การเบนของล าอ เล กตรอนในสนามแม เหล ก ม ประโยชน อะไรบ าง

แนวการเรียงตัวของผงเหล็กรอบแท่งแม่เหล็ก เรียกว่า เส้นสนามแม่เหล็ก ( magnetic field line) ซึ่งใช้เป็นประจักษ์พยานพบว่ามีสนามแม่เหล็กในบริเวณนั้น แม้จะมองด้วยตาไม่เห็นบริเวณใดมีความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็กน้อย สนามแม่เหล็กในบริเวณนั้นมีความเข้มน้อย ส่วนบริเวณใดมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นมาก บริเวณนั้นสนามแม่เหล็กทีวคามเข้มสูง ซึ่งได้แก่ บริเวณขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก

เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ ในบริเวณรอบๆแท่งแม่เหล็ก จะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศว่าอยู่แนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน ดังภาพ 2.2 เมื่อกำหนดให้ทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกันกับทิศท่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป จะได้ว่าเส้นสนามแม่เหล็กมีทิศจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก

กิจกรรม 2.1 ทำให้รู้ว่าสนามแม่เหล็กในบริเวณต่างๆ รอบแท่งแม่เหล็กมีค่าไม่เท่ากัน

ภาพ 2.2 การวางตัวของเข็มทิศในแนวเส้นสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กที่มีค่าคงตัวมีหรือไม่ กิจกรรม 2.2 สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 1. วางเข็มทิศขนาดเล็กให้เรียงกันเป็นสามแถวชิดกันแถวละ 3 อัน สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ 2. วางแม่เหล็กสองอันขนานกัน และให้ขั้วต่างชนิดใกล้กัน โดยให้เข็มทิศทุกอันอยู่ระหว่างแม่เหล็กทั้งสอง สังเกตการวางตัวของเข็มทิศ

ภาพการจัดอุปกรณ์

– เขียนแผนภาพแสดงเส้นสนามแม่เหล็กตามแนวเข็มทิศชี้ – การวางตัวของเข็มทิศครั้งหลัง เหมือนหรือแตกต่างจากครั้งแรกอย่างไร – อธิบายผลการทดลองนี้ได้ว่าอย่างไร

สนามแม่เหล็กที่สังเกตได้จากกิจกรรม 2.2 นี้เป็นสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งประมาณว่ามีทิสทางเดียวกัน และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่งสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ มีเส้นสนามแม่เหล็กที่เป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งประมาณว่ามีทิศทางเดียวกัน และมีค่าเท่ากันทุกๆตำแหน่ง สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอนำไปใช้ประโยชน์หลายอย่าง เช่น การสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า และเครื่องวัดทางไฟฟ้าต่างๆ เป็นต้น

ภาพ 2.3 สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

สนามแม่เหล็กมีผลต่ออะไร จะได้ศึกษาต่อไป

2.1.1 ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า สนามแม่เหล็กสามารถดูดและผลักวัสดุขนาดใหญ่ได้ ถ้าเป็นกรณีอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นองค์ประกอบของอะตอม เช่น อิล็กตรอน จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่

กิจกรรมสาธิต 2.1 ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอน ต่อขั้วทั้งสองของหลอดรังสีแคโทดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟโวลต์สูง (ประมาณ 12,000 – 15,000 โวลต์) เปิดสวิตซ์ของแหล่งจ่ายไฟตรงโวลต์สูง สังเกตสิ่งที่เกิดขึ้น นำขั้วเหนือของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอด จากนั้นสลับขั้วให้ขั้วใต้ของแม่เหล็กเข้าใกล้หลอดบ้าง สังเกตการเปลี่ยนแปลง

ภาพหลอดรังสีแคโทด – การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตเห็นคืออะไรและเกิดขึ้นจากอะไร

ข้อควรระวัง ต้องไม่ให้ส่วนใดของร่างกายและโลหะเข้าใกล้ขั้วหลอดรังสีแคโทด เพราะจะเป็นอันตราย เนื่องจากไฟฟ้าโวลต์สูง

เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะถูกแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็ก หรือแรงแม่เหล็ก (magnetic force) กระทำ ทำให้แนวการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป ดังภาพ 2.4

ภาพ 2.4 แรงแม่เหล็กและแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก

ความรู้เรื่องการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กมีประโยชน์อะไรบ้าง

ภาพ 2.5 จอคอมพิวเตอร์

ภาพ 2.6 จอโทรทัศน์

โทรทัศน์เป็นอุปกรณืไฟฟ้าที่ใช้แพร่หลาย ทั่วทุกบ้านและทั่วโลก มีส่วนประกอบสำคัญคือหลอดภาพ ซึ่งทำงานโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กหลอดภาพมีส่วนประกอบ 3 ส่วนดังนี้ ส่วนแรกคือ ขั้วแคโทด ส่วนที่สองคือ จอเรืองแสง ซึ่งฉาบสารเรื่องแสงไว้ เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบจอจะทำให้เกิดจุดสว่าง และส่วนสุดท้ายคือ ขดลวดเบี่ยงเบน ทำหน้าที่ผลิตสนามแม่เหล็กเพื่อเบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอน และควบคุมให้ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่กวาดไปมาบนจอภาพในแนวระดับด้วยความเร็วสูงมาก ทำให้เกิดภาพขึ้น อย่างไรก็ตามการที่ลำอิเล็กตรอนกระทบกับจอภาพจะมีรังสีเกิดขึ้นด้วย จึงไม่ควรดุโทรทัศน์ใกล้จอมากเกินไป

ภาพ 2.7 หลอดภาพของโทรทัศน์ขาวดำ

2.1.2 ผลของสนามแม่เหล็กต่อการเคลื่อนที่ของลำตัวที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน นักเรียนคงเคยทราบแล้วว่า กระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และในหัวข้อที่ได้ศึกษามาแล้ว จะเห็นว่าเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปในสนามแม่เหล็กจะมีการเปลี่ยนแปลงใดเกิดขึ้นหรือไม่ และจะนำความรู้ที่ได้ไปใช้ประโยชน์อย่างไร

กิจกรรม 2.3 ผลของสนามแม่เหล็กที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน

ภาพการจัดอุปกรณ์ 1. นำแถบอะลูมิเนียมฟอยล์ที่ต่ออยู่กับแบตเตอรี่และสวิตซ์ ไปวางระหว่างแม่เหล็กสองอันที่หันขั้วต่างชนิดเข้าหากัน โดยจัดให้ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก กดสวิตซ์ให้กระแสไฟฟ้าผ่านแถบอะลูมิเนียมฟอยล์ สังเกตการเปลี่ยนแปลง แล้วตัดวงจรทันที 2. ทำการทดลองซ้ำ โดยกลับทิศของกระแสไฟฟ้าหรือทิศของสนามแม่เหล็ก สังเกตผลที่เกิดขึ้น เปรียบเทียบกับการทดลองในตอนแรก 3. ทำการทดลองซ้ำ โดยให้กระแสไฟฟ้ามีทิศเดียวกับสนามแม่เหล็ก สังเกตและบันทึกผล – อธิบายและสรุปผลของสนามแม่เหล็กในการทดลองนี้

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำซึ่งวางตัดกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำ มีผลให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่ ทิศทางของแรงแม่เหล็กขึ้นอยู่กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก หลักการนี้นำไปใช้ประโยชน์ในการสร้างมอนิเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องวัดไฟฟ้าต่างๆ เมื่อต่อขดลวดกัลแบตเตอรี่ ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด ดังภาพที่ 2.8 จะเกิดแรงกระทำบนขดลวดด้าน ab และ cd ในทิศตรงข้าม แรงที่เกิดขึ้นนี้ทำให้ขดลวดหมุนได้

ภาพ 2.8 แรงที่กระทำต่อขดลวดในสนามแม่เหล็ก ทำให้ขดลวดหมุน ซึ่งเป็นหลักการของมอเตอร์ไฟฟ้า

ภาพ 2.9 มอเตอร์ไฟฟ้า

กิจกรรมเพิ่มเติม ออกแบบสร้างมอเตอร์อย่างง่าย เพื่อนำไปใช้งานตามที่ร่วมกันกำหนดไว้

ความสามารถในการหมุนของขดลวดขณะอยู่ในสนามแม่เหล็กดังกล่าวนี้ นำไปใช้สร้างมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งเป็นอุปกรณที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานกลในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายอย่างได้ เช่น พัดลม เครื่องดูดฝุ่น เครื่องผสมอาหาร และสว่านไฟฟ้า เป็นต้น

ภาพ 2.10 อุปกรณ์ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า

จากที่ศึกษามาจะเห็นว่า การนำขดลวดที่ต่อกับแบตเตอรี่ไปวางในสนามแม่เหล็ก จะทำให้เกิดแรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่าน ขดลวดจึงหมุนได้ ในทางกลับกัน ถ้ายกแบตเตอรี่ออกจากวงจร แล้วหมุนขดลวดในสนามแม่เหล็ก ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในขดลวดได้เช่นกันกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้ เรียกว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current) ซึ่งพบโดยไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ในปี ค.ศ. 1831 หลักการดังกล่าวนี้ ได้นำไปสู่การสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า -พลังงานที่นำไปใช้ในการหมุนขดลวดตัดสนามแม่เหล็ก เพื่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มาจากแหล่งพลังงานใดบ้าง

ภาพ 2.11 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า

2.1.3 สนามแม่เหล็กโลก นักเรียนได้ศึกษาสนามแม่เหล็กจากแท่งแม่เหล็กและบริเวณที่สนามแม่เหล็กแผ่ขยายไปถึงมาแล้ว ทราบหรือไม่ว่า โลกก็มีสนามแม่เหล็กโดยรอบเช่นกัน

โรงไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กโลกมีลักษณะอย่างไร

กิจกรรม 2.4 สนามแม่เหล็กโลก แขวนแท่งแม่เหล็กที่บริเวณต่างๆ ในห้องเรียน โดยเลือก 2 – 3 ตำแหน่งที่ห่างกันพอสมควร ให้อท่งแม่เหล็กวางตัวอยู่ในแนวระดับและสามารถหมุนได้คล่อง เมื่อทำให้แท่งแม่เหล็ก หยุดนิ่ง สังเกตการวางตัวของแท่งแม่เหล็ก – ขั้วเหนือและขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็กชี้ไปทางทิศใด

ภาพการจัดอุปกรณ์

จากกิจกรรม 2.4 แสดงว่าโลกมีสมบัติเสมือนมีแม่เหล็กขนาดใกญ่ฝังอยู่ใต้โลก โดยวางตัวในแนวเหนือใต้และแผ่สนามแม่เหล็กปกคลุมทั้งโลก เรียกว่า สนามแม่เหล็กโลก (Earth’s magnetic field) ดังภาพ 2.12 ซึ่งมีประจักษ์พยานคือการที่แท่งแม่เหล็กพยายามวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ

มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์ของสนามแม่เหล็กโลกหลังจากที่ได้พบว่า เมื่อวางแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กบนวัตถุปลายแหลม เพื่อให้หมุนในแนวราบอย่างอิสระ แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือใต้เสมอ จึงนำความรู้นี้มาใช้ในการสร้างเข็มทิศ เพื่อบอกทิศทาง เข็มทิศเป็นเครื่องมือสำคัญของนักเดินทาง และนักสำรวจในหลายศตวรรษที่ผ่านมา

2.12 แสดงลักษณะสนามแม่เหล็กโลก

2.13 เข็มทิศแบบต่างๆ

สนามแม่เหล็กโลกมีวคามสำคัญต่อโลกอย่างไรอีกบ้าง

ภาพ 2.14 สนามแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลกมีประโยชน์สำคัญอีกประการหนึ่งคือเป็นโล่ป้องกันอันตรายจาก ลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ ส่วนใหญ่เป็นโปรตรอนและอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมาจากดวงอาทิตย์ โดยสนามแม่เหล็กโลกจะป้องกันไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นทำลายชั้นบรรยากาศ ซึ่งจะเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลก

นอกจากสนามแม่เหล็กซึ่งมีประโยชน์มหาศาลแล้วยังมีสนามของแรงอะไรอีกบ้าง

สนามไฟฟ้า นักเรียนอาจเคยพบว่า ในวันที่อากาศแห้ง เวลานำหวีมาถูกับผมแห้ง แล้วนำไปวางใกล้เศษกระดาษชิ้นเล็กๆ จะพบว่าหวีสามารถดูดเศษกระดาษได้ แรงดูดนี้เป็น แรงไฟฟ้า (electric force) และหวีที่ทำให้เกิดแรงดูดนี้มี ประจุไฟฟ้า (electric charge) เรียกสั้นๆว่า ประจุ ซึ่งมีทั้งประจุบวกและประจุลบ

ประจุไฟฟ้าจะมี สนามไฟฟ้า (electric field) แผ่กระจายโดยรอบ สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้ามีลักษณะดังภาพ 2.15

ภาพ 2.15 สนามไฟฟ้าของประจุไฟฟ้า

– สนามไฟฟ้าของประจุบวกและประจุลบมีลักษณะแตกต่างกันอย่างไร – เราจะตรวจสอบสนามไฟฟ้าได้อย่างไร

เมื่อขั้วต่อไฟฟ้าซึ่งเป็นโลหะกับเครื่องจ่ายไฟตรงโวลต์สูง แล้วนำขั้วไฟฟ้าทั้งสองแตะบนกระดาษกรองเปียกน้ำหมาดๆ ที่วางบนแผ่นกระจก โดยให้ขั้วทั้งสองห่างกันประมาณ 4 เซนติเมตร โรยผงด่งทับทิมบดละเอียดลงบนกระดาษกรอง โดยกระจายผงให้สม่ำเสมอในบริเวณระหว่างขั้วและรอบขั้ว เมื่อเปิดเครื่องจ่ายไฟตรงโวลต์สูงให้ทำงาน ผงด่างทับทิมจะแผ่กระจายตามแนวต่างๆ ปรากฏเป็นเส้นให้เห็นอย่างชัดเจน ซึ่งเรียกว่า เส้นสนามไฟฟ้า (electric field line) ตัวอย่างเส้นสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าโลหะปลายแหลมสองปลายที่มีประจุต่างชนิดกันและแผ่นโลหะขนานสองแผ่นที่มีประจุต่างชนิดกัน มีลักษณะดังภาพ 2.16

ภาพ 2.16 เส้นสนามไฟฟ้าของวัตถุรูปทรงต่างๆ ที่มีประจุ หัวลูกศรแสดงทิศของสนามไฟฟ้า

จากภาพบริเวณใดที่มีเส้นสนามไฟฟ้าหนาแน่นมากบริเวณนั้นมีสนามไฟฟ้าที่มีค่ามากและบริเวณใดที่มีเส้นสนามไฟฟ้าหนาแน่นน้อย บริเวณนั้นสนามไฟฟ้ามีค่าน้อยและบริเวณที่มีเสน้สนามไฟฟ้าขนานกัน บริเวณนั้นมีสนามไฟฟ้าขนาดสม่ำเสมอ

ในการศึกษาอนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้าพบว่าอนุภาคที่มีประจุบวกเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า จะถูกแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าหรือแรงไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคนั้น ให้เคลื่อนที่ในทิศเดียวกับสนามไฟฟ้า ส่วนอนุภาคที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า ดังภาพ 2.17 และ 2.18

ภาพ 2.17 แรงกระทำต่อประจุ ในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

ภาพ 2.18 การเคลื่อนที่ของประจุในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

จากหลักการดังกล่าวข้างต้น อธิบายการแพร่กระจายของผงด่างทับทิมได้ดังนี้ เมื่อผงด่างทับทิมถูกน้ำ จะแตกตัวเป็นไอออนบวกและไอออนลบ หากไอออนเหล่านี้อยู่ในสนามไฟฟ้าที่เกิดระหว่างขั้วโลหะทั้งสอง โดยขั้วหนึ่งมีประจุบวก (ขั้วบวก) และอีกขั้วหนึ่งมีประจุลบ (ขั้วลบ) ไอออนทั้งสองชนิดจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำ โดยไอออนลบจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่ไปตามเส้นสนามไฟฟ้า จากขั้วลบไปขั้วบวก ส่วนไอออนบวกจะถูกแรงไฟฟ้ากระทำให้เคลื่อนที่ในทิสตรงข้าม ทำให้เห็นเป็นแนวการแผ่กระจายดังภาพ 2.16

หลักการนี้สามารถนำไปใช้ในการกำจัดฝุ่น เพื่อลดมลภาวะของอากาศโดยเมื่อให้อากาศที่มีฝุ่นละอองผ่านเครื่องกำจัดฝุ่น ฝุ่นเล็กๆจะรับประจุไฟฟ้าลบจากขั้วลบของเครื่อง และถูกดูดติดแน่นโดยแผ่นขั้วบวก เครื่องกำจัดฝุ่นนี้มักใช้ดักจับฝุ่นจากปล่องควันของบ้านเรื่อนหรือโรงงานอุตสาหกรรม ก่อนที่จะปล่อยออกสู่บรรยากาศ

ถ้าให้อิเล็กตรอน เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร ในการทำให้ลำอิเล็กตรอนเบนไปจากแนวเดิม นอกจากสามารถใช้สนามแม่เหล็กแล้ว ก็ยังใช้สนามไฟฟ้าได้ด้วย กล่าวคือเมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ พบว่าแรงไฟฟ้าที่กระทำต่ออิเล็กตรอน จะทำให้แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเบนจากแนวการเคลื่อนที่เม ดังภาพ 2.19

ภาพ 2.19 การเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ

ความรู้เกี่ยวกับการเบนของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้าและหลอดรังสีแคโทด นำไปสู่การสร้างจอแสดงผลของเครื่องมือและอุปกรณ?ทางอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิด เช่น จอเรดาร์ และออสซิลโลสโคป เป็นต้น

ภาพ 2.20 โครงสร้างของหลอดรังสีแคโทด

ภาพ 2.21 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้หลอดรังสีแคโทดเพื่อแสดงผล

สนามโน้มถ่วง

ภาพ 2.22 สนามโน้มถ่วงของโลก เมื่อปล่อยวัตถุ วัตถุจะตกสู่พื้นโลก เนื่องจากโลกมี สนามโน้มถ่วง (gravitational field) อยู่รอบโลก สนามโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงดึงดูดกระทำต่อมวลของวัตถุทั้งหลายแรงดึงดูดนี้เรียกว่า แรงโน้มถ่วง (gravitational force)

สนามโน้มถ่วงเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ g และสนามมีทิศพุ่งสู่ศูนย์กลางของโลก สนามโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งต่างๆบนผิวโลก มีค่าประมาณ 9.8 นิวตันต่อกิโลกรัม

สนามโน้มถ่วงที่ตำแหน่งสูงจากผิวโลก มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร สามารถศึกษาได้จากตัวอย่างในตารางต่อไปนี้

– นักเรียนจะอธิบายข้อมูลในตารางนี้อย่างไร

ดาวฤกษ์ โลก ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์อื่นๆ และบิรวารของดาวเคราะห์ในระบสุริยะ รวมทั้งสรรพวัตถุทั้งหลาย ก็มีสนามโน้มถ่วงรอบตัวเองเช่นกัน โดยสนามโน้มถ่วงเหล่านี้มีค่าต่างกันไป

2.3.1 การเคลื่อนที่ของวัถุในสนามโน้มถ่วง วัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะถูกแรงดึงดูดดังนั้นเมื่อปล่อยวัตถุให้ตกบริเวณใกล้ผิวโลก แรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น นั่นคือวัตถุมีความเร่ง

วัตถุใดๆ ที่เคลื่อนที่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะมีความเร่งเท่ากันหรือไม่

กิจกรรม 2.5 การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วงของโลก ปล่อยถุงทราย 1 ถุง 2 ถุง และ 3 ถุง ลงในแนวดิ่ง โดยให้ถุงทรายผูกติดกับแถบกระดาษที่สอดผ่านเครื่องเคาะสัญญาณเวลานำแถบกระดาษทั้งสามแถบ มาเปรียบเทียบลักษณะการเคลื่อนที่ – จากจุดที่ปรากฏบนแถบกระดาษทั้งสามแถบ ถุงทรายในแต่ละกรณีเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันหรือไม่ – อธิบายและสรุปการเคลื่อนที่จากผลที่ได้ในกิจกรรมนี้

ภาพการจัดอุปกรณ์

การตกของวัตุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว เรียกว่า ความเร่งโน้มถ่วง (gravitational acceleration) มีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลกมีค่าต่างกันตามตำแหน่งทางภูมิศาสตร์

ในการตกของวัตถุ วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วง 9.8 เมตรต่อวินาที2 ซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุจะเพิ่มขึ้นวินาทีละ 9.8 เมตรต่อวินาที

ถ้าโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง วัตถุในสนามโน้มถ่วงจะเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่งโน้มถ่วง g โดยมีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางโลกทำให้วัตถุซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นมีความเร็วลดลง วินาทีละ 9.8 เมตรต่อวินาที จนกระทั่งความเร็วสุดท้ายเป็นศูนย์ จากนั้นแรงดึงดูดโลกจะดึงวัตถุให้ตกกลับสู่โลกด้วยความเร่งเท่าเดิม

การเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของวัตถุที่บริเวณใกล้ผิวโลกถ้าคำนึงถึงแรงโน้มถ่วงเพียงแรกเดียว โดยไม่คิดถึงแรงอื่นเช่น แรงต้านอากาศ หรือแรงลอยตัวของวัตถุในอากาศแล้ว วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งโน้มถ่วง ที่มีค่าคงตัวเท่ากับ 9.8 เมตรต่อวินาที2 ในทิศลง เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า การตกแบบเสรี (free fall) – การเคลื่อนที่ของวัตถุที่เคลื่อนที่แบบโปรเจกไทล์เป็นการตกแบบเสรีหรือไม่เพราะเหตุใด – การโดร่มของนักดิ่งพสุธาเป็นการตกแบบเสรีหรือไม่เพราะเหตุใด

ภาพ 2.23 การตกของนักดิ่งพสุธา

แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุ ก็คือน้ำหนัก (weight) ของวัตถุบนโลก หาได้จากสมการ W = mg เมื่อ m เป็นมวลของวัตถุมีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg) g เป็นแรงโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งที่วัตถุวางอยู่ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที2 (m/s2) และ W เป็นน้ำหนักของวัตถุมีหน่วยเป็นนิวตัน (N) – นักเรียนมีมวลและน้ำหนักเท่าใด – วัตถุที่กำลังตกแบบเสรีมีน้ำหนักหรือไม่เพราะเหตุใด – นักบินอวกาศที่กำลังลอยตัวในยานอวกาศหรือกำลังปฏิบัติภารกิจนอกยานอวกาศมีน้ำหนักหรือไม่ เพราะเหตุใด – วัตถุที่อยู่บนโลกและบนดวงจันทร์ มีน้ำหนักเท่ากันหริอไม่เพราะเหตุใด

โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่มีอยู่หลายแห่งในประเทศไทย ก็ใช้หลักการที่สนามโน้มถ่วงของโลกกระทำกับน้ำที่เก็บไว้ในที่สูงบนเขื่อนให้ไหลลงสู่ที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นบริเวณที่มีกังหันที่ต่อแกนเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้

การเรียนรู้เกี่ยวกับสนามของแรง ช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ ในธรรมชาติ และเห็นความสำคัญของการนำความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์เพื่อประดิษฐ์สิ่งของเครื่องใช้ที่เป็นประโยชน์ต่อสังคมมนุษย์ อย่างไรก็ตามยังต้องมีการศึกษาค้นคว้าต่อไปเพื่อทำวคามเข้าใจเกี่ยวกับสนามของแรงอย่างถ่องแท้และลึกซึ้งเพื่อสามารถนำความรู้ที่ได้มาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางและปลอดภัย