ทดลองเอาน้ำและน้ำมันพืชใส่เตาไมโครเวฟ และเริ่มทดลองเรื่องโมเมนตัม

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

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

(คราวที่แล้วเรื่อง “คุยกับเด็กเรื่องโมเลกุลน้ำ แรงตึงผิว สบู่และน้ำยาล้างจาน featuring ซูเปอร์คอนดัคเตอร์” ครับ)

วันอังคารที่ผ่านมานี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมและอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ (กลุ่มบ้านเรียนเฟิร์นติดธุระเลยไม่ได้เข้ามาครับ) วันนี้สำหรับเด็กอนุบาลเราได้ดูของเล่นที่ทำจากลูกเหล็กกลมๆและแม่เหล็กกลมๆมาเรียงกัน (เรียกว่าปืนเก๊าซ์หรือเก๊าเซี่ยนกัน Gaussian Gun) และลูกตุ้มที่เรียงกันเป็นแถว (Newton’s Cradle) ส่วนเด็กประถมเราได้วัดอุณหภูมิของน้ำและน้ำมันพืชเมื่อใส่เข้าไปในเตาไมโครเวฟว่าอะไรร้อนกว่ากัน และทำไมปรากฎการณ์นี้จึงอธิบายว่าทำไมเราดูทีวีดาวเทียมไม่ได้เมื่อฝนตกหนัก เมื่อทำการทดลองเสร็จ เราก็ได้ทดลองเล่นเจ้า Gaussian Gun และ Newton’s Cradle เป็นการเริ่มต้นการเรียนเรื่องปริมาณการเคลื่อนที่หรือที่เรียกกันว่าโมเมนตัม (Momentum) กัน นอกจากนี้เด็กประถมปลายได้ดูวิดีโอคลิปเปรียบเทียบโมเมนตัมของหนังสติ๊ก (Slingshot) กับปืนสั้นประเภทต่างๆครับ

สำหรับเด็กประถม ผมพยายามทำการทดลองที่เกี่ยวของกับโมเลกุลของน้ำอีกหลังจากที่เราคุยกันเรื่องแรงขึงผิวและโมเลกุลของน้ำไปเมื่อครั้งที่แล้ว เราเริ่มด้วยการเอาน้ำและน้ำมันพืชทำอาหารใส่ถ้วยแก้วเล็กๆให้มีปริมาณประมาณเท่าๆกัน (โดยน้ำหนัก) แล้ววัดอุณหภูมิ จากนั้นก็ใส่ไปในเตาไมโครเวฟแล้วเปิดสวิทช์สัก 15 วินาทีแล้วเอามาวัดอุณหภูมิอีกที  (ก่อนจะทำการทดลอง ให้เด็กๆลองเดาว่าอะไรจะร้อนกว่ากันก่อน)

 
อุณหภูมิก่อนใส่ไปในเตาไมโครเวฟชองน้ำมันพืชและน้ำครับ
หลังจากเอาใส่ไปในเตาไมโครเวฟประมาณ 15 วินาที

เราพบว่าตอนเริ่มต้น ทั้งน้ำและน้ำมันพืชมีอุณหภูมิประมาณ 30 องศาเซลเซียส หลังจากใส่เตาไมโครเวฟไป 15 วินาที น้ำมีอุณหภูมิประมาณ 70 องศา และน้ำมันพืชมีอุณหภูมิประมาณ 45 องศา แสดงว่าน้ำมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปเท่ากับประมาณ 70-30 = 40 องศา ขณะที่น้ำมันพืชมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 15 องศา หรือน้ำร้อนขึ้นกว่าน้ำมันเยอะเลย

ผมมาอธิบายให้เด็กๆฟังว่าสาเหตุที่น้ำร้อนขึ้นเร็วกว่าน้ำมันพืชก็เพราะว่าหน้าตาของโมเลกุลของน้ำซึ่งประกอบไปด้วยออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอมมีลักษณะเป็นแบบมีขั้ว (Polar Molecule) กล่าวคือประจุไฟฟ้า (อิเล็คตรอน) อยู่แถวๆออกซิเจนมากกว่าแถวๆไฮโดรเจน ทำให้แต่ละโมเลกุลของน้ำดูเหมือนมีขั้วลบอยู่แถวๆออกซิเจนและขั้วบวกอยู่แถวๆไฮโดรเจน ส่วนโมเลกุลของน้ำมันพืชมีความเป็นขั้วน้อยกว่าโมเลกุลของน้ำมาก เมื่อคลื่นไมโครเวฟวิ่งมาโดนโมเลกุลน้ำ ความเป็นขั้วของน้ำทำให้มันสั่นตามคลื่นได้ดี จีงดูดซับพลังงานจากคลื่นไปเป็นการสั่นของน้ำ น้ำจึงร้อนขึ้นได้มากกว่าน้ำมันพืชที่สั่นตามคลื่นไมโครเวฟได้น้อยกว่า (สำหรับผู้ที่รู้เรื่องความจุความร้อน (Heat Capacity) จะพบว่าความจุความร้อนของน้ำมีค่ามากกว่าน้ำมันพืชประมาณสองเท่า ถ้าน้ำและน้ำมันพืชดูดซับพลังงานจากคลื่นไมโครเวฟได้เท่าๆกัน อุณหภูมิของน้ำมันพืชจะเพิ่มขึ้นเร็วกว่าน้ำถึงสองเท่า แต่การทดลองเราพบว่าน้ำมันพืชเปลี่ยนอุณหภูมิไปเพียง 15 องศา แต่น้ำเปลี่ยนไป 40 องศา แสดงว่าน้ำดูดซับพลังงานจากคลื่นไมโครเวฟได้ประมาณ 40×2/15 = 5 เท่ากว่าๆเมื่อเทียบกับน้ำมันพืช)

แบบจำลองโมเลกุลน้ำ อะตอมตรงกลางสีแดงคือออกซิเจน อะตอมสองข้างคือไฮโดรเจน สีแดงเป็นเงาๆแสดงว่าแถวๆนั้นมีประจุไฟฟ้าลบ สีน้ำเงินเป็นเงาๆแสดงว่าแถวนั้นมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก
 

ปรากฎการณ์ที่น้ำสามารถดูดซับพลังงานจากคลื่นไมโครเวฟเอาไปสั่นโมเลกุลไปมาแล้วร้อนขึ้นนี้เป็นเรื่องเดียวกับการที่ทีวีดาวเทียมดูตอนฝนตกหนักไม่ได้ครับ คลื่นสัญญาณภาพจากดาวเทียมที่ส่งมายังจานรับที่บ้านของเราเป็นคลื่นไมโครเวฟ ถ้าฝนตกหนัก น้ำในฝนจะดูดพลังงานจากคลื่นไมโครเวฟไปจนคลื่นอ่อนแรงจนไม่พอที่จะรับมาเป็นภาพบนทีวีได้

(ผมเล่าเรื่องย่อๆเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งรวมถีงคลื่นไมโครเวฟด้วยครับ เนื้อหาคล้ายๆที่เคยบันทึกไว้เมื่อต้นปีที่ “คุยกับเด็กประถมเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เด็กอนุบาลเล่นกับความเฉี่อย“)

จากนั้นเด็กๆได้ดูการชนกันของลูกตุ้มในของเล่นที่เรียกว่า “เปลไกวของนิวตัน” (Newton’s Cradle) ที่เป็นลูกตุ้มทรงกลมแขวนกันเป็นแถวติดๆกัน เมื่อยกลูกตุ้มที่ปลายข้างหนึ่งขึ้นแล้วปล่อยให้ตกลงมาชน ลูกตุ้มอีกข้างก็จะกระเด้งขึ้นจนสูงเกือบๆเท่าความสูงของลูกตุ้มลูกแรก (แต่ที่ไม่สูงเท่าเพราะลูกตุ้มมีการเสียพลังงานจากแรงเสียดทานของอากาศและการเกิดเสียงชน)

เปลไกวของนิวตันสองอันครับ อันใหญ่กับอันเล็ก เด็กประถมต้นบอกได้ว่าอันใหญ่จะแกว่งช้ากว่าอันเล็กเพราะเราได้ทำการทดลองการแกว่งลูกตุ้มที่เส้นเชือกยาวต่างๆกันไปแล้ว
อีกมุมหนึ่งครับ
ภาพวาดว่าทำงานอย่างไรครับ

จากนั้นผมก็ปล่อยลูกตุ้มแบบต่างๆให้เด็กๆดู เช่นปล่อยลูกเดียว ปล่อยสองลูก ปล่อย 3 และ 4 ลูก ปล่อยสองข้างพร้อมๆกัน ให้เด็กๆเดาว่าจะเกิดอะไรขึ้น จะมีอะไรกระเด้งกี่ลูก หรือจะหยุดนิ่งครับ คลิปข้างล่างคือที่ผมได้ไปถามเด็กอนุบาลสามาครับ แต่เด็กประถมก็คล้ายๆกัน:

จากนั้นผมก็ให้เด็กๆดูของเล่นที่เรียกว่าปืนเก๊าส์ (Gaussian Gun) ที่ใช้แม่เหล็กและลูกเหล็กกลมๆมาเรียงกัน และเมื่อกลิ้งลูกเหล็กให้วิ่งมาชน จะมีลูกเหล็กวิ่งออกไปอีกด้านด้วยความเร็วสูง ตอนเรากลิ้งลูกเหล็กให้วิ่งเข้าชนแม่เหล็กนั้น แม่เหล็กจะดูดลูกเหล็กเข้าหาจนลูกเหล็กวิ่งเร็วมาก เมื่อลูกเหล็กที่วิ่งเร็วนั้นชนแม่เหล็กที่ติดกับลูกเหล็กลูกอื่นๆ การเคลื่อนที่ก็ถูกส่งผ่านต่อๆไปด้วยการชนอย่างรวดเร็ว ลูกเหล็กลูกสุดท้ายไม่รู้จะชนและถ่ายทอดการเคลื่อนที่ให้ใครมันจึงกระเด็นไปด้วยความเร็ว ดูตัวอย่างการทดลองในคลิปครับ:

การทดลองเหล่านี้เด็กๆประถมได้ดูเพื่อปูพื้นที่เราจะคุยกันเรื่องปริมาณการเคลื่อนที่หรือโมเมนตัมในสัปดาห์ต่อไปครับ (ผมเคยพูดเรื่องคล้ายกันนี้ไปเมื่อสองปีที่แล้วที่นี่ครับ เราจะพยายามให้เด็กๆประถมปลายเข้าใจมากขึ้นอีกหน่อย)

เด็กประถมปลายได้ดูของแปลกๆอีกสองสามอย่างครับ อย่างแรกคือรูปนี้:

ซึ่งเป็นภาพเครื่องร่อนที่บินหมุนตัวจนกลับหัว เด็กๆพอเข้าใจได้ว่าการเหวี่ยงตัวของเครื่องร่อนทำให้มีความรู้สึกเหมือนมีแรงโน้มถ่วงไปทางท้องฟ้าได้ จีงทำให้เทน้ำอย่างนี้ได้ (ผมยกตัวอย่างรถเบรก รถเร่ง รถเลี้ยว ม้าหมุน รถไฟเหาะให้เด็กๆสังเกตความรู้สึกแรงโน้มถ่วงครับ)

อันที่สองคือคลิปสโลโมชั่นของคลื่นช็อคจากระเบิดว่าเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงหรือไม่ครับ:

อันสุดท้ายคือเปรียบเทียบโมเมนตัมของหนังสติ๊กยักษ์เทียบกับกระสุนปืนสั้นชนิดต่างๆครับ:

ต่อไปนี้คือบรรยากาศและบันทึกการเรียนรู้ของเด็กๆครับ อัลบั้มเต็มอยู่ที่นี่นะครับ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Leave a Reply

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