แบบจำลองน้ำขึ้นน้ำลง

งานนำเสนอเรื่อง: "แบบจำลองน้ำขึ้นน้ำลง"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 แบบจำลองน้ำขึ้นน้ำลง

2 กิจกรรม นักเรียนจะได้โปรแกรมจำลองน้ำขึ้นน้ำลง
เราจะมาอภิปรายกันถึงเหตุที่ทำให้เกิดปรากฎการณ์น้ำขึ้นน้ำลง รวมไปถึงผลกระทบต่อน้ำขึ้นน้ำลงจากการเรียงตัวของโลกกับดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ นักเรียนจะต้องทำการบันทึกความแตกต่างของน้ำขึ้นน้ำลงที่เกิดขึ้นในแบบจำลอง จากนั้นเราจะมาวิเคราะห์และอภิปรายกัน

3 น้ำขึ้นน้ำลงคืออะไร? ในบริเวณริมชายฝั่ง เราจะสังเกตเห็นได้ว่าน้ำทะเลมีการถอยห่างออกจากชายฝั่งก่อนที่จะกลับมาในภายหลับภายในวันเดียวกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง ปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงคือการขึ้นและลงในแนวดิ่งของพื้นผิวมหาสมุทรของโลก เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงระหว่างดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์

4 แรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่มีกำลังอ่อนที่สุดในแรงพื้นฐานทั้งสี่
แรงโน้มถ่วงทำให้วัตถุที่มีมวลเกิดแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ดึงเข้าหากันเสมอ และเกิดขึ้นในแนวที่เชื่อมต่อระหว่างศูนย์กลางมวล แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดการรวมตัวกันของดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และกาแล็กซี แรงโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์และดวงจันทร์โคจรเป็นวงโคจรในระบบสุริยะ และทำให้เกิดแรงไทดัลที่เราพบได้บนโลก National Schools’ Observatory

5 กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน
เราสามารถอธิบายแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสองมวล m1 และ m2 ได้ด้วยกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน G คือค่าคงที่ความโน้มถ่วงสากล นี่เป็นตัวอย่างหนึ่งของ inverse square law แรงโน้มถ่วงสองแรงมีขนาดเท่ากัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม National Schools’ Observatory

6 น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากอะไร? (1)
สนามแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ทำให้มหาสมุทรของโลกป่องออก เมื่อโลกหมุนผ่านส่วนที่ป่องออกของมหาสมุทรนี้ จึงทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลง พื้นที่ส่วนมากบนโลกจะพบน้ำขึ้นสองครั้ง และน้ำลงสองครั้งในแต่ละวัน ปรากฎการณ์นี้เกิดขึ้นจากส่วนป่องออกของแรงไทดัลในมหาสมุทรของโลก ซึ่งปรากฎทั้งสองด้านของดาวเคราะห์ หมายเหตุ: ส่วนป่องของแรงไทดัลในภาพนี้นั้นใหญ่กว่าความเป็นจริงเพื่อให้เห็นได้ชัดขึ้น

7 น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากอะไร? (2)
แรงโน้มถ่วงนั้นไม่ได้เกิดขึ้นเท่ากันทั้งดาวเคราะห์ เทำให้เกิด “ส่วนต่างของแรงโน้มถ่วง” เนื่องจากแรงโน้มถ่วงลดลงตาม 1/r2 แรงโน้มถ่วงด้านใกล้ของโลกจึงมีแรงมากกว่าด้านไกล เช่น มวลหนึ่งหน่วยที่อยู่ด้านไกลขอโลกจะมีแรงโน้มถ่วงดึงไปน้อยกว่ามวลหนึ่งหน่วยที่อยู่อีกด้าน เราสามารถแสดงส่วนต่างของแรงโน้มถ่วงนี้ได้ด้วยเวคเตอร์ ในภาพด้านล่าง

8 น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากอะไร (3)
ส่วนป่องของแรงไทดัลที่ชี้หนีจากดวงจันทร์นี้เกิดจากความไม่เท่ากันของแรงโน้มถ่วงนั่นเอง ถ้าเรานำแรงโน้มถ่วงด้านใกล้และไกลของดาวเคราะห์มาเปรียบเทียบกับแรงโน้มถ่วงบริเวณกึ่งกลางของโลก เราจะพบว่าแรงที่เหลือจะชี้ออกจากโลกทั้งสองทิศทาง หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าเรานำเวคเตอร์ของแรง ณ กึ่งกลางโลกไปลบกับเวคเตอร์แรงทั้งสองด้าน ผลที่เหลือก็คือเวคเตอร์ที่ชี้ออกไปจากกึ่งกลางของโลกทั้งสองทิศทาง

9 แรงไทดัล ลองพิจารณาแบบง่ายๆ ว่าโลกเป็นทรงกลมที่มีสองชั้น
ชั้นนอกเป็นมหาสมุทร และชั้นในเป็นโครงสร้างแข็ง หรือพื้นมหาสมุทร ถ้าเราลบแรงจากแรงโน้มถ่วงของทรงกลมในออกไปจากแรงโน้มถ่วงของทรงกลมนอก เราจะได้แรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกัน ความแตกต่างของแรกโน้มถ่วงนี้ทำให้เกิดความเค้นในมหาสมุทร เนื่องจากมหาสมุทรประกอบไปด้วยน้ำ จึงสามารถเปลี่ยนรูปร่างเพื่อตอบสนองต่อแรงเค้นที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงได้ ทำให้เกิดเป็นน้ำขึ้นน้ำลง

10 การหน่วงของน้ำขึ้นน้ำลง
ส่วนป่องไทดัลนั้นไม่ได้เรียงตรงกันกับแนวของดวงจันทร์พอดี สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องมาจากการหมุนของโลกนั้นเร็วกว่าความเร็วโคจรของดวงจันทร์เป็นอย่างมาก แรงเสียดทานระหว่างพื้นแข็งของโลกกับมหาสมุทร ทำให้ส่วนป่องไทดัลนั้นเลื่อนเลยไปหน้าดวงจันทร์ หมายเหตุ: มุมในภาพด้านบนนั้นถูกทำให้ กว้างกว่าความเป็นจริงเพื่อให้เห็นได้ชัดขึ้น

11 น้ำเกิดและน้ำตาย นอกจากนี้ โลกยังอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์อีกด้วย ดวงอาทิตย์จึงมีอิทธิพลต่อน้ำขึ้นน้ำลง เมื่อโลก ดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์อยู่ในแนวเดียวกัน (Syzygy) แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์จะเสริมกันกับแรงไทดัล ทำให้ส่วนป่องไทดัลนั้นมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า น้ำเกิด (Spring tides) เมื่อดวงจันทร์ทำมุมตั้งฉากกับแนวระหว่างดวงจันทร์กับดวงอาทิตย์ (Quadrature) แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์จะไปลดอิทธิพลของส่วนป่องไทดัลจากดวงจันทร์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า น้ำตาย (Neap Tides)

12 ทำนายผลการทดลอง วัตถุใดมีแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อโลกมากกว่ากัน? ดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ วัตถุใดมีอิทธิพลต่อน้ำขึ้นน้ำลงมากกว่ากัน ดวงอาทิตย์ หรือดวงจันทร์ ลองทำนายดูว่า เราคาดว่าเราจะพบน้ำขึ้นน้ำลงสูงที่สุดเมื่อใด? ลองทำนายดูว่า เราจะพบน้ำขึ้นน้ำลงน้อยที่สุดเมื่อใด?

13 เตรียมการทดลอง โหลดแบบจำลอง ‘Tides Simulator’.
เครื่องหมาย จะทำการซูมออกจากโลก แสดงตำแหน่งของดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์​ (ไม่เป็นไปตามมาตราส่วน) เครื่องหมาย จะทำการซูมกลับเข้าไปที่มุมมองระหว่างโลกกับดวงจันทร์ เครื่องหมาย จะทำให้นักเรียนสามารถเปิด ‘day number’ (จำนวนวัน) เพิ่มหรือลดความเร็วการหมุนของโลก (เฉพาะในโหมดซูมใกล้) เอาอิทธิพลจากดวงอาทิตย์ออกไป และแสดงภาพจำลองความสูงของน้ำขึ้นน้ำลง

14 บันทึกผลการทดลอง แจกใบงานน้ำขึ้นน้ำลงแก่นักเรียน
ให้นักเรียนใช้แบบจำลองในการวาดภาพน้ำขึ้นน้ำลงบนโลกลงในภาพ ที่สอดคล้องกับตำแหน่งของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ ให้นักเรียนระบุลงในกล่องคำตอบว่ามีน้ำเกิดและน้ำตายเกิดขึ้นอยู่หรือไม่

15 บันทึกผลการทดลอง ในแบบจำลอง เปิดจำนวนวัน (Day Number) และความแตกต่างของน้ำขึ้นน้ำลง (Tidal Variation) ขีดสีขาวที่ติดอยู่กับโลกจะแสดงตำแหน่งของผู้สังเกตบนเรือใบ หน้าต่างทางด้านซ้ายจะจำลองความเปลี่ยนแปลงในระดับน้ำทะเลที่เกิดจากน้ำขึ้นน้ำลงสำหรับผู้สังเกตนั้น บันทึกระดับน้ำทะเลที่น้ำขึ้นและน้ำลงสูงสุด สำหรับแต่ละวัน จนกระทั่งวันที่ดวงจันทร์ได้โคจรรอบโลกครบหนึ่งรอบ

16 กราฟตัวอย่าง (วัน กับ ความสูงน้ำขึ้นน้ำลง)
ให้นักเรียนสร้างกราฟระหว่าง ความสูงของน้ำขึ้นน้ำลง กับ จำนวนวัน เลือกน้ำขึ้นและน้ำลงสูงที่สุดเพียงครั้งเดียวต่อวัน

17 เปรียบเทียบผลการทดลองกับคำทำนาย
ความสูงของน้ำขึ้นน้ำลงแตกต่างกันหรือไม่ในแต่ละวัน? น้ำขึ้นน้ำลงที่แตกต่างกันมากที่สุดเกิดขึ้นเมื่อใด? การเรียงตัวกันระหว่างดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลกแบบใดที่ทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลงมากที่สุด?

18 อภิปราย น้ำขึ้นน้ำลงเกิดขึ้นกี่ครั้งในหนึ่งวัน?
ระหว่างเวลาที่เกิดน้ำขึ้นน้ำลงแตกต่างกันมาก และน้อย นั้นคิดเป็นระยะเวลากี่วัน? ดวงจันทร์ใช้เวลาเท่าใดในการโคจรรอบโลก?

19 คำถามและแบบฝึกหัด ความแตกต่างของน้ำขึ้นน้ำลงในบริเวณชายฝั่นนั้นสามารถเกิดขึ้นได้มากกว่าในทะเลเป็นอย่างมาก เพราะอะไร? ดาวพฤหัสจะมีอิทธิพลต่อน้ำขึ้นน้ำลงหรือไม่? ทำไมการทำนายน้ำขึ้นน้ำลงได้จึงเป็นเรื่องที่สำคัญ? ถ้าหากว่าดวงจันทร์นั้นอยู่ห่างไกลออกไป จะส่งผลอย่างไรกับน้ำขึ้นน้ำลง? ดวงจันทร์มีน้ำขึ้นน้ำลงหรือไม่?