วิทย์ประถม: เริ่มเรื่องสมดุล, ทางช้างเผือก, เรียงของซ้อนกันให้พ้นโต๊ะ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้ดูรูปและวิดีโอทางช้างเผือก จากนั้นได้เล่นเรียงของต่างๆซ้อนกันให้เหลื่อมมากขึ้นเรื่อยๆจนชิ้นบนสุดอยู่เลยชิ้นล่างสุดครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลสั้นๆสามกล:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมทบทวนเรื่องกาแล็กซีทางช้างเผือกที่เคยคุยกับเด็กๆไป (วิทย์ประถม: ภาพแรกจาก JWST, วัดความถี่เสียงที่หูฟังได้)

เด็กๆได้ดูรูปทางช้างเผือกที่ถ่ายในประเทศไทยโดยคุณมติพล ตั้งมติธรรม:

ภาพจาก https://apod.nasa.gov/apod/ap140212.html ในภาพจะเห็นทางช้างเผือกพาดแนวนอนอยู่ตรงกลาง ดาวตกเป็นเส้นดิ่งด้านบนเยื้องไปทางขวา และใกล้ๆดาวตกจะเห็นจรวด Ariane 5 ที่พึ่งปล่อย

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าทางช้างเผือกเป็นสิ่งที่เรียกว่ากาแล็กซี มีดาวนับแสนล้านดวงโคจรรอบๆกันอยู่ เราอาจเปรียบเทียบรูปทรงของกาแล็กซีทางช้างเผือกเป็นเหมือนไข่ดาว ตรงไข่แดงคือบริเวณตรงกลางที่มีดาวอยู่กันหนาแน่น ดวงอาทิตย์ของเราซึ่งเป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่งโคจรอยู่ด้านนอกๆแถวๆไข่ขาว ภาพที่ถ่ายด้านบนเหมือนเราอยู่บนไข่ขาวแล้วมองเข้าไปหาไข่แดง 

จุดสว่างๆในภาพข้างบนเป็นดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างกันมาก (แสงซึ่งเคลื่อนที่ได้ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที หรือประมาณ 1 พันล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมงต้องใช้เวลาเป็นปีๆที่จะเดินทางจากดาวฤกษ์หนึ่งไปอีกดาวฤกษ์หนึ่ง) แต่เราเห็นว่าอยู่ใกล้กันเพราะดาวทั้งหลายอยู่ไกลจากเรามากๆ

จากนั้นเด็กๆดูคลิปวิดีโอทางช้างเผือกที่ถ่ายทำมาแบบ Time-Lapse คือถ่ายภาพทุกๆหลายนาทีแล้วเอาภาพมาต่อๆกันเป็นวิดีโอเคลื่อนไหว ภาพเหล่านี้ถ่ายด้วยกล้องที่รับแสงเป็นเวลานานทำให้มองเห็นดาวที่ไม่สว่างพอที่เราเห็นด้วยตาเปล่าด้วย:

The Beauty of the Milky Way from Alan Dyer on Vimeo.

ผมบอกเด็กๆว่าจุดสว่างๆแต่ละจุดคือดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์เราเลยนะ ทางช้างเผือกหรือ Milky Way Galaxy คือกลุ่มดาวนับแสนล้านดวงวิ่งโคจรรอบๆกันเพราะมันดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง ตรงที่เราเห็นขาวๆพาดเป็นทางคือบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางที่ดาวต่างๆโคจรรอบ แถวๆนั้นมีจำนวนดาวมากมายและหนาแน่นและห่างไกลจากเราทำให้เราไม่เห็นดาวแยกเป็นดวงๆ ให้เด็กๆคิดถึงไข่ดาวแบนๆที่มีไข่แดงตรงกลางและมีไข่ขาวรอบๆ พวกเราบนโลกอยู่แถวๆไข่ขาวห่างจากตรงกลางมาสักครึ่งหนึ่งของไข่ขาว บริเวณที่เราอยู่มีดวงดาวไม่หนาแน่นเท่าแถวกลางๆ 

ตำแหน่งดวงอาทิตย์ (Sun) อยู่แถวไหนในทางช้างเผือก (ภาพจาก http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/milkyWay.html)
ตำแหน่งดวงอาทิตย์ (Sun) อยู่แถวไหนในทางช้างเผือก (ภาพจาก http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/milkyWay.html)

ทางช้างเผือกเป็นเพียงกาแล็กซี่อันหนึ่งในนับแสนล้านอันในจักรวาลที่เราสังเกตเห็นครับ

จากนั้นเด็กๆเริ่มเรียนรู้เรื่องสมดุล โดยหัดเอาบล็อกไม้หรือไพ่มาเรียงซ้อนๆกันโดยให้เหลื่อมๆกันจนบล็อกไม้หรือไพ่บนสุดยื่นออกไปจากอันล่างเยอะๆครับ:

จะเห็นได้ว่าชิ้นบนสุดจะเหลื่อมออกมาจากฐานได้เกือบครึ่งความยาว แต่ชิ้นต่อๆไปจะเหลื่อมน้อยลงเรื่อยๆ การวางแบบนี้ทำให้ไม้หรือไพ่แต่ละชิ้นอยู่ใต้จุดศูนย์ถ่วงโดยรวมของไม้หรือไพ่ทั้งหมดที่อยู่ด้านบนของมัน จึงยังทรงตัวอยู่ได้ 

เด็กหัดเล่นกันใหญ่ครับ:

วิธีคำนวณว่าควรจะวางอย่างไรดูได้ในคลิปนี้ครับ (สำหรับม.ปลายหรือมหาวิทยาลัยนะครับ) สรุปก็คือให้วางเหลื่อมกันเป็น 1/2, 1/4, 1/6, 1/8, 1/10, 1/12 … ของความยาวไม้หรือไพ่ครับ:

วิทย์ประถม: เล่นกับความเฉื่อย

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล และเล่นกับความเฉื่อยโดยพยายามดึงกระดาษหรือไม้ไอติมที่รองเหรียญอยู่โดยให้เหรียญอยู่ที่เดิม

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เรื่องผูกเชือกรองเท้าโดยเขย่าขาครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมก็เล่นกลเกี่ยวกับความเฉื่อย เริ่มโดยเอากระดาษขนาดแบ็งค์ยี่สิบมาวางบนปากขวดแก้ว แล้วเอาเหรียญสักสองสามเหรียญทับไว้ แล้วให้เด็กๆพยายามเอากระดาษออกมาโดยไม่จับเหรียญ และให้เหรียญอยู่บนขวดเหมือนเดิมครับ

หลังจากเด็กๆงงสักพักเราก็เฉลยครับ เราเอานิ้วชี้และนิ้วกลางไปตีเร็วๆที่กระดาษ กระดาษจะติดนิ้วออกมาอย่างรวดเร็ว (ถ้านิ้วแห้งเกินไปกระดาษไม่ติด ให้ใช้นิ้วแตะน้ำให้ชื้นๆนิดหน่อย) แต่เหรียญมีความเฉื่อยอยู่ไม่อยากขยับไปไหน จึงอยู่ที่ปากขวดเหมือนเดิม คลิปวิธีทำครับ:

หลังจากเด็กๆเล่นแบบนี้เป็นแล้ว ผมให้โจทย์ยากขึ้นโดยเอาไม้ไอติมมาแทนกระดาษ ใช้เหรียญวางทับ จะทำอย่างไร เพราะคราวนี้เราใช้นิ้วตีไม่ได้ ไม้ไอติมจะกระดก มีเด็กๆเสนอให้หาอะไรไปเคาะๆไม้ไอติม ในที่สุดเราก็หาทางตีไม้ไอติมให้กระเด็นออกไปเร็วๆได้ในที่สุด เช่นในคลิปนี้:

Posted by Pongskorn Saipetch on Tuesday, 9 August 2022

“ความเฉื่อย” หรือ Inertia (อ่านว่า อิ-เนอร์-เชียะ) เป็นคุณสมบัติของวัตถุทุกๆอย่างครับ เป็นคุณสมบัติของวัตถุต่างๆที่ไม่อยากเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของมัน ถ้าอยู่เฉยๆก็จะอยู่เฉยๆไปเรื่อยๆจนมีอะไรมาทำอะไรกับมัน ถ้าเคลื่อนที่อยู่แล้วก็ไม่อยากหยุด ไม่อยากวิ่งเร็วขึ้น ไม่อยากเลี้ยว ถ้าจะทำให้หยุด หรือเร็วขึ้น หรือเลี้ยว ต้องใช้แรงมากระทำกับมัน

เราเรียกปริมาณความเฉื่อยของวัตถุแต่ละชิ้นว่า “มวล” ของวัตถุ บนโลกถ้าวัตถุไหนมีมวลมาก นำ้หนักของมันก็มากตาม แต่ในอวกาศไกลๆจากโลก แม้ว่าวัตถุนั้นจะมีน้ำหนักน้อยมากๆ (เพราะน้ำหนักคือแรงดึงดูดจากโลกมีค่าน้อยลงเมื่อห่างจากโลก) มวลหรือความเฉื่อยของมันก็ยังมี และทำให้วัตถุไม่ค่อยอยากเปลี่ยนแปลงการหยุดนิ่งหรือการเคลื่อนที่ของมัน ถ้าจะเปลี่ยนแปลง ก็ต้องมีแรงอะไรไปผลักดันดูดดึงมัน

วัตถุที่มวลมาก ความเฉื่อยก็จะมาก ทำให้ต้องใช้แรงมากในการเร่งหรือหยุดหรือเลี้ยววัตถุเหล่านั้น ด้วยเหตุนี้รถบรรทุกสิบล้อจึงเร่งให้มีความเร็วง่ายๆเหมือนรถจักรยานยนต์ไม่ได้ รวมถึงใช้ระยะทางในการหยุดมากกว่า

กลที่เล่นกับจานชามทั้งโต๊ะแทนที่จะเป็นเหรียญไม่กี่เหรียญก็ใช้หลักการเกี่ยวกับความเฉื่อยเหมือนกันครับ:

วิทย์ประถม: ภาพแรกจาก JWST, วัดความถี่เสียงที่หูฟังได้

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล, ได้ฟังเรื่องภาพแรกจาก James Webb Space Telescope (JWST), ได้เห็นว่า JWST ทำให้ตัวเย็นด้วยฉนวนความร้อนอย่างไร, และได้ทดลองวัดกันว่าเสียงความถี่ต่ำและสูงเท่าไรที่แต่ละคนสามารถได้ยิน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เรื่องแยกตัวเป็นสองชิ้นครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมก็เอารูปประวัติศาสตร์นี้ให้เด็กๆดูครับ:

ภาพจาก https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2022/news-2022-035

ภาพนี้เป็นภาพที่เรียกว่า Webb’s First Deep Field ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ ภาพแสงแฉกๆคือดาวที่อยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา แต่จุดแสงที่เหลือเป็นกาแล็กซีนับพันที่อยู่ไกลโพ้น แต่ละกาแล็กซีมีดาวฤกษ์นับพันล้าน, หมื่นล้าน, แสนล้านดวง ทั้งภาพนี้เป็นบริเวณเล็กๆที่สามารถถูกบดบังได้ด้วยเม็ดทรายที่เราถือห่างจากตาเท่ากับหนึ่งช่วงแขน แสดงว่าจักรวาลช่างกว้างใหญ่ไพศาล เราเป็นส่วนเล็กๆส่วนหนึ่งเท่านั้น เราประมาณได้ว่าดาวฤกษ์ในจักรวาลมีมากกว่าจำนวนเม็ดทรายบนชายหาดทั้งโลก

รายละเอียดเพิ่มเติมสำหรับคุณพ่อคุณแม่คุณครูหรือเด็กๆที่สนใจอาจเข้าไปอ่านตามลิงก์เหล่านี้ครับ:

จากนั้นผมเอารูปกล้องเจมส์เว็บบ์ให้เด็กๆดู:

ภาพจาก Space Focus

เล่าให้เด็กๆฟังว่ากล้องเว็บบ์นี้รับแสงอินฟราเรดที่ตาเรามองไม่เห็น แสงอินฟราเรดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ช่วงที่ต่ำกว่าความถี่ของแสงสีแดง (อินฟรา = ใต้ เรด = แดง) ตาเรามองไม่เห็นแต่ผิวหนังเรารู้สึกได้เป็นความร้อน ของที่อุณหภูมิต่างๆเปล่งแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นกับว่ามันมีอุณหภูมิเท่าใด (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียงตามความถี่การสั่นจากต่ำไปสูงคือ วิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น อัลตร้าไวโอเลต เอ็กซ์เรย์ แกมมาเรย์)

ให้เด็กๆสังเกตุกระจกสีเหลืองที่เป็นหลายชิ้นพับได้เพื่อส่งไปกับจรวด สังเกตการสะท้อนและรวมแสงเหมือนจานรับสัญญาณทีวีดาวเทียมที่เราเห็นตามบ้าน

กล้องเจมส์เว็บบ์ต้องทำตัวให้มีอุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อลดสัญญาณรบกวนในการตรวจจับแสงอินฟราเรด จึงมีอุปกรณ์แผ่นกันแสงที่ดูเหมือนร่มซ้อนๆกันหลายๆชั้น อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่เหมือนกระติกหลายชั้นที่เราคุยกันไปเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว ด้านที่โดนแสงอาทิตย์อาจจะร้อน แต่อีกด้านที่มีกระจกและกล้องรับสัญญาณจะเย็นเท่าๆกับอวกาศมืดๆแถวนั้น (ลบสองร้อยกว่าองศาเซลเซียส)

กล้องเจมส์เว็บบ์นับเป็นสิ่งประดิษฐ์สุดยอดของมนุษยชาติชิ้นหนึ่ง มีคนช่วยกันทำนับพันคนเป็นเวลายี่สิบกว่าปี น่าจะสังเกตและค้นพบอะไรใหม่ๆอีกมากมาย เราจะรอดูผลงานต่อไปได้อีกหลายปี

ต่อจากนั้นเราคุยกันเรื่องการได้ยินของพวกเรากันครับ มีการทบทวนว่าเราได้ยินเสียงอย่างไร เอารูปส่วนประกอบของหูมาดูกัน:

ภาพส่วนประกอบของหู จาก https://www.pinterest.com/explore/external-ear-anatomy/ ครับ

ได้เข้าใจว่าเสียงต่ำคือเสียงความถึ่ต่ำ คือมีการสั่นสะเทือนต่อวินาทีไม่มาก เสียงสูงคือเสียงความถึ่สูง มีการสั่นสะเทือนต่อวินาทีมาก และได้รู้จักหน่วยของความถี่ที่เรียกว่า “เฮิร์ตซ์” (Hz, Hertz) ซึ่งเท่ากับหนึ่งครั้งต่อวินาที

เด็กๆทดลองฟังเสียงสูงต่ำกันโดยสังเกตว่าเสียงต่ำที่สุดที่เริ่มได้ยินมีความถึ่เท่าไร เสียงสูงสุดที่ได้ยินมีความถึ่เท่าไร 

เมื่อความถี่ต่ำมากๆหรือสูงมากๆจนเราไม่ค่อยได้ยิน บางทีเราก็จะคิดไปเองว่าเราได้ยินครับ อย่างนี้ต้องให้อีกคนช่วยปรับความถี่ให้ หรือก็ต้องหลับตาขยับเปลี่ยนความถี่ไปมาว่าเริ่มได้ยินหรือยัง หรือไม่ก็เปิดปิดเสียงสลับไปดูว่าตอนปิดเสียงยังคิดว่าได้ยินหรือเปล่า ถ้าได้ยินก็แสดงว่าคิดไปเองครับ เราใช้โปรแกรม Sonic by Von Bruno (iOS) และ Physics Toolbox Tone Generator เป็นตัวสร้างความถี่ต่างๆครับ

เด็กๆวัดการได้ยินกัน ได้ผลประมาณนี้ครับ:

หูคนที่ทำงานได้สมบูรณ์จะฟังเสียงได้ประมาณความถี่ประมาณ 20 Hz ถึง 20,000 Hz ครับ เด็กๆเท่านั้นถึงจะฟังได้ช่วงกว้างอย่างนี้ คนยิ่งอายุเยอะขึ้นก็จะฟังความถี่สูงๆไม่ค่อยได้ จากการทดลองวันนี้เด็กๆประถมต้นฟังเสียงสูงได้ถึง 17,000-20,000+ Hz เลยครับ ส่วนคนอายุ 52 อย่างผมฟังได้ถึงแค่ 13,000-14,000 Hz ครับ

สัตว์ต่างๆสามารถฟังเสียงความถี่ต่างจากคนด้วยครับ ดังในรูปนี้:

เข้าไปอ่านเพิ่มเติมเรื่องนี้ได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Hearing_range ครับ

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)