จับเวลาและนาฬิกาควอทซ์

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

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

(คราวที่แล้วเรื่องวัดความยาวและปืนใหญ่ลม (Vortex Cannon)อยู่ที่นี่ครับ)

วันนี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรม กลุ่มบ้านเรียนภูมิธรรม และอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ วันนี้เรื่องการจับเวลาและนาฬิกาควอทซ์

สำหรับเด็กประถมกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมและภูมิธรรม ผมเริ่มโดยถามเด็กๆว่าเวลาคืออะไร เด็กๆก็ตอบว่าเวลาคือนาฬิกา ผมก็แย้งว่าเราใช้นาฬิกาวัดเวลาไม่ใช่หรือ แต่นาฬิกาไม่ใช่เวลา เด็กๆเสนออีกว่าเวลาไหลไปเรื่อยๆ เราวัดเวลาด้วยนาฬิกา เวลาเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เวลาไม่รอใคร ฯลฯ ผมเสริมว่าจริงๆแล้วเราก็ไม่แน่ใจว่าเวลาคืออะไรแน่ แต่เราวัดเวลาต่างๆด้วยนาฬิกา มีใครบางคนบอกว่า”เวลาเป็นสิ่งที่กันไม่ให้ทุกสิ่งทุกอย่างเกิดขึ้นพร้อมๆกัน” (“Time… is what keeps everything from happening at once”) ซึ่งผมก็ชอบคำจำกัดความนี้มากทีเดียว

ความจริงในธรรมชาติที่เราพบว่าเป็นจริงทั้งๆที่มันฟังดูไม่น่าเป็นไปได้ก็คือ เวลาของแต่ละคนอาจจะวิ่งเร็วช้าต่างกัน ขึ้นกับว่าแต่ละคนเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน หรืออยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงแรงแค่ไหน เวลาเราเคลื่อนที่เร็วๆเวลาของเราจะวิ่งช้ากว่าเวลาของคนที่เคลื่อนที่ช้ากว่า หรือถ้าเราไปอยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงเวลาของเราก็จะวิ่งช้ากว่าเหมือนกัน โดยปกติเราไม่ได้เคลื่อนที่เร็วมากๆหรืออยู่ใกล้แรงโน้มถ่วงที่เข้มข้นจนเห็นได้ชัดว่าเวลาของเราวิ่งช้าได้อย่างชัดเจน แต่ถ้าเราตั้งใจวัดเวลาให้ละเอียดแล้ว เราจะพบว่าเวลาวิ่งช้าลงจริงๆเมื่อเคลื่อนที่หรืออยู่ใกล้แรงโน้มถ่วง สิ่งประดิษฐ์ในชีวิตประจำวันที่ต้องอาศัยความจริงข้อนี้ก็คือเครื่องรับสัญญาณ GPS ที่สามารถบ่งบอกพิกัดว่าเราอยู่ที่ไหนบนโลก ตัวเครื่องรับสัญญาณ GPS ต้องติดต่อกับดาวเทียมอย่างน้อยสามดวง(ปกติติดต่อกับหกดวงขึ้นไป)ที่โคจรรอบโลก การติดต่อระหว่างเครื่องรับสัญญาณและดาวเทียมต้องมีนาฬิกาที่เดินตรงกันจึงจะคุยกันได้ถูกต้อง แต่ดาวเทียมนั้นโคจรรอบโลกด้วยความเร็วสูง (ประมาณ 14,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ดังนั้นเวลาของดาวเทียมจะวิ่งช้ากว่าบนโลกไปประมาณ 7 ส่วนล้านวินาทีในแต่ละวัน นอกจากนี้ดาวเทียมอยู่ห่างจากโลกไปสองหมื่นกว่ากิโลเมตร แรงโน้มถ่วงจึงน้อยกว่าบนพื้นโลก ทำให้นาฬิกาของดาวเทียมวิ่งเร็วกว่าบนโลกไปประมาณ 45 ส่วนล้านวินาทีในแต่ละวัน ผลรวมนี้ทำให้นาฬิกาของดาวเทียมวิ่งเร็วกว่าบนโลกไปประมาณ 45-7 = 38 ส่วนล้านวินาทีในแต่ละวัน ตอนที่เครื่องรับสัญญาณติดต่อกับดาวเทียมต้องคำนวณเผื่อส่วนต่างของเวลาที่วิ่งเร็วต่างกันนี้ด้วย ไม่งั้นจะไม่สามารถทำงานได้ ความจริงเรื่องเวลาวิ่งเร็วช้าต่างกันนี้ถูกค้นพบโดยไอนสไตน์เมื่อประมาณ 100 ปีมาแล้ว (ถ้าท่านสนใจเรื่อง GPS และเวลา ลองอ่านเพิ่มเติ่มที่ลิงค์เหล่านี้นะครับ: 1, 2 มีคุณพ่อคนหนึ่งพาลูกๆขึ้นไปภูเขาโดยเอานาฬิกาที่เที่ยงตรงมากๆไปด้วยแล้วดูว่านาฬิกาเดินเร็วขึ้นเท่าไรด้วยครับ)

ผมให้เด็กๆดูรูปนาฬิกาประเภทต่างๆที่เคยคุยกันเมื่อเราทำลูกตุ้มนาฬิกาเพื่อทบทวน แล้วผมก็เอานาฬิกาจับเวลามาให้เด็กๆดู (ซื้อมา 5 อันให้เด็กๆแบ่งกันเล่น ราคาอันละ 60 บาทที่ร้านไดโซะ) แล้วผมก็อธิบายว่านาฬิกาแบบนี้ใช้วัดเวลาได้อย่างไร

อันละ 60 บาท

ผมถามเด็กๆว่าจำได้ไหมว่าเวลาเราแกว่งลูกตุ้มนาฬิกา มันจะแกว่งด้วยเวลาเท่าๆกันในแต่ละรอบ ถ้าลูกตุ้มมีเชือกยาว เวลาในการแกว่งแต่ละครั้งก็จะมาก ถ้าลูกตุ้มมีเชือกสั้น เวลาในการแกว่งแต่ละครั้งก็จะน้อย ในนาฬิกาจับเวลาก็มีอะไรบางอย่างแกว่งหรือสั่นอยู่ข้างในเหมือนกัน สิ่งนั้นเรียกว่าผลึกควอทซ์ (quartz crystal)

ผลึกควอทซ์แบบยังไม่ได้ตัดเป็นชิ้นๆ

 ผลึกควอทซ์เป็นผลึกชนิดหนึ่งในหลายๆชนิดที่เมื่อเอาสนามไฟฟ้าไปจึ้จะเปลี่ยนรูปทรง และในทางกลับกันเมื่อตัวผลึกมีการเปลี่ยนรูปทรงมันก็จะสร้างสนามไฟฟ้าให้เราวัดได้  คุณสมบัตินี้เรียกว่าคุณสมบัติเพียโซอิเลคทริค (piezoelectric effect)

เวลาเราจะใช้ผลึกควอทซ์นับเวลาให้เรา เราก็ตัดมันเป็นชิ้นเล็กๆ แล้วเอาไฟฟ้าใส่มัน ตัวมันก็จะบิด พอเอาไฟฟ้าออกตัวมันก็จะสั่นด้วยความถี่ที่ขึ้นกับขนาดและรูปร่างของมัน ตอนมันสั่นก็จะสร้างสนามไฟฟ้าให้เราสามารถวัดได้ พอมันสั่นได้สักพักมันก็จะสั่นแรงน้อยลงจากแรงเสียดทาน เราก็ป้อนไฟฟ้าไปบิดมันอีก ไปเรื่อยๆอย่างนี้ การสั่นของผลึกนี้มีความเที่ยงตรงและละเอียดดีมาก สามารถสั่นได้หลายพันถึงหลายล้านครั้งต่อวินาที ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปทรงของผลึก ปกติในนาฬิกาที่ใช้ผลึกควอทซ์ ผลึกจะถูกตัดให้มีขนาดเหมาะสมให้สั่น 32,768 ครั้งต่อวินาที นาฬิกาเหล่านี้เที่ยงตรงและราคาไม่แพงเท่านาฬิกาที่ใช้ลานและสปริงเช่น Rolex

ตัวอย่างหน้าตาผลึกควอทซ์ที่ตัดเป็นรูปส้อม และมีสายไฟแปะเอาไว้เพื่อบิดตัวผลึกและวัดความถึ่การสั่น

หลังจากพูดคุยถึงเรื่องทฤษฎีเหล่านี้แล้ว เด็กๆก็จับกลุ่มกันหัดใช้นาฬิกาจับเวลากันครับ เริ่มด้วยจับเวลาว่าหายใจสิบครั้งใช้เวลาเท่าไร จากนั้นก็กระโดดตบหรือออกำลังให้เหนื่อยแล้วจับเวลาใหม่ ดูว่าหายใจเร็วขึ้นบ้างไหม

 
 
 
 

จากนั้นก็ลองให้เด็กๆกดปุ่มเริ่มและหยุดให้เร็วที่สุดว่านิ้วขยับได้เร็วแค่ไหน เด็กๆหลายๆคนทำได้ประมาณ 0.10 – 0.15 วินาที

จากนั้นผมก็เอาโต๊ะมาตั้งเอียงๆ แล้วเอาขวดพลาสติกมากลิ้งจับเวลากัน โดยเราเริ่มด้วยขวดเปล่า ขวดใส่น้ำประมาณ 1/4 ของขวด ขวดใส่น้ำเต็ม ขวดใหญ่ ขวดเล็ก แล้วให้เด็กๆจับเวลาว่าขวดกลิ้งใช้เวลาเป็นอย่างไรบ้าง

 
 

หลังจากนั้นเราก็มานั่งรวมกลุ่มกันแล้วให้เด็กๆสรุปว่ารู้เรื่องอะไรบ้าง จดบันทึกอะไรไปบ้าง

 
 
 
 
 
 

สำหรับเด็กๆอนุบาลสามบ้านพลอยภูมิ ผมให้เด็กๆทดลองใช้นาฬิกาจับเวลาการหายใจสิบครั้งก่อนและหลังกระโดดตบ 20 ทีนะครับ เด็กๆก็พอทำได้ มีแย่งนาฬิกากันบ้างแต่ก็ได้ทำทุกคน

 
 
 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่นะครับ

One thought on “จับเวลาและนาฬิกาควอทซ์”

Leave a Reply

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