แป้งข้าวโพดเต้นระบำ การวิวัฒนาการของตา การหักเหและสะท้อนของแสง

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

ถ้าสงสัยว่าไม่เห็นรูปหรือวิดีโอ เข้าไปดูที่เว็บ http://witpoko.com/ นะครับ ส่วนใหญ่ถ้าอ่านในเมล์จะไม่เห็นวิดีโอครับ

(คราวที่แล้วเรื่อง “คุยกันต่อเรื่องตา แบบจำลองตา การสะท้อนและหักเหของแสง” ครับ)

วันอังคารที่ผ่านมานี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรม กลุ่มบ้านเรียนเฟิร์น และอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ วันนี้เด็กอนุบาลสามได้เล่นโคลนที่ทำจากแป้งข้าวโพด (Oobleck) ที่เป็นของเหลวเมื่อปล่อยไว้เฉยๆแต่จะเปลี่ยนเป็นของแข็งเมื่อถูกกดหรือบีบหรือกวน และเมื่อวางไว้บนแผ่นพลาสติกที่สั่นสะเทือนบนลำโพง Subwoofer ก็จะเต้นไปมาครับ เด็กประถมต้นไ้ด้เรียนรู้เรื่องตาต่อจากสัปดาห์ที่แล้ว โดยได้เห็นตาหลายชนิดที่มีความซับซ้อนต่างๆกัน และลักษณะที่ตาแบบต่างๆมองเห็น เด็กๆได้ลองมองภาพด้วยกล้องรูเข็มซึ่งมีลักษณะการทำงานเหมือนตาของหอยงวงช้าง (Nautilus) เด็กประถมปลายได้ทดลองยิงแสงเลเซอร์ใส่ปริซึมแล้วบันทึกสิ่งที่เห็น ได้เห็นการสะท้อนเมื่อแสงวิ่งจากน้ำไปอากาศที่มุมที่ชันไม่พอ

สำหรับเด็กอนุบาลสามผมผสมแป้งข้าวโพดกับน้ำให้เป็นโคลน โดยเอาแป้งข้าวโพดใส่ถ้วยแล้วค่อยๆเทน้ำลงไปทีละน้อยแล้วคนให้เข้ากัน แป้งข้าวโพดจะมากกว่าน้ำประมาณสองเท่า เมื่อผสมกันเรียบร้อยแล้วก็ให้เด็กๆเอานิ้วและตะเกียบกดหรือคนดู ถ้ากดช้าๆมันจะไหลเป็นของเหลวและนิ้วเราจะจมลงไปได้ ถ้ากดแรงๆมันจะแข็งตัวเป็นของแข็งและนิ้วเราจะติดอยู่ที่ผิว

สาเหตุที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะว่าโมเลกุลของแป้งข้าวโพดเป็นเส้นใยยาวๆ เวลาเราเอาแป้งข้าวโพดไปละลายน้ำให้ข้นๆเหมือนโคลน โมเลกุลยาวๆของมันจะลอยอยู่ในน้ำ พันกันยุ่งๆ ไขว้กันไปมา ถ้าเราเอานิ้วหรือตะเกียบคนช้าๆ โมเลกุลจะมีเวลาค่อยๆขยับผ่านกัน เราจึงไม่รู้สึกถึงแรงต้านมากนัก เหมือนกับคนของเหลวธรรมดา แต่ถ้าเราเอานิ้วหรือตะเกียบไปคนเร็วๆ โมเลกุลจะไม่มีเวลาขยับผ่านกัน มันจะยังพันกันเกี่ยวกันอยู่ แรงต้านที่นิ้วหรือตะเกียบจะเยอะมาก เราจะเห็นว่าเจ้าแป้งข้าวโพดละลายน้ำกลายเป็นของแข็งทันทีเมื่อเราไปคนมันเร็วๆ

นอกจากใช้นิ้วกดแล้วเรายังสามารถใช้คลื่นเสียงแทนนิ้วเราได้ด้วยครับ วิธีทำคือหาลำโพงซับวูฟเฟอร์ที่มีช่องลมมา แล้วเอาแผ่นพลาสติกวางไว้บนช่องลม เทโคลนแป้งข้าวโพดบนแผ่นพลาสติก แล้วปล่อยเสียงความถี่ต่ำๆใส่ลำโพง อากาศที่ช่องลมจะสั่นสะเทือนตามสัญญาณเสียงทำให้แผ่นพลาสติกสั่น แล้วทำให้โคลนแป้งข้าวโพดสั่นไปมาดูเหมือนสัตว์ประหลาดครับ

ถ้าเรามีงบประมาณเยอะๆ เราสามารถผสมแป้งข้าวโพดเป็นตันๆแล้วใส่อ่างใหญ่ๆให้คนลงไปวิ่งไปกระโดดได้ครับ คลิปข้างล่างเป็นคลิปจากมาเลเซียที่เขาผสมโคลนมา 8,000 ลิตรแล้วให้คนไปวิ่งข้างบนครับ:

สำหรับเด็กประถมต้น เราคุยกันต่อเรื่องตาครับ ผมเอาภาพนี้ให้เด็กๆดูว่าตาแบบต่างๆมีความซับซ้อนและความสามารถในการมองเห็นต่างๆกัน

 

ในภาพข้างบน สีเหลืองคือเซลล์รับแสง คือถ้ามีแสงมาตกที่เซลล์มันจะส่งสัญญาณไปตามเส้นประสาทไปที่สมองว่ามีแสงมาตกตรงนี้ ในภาพ a ตาแบบนี้มีเซลล์เรียงอยู่เป็นแผ่นแบนๆดังนั้นจะรับแสงได้ว่าสว่างหรือมืด แต่จะไม่เห็นภาพอะไรชัดเจน ภาพ b เซลล์รับแสงอยู่ในแอ่งลงไป จะดีกว่าแบบ a ตรงที่เริ่มจับทิศทางว่าแสงหรือเงาอยู่ทิศทางไหน ตัวอย่างตาแบบนี้คือหนอนแบนตัวเล็กที่เรียกว่าพลานาเรียน (Planarian ถ้ามากกว่าหนึ่งตัวเรียกว่าพลานาเรีย Planaria)

ตัวพลานาเรียครับ

ภาพ c และ d แอ่งลึกลงไปและรูรับแสงมีขนาดเล็กเหมือนกล้องรูเข็ม ตาแบบนี้จะเริ่มเห็นภาพแต่ภาพจะมืดๆเพราะแสงเข้าไปได้น้อย ภาพ c จะไม่มีอะไรปิดรูรับแสง หอยงวงช้าง (Nautilus) จะมีตาแบบนี้ ภาพ d จะมีเยื่อใสๆปิดกันน้ำกันฝุ่นและมีของเหลวอยู่ภายในตา

หอยงวงช้างนอติลุสครับ สังเกตตามันที่มีรูเล็กๆ
ตาหอยงวงช้างครับ

ภาพ e และ f คือตาที่มีเลนส์รวมแสงแทนที่จะเป็นรูเล็กๆ จะเห็นภาพได้ชัดและสว่างกว่า แบบ f มีม่านตาคอยขยายหรือหุบเพื่อปรับปริมาณแสงที่เข้าไปในตาด้วยครับ ตาของคนเป็นแบบ f

ผมให้เด็กๆดูวิดีโอที่อาจารย์ Richard Dawkins แสดงแบบจำลองของตาแบบต่างๆว่าภาพที่ตาต่างๆมองเห็นอย่างไรด้วยครับ แนะนำให้ดูครับ

หลังจากเด็กๆได้ดูวิดีโอแล้วเด็กๆก็ได้ดูภาพผ่านกล้องรูเข็มที่ทำงานด้วยหลักการเดียวกับตาของหอยงวงช้างครับ (ตาแบบ c)

เด็กๆมองผ่านกล้องรูเข็มกันครับ เห็นภาพกลับหัว ภาพจะมืดๆเพราะแสงเข้ามาได้น้อย

ผมเคยบันทึกหลักการและวิธีประดิษฐ์กล้องรูเข็มไว้ที่ “แบบจำลองตา(หอยงวงช้างและตาคน)” แล้วนะครับ ถ้าสนใจให้กดดูที่นั่น

สำหรับเด็กๆประถมปลาย ผมแจกเลเซอร์ ถาดแก้วใส่น้ำ และปริซึมให้เด็กๆทดลองกันเอง ให้สังเกตว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อแสงวิ่งผ่านปริซึมครับ เด็กๆเล่นและวาดรูปบันทึกกันครับ ทุกคนเข้าใจกันหมดว่าแสงเปลี่ยนทิศทางเมื่อวิ่งผ่านปริซึม

 

ผมเอาแสงเลเซอร์ยิงผ่านน้ำจากใต้น้ำไปที่ผิวน้ำให้เด็กๆดู จะพบว่าถ้าแสงวิ่งไปสู่ผิดน้ำด้วยมุมชันๆ มันจะวิ่งทะลุไปและสะท้อนกลับลงไปในน้ำน้อย แต่ถ้ามุมชันน้อยลงๆจนถึงค่าหนึ่ง แสงจะสะท้อนกลับหมดเลยไม่วิ่งออกไปเหนือผิวน้ำ ปรากฎการณ์นี้เรียกว่า Total Internal Reflection หลักการนี้เป็นหลักการสำคัญในการทำงานของเส้นใยแก้วนำแสง (Optical Fiber) ที่สามารถนำแสงจากปลายข้างหนึ่งไปอีกข้างหนึ่งได้โดยให้แสงสะท้อนไปมาภายในใยแก้วครับ

 แสงสะท้อนที่ผิวน้ำครับ

ผมเกริ่นไปเล็กน้อยว่าสิ่งต่างๆที่แสงผ่านได้มีคุณสมบัติที่เรียกว่าดัชนีหักเห (Index of Refraction) คืออัตราส่วนของความเร็วของแสงในสูญญากาศกับความเร็วของแสงในสิ่งเหล่านั้น เช่นในสูญญากาศแสงเดินทางได้เร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แต่ในน้ำแสงเดินทางได้เร็ว 225,000 กิโลเมตรต่อวินาที ดังนั้นดัชนีหักเหของน้ำคือ 225,000/300,000  = 1.33 เจ้าดัชนีหักเหของสิ่งต่างๆจะเป็นตัวที่บอกว่าเวลาแสงวิ่งผ่านสิ่งต่างๆที่มีดัชนีต่างกัน แสงจะหักเหหรือสะท้อนอย่างไร

เส้นทางที่แสงเดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งยังมีคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกด้วยว่าเส้นทางที่แสงใช้จะเป็นเส้นทางที่ใช้เวลาน้อยที่สุดอีกด้วย (ความจริงคือใช้เวลาที่เป็น stationary ในทางเทคนิคนะครับ แต่ในสถานะการณ์ทั่วไปคือเวลาน้อยสุด)

ต่อไปนี้คือบรรยากาศและบันทึกการเรียนรู้ของเด็กๆครับ อัลบั้มเต็มอยู่ที่นี่นะครับ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *