.

.

ข้อสอบวิทย์ สสวท. ปี 2559 ข้อที่ 4.


ข้อ 4.

การทดลองชั่งวัตถุ m ด้วยตาชั่งสปริงในตัวกลางต่างชนิดกัน 4 ชุด ดังรูป

   

ค่าที่อ่านได้จากตาชั่งสปริงเรียงลำดับจากน้อยไปมากคือข้อใด

     1. ชุด ก ข ง ค

     2. ชุด ข ค ง ก

     3. ชุด ค ง ข ก

     4. ชุด ง ข ค ก


เป็นไงครับ ข้อสอบข้อนี้ยากไหมครับ

ลองปรึกษากันดูก่อนนะครับว่าควรจะตอบข้อไหน

และที่สำคัญ เหตุผลประกอบการตอบเป็นอย่างไรครับ?



ความรู้ข้อที่หนึ่ง : แรงพยุง หรือแรงลอยตัว


พี่ๆ คงเลยเล่นกับลูกๆ ในสระว่ายน้ำกันใช่ไหมครับ ในระหว่างที่เล่นกันอยู่เคยอุ้มลูกหรือยกตัวลูกในสระกันแล้วใช่ไหมครับ

ในการอุ้มลูกในน้ำนั้น เราจะพบว่าตัวลูกเบามากๆ เลยนะครับ


ที่เป็นเช่นนี้เพราะน้ำในสระมีแรงพยุงตัวลูกๆ ของเราอยู่ครับ


หากจะพูดถึงเหตุผลกันอย่างง่ายๆ ก็อาจสามารถอธิบายได้ว่า เมื่อวัตถุจมอยู่ในของเหลว ของเหลวก็จะออกแรงดันต่อวัตถุทุกๆทิศทาง ไม่ว่าจะข้างบน ข้างล่าง ซ้าย ขวา หน้า หรือหลัง

แต่เนื่องจากด้านล่างที่ลึกกว่าจะมีแรงดันมากกว่าด้านบนๆขึ้นไป จึงมีผลเสมือนของเหลวนั้น กำลังออกแรงยกวัตถุนั้นขึ้นไปครับพี่ ซึ่งในทางวิชาการเราเรียกแรงนี้ว่า แรงลอยตัว หรือ แรงพยุง 


ถ้าจะเรียกกันแบบสากล ก็ต้องเรียกว่า Buoyant force ครับ 



แรงพยุงนี่ จะขึ้นกับปัจจัยหลักๆ อยู่ 2 อย่างนะครับ

   - อย่างแรกก็คือความหนาแน่นของของเหลวนั้น

   - อย่างที่สองก็คือปริมาตรของวัตถุที่จมอยู่ในน้ำนั้นครับ





ความรู้ข้อที่สอง : ความหนาแน่น กับ แรงพยุง


เป็นเรื่องที่ไม่ง่ายนักครับ ที่จะอธิบายว่าทำไมความหนาแน่นของของเหลวจึงมีผลต่อแรงพยุงครับพี่น้อง

ดังนั้น เพื่อไม่ให้เสียเวลายืดเยื้อจนไม่ได้ไปทำข้อสอบข้ออื่นๆ ก็เลยขอสรุปกันแบบด้วนๆ เลยว่า...


เมื่อวัตถุชนิดเดียวกันจมอยู่ในของเหลวต่างชนิดกัน ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะมีแรงพยุงที่กระทำต่อวัตถุนั้นมากกว่าของเหลวที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า หรืออาจพูดง่ายๆ ว่า ถ้าของเหลวมีความหนาแน่นมาก จะมีแรงพยุงมากครับ


และเรารู้กันอยู่แล้วว่า น้ำมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำมัน และน้ำมันมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศ

อ้าว... ทำไมพี่ๆ บางท่านทำหน้าตาเหมือนไม่เคยรู้ล่ะครับ


เอางี้ซิครับ

เราลองมากสังเกตุกันนิดนึงว่า เวลาเราเทน้ำลงในแก้วที่ว่างเปล่าเพื่อจะดื่มนั้น

จริงๆแล้ว เดิมแก้วนั้นไม่ได้ว่างเปล่านะครับ ภายในแก้วนั้นมีอากาศอยู่ใช่ไหมครับพี่

ทีนี้พอเราเทน้ำลงไปในแก้ว น้ำก็จะไหลไปรวมกันอยู่ที่ก้นแก้ว อากาศที่เดิมเคยอยู่ในนั้นก็จะเคลื่อนขึ้นมาอยู่ข้างบนเพราะถูกน้ำเข้าไปแทนที่

แสดงว่า น้ำนั้น หนักกว่าอากาศ หรือน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศไงครับ จึงสามารถไหลไปอยู่ด้านล่างได้

ทีนี้เรามาดูความหนาแน่นระหว่างน้ำกับน้ำมันกันนะครับ

ซึ่งไม่ต้องคิดอะไรมากเลยครับ เพราะในชุดทดลองตามโจทย์รูป ง. ก็บอกเป็นนัยๆไว้แล้วว่าน้ำมันจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ

เพราะว่าเมื่อน้ำกับน้ำมันถูกเทมาอยู่ในภาชนะเดียวกัน โจทย์ก็วาดรูปให้ดูอยู่แล้วว่าน้ำจะอยู่ชั้นล่างส่วนน้ำมันอยู่ข้างบน

แสดงว่า ความหนาแน่นของน้ำจะมากกว่าน้ำมัน และความหนาแน่นของน้ำมันก็จะมากกว่าอากาศนั่นไงครับ


ดังนั้น ตามโจทย์ข้อนี้ เราสามารถสรุปได้เบื้องต้นแล้วนะครับว่า แรงพยุงของน้ำจะมากที่สุด ถัดมาก็คือน้ำมัน และสุดท้ายก็คืออากาศครับพี่น้อง




ความรู้ข้อที่สาม : ปริมาตรวัตถุที่จมอยู่ กับ แรงพยุง


เรากลับมาเรื่องที่เราเล่นกับลูกๆ ในสระไหว้น้ำกันอีกครั้งนะครับ

พี่ๆ สังเกตุไหมครับว่าการอุ้มลูกตอนที่ลูกดำน้ำอยู่ กับตอนที่ลูกลอยตัวอยู่ปริ่มๆน้ำอย่างไหนจะหนักหรือเบากว่ากัน

ใช่แล้วครับ...

ตอนที่ลูกดำอยู่ในน้ำทั้งตัว ลูกจะเบาที่สุด

ส่วนถ้าอยู่ปริ่มๆน้ำ จะหนักขึ้นมาหน่อยนึง แต่ก็เบากว่าตอนที่อยู่บนบกนะครับ


แสดงว่า ในวัตถุชนิดเดียวกัน เมื่อจมมิดลงไปใน้ำจะมีแรงพยุงเยอะที่สุด แต่ถ้าจมอยู่เป็นบางส่วนแรงพยุงก็จะน้อยลงครับ


หากต้องการทราบเหตุผล ก็สามารถอธิบายได้ว่า...

 

เมื่อวัตถุจมอยู่ในของเหลว ของเหลวก็จะออกแรงดันต่อวัตถุทุกๆทิศทาง ไม่ว่าจะข้างบน ข้างล่าง ซ้าย ขวา หน้า หรือหลัง

ถ้าวัตถุจมอยู่ในน้ำทั้งหมด ก็จะถูกแรงกระทำอย่างเต็มที่ทุกๆส่วน

แต่ถ้าจมอยู่เพียงบางส่วน แรงที่กระทำจะกระทำได้เฉพาะส่วนที่จมอยู่ แรงพยุงจึงน้อยลงไงครับ


ถ้านึกไม่ออก ลองดูภาพข้างล่างนี้นะครับ

รูป A ก้อนวัตถุจะจมอยู่ในน้ำทั้งก้อน ดังนั้นแรงพยุงจึงกระทำต่อวัตถุอย่างเต็มที่

ส่วนรูป B วัตถุจะจมน้ำอยู่เพียงครึ่งก้อน แรงดันที่น้ำกระทำต่อวัตถุจึงมีไม่เต็มก้อนเหมือนรูป A

รูป B จึงมีแรงพยุงน้อยกว่า รูป A ครับพี่น้อง

 




ทีนี้ เราลองมาดูว่าถ้าวัตถุจมอยู่ในน้ำครึ่งนึง แล้วที่เหลือจมอยู่ในน้ำมัน จะมีแรงพยุงเป็นอย่างไรบ้าง

เมื่อตะกี้ เราได้เปรียบเทียบรูป A กับรูป B กันไปแล้วนะครับ คราวนี้เราลองมาดูรูป C กันนะครับ

วัตถุที่รูป C จะมีแรงพยุงจากของเหลว 2 ชนิด คือ น้ำกับน้ำมัน โดยส่วนจะจมอยู่ในน้ำก็จะถูกพยุงด้วยน้ำ ส่วนที่จมอยู่ในน้ำมันก็จะถูกพยุงด้วยน้ำมัน เมื่อเป็นเช่นนี้ แรงพยุงสุทธิของรูป C จึงมีมากกว่ารูป B แต่ก็ยังคงน้อยกว่ารูป A ใช่ไหมครับ


เอาล่ะครับ...

เราได้ทำความเข้าใจถึงเรื่องแรงพยุงกันอย่างดีแล้วนะครับ ดังนั้น รูปไหนที่มีแรงพยุงมาก ก็ย่อมชั่งได้น้ำหนักเบามากนั่นเอง


ลองกลับไปดูโจทย์กันอีกซักทีนะครับ


เรารู้กันแล้วว่า น้ำมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำมัน และอากาศมีความหนาแน่นน้อยกว่าใครเพื่อน


ที่ชุดการทดลอง ก

เนื่องจากอากาศมีความหนาแน่นน้อยที่สุดจึงมีแรงพยุงน้อยที่สุด น้ำหนักวัตถุที่ชั่งได้จึงมีค่ามากที่สุด


ที่ชุดการทดลอง ข

เป็นการชั่งในน้ำมัน ซึ่งน้ำมันมีความหนาแน่นมากกว่าอากสศแต่น้อยกว่าน้ำ น้ำหนักวัตถุที่ชั่งได้จึงน้อยลงกว่าการชั่งในอากาศเล็กน้อย


ที่ชุดการทดลอง ค

น้ำมีความหนาแน่นมากที่สุด จึงมีแรงพยุงมากที่สุด น้ำหนักวัตถุที่ชั่งได้จึงน้อยที่สุด


ที่ชุดการทดลอง ง

วัตถุจะขมอยู่ในน้ำครึ่งหนึ่งและอยู่ในน้ำมันครึ่งหนึ่ง แรงพยุงจึงน้อยกว่าชุด ค แต่มากกว่าชุด ข ดังนั้น น้ำหนักที่ชั่งได้จึงอยู่ระหว่างการทดลองชุด ข กับชุด ค



ดังนั้น รูปที่มีแรงพยุงน้อยที่สุดก็คือ รูป ก และที่มากขึ้นถัดมาก็คือรูป ข แล้วมากขึ้นไปอีกคือรูป ง โดยมีรูป ค เป็นอันที่มีแรงพยุงมากที่สุด

เมื่อเป็นอย่างนี้ น้ำหนักที่ชั่งได้เรียงลำดับจากน้อยไปมากก็คือ ค  ง  ข  และ ก ใช่ไหมครับ


ดังนั้น เราก็เลือกตอบคำตอบข้อที่ 3. เป็นคำตอบที่ถูกต้องนะครับ

 


ทีนี้ก็รีบไปทำโจทย์ข้อที่ 5 กันนนนนนนนน...


เพิ่มคอมเมนต์ใหม่

รหัสป้องกันความปลอดภัย
รีเฟรช