วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆได้หัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล เด็กๆได้สังเกตเสียงที่เปลี่ยนไปเมื่อลำโพงเคลื่อนที่ (Doppler effect) ได้รู้ว่านักดาราศาสตร์สามารถใช้หลักการทำนองเดียวกันสำหรับคลื่นแสงประมาณความเร็วของกาแล็กซีไกลๆได้ ได้ดูแบบจำลองวงโคจรต่างๆที่คำนวณจากแรงโน้มถ่วงที่ค้นพบโดยนิวตัน ได้เล่นแกว่งลูกปิงปองยกขวดพลาสติกให้เข้าใจว่าวงโคจรต่างๆต้องมีแรงสู่ศูนย์กลาง

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลเดินผ่านพัดลมยักษ์:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมให้เด็กๆหลับตา แล้วผมใช้โปรแกรม Phyphox ในโทรศัพท์สร้างเสียงความถี่ 2,000 Hz (เมนู Tone Generator) ขยับโทรศัพท์ไปมา แล้วถามเด็กๆว่าได้ยินเสียงเปลี่ยนไปไหม ต่อจากนั้นให้เด็กๆลืมตาแล้วสังเกตว่าเมื่อโทรศัพท์กำลังเคลื่อนที่เข้าหาพวกเขาเสียงมันเป็นอย่างไร เมื่อโทรศัพท์กำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากพวกเขาเสียงมันเป็นอย่างไร ปรากฎการณ์ที่เราได้ยินเสียงสูงต่ำต่างไปเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่เรียกว่า Doppler effect นอกจากคลื่นเสียงแล้ว คลื่นแสงก็มีปรากฎการณ์ทำนองเดียวกัน ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถประมาณความเร็วของวัตถุไกลๆในอวกาศเช่นกาแล็กซีได้ ปรากฎการณ์สำหรับแสงมักจะเรียกว่า redshift สำหรับวัตถุที่วิ่งห่างไปจากเรา และ blueshift สำหรับวัตถุที่วิ่งเข้าหาเรา

สำหรับเด็กประถมปลายผมเล่าเรื่อง absorption line ที่ทำตัวเป็นบาร์โค้ดในสเปกตรัมของแสงจากดาวต่างๆหรือกาแล็กซีต่างๆว่าประกอบไปด้วยธาตุหรือสารเคมีอะไร และการที่บาร์โค้ดเหล่านี้ขยับเมื่อเทียบกับบาร์โค้ดในแสงดวงอาทิตย์จะบอกเราว่าดาวหรือกาแล็กซีเหล่านั้นเคลื่อนที่เข้าหาหรือออกจากเรา

เด็กประถมปลายได้ดูคลิปเหล่านี้ประกอบ:

ผมเล่าข้อมูลและให้เด็กประถมปลายดูภาพจากกล้อง Hubble และ James Webb ที่ลิงก์เหล่านี้ด้วยครับ:

• Webb vs Hubble Telescope
• Observatory – Hubble vs. Webb
• Photos: How pictures from the Webb telescope compare to Hubble’s

เด็กๆทั้งประถมต้นและประถมปลายได้ดูวงโคจรจำลองของดาวหางที่คำนวณด้วยแรงโน้มถ่วงที่เซอร์ไอแซค นิวตันค้นพบเมื่อสามร้อยกว่าปีมาแล้ว เด็กๆได้สังเกตว่า 1. วงโคจรเป็นวงรีๆ บางครั้งเหมือนวงกลมบ้าง 2. ความเร็วใกล้ดวงอาทิตย์สูงกว่าตอนห่างจากดวงอาทิตย์ 3. ถ้าความเร็วดาวหางไม่เหมาะสมมันจะไม่มีวงโคจร:

เซอร์ไอแซค นิวตันพบว่าการที่วัตถุตกลงพื้นโลกกับการที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกนั้นเกิดจากขบวนการเดียวกันคือแรงดึงดูดระหว่างมวลที่เราเรียกว่าแรงโน้มถ่วง

ถ้าเราปล่อยลูกบอล ลูกบอลจะตกลงพื้นโลก ถ้าเราขว้างลูกบอลไปในแนวขนานกับพื้นโลก ลูกบอลจะตกไกลขึ้น ยิ่งเราขว้างลูกบอลเร็วเท่าไรมันก็จะตกไกลขึ้นเรื่อยๆ ถ้าถึงความเร็วค่าหนึ่งมันจะตกไม่โดนพื้นโลก แต่จะโคจรรอบโลกได้

การที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกก็เช่นกัน ดวงจันทร์โคจรรอบโลกได้เพราะมันมีความเร็วในแนวตั้งฉากกับเส้นที่ลากผ่านตัวมันและโลก ความเร็วในแนวนี้มากพอที่ทำให้ดวงจันทร์ไม่ตกชนโลก แต่จะโคจรไปรอบๆโลก

ผมให้เด็กๆดูการจำลองการเคลื่อนที่ของดาวสองดวงที่ดวงหนึ่งหนักกว่าอีกดวงมากๆ ถ้าปรับความเร็วของดาวดวงเล็กในแนวตั้งฉากกับเส้นที่เชื่อมดาวทั้งสองจะเห็นการวงโคจรแบบต่างๆได้ แบบจำลองนี้คำนวณแรงดึงดูดระหว่างดาวทั้งสองตามที่นิวตันค้นพบ:

เด็กประถมปลายได้ดูคลิปดาวแถวๆใจกลางทางช้างเผือกโคจรรอบหลุมดำยักษ์ด้วยครับ:

จากนั้นเราเล่นของเล่นแกว่งลูกปิงปองยกขวดกัน เราผูกเชือกยาวประมาณหนึ่งเมตรกับขวดพลาสติกเปล่าๆ ร้อยเชือกผ่านท่อพลาสติก(ก้านลูกโป่งหรือปากกาที่เอาใส้ปากกาออก)ยาวประมาณสิบเซ็นติเมตร เอาฟิล์มพลาสติกห่ออาหารห่อลูกปิงปองให้มีพลาสติกเหลือเป็นปมๆ แล้วผูกเชือกตรงปมนั้น ปกติขวดพลาสติกหนักกว่าลูกปิงปอง ถ้าเราจับท่อตรงกลาง ขวดจะตกลงไปจนสุด ลูกปิงปองจะถูกดึงมาติดท่อพลาสติกอีกด้าน ถ้าเราแกว่งให้ลูกปิงปองหมุนๆเป็นวง จะมีแรงตึงในเชือกมากขึ้นจนยกขวดขึ้นมาได้ การเคลื่อนที่เป็นวงกลมหรือวงรีจะต้องมีแรงดึงหรือผลักวัตถุเข้าสู่ศูนย์กลาง โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์โคจรรอบโลกก็เหมือนมีเชือกที่มองไม่เห็นเรียกว่าแรงโน้มถ่วงดึงมันเหมือนกัน

ผมเคยบันทึกวิธีการทำของเล่นนี้ไว้ แต่ในคลิปใช้ลูกเทนนิสแทนขวดพลาสติก: