บทที่ 1 เรื่อง บทนำ

วิชาฟิสิกส์
                วิชาฟิสิกส์ที่นักเรียนจะได้เรียน จะเป็นความรู้ความเข้าใจที่เกิดขึ้น และสะสมกันมาในช่วงเวลา 400 ปี ซึ่งเป็นส่วนพื้นฐานของวิชาที่ได้จัดให้เป็นระบบ เพื่อให้เกิดความสะดวกต่อการเรียนรู้ และในที่สุดเรื่องต่างๆ ที่เรียนจะสัมพันธ์กันทุกเรื่อง การเรียนรู้ที่ดีจะต้องมีความเข้าใจหลักการของเรื่องนั้นๆ จนสามารถนำหลักการไปประยุกต์ได้ การฝึกให้สามารถประยุกต์หลักการกับการทำแบบฝึกหัดหรือโจทย์ปัญหาเป็นส่วนสำคัญอย่างหนึ่งที่นักเรียนควรพยายามคิดด้วยตนเอง ซึ่งจะเป็นการฝึกคิดอย่างนักฟิสิกส์หรืออย่างนักวิทยาศาสตร์ การทำการทดลองนอกจากจะทำให้เรียนรู้ด้วยความเข้าใจแบบเป็นรูปธรรมแล้ว ยังฝึกให้เรียนรู้วิธีทำการทดลองและการวิเคราะห์ผล เพื่อทดลองหรือพิสูจน์ความจริงอย่างมีเหตุผลในลักษณะที่นักวิทยาศาสตร์ปฎิบัติกัน

ปริมาณทางฟิสิกส์ (Physical Quantity) และหน่วย (unit)
                ปริมาณทางฟิสิกส์เป็นปริมาณที่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือโดยตรงหรือโดยอ้อม เป็นปริมาณที่มีความหมายเฉเพาะเจาะจงอย่างใดอย่างหนึ่ง เช่น ปริมาตร มวล น้ำหนัก ความเร็ว ความดัน แรง กระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า อุณหภูมิ เป็นต้น ปริมาณเหล่านี้ จะต้องมีหน่วยกำกับจึงจะมีความหมายชัดเจน เช่น ปริมาตร อาจจะมีหน่วยเป็น ลูกบาศก์เซนติเมตร ลูกบาศก์เมตร หรือลูกบาศก์ฟุต และยังมีลิตร ถัง แกลลอนอีก ซึ่งรวมแล้วมีหน่วยได้หลายอย่างที่นิยมใช้ที่ต่างๆ เพื่อให้การใช้หน่วยเป็นมาตรฐานเดียวกันทั่วโลก โดยเฉเพาะในวงการวิทยาศาสตร์ องค์กรระหว่างชาติเพื่อการมาตรฐาน (ISO หรือ International Organization for Standardization ) ได้กำหนดระบบหน่วยมาตรฐานที่เรียกว่า ระบบเอสไอ(SI ตัวย่อของ System International) ให้ทุกประเทศใช้เป็นมาตรฐาน ระบบเอสไอ ประกอบได้สองส่วนใหญ่ คือ

-หน่วยฐาน (Base Units ) ซึ่งนับเป็นฐานของหน่วยทั้งหลายมี 7 หน่วย ได้แก่ เมตร (meter, m )กิโลกรัม (kilogram, kg ) วินาที (second , s ) โมล (mole , mol ) แคนเดลา (candela, cd ) และ

-หน่วยอนุพันธ์ (Derived Units ) ซึ่งเป็นหน่วยที่สร้างจากหน่วยฐาน เช่น หน่วยของแรงให้ชื่อว่า นิวตัน (newton, N )ซึ่งเป็นชื่อที่ให้เป็นเกียรติกับเซอร์ ไอแซก นิวตัน โปรดสังเกตว่าเมื่อนำชื่อนักวิทยาศาสตร์มาเป็นหน่วย การเขียนชื่อหน่วยในภาษาอังกฤษจะนำด้วยตัวเล็กธรรมดาให้ต่างจากชื่อคน แต่สัญลักษณ์ย่อของหน่วยใช้ N ตัวใหญ่ หน่วยนิวตันจะเทียบเท่ากับ กิโลกรัม เมตร/(วินาที)2 หรือ kg m/s2  หน่วยของพลังงานให้ใช้หน่วยจูล (joule, J ) ซึ่งเป็นชื่อคนเช่นกัน หน่วยจูลเทียบเท่ากับ นิวตัน เมตร (Nm) หรือเทียบหน่วยฐานคือ กิโลกรัม (เมตร)2/(วินาที)2 หรือ kgm2 /s2 (วิธีการเขียนหน่วยที่ ISO แนะนำและเป็นที่นิยมมีหลายแบบ เช่น kg m2 /s2 อาจเขียนแบบ kgm2 s2 หรือ kg m2 /s-2 ตัวหนังสือนี้จะใช้เว้นหนึ่งช่องแทนการคูณและ / แทนการหารดังที่แสดง )

                   นอกจากนี้ระบบหน่วยเอสไอยังได้กำหนดตัวนำหน้าหน่วย ( prefix) เพื่อทำให้หน่วยที่ใช้เล็กลงหรือโตได้ และแนะนำให้ใช้เป็นขั้นละ 1,000 เท่า ตัวนำหน้าที่สำคัญมีดังต่อไปนี้


ตัวนำหน้ามาตรฐาน ชื่อภาษาไทย สัญลักษณ์ย่อ ตัวคูณที่เทียบเท่า
femto- เฟมโต f  10-15
pico- พิโก p  10-12
nano- นาโน n  10-9
micro- ไมโคร u  10-6
milli- มิลลิ  M  103
kilo- กิโล  K  103
mega- เมกะ  M  106
giga- จิกะ  G  109
tera- เทระ  T  1012

                           

 

หน่วยการวัด

          ในปี พ.ศ. 2503  ได้มีการประชุมร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ จากหลาย ๆ ประเทศเพื่อตกลงให้มีระบบการวัดปริมาณต่าง ๆ เป็นระบบมาตรฐาน ที่เรียกว่า หน่วยระหว่างชาต(International System of Unit หรือ System - International d' Unit) และกำหนดให้ใช้อักษรย่อแทนชื่อระบบนี้ว่า "SI" หรือ หน่วย เอสไอ (SI Unit)  เพื่อใช้ในการวัดทางวิทยาศาสตร์

           ระบบหน่วยระหว่างชาติ หรือ เอสไอ  ประกอบด้วย
                1.      หน่วยฐาน  
                2.      หน่วยเสริม
                3.      หน่วยอนุพัทธ์
                4.      คำอุปสรรค์   

เครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์

           ความรู้ต่าง ๆ ทางวิทยาศาสตร์  โดยเฉพาะอย่างยิ่งความรู้ทางฟิสิกส์ที่มีการค้นพบข้อมูลใหม่ ๆ ต้องอาศัยเครื่องมือวัด และผู้ที่จะใช้ก็ต้องทำความรู้จัก  ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการใช้เครื่องมือวัดต่าง ๆ  ให้ถ่องแท้ เพื่อจะได้สามารถตัดสินใจเลือกใช้เครื่องมือวัดให้เหมาะสมกับงานที่ทำ  เพื่อความปลอดภัยในการทำงาน ประหยัดเวลา เช่น การวัดอุณหภูมิในเตาเผา  ซึ่งมีอุณภูมิสูงมากเป็นพันองศาเซลเซียล เทอร์โมมิเตอร์แบบหลอดแก้ว    ภายในบรรจุของเหลว  ใช้วัดอุณหภูมิไม่ได้  ต้องวัดด้วย ไพโรมิเตอร์ (Pyrometer)
           เครื่องมือวัดต่าง ๆ  ทางวิทยาศาสตร์มีการพัฒนาออกมาเรื่อย ๆ  ควรติดตามสอบถามจากบริษัทผู้ผลิต หรือบริษัทจำหน่ายเครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์  เพื่อจะได้ทราบข้อมูลข่าวสาร ประโยชน์และวิธีการใช้เครื่องมือวัดเหล่านั้น  เพื่อช่วยให้ประหยัดเวลาในการค้นหาความรู้ใหม่         

 

 การบันทึกตัวเลขที่เหมาะสม

              การบันทึกผลการวัดจะมีความละเอียดมากน้อยเพียงใด     ขึ้นอยู่กับความละเอียดของเครื่องมือวัด ตัวเลขที่ได้จากการวัดจึงบอกถึงความละเอียดของเครื่องมือวัดที่ใช้ดังรูป

รูปแสดง การวัดโดยเครื่องมือวัดต่างกัน

         จากรูป   (ก)   ไม้บรรทัดมีความละเอียด แค่  1  เซนติเมตร  วัดความยาว  AB  ได้  3.3 เซนติเมตร เลขตัวสุดท้าย คือ 3      เป็นตัว
                               เลขที่ประมาณขึ้นมา  ซึ่งอาจประมาณเป็น  2  หรือ  4  ก็ได้
                       (ข)  ไม้บรรทัดมีความละเอียดถึง  0.1  เซนติเมตร  วัดความยาว  AB  ได้ 3.32 เซนติเมตร  ตัวเลขสุดท้าย คือ 2  เป็นตัว
                               เลขที่ประมาณขึ้นมา  ซึ่งอาจประมาณเป็น 1 หรือ 3  ก็ได้

          ดังนั้นการบันทึกตัวเลขที่เหมาะสม ต้องบันทึกตามค่าที่อ่านได้จริงจากเครื่องมือวัด   และประมาณตัวเลขต่อท้ายอีก  1  ตัว เพื่อให้
ผลการวัดใกล้เคียงความจริงมากที่สุด

เลขนัยสำคัญ (Significant)

         เลขนัยสำคัญ    (Significant)    เป็นตัวเลขที่ได้จากเครื่องมือวัดแบบสเกลโดยตรงรวมกับตัวเลขที่ได้จากการประมาณอีก  1  ตัว ตามหลักการบันทึกตัวเลขที่เหมาะสม  เช่น  ผลการวัดความยาวค่าหนึ่ง อ่านได้จากเครื่องมือวัด  105.23  เซนติเมตร

                                โดย          105.2                         เป็นตัวเลขที่วัดได้จริง
                                                  0.03                         เป็นตัวเลขที่ประมาณขึ้นมา
                                                                                   เราเรียกตัวเลข   105.23    ว่า  เลขนัยสำคัญ

การแปลความหมายข้อมูล

         จากการศึกษาที่ผ่านมาพบว่า  แนวทางหนึ่งที่ได้มาซึ่งหลักการทางฟิสิกส์   คือ  การสังเกตและการวัด    แล้วบันทึกข้อมูลเหล่านั้นไว้เพื่อการแปลความหมายข้อมูล  กระบวนการแปลความหมายข้อมูลมีด้วยกันหลายรูปแบบ แต่มีจุดประสงค์  คือ แปลความหมายแล้วเข้าใจตรงกัน   รวดเร็ว ถูกต้อง  เช่น

  1. การบันทึกข้อมูลในตาราง  ใช้สำหรับข้อมูลง่าย ๆ  ไม่ซับซ้อน  ไม่ต้องวิเคราะห์ใช้กับการจดบันทึกทางสถิติ เช่น เวลากับจำนวน
  2. การนำเสนอข้อมูล  เป็นการแสดงการเปรียบเทียบข้อมูล ที่มากกว่า  2  ข้อมูลให้เห็นชัดเจน  การนำเสนอข้อมูลอาจทำในรูป
    2.1    แผนภูมิแท่ง
    2.2    แผนภูมิวงกลม
    2.3    แผนภูมิเส้นตรง
  3. การเขียนกราฟระบบพิกัดฉาก  เป็นการแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสองปริมาณ หรือตัวแปรสองตัวที่เกี่ยวข้องกัน   แล้วนำค่าปริมาณทั้งสองมาพล๊อตลงในกราฟของแกน  X  และ   แกน  Y

กราฟในวิชาฟิสิกส์

              วิชาฟิสิกส์ในปัจจุบันเป็นหลักสูตรใหม่ที่เน้นการทดลอง  และผลการทดลองที่ได้ออกมามักจะเป็นความสัมพันธ์กันเชิงตัวเลข แล้วนำไปเขียนกราฟระบบพิกัดฉาก   แล้าหาสูตรจากกราฟเพื่อสรุปผลการทดลอง   ดังนั้นควรมีความเข้าใจเกี่ยวกับการวิเคราะห์และแปลความหมายของกราฟ
              กราฟ  คือ รูปที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสองปริมาณหรือเรียกว่า ตัวแปร  สองตัว  กราฟที่เราจะศึกษานี้เป็นกราฟในระบบพิกัดฉาก  โดยมีแกน  X  เป็นแกนนอน  และ แกน Y  เป็นแกนตั้ง  และให้ค่าบนแกน X  เป้นค่าของตัวแปรที่เรากำหนดไว้ล่วงหน้า  เรียกกว่า  ตัวแปรอิสระ  สำหรับค่าบนแกน Y  กำหนดให้เป็นค่าของตัวแปรที่คาดว่าจะแปรตามตัวแปรอิสระ   เรียกกว่า  ตัวแปรตาม  ซึ่งต่าตัวแปรตามนี้จะได้จากการใช้เครื่องมือวัด

              ค่าของ  x   เรียกว่า   Abscissa   ส่วนค่าของ     y   เรียกว่า   ordinate
              สำหรับค่า  x  และ y   ที่เหมาะสมกันเป็นคู่  เรียกว่า  Co - ordinate   จุดต่าง ๆ ที่พล๊อดลงในกราฟจึงเรียกว่า   Co - Ordinate

        กราฟที่มักพบในวิชาฟิสิกส์ส่วนใหญ่ได้แก่       

                      1.  กราฟเส้นตรง
                      2.  กราฟพาราโบลา
                      3.  กราฟเส้นโค้ง

 

 

 


แบบฝึกหัดก่อนเรียน : แบบทดสอบก่อนเรียน เรื่องบทนำ
แบบฝึกหัดหลังเรียน : แบบทดสอบหลังเรียน เรื่องบทนำ