วันนี้ในกิจกรรมวิทย์ม.ต้นเราคุยกันเรื่องต่างๆเหล่านี้ครับ:

1. ช่วงก่อนเวลาเรียนเราดูคลิปหุ่นยนต์ตัวนิ่มๆและหุ่นยนต์ของบริษัท Boston Dynamics กัน:

หุ่นยนต์รุ่นแรกๆเมื่อสิบปีที่แล้ว:

อันนี้เป็นรุ่นใหม่ๆปี 2019:

อันนี้เป็นหุ่นยนต์สี่ขา มีแขนจับของ:

อันสุดท้ายเป็นหุ่นยนต์เต้นระบำกันครับ:

2. ผมสอนเรื่องประจุไฟฟ้า (electrical charge) โดยเล่าให้เด็กๆฟังว่าของต่างๆมีส่วนประกอบเล็กๆที่เรียกว่าอะตอม ในอะตอมจะมีประจุไฟฟ้าบวกจากโปรตอน และประจุไฟฟ้าลบจากอิเล็คตรอน ประจุที่เป็นบวกจะดึงดูดประจุลบ แต่ประจุบวกจะผลักประจุบวกอันอื่น ประจุลบก็ผลักประจุลบอันอื่น (คือ + + หรือ – – จะผลักกัน แต่ +- จะดูดกัน) 

ของที่ประจุวิ่งผ่านไปมาได้ไม่ยากเรียกว่าตัวนำไฟฟ้า ตัวอย่างของตัวนำไฟฟ้าก็เช่นโลหะต่างๆ น้ำเกลือ น้ำกรด น้ำด่าง ของที่ประจุวิ่งผ่านไปมายากๆเรียกว่าฉนวนไฟฟ้า เช่นพลาสติก ยาง กระดาษ ไม้แห้ง อากาศ 

วัตถุต่างๆโดยปกติจะมีจำนวนประจุบวกและประจุลบเท่าๆกัน ทำให้มีลักษณะเป็นกลางทางไฟฟ้า ไม่มีประจุลบหรือบวกเกิน 

เวลาเราเอาวัตถุต่างชนิดมาแตะกันหรือถูกัน บางทีประจุจะถ่ายเทกันระหว่างวัตถุ พอแยกวัตถุออกจากัน วัตถุแต่ละชิ้นก็จะมีประจุบวกหรือประจุลบเกิน เรียกว่าเกิดไฟฟ้าสถิต 

เราสามารถประดิษฐ์เครื่องมือง่ายๆเพื่อตรวจจับและเปรียบเทียบไฟฟ้าสถิตได้ เครื่องมีอนี้เรียกว่าอิเล็กโทรสโคป (Electroscope) หน้าตาและวิธีประดิษฐ์เป็นดังในคลิปครับ:

จากนั้นเด็กๆก็ประดิษฐ์เองและสร้างไฟฟ้าสถิตด้วยการเอาวัสดุต่างชนิดมาเสียดสีกัน (Triboelectric effect):

ถ้าประจุไฟฟ้าอยู่เฉยๆ แรงดูดแรงผลักของมันจะลดลงแบบ (1/ระยะทางกำลังสอง) เช่นถ้าระยะทางเพิ่มเป็น 2 เท่า แรงจะลดลงเป็น 1/4 เท่า (=1/2 x 1/2) ถ้าระยะทางเพิ่มเป็น 10 เท่า แรงจะลดลงเป็น 1/100 เท่า (=1/10 x 1/10)

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าเมื่อประจุไฟฟ้าสั่น มันจะทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคลื่อนที่จากจุดกำเนิดเร็วมาก ถ้าอยู่สุญญากาศจะวิ่งเร็วประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ขนาดของคลื่นลดลงขึ้นกับระยะทาง แต่ลดลงแบบ (1/ระยะทาง) เมื่อคลื่นไปโดนประจุตัวอื่นๆ ประจุเหล่านั้นก็จะสั่นตามคลื่นและสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารวมเข้าไปอีกด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเครื่องมือที่เราใช้สื่อสารระยะไกล หรือแม้แต่สังเกตเหตุการณ์ไกลๆในจักรวาลได้

แสงที่เรามองเห็นเป็นส่วนเล็กๆของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ในจักรวาล คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสือินฟราเรด รังสือัลตร้าไวโอเลต รังสีเอ็กซ์เรย์ และรังสีแกมมาต่างก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยกันทุกตัว

ผมให้เด็กๆดูรูปนี้จาก Wikipedia ครับ:

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดมีความเร็วเท่ากันในสูญญากาศ ประมาณสามแสนกิโลเมตรต่อวินาที สิ่งที่เราใช้แบ่งแยกประเภทของมันคือความถี่ในการสั่น (หรือแบ่งตามความยาวคลื่น เพราะความยาวคลื่น = ความเร็วคลื่นหารด้วยความถี่คลื่น)

ยกตัวอย่างความถี่และความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆที่คุ้นเคยในชีวิตประจำวันครับ:

คลื่นวิทยุจะมีความยาวคลื่นเป็นหลายเมตรจนถึงกิโลเมตร เช่นคลื่น  FM 100 MHz ก็คือคลื่นที่สั่น 100 ล้านครั้งต่อวินาที ความยาวคลื่นของมันก็คือความเร็ว (300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) หารด้วยความถี่ (100,000,000 ครั้งต่อวินาที) เท่ากับ 3 เมตร

คลื่นไมโครเวฟที่เราใช้ในเตา มีความถี่การสั่นประมาณ 2,450 ล้านครั้งต่อวินาที (2.45 GHz ซึ่งใกล้เคียงกับคลื่นไมโครเวฟ 2.4 GHz ที่ใช้สำหรับเสาอากาศ wi-fi) ความยาวคลื่นไมโครเวฟในเตาไมโครเวฟก็จะยาวประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที / 2,450,000,000 ครั้งต่อวินาที = 12.2 เซ็นติเมตร

แสงสีแดงมีความถี่การสั่นประมาณ 450 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที (450 THz) มันจึงมีความยาวคลื่น = 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที / 450 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที = 667 ส่วนพันล้านเมตร หรือ 667 นาโนเมตร

แสงสีม่วงมีความถี่การสั่นประมาณ 700 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที (450 THz) มันจึงมีความยาวคลื่น = 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที / 700 ,000,000,000,000 ครั้งต่อวินาที = 428 ส่วนพันล้านเมตร หรือ 428 นาโนเมตร

คลื่นอื่นๆเช่นอัลตร้าไวโอเลต เอ็กซ์เรย์ แกมม่าเรย์ ลองดูในตารางนี้นะครับ หรือที่ผมเคยเขียนไว้ที่นี่ด้วยครับ: https://witpoko.com/?p=49

สิ่งของต่างๆที่มีอุณหภูมิ จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ของร้อนจะปล่อยคลื่นออกมามาก ของเย็นก็จะปล่อยออกมาน้อย ของต่างๆบนโลกที่ไม่ร้อนมากจะปล่อยคลื่นที่ส่วนใหญ่เป็นรังสีอินฟราเรดซึ่งตาเรามองไม่เห็น ถ้าร้อนมากขึ้นมาอีกเช่นเหล็กร้อนก็จะเริ่มมีสีที่ตาเรามองเห็นเช่นสีแดง ถ้าร้อนมากขึ้นเป็นหลายพันองศาเหมือนดวงอาทิตย์จะมีสีที่เราเห็นได้หลากสีออกมารวมกันให้เราเห็นเป็นสีขาว

ปริมาณพลังงานที่มากับรังสีต่อวินาทีจะขึ้นกับอุณหภูมิของสิ่งของนั้นๆยกกำลังสี่ ด้วยหลักการนี้เองจึงมีสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่าเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด ที่รับรังสีอินฟราเรดเข้าไปแล้วคำนวณว่าของที่ปล่อยรังสีออกมามีอุณหภูมิเท่าไร เราคุ้นเคยกันดีกับเครื่องสแกนอุณหภูมิแบบนี้ในสถานการณ์โควิด-19

เวลาที่เหลือเราดูภาพจากประจุไฟฟ้าวิ่งผ่านพลาสติกหรือไม้เป็นลวดลายสวยงามครับ เช่นคลิปเหล่านี้:

มันคือก้อนพลาสติกที่เรายิงประจุไฟฟ้าความเร็วสูงๆเข้าไปเยอะๆให้ประจุอยู่ข้างในก้อนลึกๆหน่อย ประจุพวกนี้ไหลออกมาไม่ได้เพราะพลาสติกเป็นฉนวนไฟฟ้าค่อนข้างดี พอเราเอาค้อนไปตอกตะปูข้างบน แถวนั้นก็เลยกลายเป็นทางออกให้ประจุไฟฟ้าวิ่งออกมา ประจุทั้งหลายที่อยู่ทั่วก้อนพลาสติกก็รวมตัวกันเข้ามาที่จุดที่ตะปูตอกเข้าไป ประจุไฟฟ้าที่วิ่งทำให้พลาสติกร้อน เปล่งแสงและเป็นละลายเป็นลายถาวรในเนื้อพลาสติกครับ เจ้าลวดลายประเภทนี้มีชื่อเรียกว่าลวดลายลิกเต็นเบิร์ก (Lichtenberg Figure)  เป็นลวดลายประเภทเดียวกับฟ้าแลบฟ้าผ่าครับ

นอกจากนี้ยังมีการใช้ไฟฟ้าแรงสูงวางบนไม้เปียกๆที่ทาน้ำเกลือให้นำไฟฟ้าด้วยครับ ไฟฟ้าพยายามวิ่งจากขั้วหนึ่งไปอีกขั้ว เกิดความร้อนเผาไหม้ไม้เป็นลายสวยงาม (อย่าทำตามนะครับ มีคนตายเพราะพยายามทำแล้วพลาดหลายรายแล้ว)

วันนี้ในกิจกรรมวิทย์ม.ต้นเราคุยกันเรื่องเหล่านี้ครับ:

1. ก่อนเวลาเรียนเราดูคลิปของเล่นแปลกๆ:

2. เราดูวิดีโอที่ถ่ายจากดาวอังคารที่ใช้เวลาส่งข้อมูลจำนวนมากหลายวัน เปรียบเทียบกับคลิปที่ศิลปินวาดว่ายาน Perseverance จะลงจอดอย่างไร กับวิดีโอที่ถ่ายมาจริงๆ:

คลิปที่ศิลปินวาด:

วิดีโอที่ถ่ายมาจริงๆจากดาวอังคาร:

แนะนำคลิปเพิ่มเติมสำหรับเด็กที่สนใจ:

3. ร่มชูชีพที่ใช้ลดความเร็วยานที่ไปดาวอังคารมีรหัสลับด้วยครับ ลายแดงขาวเข้ารหัสเป็นประโยคว่า Dare Mighty Things หรือกล้าทำสิ่งอันยิ่งใหญ่:

"dare mighty things" ! Well done! @NASA @NASAPersevere pic.twitter.com/Di1hkFQApd

— Abela_Paf (@FrenchTech_paf) February 22, 2021

ดูข้อมูลเพิ่มเติมภาษาไทยได้ที่นี่:

4. เราคุยกันว่าทำไมภูเขาบนดาวอังคารจึงสูงกว่าโลกได้  มีคนสังเกตว่าวัสดุต่างๆล้วนแต่มีข้อจำกัดในการรับน้ำหนักหรือแรง(ต่อขนาดพื้นที่)ทั้งสิ้น ถ้าเป็นดินน้ำมันก็รับน้ำหนักได้น้อยหน่อย ถ้าเป็นปูนเป็นเหล็กก็รับน้ำหนักได้มากกว่า แต่แม้แต่ของแข็งๆเช่นหินก็รับน้ำหนักได้จำกัด ถ้าน้ำหนักที่กดทับมากไปก็จะแตกถล่มลง ภูเขาสูงๆบนโลกจึงสูงแค่ประมาณไม่เกิน 10 กิโลเมตรเท่านั้น ต้นไม้ก็สูงอย่างมากประมาณร้อยเมตรเท่านั้น แต่บนดาวอังคารที่แรงโน้มถ่วงอ่อนกว่าบนโลก 2.6 เท่าน้ำหนักของหินจะน้อยกว่ามันจึงซ้อนกันได้สูงจนเป็นภูเขาที่สูงกว่า 20 กิโลเมตรโดยไม่ถล่มลงมา

