fizikzauglom

เกรด 7 · ฟิสิกส์และการวัด

ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์และวิธีศึกษา

ฟิสิกส์ศึกษาอะไร และเราจะต่อยอดจากการสังเกตไปสู่การทดลองเพื่อตรวจสอบคำอธิบายได้อย่างไร

16 นาที4 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

นำน้ำแข็งสองก้อนใส่ในแก้ว ก้อนหนึ่งละลายก่อน เราอาจคิดทันทีว่า “น้ำในแก้วนั้นอุ่นกว่า” แต่ถ้าอีกก้อนมีขนาดใหญ่กว่าล่ะ? ลองออกแบบการทดลองที่ช่วยแยกคำอธิบายทั้งสองนี้ออกจากกัน

อะไรทำให้เวลาละลายต่างกัน?เวลา t₁เวลา t₂?เหตุใด t₁ และ t₂ จึงแตกต่างกัน
น้ำแข็งสองก้อนใช้เวลาละลายต่างกัน ภาพแสดงสาเหตุที่เป็นไปได้อย่างหนึ่ง คือขนาดต่างกัน จึงต้องตรวจสอบเงื่อนไขนี้ก่อนสรุปว่าเกิดจากอุณหภูมิ

มีอะไรเปลี่ยนแปลงบ้าง

น้ำแข็งก้อนหนึ่งเปลี่ยนรูปร่างแล้วกลายเป็นน้ำ มีอะไรเปลี่ยนไปบ้าง? สถานะเปลี่ยนไป แต่สารนั้นยังเป็นน้ำเหมือนเดิม การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ สถานะ หรือสมบัติทางฟิสิกส์อื่นที่สังเกตได้ เรียกว่าปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ ลูกบอลตก ช้อนร้อนขึ้น สายเครื่องดนตรีส่งเสียง และหลอดไฟเปล่งแสง ล้วนเป็นตัวอย่าง ก่อนหาสาเหตุ ลองระบุให้ชัดก่อนว่า ตอนเริ่มต้นเป็นอย่างไร และตอนท้ายมีอะไรเปลี่ยนไป

น้ำแข็งความร้อนน้ำ
น้ำแข็งกลายเป็นน้ำ: สถานะของสสารเปลี่ยนไป นี่คือปรากฏการณ์ทางกายภาพเชิงความร้อน

วัตถุกับวัสดุ

ลองนึกภาพว่าแก้วน้ำใบหนึ่งแตก เราไม่มีแก้วน้ำที่เป็นชิ้นเดียวแล้ว แต่เนื้อแก้วยังอยู่ จึงต้องแยกวัตถุออกจากวัสดุ: วัตถุคือสิ่งของแต่ละชิ้น ส่วนสารคือสิ่งที่ประกอบเป็นวัตถุนั้น แก้วน้ำกับขวดเป็นวัตถุต่างชนิดที่ทำจากแก้วเหมือนกัน ขณะที่ช้อนรูปร่างเหมือนกันอาจทำจากสารต่างชนิด คำถามว่า “เป็นวัตถุอะไร?” จึงต่างจาก “ทำจากอะไร?”

แก้วน้ำขวดเนื้อแก้ว
แก้วน้ำกับขวดเป็นวัตถุต่างชนิด แต่ทำจากแก้วเหมือนกัน ทั้งสารและสนามเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพ

สิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพ

แม่เหล็กดึงคลิปหนีบกระดาษได้อย่างไร ทั้งที่ไม่มีแก้ว น้ำ หรือสิ่งเชื่อมต่อที่มองเห็นได้คั่นอยู่? เราใช้แนวคิดเรื่องสนามอธิบายปฏิสัมพันธ์นี้ รอบแม่เหล็กมีสนามแม่เหล็กที่ออกแรงต่อคลิป สนามไม่ใช่สาร แต่ทั้งสารและสนามเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพ ไม่ว่าเราจะสังเกตหรือไม่ก็ตาม เราจะเรียนเรื่องสนามให้ละเอียดขึ้นภายหลัง ตอนนี้เพียงจำไว้ว่าสิ่งที่มีอยู่จริงไม่ได้มีเฉพาะวัตถุที่มองเห็นเท่านั้น

แม่เหล็กออกแรงผ่านสนามสนามแม่เหล็กСЮแม่เหล็กทำจากสารคลิปหนีบสิ่งที่มีอยู่จริง: สาร + สนาม
แม่เหล็กดึงคลิปหนีบกระดาษโดยไม่ต้องสัมผัส เพราะสนามแม่เหล็กออกแรงผ่านช่องว่าง สนามไม่ใช่สาร แต่สารและสนามต่างก็เป็นสิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพ ในภาพ С แทนขั้วเหนือ และ Ю แทนขั้วใต้

จากการสังเกตไปสู่การตั้งคำถาม

ถ้าเราเพียงดูน้ำแข็งละลาย นั่นคือการสังเกต หากจะอธิบายว่าทำไมใช้เวลาต่างกัน เราอาจตั้งสมมติฐานว่า เมื่อเงื่อนไขอื่นเหมือนกัน น้ำที่อุ่นกว่าจะทำให้น้ำแข็งละลายเร็วขึ้น สมมติฐานเป็นคำอธิบายเบื้องต้นที่นำไปสู่ผลคาดการณ์ซึ่งทดสอบได้ ถ้าเปลี่ยนทุกอย่างพร้อมกัน เราจะไม่รู้ว่าอะไรทำให้ผลต่างกัน จึงต้องออกแบบการทดลองที่ช่วยแยกคำอธิบายทั้งสองออกจากกัน

การสังเกต → สาเหตุที่เป็นไปได้t₁t₂เวลาแตกต่างกันไปอุณหภูมิน้ำ?ผลเพียงครั้งเดียวยังไม่พอให้สรุป
น้ำแข็งที่เหมือนกันใช้เวลาละลายต่างกัน สาเหตุอาจเป็นอุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำ แต่นี่ยังเป็นสมมติฐานที่ต้องตรวจสอบ

เปลี่ยนเงื่อนไขเพียงอย่างเดียว

ลองใส่น้ำแข็งก้อนเล็กในน้ำอุ่น และก้อนใหญ่ในน้ำเย็น หากก้อนแรกละลายเร็วกว่า ยังสรุปไม่ได้ว่าเป็นเพราะอุณหภูมิ เพราะทั้งขนาดและอุณหภูมิอาจมีผล เราจึงใช้แก้วเหมือนกัน น้ำปริมาตรเท่ากัน และน้ำแข็งที่มีมวลกับอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน เปลี่ยนเฉพาะอุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำ โดยคงเงื่อนไขอื่นให้เหมือนกันเท่าที่ทำได้ การควบคุมเช่นนี้เปลี่ยนการสังเกตให้เป็นการทดลอง

สังเกตทดลอง10 °C40 °Cน้ำแข็งกำลังละลายเปรียบเทียบเวลา
ด้านซ้ายเป็นการสังเกตน้ำแข็งละลายกลางแดดโดยไม่ควบคุมเงื่อนไข ด้านขวาเป็นการทดลองผลของอุณหภูมิ โดยนำน้ำแข็งที่เหมือนกันใส่ในน้ำเย็นและน้ำอุ่นที่มีปริมาตรเท่ากัน

วัดอย่างไรจึงจะเปรียบเทียบกันได้

ควรเริ่มจับเวลาเมื่อน้ำแข็งสัมผัสน้ำ หรือหลังจากนั้นหลายวินาที? ถ้าใช้กติกาต่างกัน ตัวเลขก็เปรียบเทียบกันไม่ได้ เราจึงกำหนดให้เวลา t เริ่มเมื่อนำน้ำแข็งลงในน้ำ และสิ้นสุดเมื่อละลายหมด หน่วยคือวินาที (с) เวลาคือผลที่วัด ไม่ใช่เงื่อนไขที่ต้องทำให้เท่ากัน ลองทำซ้ำหลายครั้ง เพราะการเริ่มจับเวลาช้าหรือความแตกต่างของน้ำแข็งที่ไม่ทันสังเกตอาจทำให้ค่าที่วัดแต่ละครั้งต่างกัน

เริ่ม: 0 сสิ้นสุด: 30 сระยะเวลา t = 30 с
นาฬิกาจับเวลาเริ่มต้นที่จุดเริ่มต้นของการทดสอบและหยุดเมื่อสิ้นสุดการทดสอบ ที่นี่ 30 วินาทีผ่านไประหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด

ผลการทดลองบอกอะไรเราได้บ้าง?

ถ้าการทดลองซ้ำพบว่าน้ำที่อุ่นกว่าทำให้ละลายเร็วขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ผลนั้นก็สนับสนุนคำอธิบายของเรา แต่ยังไม่ได้พิสูจน์ว่าจะเป็นเช่นนี้กับน้ำแข็งและภาชนะทุกแบบ เพราะเราได้ทดสอบเฉพาะเงื่อนไขที่กำหนด เมื่อต้องการอธิบายต่อ เราสร้างแบบจำลองที่เก็บสมบัติสำคัญไว้และละรายละเอียดบางอย่าง เช่น ภาพแก้วสองใบช่วยให้ติดตามอุณหภูมิและเวลาได้ โดยไม่ต้องวาดรอยขีดข่วนทุกเส้นบนแก้ว

แบบจำลองเก็บอะไรไว้บ้าง?แก้วน้ำจริงแบบจำลองTtเฉพาะ T และ tเราทำการทดลองซ้ำ:ตรวจสอบผลเมื่อทำซ้ำ
แก้วจริงมีลวดลาย ที่รอง และหลอด แต่เมื่อควบคุมเงื่อนไขที่เกี่ยวข้องแล้ว แบบจำลองนี้เน้นเฉพาะอุณหภูมิกับเวลา การทดลองซ้ำช่วยตรวจสอบว่าจะได้ผลสอดคล้องกันหรือไม่

ทดสอบการให้ความร้อนด้วยแสง

นำแผ่นวัสดุสีเข้มที่เหมือนกันสองแผ่นมารับแสงจากหลอดไฟ จะทดสอบผลของระยะห่างจากหลอดไฟได้อย่างไร?

หลอดไฟเดิม · ทดลองแยกกันสองครั้งr₁r₂ใกล้กว่า21ระยะทางส่งผลต่อความร้อนอย่างไร?แผ่น 2 อยู่ไกลกว่า
ใช้หลอดไฟดวงเดิมทดลองกับแผ่นวัสดุที่เหมือนกันทีละแผ่น ทั้งสองหันเข้าหาแสงในทิศทางเดียวกันและไม่บังกัน แต่มีระยะห่างต่างกัน

ลองดูตัวอย่าง · 1

เราต้องการทดสอบผลของระยะห่าง จึงคงวัสดุ ขนาด สี ทิศทางที่หันเข้าหาแสง และอุณหภูมิเริ่มต้นของทั้งสองแผ่นให้เหมือนกัน รวมทั้งใช้หลอดไฟในสภาวะเดิม

หลอดไฟเดิม · ทดลองแยกกันสองครั้งr₁r₂ใกล้กว่า21วัสดุ ขนาด สี และอุณหภูมิเริ่มต้นของทั้งสองแผ่นเหมือนกันเราแค่เปลี่ยนระยะห่าง
วัสดุ ขนาด สี และอุณหภูมิเริ่มต้นของเพลตจะเท่ากัน ดังนั้นความแตกต่างในการทำความร้อนจึงสามารถเชื่อมโยงกับระยะห่างจากหลอดไฟได้อย่างแม่นยำ

ลองดูตัวอย่าง · 2

วางแผ่นหนึ่งใกล้หลอดไฟ อีกแผ่นไกลกว่า โดยไม่ให้บังแสงกัน วัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในช่วงเวลายาวเท่ากัน ถ้าดูเฉพาะอุณหภูมิสุดท้ายโดยไม่คำนึงถึงค่าเริ่มต้น ก็จะเปรียบเทียบผลได้ไม่ถูกต้อง

หลอดไฟเดิม · ทดลองแยกกันสองครั้งr₁r₂ใกล้กว่า21วัดอุณหภูมิเปรียบเทียบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเวลาในการทำความร้อนจะเท่ากันทำซ้ำทั้งสองแบบ
วัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของแต่ละแผ่นในช่วงเวลารับความร้อนที่ยาวเท่ากัน ค่าตัวเลขต้องได้จากการทดลอง แล้วจึงทดลองเปรียบเทียบซ้ำ

ลองดูตัวอย่าง · 3

ทดลองซ้ำโดยสลับตำแหน่งของแผ่นวัสดุ เพื่อตรวจสอบว่าผลต่างเกิดจากระยะห่าง ไม่ใช่ลักษณะเฉพาะของแผ่นใดแผ่นหนึ่ง

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

เปลี่ยนระยะห่าง แล้วเปรียบเทียบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในช่วงเวลายาวเท่ากัน โดยคงเงื่อนไขอื่นให้เหมือนกัน

ใจความสำคัญ · 1

ก่อนหาสาเหตุ ให้แยกวัตถุ วัสดุที่ใช้ทำ และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นออกจากกัน

ใจความสำคัญ · 2

ผลทดลองน่าเชื่อถือขึ้นเมื่อเราเปลี่ยนเงื่อนไขที่ต้องการทดสอบ ควบคุมเงื่อนไขอื่น และวัดซ้ำ

ใจความสำคัญ · 3

แบบจำลองลดรายละเอียดเพื่อช่วยสร้างคำอธิบายที่ทดสอบได้ ข้อสรุปใช้ได้กับเงื่อนไขที่ตรวจสอบจริง

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

เพื่อให้เปรียบเทียบได้อย่างมีความหมาย ต่อไปเราจะฝึกอ่านสเกลและประเมินความไม่แน่นอนของการวัด

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์

การเปลี่ยนแปลงของวัตถุหรือสารที่สังเกตหรือวัดได้

ปรากฏการณ์ทางกล ความร้อน ไฟฟ้า แม่เหล็ก แสงและเสียงมีลักษณะแตกต่างกัน แต่ได้รับการศึกษาโดยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป

วัตถุ สาร และสิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพ

วัตถุคือสิ่งของแต่ละชิ้น สารเป็นสิ่งที่ประกอบเป็นวัตถุ ส่วนสิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพครอบคลุมทั้งสารและสนาม

แก้วน้ำเป็นวัตถุ เนื้อแก้วเป็นสารที่ใช้ทำ ทั้งสารและสนามเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่มีอยู่จริงทางกายภาพ

การสังเกตและการทดลอง

การสังเกตติดตามปรากฏการณ์โดยไม่ควบคุมเงื่อนไข ส่วนการทดลองเปลี่ยนเงื่อนไขอย่างตั้งใจเพื่อตรวจสอบแนวคิด

สมมติฐานจะกลายเป็นความรู้ทางกายภาพหลังจากการทดสอบที่ทำซ้ำได้เท่านั้น และแบบจำลองยังคงรักษาคุณสมบัติที่สำคัญของวัตถุจริงไว้

ปริมาณทางฟิสิกส์

1 คุณค่า

เวลาในการสังเกต

t

ระยะเวลาที่สังเกตหรือกระทำการทดลอง

หน่วย: วินาที · \mathrm{с}

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