การอธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติ

– ในสมัยโบราณ มนุษย์เชื่อว่าปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติเกิดขึ้นจาก เทพเจ้า หรือสิ่งศักดิ์สิทธิ์ การอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้น ยังไม่มีความเป็นเหตุเป็นผล

– ยุคต่อมาเริ่มมีการสังเกตุและบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งที่ศึกษา เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติต่างๆ ทำให้เกิดการพัฒนาความรู้ของมนุษย์

– สรุปได้ว่า การพัฒนาความรู้ของมนุษย์ เกิดจากการสังเกตุ การบันทึกข้อมูล และการวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้เพื่อสรุปเป็นความรู้และมองเห็นความสัมพันธ์ในเชิงคณิตศาสตร์ระหว่างสิ่งต่างๆและความสัมพันธ์ระหว่างเรื่อง

ลักษณะปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่สำคัญและการป้องกันอันตราย

ปรากฏการณ์ธรรมชาติ คือ การเปลี่ยนแปลงของธรรมชาติ ทั้งในระยะยาวและระยะสั้นสภาพแวดล้อมของโลกเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ทั้งเป็นระบบและไม่เป็นระบบ เป็นสิ่งที่อยู่รอบตัวเรา
มักส่งผลกระทบต่อเราในธรรมชาติ การเปลี่ยนแปลงบางอย่างมีผลกระทบต่อเรารุนแรงมาก สาเหตุของการเปลี่ยนแปลงมีทั้งเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและเป็นสิ่งที่มนุษย์ทำให้เกิดขึ้น ในเรื่องนี้จะกล่าวถึงสาเหตุและลักษณะปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่สำคัญ ดังนี้
1) พายุ
พายุ คือ สภาพบรรยากาศที่เคลื่อนตัวด้วยความเร็วมีผลกระทบต่อพื้นผิวโลก โดยบางครั้งอาจมีความเร็วที่ศูนย์กลางถึง 400 กิโลเมตร/ชั่วโมง อาณาบริเวณที่จะได้รับความเสียหายจากพายุว่าครอบคลุมเท่าใดขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนตัวของพายุ ขนาด ความกว้าง เส้นผ่าศูนย์กลางของตัวพายุ หน่วยวัดความเร็วของพายุคือ หน่วยริกเตอร์เหมือนการวัดความรุนแรงแผ่นดินไหว
พายุแบ่งเป็นประเภทใหญ่ ๆ คือ
1. พายุฝนฟ้าคะนอง มีลักษณะเป็นลมพัดย้อนไปมาหรือพัดเคลื่อนตัวไปในทิศทางเดียวกัน
อาจเกิดจากพายุที่อ่อนตัวและลดความรุนแรงของลมลง หรือเกิดจากหย่อมความกดอากาศต่ำ ร่องความกดอากาศต่ำ อาจไม่มีทิศทางที่แน่นอน หากสภาพการณ์แวดล้อมต่าง ๆ ของการเกิดฝนเหมาะสม ก็จะเกิดฝนตกมีลมพัด
2. พายุหมุนเขตร้อน (Tropical cyclone) ได้แก่ เฮอร์ริเคน ไต้ฝุ่น และไซโคลน ซึ่งล้วนเป็นพายุหมุนขนาดใหญ่เช่นเดียวกัน และจะเกิดขึ้นหรือเริ่มต้นก่อตัวในทะเล หากเกิดเหนือเส้นศูนย์สูตร จะมีทิศทางการหมุนเวียนทวนเข็มนาฬิกา และหากเกิดใต้เส้นศูนย์สูตรจะหมุนตามเข็มนาฬิกา โดยมีชื่อต่างกันตามสถานที่เกิด คือ
2.1 พายุเฮอร์ริแคน (hurricane) เป็นชื่อเรียกพายุหมุนที่เกิดบริเวณทิศตะวันตกของมหาสมุทรแอตแลนติก เช่น บริเวณฟลอริดา สหรัฐอเมริกา อ่าวเม็กซิโก ทะเลแคริบเบียน เป็นต้น รวมทั้งมหาสมุทรแปซิฟิกบริเวณชายฝั่งประเทศเม็กซิโก
2.2 พายุไต้ฝุ่น (typhoon) เป็นชื่อพายุหมุนที่เกิดทางทิศตะวันตกของมหาสมุทรแปซิฟิกเหนือ เช่น บริเวณทะเลจีนใต้ อ่าวไทย อ่าวตังเกี๋ย ประเทศญี่ปุ่น แต่ถ้าเกิดในหมู่เกาะฟิลิปปินส์ เรียกว่า บาเกียว (Baguio)
2.3 พายุไซโคลน (cyclone) เป็นชื่อพายุหมุนที่เกิดในมหาสมุทรอินเดียเหนือ เช่น บริเวณอ่าวเบงกอล ทะเลอาหรับ เป็นต้น แต่ถ้าพายุนี้เกิดบริเวณทะเลติมอร์และทิศตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศออสเตรเลีย จะเรียกว่า พายุวิลลี-วิลลี (willy-willy)
2.4 พายุโซนร้อน (tropical storm) เกิดขึ้นเมื่อพายุเขตร้อนขนาดใหญ่อ่อนกำลังลง ขณะเคลื่อนตัวในทะเล และความเร็วที่จุดศูนย์กลางลดลงเมื่อเคลื่อนเข้าหาฝั่ง
2.5 พายุดีเปรสชัน (depression) เกิดขึ้นเมื่อความเร็วลดลงจากพายุโซนร้อน ซึ่งก่อให้เกิดพายุฝนฟ้าคะนองธรรมดาหรือฝนตกหนัก
2.6 พายุทอร์นาโด (tornado) เป็นชื่อเรียกพายุหมุนที่เกิดในทวีปอเมริกา มีขนาดเนื้อที่เล็กหรือเส้นผ่าศูนย์กลางน้อย แต่หมุนด้วยความเร็วสูง หรือความเร็วที่จุดศูนย์กลางสูงมากกว่าพายุหมุนอื่น ๆ ก่อความเสียหายได้รุนแรงในบริเวณที่พัดผ่านเกิดได้ทั้งบนบก และในทะเล หากเกิดในทะเล จะเรียกว่า นาคเล่นน้ำ (water spout) บางครั้งอาจเกิดจากกลุ่มเมฆบนท้องฟ้า แต่หมุนตัวยื่นลงมาจากท้องฟ้าไม่ถึงพื้นดิน มีรูปร่างเหมือนงวงช้าง จึงเรียกกันว่า ลมงวง

ฟิสิกส์

– ฟิสิกส์ เป็นวิชาที่ศึกษาหากฏเกณฑ์ต่างๆ สำหรับอธิบายปรากฏการณ์ในธรรมชาติ ความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงาน

– นักฟิสิกส์จะนำข้อมูลที่ได้มาวิเคราะห์แปลความหมายลงข้อสรุปเป็นหลักการและกฏเกณฑ์ต่างๆ

– ความรู้ในวิชาฟิสิกส์ ส่วนหนึ่งได้มาจากข้อมูลจากการสังเกตุและการวัดโดยอาศัยเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ

– ความรู้อีกส่วนหนึ่งได้มาจากแบบจำลองทางความคิด ซึ่งนำมาสู่การสร้างทฤษฎีเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติ

– ความรู้ทางฟิสิกส์เกี่ยวข้องกับศาสตร์ต่างๆ มากมาย รวมทั้งเป็นพื้นฐานให้เกิดเทคโนโลยี

– ความรู้ที่เป็นพื้นฐานฟิสิกส์ได้แก่ กลศาสตร์ ความร้อน แสง เสียง ไฟฟ้า แม่เหล็ก ฟิสิกส์อะตอม และ ฟิสิกส์นิวเคลียร์

1.3 ปริมาณกายภาพ และ หน่วย

– ปริมาณกายภาพ เป็น ปริมาณที่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือโดยตรงหรือโดยอ้อม

– เป็นปริมาณที่มีความหมายเฉพาะเจาะจง และ มีหน่วยกำกับจึงจะมีความหมายชัดเจน เช่น มวล หน่วยเป็น กิโลกรัม ความยาว หน่วยเป็น เมตร

– หน่วยมาตรฐานที่ใช้ในวงการวิทยาศาสตร์ทั่วโลก เรียกว่า “ระบบหน่วยระหว่างชาติ (The International System of Unit : SI Unit)

– หน่วยในระบบ เอสไอ ประกอบด้วย หน่วยฐาน และ หน่วยอนุพันธ์

-หน่วยฐาน มี 7 ปริมาณ ซึ่งมีหน่วยของปริมาณ และสัญญลักษณ์ของหน่วย ดังนี้

ปริมาณ	หน่วย	สัญญลักษณ์
ความยาว	เมตร	m
มวล	กิโลกรัม	kg
เวลา	วินาที	s
กระแสไฟฟ้า	แอมแปร์	A
อุณหภูมิ	เคลวิน	K
ความเข้มของการส่องสว่าง	แคนเดลา	cd
ปริมาณของสาร	โมล	mol

– หน่วยอนุพันธ์ เป็นหน่วยที่เกิดจากหน่วยฐานหลายหน่วย เช่นปริมาณ “แรง” มีหน่วยเป็น newton ใช้สัญญลักษณ์ N เกิดจากหน่วยฐาน ( Kg. m ) / s²

คำนำหน้าหน่วย

คำนำหน้าหน่วย เป็นคำที่เมื่อนำมาวางหน้าหน่วยแล้ว จะทำให้หน่วยใหญ่ขึ้น หรือ เล็กลง เช่น

K เมื่อนำมาวางหน่วย g —> จะทำให้หน่วย g เป็น Kg ซึ่งมีขนาดใหญ่ขึ้น 1000 เท่า ตามค่าของ K

m เมื่อนำมาวางหน่วย g —> จะทำให้หน่วย g เป็น mg ซึ่งมีขนาดเล็กลง 0.001 เท่าตามค่าของ m

คำนำหน้าหน่วย ที่สำคัญและใช้บ่อย มีดังนี้

คำอุปสรรค	สัญลักษณ์	ตัวคูณ
เทระ(tera)	T	10¹²
จิกะ(giga)	G	10⁹
เมกะ(mega)	M	10⁶
กิโล(kilo)	k	10³
เฮกโต(hecto)	h	10²
เดคา(deca)	da	10¹
เดซิ(deci)	d	10^-1
เซนติ(centi)	c	10^-2
มิลลิ(milli)	m	10^-3
ไมโคร(micro)	μ	10^-6
นาโน(nano)	n	10^-9
พิโค(pico)	p	10^-12

1.4 การทดลองในวิชาฟิสิกส์

การทดลองในวิชาฟิสิกส์ที่มีในบทเรียน เป็นการทดลองเพื่อตอบคำถาม หรือหาความจริงบางอย่าง ซึ่งวิธีทดลองได้ออกแบบตามเครื่องมือหรืออุปกรณ์ มีการนำเสนอข้อมูลจากการทดลอง การวิเคราะห์ การแปลผล และลงข้อสรุป เพื่อให้เกิดความเข้าใจ และเรียนรู้ ตามจุดประสงค์ของการทดลองนั้นๆ

1.5 ความไม่แน่แน่นอนในการวัด

เพื่อให้ผลการวัด ได้ค่าที่เหมาะสมใกล้เคียงความเป็นจริงที่สุด ผู้วัดจะต้องใช้เครื่องมือที่เหมาะสมกับสิ่งที่ต้องการวัด นอกจากนี้ประสบการณ์และความสามารถของผู้วัดก็เป็นปัจจัยสำคัญที่จะทำให้ผลการวัดมีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดด้วย

1.6 เลขนัยสำคัญ

ซึ่งขอขอบคุณ มา ณ ที่นี้

1.6.1 ผลของการวัดและเลขนัยสำคัญ

ผลของการวัดที่ได้จากเครื่องมือวัดโดยตรง ผู้วัดต้องอ่านค่าจากส่วนแสดงผลที่เครื่องวัด

ในการอ่านค่าเครื่องวัดที่เป็นขีดสเกล จะต้องทราบค่าละเอียดที่สุดที่เครื่องวัดนั้นสามารถอ่านค่าได้ แล้วประมาณค่าในตำแหน่งถัดไป เพื่อให้ได้ผลการวัดใกล้กับความเป็นจริงมากที่สุด เช่น การวัดค่าความยาวของแท่งโลหะด้วยไม้บรรทัด ดังรูป

จากรูปไม้บรรทัดมีสเกลเล็กที่สุดเท่ากับ 1 cm จึงสามารถอ่านค่าได้ละเอียดที่สุดเพียงหน่วยเซนติเมตรเท่านั้น จากนั้นประมาณค่าทศนิยมตำแหน่งที่ 1 นั่นคือการวัดความยาวของแท่งเหล็กได้ 2.2 cm

ไม้บรรทัดนี้มีสเกลเล็กสุดเท่ากับ 1 mm หรือ 0.1 cm ค่าละเอียดที่สุดที่สามารถอ่านได้คือทศนิยมตำแหน่งที่ 1 ของเซนติเมตร และประมาณค่าตัวเลขหลังทศนิยมตำแหน่งที่ 2 ดังนั้นวัดความยาวของแท่งโลหะได้ 2.27 cm

การแสดงความเที่ยงตรงของผลการวัดที่ได้จากการวัดโดยตรง หรือผลที่คำนวณมาจากผลการวัดจะใช้คำเรียกว่า “เลขนัยสำคัญ” (Significant Figure) ซึ่งประกอบด้วยตัวเลขที่แสดงความแน่นอนรวมกับตัวเลขที่แสดงความไม่แน่นอน

1.6.2 การนับเลขนัยสำคัญ

การนับจำนวนหรือตำแหน่งของเลขนัยสำคัญ แสดงในตาราง

หลักการ	ตัวอย่าง	จำนวนเลขนัยสำคัญ
1 ตัวเลขที่ไม่มีเลขศูนย์ ตัวเลขทั้งหมดนับเป็นเลขนัยสำคัญ	5.78	3 ตำแหน่ง
2 เลขศูนย์ที่อยู่หน้าตัวเลขอื่น ๆ ไม่นับเป็นเลขนัยสำคัญ	0.45 0.000357	2 ตำแหน่ง 3 ตำแหน่ง
3 เลขศูนย์ที่อยู่หลังหรือระหว่างตัวเลขอื่นที่ไม่ใช่เลขศูนย์ นับเป็นเลขนัยสำคัญ	14000.00 0.1009	7 ตำแหน่ง 4 ตำแหน่ง
4 สัญกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ ให้นับเฉพาะส่วนที่เป็นตัวเลข ไม่นับเลขยกกำลังฐาน 10	5.83 x 10^-6	3 ตำแหน่ง
5 จำนวนที่มีค่าน้อยมาก ๆ หรือค่าใหญ่มาก ๆ นิยมเขียนในรูปสัญกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ก่อน แล้วนับเลขนัยสำคัญ	298000 2.98 x 10⁵	3 ตำแหน่ง

1.6.3 เลขนัยสำคัญที่ได้จากผลการวัดโดยตรง

เลขนัยสำคัญที่ได้จากผลของการวัดอาจเป็นเลขจำนวนเต็มหรือเป็นเลขทศนิยม ขึ้นอยู่กับความละเอียดของเครื่องมือที่ใช้วัด โดยจะประกอบด้วยตัวเลขที่ได้จากการอ่านค่าจากเครื่องมือ บวกกับตัวเลขที่ได้จากการประมาณค่า

เลขนัยสำคัญ = เลขจากการอ่านค่า + เลขจากการประมาณค่า เช่น

อ่านค่าได้เท่ากับ 2 + 0.2 = 2.2 cm

เลขนัยสำคัญ 2 ตำแหน่ง

อ่านค่าได้เท่ากับ 32 + 0.2 = 32.2 °C

เลขนัยสำคัญ 3 ตำแหน่ง

อ่านค่าได้เท่ากับ 2.2 + 0.07 = 2.27 cm

เลขนัยสำคัญ 3 ตำแหน่ง

1.7 การระบุจำนวนเลขนัยสำคัญของผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณ

มีวิธีการดังนี้

1) ผลลัพธ์จากการบวกและลบ ต้องมีจำนวนเลขทศนิยมเท่ากับข้อมูลที่มีเลขทศนิยมน้อยที่สุด

2) ผลลัพธ์จากการคูณและหาร ต้องมีจำนวนเลขนัยสำคัญเท่ากับข้อมูลที่เลขนัยสำคัญน้อยที่สุด

3) ข้อมูลที่มาจากการนับหรือการเทียบหน่วยในระบบเดียวกัน ไม่นำมาพิจารณาจำนวนเลขนัยสำคัญ

1.8 การปัดเศษ เลขนัยสำคัญที่ได้จากการคำนวณ

ในการคำนวณ ผลที่ได้จากการคำนวณมักมีตัวเลขทศนิยมหลายตำแหน่ง ทำให้มีจำนวนเลขนัยสำคัญมากกว่าที่ควรเป็น จึงต้องตัดตัวเลขทศนิยมตำแหน่งที่เกินออกไป

โดยใช้การปัดเศษ (rounding off)

ซึ่งเริ่มจากการหาตัวเลขตำแหน่งสุดท้ายของเลขนัยสำคัญที่ต้องการ แล้วปัดเศษตัวเลขทศนิยมตำแหน่งถัดไปทางขวา จากหลักการต่อไปนี้

1) ถ้าตัวเลขที่ต้องการปัดเศษต่ำกว่า 5 ให้ปัดลง โดยตัวตัวเลขนั้นออกไป ส่วนเลขสุดท้ายของตำแหน่งที่ต้องการยังคงเป็นตัวเลขเดิม

2) ถ้าตัวเลขที่ต้องการปัดเศษมากกว่ากว่า 5 ให้ปัดขึ้น โดยตัดตัวเลขนั้นออกไป แล้วเพิ่มค่าของตัวเลขตัวสุดท้ายของตำแหน่งที่ต้องการอีก 1

3) ถ้าตัวเลขที่ต้องการปัดเศษมีค่าเท่ากับ 5 ให้พิจารณาตัวเลขตัวสุดท้ายของตำแหน่งที่ต้องการ ถ้าเป็นเลขคี่ให้ปัดขึ้น แต่ถ้าเป็นเลขคู่ให้ปัดลง เช่น

– จงทำให้จำนวน 86.583219 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตำแหน่ง

ตัวเลขตัวสุดท้ายของเลขนัยสำคัญตำแหน่งที่ 4 คือ 8 ดังนั้นตัวเลขที่ต้องการปัดเศษคือ 3 ซึ่งมีค่าน้อยกว่า 5 จึงปัดลง โดยการตัดตัวเลขหลัง 8 ทิ้งไป จะได้จำนวนเลขนัยสำคัญ 4 ตำแหน่ง เป็น 86.58

– จงทำให้จำนวน 75.9876 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตำแหน่ง

ตัวเลขตัวสุดท้ายของเลขนัยสำคัญตำแหน่งที่ 4 คือ 8 ดังนั้นตัวเลขที่ต้องการปัดเศษคือ 7 ซึ่งมีค่ามากกว่า 5 จึงปัดขึ้น โดยตัดตัวเลขหลัง 8 ออก แล้วเพิ่มค่าของ 8อีก 1 จะได้จำนวนที่มีเลขนัยสำคัญ 4 ตำแหน่ง เป็น 75.99

– จงทำให้จำนวน 2.635 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตำแหน่ง

ตัวเลขตัวสุดท้ายของเลขนัยสำคัญตำแหน่งที่ 3 คือ 3 ดั้งนั้นตัวเลขที่ต้องการปัดเศษคือ 5 จึงพิจารณาตัวเลขตัวสุดท้ายของตำแหน่งที่ต้องการคือ 3 ซึ่งเป็นเลขคี่ จึงปัดขึ้น โดยตัดตัวเลขหลัง 3 ออกแล้วเพิ่มจำนวน 3 อีกหนึ่ง จะได้จำนวนที่มีเลขนัยสำคัญ 3 ตำแหน่ง เป็น 2.64

– จงทำให้จำนวน 27.4865 มีเลขนัยสำคัญ 5 ตำแหน่ง

ตัวเลขตัวสุดท้ายของเลขนัยสำคัญตำแหน่งที่ 5 คือ 6 ดั้งนั้นตัวเลขที่ต้องการปัดเศษคือ 5 จึงพิจารณาตัวเลขตัวสุดท้ายของตำแหน่งที่ต้องการคือ 6 ซึ่งเป็นเลขคู่ จึงปัดลง โดยตัดเลข 5 ทิ้ง จะได้จำนวนที่มีเลขนัยสำคัญ 5 ตำแหน่ง เป็น 27.486

– หาคำตอบของ

53.27 m + 16.8 m

จำนวนที่มีเลขทศนิยมน้อยที่สุด คือ 16.8 มีเลขทศนิยม 1 ตำแหน่ง คำนวณข้อมูลแล้วปัดเศษผลลัพธ์ให้มีเลขทศนิยม 1 ตำแหน่ง

53.27 m + 16.8 m = 70.07 m

ตอบ = 70.1 m

– หาคำตอบของ

0.9387 mm x 1.542 mm x 1.32 mm

จำนวนที่มีเลขนัยสำคัญน้อยที่สุด คือ 1.32 ซึ่งมีเลขนัยสำคัญ 3 ตำแหน่ง คำนวณข้อมูลแล้วปัดเศษผลลัพธ์ให้มีเลขนัยสำคัญ 3 ตำแหน่ง

0.9387 mm x 1.542 mm x 1.32 mm = 2.7656 mm³

ตอบ = 2.76 mm³

– หาคำตอบของ

จำนวน 1 m และ 100 cm เป็นข้อมูลที่ได้จากการเทียบหน่วยในระบบเดียวกัน จึงไม่นำมาพิจารณาเลขนัยสำคัญ ดังนั้นพิจารณาเฉพาะ 50 cm ซึ่งมีเลขนัยสำคัญ 2 ตำแหน่ง

– หาคำตอบของ