ข้อสอบวิทย์ สสวท. ปี 2559 ข้อที่ 3.
- รายละเอียด
- หมวด: เฉลยข้อสอบวิทยาศาสตร์ สสวท. ป.3 ปี 2559
- สร้างเมื่อ วันศุกร์, ๑๑ สิงหาคม ๒๕๖๐ ๒๐:๐๗
- เขียนโดย SarnSeri
- ฮิต: 1703
ข้อที่ 3.
นักเรียนทำการทดลองบนโลกเพื่อชั่งมวลของวัตถุ B ด้วยตาชั่งสองแขน จะต้องใช้มวลมาตรฐานขนาด 60 กิโลกรัม เพื่อทำให้คานของตาชั่งอยู่ในแนวระดับเดียวกัน ดังรูป
ถ้าทำการทดลองเช่นเดียวกันนี้บนดวงจันทร์ ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงเป็น 1/6 เท่าของแรงโน้มถ่วงของโลก จะต้องใช้มวลมาตรฐานขนาดกี่กิโลกรัม
1. 6 กิโลกรัม
2. 10 กิโลกรัม
3. 60 กิโลกรัม
4. 360 กิโลกรัม
สำหรับข้อนี้แล้ว เด็กๆ ที่ถูกสอนมาอย่างดีว่า แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เป็น 1/6 เท่าของแรงโน้มถ่วงของโลก
ดังนั้น น้ำหนักที่ชั่งบนดวงจันทร์จะเป็น 1/6 ของน้ำหนักที่ชั่งอยู่บนโลก
เพราะฉะนั้น โจทย์ข้อนี้บอกว่าวัตถุ B ที่ชั่งที่โลกมีน้ำหนักเท่ากับ 60 กิโลกรัม
ดังนั้น ก็เอา 60 ตั้ง แล้วหารด้วย 6 ก็คือ 60/6 = 10 กิโลกรัม
เมื่อเป็นเช่นนี้ ก็เลือกตอบอย่างสบายใจเลยว่า คำตอบที่ถูกต้องคือ คำตอบข้อ 2. 10 กิโลกรัม นั่นเอง
พี่ๆ คิดว่าเป็นคำตอบที่ถูกต้องไหมครับ...
เอางี้นะครับ ก่อนที่เราจะมาทำข้อสอบข้อนี้กัน
หรือมาตัดสินกันว่าคำตอบข้อ 2. ถูกหรือไม่
เรามาหาความรู้เกี่ยวกับคำว่า "มวล" กับ "น้ำหนัก" และ "แรงโน้มถ่วง" กันก่อนนะครับ
โดยคนที่น่าจะให้ความรู้กับเราได้ ก็น่าจะเป็นวิศวกรหนุ่มหน้าหล่อที่ชื่อ สมพล ครับ
(หมายเหตุ : เรื่องนี้ผมเคยเล่าให้ฟังแล้วครั้งนึงนะครับ หากพี่ท่านไหนที่ยังจำได้ ก็ทนๆฟังซ้ำซักนิดนึงนะครับ)
"อ้อ...น้ำหนักก็คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลครับคุณน้า"
สมพล วิศวกรหน้าหล่อวัยละอ่อน อธิบายให้ผมฟังในภาษาที่ผมไม่เข้าใจเลยแม้แต่น้อย
"ขอโทษครับน้า เห็นแววตาของน้าแล้วผมรู้สึกผิดเลยครับ งั้นผมจะแยกอธิบายทีละเรื่องนะครับโดยเริ่มต้นที่เรื่อง "มวล" ก่อน แล้วค่อยไปเรื่อง "น้ำหนัก" ดีกว่านะครับน้า"
สมพลบอกผม เหมือนกำลังพยายามสอนพิเศษให้เด็กฉลาด(น้อย) ที่คุณแม่ยัดเยียดให้มาเรียนต่อเย็นเพื่อจะได้ตามทันเพื่อนที่โรงเรียน
ความรู้ข้อที่หนึ่ง : มวล
"มวล ก็คือปริมาณของสสาร หรือจำนวนอนุภาคที่บรรจุอยู่ในวัตถุครับ โดยอนุภาคที่ว่านี้ก็คืออะตอมที่รวมตัวกันเป็นโมเลกุลแล้วรวมตัวกันก่อให้เกิดอนุภาคนั้นๆครับน้า"
สมพล เริ่มอธิบาย
"มวลไม่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งใดๆ ครับ ไม่ว่าจะอยู่บนพื้นราบ หรืออยู่บนยอดเขา หรือบนดวงจันทร์ หรืออยู่ในอวกาศ มวลจะมีค่าคงที่เสมอ ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะถ้าจำนวนอนุภาคยังคงเท่าเดิม มวลก็ย่อมต้องเท่าเดิมเสมอ จริงไม่จริงครับน้า"
สมพล พยายามให้ผมมีส่วนร่วมในบทเรียน อาจเป็นเพราะสังเกตเห็นอาการตาลอยของผมเข้า
"เราอาจประมาณการค่าของมวลได้ด้วยการชั่งน้ำหนักมวลในมือ เช่นเมื่อเราถือเงาะหนึ่งผลด้วยมือซ้าย และถือมะม่วงหนึ่งผลด้วยมือขวา เราก็สามารถบอกได้ว่ามะม่วงมีมวลมากกว่าเงาะ ซึ่งเป็นเพราะเรารู้สึกว่ามะม่วงหนักกว่าเงาะใช่ไหมครับน้า แต่ถ้าจะเปรียบเทียบมวลของเงาะสองผล เราอาจไม่สามารถแยกแยะได้ว่าผลไหนมีมวลมากกว่าผลไหน"
"นักวิทยาศาสตร์ จึงกำหนดการวัดมวลโดยมีหน่วยตามระบบมาตราฐาน เป็น "กิโลกรัม" ครับน้า ซึ่งการที่มีหน่วยวัดได้แบบนี้ เราก็ตัดปัญหาการประมาณการด้วยความรู้สึกออกไปได้ มะม่วงที่มีมวลครึ่งกิโลกรัม จะอยู่ที่ไหนก็ต้องมีมวลครึ่งกิโลกรัม"
สมพลยิ้มน้อยๆ เมื่อเห็นผมพยักหน้า คงคิดว่าผมกำลังแสดงอาการว่าเข้าใจแล้ว
แต่ไม่ใช่(เว้ย)เจ้าหนุ่ม ที่ข้าพยักหน้าให้แกเป็นแค่เพียงรับทราบเท่านั้น แต่ไม่เข้าใจเบย...
ความรู้ข้อที่สอง : น้ำหนัก
"ทีนี้ก็มาพูดกันถึงคำว่า "น้ำหนัก" นะครับน้า"
สมพล เริ่มเรื่องใหม่ โดยไม่ถามผมซักคำว่าเรื่องที่แล้วผมเข้าใจหรือยัง
เพราะจริงๆ แล้ว ผมรู้สึกสับสนและสงสัยเล็กน้อยว่า ทำไมใครๆ ก็พูดกันว่า มะม่วงมี "น้ำหนัก" ครึ่งกิโลกรัม ไม่เห็นจะมีใครพูดว่ามะม่วงมี "มวล" ครึ่งกิโลกรัมกันซักคนเดียว
มันต้องมีอะไรที่ไม่ปกติแน่ๆ
แต่ก็ต้องกลืนความสงสัยไว้ก่อน ซึ่งไม่ใช่เพราะเป็นตามนิสัยมาตรฐานของเด็กไทยที่สงสัยอะไรก็ไม่กล้าถามนะครับ
เพียงแต่เราไม่อย่าถามแทรกให้เสียบรรยากาศเท่านั้นเอง ใช่ไหมครับหนูๆ
"การที่ท่านเซอร์ ไอแซค นิวตัน บิดาแห่งวิชากลศาสตร์ เห็นผลแอปเปิ้ลหล่นลงบนพื้น ทำให้คิดได้ว่าต้องมีอะไรซักอย่างทำให้ผลแอปเปิ้ลตกลงสู่พื้นได้ ทำไมไม่ลอยขึ้นไปบนท้องฟ้า หรือทำไมไม่พุ่งออกไปข้างๆ ซึ่งหลังจากเห็นดังนั้น นิวตันไม่ได้เก็บความสงสัยไว้เฉยๆ เหมือนคนอื่นๆนะครับน้า แต่นิวตันได้ทำการค้นคว้าและทดลอง จนพบว่า การที่วัตถุตกลงสู่งพื้นก็เป็นเพราะแรงโน้มถ่วงของโลกครับน้า"
แล้วมันเกี่ยวอะไรกับน้ำหนักฟ่ะ ผมคิดในใจ
"ทีนี้ ก็มาว่ากันเรื่องน้ำหนัก"
อ้าว...ยังไม่เข้าเรื่องของน้ำหนักอีกเหรอ ผมเริ่มมึน
"เอาง่ายๆ เลยนะครับ น้ำหนักของวัตถุ คือ ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง คูณกับ มวลของวัตถุนั้นครับน้า"
เจ้าสมพล ดูจะอธิบายรวบรัดตัดตอนอย่างไรชอบกล แต่ก็ทำให้เข้าใจได้ว่าทำไมต้องพูดเรื่องแรงโน้มถ่วงก่อน
"ดังนั้น หากที่ใดมีค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงไม่เท่ากัน ก็จะได้น้ำหนักที่ต่างกัน ถึงแม้จะเป็นมวลก้อนเดียวกันก็ตาม ยกตัวอย่างเช่นการชั่งน้ำหนักที่ดวงจันทร์ซึ่งมีค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงน้อยประมาณ 5/3 หรือ ประมาณ 1.667 m/s2 เมื่อนำมาชั่งที่โลกที่มีค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงสูงถึง 10 m/s2 ก็จะทำให้น้ำหนักของวัตถุบนโลกมากกว่าบนดวงจันทร์ครับน้า"
ผมพยายามจินตนาการตามที่สมพลพูด
"ยกตัวอย่างเช่น วัตถุที่มีมวล 60 กิโลกรัม เมื่อชั่งบนโลกจะเท่ากับ ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก (10) คูณกับ มวลของวัตถุนั้น (60) = 600 นิวตัน แต่ถ้าชั่งที่ดวงจันทร์จะเท่ากับ ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ (10/6) คูณกับ มวลของวัตถุนั้น (60) = 100 นิวตัน ซึ่งจะเห็นได้ว่าน้ำหนักที่โลกหนักกว่าน้ำหนักที่ดวงจันทร์ เท่ากับ 600/100 = 6 เท่า ครับน้า"
อืม ม ม คำอธิบายของสมพลคราวนี้ ค่อยเข้าประเด็นหน่อย
แต่ไอ้เจ้าหน่วนเป็น"นิวตัน"นี่ มันคืออะไรหว่า
"ขอโทษนะครับน้า ผมลืมบอกไปว่าหน่วยของน้ำหนักนั้น มีหน่วยเป็น "นิวตัน" ซึ่งเกิดจาก มวลที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัม คูณกับ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทียกกำลังสอง (m/s2)"
สมพล พูดเหมือนอ่านใจผมได้
"หน่วยที่ชื่อ "นิวตัน" นี้ จริงๆ แล้วก็คือหน่วยของแรงครับน้า และน้ำหนักก็คือแรงชนิดหนึ่ง น้ำหนักจึงมีหน่วยเป็นนิวตันเหมือนกัน โดยเป็นการตั้งชื่อหน่วยเพื่อให้เกียรติแก่ เซอร์ ไอแซค นิวตัน ผู้เป็นบิดาแห่งวิชากลศาสตร์ครับน้า"
สมพล อธิบายเรื่องยากอีกแล้ว แต่ผมถือโอกาสสรุปว่าน้ำหนักมีหน่วยเป็น "นิวตัน" ซึ่งเกิดจาก มวลของวัตถุ(ที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัม) คูณกับความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง(ที่มีหน่วยเป็น m/s2 ) ส่วนถ้ามีโจทย์เรื่องเกี่ยวกับการคำนวณแรง ค่อยกลับมาถามอีกทีดีกว่า ขื่นซักไซ้ตอนนี้แล้วเจ้าสมพลอธิบายยืดยาวเดี๋ยวได้งงอีกพอดี
ความรู้ข้อที่สาม : ... เลยตามเลย
"คนทั่วโลก มักจะติดปากเรียก"มวล"ว่า"น้ำหนัก" ครับน้า เช่นเวลาเราไปโรงพยาบาล พยาบาลก็จะต้องบอกให้เราไปชั่งน้ำหนักก่อน ไม่เคยมีใครคนไหนที่พูดว่า "เดี๋ยวรบกวนคนไข้ชั่งมวลก่อนนะคะ" "
ไม่เห็นตลกเลย ผมคิดในใจ
"เครื่องชั่งทั่วไปที่เป็นเครื่องชั่งแบบสปริงนั้น มีการหักทดค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกไว้ด้วยสปริงแล้ว ทั้งนี้เพื่อให้เครื่องชั่งแสดงค่าของ "มวล" ของวัตถุนั้นๆ แต่อาจมีแม่ค้าหัวใสบางคนที่ขายของตามตลาดหักทดค่าของสปริงใหม่ เพื่อให้เครื่องชั่งอ่านมวลที่หนักกว่าความเป็นจริง ซึ่งถ้ากรมการค้าภายในมาตรวจเจอ จะถือว่าแม่ค้าโกงน้ำหนัก ซึ่งจะมัโทษทั้งจำทั้งปรับเลยนะครับน้า"
ผมพยักหน้ารับรู้ เพื่อให้สมพลข้ามเรื่องนี้ไปไวๆ
"นั่นแสดงให้เห็นว่า เครื่องชั่งมวลจริงๆ นั้น ไม่มีนะครับน้า"
สมพลพยายามอธิบายว่าเครื่องชั่งที่เราใช้ๆ กันอยู่นั้น ถึงแม้ว่าจะสามารถชั่งมวลได้ แต่ค่าที่ได้นั้นก็อาจไม่ใช่มวลที่แท้จริง
"สรุปแล้ว เมื่อมีการทดค่าความเร่งฯไว้ด้วยสปริงแล้ว น้ำหนักที่ชั่งได้จึงถือแบบอนุโลมว่าเป็น "มวล" ครับน้า ทีนี้ถ้าอยากจะรู้ว่าวัตถุที่ชั่งนั้นมีน้ำหนักในทางวิทยาศาสตร์เท่าไร เราก็ต้องคูณด้วยค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่มีค่าโดยประมาณเท่ากับ 10 m/s2 เช่น ถ้าชั่งมะม่วงได้ 20 กิโลกรัม น้ำหนักมะม่วงจะมีค่าเท่ากับ 200 นิวตัน นะครับน้า"
ผมควรจะเข้าใจสิ่งที่เจ้าสมพลอธิบายไหมครับพี่น้อง
ความรู้ข้อที่สี่ : ตาชั่งสองแขน กับ กระดานกระดกในสนามเด็กเล่น
"ทีนี้ น้ารู้จักตาชั่งสองแขนไหมครับน้า ตาชั่งสองแขนนี่ใช้หลักของความสมดุลนะครับน้า""
สมพลถามเหมือนผมเป็นเด็กเล็กที่ไม่ประสีประสาอะไรเลย
"หากยังไม่เข้าใจเราลองมาดูกระดานกระดกในสนามเด็กเล่นกันก็ได้ครับน้า"
"จากรูปที่ผมวาดให้ดูนี่ เด็กชายเสื้อสีฟ้าตัวที่ตัวออกจะท้วมๆหน่อย เล่นกระดานกระดกกับสาวน้อยเสื้อสีเขียวอยู่ ซึ่งถ้านั่งห่างจากจุดหมุนเท่าๆ กัน กระดานจะกดลงไปทางเด็กเสื้อฟ้านะครับ"
สมพลเงยหน้าขึ้นมาสบตาผมแว๊บนึง แล้วถามว่าถ้าอยากจะให้กระดานกระดกเอียงลงไปทางฝั่งเด็กเสื้อเขียว จะต้องทำอย่างไร
แหมของง่ายๆ อย่างนี้ใครๆ ก็คิดได้หรอก(เว้ย)
ผมคิดในใจ แต่ยังไม่ทันจะได้ตอบอะไรเจ้าสมพลวิศวกรหนุ่มก็อธิบายต่อ
"นี่ครับน้า เด็กเสื้อสีเขียวก็ต้องนั่งถอยหลังออกไปอีก ซึ่งถ้าถอยไปจนถึงระยะที่เหมาะสม กระดานจะอยู่ในภาวะสมดุลหรืออยู่ในแนวระดับ คือไม่เอียงไปข้างใดข้างหนึ่งครับน้า ซึ่งการจะต้องถอยไประยะเท่าไรนี่ เราสามารถคำนวณได้นะครับ แต่ตอนนี้เราจะไม่พูดถึงการคำนวณนะครับน้า แต่เราจะโยงเพื่อพูดถึงหลักการของตาชั่งสองแขนกัน"
ก็พูดถึงตาชั่งสองแขนตั้งแต่แรกเลยก็ได้นี่ ผมนินทาในใจอีกที
"นี่ครับน้า ดูรูปนี้นะครับน้า ถ้าคนสองคนนั่งห่างจากจุดหมุนเท่ากัน แล้วกระดานกระดกยังอยู่ในแนวระดับเป๊ะ อย่างนี้จะหมายความว่าอะไรครับน้า"
ก็สองคนนี้ จะต้องน้ำหนักเท่ากัน
ผมตอบ
"ใช่แล้วครับน้า ถ้าเรารู้ว่าเด็กเสื้อฟ้าน้ำหนัก 45 กิโลกรัม เด็กเสื้อลายคนนั้นก็ต้องหนัก 45 กิโลกรัมด้วย"
สมพลยิ้มกว้าง เหมือนจะดีใจที่ผมตอบคำถามได้
ความรู้ข้อที่ห้า : กระดานกระดกบนดวงจันทร์
"ว่าแต่ว่าน้าคงยังไม่ลืมใช่ไหมครับ ว่าจริงๆ แล้วน้ำหนักที่เราพูดถึงนี่คือ "มวล" นะครับ แต่น้ำหนักจริงๆ ของเด็กสองคนนี้ หนักเท่าไรครับน้า"
สมพลถามอีกแล้ว
สมองผมเริ่มหมุนคว้างเหมือนกับฮาร์ดดิสของคอมพิวเตอร์ที่กำลังหมุนหาข้อมูลที่หาเท่าไรก็ไม่เจอข้อมูลที่ต้องการซักที
"ก็ถ้าเราบอกว่า ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมีค่าโดยประมาณเท่ากับ 10 m/s2 ดังนั้น น้ำหนักของเด็กสองคนนี้ก็หนักคนละ 45 x 10 = 450 นิวตัน นะครับน้า"
สมพลรีบเฉลย คงด้วยเกรงว่าสมองผมจะหมุนหาข้อมูลหนักเกินไป
"แล้วถ้าเราให้เด็กสองคนนี้ไปอยู่บนดวงจันทร์ น้ำหนักของเค้าจะเป็นเท่าไรครับ ถ้าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เป็น 1/6 ของโลก"
สมพลถามผมอีกแล้วครับ ในขณะที่ผมเริ่มรู้สึกอึดอัดนิดหน่อยที่ถูกถามตลอดเวลา ซึ่งคงเป็นความรู้สึกเดียวกับความรู้สึกของเด็กที่คุณพ่อคุณแม่จ้างติวเตอร์มาติวตัวต่อตัว แล้วก็ถูกติวเตอร์จี้ถามตลอดคาบเรียน
ก็เอา 450 หารด้วย 6 จะได้ 75 นิวตัน หรือไม่งั้นเราก็หาก่อนว่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เป็นเท่าไร โดยเอา 10 หารด้วย 6 เท่ากับ 1.667 โดยประมาณ
ดังนั้น เมื่อเด็กมีมวล 45 กิโลกรัม เด็กนั้นก็จะมีน้ำหนักบนดวงจันทร์เท่ากับ 45 x 1.667 = 75 นิวตัน
ผมตอบ พรางรู้สึกแปลกใจเล็กน้อยว่าผมก็คำนวณได้เหมือนกันนี่
"ใช่แล้วครับน้า เด็กสองคนก็จะหนักคนละ 75 นิวตันเท่ากัน ดังนั้นเมื่อไปเล่นกระดานกระดกบนดวงจันทร์ กระดานกระดกก็ยังคงอยู่ในแนวระดับอยู่เช่นเดิม"
สมพลบอกผม
จริงๆ ก็ไม่เห็นต้องคำนวณอะไรเลยนี่ เพราะสมพลก็เคยบอกผมแล้วว่า "มวล" ก็คือปริมาณของสสาร หรือจำนวนอนุภาคที่บรรจุอยู่ในวัตถุ โดยอนุภาคที่ว่านี้ก็คืออะตอมที่รวมตัวกันเป็นโมเลกุลแล้วรวมตัวกันก่อให้เกิดอนุภาคนั้นๆ ดังนั้นมวลจึงไม่ขึ้นอยู่กับตำแหน่งใดๆ ไม่ว่าจะอยู่บนพื้นราบ หรืออยู่บนยอดเขา หรือบนดวงจันทร์ หรืออยู่ในอวกาศ มวลจะมีค่าคงที่เสมอ ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะถ้าจำนวนอนุภาคยังคงเท่าเดิม มวลก็ย่อมต้องเท่าเดิมเสมอ
ผมเอาคำของเจ้าสมพลมาอธิบายให้สมพลฟัง
ดังนั้น เมื่อเด็กสองคนที่มีมวลเท่ากัน จะไปเล่นกระดานกระดกที่ไหนก็ตาม ไม่ว่าจะบนโลกนี้หรือที่ดาวดวงไหน กระดานกระดกก็ย่อมอยู่ในสภาพสมดุลเสมอ
ผมสรุปความเข้าใจ ขณะที่สมพลยิ้มอย่างพออกพอใจ
"ดังนั้น กลับมาที่โจทย์กันนะครับน้า...
โจทย์บอกว่า "นักเรียนทำการทดลองบนโลกเพื่อชั่งมวลของวัตถุ B ด้วยตาชั่งสองแขน จะต้องใช้มวลมาตรฐานขนาด 60 กิโลกรัม เพื่อทำให้คานของตาชั่งอยู่ในแนวระดับเดียวกัน"
ซึ่งตรงนี้ โจทย์กำลังบอกว่าวัตถุ B จะต้องมีมวล เท่ากับ 60 กิโลกรัมนะครับน้า
แล้วโจทย์ก็ถามว่า "ถ้าทำการทดลองเช่นเดียวกันนี้บนดวงจันทร์ ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงเป็น 1/6 เท่าของแรงโน้มถ่วงของโลก จะต้องใช้มวลมาตรฐานขนาดกี่กิโลกรัม"
แบบนี้ว่าพอจะทำได้ยังครับ"
เจ้าสมพลถามแบบเกรงใจนิดๆ พร้อมกับทำสีหน้าลุ้นแบบกลัวผมจะตอบผิด
ก็เมื่อวัตถุ B มีน้ำหนัก 60 กิโลกรัม มวลมาตรฐานก็ต้องมีน้ำหนัก 60 กิโลกรัมด้วย ถึงจะทำให้ขาของตาชั่งอยู่ในแนวระดับ
ผมตอบอย่างมั่นใจ
"ดังนั้น ก็เลือกตอบคำตอบข้อ 3. เป็นคำตอบที่ถูกต้องนะครับน้า"
เจ้าสมพลแย่งผมเฉลยซะแล้วครับพี่น้อง