ข้อสอบวิทยาศาสตร์ สสวท.

ข้อ 7. กำหนดให้ ลูกบอลกระดอนจากพื้นโดยไม่สูญเสียพลังงานและไม่คิดแรงดันอากาศ

เด็กชายเอกทดลองข้วางลูกบอลด้วยแรง F ลงในแนวดิ่ง ดังรูป 1 และทดลองปล่อยลูกบอลเดียวกัน ที่ระดับเดียวกันให้ตกลงมา ดังรูป 2

ข้อใดสรุปถูกต้อง

1. หลังลูกบอลหลุดจากมือสักครู่ แรงที่กระทำต่อลูกบอลในรูป 1 มากกว่ารูป 2

2. เมื่อลูกบอลตกกระทบพื้นจะกระดอนขึ้นสูงไม่เท่ากัน

3. ลูกบอลจะตกถึงพื้นด้วยความเร็วเท่ากัน

4. ลูกบอลใช้เวลาตกถึงพื้นเท่ากัน

………………………………………………

สำหรับน้องๆหนูๆแล้วเป็นไงครับข้อนี้ และสำหรับพี่ๆ คิดว่าน่าจะตอบข้อไหน แล้วจะอธิบายแนวคิดแบบประถมๆที่ไม่เกินความรู้มากเกินไปให้ลูกๆฟังอย่างไรดีครับ

ตามปกติเมื่อตอนเราทำข้าวของหล่นลงพื้น เรามักจะพบข้าวของนั้นมักเป็นต้องหล่นลงทับนิ้วเท้าของเราทุกที ซึ่งแม่ๆ ก็มักจะบอก(ทำนองดุ) ว่าทำไมซุ่มซ่าม ทำไมไม่พยายามคว้าเอาไว้ ทำไมไม่ชักเท้าหนี และอีกร้อยแปดพันเก้าของคำว่าทำไม

คืองี้ครับคุณแม่ เวลาของหล่นนั้นจะตกถึงพื้นด้วยเวลาที่รวดเร็วมาก และแม่ทราบไหมครับว่าจะขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่ จะหนักหรือเบาก็จะตกถึงพื้นด้วยเวลาที่เท่าๆกัน ซึ่งจังหวะนั้นเองที่น้องๆหนูๆไม่ทันจะคิดอะไรนิ้วเท้าอันน้อยๆก็ช้ำเพราะโดนกระแทกแล้วครับ

อีกอย่างนะครับ บางทีอาจจะคิดทันว่าต้องชักเท้าหนีแต่ถ้าเป็นการยืนอยู่และขาข้างนั้นกำลังเป็นขาที่รับน้ำหนัก (ผู้ใหญ่บางท่านเรียกว่า “ขาตาย”) ถ้าจะขยับขานั้นออกจะต้องถ่ายน้ำหนักไปที่ขาอีกขานึงก่อนถึงจะขยับขาขานั้นได้ ซึ่งก็มักไม่ค่อยทันเหรอครับ

อีกอย่างนะครับ มันเป็นอุบัติเหตุที่ไม่มีใครอยากให้เกิด ข้าวของตกแตกก็ซ่อมได้ ซื้อหาใหม่ได้ นิ้วเท้าที่บวมก็ทายาหาหมอก็หายได้ แต่คำบ่นของแม่ที่วนเวียนซ้ำซากที่แทงบาดลึกเข้าไปในใจลูกนั้น ซ่อมให้หายยากนะครับ

อ้าว…บ่นไปถึงไหนซะแล้ว

เรากลับมาเรื่องของของที่ตกลงสู่พื้นกันต่อดีกว่านะครับ

ซึ่งในเบื้องต้นตามที่ผู้น้อยพูดเอาไว้ก่อนหน้านั้นว่า “ข้าวของจะขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่ จะหนักหรือเบาก็จะตกถึงพื้นด้วยเวลาที่เท่าๆกัน” นั้น ผมไม่ได้พูดไปเรื่อยเปื่อยนะครับ เพราะประเด็นนี้ กาลิเลโอ นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีผู้ยิ่งใหญ่ของโลกได้ทำการทดลองไว้แล้วเมื่อกว่า 400 ปีมาแล้ว ซึ่งน้องๆหนูๆคงทราบกันดีอยู่แล้วนะครับว่าเป็นการทดลองที่หอเอนแห่งเมืองปิซา โดยกาลิเลโอทิ้งวัตถุที่มีน้ำหนักต่างกันลงจากจากหอเอน เพื่อพิสูจน์ว่าวัตถุที่มีน้ำหนักต่างกันจะตกถึงพื้นพร้อมกัน

ซึ่งก็เป็นจริงตามนั้น แต่ด้วยความที่ผลการทดลองนั้นขัดต่อความเชื่อดั่งเดิมของเหล่านักวิทยาศาสตร์ที่เป็นทั้งนักบวชและผู้นำจิตวิญญาณ ความเชื่อดั่งเดิมที่ว่าของหนักกว่าจะต้องตกถึงพื้นก่อนของเบากว่าก็ยังคงได้รับการเชื่อถืออยู่ต่อไปอีกนานพอสมควรเลยครับ

และพี่ๆน้องๆทราบไหมครับว่า กาลิเลโอ ได้ทำการทดลองและเขียนหนังสือเพื่อพิสูจน์เหตุการณ์อีกหลายอย่าง ซึ่งก็ค้านกับความเชื่อเดิมๆ จนได้รับการต่อต้านจากเหล่านักบวชผู้ทรงอำนาจ และก็มาแตกหักเมื่อกาลิเลโอได้เขียนหนังสือสนับสนุนทฤษฎีของโคเปอร์นิคัส (นักวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่อีกคนหนึ่ง) ที่ว่าด้วยดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยจักรวาล โดยมีดาวเคราะห์ต่างๆ รวมทั้งโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ไม่ใช่โลกเป็นศูนย์กลางของทุกสิ่งอย่างที่ศาสนจักรเที่ยวบอกใครต่อใครไว้

ในท้ายที่สุดแนวคิดของผู้มีอำนาจก็เป็นเหมือนเดิมทั้งอดีตและปัจจุบัน คือผู้ที่คิดต่างก็มักถูกกำจัด กาลิเลโอจึงถูกกล่าวหาว่าเป็นคนนอกรีตและถูกจำคุก ซึ่งในภายหลังแม้จะได้รับการปล่อยตัวออกมาเพราะถูกบังคับให้ออกมาเขียนหนังสือว่าทฤษฎีของโคเปอร์นิคัสนั้นไม่จริง ก็ยังถูกกักขังไว้ในบ้านหลังหนึ่งจนตลอดชีวิตเลยครับ

อ้าว…ไปเรื่องอื่นอีกแล้ว (ฮา)

งั้นสรุปกันก่อนนะครับว่า ข้าวของจะขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่ จะหนักหรือเบาก็จะตกถึงพื้นด้วยเวลาที่เท่าๆกัน นะครับ ซึ่งอาจขยายความเพิ่มเติมอีกนิดนึงว่า แสดงว่าวัตถุทั้งสองนั้นจะมีความเร็วเท่ากันจึงตกถึงพื้นเวลาเดียวกัน ถ้าปล่อยออกจากมือพร้อมๆกัน

เอาล่ะครับ ทีนี้น้องๆหนูๆ ก็เคยทราบกันด้วยประสบการณ์กันแล้วนะครับว่าดินสอที่หล่นจากพื้นลงมากระแทกนิ้วเท้าเรานั้น จะเจ็บมากหรือเจ็บน้อย จะขึ้นกับระยะที่หล่นว่าสูงหรือเตี้ยแค่ไหน

ถ้าหล่นลงมาจากที่สูงมากๆ เราก็จะเจ็บมาก ถ้าหล่นจากที่สูงน้อยๆเราก็จะเจ็บน้อย ซึ่งที่เป็นอย่างนี้ก็เป็นเพราะความเร็วของดินสอตอนพุ่งลงมาปักนิ้วเท้าเรานั้นมากน้อยต่างกันนั่นเอง

ซึ่งหากจะขยายความต่อไปอีกซักนิดนึง เพื่อไม่ให้งง (หรือจะทำให้งงมากกว่าเดิมหว่า ?) ที่ดินสอหล่นลงพื้นได้ก็เพราะแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดลงมานั่นไงครับ

แรงโน้มถ่วงของโลกที่ดึงวัตถุลงมาทำให้นั้น จะทำให้วัตถุมีความเร็วเพิ่มมากขึ้น และเพิ่มมากขึ้นตามระยะทางที่หล่นลงมา หรือพูดได้ว่าวัตถุที่ตกลงมานั้นจะตกลงมาด้วยความเร่งค่าหนึ่ง ซึ่งก็คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกนั่นเองครับ

เพื่อความชัดเจนเกี่ยวกับคำว่า “ความเร่ง” ผู้น้อยใคร่ขอยกตัวอย่างให้หนูๆฟัง (ซึ่งในตอนนี้ถ้าคุณแม่ไม่นั่งฟังอยู่ด้วยก็จะดีมากๆเลยครับ)

นึกถึงการกินข้าวของเราในตอนเช้าดูซิครับ ตามปกติแล้วเราก็จะกินข้าวไปเรื่อยและดูทีวีไปเรื่อย ไม่รีบไม่ร้อนอะไร จนอาจเรียกได้ว่ามีความเร็วในการตักกินแต่ละคำคงที่มากๆ

แต่ถ้าเป็นเช้าวันไปโรงเรียนเราจะทำอย่างนี้ไม่ได้นะครับ เพราะการกินข้าวของเราจะมีเสียงของคุณแม่มาประกอบฉากอยู่ทุกสิบวินาที

แม่ซึ่งเมื่อคืนยังเป็นนางฟ้าผู้ใจดีอยู่เลย ก็กลายร่างเป็นนางยักษ์เร่งเร้าให้เรากินเร็วๆ เร็วๆ หนักเข้าก็เริ่มมาลงมือป้อนเอง

พอกินคำแรกยังไม่ทันกลืน ก็ป้อน(ยัด)คำต่อไปเข้าไปในปาก พลางพูดตามว่ารีบๆเคี้ยว รีบๆเคี้ยว มันสายแล้ว มันสายแล้ว ซึ่งความเร็วในการกินของเราก็จะเพิ่มขึ้น เพิ่มขึ้น และในที่สุดก็จะกินหมดได้อย่างรวดเร็วจนไม่น่าเชื่อ

ลักษณะอาการของแม่(ผู้กลายร่างเป็นนางยักษ์) นี่และครับคือ “ความเร่ง” ครับ

หากน้องๆหนูๆ พอจะเข้าเรื่องความเร่งดีแล้ว ก็บอกให้คุณแม่มาฟังผมเล่าให้ฟังต่อได้แล้วครับ (ฮา)

ทีนี้ เราก็เข้าใจแล้วนะครับว่าความเร่งเนื่องจากแรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุที่หล่นลงมีความเร็วเพิ่มมากขึ้นไปเรื่อยๆนะครับ

ทีนี้ เรามาดูรูปประกอบคำอธิบายกันซักนิดนึงนะครับ

สมมติลูกบอล A อยู่สูงจากพื้น 5 เมตร ลูกบอล B และ C อยู่สูงจากพื้น 3 เมตร

ถ้าเราปล่อยลูกบอล B ให้ตกอย่างอิสระ ความเร็วที่ตำแหน่งเริ่มต้น หรือ V_b1 จะต้องเท่ากับ 0 แล้วก็จะค่อยๆมีความเร็วมากขึ้นไปเรื่อยๆ จนมีความเร็วเป็น V_b2 ซึ่งเป็นความเร็วสุดท้ายก่อนที่จะตกถึงพื้น

ทีนี้ ถ้าเราปล่อยลูกบอล A ให้ตกอย่างอิสระ ความเร็วที่ตำแหน่งเริ่มต้น หรือ V_a1ก็จะเท่ากับ 0 แล้วก็จะค่อยๆมีความเร็วเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ จนถึง ณ ตำแหน่ง 3 เมตรจากพื้น ก็จะมีความเร็วเท่ากับ V_a2 แล้วก็จะมีความเร็วเพิ่มขึ้นไปอีกเรื่อยๆ เป็น V_a3 ซึ่งเป็นความเร็วสุดท้ายก่อนที่จะตกถึงพื้น

เมื่อเปรียบเทียบความเร็วของลูกบอล A และ B เราจะพบว่า ณ ตำแหน่ง ปลายสุดก่อนจะถึงพื้น ความเร็ว V_a3 จะมากกว่า V_b2 เนื่องจาก A มีระยะการตกมากกว่า B (A 5 เมตร , B 3 เมตร)

และเมื่อเปรียบเทียบ ณ ตำแหน่ง 3 เมตรจากพื้น เราจะเห็นได้ว่า V_b1 จะมีค่าเท่ากับ 0 เพราะเป็นจุดเริ่มต้นปล่อย ในขณะที่ V_a2 มีค่ามากกว่า 0 อย่างแน่นอน แสดงว่า ณ จุด 3 เมตรจากพื้นนั้น ถ้าใครมีความเร็วมากกว่า ก็จะถึงพื้นด้วยความเร็วมากกว่าด้วย

ทีนี้ สำหรับลูกบอล C ที่อยู่ตำแหน่งสูงเท่ากับ B เราจะไม่ปล่อยให้ตกแบบอิสระแล้วครับ แต่เราจะขว้างลงไปด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของ A ที่จุด 3 เมตร ดังนั้นค่า V_c1 ของ C ในจุดเริ่มต้นจะไม่เท่ากับ 0 แล้วนะครับ ซึ่งเมื่อเราทำอย่างนี้ ความเร็ว ณ จุดก่อนถึงพื้นของ C ก็ย่อมเท่ากับความเร็วของ A ที่จุดก่อนถึงพื้น ซึ่งจะมากกว่าความเร็วของ B อย่างแน่นอนใช่ไหมครับ

ดังนั้น เราก็สรุปได้ว่า ถ้าเราขว้างลูกบอลลงพื้น ลูกบอลก็จะถึงพื้นด้วยความเร็วที่มากกว่าการตกแบบอิสระ ซึ่งการที่ความเร็วมากกว่าก็ย่อมต้องใช้เวลาที่น้อยกว่าด้วยนะครับ

อธิบายอย่างนี้คงไม่งงนะครับพี่น้องงงง

ทีนี้เรามาต่อกันที่ เมื่อลูกบอลตกถึงพื้นแล้วจะเกิดอะไรขึ้นบ้าง ซึ่งอันนี้เราไม่ต้องคิดอะไรมากเลยใช่ไหมครับเพราะเราน่าจะมีประสบการณ์ตรงจากการเล่นขว้างลูกปิงปองกันมาบ้างแล้วว่า ถ้าเราออกแรงขว้างลูกปิงปองอย่างแรง ลูกปิงปองก็จะวิ่งไปกระทบพื้นด้วยความเร็วสูง แล้วก็จะกระดอนขึ้นด้วยความเร็วสูงด้วย และไม่ต้องสงสับเลยใช่ไหมครับว่าลูกปิงปองจะกระดอนขึ้นด้วยระยะที่สูงมากอีกด้วย

มาถึงตอนนี้ เราก็น่าจะทำข้อสอบข้อนี้ได้แล้วใช่ไหมครับ

อย่าลืมนะครับ โจทย์กำหนดให้ ลูกบอลกระดอนจากพื้นโดยไม่สูญเสียพลังงานและไม่คิดแรงดันอากาศ ซึ่งหมายถึงว่าตอนลูกบอลเคลื่อนที่จะไม่มีความต้านทานของอากาศที่อาจทำให้ลูกบอลช้าลง และวิ่งกระแทกพื้นด้วยความเร็วเท่าไรก็กระดอนขึ้นด้วยความเร็วเท่านั้นนะครับ

โจทย์บอกว่า “เด็กชายเอกทดลองข้วางลูกบอลด้วยแรง F ลงในแนวดิ่ง ดังรูป 1 และทดลองปล่อยลูกบอลเดียวกัน ที่ระดับเดียวกันให้ตกลงมา”

ข้อใดสรุปถูกต้อง

คำตอบข้อที่ 1. หลังลูกบอลหลุดจากมือสักครู่ แรงที่กระทำต่อลูกบอลในรูป 1 มากกว่ารูป 2

อ้าว…เรื่องนี้ยังไม่ได้อธิบายให้ฟังใช่ไหมครับ

งั้นยกตัวอย่างง่ายๆ ให้ดูนะครับ เวลาเราเข็นรถให้เคลื่อนที่เรามีวิธีทำอยู่ 2 วิธี วิธีแรกคือการออกแรงเข็นแบบเดินเข็นตามรถไปเรื่อยๆให้เคลื่อนไปข้างหน้า ถ้าอย่างนี้เป็นการออกแรงอย่างต่อเนื่องนะครับ ดังนั้นในทุกระยะที่รถเคลื่อนไปก็ยังคงมีแรงของเราที่ดันไว้อยู่ตลอด

ส่วนการเข็นรถอีกวิธีคือการเข็นแบบผลักออกไปเลย ซึ่งรถก็จะเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แล้วจะค่อยๆช้าลงเพราะเราไม่ได้ตามไปผลักตลอด ซึ่งก็คือมีแรงกระทำต่อรถเฉพาะในตอนแรกตอนเดียวเท่านั้น

ดังนั้นการขว้างลูกบอลลงพื้น แรงที่กระทำต่อลูกบอลก็จะมีในครั้งแรกครั้งเดียว พอหลุดมือไปแล้วแรงของเราก็ไม่ได้กระทำอีกต่อไปแล้ว ดังนั้น ณ จุดหลังจากลูกบอลหลุดจากมือแรงก็จึงเป็นศูนย์

ส่วนการปล่อยให้ลูกบอลหลุดจากมือตกลงพื้นเฉยๆ อันนี้เราก็คงทราบกันดีอยู่แล้วนะครับว่า เมื่อเราไม่ได้ออกแรง แรงกระทำที่ลูกบอลก็ย่อมเป็นศูนย์นะครับ

ดังนั้น ข้อความที่ว่า “หลังลูกบอลหลุดจากมือสักครู่ แรงที่กระทำต่อลูกบอลในรูป 1 มากกว่ารูป 2” จึงไม่ถูกต้องครับ จริงๆแล้วต้องเป็นศูนย์ทั้งคู่นะครับ

คำตอบข้อที่ 2. เมื่อลูกบอลตกกระทบพื้นจะกระดอนขึ้นสูงไม่เท่ากัน

อันนี้ใช่เลยนะครับ เพราะเมื่อเราขว้างลูกบอลลง ลูกบอลก็ย่อมต้องเคลื่อนที่เร็ว เมื่อกระทบถูกพื้นก็ย่อมต้องกระดอนกลับด้วยความเร็ว ดังนั้นก็จะกระดอนสูงกว่าลูกที่ปล่อยให้ตกเฉยๆ

คำตอบข้อที่ 3. ลูกบอลจะตกถึงพื้นด้วยความเร็วเท่ากัน

เมื่อเราขว้างลูกบอลลง ลูกบอลก็ย่อมต้องเคลื่อนที่เร็ว ณ จุดจะตกลงถึงพื้นก็ย่อมต้องเร็วกว่าลูกที่ปล่อยให้หล่นเฉยๆ การพูดว่าจะมีความเร็วเท่ากันจึงผิดนะครับ

คำตอบข้อที่ 4. ลูกบอลใช้เวลาตกถึงพื้นเท่ากัน

เมื่อเราขว้างลูกบอลลง ลูกบอลก็ย่อมต้องเคลื่อนที่เร็ว ดังนั้น ณ จุดจะตกลงถึงพื้นก็ย่อมต้องเร็วกว่าลูกที่ปล่อยให้หล่นเฉยๆ ซึ่งเมื่อเคลื่อนที่เร็วกว่าก็ย่อมต้องใช้เวลาน้อยกว่า การพูดว่าจะใช้เวลาตกถึงพื้นเท่ากันจึงเป็นคำพูดที่ไม่ถูกต้องนะครับ

ดังนั้น คำตอบที่ถูกต้องก็ต้องเป็นคำตอบข้อที่ 2. ครับพี่น้องงง

ใส่ความเห็น ยกเลิกการตอบ