aw stem secondary edu (n2)2.indd
TRANSCRIPT
นาวาฝาวกฤต
ระดบชนมธยมศกษาปท 2 เวลา 3 ชวโมง
สาระส�าคญ
สารไมวาจะอยในสถานะของแขงของเหลวหรอแกสลวนตองการทอยหรอการครองทในกรณทของแขงอยในของเหลวจะเกดแรงดนจากของเหลวกระท�ากบวตถสวนทจม เมอรวมแรงดนทงหมดทของเหลวกระท�าตอวตถจะไดแรงลพธทมทศทางขน เรยกแรงนวา แรงพยง (buoyant force: F
B) โดยนกปราชญชาวกรกชอ
อารคมดส (Archimedes) ไดศกษาและสรปเปนหลกการเกยวกบแรงพยงไดวา น�าหนกวตถสวนทหายไปเมอ ชงในของเหลวจะเทากบน�าหนกของของเหลวทมปรมาตรเทากบปรมาตรวตถสวนทจม
เมอวตถตางๆอยในของเหลวจะมแรงพยงกระท�าอยเสมอวตถใดทจมในของเหลวแสดงวาน�าหนกของวตถนนมคามากกวาแรงพยงในของเหลวและวตถใดทลอยในของเหลวแสดงวาแรงพยงในของเหลวมคาเทากบน�าหนกของวตถนนการเพมแรงพยงสามารถท�าไดโดยการท�าใหปรมาตรของของเหลวทถกวตถแทนทมคาเพมขนเชนการน�าเหลกมาตอและขนรปเปนเรอจะสามารถท�าใหกอนเหลกทจมน�าสามารถลอยน�าได
ในการสรางพาหนะเพอบรรทกสงของใหลอยน�านนจะใชหลกการเรองแรงพยงเขามาเกยวของ การหาขนาดของแรงพยงจากมวลและปรมาตรของพาหนะจะชวยใหสามารถบอกมวลของสงของทจะบรรทกได เพอปองกนการบรรทกสงของมากเกนจนเปนเหตใหพาหนะลม การบรรทกสงของบนพาหนะตองจดวางสงของ ทท�าใหศนยถวงไมอยนอกฐานและอยในสภาพสมดลตอการหมนเพอไมใหพาหนะเกดการพลกคว�า ในขณะเดยวกนยงมปจจยอนๆทตองค�านงถงเชนวสดทใชสรางรปรางของพาหนะความแขงแรงของพาหนะในการบรรทกสงของ
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
20
ตวชวดตามหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐาน
วทยาศาสตร คณตศาสตร เทคโนโลย*
1.ลงมอปฏบตและอธบายแรงพยงในของเหลวและเขยนแผนภาพเพอแสดงแรงทท�าใหวตถจมหรอลอย
2.ทดลองอธบายและค�านวณโมเมนตของแรงเมอวตถอยในสภาพสมดลตอการหมนและน�าความรไปใชประโยชน
1.ประยกตใชความรเรองปรมาตรของปรซมทรงกระบอกกรวยพระมดและทรงกลมในการแกปญหาคณตศาสตรและปญหาในชวตจรง
1.สรางสงของเครองใชหรอผลตภณฑอยางมความคดสรางสรรคตามกระบวนการเทคโนโลยตงแตก�าหนดปญหาหรอความตองการรวบรวมขอมลเลอกวธการออกแบบโดยถายทอดความคดเปนภาพฉายแลวลงมอสรางทดสอบปรบปรงแกไขและประเมนผล
หมายเหต:*ตวชวดเทคโนโลย(T)ในทนจะรวมตวชวดสาระการออกแบบและเทคโนโลยและสาระเทคโนโลยสารสนเทศและการสอสารในขณะทวศวกรรมศาสตร(E)ไมไดปรากฏในหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐานแตกระบวนการออกแบบเชงวศวกรรมสามารถเทยบเคยงไดจากกระบวนการเทคโนโลยในตวชวดสาระการออกแบบและเทคโนโลย
สาระการเรยนร
วทยาศาสตร คณตศาสตร เทคโนโลย
- เมอวตถอยในของเหลวมแรงพยงเนองจากของเหลวกระท�าตอวตถการจมหรอการลอยของวตถขนอยกบน�าหนกของวตถและแรงพยงถาน�าหนกของวตถและแรงพยงของของเหลวมคาเทากนวตถจะลอยนงอยในของเหลวแตถาน�าหนกของวตถมคามากกวาแรงพยงของของเหลววตถจะจม
- เมอมแรงกระท�าตอวตถทไมผานศนยกลางมวลจะท�าใหวตถเกดการหมนรอบจดหมนเกดโมเมนตของแรง
- การหาปรมาตรของรปเรขาคณตสามมต
- การน�าความรเกยวกบปรมาตรไปใชในการแกปญหา
- การสรางสงของเครองใชหรอวธการตามกระบวนการเทคโนโลยท�าใหผเรยนท�างานอยางเปนกระบวนการสามารถยอนกลบมาแกไข ไดงาย
- การถายทอดความคดเปนการสอสารแนวคดทใชแกปญหาหรอสนองความตองการใหเปนรปธรรมเพออธบายและสอสารใหผอนเขาใจ
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
21
วทยาศาสตร คณตศาสตร เทคโนโลย
- โมเมนตของแรงเปนผลคณของแรงทกระท�าตอวตถและระยะทางจากจดหมนไปตงฉากกบแนวแรงเมอผลรวมของโมเมนตของแรงมคาเปนศนยวตถจะอยในสภาพสมดลตอการหมน
- ของเลนหลายชนดประกอบดวยอปกรณหลายสวนทใชหลกการโมเมนตของแรงความรเรองโมเมนตของแรงสามารถน�าไปใชออกแบบและประดษฐของเลนได
หมายเหต:สาระการเรยนรวทยาศาสตรเรองศนยถวงและความหนาแนนไมมในตวชวดตามหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐานแตเปนความรทจ�าเปนส�าหรบการออกแบบและสรางชนงาน
กรอบแนวคด
E: วศวกรรมศาสตร • กระบวนการออกแบบเชงวศวกรรม
(สรางแพจ�าลองทบรรทกสงของไดมากทสด)
M: คณตศาสตร • การหาปรมาตรของรปเรขาคณตสามมต
S: วทยาศาสตร*• แรงพยง• โมเมนตของแรง• ศนยถวง• ความหนาแนน
T: เทคโนโลย• การถายทอดความคด• การเลอกใชวสด
นาวาฝาวกฤต
*เปนวชาหลกในการน�ากจกรรมน
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย(สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
22
จดประสงคของกจกรรม 1. อธบายหลกการทางวทยาศาสตรเกยวกบความหนาแนนแรงพยงศนยถวงโมเมนตของแรงสมดล
ตอการหมนทใชในการสรางแพ 2. หาปรมาตรของทรงกระบอกทใชในการสรางแพ 3. ถายทอดแนวคดในการออกแบบแพเพออธบายและสอสารใหผอนเขาใจ 4. เลอกใชวสดในการสรางแพอยางเหมาะสมพรอมทงอธบายเหตผลสนบสนน 5. สรางและทดสอบประสทธผลของแพ
วสดอปกรณ
ท รายการ จ�านวนตอกลม
ท รายการ จ�านวนตอกลม
1ขวดพลาสตกพรอมฝาปดขนาดเลกขนาดเสนผานศนยกลาง9เซนตเมตรสง7เซนตเมตร
6อน 8 กระดาษกาว2หนาแบบหนา 1มวน
2 ไมไอศกรม 10อน 9 กะละมง 1ใบ
3 แผนพลาสตกลกฟกขนาดA4 2แผน 10 ไมเสยบลกชน 3ไม
4 ดนน�ามนมวล150กรม 5กอน 11 เทปกาวปดกลอง 1มวน
5 กลองพลาสตกใส 1ใบ 12 กรรไกรคตเตอรแผนรองตด 1ชด
6 ถวยโฟม 1ใบ 13 เครองชง 1เครอง
7 ถวยพลาสตกขนาดเลก 1ใบ 14 ไมบรรทด 1อน
แนวการจดกจกรรมการเรยนร
ขนระบปญหา 1. ครน�าเขาสบทเรยนโดยการอภปรายรวมกบนกเรยนในหวขอปญหาและอปสรรคทมากบน�าทวมม
อะไรบาง (แนวค�าตอบเชอโรคปญหาในการอปโภคและบรโภคและการคมนาคมขนสง) 2. ครรวมกนอภปรายกบนกเรยนเกยวกบแนวทางในการแกปญหาจากสถานการณน�าทวม โดยคร
ใชค�าถามกระตนวา มวธการใดบางทจะไมท�าใหสงของเปยกน�าเมอเผชญกบภาวะวกฤตน�าทวม (แนวค�าตอบ น�าสงของใสลงไปในภาชนะทสามารถลอยน�าไดแลวปดฝาใหสนท เชน ถงพลาสตกขวดหรอถงพลาสตกน�าสงของไปตงหรอแขวนไวในทสงท�าก�าแพงส�าหรบกนน�าไมใหน�าเขามาทวมสงของ)
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
23
3. ครเปดวดทศนเกยวกบสงประดษฐทสรางขนโดยคนไทยในชวงเหตการณมหาอทกภยในประเทศไทยทเกดขนเมอปพ.ศ.2554พรอมทงใหนกเรยนจดบนทกวาสงประดษฐฝาวกฤตอทกภยทปรากฏในวดทศนมอะไรบาง
4. ครและนกเรยนรวมกนอภปรายเกยวกบสงประดษฐฝาวกฤตอทกภยทปรากฏในวดทศนโดยมประเดนในการอภปรายดงน
- สงประดษฐทปรากฏในวดทศนมอะไรบาง (แนวค�าตอบ เครองกรองน�า เครองเตอนไฟรว เครองเตอนน�าทวม รถมอเตอรไซดยกสง รถ
มอเตอรไซดลยน�าสวมใชแลวทงรองเทายกสงท�าจากเกาอพลาสตกโตะคอมพวเตอรลอยน�ารถยนตลอยน�ารถสองแถวลอยน�ากะละมงลอยน�า)
- สงทปรากฏในวดทศนทชวยใหวตถบางอยาง เชนรถยนตมอเตอรไซตคนสามารถลอยอยเหนอน�าไดมอะไรบาง
(แนวค�าตอบแผนโฟมกะละมงถงน�ามนขวดน�าไมไผ) 5. ครแบงนกเรยนออกเปนกลม กลมละ 4-5 คน แลวสมมตสถานการณปญหาเพอใหนกเรยนแตละ
กลมศกษารายละเอยดและเงอนไขของสถานการณปญหาดงน “นกเรยนเปนวศวกรทจะตองออกแบบและสรางแพส�าหรบบรรทกสงของในชวงวกฤตน�าทวมใหได
ปรมาณมากทสดโดยใชงบประมาณในการสรางอยางคมคาและระบปรมาณสงของทแพจะสามารถบรรทกไดอยางแมนย�าเพอปองกนไมใหแพจมน�าจนท�าใหสงของเปยกน�า”
ขนรวบรวมขอมลและแนวคดทเกยวของกบปญหา 6. ครและนกเรยนรวมกนอภปรายวาถาตองการใหการออกแบบและสรางแพส�าหรบการบรรทกสงของ
เปนไปอยางมประสทธภาพจะตองท�าการศกษาปจจยอะไรบางทเกยวของกบการสรางแพจากนนครน�าเขาสกจกรรมการเรยนร4กจกรรมโดยชแจงใหนกเรยนทราบวาเพอใหการออกแบบและสรางแพส�าหรบการบรรทกสงของเปนไปอยางมประสทธภาพนกเรยนจะตองท�าการศกษาปจจยตาง ๆทเกยวของกบการสรางแพจากกจกรรม4กจกรรมดงตอไปน
กจกรรมท 1 ท�าดนน�ามนใหลอยน�าไดอยางไร 1. ครแจกดนน�ามนใหกบนกเรยนกลมละ1กอนจากนนใหนกเรยนชงมวลของดนน�ามนแลวบนทก
ผลลงในใบกจกรรมท1ขอ1 2. ครใหนกเรยนแตละกลมคาดคะเนวาถาปนดนน�ามนทงกอนเปนทรงกลมปรซมสเหลยมและ
แผนบาง ๆ ดนน�ามนรปทรงดงกลาวจะลอยน�าหรอไม จากนนบนทกผลการคาดคะเนลงใน ใบกจกรรมท1ขอ2
3. นกเรยนแตละกลมท�าการทดลองโดยน�าดนน�ามนทปนเปนทรงกลม ปรซมสเหลยม และแผนบางๆมาทดสอบการลอยน�าจากนนบนทกผลการทดลองลงในใบกจกรรมท1ขอ2และเปรยบเทยบผลการคาดคะเนและผลทไดจากการทดลองวาเหมอนกนหรอไมอยางไร
4. ครและนกเรยนอภปรายและลงขอสรปรวมกนวาดนน�ามนทปนเปนทรงกลมปรซมสเหลยม
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
24
และแผนบางๆ จะไมลอยน�าจากนนใหนกเรยนแตละกลมรวมกนออกแบบรปทรงของดนน�ามนทสามารถลอยน�าไดโดยการรางภาพลงในใบกจกรรมท1ขอ3
5. นกเรยนแตละกลมท�าการปนดนน�ามนใหเปนรปทรงตามทออกแบบไวแลวทดสอบการลอยน�าโดยอนญาตใหนกเรยนสามารถปรบปรงชนงานจนกวาดนน�ามนจะสามารถลอยน�าได
6. ครและนกเรยนอภปรายรวมกนวาดนน�ามนทปนเปนทรงกลมปรซมสเหลยมและแผนบางๆกบดนน�ามนทนกเรยนออกแบบใหลอยน�ามมวลเทากนหรอไมจากนนใหนกเรยนน�าดนน�ามนทลอยน�าไปชงมวลพรอมบนทกผลลงในใบกจกรรมท1ขอ4และขอ5
7. ครและนกเรยนรวมกนอภปรายวาเหตใดดนน�ามนทนกเรยนออกแบบจงลอยน�าไดทงๆทมมวลเทาเดมโดยการศกษาใบความรท1เรองแรงพยงจากนนใหนกเรยนสรปผลการอภปรายลงในใบกจกรรมท1ขอ6ซงควรไดขอสรปวาดนน�ามนทลอยน�าไดนนจะเปนรปทรงทมชองวางของอากาศอย เมอน�าไปลอยน�าจะมปรมาตรของของเหลวทถกแทนทมากกวาดนน�ามนทรงตนเชนปรซมสเหลยมแผนบางๆแรงพยงทกระท�ากบดนน�ามนทมชองวางของอากาศอยจะมคามากกวาดนน�ามนรปทรงตน จงท�าใหดนน�ามนทมชองวางของอากาศสามารถลอยน�าไดซงสามารถอธบายไดดวยภาพจ�าลองดงน
รปทรงก
ภาพจ�าลองดนน�ามนทปนเปนปรซมสเหลยม
รปทรงข
ภาพจ�าลองดนน�ามนทปนเปนแผนบางๆ
รปทรงค
ภาพจ�าลองดนน�ามนทปนเปนรปทรงคลายเรอ
ภาพการจ�าลองน�าดนน�ามนทปนเปนรปทรงตางๆไปวางไวทผวน�า
จากภาพจ�าลองจะพบวาเมอน�ารปทรงทง3ทถกสรางโดยใชกลองลกบาศกตนจ�านวนเทากนไปวางไวทผวน�ารปทรงคมปรมาตรของน�าทถกแทนทมากกวารปทรงอนเนองจากเปนรปทรงทมชองวางของอากาศทบรเวณตรงกลางเมอปรมาตรของน�าถกแทนทดวยวตถมคาเพมขนแรงพยงกมคาเพมขนดงนนวตถรปทรงคจงมแนวโนมทจะลอยน�าไดมากกวารปทรงกและขในท�านองเดยวกนเมอเปรยบเทยบกบดนน�ามนรปทรงตางๆจะพบวาการท�าดนน�ามนใหมรปทรงคลายเรอโดยมชองวางของอากาศอยบรเวณตรงกลางมแนวโนมทจะลอยน�าไดมากกวาดนน�ามนรปทรงตนเชนปรซมสเหลยมแผนบางๆ
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
25
8. ครเชอมโยงความรทไดจากการท�ากจกรรมท1กบการสรางแพวาในการออกแบบและสรางแพเพอใหลอยน�าไดดนนวสดทน�ามาใชเปนทนตองเปนวสดทมชองวางของอากาศมากเพอใหแรงพยงมคามากซงในกจกรรมนคอขวดพลาสตกไมไอศกรมและแผนพลาสตกลกฟก
กจกรรมท 2 วตถอยสงหรอต�ามผลตอการทรงตวของเรออยางไร 1. ครน�าเขาสกจกรรมโดยการตงค�าถามวา การบรรทกสงของทชนบนของเรอกบชนลางของเรอ
จะมผลตอความสามารถในการทรงตวของเรอหรอไม อยางไร เมอนกเรยนไดรวมกนอภปรายเรยบรอยแลวครจงบอกนกเรยนวานกเรยนสามารถหาค�าตอบไดจากการท�ากจกรรมท2น
2. ครน�าตวอยางเรอสองชนทท�าจากถวยโฟมมาแสดงพรอมตงค�าถามวาจะสามารถวางดนน�ามนกอนเลกทรงกลม4กอนในเรอสองชนไดรปแบบไหนบางโดยใหนกเรยนแตละกลมวาดรป4รปแบบลงในใบกจกรรมท2
3. ครใหนกเรยนแตละกลมคาดคะเนวา การวางดนน�ามนกอนเลกทรงกลม4กอนในเรอสองชนแตละรปแบบจะท�าใหเรอทรงตวอยไดหรอไมจากนนบนทกผลการคาดคะเนลงในใบกจกรรมท2
4. นกเรยนแตละกลมสรางเรอ2ชนตามแบบแลวท�าการทดลองวางดนน�ามนกอนเลกทรงกลม4กอนในเรอสองชนตามต�าแหนงตางๆ ทไดออกแบบไวในขอ3จากนนบนทกผลการทดลองลงในใบกจกรรมท2และเปรยบเทยบผลการคาดคะเนและผลทไดจากการทดลองวาเหมอนหรอแตกตางกนหรอไมอยางไร
5. ครและนกเรยนรวมกนอภปรายวาเหตใดต�าแหนงทบรรทกสงของบนเรอจงมผลตอการทรงตวของเรอโดยการศกษาใบความรท2เรองศนยถวงจากนนใหนกเรยนสรปผลการอภปรายลงในใบกจกรรมท2ซงควรไดขอสรปวาศนยถวงของเรอมผลตอการทรงตวของเรอโดยเรอทบรรทกวตถอยในต�าแหนงทสงจะมต�าแหนงศนยถวงอยสงดวยจงท�าใหเรอพลกคว�าไดงายในขณะทเรอทบรรทกวตถอยในต�าแหนงทต�าจะมต�าแหนงศนยถวงอยต�าดวย จงท�าใหเรอสามารถลอยอยในแนวระดบไดโดยไมพลกคว�า
6. ครเชอมโยงความรทไดจากการท�ากจกรรมท2กบการสรางแพวาการสรางแพและการบรรทกสงของบนแพตองพยายามท�าใหจดศนยถวงอยต�าทสดเทาทจะท�าไดเพอใหแพยงทรงตวอยบนผวน�าไดโดยไมพลกคว�า
กจกรรมท 3 บรรทกสงของไดเทาใด 1. ครน�าเขาสกจกรรมโดยการแจกขวดพลาสตกทจะใชเปนทนในการสรางแพกลมละ1อนพรอม
ตงค�าถามและใหนกเรยนรวมกนอภปรายวาจะทราบไดอยางไรวาขวดทรงกระบอกนสามารถบรรทกสงของเขาไปขางในขวดไดมากทสดเทาไรโดยทขวดยงไมจมน�า
2. ครทบทวนความรของนกเรยนเกยวกบเรองความหนาแนนของวตถโดยใหนกเรยนเขยนความสมพนธระหวางความหนาแนน(r)มวล(m)และปรมาตร(V)ลงในใบกจกรรมท3ขอ1
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
26
3. ครทบทวนความรของนกเรยนเกยวกบเรองแรงพยงโดยใหนกเรยนเขยนความสมพนธระหวางขนาดของแรงพยง(F
B)ความหนาแนนของของเหลว(r)ปรมาตรของของเหลวทถกแทนท(V)
และขนาดของความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก(g)ลงในใบกจกรรมท3ขอ2 4. นกเรยนศกษาใบความรท1เรองแรงพยงและใบความรท3เรองความหนาแนนแลวอภปราย
รวมกนวาจะหาปรมาณสงของทจะบรรทกเขาไปในขวดพลาสตกไดมากทสดเทาไรโดยทขวดยงสามารถลอยน�าไดซงควรไดขอสรปวาขนาดของน�าหนกวตถจะตองมคานอยกวาหรอเทากบขนาดของแรงพยงหรอขนาดน�าหนกของของเหลวทถกวตถแทนทนนคอmg≤rVgจะไดวาm≤rV ดงนนในการค�านวณหามวลของวตถจะตองทราบความหนาแนนของน�าและปรมาตรของขวดพลาสตก
5. นกเรยนบอกความหนาแนนของน�าโดยบนทกลงในใบกจกรรมท3ขอ3 6. นกเรยนศกษาใบความรท4เรองการหาปรมาตรของรปเรขาคณตสามมตแลวแสดงวธการหา
ปรมาตรของขวดพลาสตกลงในใบกจกรรมท3ขอ4 7. นกเรยนแตละกลมแสดงวธการหาปรมาณสงของทจะบรรทกเขาไปในขวดพลาสตกไดมากทสด
โดยทขวดยงไมจมน�าลงในใบกจกรรมท3ขอ5 8. นกเรยนแตละกลมทดสอบผลการค�านวณโดยการน�าดนน�ามนบรรจลงไปในขวดพลาสตกใหได
มวลตามทค�านวณไวแลวไปทดสอบการลอยน�าจากนนบนทกผลการทดสอบลงในใบกจกรรมท3ขอ6
9. ครเชอมโยงความรทไดจากการท�ากจกรรมท 3 กบการสรางแพโดยใหนกเรยนน�าขอมลทไดจากกจกรรมนมาคาดการณวาถาพจารณาความสามารถในการบรรทกสงของของแพทใชขวดพลาสตกเปนทนจ�านวนตางๆจะสามารถบรรทกดนน�ามนไดมากทสดเทาใดโดยบนทกผลลงในใบกจกรรมท3ขอ7และขอ8
กจกรรมท 4 วางวตถอยางไรใหเรอสามารถทรงตวอยได 1. ครน�าเขาสกจกรรมโดยการตงค�าถามและอภปรายรวมกนกบนกเรยนวา การบรรทกสงของท
ระดบเดยวกนแตวางในต�าแหนงตางๆ ของเรอเชนกลางเรอขอบเรอจะมผลตอความสามารถในการลอยอยในแนวระดบของเรอหรอไมอยางไร
2. ครน�ากลองพลาสตกใสมาใหนกเรยนแตละกลมพรอมตงค�าถามและใหนกเรยนรวมกนอภปรายวาหากเปรยบกลองพลาสตกใสเปนเรอแลวจะสามารถวางดนน�ามน2กอนในต�าแหนงตางๆ ของกลองพลาสตกใสนไดรปแบบใดบาง พรอมทงใหนกเรยนแตละกลมคาดคะเนวา การวางดนน�ามน2กอนทต�าแหนงตางๆของกลองพลาสตกใสแตละรปแบบจะท�าใหเรอทรงตวอยไดหรอไมจากนนบนทกแบบรางและผลการคาดคะเนลงในใบกจกรรมท4
3. นกเรยนแตละกลมท�าการทดสอบวางดนน�ามนทต�าแหนงตางๆตามทไดออกแบบไวจากนนบนทกผลการทดสอบลงในใบกจกรรมท4
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
27
4. ครและนกเรยนรวมกนอภปรายวาเหตใดต�าแหนงทบรรทกสงของบนเรอในระดบเดยวกนจงมผลตอการทรงตวของเรอโดยการศกษาใบความรท5เรองโมเมนตของแรงจากนนใหนกเรยนสรปผลการอภปรายลงในใบกจกรรมท4ซงควรไดขอสรปวาต�าแหนงในการวางวตถมผลตอการทรงตวในแนวระดบของเรอทบรรทกวตถนน ถาวางวตถทง 2 กอนทต�าแหนงหางจากจดกงกลางของเรอไปฝงใดฝงหนงจะมแรงกระท�าตอวตถทไมผานศนยกลางมวลท�าใหวตถเกดการหมนรอบจดหมนเกดโมเมนตของแรง(โมเมนตของแรงเปนผลคณของแรงทกระท�าตอวตถและระยะทางจากจดหมนไปตงฉากกบแนวแรง)สงผลท�าใหเรอหมนหรอเอยงแตถาวางวตถ2กอนในต�าแหนงทท�าใหผลรวมโมเมนตของแรงมคาเปนศนยคอผลรวมโมเมนตของแรงทวนเขมนาฬกาเทากบผลรวมโมเมนตของแรงตามเขมนาฬกาวตถจะอยในสภาพสมดลตอการหมนสงผลใหเรอสามารถทรงตวอยในแนวระดบได
5. ครเชอมโยงความรทไดจากการท�ากจกรรมท4กบการสรางแพวาการสรางแพและการบรรทกสงของลงบนแพ ตองท�าใหผลรวมของโมเมนตของแรงมคาเปนศนยหรอเกดสภาพสมดลตอการหมนนนคอผลรวมโมเมนตของแรงทวนเขมนาฬกาเทากบผลรวมโมเมนตของแรงตามเขมนาฬกาเพอใหแพไมพลกคว�า
ขนออกแบบวธการแกปญหา 7. ครทบทวนสถานการณปญหาในกจกรรมนอกครงวานกเรยนจะตองสรางแพทสามารถบรรทกสงของ
ไดมากทสดและใชงบประมาณอยางคมคามากทสดโดยเชอมโยงความรทนกเรยนไดรบจากการท�ากจกรรมท1-4กบการออกแบบและสรางแพดงน
- กจกรรมท1ท�าใหนกเรยนไดทราบวาในการออกแบบและสรางแพเพอใหลอยน�าไดดนนวสดทน�ามาใชเปนทนตองเปนรปทรงทมชองวางของอากาศมากเพอท�าใหมปรมาตรน�าทถกแทนทมากขนสงผลใหแรงพยงมคามาก
- กจกรรมท2ท�าใหนกเรยนไดทราบวาการออกแบบและสรางแพเพอบรรทกสงของตองค�านงถงศนยถวงของแพโดยจะตองท�าใหศนยถวงของแพและสงของทบรรทกอยในระดบต�าทสดจงจะท�าใหแพสามารถทรงตวอยไดโดยไมพลกคว�า
- กจกรรมท 3 ท�าใหนกเรยนไดทราบวา ปรมาณสงของทแพจะบรรทกไดสามารถพจารณาไดจากขนาดของแรงพยงและน�าหนกของวตถโดยขนาดของแรงพยงทกระท�าตอวตถทลอยน�าจะตองมคามากกวาหรอเทากบน�าหนกของวตถ ซงขนาดของแรงพยงจะมคาเทากบน�าหนกของของเหลวทถกวตถแทนท
- กจกรรมท4ท�าใหนกเรยนไดทราบวาการบรรทกสงของบนแพตองท�าใหผลรวมโมเมนตของแรงทวนเขมนาฬกาเทากบผลรวมโมเมนตของแรงตามเขมนาฬกาเพอใหเกดสภาพสมดล
8. ครก�าหนดเงอนไขเกยวกบวสดและอปกรณทใชในการสรางแพโดยวสดทใชในการสรางแพคอแผนพลาสตกลกฟก ไมไอศกรม และขวดพลาสตก ซงวสดแตละชนดมราคาทใชจายเพอเปนตนทนในการสรางแพสวนกระดาษกาวส�าหรบยดตดนกเรยนสามารถใชไดอยางไมจ�ากดโดยไมคดคาใชจายส�าหรบราคาวสดและอปกรณมดงน
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
28
- ขวดพลาสตกราคา5บาท - แผนพลาสตกลกฟกราคา8บาท - ไมไอศกรมราคา1บาท 9. ครอธบายเงอนไขในการบรรทกสงของบนแพทสรางขนคอ - แพทสรางขนจะตองลอยอยในกะละมงทใสน�า โดยทแพจะตองไมสมผสกบขอบหรอกนของ
กะละมง - สงของทบรรทกลงบนแพทสรางขนคอดนน�ามนซงจะมการเพมปรมาณการบรรทกครงละ1
กอนโดยไมมการเปลยนรปและปรบแตงรปรางของดนน�ามน - การบรรทกดนน�ามน1กอนไดรบเงนจ�านวน10บาท - แตละกลมจะตองระบเปาหมายทจะบรรทกไดถาบรรทกไดจรงตามทระบไวจะไดเงนโบนส15บาท - หลงจากไดรบโบนสแลวถาบรรทกดนน�ามนไดเพมจะไดเงน5บาท - พาหนะจะตองบรรทกดนน�ามนใหลอยอยเหนอน�าได อยางนอย 5 วนาท จงจะสามารถเพม
ปรมาณดนน�ามนในล�าดบตอไปได - ในการบรรทกดนน�ามนแตละรอบสามารถท�าซ�าไดรอบละ2ครงเมอครบ2ครงแลวยงไม
สามารถบรรทกไดใหถอวาปรมาณดนน�ามนในล�าดบกอนหนาเปนปรมาณทบรรทกไดสงทสด - หามสวนใดสวนหนงของกอนดนน�ามนทวางบนแพทสรางขนสมผสกบน�า 10. ครเชอมโยงสถานการณปญหากบสถานการณในชวตจรงวา ในการสรางแพตาง ๆ จ�าเปนทจะ
ตองทราบปรมาณสงของหรอผโดยสารทแพสามารถบรรทกได เพอใหสามารถขนสงไดปรมาณมากทสดแตยงคงมความปลอดภย โดยครอาจยกตวอยางกรณแพหรอโปะลมเนองจากการบรรทกคนมากเกนกวาจ�านวนทก�าหนด จากนน ครจงชแจงเพมเตมวา เพอใหเกดความปลอดภยกบสงของทบรรทก นกเรยนจะตองคาดการณปรมาณดนน�ามนทแพทนกเรยนจะสามารถบรรทกได โดยใชขอมลทไดจากกจกรรมท3ถาปรมาณดนน�ามนทคาดการณวาจะบรรทกไดเทากบปรมาณทบรรทกไดจรงจะไดเงนโบนส15บาท
11. นกเรยนแตละกลมรางแบบเรอทจะสรางขนพรอมบอกปรมาณวสดอปกรณทใชค�านวณคาใชจายทใชและคาดการณปรมาณสงของทจะบรรทกไดโดยบนทกในใบกจกรรมท5ขอ12และ3
ขนวางแผนและด�าเนนการแกปญหา 12. นกเรยนวางแผนการท�างานรวมกนแลวลงมอสรางแพตามรปแบบและวสดอปกรณทแตละกลมออกแบบไว
ขนทดสอบ ประเมนผล และปรบปรงแกไขวธการแกปญหาหรอชนงาน 13. นกเรยนท�าการทดสอบแพทสรางขนพรอมทงสงเกตและบนทกผลการทดสอบลงในใบกจกรรมท5
ขอ4 14. นกเรยนน�าผลการทดสอบแพทสรางขนมาหาแนวทางในการปรบปรงแกไขชนงานใหดขน เพอให
สามารถบรรทกดนน�ามนใหไดมากทสด จากนนลงมอปรบปรงชนงานแลวน�าไปทดสอบการท�างานอกครงพรอมกบบนทกขอมลการทดสอบลงในใบกจกรรมท5ขอ4
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
29
ขนน�าเสนอวธการแกปญหา ผลการแกปญหา หรอชนงาน 15. นกเรยนน�าเสนอแนวคดในการออกแบบและสรางแพและผลการทดสอบแพ 16. ครและนกเรยนรวมกนอภปรายและสรปเกยวกบการท�ากจกรรมในประเดนดงตอไปน - แพทนกเรยนสรางขนสามารถบรรทกสงของไดปรมาณมากและคมคาในการสรางหรอไมอยางไร
เพราะเหตใดจงเปนเชนนน - ลกษณะของแพทบรรทกสงของไดปรมาณมากๆ และคมคาในการสรางเปนอยางไรเพราะเหต
ใดจงเปนเชนนน - แพทนกเรยนสรางขนสามารถบรรทกของไดจ�านวนเทากบทคาดการณหรอไมอยางไร เพราะ
