นักเรียนลองตอบคำถามถึงที่มาของปรากฏการณ์ธรรมชาติต่างๆ ดังนี้ ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร เหตุใดท้องฟ้าจึงเป็นสีฟ้าในเวลากลางวัน และเป็นสีดำในเวลากลางคืน เมื่อโยนก้อนหินขึ้นไปในอากาศ ก้อนหินจะตกลงสู่พื้น เหตุใดก้อนหินนั้นไม่ลอยค้างอยู่เช่นนั้น เมื่อตั้งแก้วน้ำแข็งทิ้งไว้ จะมีหยดน้ำเกาะภายนอกแก้ว หยดน้ำเหล่านั้นมาจากไหน นักเรียนเชื่อหรือไม่ว่าโลกกลม และจะมีวิธีทดสอบแนวความคิดข้างต้นได้อย่างไร

ความเป็นมาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ยุคหิน ยุคโลหะ วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ปัจจุบัน - เครื่องมือหรืออาวุธ - ลองผิดลองถูก - กสิกรรม - หม้อดินเผา - ทอเสื้อผ้า - ถลุงโลหะ - เรขาคณิต - สรีรวิทยา - ดาราศาสตร์ - นักปรัชญา - ภาพเขียนรูปปั้น - กาลิเลโอ นิวตัน - เครื่องจักรกล - เครื่องมือวิทยาศาสตร์ - แปรธาตุ - อิเล็กทรอนิกส์ - การค้นพบเชื้อโรค - ทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพ - เอกภพ - พันธุกรรม

วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (Science and Technology) ระดับความเจริญของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเป็นตัวบ่งชี้ความเจริญของประเทศ วิทยาศาสตร์ (Science) หมายถึง องค์ความรู้และวิธีการหาความรู้ด้วยวิธีการทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี (Technology) หมายถึง วิทยาการที่เกี่ยวกับศิลปะในการสร้าง ผลิตหรืออุปกรณ์ต่างๆ เพื่ออำนวยประโยชน์ต่อมนุษย์โดยตรง หรือสิ่งต่างๆ ที่มนุษย์ใช้สอยได้

ข้อเปรียบเทียบระหว่างวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ทั้งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเป็นความรู้ วิทยาศาสตร์บอกว่าทำไมสิ่งนี้จึงเป็นเช่นนั้น และสิ่งนั้นจึงเป็นเช่นนี้ แต่เทคโนโลยีบอกแก่เราว่าจะทำสิ่งนี้ได้อย่างไร จุดมุ่งหมายของวิทยาศาสตร์ อยู่ที่ความเข้าธรรมชาติ โดยไม่เน้นความสำคัญเรื่องประโยชน์ใช้สอย แต่จุดมุ่งหมายของเทคโนโลยีอยู่ที่การทำของที่มีอยู่ให้เป็นประโยชน์ขึ้นมา

ความสัมพันธ์ และความไม่สัมพันธ์ ระหว่างวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เทคโนโลยีเกิดก่อนวิทยาศาสตร์ และมิได้อาศัยวิทยาศาสตร์ และเมื่อมีวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นก็ไม่ได้อาศัยเทคโนโลยี ต่อมาทั้งสองวิชาเริ่มมีความสัมพันธ์กันมากขึ้น ถึงแม้บางเรื่องต่างก็เจริญด้วยตัวเอง เทคโนโลยีต้องอาศัยวิทยาศาสตร์มากและตามวิทยาศาสตร์ไม่ทัน

บทที่ 2 ธรรมชาติของวิชาฟิสิกส์ การวัด และข้อมูลทางฟิสิกส์ เป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์กายภาพ ที่ศึกษาองค์ประกอบและความสัมพันธ์ของสสารกับพลังงาน โดยศึกษาในส่วนที่เกี่ยวข้องกับสิ่งที่ไม่มีชีวิต จากการสังเกต รวบรวมข้อมูลต่างๆ เพื่อนำมาหาความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งต่างๆ จนสรุปเป็นทฤษฎีและกฎเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติ

วิธีวิทยาศาสตร์ การศึกษาค้นคว้าในวิชาฟิสิกส์ต้องมีทดลอง การเก็บรวบรวมข้อมูลเพื่อนำไปสู่การสรุปเป็นกฎเกณฑ์และทฤษฏีต่างๆ ข้อมูลต่างๆ ที่ได้จากการทดลองต้องมีความละเอียด เที่ยงตรงและแม่นยำ ทั้งนี้ขี้นอยู่กับขีดจำกัดของการสังเกตและประสิทธิภาพของเครื่องมือวัด จึงทำให้วิชาฟิสิกส์มีขอบเขตจำกัด ขึ้นอยู่กับข้อมูลขณะนั้น

ข้อมูลทางฟิสิกส์ ข้อมูลเชิงคุณภาพ เป็นข้อมูลที่ได้จากการบรรยายสภาพของสิ่งแวดล้อมที่สังเกตได้ตามขอบเขตของการรับรู้ เช่น การระบุลักษณะของรูปทรง ลักษณะพื้นผิว สี กลิ่น ฯลฯ ซึ่งเป็นข้อมูลที่ยังไม่ได้วัดหรือวัดไม่ได้ ข้อมูลเชิงปริมาณ เป็นข้อมูลที่ได้จากการวัดปริมาณต่างๆ ของระบบที่ศึกษาโดยใช้เครื่องมือวัด และวิธีการวัดที่ถูกต้อง เช่น ระยะทาง มวล เวลา และอุณหภูมิ เป็นต้น เพื่อให้การใช้หน่วยเป็นมาตรฐานเดียวกันทั่วโลก องค์กรระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน (ISO หรือ International Organization for Standardization) กำหนดหน่วยมาตรฐาน “ระบบเอสไอ” ประกอบด้วย หน่วยฐาน และหน่วยอนุพันธ์

เป็นหน่วยหลักเบื้องต้น หน่วยอนุพันธ์ (Derived Units) หน่วยฐาน (Base Units) เป็นหน่วยหลักเบื้องต้น เมตร (meters, m) กิโลกรัม (kilogram, kg) วินาที (second, s) แอมแปร์ (ampere, A) เคลวิน (kelvin, K) โมล (mole, mol) แคนเดลลา (candela, cd) หน่วยอนุพันธ์ (Derived Units) เป็นหน่วยผสมโดยนำเอาหน่วยมูลฐานหลายหน่วยมาใช้ร่วมกัน นิวตัน (newton, N) จูล (joule, J) เมตรต่อวินาที (velocity, m/s) วัตต์ (watt, W) โวลต์ (volt, V) ฯลฯ

ตัวนำหน้าหน่วย (prefix) เพื่อทำให้หน่วยที่ใช้เล็กลงหรือใหญ่ขึ้น ตัวนำหน้ามาตรฐาน ชื่อภาษาไทย สัญลักษณ์ย่อ ตัวคูณที่เทียบเท่า femto- เฟมโต f 10-15 pico- พิโก p 10-12 nano- นาโน n 10-9 micro- ไมโคร  10-6 milli- มิลลิ m 10-3 kilo- กิโล k 103 mega- เมกะ M 106 giga- จิกะ G 109 tera- เทระ T 1012

เลขนัยสำคัญ (Significant Figure) เลขนัยสำคัญ คือ ค่าที่บ่งบอกความละเอียดและความน่าเชื่อถือจากการวัดด้วยเครื่องมือชนิดต่างๆ ในการวัดสิ่งต่างๆ จะสามารถวัดได้ละเอียดมากน้อยขึ้นอยู่กับความละเอียดของสเกลในเครื่องมือที่ใช้วัด การบันทึกผลการวัดต้องบันทึกเป็นเลขนัยสำคัญ ซึ่งเป็นการบันทึกตัวเลขที่เป็นผลการวัดโดยจะบันทึกตัวเลขที่อ่านได้จากสเกลของเครื่องมือวัดโดยตรงรวมกับตัวเลขที่ได้จากการประมาณด้วยสายตาอีก 1 ตัว

หลักในการพิจารณาบันทึกเลขนัยสำคัญ โดยดูจากความละเอียดของเครื่องวัด เช่น A ค่าที่อ่านได้ คือ 2.3 cm ค่าที่อ่านได้ คือ 2.34 cm B

หลักในการพิจารณาจำนวนเลขนัยสำคัญ 1. เลขทุกตัวที่ไม่ใช่ 0 เป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 3.14 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว 7825 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตัว 2. เลข 0 ที่อยู่ระหว่างตัวเลขนัยสำคัญเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 102 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว 10.2 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว 3. เลข 0 ที่อยู่ทางด้านซ้ายมือของเลขนัยสำคัญ ไม่เป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 0527 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว 0.00135 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว 4. เลข 0 ที่อยู่ทางด้านขวามือของเลขนัยสำคัญ แต่อยู่หลังจุดทศนิยมเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 1.040 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตัว 0.001500 มีเลขนัยสำคัญ 4 ตัว

5. เลข 10 ยกกำลังไม่นับเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 2.5 x 103 มีเลขนัยสำคัญ 2 ตัว 3.60 x 104 มีเลขนัยสำคัญ 3 ตัว 6. ค่าคงตัวทั้งหลาย และจำนวนธรรมชาติ เป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 2 ใน r2 2 ใน 2r 7. เลข 0 ท้ายจำนวนเต็มที่ไม่มีทศนิยม ไม่นับเป็นเลขนัยสำคัญ เช่น 5000 , 10 มีเลขนัยสำคัญ 1 ตัว

หลักในการพิจารณาจำนวนเลขนัยสำคัญ ของผลลัพธ์จากการคำนวณ การบวก – ลบ ให้นำข้อมูลตั้งต้นมาบวกลบกันตามปกติ ผลลัพธ์ควรมีจำนวนตัวเลขหลังจุดทศนิยมเท่ากับจำนวนเลขหลังจุดทศนิยมที่น้อยที่สุดของข้อมูลตั้งต้น เช่น 4.20 + 1.6253 + 0.051 = 5.8763 ควรตอบเป็น 5.88 การคูณ – หาร ให้นำข้อมูลตั้งต้นมาคูณหารกันตามปกติ ผลลัพธ์ควรมีจำนวนตัวเลขนัยสำคัญเท่ากับจำนวนเลขนัยสำคัญที่น้อยที่สุดในกลุ่มข้อมูลตั้งต้นที่นำมาคูณหรือหารกัน เช่น 3.23 x 1.2 = 3.876 ควรตอบเป็น 3.9 เช่น 246.719 / 5.90 = 41.8167... ควรตอบเป็น 41.8

ความไม่แน่นอนในการวัด ปริมาณทางฟิสิกส์ที่ได้จากการวัด ย่อมมีความไม่แน่นอนในการวัด ร่วมด้วย ซึ่งจะถูกต้องเพียงใดขึ้นอยู่กับ 1. ความละเอียดถี่ถ้วนและความชำนาญของตัวผู้วัด 2. การเลือกใช้วิธีการวัดที่เหมาะสม 3. มาตรฐานและความละเอียดของเครื่องมือวัด 4. สิ่งแวดล้อมขณะทำการวัด

ความคลาดเคลื่อนของผลการทดลอง แต่ละปริมาณที่ทำการวัดได้โดยตรง A ย่อมมีโอกาสผิดพลาดที่เป็นไปได้ A  ค่าที่ถูกต้องอยู่ในช่วง A A เปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อน = ค่าที่วัดได้ - ค่ามาตรฐาน  100 ค่ามาตรฐาน เปอร์เซ็นต์ความไม่แน่นอนของการวัด = ความไม่แน่นอนของเครื่องวัด  100 ค่าที่วัดได้

ความไม่แน่นอนของการวัดที่มาจากการวัดหลายปริมาณ เช่น จากปริมาณ A B และ C โดยที่ทุกปริมาณมีค่าบวกลบ กรณีที่ผลลัพธ์มาจากการบวกลบ เช่น R = A + B พิสูจน์ได้ว่า R = A + B กรณีที่ผลลัพธ์มาจากการคูณ เช่น R = ABC หรือ R = AB/C พิสูจน์ได้ว่า R/R = A/A + B/B + C/C กรณีที่ผลลัพธ์อยู่ในรูป พิสูจน์ได้ว่า R/R = A/A + B/B + C/2C หรือถ้า R = AB2 จะได้ R = A + 2 B R A B A = 2 B หรือถ้า A = B2 จะได้ A B

ตัวอย่าง 1 หามวลของแก๊ส มวลของขวดบรรจุแก๊ส m1 = 64.535  0.001 g มวลของขวดเปล่า m2 = 64.500  0.001 g มวลของแก๊ส m1– m2 = 0.035  0.002 g ตอบ มวลของแก๊สมีค่า = 0.035  0.002 g หรือ = 0.035 g  5.7 %

ตัวอย่าง 2 หาความหนาแน่น มวลของวัตถุ m = 565.5  0.1 g ปริมาตรของวัตถุ V = 45.00  0.05 cm3 ความหนาแน่น D = m/V = 565.5/45.00 = 12.566... g/cm3 = 12.57g/cm3 แต่ m/m = 0.1/565.5 = 1.768... X 10-4 และ V/V = 0.05/45.00 = 1.111... x 10-3 ดังนั้น D = [(m/m) + (V/V)] x D = [1.8 x 10-4 + 1.1 x 10-3] x 12.57 = [1.28 x 10-3] x 12.57 = 16.1 x 10-3 = 0.0161... = 0.02 g/cm3

ตอบ ความหนาแน่นของวัตถุ = 12.57  0.02 g/cm3 ตัวอย่าง 3 หาปริมาตรของทรงกลม เส้นผ่านศูนย์ของทรงกลม d = 4.54  0.01 cm ปริมาตรของทรงกลม V = (1/6)d3 หรือ V = (4/3) r3 = (1/6) x 3.1428... X (4.54)3 = (1/6) x 3.143 x 93.576... = 49.020 = 49.0 cm3 และ V/V = 3(d/d) หรือ V = 3(d/d) V = (/2)d2d = (3.143/2) x 20.61 x 0.01 = 0.323... = 0.3 cm3 ตอบ ปริมาตรของทรงกลม = 49.0  0.3 cm3

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณสองปริมาณ ในการทดลองทางฟิสิกส์ส่วนใหญ่เป็นการหาความสัมพันธ์ระหว่างสองปริมาณ การใช้กราฟในการแสดงผลการทดลองทำให้สามารถบอกความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทั้งสองได้ง่าย รวดเร็ว และสามารถที่จะทำนายผลการทดลองในตำแหน่งอื่นที่ยังไม่ได้ทำการทดลองได้อีกด้วย สมการทางคณิตศาสตร์ของกราฟเส้นตรง y = mx + c เมื่อ m คือ ความชัน หรือ slope และ c คือ จุดตัดแกน y y กราฟเส้นตรงผ่านจุดทดลอง m = y = y2 – y1 y2 y y1 x x2 – x1 x x x1 x2

ความยาว l (cm) เวลา 30 รอบ (s) คาบ T (s) T2 (s2) 1 2 3 ค่าเฉลี่ย 30.5 34 35 34.3 1.14 1.30 41.6 39 39.0 1.69 49.4 43 42 42.7 1.42 2.02 57.1 46 46.0 1.53 2.34 67.1 51 50 50.3 1.68 2.82 81.0 54 55 54.7 1.82 3.31

ความคลาดเคลื่อน – ในการวัดความยาวสายเอ็นด้วยไม้เมตรประมาณ  0.2 ซม. ค่าเฉลี่ยของการวัดเวลา 30 รอบ ประมาณ 1 วินาที (เข็มเดินทุก 1 วินาที) ดังนั้น ความคลาดเคลื่อนของคาบเฉลี่ย =  1/30 วินาที T =  0.03 วินาที (มีค่าประมาณเท่ากันสำหรับทุกค่าของคาบเฉลี่ย) และตามหลักการ (T2) / T2 = 2(T) / T ดังนั้น ความคลาดเคลื่อนของ T2 มีค่าเท่ากับ (T2) = 2TT

ความยาว l (cm) เวลา 30 รอบ (s) คาบ T (s) T2 (s2) (T2) 1 2 3 ค่าเฉลี่ย 30.5 34 35 34.3 1.14 1.30 0.07 41.6 39 39.0 1.69 0.08 49.4 43 42 42.7 1.42 2.02 57.1 46 46.0 1.53 2.34 0.09 67.1 51 50 50.3 1.68 2.82 0.10 81.0 54 55 54.7 1.82 3.31 0.11