วิทยาศาสตร์ ม.3 เล่ม 2 หน่วยที่ 5

รายวชิ าพ้ืนฐาน กลุ่มสาระการเรียนรู้ วทิ ยาศาสตร์ วชิ า วทิ ยาศาสตร์ ม.3 เล่ม 2

หน่วยการเรียนรู้ท่ี 5 แรงและการเคล่ือนท่ี พลงั งาน

แรงและการเคลื่อนท่ี พลงั งาน แรงทก่ี ระทาต่อวตั ถุ การเคล่ือนทขี่ องวัตถุ โมเมนต์ของแรง งานและพลงั งาน

แรงที่กระทาต่อวตั ถุ

ความเร่ง • ความเร่ง คือ ความเร็วของวตั ถุท่ีเปล่ียนแปลงไปใน 1 หน่วยเวลา เป็นปริมาณเวกเตอร์ ซ่ึงมีหน่วยเป็นเมตร/วินาที2 (m/s2) • การเคล่ือนท่ีของวตั ถุ ถา้ พจิ ารณาอตั ราส่วนระหวา่ งความเร็วที่เปล่ียนไปของวตั ถุกบั ช่วงเวลาท่ีใช้ จะไดค้ วามสมั พนั ธ์ ดงั สมการ

ตวั อย่าง

• ถา้ วตั ถเุ คลื่อนท่ีดว้ ยความเร็วเพิม่ ข้ึน แสดงวา่ วตั ถนุ ้นั มีความเร่ง • ถา้ วตั ถุเคลื่อนที่ชา้ ลงหรือลดความเร็วลง แสดงว่าวตั ถุน้นั มีความหน่วงหรือความเร่ง มีค่าเป็ นลบ • ถา้ วตั ถุเคล่ือนที่โดยไม่เปล่ียนทิศทางและความเร็วในการเคล่ือนท่ีเปล่ียนแปลงไป ในอตั ราเท่าๆ กนั ในแต่ละหน่วยเวลา แสดงวา่ วตั ถุน้นั มีความเร่งคงท่ี • วตั ถุท่ีตกอยา่ งอิสระจะเคล่ือนท่ีภายใตค้ วามเร่งเนื่องจากแรงโนม้ ถ่วงของโลก ซ่ึงมีค่า 9.8 m/s2 หรือประมาณ 10 m/s2 • กฎของความเร่ง (Law of acceleration) มีใจความว่า “เม่ือมีแรงลพั ธ์ท่ีมีค่าไม่เท่ากบั ศูนย์ มากระทาต่อวตั ถุ จะทาให้วตั ถุเคลื่อนท่ีด้วยความเร่งในทิศเดียวกบั แรงลพั ธ์ ซ่ึงขนาดของความเร่งจะแปรผนั ตรงกบั ขนาดของแรงลพั ธ์ และจะแปรผกผนั กบั มวล ของวตั ถุ”

แรงกริ ิยาและแรงปฏกิ ริ ิยา • แรงกิริยา เป็นแรงที่กระทาต่อวตั ถุ • แรงปฏิกิริยา เป็นแรงท่ีวตั ถโุ ตต้ อบตอ่ แรงที่มากระทา • กฎการเคลื่อนที่ขอ้ ท่ี 3 ของนิวตนั เรียกวา่ กฎของแรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา

กฎของแรงกริ ิยาและแรงปฏกิ ริ ิยา “ทุกแรงกิริยายอ่ มมีแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากนั แตม่ ีทิศทางตรงขา้ มกนั เสมอ” ลกั ษณะสาคญั ของแรงกริ ิยา และแรงปฏิกริ ิยา - เกิดข้ึนพร้อมกนั เสมอ - มีขนาดเท่ากนั - มีทิศทางตรงขา้ มกนั - กระทาต่อวตั ถุคนละชิ้นกนั

แรงลอยตวั หรือแรงพยุงของของเหลว แรงลอยตวั หรือแรงพยงุ ของของเหลว คือ แรงที่ของเหลวพยงุ วตั ถไุ ว้ เม่ือวตั ถนุ ้นั อยใู่ นของเหลว ลกั ษณะของวตั ถุเมื่ออยู่ในของเหลว วตั ถุลอย • วตั ถุมีความหนาแน่นนอ้ ยกวา่ ของเหลว • แรงลอยตัวเท่ากับน้ าหนักของวัตถุที่ช่ัง ในอากาศและเท่ากบั น้าหนักของของเหลว ที่ถกู แทนที่

วตั ถุปริ่ม พลาสติก • วตั ถมุ ีความหนาแน่นเท่ากบั ของเหลว เหล็ก • แรงลอยตัวเท่ากับน้าหนักของวัตถุท่ีชั่งใน อากาศและเท่ากับน้ าหนักของของเหลว ท่ีถูกแทนท่ี วตั ถุจม • วตั ถมุ ีความหนาแน่นมากกวา่ ของเหลว • แรงลอยตวั นอ้ ยกว่าน้าหนักของวตั ถุที่จมไป ในของเหลวและเท่ากบั น้าหนกั ของของเหลว ท่ีถูกแทนที่

หลกั ของอาร์คิมิดีส • ปริมาตรของของเหลวท่ีถูกแทนท่ีจะเท่ากบั ปริมาตรของวตั ถุส่วนที่จมลงใน ของเหลว • น้าหนกั ของวตั ถทุ ่ีชงั่ ในของเหลว จะมีค่านอ้ ยกวา่ น้าหนกั ของวตั ถุที่ชงั่ ใน อากาศ • น้าหนกั ที่หายไปในของเหลว จะเท่ากบั น้าหนกั ของของเหลวที่ถูกวตั ถแุ ทนที่ • น้าหนกั ของของเหลวที่ถูกแทนท่ี จะเท่ากบั น้าหนกั ของของเหลวที่มีปริมาตร เท่ากบั วตั ถสุ ่วนที่จม

ปัจจัยท่ีเกยี่ วข้องกบั แรงลอยตวั หรือแรงพยงุ ของของเหลว • ชนิดของวตั ถุ: วตั ถุที่มีความหนาแน่นมาก จะจมลงไปในของเหลวมาก • ชนิดของของเหลว: ของเหลวท่ีมีความหนาแน่นมาก จะมีแรงพยงุ มาก • ขนาดของวตั ถุ: วตั ถุท่ีมีขนาดใหญ่ จะมีปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ทาใหแ้ รงพยงุ มีค่ามาก

แรงเสียดทาน แรงเสียดทาน คือ ความตา้ นทานหรือแรงตา้ นทานการเคล่ือนท่ีของวตั ถุท่ีเกิดข้ึน ระหวา่ งผวิ สมั ผสั ของวตั ถุ 2 ชิ้นท่ีสมั ผสั กนั แรงเสียดทานสถิต • เป็นแรงเสียดทานท่ีเกิดจากผิววตั ถุ 2 ชิ้นท่ีสมั ผสั กนั โดยที่วตั ถุน้นั ยงั ไม่มี การเคลื่อนที่

แรงเสียดทานจลน์ • เป็นแรงเสียดทานท่ีเกิดจากผวิ วตั ถุ 2 ชิ้น ที่สมั ผสั กนั โดยที่วตั ถุน้นั กาลงั เคลื่อนที่ ปัจจยั ที่มผี ลต่อแรงเสียดทาน • น้าหนกั ของวตั ถุ: วตั ถุที่มีน้าหนกั กดทบั ลงบนพ้นื ผวิ มาก จะมีแรงเสียดทานมาก • รูปร่างของวตั ถุ: วตั ถุที่มีรูปร่างเพรียวจะมีแรงเสียดทานนอ้ ยกวา่ วตั ถทุ ี่มีรูปร่างป้าน • ลกั ษณะพ้นื ผิวสมั ผสั : ผวิ สัมผสั เรียบจะเกิดแรงเสียดทานนอ้ ยกวา่ ผวิ สัมผสั ที่ขรุขระ

การคานวณหาแรงเสียดทาน คานวณไดจ้ ากผลคูณระหวา่ ง สมั ประสิทธ์ิของแรงเสียดทานกบั แรงที่กดทบั ลงบนผิวสมั ผสั ดงั สมการ f = µN เมื่อ f แทนแรงเสียดทาน มีหน่วยเป็นนิวตนั (N) µ แทนสมั ประสิทธ์ิของแรงเสียดทาน ไม่มีหน่วย N แทนน้าหนกั ของวตั ถุ มีหน่วยเป็นนิวตนั (N)

ตวั อย่าง

การนาความรู้เกยี่ วกบั แรงเสียดทานมาประยุกต์ใช้ ประโยชน์ของการเพมิ่ แรงเสียดทาน • การผลิตยางลอ้ รถยนตใ์ หม้ ีดอกยาง ทาใหร้ ถยนต์ เกาะพ้ืนถนนไดด้ ี • พ้ืนรองเทา้ หากใชว้ สั ดุท่ีช่วยเพ่ิมแรงเสียดทาน จะช่วยใหม้ ีการทรงตวั และเคลื่อนไหวท่ีสะดวก ประโยชน์ของการลดแรงเสียดทาน • การหยอดน้ามนั หลอ่ ล่ืนลงไปที่แกนบานพบั ประตหู รือหนา้ ตา่ งช่วยใหเ้ ปิ ดปิ ดสะดวกข้ึน • การใชน้ ้ามนั หลอ่ ล่ืนช่วยลดการสึกหรอของลกู สูบและกระบอกสูบของเครื่องจกั รกล

โมเมนต์ของแรง

โมเมนต์ของแรง โมเมนตข์ องแรง เป็นแรงท่ีทาใหว้ ตั ถุเคล่ือนท่ีรอบจุดหมุน ซ่ึงสามารถแบ่งตาม ทิศทางการหมุนได้ 2 ชนิด ดงั น้ี • โมเมนตท์ วนเขม็ นาฬิกา • โมเมนตต์ ามเขม็ นาฬิกา โมเมนตข์ องแรง คือ ผลคูณระหวา่ งขนาดของแรงกบั ระยะทางท่ีต้งั ฉากจากจุดหมุน มาถึงแนวแรงท่ีกระทา ไดด้ งั สมการ M=FxI เม่ือ M แทนโมเมนตข์ องแรง มีหน่วยเป็นนิวตนั เมตร (Nm) F แทนขนาดของแรง มีหน่วยเป็นนิวตนั (N) I แทนระยะทางต้งั ฉากจากจุดหมุนถึงแนวแรง มีหน่วยเป็นเมตร (m)

ตวั อย่าง

หลกั การของโมเมนต์ ถา้ มีแรงกระทาตอ่ วตั ถชุ ิ้นหน่ึงหลายแรง แลว้ แรงกระทาน้นั ทาใหว้ ตั ถอุ ยใู่ น สภาพสมดุล วตั ถุจะไม่เคลื่อนท่ีและไม่หมุน กลา่ วไดว้ า่ “ผลรวมของโมเมนตท์ วนเขม็ นาฬิกาเท่ากบั ผลรวมของโมเมนตต์ ามเขม็ นาฬิกา” Mทวน = Mตาม F1 x I1 = F2 x I2

ตวั อย่าง

การนาโมเมนต์ของแรงไปใช้ประโยชน์ คาน คานเป็นเคร่ืองกลชนิดหน่ึงท่ีมีลกั ษณะเป็นแท่งยาวและแขง็ สามารถหมุนได้ รอบจุดหมุนหรือจุดฟัลครัม เม่ือแบ่งประเภทของคานตามจุดหมุน (F) แรงพยายาม (W) และแรงตา้ นทาน (E) สามารถแบ่งได้ 3 ประเภท • คานอันดับ 1 เป็นคานท่ีมีจุดหมุนอยรู่ ะหวา่ งแรงพยายามกบั แรงตา้ นทาน ซ่ึงจะช่วย ผอ่ นแรงในการทางาน

• คานอนั ดับ 2 เป็นคานที่มีแรงตา้ นทานอยู่ ระหว่างจุดหมุนกับแรงพยายาม ซ่ึงจะ ช่วยผอ่ นแรงในการทางาน • คานอนั ดบั ที่ 3 เป็นคานท่ีมีแรงพยายามอยรู่ ะหวา่ งแรงตา้ นทานกบั จุดหมุน ซ่ึงไม่ช่วย ผอ่ นแรง แตช่ ่วยอานวยความสะดวกในการทางาน

การเคล่ือนท่ขี องวตั ถุ

การเคลื่อนทแี่ นวตรง การเคล่ือนทีใ่ นแนวราบ เป็นการเคลื่อนท่ีของวตั ถไุ ปในทิศทางท่ี ขนานกบั พ้ืนโลก การเคลื่อนทใี่ นแนวดงิ่ เป็นการเคล่ือนที่ของวตั ถใุ นแนวต้งั ฉากกบั พ้ืนโลก โดยมีแรงโนม้ ถว่ งกระทาต่อวตั ถุตลอด การเคลื่อนที่ โดยการตกของวตั ถใุ นลกั ษณะน้ี เรียกวา่ การตกอยา่ งอิสระ

การเคล่ือนทแ่ี นวโค้ง การเคลื่อนทีแ่ บบโพรเจกไทล์ เป็นการเคลื่อนที่ในแนวโคง้ แบบพาราโบลา ซ่ึงเกิดจากวตั ถมุ ีการเคลื่อนที่ 2 แนวพร้อมกนั คือ ในแนวราบและแนวด่ิง การเคลื่อนทแ่ี บบวงกลม เป็นการเคลื่อนท่ีท่ีมีแรงกระทาเขา้ สู่ ศูนยก์ ลางของวงกลม เรียกวา่ แรงสู่ศูนยก์ ลาง

งานและพลงั งาน

งานและพลงั งาน งาน คือ ผลคูณระหวา่ งแรงในทิศทางการเคล่ือนที่กบั ระยะทางที่เคลื่อนที่ ซ่ึงเป็นปริมาณสเกลาร์ โดยสามารถคานวณหางานไดจ้ ากสมการต่อไปน้ี W=Fxs เมื่อ W แทนงาน มีหน่วยเป็นนิวตนั เมตร หรือจูล (Nm หรือ J) F แทนแรง มีหน่วยเป็นนิวตนั (N) s แทนระยะทางท่ีวตั ถุเคล่ือนที่ไปในทิศทางเดียวกบั แนวแรง มีหน่วยเป็นเมตร (m) งาน 1 จูล คือ งานที่เกิดจากแรง 1 นิวตนั กระทาใหว้ ตั ถุเคล่ือนท่ีไปใน ระยะทาง 1 เมตร ตามทิศทางของแรงท่ีกระทา

ตวั อย่าง

กรณีงานมีค่าเป็ นศูนย์ แสดงว่าไม่เกิดงาน ซ่ึงจะ เกิดข้ึนในกรณีตอ่ ไปน้ี - แรงที่กระทาต่อวตั ถมุ ีค่าเป็นศูนย์ - ระยะทางมีค่าเป็นศูนย์ - แนวแรงต้งั ฉากกบั ระยะทาง

กาลงั กาลงั คือ ปริมาณท่ีบอกถึงความสามารถในการทางานไดต้ ่อหน่ึงหน่วยเวลา ซ่ึงเขียน เป็นสมการได้ ดงั น้ี เม่ือ P แทนกาลงั มีหน่วยเป็นจูลต่อวินาที หรือวตั ต์ (J/s หรือ Watt) W แทนงาน มีหน่วยเป็นจูล (J) t แทนเวลา มีหน่วยเป็นวินาที (s)

ตวั อย่าง

พลงั งาน • พลงั งาน คือ ความสามารถในการทางานไดข้ องวตั ถหุ รือสสารต่างๆ • พลงั งานไม่สามารถสร้างข้ึนมาใหม่ได้ แตส่ ามารถเปลี่ยนรูปได้ • พลงั งานท่ีมีอยใู่ นวตั ถุทุกชนิด ไดแ้ ก่ พลงั งานกล ซ่ึงแบ่งออกเป็นพลงั งานศกั ย์ และพลงั งานจลน์

พลงั งานศักย์ เป็นพลงั งานที่สะสมอยใู่ นวตั ถแุ ละพร้อมที่จะทางาน พลังงานศักย์โน้มถ่วง: พลงั งานท่ี พลงั งานศักย์ยืดหยุ่น: พลงั งานที่ สะสมอยใู่ นวตั ถทุ ่ียดื หยนุ่ ได้ เม่ือไดร้ ับ สะสมอยใู่ นวตั ถทุ ่ีอยสู่ ูงจากพ้นื โลก แรงกระทาจะยดื ออกและสามารถกลบั สู่ ซ่ึงถา้ วตั ถุอยสู่ ูงจากพ้นื โลกมากจะมี พลงั งานศกั ยโ์ นม้ ถ่วงมาก สภาพเดิมได้

พลงั งานจลน์ • เป็นพลงั ที่เกิดกบั วตั ถทุ ่ีกาลงั เคลื่อนที่ • วตั ถทุ ี่เคลื่อนท่ีดว้ ยอตั ราเร็วสูงจะมีพลงั งานจลนม์ ากกวา่ วตั ถุท่ีเคลื่อนท่ีดว้ ยอตั ราเร็วต่า • หากวตั ถุเคลื่อนที่ดว้ ยอตั ราเร็วเท่ากนั วตั ถทุ ่ีมีมวลมากจะมีพลงั งานจลนม์ ากกวา่ วตั ถุ ที่มีมวลนอ้ ย

กฎการอนุรักษ์พลงั งาน กฎการอนุรักษพ์ ลงั งาน กล่าววา่ “พลงั งานเป็นส่ิงที่ไม่สามารถสร้างข้ึนใหม่และ ไม่สามารถทาใหส้ ูญหายหรือทาลายได้ แต่จะเกิดการเปลี่ยนรูปพลงั งานจากรูปหน่ึง ไปเป็ นอีกรู ปหน่ึง” การนาความรู้เกย่ี วกบั กฎการอนุรักษ์พลงั งานไปใช้ประโยชน์ • การผลติ กระแสไฟฟ้า โดยปล่อยใหน้ ้าจากเข่ือนไหลไปหมุนกงั หนั ซ่ึงจะมี การเปลี่ยนแปลงพลงั งานศกั ยเ์ ป็นพลงั งานจลน์ • กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ซ่ึงเปล่ียนพลงั งานแสงเป็นพลงั งานเคมี • การทางานของเตารีด เปลี่ยนพลงั งานไฟฟ้าใหเ้ ป็นพลงั งานความร้อน

สรุปทบทวนประจาหน่วยการเรียนรู้ท่ี 5 • ความเร่ง เป็นการเปล่ียนแปลงความเร็วของวตั ถุในหน่ึงหน่วยเวลา • แรงกิริยาและแรงปฏิกิริยา จะเกิดข้ึนพร้อมกนั เสมอ มีขนาดเท่ากนั แต่มีทิศตรงขา้ มกนั และกระทาต่อวตั ถคุ นละชิ้น • แรงพยงุ ของของเหลว เป็นแรงท่ีของเหลวพยงุ วตั ถุไวเ้ ม่ือวตั ถนุ ้นั อยใู่ นของเหลว • แรงเสียดทาน เกิดข้ึนระหวา่ งผิวสมั ผสั ของวตั ถุ 2 ชิ้นท่ีสัมผสั กนั ซ่ึงมีทิศตรงขา้ มกบั แรงท่ีมากระทา • การเคลื่อนที่ของวตั ถุ แบ่งออกเป็นการเคลื่อนท่ีในแนวตรงและการเคล่ือนท่ีในแนวโคง้ • งาน เป็นผลของแรงที่กระทาต่อวตั ถุ แลว้ วตั ถุเกิดการเคล่ือนท่ีไปในทิศทางเดียวกบั แรง • พลงั งานกล แบ่งออกเป็นพลงั งานศกั ยแ์ ละพลงั งานจลน์