หน่วย2.1 การเคลื่อนที่ในแนวตรง

หนว่ ยการเรยี นรู้ที่ 1 หนว่ ยการเรียนร้ทู ี่ 2 หนว่ ยการเรียนร้ทู ี่ 3 ฟิสิกส์ เลม่ 1SlidePPT61-NEW ชั้นมธั ยมศึกษาปที ่ี 4 กลุ่มสาระการเรยี นรวู้ ิทยาศาสตร์ หน่วยการเรยี นร้ทู ี่ 4 Slide PowerPoint_สอื่ ประกอบการสอน บริษทั อักษรเจรญิ ทัศน์ อจท. จำกัด : 142 ถนนตะนำว เขตพระนคร กรุงเทพฯ 10200 Aksorn CharoenTat ACT.Co.,Ltd : 142 Tanao Rd. Pranakorn Bangkok 10200 Thailand โทรศพั ท์ : 02 622 2999 โทรสำร : 02 622 1311-8 [email protected] / www.aksorn.com

2หน่วยการเรียนรทู้ ี่ การเคล่ือนที่ในแนวตรง ตัวช้วี ัด • ทดลองและอธิบำยควำมสมั พนั ธร์ ะหว่ำงตำแหนง่ กำรกระจัด ควำมเร็ว และควำมเร่งของกำรเคลอื่ นทขี่ องวัตถุในแนวตรงที่มีควำมเรง่ คงตวั จำกกรำฟและสมกำร รวมทงั้ ทดลองหำค่ำควำมเรง่ โน้มถ่วงของโลกและคำนวณปริมำณตำ่ งๆ ท่ีเกย่ี วขอ้ ง

การเคลื่อนทใี่ นแนวตรง การเคลอื่ นทใ่ี นแนวตรง เปน็ กำรทว่ี ตั ถเุ คล่ือนทอ่ี ยใู่ นแนวเสน้ ตรง ซ่งึ กำรเคลือ่ นทน่ี ้ันจะสัมพนั ธก์ บั ควำมเร็ว เวลำ ควำมเร่ง และระยะทำง ทว่ี ัตถุเคลอ่ื นที่ได้ ตัวอย่างของการเคล่ือนทีใ่ นแนวตรง

ตาแหน่งของวัตถุ กำรศกึ ษำกำรเคลื่อนทีข่ องวัตถุเปน็ กำรศึกษำกำรเปลี่ยนแปลง ตาแหน่ง (position) ของวัตถุ กำรที่จะบอกกำรเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุได้ชดั เจนและเข้ำใจตรงกนั จะต้องมกี ำรกำหนดจดุ อา้ งอิงหรอื ตาแหนง่ อ้างอิง (reference point) ซึ่งเปน็ จดุ หรอื ตาแหน่งคงท่ใี นการบอกพิกัดทแี่ น่นอน จดุ อา้ งอิง 150 เมตร 220 เมตร 450 เมตร ตาแหน่งของรถชนดิ ตา่ ง ๆ เทียบกบั ท่ตี ัง้ ของปา้ ยรถประจาทาง

ระยะทางและการกระจดั

ตัวอย่างของ ระยะทาง และการกระจดั เสน้ ทางที่ 1 เส้นทางที่ 2 เสน้ ทางท่ี 3 เส้นทางการเดนิ ทางจากบ้านไปโรงเรยี นของเด็กชายนนท์ ตำมเสน้ ทางที่ 1 เด็กชำยนนท์จะเดนิ ทำงได้ระยะทางเทำ่ กบั ความยาวของเสน้ ทางที่ 1 มกี ารกระจดั เทำ่ กบั ความยาวของเสน้ ทางท่ี 2 ตำมเสน้ ทางที่ 2 เดก็ ชำยนนทจ์ ะเดนิ ทำงได้ระยะทางเทำ่ กบั ความยาวของเสน้ ทางที่ 2 มกี ารกระจดั เท่ำกบั ความยาวของเส้นทางที่ 2 ตำมเส้นทางท่ี 3 เดก็ ชำยนนทจ์ ะเดนิ ทำงได้ระยะทางเทำ่ กับ ความยาวของเส้นทางท่ี 3 มีการกระจัดเท่ำกบั ความยาวของเสน้ ทางที่ 2

อัตราเรว็ (speed) อตั ราเรว็ จะบอกถงึ ระยะทำงที่วตั ถุเคล่อื นทไ่ี ด้ในหน่ึงหนว่ ยเวลำ มีหนว่ ยเอสไอเป็น เมตรตอ่ วินำที (m/s) และเป็นปริมำณสเกลำร์ กำรเคล่ือนท่ีของวัตถุจะเคลื่อนทไ่ี ปด้วยอตั รำเรว็ ท่ไี ม่เท่ำกนั บำงชว่ งมีอัตรำเร็วสงู และบำงชว่ งมอี ัตรำเรว็ ต่ำ เรยี กวำ่ อัตราเร็วเฉลีย่ (average speed) มหี น่วยเอสไอเป็น เมตรตอ่ วินำที (m/s) อตั รำเรว็ เฉลีย่ = ระยะทำงท้ังหมดทวี่ ัตถเุ คล่อื นที่ เวลำทีใ่ ช้ในกำรเคลอ่ื นท่ที ้งั หมด มาตรวดั ความเรว็ ของรถยนต์แสดงอตั ราเร็วขณะหน่งึ ของรถยนต์ ณ เวลาต่างๆ

ความเรว็ (velocity) ความเร็วเปน็ ปรมิ ำณทบี่ อกถึงอตั รำกำรเปลย่ี นแปลงตำแหน่งเทยี บกบั เวลำ หรือกำรกระจดั ของวัตถใุ นหน่ึงหน่วยเวลำ เขียนแทนดว้ ยสญั ลกั ษณ์ v มหี น่วยเอสไอเปน็ เมตรต่อวนิ ำที (m/s) เปน็ ปรมิ ำณเวกเตอร์ ขนำดของควำมเรว็ อำจมกี ำรเปล่ยี นแปลง หรอื อำจมีทศิ ทำงเปล่ยี นไป เม่ือเวลำผำ่ นไป กำรบอกควำมเร็วในกำรเคลื่อนท่จี ึงบอกเป็น ความเรว็ เฉล่ีย (average velocity; vav) vav = ∆x x2 − x1 ∆t = t2 − t1 เครื่องบินรบถอื ว่าเปน็ พาหนะท่ีมีความเร็วสูงอยา่ งหน่ึง

เครอ่ื งเคาะสญั ญาณเวลา (ticker timer) เปน็ อุปกรณ์ทใ่ี ชศ้ ึกษำอตั รำเรว็ ของวัตถทุ ี่เคล่อื นทใ่ี นแนวตรง โดยบนั ทึกตำแหนง่ วตั ถแุ ละเวลำที่สมั พนั ธก์ ันผ่ำนแถบกระดำษเคำะสัญญำณเวลำ คันเคาะ กระดาษคาร์บอน แถบกระดาษ เครอื่ งเคาะสัญญาณเวลา

การวิเคราะห์จดุ บนแถบกระดาษ เคาะสญั ญาณเวลา ลกั ษณะจดุ บนแถบกระดำษเคำะสัญญำณเวลำบง่ บอกถงึ ลกั ษณะกำรเคลื่อนท่ีของวัตถุได้ ถำ้ ระยะห่างระหว่ำงจุดห่ำงกันเพิม่ ขึน้ ถำ้ ระยะหา่ งระหว่ำงจดุ หำ่ งเทา่ กนั ถำ้ ระยะหา่ งระหวำ่ งจุดอยชู่ ิดกันมากข้นึ แสดงวำ่ วตั ถุเคลื่อนที่ดว้ ยความเร็วเพ่มิ ขึน้ แสดงวำ่ วัตถุเคล่อื นท่ีดว้ ยความเรว็ คงท่ี แสดงว่ำวตั ถุเคล่ือนทด่ี ว้ ยความเร็วลดลง (มคี วามเร่ง) (ไมม่ คี วามเรง่ ) (มีความหนว่ ง) ลักษณะจุดบนแถบกระดาษเม่อื วัตถุดงึ แถบกระดาษด้วยความเร็วทต่ี า่ งกนั

ความเรง่ ความเร่ง (acceleration) คอื อัตรำกำรเปล่ยี นแปลงควำมเร็ว หรือควำมเร็วที่เปล่ยี นแปลงไปในหนงึ่ หนว่ ยเวลำ เขียนแทนดว้ ยสญั ลกั ษณ์ a และมหี นว่ ยเป็น เมตรต่อวินำที 2 (m/s2) เปน็ ปริมำณเวกเตอร์ แต่ถ้ำหำกพิจำรณำเฉพำะขนำดของควำมเร่ง โดยไมค่ ำนึงถงึ ทศิ ทำงของกำรเคลื่อนท่แี ล้ว เรำจะเรยี กวำ่ อตั รำเร่ง ซ่งึ เปน็ ปริมำณสเกลำร์ v(m/s) v2 a= ∆v = v2 − v1 v1 ∆t t2 − t1 ∆t a คือ ควำมเร่ง มหี นว่ ยเป็น เมตรตอ่ วนิ ำที ������ (m/s2) ∆v คือ ควำมเรว็ ทเ่ี ปลย่ี นไป มหี นว่ ยเป็น เมตรต่อวินำที (m/s) t1 t2 t(s) ∆t คือ ช่วงเวลำของกำรเคลอื่ นท่ี มีหน่วยเป็น วนิ ำที (s) กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลง ความเรว็ เมอ่ื เทยี บกบั เวลา

กราฟแสดงความสัมพันธ์ ระหวา่ งการกระจัดกบั เวลา เนอ่ื งจำกกำรเคล่อื นทีแ่ นวตรงทำใหข้ นำดของกำรกระจดั มคี ำ่ เทำ่ กับระยะทำง จึงทำใหเ้ ขียนกรำฟแสดงควำมสัมพันธ์ระหวำ่ งกำรกระจัด (∆x) กบั เวลำ (t) ได้ ตวั อย่ำงเช่น รถยนต์เคลอ่ื นที่ในแนวตรงไดก้ ำรกระจัดในแตล่ ะวนิ ำทีดงั แสดงในภำพ และสำมำรถเขียนกรำฟแสดงควำมสัมพันธร์ ะหวำ่ งกำรกระจดั กับเวลำ (∆x − t) ได้ t=0s t=1s t=2s t=3s การกระจดั (m) 5m 25 10 m 20 15 m 15 10 การเคลอ่ื นที่ของรถยนตใ์ นแตล่ ะวินาที 5 0 เวลา (s) 12 34 กราฟแสดงความสัมพนั ธร์ ะหว่างการกระจดั และเวลา

กราฟแสดงความสัมพันธ์ ระหว่างความเรว็ กับเวลา เมือ่ วตั ถุเคลอ่ื นทแ่ี ลว้ เกิดควำมเร็วทีเ่ วลำตำ่ งๆ เรำสำมำรถเขยี นกรำฟแสดงควำมสัมพนั ธร์ ะหว่ำงควำมเร็วกับเวลำ (v − t) ได้ ตัวอย่ำงเช่น กำรเคล่ือนของรถยนตใ์ นแต่ละช่วงเวลำ ซ่งึ สำมำรถเขียนกรำฟแสดงควำมสมั พันธร์ ะหว่ำงควำมเรว็ กับเวลำของรถยนต์คนั น้ีได้ t=0s t = 1 s 5 m/s t = 2 s 10 m/s t = 3 s 15 m/s ความเร็ว (m/s) จอดนง่ิ 15 การเคลอื่ นทขี่ องรถยนตใ์ นแตล่ ะช่วงเวลา 10 5 0 เวลา (s) 1234 กราฟแสดงความสัมพนั ธ์ระหว่างความเรว็ กับเวลา

การตกแบบอสิ ระ

ความเรว็ สัมพทั ธ์ (relative velocity) ความเร็วสมั พัทธ์ (relative velocity) คือ ควำมเรว็ และตำแหนง่ ของวตั ถุทสี่ ัมพทั ธก์ ับจดุ หรอื ตำแหน่งหนึง่ ตำแหน่งใดเสมอ กรอบอา้ งองิ เฉ่อื ย (inertial frame) คือ กรอบอำ้ งองิ ทอี่ ยู่นิ่งหรอื เคล่อื นทดี่ ว้ ยควำมเรว็ สมั พัทธก์ บั โลก ซงึ่ เปน็ กรอบทก่ี ฎทำงฟสิ ิกสเ์ ปน็ จริงเสมอ yA rറAE คือ เวกเตอร์ตำแหน่งของรถยนต์ A เทียบกับ E rറBE คือ เวกเตอร์ตำแหนง่ ของรถยนต์ B เทียบกับ E rറAB = rറAE − rറBE rറAB คือ เวกเตอรต์ ำแหนง่ ของรถยนต์ A เทยี บกบั B rറAB = rറAE − rറBE EB x เมอ่ื พจิ ำรณำสมกำร rറAB จะได้ว่ำ ควำมเร็วของรถยนต์ A เทยี บกับรถยนต์ B คือ vAB และเมอื่ ชว่ งเวลำของกำรเคล่ือนท่ขี องผ้สู งั เกตรถยนต์ A และรถยนต์ B เปน็ ชว่ งเวลำเดยี วกัน จะได้ว่ำ vAB = vAE − vBE vAE คือ ควำมเร็วของรถยนต์ A เทยี บกับ E vBE คือ ควำมเรว็ ของรถยนต์ B เทยี บกับ E ตาแหน่งของรถยนต์ A เทยี บกบั รถยนต์ B vAB คือ ควำมเร็วของรถยนต์ A เทียบกับ B