1. มวลสองก้อน 2 kg และ 5 kg วางห่างกันเป็นระยะ 1 m จะมีแรงโน้มถ่วงเท่าไร (6.67 x 10-10N) • 2. มวลสองก้อน 4 kg และ 5 kg มีแรงโน้มถ่วง 3.335 x 10-10N จะอยู่ห่างกันเป็นระยะทางเท่าไร (2 m) • 3. จงหามวล 60 kg เมื่อนำไปวางบนผิวของดาวต่อไปนี้ • ก) โลก (600 N) • ข) ดวงจันทร์ (100 N)

12. 1.3 แรงโน้มถ่วงกับการใช้งาน • 1. ด้านพลังงาน • 2. ด้านการก่อสร้าง • 3. ด้านชลประทาน • 4. ด้านการแพทย์ • 5. ด้านกีฬา • 6. ด้านการขนส่ง • 7. ด้านการเกษตร • 8. ด้านการทหาร • 9. ด้านเวลา • 10. ด้านการสื่อสาร

13. 2. แรงยืดหยุ่น (elasticity) • 2.1 กฎของฮุค (Hooke’s law) • 2.2 ประโยชน์ของแรงยืดหยุ่น

14. 2. แรงยืดหยุ่น (elasticity) • เมื่อแรงกระทำบนวัตถุใด ๆ แล้ววัตถุนั้นเปลี่ยนรูปร่างไป เมื่อหยุดแรงกระทำ วัตถุจะกลับคืนสู่รูปร่างเดิม • แสดงว่า วัตถุนั้นมีความยืดหยุ่น (elasticity) • แรงภายในวัตถุนั้น เรียกว่า แรงยืดหยุ่น • ตัวอย่างที่เห็นชัดเจน เช่น สปริง หนังสติ๊ก เป็นต้น • ตัวอย่างที่เห็นไม่ค่อยชัดเจน เช่น เหล็ก แก้ว คอนกรีต เป็นต้น (ต้องใช้เครื่องมือวัด)

15. 2.1 กฎของฮุค (Hooke’s law) • Robert Hooke พบว่า “แรงยืดหยุ่นในสปริง แปรผันตรงกับระยะยืดหรือหดของสปริง ในช่วงระยะยืดของสปริงที่ไม่เกินขีดจำกัดของความยืดหยุ่น” F ∝ x • ดังนั้น • โดยที่ k เป็นค่าคงที่ของความยืดหยุ่น หรือค่าคงที่ของสปริง มีหน่วยเป็น นิวตัน/เมตร (N/m) F = kx

16. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 4. เมื่อสปริงมีค่าคงที่ 100 N/m ถูกถ่วงด้วยตุ้มน้ำหนัก 2 kg สปริงจะยืดออกได้เท่าใด (20 cm) • 5. ใช้แรง 50 N ดันกล่องให้ดันสปริงหดเข้าไปมากที่สุด 10 cm จงหาว่าสปริงมีค่าคงที่ของความยืดหยุ่นเท่าไร (500 N/m)

17. 2.2 ประโยชน์ของแรงยืดหยุ่น • 1. การพักผ่อน • 2. การกีฬา • 3. เครื่องออกกำลังกาย • 4. ยานพาหนะ • 5. เครื่องดนตรี • 6. อื่น ๆ เช่น เครื่องเล่น หรือเครื่องมือบางชนิด

18. 3. แรงตึง • แรงตึงเป็นแรงภายในวัตถุที่มีลักษณะเป็นเส้น เช่น เส้นเชือก เส้นลวด เส้นด้าย เป็นต้น • แรงในวัตถุยืดหยุ่นถือว่าเป็นแรงตึงได้

19. ประโยชน์ของแรงตึง • 1. แรงตึงในเส้นเชือก ลากสิ่งของหนัก ๆ เช่น รถบรรทุก เป็นต้น • 2. สายไฟฟ้าทุกเส้นมีแรงตึงที่เหมาะสม • 3. การลากจูง เป็นต้น

20. 4. แรงไฟฟ้า • 4.1 ชนิดของประจุไฟฟ้า • 4.2 กฎของคูลอมบ์ • 4.3 ทฤษฎีอะตอม • 4.4 การทำให้เกิดประจุไฟฟ้า

21. 4. แรงไฟฟ้า • ถ้าใช้แท่งอำพัน (amber) ถูกับขนสัตว์ (fur) • แท่งอำพันจะสามารถดูดวัตถุเล็ก ๆ ได้ • ปัจจุบัน เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ไฟฟ้าสถิต (static electricity) • ซึ่งมาจากคำว่า elektron ซึ่งในภาษากรีก หมายถึง แท่งอำพัน

22. 4.1 ชนิดของประจุไฟฟ้า • Benjamin Franklin เป็นผู้กำหนดชนิดของประจุไฟฟ้า • ประจุไฟฟ้ามี 2 ชนิด คือ • ประจุไฟฟ้าบวก • ประจุไฟฟ้าลบ • ประจุชนิดเดียวกัน --- ผลักกัน • ประจุต่างชนิดกัน --- ดูดกัน http://www.fmam.org/Benjamin_Franklin.jpg

23. Opposites Attract / Similar Charges Repel  http://www.sciencemadesimple.com/static.html http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/don_bahls/coulombs_law.html

24. 4.2 กฎของคูลอมบ์ • Charles Coulomb นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ได้ทดลองและสรุปว่า • แปรผันตรงกับปริมาณประจุทั้งสอง • แปรผกผันกับระยะระหว่างประจุทั้งสอง • ดังสมการ http://www.patrimoine.polytechnique.fr/collectionhomme/image/Coulombbio2.Gif

25. Coulomb’s law เมื่อ • F คือ แรงไฟฟ้า (N) • r คือ ระยะทางระหว่างประจุ (m) • kคือ ค่าคงตัวของการแปรผัน (k = 9 x 109Nm2/C2) • q , Q คือ ปริมาณประจุ (C) (รูปสมการเหมือนแรงโน้มถ่วง) http://www.sparknotes.com/chemistry/bonding/ionic/section1.html

26. Coulomb’s law • บริเวณที่ประจุไฟฟ้าได้รับแรงกระทำจากประจุอื่น ๆ เรียกว่า สนามไฟฟ้า (electric field) ใช้สัญลักษณ์ E มีหน่วยเป็น N/C • ถ้าให้ q = 1 C จะได้ E = kQ / r2 หรือ F = kqQ / r2 หรือ F = qE • เส้นทางการเคลื่อนที่ของประจุ +1 C ในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้า เรียกว่า เส้นแรงไฟฟ้า (electric lines of force) • มีทิศพุ่งออกจากประจุบวก และ พุ่งเข้าหาประจุลบ

27. A charged body creates an electric field around it. http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/e_and_v.htm

28. The force exerted on a charge q0 by an electric field E. http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/e_and_v.htm

29. เส้นแรงไฟฟ้า (electric lines of force) http://people.deas.harvard.edu/~jones/cscie129/nu_lectures/lecture6/field_vis/e_vis.html

30. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/estatics/u8l4c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/estatics/u8l4c.html

31. Equipotential lines and electric field lines for a charge near a conductor. http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/elec_charge.htm

32. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 6. จุดประจุไฟฟ้า 2 จุด มีปริมาณ 0.2 µC และ 0.5 µC อยู่ห่างกัน 3 cm จะมีแรงไฟฟ้าบนประจุทั้งสองเท่าไร (1 N) • 7. จุดประจุไฟฟ้า 2 จุด มีปริมาณ 0.2 µC และ 0.5 µC จะมีแรงไฟฟ้าบนประจุทั้งสอง 4 N ถามว่าประจุทั้งสองนี้อยู่ห่างกันเท่าไร (0.015 m) • 8. จุดที่ห่างเป็นระยะ 3 m จากจุดประจุไฟฟ้า 1 µC จะมีสนามไฟฟ้าเท่าไร (1,000 N/C)

33. 4.3 ทฤษฎีอะตอม • ค.ศ. 1913 Niels Bohr นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก ตั้งทฤษฎีอะตอมขึ้น เป็นที่ยอมรับกันในปัจจุบัน • ซึ่งอะตอมของธาตุทุกชนิดประกอบด้วย • 1. นิวเคลียส • โปรตอน • นิวตรอน • 2. อิเล็กตรอน http://web.gc.cuny.edu/ashp/nml/copenhagen/ http://education.jlab.org/qa/atom_model.html

34. 4.4 การทำให้เกิดประจุไฟฟ้า • ทำได้หลายวิธี เช่น • 1. การถูกัน • 2. การเหนี่ยวนำ • 3. การแตะกัน

35. Plastic rubbed with fur becomes negatively charged, glass rubbed with silk becomes positively charged. http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/elec_charge.htm

36. A charged comb attracts a piece of paper. http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/elec_charge.htm

37. http://faculty.clintoncc.suny.edu/faculty/Al.Cordes/students.htmhttp://faculty.clintoncc.suny.edu/faculty/Al.Cordes/students.htm

38. 5. การตรวจสอบประจุด้วยแรงไฟฟ้า • 5.1 อุปกรณ์ตรวจสอบประจุไฟฟ้า • 5.2 การตรวจสอบประจุไฟฟ้า • 5.3 วิธีทำให้มีประจุบนแผ่นโลหะของอิเล็กโทรสโคป • 5.4 ประโยชน์ของไฟฟ้าสถิต

39. 5. การตรวจสอบประจุด้วยแรงไฟฟ้า เราสามารถตรวจสอบประจุไฟฟ้าได้ 2 กรณี คือ • 1. ตรวจสอบว่าวัตถุมีประจุหรือไม่ • 2. ตรวจสอบว่าวัตถุมีประจุชนิดใด โดยอาศัยหลักการ ดังนี้ • 1. ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน • 2. ประจุต่างชนิดกันดูดกัน • 3. ประจุไฟฟ้าดูดวัตถุที่เป็นกลาง • 4. วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าทั้งคู่ไม่เกิดแรงไฟฟ้า

40. 5.1 อุปกรณ์ตรวจสอบประจุไฟฟ้า • อุปกรณ์ตรวจสอบประจุไฟฟ้า เรียกว่า อิเล็กโทรสโคป (electroscope) ซึ่งมี 2 ชนิดที่น่าสนใจ คือ • 1. อิเล็กโทรสโคปแบบลูกพิท • 2. อิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นโลหะ http://www.oberlin.edu/physics/catalog/demonstrations/em/electroscope.html

41. 5.2 การตรวจสอบประจุไฟฟ้า • 1. ตรวจสอบด้วยอิเล็กโทรสโคปแบบลูกพิท • 2. ตรวจสอบด้วยอิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นโลหะ

42. 5.3 วิธีทำให้มีประจุบนแผ่นโลหะของอิเล็กโทรสโคป • 1. โดยการแตะกัน • 2. โดยการเหนี่ยวนำ

43. Charging a metal sphere by the process of induction. http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/elec_charge.htm

44. 5.4 ประโยชน์ของไฟฟ้าสถิต • สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลายอย่าง เช่น • 1. การพ่นสี • 2. การพ่นปุ๋ย • 3. การกำจัดฝุ่นและเขม่าที่ปล่องควัน • 4. สายล่อฟ้า • 5. อันตรายจากประกายไฟฟ้าสถิต • 6. เครื่องถ่ายเอกสาร

45. 6.1 สนามแม่เหล็ก 6.2 ทฤษฎีแม่เหล็ก 6.3 การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก 6.4 การสร้างแม่เหล็ก 6.5 แม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้า 6.6 แรงแม่เหล็กบนประจุไฟฟ้า 6.7 เส้นทางการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก 6.8 แรงแม่เหล็กบนเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหล 6.9 แรงแม่เหล็กระหว่างเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหล 6.10 มอเตอร์ไฟฟ้า 6.11 แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ 6.12 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 6.13 หม้อแปลง 6.14 ประโยชน์ของแรงแม่เหล็ก 6. แรงแม่เหล็ก

46. 6. แรงแม่เหล็ก http://www.damrong.ac.th/pittaya/webstudy/Magnetic/ko1.html

47. We can use iron filings to show the look of the magnetic field. • The field lines around a bar magnet. http://www.schoolscience.co.uk/content/3/physics/copper/copch33pg1.html

48. แม่เหล็กขั้วเดียวกัน - ผลักกัน • แม่เหล็กขั้วต่างกัน - ดูดกัน http://www.readingtarget.com/magpulse/Magnets.htm

49. http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/75/force/index1.htmhttp://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/75/force/index1.htm

50. 6.1 สนามแม่เหล็ก • สนามแม่เหล็ก (magnetic field) คือ บริเวณที่แรงแม่เหล็กส่งไปถึง • ซึ่งบริเวณนี้ต้องมีเส้นแรงแม่เหล็ก • สนามแม่เหล็กมีทิศสัมผัสกับเส้นแรงแม่เหล็ก http://www.readingtarget.com/magpulse/Magnets.htm