เหตใดจงเปนเชนนน - วธการทดทสดทใชในการคาดการณปรมาณสงของทบรรทกไดใหแมนย�าคออะไร 17. นกเรยนบนทกผลการอภปรายลงในใบกจกรรมท5ขอ5 18. ครอาจเชอมโยงความรโดยใหนกเรยนสบคนขอมลเพมเตมเกยวกบการออกแบบและสรางแพ เชน
การบรรทกสงของลงเรอจะบรรทกทบรเวณทองเรอ การออกแบบฐานเรอโดยท�าใหฐานกวางและทองเรอโคงมนเพอไมใหเรอพลกคว�า การถวงเรอเพอใหทรงตวไดด การบรรทกสงของบนเรอ แพหรอโปะเพอใหสมดลตอการหมน การก�าหนดปรมาณสงของหรอผโดยสารทเรอ แพ หรอโปะ จะบรรทกได
การวดประเมนผล
รายการประเมน เครองมอทใชประเมน คะแนน (รอยละ)
1.การอธบายหลกการทางวทยาศาสตรเกยวกบความหนาแนนแรงพยงศนยถวงโมเมนตของแรงสมดลตอการหมนทใชในการสรางแพ
ใบกจกรรม 15
2.การหาปรมาตรของทรงกระบอกทใชในการสรางแพ ใบกจกรรม 15
3.การออกแบบแพเพออธบายและสอสารใหผอนเขาใจ ใบกจกรรม 15
4.การเลอกใชวสดในการสรางแพ ใบกจกรรม 15
5.ความส�าเรจของชนงาน ใบประเมนชนงาน 10
6.การน�าเสนอ ใบประเมนการน�าเสนอ 10
7.ความคดสรางสรรคในการสรางชนงาน ใบประเมนชนงาน 10
8.การท�างานเปนกลม แบบสงเกตพฤตกรรม 10
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
30
เกณฑการวดและประเมนผล
รายการประเมนระดบคะแนน
3 2 1
1.อธบายหลกการ ทางวทยาศาสตร เกยวกบความ หนาแนนแรงพยงศนยถวงโมเมนตของแรงสมดลตอการหมนทใชในการสรางแพ
อธบายความรวทยาศาสตรเกยวกบความหนาแนนแรงพยงศนยถวงโมเมนตของแรงสมดลตอการหมนทใชในการสรางแพไดถกตอง
อธบายความรวทยาศาสตรเกยวกบความหนาแนนแรงพยงศนยถวงโมเมนตของแรงสมดลตอการหมนไดแตไมสามารถเชอมโยงกบการออกแบบและสรางแพได
ไมสามารถอธบายความรวทยาศาสตรเกยวกบความหนาแนนแรงพยงศนยถวงโมเมนตของแรงสมดลตอการหมนทใชในการสรางแพได
2.การหาปรมาตรของทรงกระบอกทใชในการสรางแพ
หาปรมาตรของขวดทรงกระบอกทใชในการสรางแพและค�านวณหามวลของวตถทมากทสดทขวดจะสามารถบรรทกไดโดยไมจมน�าไดอยางถกตอง
หาปรมาตรของขวดทรงกระบอกทใชในการสรางแพไดอยางถกตองแตไมสามารถค�านวณหามวลของวตถทมากทสดทขวดจะสามารถบรรทกไดโดยไมจมน�า
ไมสามารถค�านวณหาปรมาตรของขวดทรงกระบอกทใชในการสรางแพได
3.การออกแบบแพเพออธบายและสอสารใหผอนเขาใจ
แบบรางแพมความชดเจนสามารถสอสารใหผอนเขาใจไดและแสดงเหตผลในการออกแบบไดอยางชดเจน
แบบรางแพสามารถสอสารใหผอนเขาใจไดแตแสดงเหตผลในการออกแบบไมชดเจน
แบบรางแพไมสามารถสอสารใหผอนเขาใจไดและไมสามารถแสดงเหตผลในการออกแบบ
4.การเลอกใชวสดในการสรางแพ
เลอกวสดทเหมาะสมกบจดประสงคการใชงานและสามารถอธบายเหตผลในการเลอกใชวสดได
เลอกวสดทเหมาะสมกบจดประสงคการใชงานแตไมสามารถอธบายเหตผลในการเลอกใชวสดได
เลอกวสดไมเหมาะสมกบจดประสงคการใชงาน
5.ความส�าเรจของ ชนงาน
สรางชนงานตามทออกแบบไวไดเสรจสมบรณและชนงานสามารถแกปญหาไดตามเงอนไขทก�าหนด
สรางชนงานตามทออกแบบไวไดเสรจสมบรณหรอชนงานสามารถแกปญหาตามเงอนไขทก�าหนดได
ไมสามารถสรางชนงานตามทออกแบบไวได
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
31
รายการประเมนระดบคะแนน
3 2 1
6.การน�าเสนอ ล�าดบขนตอนการน�าเสนอเขาใจงายและรปแบบการน�าเสนอมความนาสนใจ
ล�าดบขนตอนการน�าเสนอเขาใจงายหรอรปแบบการน�าเสนอมความนาสนใจ
ไมสามารถน�าเสนอได
7.ความคดสรางสรรคในการสรางชนงาน
มความแปลกใหมและประณต
มความแปลกใหมหรอประณต
ไมมความแปลกใหมและไมประณต
8.การท�างานเปนกลม สมาชกทกคนมสวนรวมในการท�างานและ แลกเปลยนความคดเหน
สมาชกทกคนมสวนรวมในการท�างานแตมสมาชกบางสวนไมมสวนรวมในการแลกเปลยน ความคดเหน
สมาชกบางสวนไมไดมสวนรวมในการท�างานและแลกเปลยน ความคดเหน
เกณฑการตดสนระดบคณภาพ คะแนน 17–21 คะแนน หมายถง ด คะแนน 8-16 คะแนน หมายถง พอใช คะแนน 1-7 คะแนน หมายถง ปรบปรง
**เกณฑการวดและประเมนผลสามารถปรบเปลยนไดตามความเหมาะสม
ขอเสนอแนะเพมเตม 1. ในกรณทไมสามารถหาวสดตามรายการทก�าหนดไดสามารถใชวสดทดแทนอนๆ ไดเชนใชขวดน�า
พลาสตกแทนขวดพลาสตกขนาดเลกใชไมแทนกระดาษลกฟก 2. ครสามารถเพมวสดอนๆ เพอเปนทางเลอกในการสรางชนงานทมรปแบบหลากหลายเชนถงพลาสตก
ลวด 3. ในการประเมนความคดสรางสรรคของชนงานครอาจใหนกเรยนแตละคนลงคะแนนชนงานทตนเอง
ชอบยกเวนชนงานของกลมตนเองในประเดนดงน - ชนงานทมความโดดเดนและแปลกใหม - ชนงานทสรางไดประณตมการเกบรายละเอยดของชนงานไดเรยบรอย 4. กจกรรมนเปนตวอยางการสรางแพเพอบรรทกสงของใหลอยนงในแหลงน�าทไมมคลนน�ามารบกวน
ซงในการออกแบบและสรางแพทลอยอยในบรเวณทมคลนน�ารบกวนหรอท�าใหแพมการเคลอนทจ�าเปนทจะตองใชความรดานอนๆเขามาประกอบดวย
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
32
5. ครอาจกระตนความสนใจของนกเรยนโดยการน�าเสนอสมมตฐานในการอธบายวธการสรางพระมดของชาวอยปตโบราณวาชาวอยปตโบราณมการสรางคลองและระบบสงน�าเพออาศยแรงพยงมาชวยในการขนยายหนไปยงทตางๆโดยการผกหนเขากบทนหรอแพแลวปลอยใหลอยไปตามคลองหรอระบบสงน�า
สอและแหลงเรยนร 1. ใบความรท1-5 2. วดทศนสงประดษฐฝาวกฤตอทกภย:https://www.youtube.com/watch?v=vTXWnqpg2d8 3. หนงสอเรยนรายวชาเพมเตมวทยาศาสตรของเลนเชงวทยาศาสตรชนมธยมศกษาตอนตนกลมสาระ
การเรยนรวทยาศาสตร 4. หนงสอเรยนรายวชาพนฐานการออกแบบและเทคโนโลยชนมธยมศกษาปท2กลมสาระการเรยน
รการงานอาชพและเทคโนโลย
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
33
แนวค�ำตอบ ใบกจกรรมท 1
ท�าดนน�ามนใหลอยน�าไดอยางไร
1. มวลของกอนดนน�ามนคอ150 กรม 2. เมอน�าดนน�ามนทปนเปนรปทรงตางๆไปวางทผวน�าดนน�ามนลอยน�าหรอไม
รปทรง
ดนน�ามนจะลอยน�าไดหรอไม(✓) ได (✗) ไมได
การคาดคะเน ผลการทดสอบ
ทรงกลม ✗
ปรซมสเหลยม ✗
แผนบาง ✗
3. วาดรปทรงของดนน�ามนทสามารถลอยน�าได
4. มวลของดนน�ามนตามแบบขอ3ทลอยน�าไดคอ150 กรม 5. ดนน�ามนรปทรงตางๆทจมน�าและดนน�ามนทปนตามแบบในขอ3มมวลเทากนหรอไม แนวค�าตอบเทากน 6. เพราะเหตใดดนน�ามนในขอ3จงสามารถลอยน�าได แนวค�าตอบ ดนน�ามนทปนตามแบบในขอ 3 นน เปนรปทรงทมชองวางของอากาศอย เมอน�าไปลอยน�า
ดนน�ามนรปทรงทมชองวางของอากาศจะเขาไปแทนทของเหลวทไดมากกวาดนน�ามนทรงตนเชนปรซมสเหลยมแผนบางๆ แรงพยงทกระท�ากบดนน�ามนทมชองวางของอากาศอยจงมคามากกวาดนน�ามนรปทรงตนจงท�าใหดนน�ามนทมชองวางของอากาศสามารถลอยน�าได
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
34
แนวค�ำตอบ ใบกจกรรมท 2
วตถอยสงหรอต�ามผลตอการทรงตวของเรออยางไร
จงออกแบบการทดสอบการทรงตวของเรอจากการน�าดนน�ามนทรงกลมขนาดเลก4กอนไปวางบนเรอทต�าแหนงตางๆ ของเรอ
แบบรางการวางวตถทต�าแหนงตาง ๆ ของเรอ
เรอจะทรงตวไดหรอไม (✓) ได (✗) ไมได
การคาดคะเน ผลการทดสอบ
สรปผล ศนยถวงของเรอมผลตอการทรงตวของเรอโดยเรอทบรรทกวตถอยในต�าแหนงทสงจะมต�าแหนงศนยถวงอยสงดวยจงท�าใหเรอพลกคว�าไดงายในขณะทเรอทบรรทกวตถอยในต�าแหนงทต�าจะมต�าแหนงศนยถวงอยต�าดวยจงท�าใหเรอสามารถลอยอยในแนวระดบไดโดยไมพลกคว�า
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
35
แนวค�ำตอบ ใบกจกรรมท 3
บรรทกสงของไดเทาใด
1. ความสมพนธระหวางความหนาแนน(r)มวล(m)และปรมาตร(V)คอ แนวค�าตอบ r= V
m
2. ความสมพนธระหวางขนาดของแรงพยง(FB)ความหนาแนนของของเหลว(r)ปรมาตรของของเหลวทถกแทนท(V)และขนาดของความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก(g)คอ
แนวค�าตอบ FB=rVg
3. ความหนาแนนของน�ามคาเทากบ1000 kg/m3 หรอ 1 g/cm3
4. จงแสดงวธหาปรมาตรของขวดพลาสตก แนวค�าตอบจากปรมาตรของทรงกระบอก(𝑉) = พนทฐาน×สง = Πϒ2h = 3.14×2.3×2.3×7.0 =116.27cm3
ดงนน ปรมาตรของขวดพลาสตกเทากบ116.27ลกบาศกเซนตเมตร
5. จงแสดงวธหามวลของขวดพลาสตก1อนทบรรทกดนน�ามนอยภายในไดมากทสดโดยทขวดไมจมน�า แนวค�าตอบจาก ขนาดของแรงพยง =ขนาดน�าหนกของของเหลวทถกวตถแทนท F
B =rVg
วตถทลอยน�า น�าหนกของวตถ ≤ขนาดของแรงพยง mg≤rVg นนคอ มวลของวตถ(m) ≤rV มวลของวตถ(m) ≤1g/cm3×116.27cm3
มวลของวตถ(m) ≤116.27g
ดงนน มวลของวตถทขวดพลาสตกและดนน�ามนทมากทสดโดยไมจมน�าเทากบ116 กรม
6. มวลของวตถทบรรจอยในขวดพลาสตกเทากบ116.27 กรมแบงเปนมวลของขวดพลาสตกเทากบ16.27 กรม และมวลของดนน�ามนเทากบ100 กรมผลการทดสอบการลอยน�าพบวาขวดพลาสตกลอยน�า
7. มวลของดนน�ามน1กอนทจะบรรทกบนพาหนะทสรางขนมคาเทากบ150 กรม
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
36
8. ถาพจารณาเฉพาะความสามารถในการบรรทกสงของของขวดพลาสตก แพทใชขวดพลาสตกเปนทนจ�านวนตอไปนสามารถบรรทกดนน�ามนไดมากทสดเทาใด
แนวค�าตอบ
จ�านวนขวด (อน)
มวลทบรรทกไดมากทสด (กรม)
จ�านวนดนน�ามนทบรรทก (กอน)
จ�านวนขวด (อน)
มวลทบรรทกไดมากทสด (กรม)
จ�านวนดนน�ามนทบรรทก (กอน)
1 100 0 5 500 3
2 200 1 6 600 4
3 300 2 7 700 4
4 400 2 8 800 5
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
37
แนวค�ำตอบ ใบกจกรรมท 4
วางวตถอยางไรใหเรอสามารถทรงตวอยได
จงออกแบบการทดสอบเสถยรภาพของเรอจากการวางดนน�ามน2กอนทต�าแหนงตางๆของเรอ
แบบรางการวางวตถทต�าแหนงตาง ๆ ของเรอ
เรอจะทรงตวไดหรอไม (✓) ได (✗) ไมได
การคาดคะเน ผลการทดสอบ
สรปผล ต�าแหนงในการวางวตถมผลตอการทรงตวในแนวระดบของเรอทบรรทกวตถนนถาวางวตถทง2กอนทต�าแหนงหางจากจดกงกลางของเรอไปฝงใดฝงหนงจะมแรงกระท�าตอวตถทไมผานศนยกลางมวลท�าใหวตถเกดการหมนรอบจดหมนเกดโมเมนตของแรง(โมเมนตของแรงเปนผลคณของแรงทกระท�าตอวตถและระยะทางจากจดหมนไปตงฉากกบแนวแรง)สงผลท�าใหเรอหมนหรอเอยงแตถาวางวตถ2กอนในต�าแหนงทท�าใหผลรวมโมเมนตของแรงมคาเปนศนยคอผลรวมโมเมนตของแรงทวนเขมนาฬกาเทากบผลรวมโมเมนตของแรงตามเขมนาฬกาวตถจะอยในสภาพสมดลตอการหมนสงผลใหเรอสามารถทรงตวอยในแนวระดบได
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
38
ใบควำมรท 1
แรงพยง
สารไมวาจะอยในสถานะของแขง ของเหลว หรอแกส ลวนตองการทอย หรอการครองท ในกรณทของแขงอยในของเหลวจะเกดแรงดนจากของเหลวกระท�ากบวตถสวนทจม แรงดงกลาวเปนสาเหตท�าใหการชงน�าหนกวตถในของเหลวนอยกวาเมอชงในอากาศดงภาพ1.1
ก)ชงวตถในอากาศ ข)ชงวตถในน�าภาพ1.1การเปรยบเทยบน�าหนกของวตถเมอชงในอากาศกบชงในน�า
พจารณากรณวตถจมนงอยในของเหลวทงกอนดงภาพ1.2ทของเหลวระดบเดยวกนจะมแรงเนองจากของเหลวกระท�าตอวตถขนาดเทากนในทศตงฉากกบผวของวตถนนคอแรงเนองจากของเหลวทกระท�าตอวตถในแนวระดบเดยวกนทางดานซายและดานขวาของวตถมขนาดเทากนแตทศทางตรงกนขามแรงลพธทกระท�าตอวตถในแนวระดบจงเปนศนยในท�านองเดยวกน แรงเนองจากของเหลวทกระท�าตอวตถในแนวระดบเดยวกนทางดานหนาและดานหลงของวตถมขนาดเทากนแตทศทางตรงกนขามแรงลพธทกระท�าตอวตถในแนวระดบจงเปนศนยสวนแรงเนองจากของเหลวทกระท�าตอวตถในแนวดงทบรเวณผวดานบนและผวดานลางจะมคาไมเทากนเนองจากอยในความลกตางกนทบรเวณผวดานลางจะอยในของเหลวทมความลกมากกวาจงถกแรงดนเนองจากของเหลวกระท�ามากกวาบรเวณผวดานบนทอยในของเหลวทมความลกนอยกวาท�าใหขนาดของแรงทกระท�าตอวตถดานลางมขนาดมากกวาแรงทกระท�าตอวตถดานบนแรงลพธทกระท�าตอวตถจงอยในทศทางขนเมอรวมแรงทของเหลวกระท�าตอวตถทงหมดจะไดแรงลพธทมทศทางขนเรยกแรงนวาแรงพยง (buoyant force: F
B)
ภาพ1.2แรงดนเนองจากของเหลวทกระท�าตอวตถ
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย(สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
39
จากภาพ1.1ขถาวตถอยนงในน�าแรงลพธทกระท�าตอวตถจะมคาเทากบศนยตามกฎการเคลอนทของนวตนจะไดวา
แรงพยง=น�าหนกวตถทชงในอากาศ–น�าหนกวตถทชงในของเหลว
นกปราชญชาวกรกชออารคมดส(Archimedes)ไดศกษาเกยวกบขนาดของแรงทเกดขนในของเหลวทกระท�าตอวตถทจมอยในของเหลวและสรปเปนหลกการเกยวกบแรงพยงไดคอ“น�าหนกวตถสวนทหายไปเมอชงในของเหลวจะเทากบน�าหนกของของเหลวทมปรมาตรเทากบปรมาตรวตถสวนทจม”นนคอ ขนาดของแรงพยง=ขนาดน�าหนกของของเหลวทถกวตถแทนท
จากหลกของอารคมดสสามารถพสจนไดวา
FB=rVg
โดยrคอความหนาแนนของของเหลวมหนวยเปนกโลกรมตอลกบาศกเมตร(kg/m3) Vคอปรมาตรของของเหลวทถกแทนทมหนวยเปนลกบาศกเมตร(m3) gคอขนาดของความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลกมหนวยเปนเมตรตอวนาทก�าลงสอง(m/s2) FB คอขนาดของแรงพยงมหนวยเปนนวตน(N)
เมอน�าวตถตางๆไปวางในของเหลวจะพบวาวตถบางชนดจมลงในของเหลวทงกอนแตบางชนดจมบางสวนและมบางสวนลอยพนผวของของเหลวเมอวตถเหลานนอยในของเหลวจะมแรงพยงกระท�าอยเสมอวตถทจมในของเหลวแสดงวาน�าหนกของวตถมากกวาแรงพยงในของเหลวและวตถทลอยในของเหลวแสดงวาแรงพยงในของเหลวมคาเทากบน�าหนกของวตถการเพมแรงพยงสามารถท�าไดโดยการท�าใหวตถแทนทของเหลวมปรมาตรมากขนเปนผลท�าใหวตถลอยในของเหลวไดเชนดนน�ามนซงเปนวตถทจมน�าแตเมอน�ามาปนเปนวตถทมทวางตรงกลางท�าใหมปรมาตรเพมขนเมอวางบนผวน�าจะแทนทน�าไดมากขนแรงพยงจงเพมขนท�าใหดนน�ามนลอยน�าไดเรอทท�าดวยเหลกสามารถลอยน�าไดกดวยเหตผลเดยวกนหลกของอารคมดสทพบเหนไดโดยทวไปในชวตประจ�าวนเชนน�าแขงลอยเหนอผวน�าเรอหรอทนลอยบนน�าเรอด�าน�าโคมลอยหรอบอลลนการด�ารงชวตของปลาในน�า เปนตนนอกจากนการฝกปฏบตการของมนษยอวกาศในน�าเพอเลยนแบบสถานการณไรน�าหนกในอวกาศกอาศยหลกการของแรงพยง
ก) ข)ภาพ1.3ก)บอลลนและโคมลอยในอากาศข)การฝกปฏบตการของมนษยอวกาศในน�า
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
40
ตวอยาง 1.1 เมอน�าวตถกอนหนงใสลงในน�า ปรากฏวาวตถลอยน�า โดยมปรมาตรสวนทจมลงในน�าเปน 150 ลกบาศกเซนตเมตรน�าหนกของวตถนมคาเปนเทาใดถาก�าหนดใหความหนาแนนของน�ามคาเทากบ1.00X103kg/m3
วธท�า ในกรณวตถลอยในน�าดงนน ขนาดน�าหนกของวตถทงกอน=ขนาดของแรงพยง mg=rVg m=rV ความหนาแนนของน�ามคาเทากบ1.00X103kg/m3หรอ1g/cm3 แทนคาจะได m=(1g/cm3)(150cm3) m=150g
ตอบ น�าหนกของวตถเทากบ 150 กรม
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
41
ใบควำมรท 2
ศนยถวง
เมอวตถใดๆอยบนผวโลกมวล (Mass)ของวตถจะถกแรงดงดดของโลกกระท�าอยตลอดเวลาแรงดงดดของโลกทกระท�าตอมวลของวตถ เรยกวา น�าหนก (Weight) ของวตถ โดยต�าแหนงทรวมน�าหนกของวตถทงกอน เรยกวา ศนยถวง(CentreofGravity:CG) ศนยถวง เปรยบเสมอนจดทแรงลพธของแรงดงดดของโลกกระท�าตอวตถ ซงในสถานการณทวไป ศนยกลางมวลกบศนยถวงจะเปนจดเดยวกนโดยเฉพาะเมอวตถอยในสนามโนมถวงสม�าเสมอยกเวนแตในกรณทวตถมขนาดใหญมากๆจนแตละสวนของวตถนนอยในสนามโนมถวงทไมเทากนเชนภเขาสงๆสนามโนมถวงทบรเวณสวนลางของภเขาทอยใกลผวโลกจะมคามากแตบรเวณทสงขนไปจะมขนาดของสนามโนมถวงทลดลงท�าใหแรงทโลกดงดดภเขานนมคาลดลงในบรเวณทสงขนศนยถวงของภเขาสงจะอยคนละต�าแหนงกบศนยกลางมวลโดยต�าแหนงของศนยถวงจะอยต�ากวาศนยกลางมวล ถาหากต�าแหนงของศนยถวงและแนวดงทผานศนยถวงตงฉากกบพนอยในชวงฐานของวตถวตถจะสามารถทรงตวอยไดโดยไมลมดงภาพ2.1ก)และ2.1ข)ถาแนวดงทผานศนยถวงอยนอกฐานวตถจะลมดงภาพ2.1ค)นนคอแนวเสนตงฉากระหวางต�าแหนงศนยถวงกบฐานมผลตอการทรงตวของวตถนน
ภาพ2.1วตถกอนเดมวางตวอยบนฐานแบบตางๆ
ตกตาลมลกเปนของเลนทไมลมเมอถกแรงผลกทงนเนองจากน�าหนกสวนใหญของตกตาลมลกอยดานลางท�าใหศนยถวงของตกตาลมลกอยต�าดงนนไมวาจะออกแรงผลกตกตาลมลกอยางไรแนวเสนตงฉากจากศนยถวงในแนวดงกบฐานจะไมออกนอกฐานดงภาพ2.2
ภาพ2.2ตกตาลมลก
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย(สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
42
ใบควำมรท 3
ความหนาแนน
ความหนาแนน (density)เปนสมบตเฉพาะของสารหาไดจากปรมาณมวลในหนงหนวยปรมาตรถาใหmเปนมวลของสารซงมปรมาตรVและr(อานวาโร“rho”)เปนความหนาแนนของสารจะได
r=Vm
ความหนาแนนมหนวยกโลกรมตอลกบาศกเมตร(kg/m3)
ตาราง 1ความหนาแนนของสารบางชนดทอณหภม0องศาเซลเซยสและความดน1บรรยากาศ
สาร ความหนาแนน (kg/m3) สาร ความหนาแนน (kg/m3)
ของแขง ของเหลว
ทอง 19.3x103 ปรอท 13.6x103
เหลก 7.8x103 น�าทะเล 1.03x103
อะลมเนยม 2.7x103 น�า(4°C) 1.00x103
แกว 2.4-2.8x103 แกส
น�าแขง 0.92x103 อากาศ 1.29
ไม 0.3-0.9x103 ฮเลยม 0.179
โฟม 0.10x103 คารบอนไดออกไซด 1.98
ตวอยาง เหลกทรงลกบาศกภายในกลวงมปรมาตร0.80ลกบาศกเมตรและมวล1.00กโลกรมเหลกกอนนมความหนาแนนเทาใด
วธท�า จากสมการ r=Vm
ในทน ปรมาตรของเหลกทรงลกบาศกภายในกลวง V=0.8m3
มวลของเหลก m=1.0kg
แทนคาจะได r==1.00kg=1.25kg/m3
0.80m3
ตอบ ความหนาแนนของเหลกทรงลกบาศกภายในกลวงเทากบ1.25กโลกรมตอลกบาศกเมตร
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
43
ใบควำมรท 4
การหาปรมาตรของรปเรขาคณตสามมต
การหาปรมาตรของรปเรขาคณตสามมตเชนลกบาศกปรซมทรงกระบอกพระมดกรวยหรอทรงกลมเปนการวดคาความจของรปเรขาคณตสามมตนนๆมหนวยเปนลกบาศกหนวยการหาปรมาตรหรอการวดคาความจของรปเรขาคณตเปนการหาวาจะตองใชลกบาศกทมความกวาง ความยาว และความสง 1 หนวย ในการตวงวตถ เชน น�า กครงหรอดวยอตราสวนเทาไรจงจะเตมรปเรขาคณตสามมตทตองการหาพอด
การหาปรมาตรของรปเรขาคณตสามมตสามารถค�านวณไดดงน
1) การหาปรมาตรปรซม
ปรมาตรของปรซม=พนทฐาน(A)xสง(h)
2) การหาปรมาตรทรงกระบอก
ปรมาตรของทรงกระบอก=¶r2h
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย(สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
44
3) การหาปรมาตรพระมดตรง
ปรมาตรของพระมดตรง=31xพนทฐาน(A)xสง(h)
4) การหาปรมาตรกรวย
ปรมาตรของกรวย=31¶r2h
5) การหาปรมาตรทรงกลม
ปรมาตรของทรงกลม=34¶r3
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย(สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
45
5
ใบควำมรท 5
โมเมนตของแรง
ถาออกแรงกระท�าตอวตถแลวแนวแรงนนผานจดจดหนงซงเสมอนเปนทรวมของวตถทงกอน ซงเรยกต�าแหนงนวาศนยกลางมวล(CenterofMass)วตถจะเคลอนทแบบเลอนทโดยไมหมนแตในบางกรณแนวแรงทกระท�าไมผานศนยกลางมวลวตถจะหมนรอบศนยกลางมวลแตถาวตถถกยดรอบแกนหมนวตถจะหมนรอบแกนหมนนนเชนการผลกประตการผลกหนาตางการหมนพวงมาลย เมอแขวนคานใหอยนงในแนวระดบคานจะอยในสภาพสมดลถาออกแรงดงปลายดานใดดานหนงคานจะหมนรอบจดทแขวนคานเรยกจดทแขวนคานนวาจดหมน(fulcrum)ดงภาพ5.1เมอแขวนถงทรายไปยงคานทสมดลในแนวระดบโดยหางจากจดหมนไปทางซายมอจะพบวาถาตองการใหคานอยในสภาพสมดลจะตองเกยวเครองชงสปรงทางดานขวามอของจดหมนแลวออกแรงดงจนคานสมดลในแนวระดบโดยแรงดงจะมคามากหรอนอยขนอยกบระยะจากจดหมนไปตงฉากกบแนวทเกยวเครองชงสปรงกลาวคอถาเกยวเครองชงสปรงใกลจดหมนจะออกแรงดงคานมากแตถาเกยวเครองชงสปรงหางจากจดหมนจะออกแรงดงคานนอยลงเชนแขวนถงทราย1ถง(หนก5.0นวตน)หางจากจดหมน20เซนตเมตรแลวเกยวเครองชงสปรงหางจากจดหมน10เซนตเมตรจะตองดงคานดวยแรง10.0นวตนในแนวตงฉากกบคานจงจะท�าใหคานอยในสภาพสมดลดงภาพ5.2
ภาพ5.1จดหมนของคาน
ภาพ5.2คานอยในสภาพสมดล
เมอพจารณาผลคณระหวางแรงทดงคานลงกบระยะจากจดหมนตงฉากกบแนวแรงจะไดวา
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย(สสวท.)กระทรวงศกษาธการ
46
ทางดานขวาของจดหมน แรงทเครองชงสปรงดงคาน×10เซนตเมตร =10.0N×100
10m =1.0Nm
ทางดานซายของจดหมน น�าหนกของถงทราย×20เซนตเมตร =5.0N×100
20m =1.0Nm
จะเหนไดวาคานจะอยในสภาวะสมดลเมอผลคณระหวางแรงทดงคานลงกบระยะจากจดหมนตงฉากกบแนวแรงทางดานขวาของจดหมนจะมคาเทากบทางดานซายของจดหมน ผลคณระหวางขนาดของแรงกบระยะจากจดหมนตงฉากกบแนวแรงเรยกวาโมเมนตของแรง(momentofforce;M)ซงโมเมนตเปนผลของแรงทท�าใหวตถเกดการหมนเขยนเปนความสมพนธไดดงน
โมเมนตของแรง=แรง×ระยะจากจดหมนตงฉากกบแนวแรง
M=F l
เมอ Fคอแรงมหนวยเปนนวตน(N) lคอระยะจากจดหมนตงฉากกบแนวแรงมหนวยเปนเมตร(m) Mคอโมเมนตของแรงมหนวยเปนนวตนเมตร(Nm)
เมอพจารณาทศทางการหมนของคานกบการหมนของเขมนาฬกาจะพบวามการหมนสองแบบคอการหมนตามเขมนาฬกาและการหมนทวนเขมนาฬกา โมเมนตของแรงทท�าใหคานหมนตามเขมนาฬการอบจดหมนเรยกวาโมเมนตของแรงตามเขมนาฬกาสวนโมเมนตของแรงทท�าใหคานหมนทวนเขมนาฬการอบจดหมนเรยกวาโมเมนตของแรงทวนเขมนาฬกา เมอมแรงหลายแรงกระท�าตอคาน แลวผลรวมโมเมนตของแรงทวนเขมนาฬกาเทากบผลรวมโมเมนตของแรงตามเขมนาฬกาคานจะอยในสภาพสมดลเรยกวาสมดลตอการหมน หลกการสมดลมการประยกตใชมากกวา โดยเฉพาะการน�าหลกการสมดลไปใชกบเครองกลอยางงาย เชน คาน คมตดลวดไขควงลอกบเพลาและกวานเปนตนซงเครองกลอยางงายเหลานสามารถผอนแรงหรออ�านวยความสะดวกในการท�างาน
สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ
47