ความสามารถในการรับแรงที่จำกัดของวัตถุต่างๆยังอธิบายว่าทำไมดาวเคราะห์หรือดาวฤกษ์จึงกลมๆ แต่ของที่เล็กกว่าเช่นดาวหาง ดาวเคราะห์น้อยจึงรูปร่างไม่กลม คำอธิบายก็คือดาวเคราะห์หรือดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่ มีมวลมาก จึงมีแรงโน้มถ่วงมาก วัตถุต่างๆที่ผิวของดาวเหล่านั้นจึงซ้อนกันได้ไม่สูงนักก่อนที่จะพังทลายเนื่องจากน้ำหนักของตัวมันเอง ส่วนดาวหางดาวเคราะห์น้อยมีมวลน้อย แรงโน้มถ่วงน้อย ไม่พอที่จะเกิดน้ำหนักกดทับให้วัตถุที่ผิวพังราบลงมา หน้าตามันจึงไม่กลม

5. เราคุยกันเรื่องการบ้านที่ให้ไปดูคลิป Basic Electricity และให้เขียนสรุปเอง ตัวอย่างการเขียนสรุปเป็นเช่นนี้ครับ:

6. เราเอาไม้ช็อตยุงมาศึกษาว่าทำงานอย่างไร เกี่ยวอะไรกับฟ้าผ่า เนื้อหาเหมือนในโพสต์นี้ครับ

7. เราเอาวงจรสร้างฟ้าผ่าเล็กๆมาป้อนด้วยแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงที่สามารถวัดกำลังวัตต์ที่ป้อนเข้าไปได้จากแรงดันเป็นโวลท์และกระแสไฟฟ้าเป็นแอมป์ พบว่าใช้แรงดันประมาณ 3 โวลท์กว่าๆ กระแสประมาณ 2 แอมป์กว่าๆ จึงส่งกำลังเข้าไปในวงจรประมาณ 8 วัตต์ หรือ 8 จูลต่อวินาที

8. เมื่อต่อวงจรฟ้าผ่ากับเข็มหมุด สามารถแยกให้เข็มหมุดอยู่ห่างกันประมาณ 1.5 เซ็นติเมตร แต่ก็ยังมีสายฟ้าวิ่งระหว่างปลายเข็มหมุด สามารถประมาณได้ว่าความต่างศักย์ที่ปลายเข็มหมุดจะประมาณ (1.5 cm)/(3,000 V/mm) = 45,000 โวลท์ เนื่องจากอากาศจะเริ่มนำไฟฟ้าเมื่อมีความต่างศักย์ 3,000 โวลท์ต่อมิลลิเมตร

9. คุยกันเรื่องพลังงานในอาหาร ในข้าวหนึ่งจานพลังงาน 500 กิโลแคลอรี่จะเท่ากับประมาณ 2 ล้านจูล สาเหตุที่พลังงานมากๆอย่างนี้ไม่ทำให้เราระเบิดก็เพราะว่าพลังงานในอาหารจะถูกปลดปล่อยมาช้าๆด้วยการย่อย คิดเป็นกำลังหลักสิบหลักร้อยวัตต์ ระเบิดเช่น C-4 มีพลังงานต่อน้ำหนักน้อยกว่าอาหารของเราแต่โมเลกุลของมันสามารถปลอดปล่อยพลังงานทั้งหมดออกมาได้ในเวลาอันสั้นทำให้เกิดการระเบิดเสียหายได้มาก เราดูตัวอย่างพลังงานที่อยู่ในขนมกัมมีแบร์ที่เมื่อมีออกซิเจนใน potassium chlorate มารวมจะปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็ว ใช้เป็นเชื้อเพลิงได้: