บทที่ 1 บทนำ

การอธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติ

การเรียนรู้ทางวิทยาศาสตร์เป็นผลมาจาการสังเกต การรวบรวมข้อมูล การทดลองและการคิดค้นหาเหตุผลของมนุษย์ วิชาฟิสิกส์จัดว่าเป็นวิทยาศาสตร์สาขาหนึ่ง ซึ่งมีบทบาทต่อการพัฒนาความเจริญของมนุษย์เป็นอย่างมาก การศึกษานักเรียนควรทราบลักษณะสำคัญบางประการของวิทยาศาสตร์ และฟิสิกส์โดยส่วนรวมเสียก่อน

ฟิสิกส์ (Physics)

เป็นวิทยาศาสตร์แขนงหนึ่งที่ศึกษาธรรมชาติของสิ่งไม่มีชีวิต ซึ่งได้แก่ การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ และปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นรอบตัวเรา การค้นคว้าหาความรู้ทางฟิสิกส์ทำได้โดยการสังเกต การทดลองและเก็บรวบรวมข้อมูลมาวิเคราะห์เพื่อสรุปเป็นทฤษฎี หลักการกฎ ความรู้เหล่านี้สามารถนำไปใช้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติหรือทำนายสิ่งที่อาจจะเกิดขึ้นในอนาคต และความรู้นี้สามารถนำไปใช้เป็นพื้นฐานในการแสวงหาความรู้ใหม่เพิ่มเติมและพัฒนาคุณภาพชีวิตของมนุษย์

ปริมาณกายภาพและหน่วย

        ปริมาณกายภาพ  ( physical  quantity )  เป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่ได้จากข้อมูลเชิงปริมาณ เช่น  มวล  แรง  ความยาว  เวลา  อุณหภูมิ  เป็นต้น  ปริมาณกายภาพแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ

        1.  ปริมาณฐาน  ( base  unit )  เป็นปริมาณหลักของระบบหน่วยระหว่างชาติ  มี 7 ปริมาณ ดังนี้       

ปริมาณฐาน	ชื่อหน่วย	สัญลักษณ์
ความยาว	เมตร	m
มวล	กิโลกรัม	Kg
เวลา	วินาที	s
กระแสไฟฟ้า	แอมแปร์	A
อุณหภูมิอุณหพลวัต	เคลวิน	K
ปริมาณสาร	โมล	mol
ความเข้มของการส่องสว่าง	แคนเดลา	cd

         2.  ปริมาณอนุพัทธ์  ( derived  unit )  เป็นปริมาณที่ได้จากปริมาณฐานตั้งแต่ 2 ปริมาณขึ้นไปมาสัมพันธ์กัน

คำอุปสรรค	สัญลักษณ์	ตัวพหุคูณ	คำอุปสรรค	สัญลักษณ์	ตัวพหุคูณ
เทอรา	T	10 12	พิโค	P	10 -12
จิกะ	G	10 9	นาโน	n	10 - 9
เมกะ	M	10 6	ไมโคร	m	10 – 6
กิโล	k	10 3	มิลลิ	m	10 – 3
เฮกโต	h	10 2	เซนติ	c	10 – 2
เดคา	da	10	เดซิ	d	10 - 1

การทดลองในวิชาฟิสิกส์

สิ่งที่สำคัญประการหนึ่งในการทดลองคือการบันทึกข้อมูลตามความเป็นจริง  การบันทึกข้อมูลนั้นมีได้ 2 ลักษณะ คือ การบันทึกข้อมูลเชิงคุณภาพ (บอกถึงลักษณะ และคุณสมบัติต่างๆที่สังเกตได้จาการทดลอง )  และการบันทึกข้อมูลเชิงปริมาณ ( บอกถึง จำนวนมากน้อยในลักษณะเป็นตัวเลข )

ความไม่แน่นอนในการวัด

            ในการวัดปริมาณต่างๆ ด้วยเครื่องย่อมมี ความผิดพลาด ( error ) หรือ ความคลาดเคลื่อน อยู่เสมอ เช่นวัดความหนาของท่อนไม้ ได้ 2.5 เซนติเมตรกว่า ๆ แต่ไม่ถึง 2.6 เซนติเมตร ดังนั้นจึงควรบันทึก 2.54  หรือ 2.55  หรือ 2.56 โดยตัวสุดท้าย ( 4 , 5 , 6  ) เป็นการคาดคะเน การบันทึกเราควรบันทึกให้มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุด เราควรบันทึกดังนี้  2.55 ± 0.01  โดย 2.55 คือปริมาณที่วัดได้ ( A )  และ ± 0.01 คือ ค่าความคลาดเคลื่อน หรือ ความไม่แน่นอนของการวัด (± DA )

            สรุปได้ว่า การบันทึกตัวเลขที่ได้จากการวัด ย่อมมีความผิดพลาด จึงควรแสดงผลการวัดเป็น  ( A ± DA )

เลขนัยสำคัญ

เลขนัยสำคัญ (Significant Figure) คือ จำนวนหลักของตัวเลขที่แสดงความเที่ยงตรงของปริมาณที่วัดหรือคำนวณได้ ดังนั้นตัวเลขนัยสำคัญจึงประกอบด้วยตัวเลขทุกตัวที่แสดงความแน่นอน (certainty) รวมกับตัวเลขอีกตัวหนึ่งที่แสดงความไม่แน่นอน (uncertainty) ซึ่งขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่เราเลือกใช้ด้วย

หลักการนับจำนวนเลขนัยสำคัญ

1. ตัวเลขที่ไม่ใช่ 0 (ศูนย์) เป็นเลขนัยสำคัญ เช่น

• 845 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว
• 2.754 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตัว

2. เลข 0 (ศูนย์) ที่อยู่ระหว่างตัวเลขถือเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น

• 409 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว
• 50,802 มีเลขนัยสำคัญ 5 ตัว

3. เลข 0 (ศูนย์) ที่อยู่ทางซ้ายของตัวเลขที่ไม่ใช่ศูนย์ ไม่ถือเป็นเลขนัยสำคัญ จุดมุ่งหมายก็เพื่อแสดงตำแหน่งของจุดทศนิยม เช่น

• 0.03 มีเลขนัยสำคัญ 1 ตัว
• 0.00006972 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตัว

4. เมื่อตัวเลขมากกว่า 1 เลข 0 (ศูนย์) ที่เขียนทางขวามือถือเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น

• 2.0 มีเลขนัยสำคัญ 2 ตัว
• 57.074 มีเลขนัยสำคัญ 5 ตัว
• 6.080 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตัว

แต่ถ้าตัวเลขมีค่าน้อยกว่า 1 ค่าเลข 0 (ศูนย์) ที่อยู่ท้ายตัวเลขและอยู่ระหว่างตัวเลขถือเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น

• 0.040 มีเลขนัยสำคัญ 2 ตัว

หลักการคำนวณตัวเลขนัยสำคัญ

การบวกและการลบ จะคงเหลือจำนวนเลขทศนิยมไว้ให้เท่ากับจำนวนเลข ที่อยู่หลังจุดทศนิยมทีมีจำนวนน้อยที่สุด เช่น

• 20.2+3.0+0.3 = 23.5
• 2.12 + 3.895 + 5.4236 = 11.4386 ในที่นี่ตัวเลขที่มีตำแหน่งทศนิยมน้อยที่สุดคือ 2 ตำแหน่ง ดังนั้นคำตอบก็คือ 11.44 (การปัดเศษถ้ามีค่ามากกว่า 5 ให้ปัดขึ้น)

การคูณและการหาร ผลลัพธ์ที่ได้จะมีจำนวนตัวเลขนัยสำคัญที่น้อยที่สุด ของตัวเลขที่นำมาคูณหรือหาร เช่น

• 21.1x0.029x83.2 = 50.91008 (0.029 มีเลขนัยสำคัญ 2 ตัว ) ดังนั้น คำตอบที่ได้ คือ 51

การบันทึกผลการคำนวณ

            1. การบวก หรือ ลบกัน  ความคลาดเคลื่อนของผลลัพธ์ต้องคิดจากปริมาณความคลาดเคลื่อนจริง มาบวกกันเสมอ เช่น

              1.1   ( A ± DA ) + ( B ± DB )      =  ( A + B ) ± ( DA + DB )

              1.2   ( A ± DA ) -  (2B ± 2 DB )  = ( A -  2B )  ±(  DA + 2 DB )

            2. การคูณ หรือ หารกัน  หาเปอร์เซนต์ ( % ) ความคลาดเคลื่อนของผลลัพธ์จากการคูณหรือหาร โดยนำเปอร์เซนต์ ( % ) ของความคลาดเคลื่อนของแต่ละปริมาณมาบวกกัน เช่น หาเปอร์เซนต์ของความคลาดเคลื่อนพิจารณาดังนี้

               1. ( A ± DA )   หา เปอร์เซ็นต์ ( %) ของความคลาดเคลื่อน =  x 100 %

               2. ( B ± DB )     หา เปอร์เซ็นต์ ( %) ของความคลาดเคลื่อน =  x 100 %

   3. ( C ± DC )     หา เปอร์เซ็นต์ ( %) ของความคลาดเคลื่อน =  x 100 %

2.1  ( A ± DA ) · ( B ± DB )  =  ( A · B ) ± (  x 100 % +  x 100 % )

2.2   ( A ± DA ) / ( B ± DB )  =  ( A / B ) ± (  x 100 % +  x 100 % )

2.3   ( A ± DA ) · ( B² ± 2BDB )  =  ( A · B² ) ± (  x 100 % + 2  x 100 % )

2.4  ( A ± DA ) · ( B ± DB ) / (  ±  ) =  ( A · B / ) ± (  x 100 % +  x 100 %  + x 100 % )

การวิเคราะห์ผลการทดลอง

วิชาฟิสิกส์ในปัจจุบันเป็นหลักสูตรใหม่ที่เน้นการทดลอง  และผลการทดลองที่ได้ออกมามักจะเป็นความสัมพันธ์กันเชิงตัวเลข แล้วนำไปเขียนกราฟระบบพิกัดฉาก   แล้าหาสูตรจากกราฟเพื่อสรุปผลการทดลอง   ดังนั้นควรมีความเข้าใจเกี่ยวกับการวิเคราะห์และแปลความหมายของกราฟ

กราฟ  คือ รูปที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสองปริมาณหรือเรียกว่า ตัวแปร  สองตัว  กราฟที่เราจะศึกษานี้เป็นกราฟในระบบพิกัดฉาก  โดยมีแกน  X  เป็นแกนนอน  และ แกน Y  เป็นแกนตั้ง  และให้ค่าบนแกน X  เป้นค่าของตัวแปรที่เรากำหนดไว้ล่วงหน้า  เรียกกว่า  ตัวแปรอิสระ  สำหรับค่าบนแกน Y  กำหนดให้เป็นค่าของตัวแปรที่คาดว่าจะแปรตามตัวแปรอิสระ   เรียกกว่า  ตัวแปรตาม  ซึ่งค่าตัวแปรตามนี้จะได้จากการใช้เครื่องมือวัด

ค่าของ  x   เรียกว่า   Abscissa   

ค่าของ     y   เรียกว่า   ordinate

สำหรับค่า  x  และ y   ที่เหมาะสมกันเป็นคู่  เรียกว่า  Co - ordinate   จุดต่าง ๆ ที่พล๊อดลงในกราฟจึงเรียกว่า   Co - Ordinate

กราฟที่มักพบในวิชาฟิสิกส์ส่วนใหญ่ ได้แก่       

1.  กราฟเส้นตรง
2.  กราฟพาราโบลา
3.  กราฟเส้นโค้ง