วิทยาศาสตร์/หมวดฟิสิกส์ 22 บทเรียน

1. โลกแห่งแสงสี  ธรรมชาติและสมบัติของแสง การทดลองการกระจายของแสงขาวและการรวมสเปกตรัม คุณสมบัติของตัวกลาง การเดินทางของแสงผ่านตัวกลางต่าง ๆ  โครงสร้างของดวงตาและการมองเห็น เลนส์ชนิดต่าง ๆ ที่ช่วยบังคับให้แสงหรือภาพตกในตำแหน่งที่เรามองเห็นได้ชัดเจน  สีต่าง ๆ ที่เรามองเห็นโดยทั่วไปเกิดจากการสะท้อนของคลื่นแสงบนวัตถุนั้น ๆ  รวมถึงการเกิดรุ้ง และสีของท้องฟ้าเกิดจากอะไร 

2. ดวงอาทิตย์และโลก  สัมพันธภาพระหว่างดวงอาทิตย์และโลกก่อให้เกิดสิ่งมีชีวิต และทำให้เกิดฤดูกาล ภูมิอากาศ และกระแสน้ำในมหาสมุทร ดังนี้  ฤดูกาลเกิดจากสาเหตุ 2 ประการคือ ลักษณะวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ และแกนของโลกเอียง ซึ่งทำให้ภูมิอากาศในส่วนต่าง ๆ ของโลกแตกต่างกันไป  การเกิดวัฏจักรของน้ำ การเกิดลม เช่น ลมทะเล ลมมรสุม ลมสินค้า และลมตะวันตก รวมทั้งการเกิดกระแสน้ำในมหาสมุทร  กระแสน้ำในซีกโลกเหนือจะไหลทวนเข็มนาฬิกา และในซีกโลกใต้จะหมุนตามเข็มนาฬิกา 

3. แสงอาทิตย์และพลังงาน  ดวงอาทิตย์เป็นกลุ่มแก๊สหนาทึบซึ่งประกอบด้วยธาตุต่าง ๆ  ถึงแม้ดวงอาทิตย์จะมีอุณหภูมิสูงยิ่งแต่ดวงอาทิตย์ก็มีจุดดับ ซึ่งเปลี่ยนแปลงทุก ๆ 11 ปี  เมื่อเราค้นพบนิวเคลียร์จึงได้พบว่า ใจกลางของดวงอาทิตย์เปรียบเสมือนเตานิวเคลียร์ที่หลอมละลายไฮโดรเจนและฮีเลียมเข้าด้วยกัน ซึ่งก่อให้เกิดพลังงานอย่างมหาศาล

 

4. เซลล์แสงอาทิตย์  เซลล์แสงอาทิตย์คือเครื่องมือที่สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า มีสารกึ่งตัวนำซึ่งทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า และวิธีการต่าง ๆ ที่ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงพอที่จะนำไปใช้งาน  ตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ และกรณีศึกษาที่น่าสนใจ

 

5. โครงงานวิทยาศาสตร์  การคิดหัวเรื่อง การศึกษาเอกสารที่เกี่ยวข้อง การเขียนเค้าโครงงานวิทยาศาสตร์ การลงมือปฏิบัติ การทำรายงานโครงงานวิทยาศาสตร์ และการแสดงโครงงานวิทยาศาสตร์เพื่อแสดงผลของความคิดให้คนอื่นรับรู้

 

6. คลื่นวิทยุ  ประวัติความเป็นมาของคลื่นวิทยุ การส่งและการรับวิทยุทำอย่างไร  AM และ FM คืออะไร  ย่านความถี่ของคลื่นวิทยุที่ใช้กันทั่วไป เช่น MF, HF, VHF และ UHF คืออะไร  โทรศัพท์มือถือคืออะไร  รวมทั้งการกำหนดช่วงความถี่วิทยุโดยสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ 

 

7. คลื่นโทรทัศน์  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรานำมาใช้ในการสื่อสารด้านวิทยุและโทรทัศน์เราเรียกว่าคลื่นวิทยุ  สิ่งที่น่าสนใจก็คือเราเปลี่ยนสัญญาณภาพให้เป็นคลื่นวิทยุได้อย่างไร จึงทำให้เกิดความต่างศักย์ของไฟฟ้าขึ้นทีละจุดเป็นสัดส่วนตามแสงบนแผ่นรับภาพที่ปรากฏเพื่อส่งออกไปทางระบบสายอากาศ

 

8. ดาวเทียมสื่อสาร  ดาวเทียมสื่อสารก็คือสถานีทวนสัญญาณที่ลอยอยู่ในอวกาศ ทำหน้าที่เป็นทั้งเครื่องรับและเครื่องส่งติดต่อกับสถานีภาคพื้นดิน โดยดาวเทียมจะโคจรอยู่ในวงโคจรค้างฟ้าซึ่งดูเสมือนลอยอยู่กับที่ในอวกาศ ความถี่ชนิดต่าง ๆ รวมทั้ง Footprint ของดาวเทียมแต่ละดวง

 

9. ไมโครเวฟ  คลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งอยู่ในแถบสเปกตรัมที่มีความถี่สูงกว่าคลื่นวิทยุ และสามารถนำมาใช้เป็นคลื่นพาห์สำหรับส่งข้อมูลข่าวสาร โดยเฉพาะการสื่อสารทางไกลผ่านดาวเทียม การพยากรณ์อากาศ รวมทั้งการสำรวจระบบสุริยะจักรวาล และเตาไมโครเวฟ  

 

10. ไฟฟ้ากับชีวิต  นับตั้งแต่ Thomas Edison ได้ประดิษฐ์หลอดไฟฟ้าหลอดแรกขึ้นมา ไฟฟ้าได้ค่อย ๆ เปลี่ยนวิถีชีวิตของมนุษย์แทบทั้งหมด ทรัพยากรที่โลกเรามีอยู่ไม่ว่าจะเป็นน้ำมัน แก๊ส, ถ่านหิน ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไฟฟ้า ไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรงคืออะไร การทำงานของถ่านไฟฉาย, แบตเตอรี่, ฟิวเอลล์เซลล์, เซลล์แสงอาทิตย์ และไดนาโม รวมทั้งสาเหตุของการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร

 

11. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า การทดลองของฟาราเดย์แสดงให้เห็นถึงการเหนี่ยวนำซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างแรงแม่เหล็กกับขดลวดที่เคลื่อนที่ตัดกัน แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะแปรผันตามจำนวนขดลวดและความเข้มของสนามแม่เหล็ก โรงไฟฟ้าจึงต้องมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่มาก และนำชมโรงไฟฟ้าบางปะกง

 

12.ไฟฟ้ามาจากไหน  โรงไฟฟ้าแบบต่าง ๆ  1) โรงไฟฟ้าพลังความร้อนหรือพลังไอน้ำ 2) โรงไฟฟ้ากังหันแก๊ส 3) โรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วม คือระบบร่วมของกังหันแก๊สและไอน้ำ 4) โรงไฟฟ้าพลังน้ำ 5) โรงไฟฟ้าดีเซล 6) โรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพ โดยใช้น้ำพุร้อน 7) โรงไฟฟ้าพลังงานลม 8) โรงไฟฟ้าพลังแสงอาทิตย์ ใช้เซลล์แสงอาทิตย์เปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

 

13. การเดินทางของไฟฟ้า  เพื่อที่จะเข้าใจว่าไฟฟ้าเดินทางจากแหล่งกำเนิดมาสู่บ้านเรือนเราได้อย่างไร เราจะต้องเข้าใจวิธีวัดค่าไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้า ปริมาณการไหลของไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านหม้อแปลงทำให้แรงเคลื่อนเพิ่มขึ้นและทำให้กระแสไฟฟ้าลดลง เพื่อให้สามารถส่งไฟฟ้าไปตามสายไฟเส้นเล็ก ๆ ได้  เสาไฟฟ้าขนาดต่าง ๆ สายไฟแบบต่าง ๆ และการส่งกระแสไฟฟ้าแรงสูง

14. รังสีที่มองไม่เห็น  พลังงานที่แผ่จากดวงอาทิตย์ ไม่ได้มีแต่รังสีความร้อนและแสงที่เรามองเห็น ยังมีรังสีอื่นอีกหลายชนิด ถ้าเรานำรังสีต่าง ๆ มาเรียงตามความถี่ของคลื่นจะได้สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และรังสีที่สูงและต่ำกว่าช่วงความถี่ของแสงจะเป็นรังสีที่มองไม่เห็น ได้แก่ รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ รังสีอุลตราไวโอเลต รังสีอินฟราเรด คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ  

 

15. รังสีอุลตราไวโอเลต  รังสีอุลตราไวโอเลต หรือรังสี UV  เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งอยู่ในช่วงความถี่ระหว่าง 105 - 1018 Hz  ปริมาณโอโซนที่ลดน้อยลงเนื่องจากถูกทำลายโดยสารคลอโรฟลูออโรคาร์บอน (CFC) ทำให้ชั้นบรรยากาศของโลกเกิดรูรั่วขึ้น และปรากฏการณ์เรือนกระจกที่เกิดขึ้นทำให้รังสีที่แผ่มาจากดวงอาทิตย์ไม่สามารถสะท้อนออกไปได้  เราจะหยุดยั้งการทำลายโอโซนและป้องกันมิให้โลกร้อนขึ้นได้อย่างไร

 

16. เสียงในชีวิตประจำวัน  การเกิดเสียง การวัดระดับความดังของเสียง เราสามารถจำแนกเสียงได้เพราะลักษณะเฉพาะของเสียงซึ่งเราเรียกว่าคุณภาพเสียง เช่น คลื่นเสียงของดนตรีแต่ละชนิดจะไม่เหมือนกัน คลื่นเสียงก็มีคุณสมบัติเช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ  คือ เลี้ยวเบนและหักเห การเกิดคลื่นนิ่งในเครื่องดนตรีเกิดขึ้นได้อย่างไร สัตว์ที่ใช้ประโยชน์จากการสะท้อนของเสียง เช่น ค้างคาวและปลาโลมา

 

17. ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์  รากฏการณ์ดอปเพลอร์ของเสียงคือ เสียงจะสูงขึ้นเมื่อเสียงเคลื่อนที่เข้ามาหาเรา และเสียงจะทุ้มต่ำลงเมื่อเคลื่อนที่ห่างจากเราไป ความรู้เรื่องนี้เองที่เรานำมาใช้ประโยชน์ในการตรวจสอบการวัดอัตราการไหลเวียนของเลือด การวิเคราะห์ครรภ์ และนักดาราศาสตร์จะใช้ดอปเพลอร์ของแสงวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของดวงดาวและแกแลคซี่ต่าง ๆ

 

18. สมบัติของคลื่น  คลื่นแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นกล เมื่ออิเล็คตรอนกระโดดเข้าวงโคจรที่เล็กกว่าจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางในการเคลื่อนที่ ส่วนคลื่นกลสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีตัวกลางเท่านั้น แต่คลื่นทั้งสองก็มีสมบัติร่วมกัน

 

19. รังสีเอ็กซ์  นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้พบรังสีลึกลับที่เกิดขึ้น เมื่ออิเล็คตรอนที่มีความร้อนสูงชนกับเป้าโลหะในหลอดรังสีแคโทด เขาตั้งชื่อสิ่งนี้ว่า รังสีเอ็กซ์ (X-Rays)  รังสีเอ็กซ์มีพลังงานสูงกว่าแสงที่เรามองเห็นจึงสามารถทะลุทะลวงสิ่งกีดขวางหลายอย่างได้ เช่น กล้ามเนื้อหรือเนื้อเยื่อ เราจึงนำคุณสมบัตินี้มาใช้ประโยชน์ เช่น การเอ็กซเรย์เพื่อวินิจฉัยโรค และการเอ็กซเรย์กระเป๋าเดินทางตามท่าอากาศยาน

 

20. เลเซอร์แสงมหัศจรรย์  แสงเลเซอร์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่นในช่วงระหว่างรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีอุลตราไวโอเลต  กระบวนการเกิดแสงเลเซอร์เรียกว่า Light Amplification Stimulated Emission of Radiation หรือเรียกย่อ ๆ ว่า “LASER” นั่นเอง เรานำแสงนี้มาใช้ประโยชน์หลายอย่าง เช่น ใช้ในการรักษาโรค ทำเครื่องเล่นคอมแพคดิสก์ สร้างภาพโฮโลแกรมสำหรับบัตรเครดิตหรือบัตรสมาชิกต่าง ๆ

 

21. รังสีแคโทด  ในลำแสงของหลอดแคโทดนั้นจะมีอนุภาควิ่งออกจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนด เราเรียกสิ่งนี้ว่า รังสีแคโทด เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบซึ่งมีอยู่ในสสารทุกชนิด นักวิทยาศาสตร์ชื่อ J. J. Thomson ได้ทดลองวัดค่าหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของอนุภาค และเมื่อนำค่านี้ไปเทียบกับ e/m ของไอออนของไฮโดรเจน จะเห็นว่าอนุภาคจากรังสีแคโทดนี้เล็กกว่าอะตอมประมาณ 1,800 เท่า

 

22. การทดลองของมิลลิแกน  12 ปี หลังจากการทดลองรังสีแคโทด Robert A. Milligan นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันสามารถหาค่าประจุอิเล็คตรอนโดยการฉีดน้ำมันเข้าไปในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และพบว่าค่าประจุของละอองน้ำมันนั้นมีค่าต่างกันเป็นช่วง ๆ  เขาจึงนำค่าประจุของละอองน้ำมันมาลบกันจนได้ค่าแตกต่างที่เล็กที่สุด คือ 1.60 ´10-19 คูลอมบ์  การทดลองของมิลลิแกนมีประโยชน์มากในการศึกษาโครงสร้างของอะตอม