คุยกับเด็กเรื่องโมเลกุลน้ำ แรงตึงผิว สบู่และน้ำยาล้างจาน featuring ซูเปอร์คอนดัคเตอร์

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

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

(คราวที่แล้วเรื่อง “ทำไอศครีม ดูลูกบอลกระเด้ง เล่นเรือป๊อกแป๊ก ปล่อยลูกแก้วใส่เป้า” ครับ)

วันอังคารที่ผ่านมานี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรม กลุ่มบ้านเรียนเฟิร์น และอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ วันนี้เราทำการทดลองเกี่ยวกับแรงตึงผิวครับ โดยเด็กๆได้เข้าใจว่าแรงตึงผิวเกิดจากการดูดกันของโมเลกุลน้ำ สารเคมีบางชนิดเช่นสบู่หรือน้ำยาล้างจานจะเข้าไปจับโมเลกุลของน้ำทำให้โมเลกุลน้ำดูดกันไม่ได้ ทำให้แรงตึงผิวลดลง เราได้ทดลองลอยคลิปหนีบกระดาษบนผิวน้ำ และหยดสีบนผิวนมให้เกิดลวดลายสวยๆเมื่อหยดน้ำสบู่ลงไป เด็กประถมได้ดูวิดีโอสเปรย์เคลือบกันน้ำและน้ำมัน นอกจากนั้นเด็กประถมปลายได้ดูวิดีโอซูเปอร์คอนดัคเตอร์ด้วย (เรื่องมันมาถึงนี่ได้เพราะเด็กๆถามว่าโมเลกุลหยุดสั่นได้ไหมถ้าเย็นมากๆ)

ผมเล่าให้ฟังก่อนว่าน้ำและสารต่างๆจะมีส่วนประกอบต่างๆกัน เจ้าส่วนประกอบเล็กๆที่เป็นสารต่างๆจะเรียกว่าโมเลกุลของสารนั้นๆ เช่นน้ำประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำ แต่ละโมเลกุลของน้ำก็ประกอบด้วยออกซิเจนหนึ่งอะตอมรวมอยู่กับไฮโดรเจนสองอะตอม เราเลยเรียก H2O (เอชทูโอ) ว่าคือน้ำ หน้าตาโมเลกุลของน้ำก็คล้ายๆมิกกี้เมาส์ที่หูเล็กๆสองข้างคืออะตอมไฮโดรเจน โมเลกุลของน้ำเล็กมาก เล็กขนาดที่ว่าในน้ำหนึ่งแก้วมีโมเลกุลน้ำมากกว่าล้านล้านล้านล้านโมเลกุล (มากกว่า 1,000,000,000,000,000,000,000,000 โมเลกุล)

ภาพจำลองโมเลกุลน้ำห้าอันอยู่ใกล้ๆกันและดูดกันจากแรงทางไฟฟ้า สีแดงคืออะตอมออกซิเจน สีขาวคืออะตอมไฮโดรเจน

โมเลกุลน้ำเล็กมากจนเรามองไม่เห็น แม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์ก็ยังมองไม่เห็น แต่เมื่อเกือบๆสองร้อยปีมาแล้วในปี 1827 นักพฤกษศาสตร์ (นักวิทยาศาสตร์ที่ศีกษาพืช) ชื่อ Robert Brown พบหลักฐานที่แสดงว่ามีโมเลกุลน้ำวิ่งไปวิ่งมาจริงๆแม้ว่าเขาจะไม่เข้าใจว่าสิ่งที่เขาเห็นแสดงว่ามีโมเลกุลน้ำก็ตาม เขาส่องกล้องจุลทรรศน์ดูละอองเกสรในน้ำและพบว่าเกสรขยับไปมาแบบไม่มีทิศทางแน่นอน ตอนแรกเขาคิดว่ามันอาจเกิดจากการว่ายน้ำของเกสรที่มีชีวิต แต่เขาทำการทดลองเพิ่มเติม (ถึงตอนนี้ผมให้เด็กๆดูวิดีโอการขยับของเกสรในน้ำ และถามเด็กๆว่าเราจะทดลองอย่างไรว่าการเคลื่อนที่มันเกิดจากการว่ายน้ำของเกสรหรือเปล่า หลังจากคุยกันสักพัก น้องแสงจ้าก็เสนอว่าให้เอาอะไรอย่างอื่นไปลอย เอาของที่ไม่มีชีวิตไปลอยดู ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่ Robert Brown ทำ) จนสรุปได้ว่าการเคลื่อนที่ไม่ได้เกิดจากว่าสิ่งที่ลอยน้ำมีชีวิตหรือไม่มีชีวิต แต่ขึ้นกับขนาดและมวลของสิ่งของนั้นๆ เด็กๆได้ดูคลิปนี้ครับ:

ส่วนอันนี้ไม่ได้ดูในห้องเรียน เพราะมันยาวไปนิด:

การเคลื่อนที่ของสิ่งของเล็กๆในของเหลวหรือก๊าซเรียกว่า Brownian Motion ครับ คนที่อธิบายการเคลื่อนไหวนี้คือไอน์สไตน์ครับ เขาคำนวณได้ถุกต้องว่าการเคลื่อนที่ของเกสรเกิดจากการชนของโมเลกุลของน้ำวิ่งชนเกสรไปมาครับ

การทดลองแรกก็คือให้เด็กๆสมมุติว่าตัวเองเป็นโมเลกุลของน้ำ และพยายามอยู่ใกล้ๆกันเพราะมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ให้สังเกตว่าหยดน้ำจะหน้าตาเป็นอย่างไร เด็กๆเข้าใจได้ว่าโมเลกุลน้ำน่าจะรวมกันเป็นก้อนๆกลมๆ จากนั้นเด็กๆก็สังเกตลักษณะของหยดน้ำจริงๆว่ามีรูปทรงอย่างไร จะเห็นได้ว่ารูปทรงจะโค้งๆกลมๆ และเมื่อหยดบนอะไรมันๆเช่นกระดาษมันหรือผม หยดน้ำก็จะเป็นลูกกลมๆ ไม่แบนราบลงไป

สังเกตรูปทรงหยดน้ำ
“โมเลกุลน้ำ” จับตัวกัน

การทดลองต่อไปคือเอาคลิปโลหะที่ปกติจะจมน้ำค่อยๆวางบนผิวน้ำให้ลอยอยู่ได้ครับ ปกติถ้าเราเอาคลิปหนีบกระดาษไปใส่น้ำ มันจะจม แต่ถ้าเราค่อยๆระวังตอนวางให้มันค่อยๆกดผิดน้ำลงไปเบาๆทั่วๆกัน ผิวน้ำจะแข็งแรงพอที่จะยกคลิปให้ลอยอยู่ได้ ผิวของน้ำมีแรงตึงผิวทำให้มันคล้ายๆฟิล์มบางๆที่รับน้ำหนักได้บ้าง (ปกติเด็กๆก็เห็นแมลงเช่นจิงโจ้น้ำวิ่งบนผิวน้ำอยู่แล้ว เด็กๆจึงเข้าใจเรื่องผิวน้ำรับน้ำหนักของได้เป็นปกติ) สำหรับวิธีลอยคลิปหนีบกระดาษง่ายๆก็มีอยู่หลายวิธี วิธีแรกคือฉีกกระดาษทิชชูให้ขนาดใหญ่กว่าคลิปนิดหน่อย รองคลิปไว้ แล้วค่อยๆลอยทั้งคลิปและกระดาษทิชชูที่รองอยู่ลงบนผิวน้ำ รอสักพักทิชชูก็จะอิ่มน้ำแล้วจมลงไป เหลือแต่คลิปหนีบกระดาษลอยอยู่ อีกวิธีหนึ่งก็คือเสียสละคลิปหนีบกระดาษหนึ่งตัว เอามางอให้เป็นรูปตัว L เอามือเราจับด้านบนของตัว L แล้วใช้ด้านล่างของตัว L รองคลิปหนีบกระดาษอีกตัวไว้แล้วก็ค่อยๆเอาคลิปไปวางที่ผิวน้ำ พอวางได้ เราก็ค่อยขยับตัว L ออกเหลือแต่คลิปลอยอยู่ นี่คือวิธีที่สองครับ:

ถึงตอนนี้ผมก็อธิบายให้เด็กฟังว่าแรงตึงผิวเกิดจากการที่โมเลกุลของน้ำ(และของเหลวอื่นๆ) อยากจะอยู่ใกล้ๆกันไว้ ไม่อยากแยกจากกัน พอมีอะไร (เช่นคลิปหนีบกระดาษ) มากด น้ำก็ไม่อยากแยกออกจากกัน แล้วออกแรงยกคลิปไว้ แต่ถ้าแรงกดมากเกินไป (เข่นตอนโยนคลิปลงบนผิวน้ำ) ผิวของน้ำก็รับน้ำหนักไม่ไหวเหมือนกัน ก็จะแยกออกปล่อยให้คลิปจมลงไป

เรามีสารเคมีที่ลดแรงตึงผิวของน้ำได้ ที่เรารู้จักกันดีก็คือสบู่ ผมซักฟอก และน้ำยาล้างจานนั่นเอง โมเลกุลของสารพวกนี้จะเป็นแท่งยาวๆที่ด้านหนึ่งชอบจับกับน้ำ อีกด้านหนึ่งชอบจับกับน้ำมัน มันจึงใช้ล้างจานมันๆได้ดีเพราะด้านที่ชอบจับน้ำมันจะไปล้อมโมเลกุลน้ำมันไว้ แล้วพอเราเอาน้ำราด ด้านที่ชอบจับกับน้ำก็จะติดกับน้ำหลุดจากจานไป ในการทดลองในวิดีโอคลิปข้างล่างน้ำยาล้างจานจะละลายเข้าไปในน้ำแล้วโมเลกุลของมันจะไปจับโมเลกุลน้ำ ทำให้โมเลกุลน้ำจับมือกับโมเลกุลน้ำอื่นๆยากขึ้น ทำให้ไม่มีแรงยกคลิปที่อยู่บนผิว คลิปเลยจมครับ:

การทดลองต่อไปที่น่าสนุกก็คือการหยดน้ำยาล้างจานลงไปในนมที่มีสีผสมอาหารหยดอยู่ครับครับ นมมีส่วนประกอบส่วนใหญ่เป็นน้ำ ถ้าหยดน้ำยาล้างจานลงไป แรงตึงผิวแถวๆหยดน้ำยาล้างจานจะลดลง ทำให้เกิดกระแสนมไหลออกจากบริเวณนั้น ถ้าเราเอาพริกไทยป่นหรือหยดสีผสมอาหารลงไปเราจะเห็นการไหลเวียนของนมได้ชัดขึ้นครับ

ผมใช้นมที่มีไขมันปกติ และนมที่มีไขมัน 0% ลองเปรียบเทียบกันว่าจะมีอะไรต่างกันเห็นได้ชัดไหม ปรากฏว่าไม่ต่างกันครับ จะต่างก็นิดหน่อยก็อาจจะเป็นเพราะนมไขมัน 0% มันมีความหนืดน้อยกว่านมปกตินิดหน่อย:

แบบจำลองอธิบายสิ่งที่เราเห็นไปเป็นอย่างนี้ครับ:

จากนั้นเด็กประถมปลายได้ดูการหยดลงไปในน้ำและน้ำมันพืชดูครับว่าเป็นอย่างไร สำหรับหยดลงไปในน้ำเป็นอย่างนี้ครับ:

เนื่องจากสีส่วนใหญ่จมอยู่ไม่อยู่ที่ผิวน้ำ เมื่อหยดน้ำยาล้างจานลงไปจึงมีสีที่ผิวส่วนน้อยที่กระจาย (ถ้าใช้นมแทนน้ำ สีจะลอยอยู่บนผิวเยอะ ทำให้สีกระจายเยอะ)

สำหรับหยดลงไปในน้ำมันพืชเป็นอย่างนี้ครับ:

สีที่ใช้เป็นสีผสมอาหารที่ละลายในน้ำได้ เมื่อหยดลงไปในน้ำมันจึงไม่ยอมผสมกับน้ำมัน แต่รวมตัวกันเป็นหยดๆอยู่ในน้ำมัน เมื่อหยดน้ำยาล้างจานไปโดนสีและน้ำมัน แรงตึงผิวของหยดสีลดลงทำให้สีกระจายไปในน้ำมันได้บ้าง เพราะน้ำยาล้างจานสามารถจับตัวได้กับทั้งน้ำและน้ำมันด้วย

เด็กๆได้ดูวิดีโอของผลิตภัณฑ์กันเปื้อนที่ทำงานโดยที่โมเลกุลของผลิตภัณฑ์ไม่ยอมรวมตัวกับน้ำหรือน้ำมัน พอเอามาเคลือบสิ่งต่างๆมันก็จะทำให้เปื้อนน้ำหรือน้ำมันได้ยากครับ มีสองยี่ห้อครับชื่อ NeverWet กับ Ultra-Ever Dry:

สำหรับเด็กประถมปลายผมได้พูดถึงว่าเวลาต้มน้ำให้ร้อนโมเลกุลของน้ำมันจะวิ่งเร็ว เวลาเราใส่ตู้เย็นโมเลกุลของน้ำจะวิ่งช้าลงช้าลง จนโมเลกุลจับกันแน่นพอที่น้ำหยุดไหลกลายเป็นน้ำแข็ง อย่างไรก็ตามโมเลกุลจะไม่ไหลไปไหนแล้วแต่มันก็ยังสั่นไปมาอยู่รอบๆตำแหน่งที่มันอยู่ โมเลกุลจะสั่นช้าลงเรื่อยๆเมื่อมันเย็นลงๆ น้องกันเลยถามว่าถ้ามันเย็นมากๆมันจะหยุดสั่นเลยไหม ซึ่งเป็นคำถามทำนองเดียวกันกับนักวิทยาศาสตร์ชื่อ Heike Kamerlingh Onnes ถามเมื่อกว่าร้อยปีมาแล้ว (ปี 1911) การทดลองของเขาพบว่าของที่ทำให้เย็นมากๆก็ไม่หยุดสั่น แต่มันน่าจะสั่นเป็นทำนองเดียวกันเหมือนกันหมดทุกอะตอม (ปกติแต่ละอะตอมจะสั่นไปตามเรื่องตามราวของมันไม่สั่นพร้อมๆกันไปหมด) ทำให้เกิดปรากฏการณ์ใหม่ๆที่เรียกว่าการนำไฟฟ้ายิ่งยวด (Superconductivity) คือเจ้าสารที่แสดงคุณสมบัตินำไฟฟ้ายิ่งยวดจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้โดยไม่มีความต้านทาน ดังนั้นกระแสไฟฟ้จะไหลวนข้างในได้ตลอดไป รวมไปถึงไม่ยอมให้สนามแม่เหล็กผ่านเข้าไปในตัวนำยิ่งยวดอีกด้วย ผมเลยหาคลิปแปลกๆที่เกี่ยวกับ superconductivity ให้เด็กดูนิดหน่อยครับ:

สำหรับวิดีโออันสุดท้าย ถ้าสนใจว่ามันทำงานอย่างไรเข้าไปอ่านที่นี่นะครับ

ต่อไปนี้คือบรรยากาศและบันทึกการเรียนรู้ของเด็กๆครับ อัลบั้มเต็มอยู่ที่นี่นะครับ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Leave a Reply

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