Category Archives: education

วิทย์ประถม: น้ำไม่หกผ่านกระชอน

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากลประตูวิเศษ จากนั้นเราก็เล่นกับความดันอากาศและความตึงผิวของน้ำโดยคว่ำแก้วใส่น้ำบนกระชอนมีรูโดยน้ำไม่หกออกมา

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นมายากลประตูวิเศษ:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

คราวนี้เราหัดเล่นกลโดยใช้คุณสมบัติของอากาศและน้ำกัน

กลแรกที่เราเล่นกันคือคว่ำถ้วยแล้วน้ำไม่หก เราก็หาอุปกรณ์ประมาณนี้มาเล่น: น้ำ, แก้วน้ำ หรือภาชนะใส่น้ำอื่นๆเช่นขวดน้ำ ถ้วยน้ำ กระติกน้ำ, แผ่นพลาสติกเรียบ ๆ หรือแผ่นอะไรเรียบ ๆที่กันน้ำก็ได้เช่นแผ่นโฟมบาง ๆ หรือกระดาษแข็งเคลือบกันน้ำ

วิธีเล่นเป็นแบบนี้: เทน้ำใส่แก้วประมาณครึ่งแก้ว นำแผ่นพลาสติกเรียบมาปิดปากแก้ว มือหนึ่งจับแก้วไว้ อีกมือดันแผ่นพลาสติกให้ติดกับปากแก้ว แล้วคว่ำแก้วโดยประคองให้แผ่นพลาสติกปิดอยู่ เมื่อคว่ำเสร็จแล้วก็เอามือที่ประคองแผ่นพลาสติกออก แผ่นพลาสติกจะติดอยู่ที่ปากแก้ว และน้ำจะอยู่เหนือแผ่นพลาสติกไม่ไหลออกมา

กลน้ำไม่หกจากถ้วยคว่ำ
เด็กๆทดลองเล่นกันเอง

หลักการธรรมชาติที่เกี่ยวข้องคือ คุณสมบัติของน้ำที่เป็นตัวกลางเชื่อมปากแก้วและแผ่นพลาสติกป้องกันไม่ให้อากาศไหลผ่าน และแรงดันอากาศภายนอกที่มากพอที่รับน้ำหนักของน้ำในแก้วได้

เวลาเราเห็นน้ำเปียกบนวัสดุต่างๆ นั่นหมายความว่ามีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำและโมเลกุลของวัสดุนั้นๆทำให้น้ำติดกับพื้นผิววัสดุ ในกรณีนี้โมเลกุลน้ำดึงดูดกับโมเลกุลแก้ว โมเลกุลน้ำดึงดูดกับโมเลกุลน้ำด้วยกันเอง และโมเลกุลน้ำดึงดูดกับโมเลกุลแผ่นพลาสติก ทำให้เกิดเป็นการเชื่อมต่อกันระหว่างแก้วและน้ำและพลาสติก กลายเป็นผนังชั่วคราวกันไม่ให้อากาศผ่านได้

ส่วนแรงดันอากาศนั้น ตามบริเวณพื้นราบใกล้ๆระดับน้ำทะเล จะมีแรงดันจากอากาศเท่ากับน้ำหนักประมาณ 1 กิโลกรัมต่อตารางเซ็นติเมตร ถ้าเราใส่น้ำให้เต็มแก้วโดยไม่มีอากาศเหลืออยู่ภายในเลย แล้วเอาพลาสติกมาปิดที่ปากแก้ว เมื่อคว่ำลงแรงดันอากาศจากภายนอกจะสามารถรับน้ำหนักได้เป็นกิโลกรัมเนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของปากแก้วมีพื้นที่หลายตารางเซนติเมตรและภายในแก้วไม่มีแรงดันจากอากาศมาดันสู้  แรงดันอากาศภายนอกสามารถรับน้ำหนักของน้ำในแก้วตราบใดที่อากาศไม่สามารถไหลเข้าไปในแก้วได้

ในกรณีที่เราใส่น้ำไม่เต็มแก้ว มีอากาศเหลืออยู่บ้าง เมื่อเอาพลาสติกปิดปากแก้ว ตอนแรกความดันอากาศภายในและภายนอกแก้วยังเท่ากันอยู่ เมื่อเราคว่ำแก้วอาจมีน้ำไหลออกมาบ้างหรือแผ่นพลาสติกที่ปิดอยู่เปลี่ยนรูปทรงเล็กน้อย ทำให้ปริมาตรอากาศภายในเพิ่มขึ้น ความดันอากาศภายในลดลงต่ำกว่าความดันอากาศภายนอกจนทำให้อากาศภายนอกสามารถรับน้ำหนักของน้ำในแก้วได้  ถ้าเราปล่อยอากาศเข้าไปในแก้วเช่นเจาะรูส่วนบน อากาศจะไหลเข้าไปทำให้ความดันภายในแก้วเท่าๆกับความดันข้างนอกและแผ่นพลาสติกจะหลุดออกทำให้น้ำหกออกมา

กลที่สองคือน้ำไม่รั่วผ่านกระชอน

อุปกรณ์ที่ใช้เหมือนกลแรก แต่เพิ่มกระชอนหรือตะแกรงที่มีรูเล็กๆ

วิธีเล่นเหมือนกลแรก แต่แทนที่จะใช้แผ่นพลาสติกปิดแก้วก็ใช้กระชอนปิดแทน จากนั้นก็ใช้แผ่นพลาสติกไปปิดกระชอนอีกที ใช้มือดันแผ่นพลาสติกให้ดันกระชอนติดกับปากแก้วเอาไว้ แล้วคว่ำแก้วโดยใช้มือหนึ่งประคองไม่ให้กระชอนและแผ่นพลาสติกหลุดออกมาจากปากแก้ว ย้ายมือที่จับแก้วมาจับกระชอนแทน จากนั้นค่อย ๆ เลื่อนแผ่นพลาสติกออก ถ้าไม่มีอะไรผิดพลาดจะสามารถถือกระชอนที่มีแก้วน้ำคว่ำอยู่ข้างบนโดยมีน้ำด้านในไม่ไหลผ่านรูกระชอนได้สำเร็จ

ถ้าปากแก้วเล็กกว่าฝ่ามือเรา เราก็สามารถใช้ฝ่ามือแทนแผ่นพลาสติกปิดแทนก็ได้แต่จะมีโอกาสพลาดมากขึ้น

ถ้าเราไปมองใต้แก้ว เราจะเห็นน้ำอยู่เหนือกระชอน ถ้าเป่าให้ลมเข้าไปน้ำก็จะไหลออกมาตามปริมาณอากาศที่เข้าไป

กลน้ำไม่รั่วผ่านกระชอน
เด็กแยกย้ายทดลองกัน
เด็กแยกย้ายทดลองกัน

หลักการธรรมชาติที่เกี่ยวข้องเป็นหลักการทำนองเดียวกับกลที่หนึ่ง แต่แทนที่จะใช้แผ่นพลาสติกปิดปากแก้ว น้ำและแรงตึงผิวของมันทำหน้าที่ยึดจับกันกับกระชอน กลายเป็นพื้นผิวที่กั้นไม่ให้อากาศไหลผ่านได้ 

แรงตึงผิวของน้ำเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำด้วยกันเองแถวๆบริเวณผิวน้ำ เราเห็นผิวของหยดน้ำโค้งนูนก็เพราะว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำด้วยกันเองขนาดมากกว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำและโมเลกุลก๊าซในอากาศ หยดน้ำจึงหดตัวเข้าหาศูนย์กลางทำให้ผิวโค้งนูน 

ในกรณีกลที่สองนี้ โมเลกุลน้ำดึงดูดกับโมเลกุลในเส้นลวดกระชอน ส่วนน้ำในบริเวณรูของกระชอนก็จับตัวกันเองด้วยแรงตึงผิวของมัน ความร่วมมือของกระชอนและน้ำจึงกลายเป็นพื้นผิวที่รับน้ำหนักได้บ้าง ถ้าเราทำการทดลองนี้ด้วยกระชอนที่มีรูขนาดต่างๆกันจะพบว่าสามารถใช้กระชอนรูเล็กๆเล่นกลนี้ได้ง่าย แต่ถ้าเราใช้กระชอนที่มีรูใหญ่ขึ้นเราก็จะเล่นได้ยากขึ้นเรื่อย ๆ เพราะน้ำจะรั่วผ่านรูกระชอนได้ง่ายขึ้น ขนาดรูที่ใหญ่ที่สุดที่เคยทดลองทำสำเร็จคือประมาณ 2-3 มิลลิเมตร

เราสามารถใช้หลอดเป่าอากาศผ่านกระชอนเข้าไปในแก้ว จะพบว่าอากาศที่เป่าจะไปจะแทนที่น้ำทำให้น้ำไหลออกมาตามปริมาณอากาศที่เข้าไป ถ้าขนาดรูของกระชอนใหญ่พอเราสามารถใส่ไม้จิ้มฟันผ่านกระชอนให้มันลอยขึ้นไปในแก้วได้

คลิปบรรยากาศระหว่างกิจกรรมครับ:

วิทย์ประถม: ที่หยด และแรงตึงผิวของน้ำ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากลคนหนีออกมาจากกล่อง จากนั้นเราก็ทดลองดูปรากฎการณ์ที่เกิดจากแรงตึงผิวของน้ำกัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นมายากลคนหายตัวไปจากกล่อง:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมก็เล่นกับเด็กๆโดยเอาถ้วยเล็กๆมาใส่น้ำให้เต็ม แล้วค่อยๆหยดน้ำลงไป ให้เด็กๆทายว่าน้ำจะล้นจากแก้วเมื่อหยดลงไปกี่หยด เด็กๆทายว่า 5, 10, 20 หยด ผมจึงค่อยๆหยดลงไปให้เด็กๆนับ:

พบว่าเราสามารถหยดลงไปได้ร้อยกว่าหยด ผิวน้ำโป่งขึ้นมาเหนือขอบถ้วยอย่างเห็นได้ชัด ปรากฏการณ์นี้เกิดจากแรงตึงผิวของน้ำ

นอกจากนี้เรายังสามารถเอาของมาลอยบนผิวน้ำเช่นฝาขวดพลาสติกหรือแม้แต่คลิปโลหะหนีบกระดาษดังในคลิปข้างบนครับ

แรงตึงผิวเกิดจากการที่โมเลกุลของน้ำ(และของเหลวอื่นๆ) อยากจะอยู่ใกล้ๆกันไว้ ไม่อยากแยกจากกัน ทำให้ดึงตัวเข้าหากันให้มีพื้นที่ผิวน้อยๆ หรือพอมีอะไรมากดที่ผิว น้ำก็ไม่อยากแยกออกจากกันจึงมีแรงยกของที่มากด แต่ถ้าแรงกดมากเกินไปผิวของน้ำก็รับน้ำหนักไม่ไหวเหมือนกัน

เรามีสารเคมีที่ลดแรงตึงผิวของน้ำได้ ที่เรารู้จักกันดีก็คือสบู่ ผมซักฟอก และน้ำยาล้างจาน โมเลกุลของสารพวกนี้จะเป็นแท่งยาวๆที่ด้านหนึ่งชอบจับกับน้ำ อีกด้านหนึ่งชอบจับกับน้ำมัน มันจึงใช้ล้างจานมันๆได้ดีเพราะด้านที่ชอบจับน้ำมันจะไปล้อมโมเลกุลน้ำมันไว้ แล้วพอเราเอาน้ำราด ด้านที่ชอบจับกับน้ำก็จะติดกับน้ำหลุดจากจานไป นอกจากนี้เมื่อสารพวกนี้ละลายเข้าไปในน้ำแล้วโมเลกุลของมันจะไปจับโมเลกุลน้ำ ทำให้โมเลกุลน้ำจับมือกับโมเลกุลน้ำอื่นๆยากขึ้น แรงตึงผิวของน้ำจึงลดลง

ผมมีบันทึกเกี่ยวกับแรงตึงผิวอีกหลายอัน (สามารถค้นหาบนเว็บวิทย์พ่อโก้ได้) เช่น ทำการทดลองเรื่องแรงตึงผิวกัน และ คุยกับเด็กเรื่องโมเลกุลน้ำ แรงตึงผิว สบู่และน้ำยาล้างจาน FEATURING ซูเปอร์คอนดัคเตอร์ เชิญผู้สนใจกดเข้าไปดูนะครับ

หลังเด็กๆได้ฟังผมเล่าเรื่องแรงตึงผิวแล้ว เขาก็แยกย้ายเล่นกันเอง สามารถกดไปดูคลิปบรรยากาศได้บนเฟซบุ๊คครับ:

วิทย์ประถม: เก็บพลังงานในความสูง

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากลคนหายตัว แล้วเราก็คุยกันต่อจากคราวที่แล้วที่เราเก็บพลังงานในหนังยางและไม้เสียบลูกชิ้น คราวนี้เราเก็บพลังงานในความสูง (พลังงานศักย์โน้มถ่วง) ให้เด็กๆสังเกตว่าของตกแล้วความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เล่าเรื่องอุกกาบาตที่ทำให้ไดโนเสาร์สูญพันธุ์เพราะมันตกเข้าสู่โลกด้วยความเร็วสูงมากๆ เล่าให้เด็กๆประถมปลายฟังว่าดาวทุกดวงตกเข้าหากันด้วยแรงโน้มถ่วง แต่เพราะส่วนใหญ่ความเร็วพอเหมาะจึงไม่ได้ชนกันแต่เป็นวงโคจรต่างๆแทน จากนั้นเราก็เล่นของเล่นปล่อยลูกแก้วจากที่สูงใส่เป้ากัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นมายากลคนหายตัว:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

กิจกรรมสองครั้งที่แล้วเราคุยกันเรื่องเก็บพลังงานไว้ในหนังยาง และเก็บไว้ในไม้เสียบลูกชิ้น คราวนี้เราจะเก็บพลังงานไว้ในความสูงบ้าง

คราวนี้แทนที่เราจะใช้แรงของเราไปยืดหนังยาง หรือทำให้ไม้เสียบลูกชิ้นงอ เราใช้แรงยกของไปที่สูงๆแทน เมื่อเราปล่อยมือ ของที่เรายกไว้สูงๆก็จะตกสู่พื้นโลก โดยความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆด้วย

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าเวลามีของตกจากที่สูง มันจะตกเร็วขึ้นเรื่อยๆเนื่องจากแรงดึงดูดของโลก แต่ขณะเดียวกันยิ่งมันตกเร็วเท่าไร แรงต้านอากาศก็จะเพิ่มขึ้นตาม ทำให้ของแต่ละอย่างตกลงมาด้วยความเร็วต่างกันขึ้นอยู่กับรูปร่างความสามารถในการแหวกอากาศและความหนาแน่นของมัน ความเร็วสูงสุดที่ของแต่ละชิ้นที่จะตกลงมาได้เรียกว่า Terminal Velocity สำหรับคนที่กระโดดมาจากเครื่องบินแต่ร่มไม่กางความเร็วสูงสุดจะประมาณ 200-300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (ขึ้นกับว่ากางแขนขาเพื่อต้านลมหรือเปล่า)  แม้ว่าความเร็วการตกจะเร็วแบบนั้น แต่ก็มีคนรอดชีวิตหลายคนด้วยความโชคดีต่างๆเช่นตกโดนต้นไม้อ่อน ตกโดนสายไฟ ตกลงน้ำ

มีเด็กถามขึ้นมาว่าของในอวกาศมันไม่ตกใช่ไหม ผมเลยเล่าให้ฟังว่าจริงๆแล้วดาวทุกดวงดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง มันจึงตกเข้าหากัน แต่เนื่องจากความเร็วแนวเฉียงๆมีขนาดเหมาะสม ทำให้มันตกเข้าหากันแต่ไม่ชนกัน กลายเป็นการเคลื่อนที่เป็นวงโคจรไปเรื่อยๆ ดวงจันทร์ก็ตกเข้าสู่โลกแต่ความเร็วในแนวเฉียงๆเหมาะสมทำให้มันโคจรรอบโลก โลกก็ตกเข้าสู่ดวงอาทิตย์แต่ความเร็วในแนวเฉียงๆเหมาะสมทำให้โคจรรอบดวงอาทิตย์ เป็นต้น (สำหรับนักเรียนมัธยมปลายหรือมหาวิทยาลัย ควรไปศึกษาเรื่อง barycenter เพื่อความเข้าใจเพิ่มเติมนะครับ)

อุกกาบาตก็เป็นวัตถุที่ถูกโลกดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วงเหมือนกัน แต่ความเร็วแนวเฉียงๆไม่เพียงพอ มันจึงตกเข้าสู่ผิวโลก ยกตัวอย่างเช่นอุกกาบาตที่ตกลงมาบนโลกเมื่อ 65 ล้านปีก่อนแล้วทำให้สิ่งมีชีวิตประมาณ 70% รวมทั้งไดโนเสาร์สูญพันธุ์ไปก็มีขนาดประมาณ 10 กิโลเมตร และตกใส่โลกด้วยความเร็วสูงมากๆ อุกกาบาตทำความเสียหายได้มากมายก็เพราะความเร็วของมัน อุกกาบาตที่มีขนาดใหญ่พอจนอากาศต้านให้ช้าไม่ค่อยได้ และตกมาจากระยะไกลๆ (เช่นไกลกว่าดวงจันทร์ขึ้นไป) เวลาตกลงถึงผิวโลกจะมีความเร็วอย่างน้อย 11 กิโลเมตรต่อวินาที หรืออย่างน้อยประมาณ 40,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (เร็วกว่าเสียง 30 เท่า, เร็วกว่ากระสุนปืนพก 30 เท่า, เร็วกว่าเครื่องบินโดยสารสามสิบกว่าเท่า, เร็วกว่ากระสุนปืนไรเฟิลประมาณสิบเท่า) ความเร็วนี้เกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่ดึงดูดอุกกาบาตเข้ามา ถ้าอุกกาบาตมีความเร็วเดิมพุ่งเข้าหาโลกอยู่แล้ว ความเร็วที่ตกสู่โลกก็จะยิ่งมากขึ้นไปอีก

พอเล่าเสร็จเราก็เอาหลักการนี้มาเล่นกัน เอาสายพลาสติกใสมาสมมุติว่าเป็นราง เอาลูกแก้วมาสมมุติว่าเป็นรถไฟ แล้วปล่อยลูกแก้วในสายพลาสติกจากที่สูงๆ เด็กๆสังเกตว่าลูกแก้วจะมีความเร็วเพิ่มขึ้นเมื่อตกลงสู่ที่ต่ำ เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์ (ผมเคยบันทึกคำอธิบายที่ละเอียดขึ้นอยู่ที่ “จำลอง “รถไฟเหาะ” การเปลี่ยนรูปพลังงานระหว่างศักย์และจลน์” ครับ) แต่การเล่นคราวนี้เรามีกระป๋องอลูมิเนียมตั้งเป็นเป้าให้เด็กๆเล็งกันเพื่อความสนุกสนานกันด้วย

คลิปนี้มาจากกิจกรรมในอดีตครับ:

ส่วนบรรยากาศกิจกรรมวันนี้เป็นอย่างนี้ครับ สนุกสนานกันดี: