บทที่ 1 บทนา
1.1 ฟิสิกส์ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
ฟิสิกส์ (Physics) มาจากภาษากรีก ซึ่งหมายความว่าธรรมชาติ (nature) คือวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับมวลสารและพลังงานเพื่อนาไปอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่สังเกตเห็นหรือแก้ปัญหาที่เร้นลับทางธรรมชาติ
ฟิสิกส์แยกการศึกษาออกเป็น 2 ประเภทดังนี้
1. ฟิสิกส์ยุคเก่า (Classical Physics) เป็นการศึกษาเพื่อค้นคว้าหาหลักเกณฑ์และขบวนการต่างๆที่จะนามาอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ที่สังเกตเห็นได้ด้วยตา หมายความว่าเป็นการศึกษาระบบที่เกี่ยวกับมวลที่มีขนาดใหญ่ ๆ เช่น การเคลื่อนที่ของวัตถุต่าง ๆ
2. ฟิสิกส์ยุคใหม่ (Modern Physics) เป็นการศึกษาสิ่งที่เร้นลับที่มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น เช่น โครงสร้างอะตอม พลังงานที่ได้จากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ฯลฯ
วิทยาศาสตร์ (science) หมายถึง การศึกษาความเป็นจริงในธรรมชาติทั้งที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต แบ่งเป็น 2 สาขา ดังนี้
1. วิทยาศาสตร์กายภาพ (Physical science) เป็นการศึกษาธรรมชาติเกี่ยวกับสิ่งไม่มีชีวิต แขนงวิชาวิทยาศาสตร์กายภาพที่สาคัญมี 2 สาขา คือ ฟิสิกส์ และ เคมี
2. วิทยาศาสตร์ชีวภาพ (Biological science) เป็นการศึกษาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ
แนวทางการได้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ หรือ ฟิสิกส์
1. แนวทางที่หนึ่ง ( แนวทางโดยประสบการณ์ ) มีองค์ประกอบได้มา 5 ขั้นตอน
1.1 การสังเกต 1.2 การบันทึก 1.3 การทดลอง 1.4 การวิเคราะห์ 1.5 การสรุปผล
2. แนวทางที่สอง ( แนวทางโดยทฤษฎี)
2.1 ใช้ความคิดสร้างสรรค์ความรู้ใหม่ โดยอาศัยข้อมูลจากความรู้เดิม
2.2 สร้างแบบจาลองทางความคิด (หรือทฤษฎี หรือข้อสรุป ) ขึ้นใหม่
2.3 ทดลองหาข้อพิสูจน์เพื่อยืนยันความถูกต้องของแบบจาลองทางความคิดที่สร้างขึ้นใหม่
ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ตามแนวทางที่สองนี้ ไม่ได้เริ่มต้นจากการสังเกต และการทดลอง แต่
เริ่มต้นด้วยการสร้างแบบจาลองทางความคิดขึ้นก่อน แล้วจึงหาข้อพิสูจน์ยืนยันความถูกต้องภายหลัง
เทคโนโลยี (technology) หมายถึง วิทยาการที่เกี่ยวกับศิลปะในการสร้าง ผลิต หรือใช้วัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่ออานวยประโยชน์ต่อมนุษย์โดยตรง หรือสิ่งต่าง ๆ ที่มนุษย์ใช้สอยได้
1.2 วิชาฟิสิกส์
วิชาฟิสิกส์ที่นักเรียนจะได้เรียน จะเป็นความรู้ความเข้าใจที่เกิดขึ้น และสะสมกันมาในช่วงเวลา 400ปี
ซึ่งเป็นส่วนพื้นฐานของวิชาที่ได้จัดให้เป็นระบบ เพื่อให้เกิดความสะดวกต่อการเรียนรู้ และในที่สุดเรื่องต่าง ๆ ที่เรียนจะสัมพันธ์กันทุกเรื่อง การเรียนรู้ที่ดีจะต้องมีความเข้าใจหลักการของเรื่องนั้น ๆ จนสามารถนาหลักการไปประยุกต์ได้ การฝึกให้สามารถประยุกต์หลักการกับการแบบฝึกหัดหรือโจทย์ปัญหาเป็นส่วนสาคัญอย่างหนึ่งที่นักเรียนควรพยายามคิดด้วยตนเอง ซึ่งจะเป็นการฝึกคิดอย่างฟิสิกส์หรืออย่าง
2
นักวิทยาศาสตร์ การทาการทดลอง นอกจากจะทาให้นักเรียนรู้ด้วยความเข้าใจแบบเป็นรูปธรรมแล้ว ยังฝึกให้เรียนรู้วิธีทาการทดลองและการวิเคราะห์ผลในลักษณะที่นักวิทยาศาสตร์ปฏิบัติกัน
1.3 ปริมาณทางฟิสิกส์และหน่วย
ปริมาณทางฟิสิกส์แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ
1. ปริมาณสเกลาร์ (Scalar quantity) เป็นปริมาณที่มีแต่ขนาดเพียงอย่างเดียว เช่น มวล อัตราเร็ว
2. ปริมาณเวกเตอร์ (Vector quantity ) เป็นปริมาณที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เช่น น้าหนัก ความเร็ว
เครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์หรือฟิสิกส์
เครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์มีความจาเป็นดังนี้
1. เครื่องมือวัดช่วยทาให้เราสามารถวัดปริมาณต่าง ๆ ที่ต้องการได้สะดวกรวดเร็วและปลอดภัย
2. เครื่องมือวัดทาให้เราสามารถวัดปริมาณต่าง ๆที่ประสาทการรับรู้ของมนุษย์ไม่สามารถตรวจ สอบได้โดยตรง
3. งานต่าง ๆ ทางด้านวิทยาศาสตร์หรือฟิสิกส์จาเป็นอย่างยิ่งที่ต้องอาศัยเครื่องมือเข้าช่วย
*** เครื่องวัด ช่วยให้ได้มาซึ่งข้อมูลใหม่ ๆ ที่ต้องการ ***
การแสดงผลการวัด
โดยทั่วไปเครื่องมือวัดจะแสดงผลการวัด 2 แบบ คือ
1. แสดงผลการวัดแบบขีดสเกล เช่น ไม้บรรทัด , ไม้เมตร , สายวัด ฯลฯ
2. แสดงผลการวัดแบบตัวเลข เช่น นาฬิกาจับเวลา , มิเตอร์รถยนต์ ฯลฯ
หน่วยการวัด
หน่วย (unit) คือ ชื่อที่ใช้กาหนดปริมาณ เดิมใช้กันหลายระบบ ปัจจุบันองค์การระหว่างประเทศว่า ด้วยมาตรฐานเสนอให้ใช้หน่วยระบบเดียวกัน เรียกว่า ‘ระบบหน่วยระหว่างชาติ’ (Systeme International
Units) เรียกโดยย่อว่าหน่วย เอสไอ (SI unit)
หน่วย ฐาน (base unit) เป็นหน่วยหลักของเอสไอ มีทั้งหมด 7 หน่วย ดังตาราง
ปริมาณฐาน
ชื่อหน่วย
สัญลักษณ์
ความยาว (lengh)
เมตร (metre)
m
เวลา (time)
วินาที (second)
s
มวล (mass)
กิโลกรัม (kilogram)
kg
อุณหภูมิ (temperature)
เคลวิน (Kelvin)
K
กระแสไฟฟ้า (Electric current)
แอมแปร์ (Ampere)
A
ปริมาณของสาร (Amount of substance)
โมล (Mole)
mol
ความเข้มของการส่องสว่าง (Luminous intensity)
แคนเดลา (candela)
cd
3
หน่วยอนุพันธ์ (Derived units) เป็นหน่วยซึ่งประกอบด้วยหน่วยฐานหลายหน่วยมาเกี่ยวข้องกันในลักษณะการคูณหรือหารกัน เช่น อัตราเร็ว (m/s) และ แรง (kg.m/s2 ) เป็นต้น
หน่วยเสริม (Supplementary Units) เป็นหน่วยที่มีชื่อพิเศษมีอยู่ 2 หน่วย คือ หน่วยวัดมุมบนระนาบ (plane angle) เรียกว่า เรเดียน (Radian , Rad) และหน่วยวัดมุมตัน (Solid angle) เรียกว่า สเตอเรเดียน (Steradian , Sr)
1. เรเดียน คือ มุมบนระนาบที่เกิดขึ้นระหว่างเส้นรัศมีของวงกลมวงหนึ่งซึ่งถูกรองรับด้วยเส้นโค้งของวงกลมที่มีความยาวเท่ากับรัศมีของวงกลมนั้น
2. สเตอเรเดียน คือ มุมตันที่มีจุดยอดอยู่ที่จุดศูนย์กลางของทรงกลมซึ่งถูกรองรับด้วยผิวของทรงกลมที่มีพื้นที่เท่ากับรัศมีของทรงกลมนั้นยกกาลังสอง
สิ่งที่มีผลกะทบต่อความถูกต้องของการวัด
1. เครื่องมือที่ใช้วัด ควรเป็นเครื่องมือที่ได้มาตรฐานสากล
2. วิธีการวัดและการเลือกใช้เครื่องมือในการวัด ขึ้นกับปัจจัยหลายอย่าง เช่น ถ้าวัดระยะทางสั้นๆ
อาจใช้ไม้บรรทัด แต่ถ้าเป็นการวัดระยะทางระหว่างดวงดาวก็อาจจะใช้วิธีการใหม่ ๆ โดยหลักสาคัญวิธีการและเครื่องมือที่ใช้วัด จะต้องส่งผลกระทบน้อยมากต่อสิ่งที่ทาการวัด
3. ผู้ทาการวัด ตัวผู้ทาการวัดจะต้องมีความรู้