วิทย์ม.ต้น: หัดไพธอน (Functions), รู้จัก Tracker, ดูลูกตุ้มทราย, หัด Scratch (วาด Lissajous Figures)

1. คลาสรุ่นพี่ เรียน Python จากหนังสือฟรีบนเว็บชื่อ Automate the Boring Stuff with Python โดยเขียนโปรแกรมใน Mu-Editor เราคุยกันเรื่อง Functions และหัดเขียนฟังก์ชั่นง่ายๆในชั้นเรียนกัน เช่น:

def add(a,b):
    "บวก a และ b เข้าด้วยกัน"
    return a+b
    
def หารลงตัว(a,b):
    "เช็คว่า a หารด้วย b ลงตัวหรือไม่"
    if a % b == 0:
        return True
    else:
        return False
    
def number_of_digits(x):
    "บอกว่าเลขจำนวนเต็มบวก x มีกี่หลัก"
    xstr = str(x)
    return len(xstr)
    
def contain_digit(a,b):
    "ดูว่ามีเลขโดด b ในจำนวนเต็มบวก a หรือไม่"
    astr = str(a)
    bstr = str(b)
    return bstr in astr
    
def contain_digit_1(a,b):
    "ดูว่ามีเลขโดด b ในจำนวนเต็มบวก a หรือไม่"
    return str(b) in str(a)
    
def contain_1_to_n(a):
    "a เป็นจำนวนเต็ม n หลัก, เช็คว่า a มีเลขโดด 1, 2, 3,..., n ครบหรือไม่"
    num_digits = number_of_digits(a)
    for digit in range(1,num_digits+1):
        #print("digit = " + str(digit))
        if not contain_digit(a,digit):
            return False
            
    return True

2. การบ้านรุ่นพี่คือไปอ่านบทที่ 4 เรื่อง Lists ในหนังสือ Automate the Boring Stuff with Python และ เขียนฟังก์ชั่นเหล่านี้ให้ทำงานได้ถูกต้อง:

def convert_C_to_F(c):
    "แปลงอุณหภูมิ c เซลเซียสเป็นฟาเรนไฮต์"
    pass
def convert_F_to_C(f):
    "แปลงอุณหภูมิ f ฟาเรนไฮต์เป็นเซลเซียส"
    pass
    
def GCD(a,b):
    "หา ห.ร.ม. ของ a และ b"
    #Euclid GCD algorithm
    pass

3. คลาสรุ่นน้องได้เห็นว่ามีโปรแกรมชื่อ Tracker (https://physlets.org/tracker/) ที่สามารถใช้วัดการเคลื่อนที่ต่างๆจากวิดีโอได้ เช่นวันนี้เอาคลิปลูกแก้ววิ่งเป็นวงกลมในกาละมังจากการเล่นวันพุธมาดูกัน จะเห็นว่าการเคลื่อนที่ในแนวตั้ง (แกน y) และแนวนอน (แกน x) จะเป็นคลื่น (พวก sine, cosine):

4. ได้ดูลูกตุ้มทรายแกว่ง และรู้จัก Lissajous Figures

5. ดูตัวอย่าง Scratch ว่าวาดรูปพวก Lissajous Figures อย่างไร แล้วดัดแปลงทดลองเอง:

6. เด็กๆดูคลิป Moire Pattern และหาใน Scratch ว่าทำอย่างไร:

วิทย์ประถม: แรงดันน้ำ, วัดปริมาตรกำปั้น, ของเล่นถ้วยบินจากแรงแม็กนัส, วิทย์อนุบาลสาม: ของเล่นเสือไต่ถัง

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมและเด็กอนุบาลสามอนุบาลบ้านพลอยภูมิมาครับ เด็กประถมต้นเล่นกับแรงดันน้ำและวัดปริมาตรกำปั้น ประถมปลายเล่นของเล่นถ้วยบินจากแรงแม็กนัส อนุบาลสามเล่นของเล่นเสือไต่ถัง

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมประถมอยู่ที่นี่ กิจกรรมอนุบาลสามอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กประถมได้ดูมายากลนี้ครับ ดูเฉพาะตอนแรกที่เป็นกล ยังไม่ดูส่วนเฉลยตอนหลัง แล้วดูเฉลยหลังจากได้พยายามคิดพยายามอธิบายว่ากลแต่ละกลทำอย่างไรกันก่อน กลวันนี้คือลูกบอลลอยครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็นครับ

สำหรับเด็กประถมต้น ผมทำการทดลองเรื่องความดันน้ำให้เด็กๆดูโดยจุ่มถ้วยพลาสติกบางๆลงในน้ำ ให้เห็นแรงดันน้ำกดถ้วย:

ผมถามเด็กๆว่าเคยดำน้ำไหม รู้สึกอย่างไรเมื่อดำน้ำ เด็กๆที่เคยดำลงไปใต้น้ำจะเข้าใจเรื่องความดันน้ำที่กดหน้าอกหรือหูเราได้ดี จริงๆแล้วเวลาเราเดินอยู่เหนือน้ำอากาศก็มีความดันอากาศกดตัวเราอยู่ ความดันอากาศเกิดจากนำ้หนักของอากาศในบรรยากาศที่กดทับเรานั่นเอง ความดันนี้มีค่าประมาณน้ำหนัก 1 กิโลกรัมต่อตารางเซ็นติเมตร หรือน้ำหนัก 10 ตันต่อตารางเมตร! สาเหตุที่ตัวเราไม่ยุบลงก็เพราะว่าเรามีอากาศในปอดอยู่ด้วย และร่างกายเราประกอบไปด้วยของเหลวที่ต่อสู้กับแรงกดจากอากาศได้

เมื่อเราไปดำน้ำ ทุกๆสิบเมตรที่ดำลงไป ความดันจากน้ำจะเพิ่มขึ้นประมาณเท่ากับความดันบรรยากาศที่ผิวน้ำ (= น้ำหนัก 1 กิโลกรัมต่อตารางเซ็นติเมตร ) ความดันน้ำลึกๆจึงมากมายมหาศาลมาก เรือดำน้ำปกติดำลงไปลึกไม่เกินไม่กี่ร้อยเมตร ถ้าลึกไปกว่านั้นอาจถูกน้ำบีบจนแบนได้

จากนั้นเราก็วัดปริมาตรกำปั้นกัน ผมเอาเหยือกน้ำตั้งไว้บนตาชั่ง แล้วอาศัยความจริงที่ว่าแรงดันน้ำที่ทำกับมือเราเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่ และน้ำหนึ่งกรัมมีขนาด 1 ลูกบาศก์เซ็นติเมตร (หรือ 1 cc หรือ 1 มิลลิลิตร) พอเราเอามือจุ่มลงไปน้ำหนักบนตาชั่งก็จะเพิ่มเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกมือเราแทนที่ ถ้าเพิ่มหนึ่งกรัมก็เท่ากับว่าถูกแทนที่ไปหนึ่งลูกบาศก์เซ็นติเมตรครับ เช่นสมมุติว่าจุ่มกำปั้นลงไปแล้วตาชั่งบอกว่าน้ำหนักเพิ่ม 200 กรัม ก็แสดงว่าปริมาตรของกำปั้นเท่ากับ 200 ลูกบาศก์เซ็นติเมตร

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมให้ประดิษฐ์ของเล่นถ้วยบินจากแรงแม็กนัสกันครับ:

เวลาลูกบอลหรือทรงกระบอกหมุนๆวิ่งผ่านอากาศ แรงเสียดทานระหว่างอากาศและลูกบอลจะทำให้อากาศด้านหนึ่งเลี้ยวเข้าหาหลังลูกบอลมากกว่าอีกด้านหนึ่ง โดยด้านที่ผิวลูกบอลหมุนไปทางเดียวกับอากาศที่วิ่งผ่านลูกบอล (ก็คือทิศตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกบอลนั่นเอง) จะทำให้อากาศเลี้ยวมากกว่า ทำให้ลูกบอลโดนดึงไปทางนั้นครับ

ลูกบอลหรือทรงกระบอกที่หมุนๆ เมื่อวิ่งผ่านอากาศจะเกิดแรงยกหรือแรงกดขึ้นกับทิศทางการหมุนครับ แรงนี้เรียกว่าแรงแมกนัส (Magnus Force) แรงเกิดจากการเลี้ยวของอากาศที่วิ่งผ่านผิวลูกบอลไม่เท่ากันขึ้นกับว่าโดนด้านไหนของลูกบอลที่หมุนๆอยู่ (ภาพจาก wikipedia)

เราเห็นปรากฎการณ์นี้ในกีฬาหลายๆอย่างเช่นฟุตบอล เทนนิส ปิงปอง เบสบอล หรือกีฬาอะไรก็ตามที่มีลูกบอลหมุนๆวิ่งผ่านอากาศครับ ในปืน BB ยิงกระสุนพลาสติกก็ใช้เทคนิคนี้ให้กระสุนวิ่งหมุนแบบ back-spin ให้ลอยอยู่นานๆ เรียกว่า hop-up ครับ

ผมแถมวิดีโอให้ดูอีกสองอันนะครับ เผื่อสนใจ (ไม่ได้โชว์ให้เด็กๆดูในห้องเรียนเพราะเวลาจำกัดครับ) อันแรกอธิบาย Magnus Effect ครับ:

อันที่สองอธิบายการเลี้ยวของลูกฟุตบอลครับ:

พอเด็กๆดูวิดีโอและคำอธิบายเสร็จก็หัดประดิษฐ์ของเล่นที่ใช้หลักการนี้กันครับ เอาถ้วยพลาสติกสองอันมาติดกันที่ก้นถ้วย แล้วใช้หนังยางดีดออกไปให้หมุนๆ เราสามารถทำให้ถ้วยพุ่งตกลงพื้นเร็วๆหรือให้ถ้วยร่อนอยู่ในอากาศนานๆขึ้นกับว่าเราทำให้หมุนแบบไหน แบบ top-spin หรือ back-spin ครับ:

สำหรับเด็กอนุบาลสามบ้านพลอยภูมิ ผมก็ให้เล่นและสังเกตของเล่น “เสือไต่ถัง” ที่เราเอาลูกแก้วไปวิ่งเร็วๆในขอบกาละมัง สังเกตว่าเมื่อลูกแก้วกระเด็นหลุดออกจากกาละมังมันจะวิ่งไปในแนวตรงๆไม่เลี้ยวโค้ง แสดงว่าขอบกาละมังดันลูกแก้วเข้าสู่กลางกาละมังบังคับให้ลูกแก้ววิ่งโค้งได้ ผมเคยอัดคลิปวิธีเล่นไว้แล้วดังนี้:

มีอยู่ในรายการเด็กจิ๋ว & ดร.โก้ด้วยครับ:

พอเด็กๆรู้จักวิธีเล่นก็เล่นกันเองครับ:

วิทย์ม.ต้น: คลิปน่าสนใจ, เรื่องลึกลับและความงมงาย, หาทางวัดความเร็วลูกแก้ว

วันนี้เราคุยกันเรื่องเหล่านี้ครับ:

1. เราดูคลิปการทดลองอันตรายที่เอาไฟฟ้ามาช็อตสิ่งต่างๆ (ห้ามเล่นเองที่บ้านนะครับ ตายได้ถ้าทำผิดพลาด):

2. ฝากโจทย์นี้ไปให้เด็กๆพยายามคิดกันครับ:

3. คุยกันถึงบท “หมูหลงทาง: ความมืดบอดทางปัญญา” จากหนังสือปลาที่ว่ายในสนามฟุตบอล เรื่องพวกนี้ครับ:

  • ความเชื่อเรื่องการบนบาน
  • ความเชื่อเรื่องพระเครื่อง
  • ความเชื่อเรื่องสีดำ
  • การถอดวิญญาณ
  • ญาณพิเศษและการมองเห็นอนาคต
  • นอสตราดามุส
  • ยูริ เกลเลอร์
  • แอตแลนติส
  • สามเหลี่ยมเบอร์มิวดา
  • สัตว์ประหลาดแห่งทะเลสาบล็อคเนสส์
  • เยติกับไอ้ตีนโต

4. รู้จักคุณ James Randi ผู้เปิดโปง”ผู้วิเศษ”ที่หลอกลวงชาวบ้าน แนะนำดูคลิปเหล่านี้ถ้าสนใจครับ:

คลิปเปิดโปงผู้วิเศษในอินเดีย ตอน 1 จากทั้งหมด 5 ตอน มีลิงก์ตอนอื่นๆใน About เวลาดูที่ YouTube กดดูซับได้ที่ปุ่ม CC นะครับ

5. ดูคลิปและรูปสิ่งลึกลับกัน เช่นบิ๊กฟุต:

คลิปบิ๊กฟุต
คลิปบิ๊กฟุตแบบปรับให้ดูง่ายขึ้น

6. ผมเล่าเรื่อง sine และ cosine และความสัมพันธ์กับวงกลมหน่วย (unit circle) ให้ดู Animation ที่ https://www.desmos.com/calculator/cpb0oammx7

กดดู animation ได้ที่ https://www.desmos.com/calculator/cpb0oammx7 ครับ

7. ให้เด็กดูตัวอย่างการวาดวงกลมและรูปอื่นๆด้วย sine และ cosine ที่ผมเขียนโปรแกรมภาษา Scratch ไว้ที่ https://scratch.mit.edu/projects/430118715/editor/

ถ้าเด็กๆสนใจเรื่องวงกลมและตรีโกณมิติ เชิญดูคลิปนี้ต่อได้ครับ:

8. จากนั้นเด็กๆก็สังเกตการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของลูกแก้ว ผมให้เด็กๆพยายามหาทางวัดความเร็วของลูกแก้วกัน ตอนนี้เราคิดว่าจะถ่ายวิดีโอการเคลื่อนที่แล้วเอาไปใส่โปรแกรม Tracker เพื่อวัดสิ่งต่างๆกัน ตัวอย่างไฟล์วิดีโอถ่ายที่ 240 เฟรมต่อวินาทีโหลดได้ที่นี่ครับ

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)