ประกอบสปริงเอง · อนุกรม/ขนาน + ดิ่ง/ระดับ · แก้ misconception เรื่อง k_eff และ T
1. หาค่าคงที่สปริง k จากการวัด คาบ T โดยใช้สมการ T = 2π√(m/k)
2. ตรวจสอบสูตร kอนุกรม = (Σ 1/kᵢ)⁻¹ และ kขนาน = Σ kᵢ
3. แสดงว่าระบบสปริงแนวดิ่งและแนวระดับมีคาบ เท่ากัน (ขึ้นกับ m,k เท่านั้น)
4. ตรวจสอบกฎของฮุก F = −kx จากกราฟ F-x
| เครื่องมือ | ตำแหน่ง | ใช้ทำอะไร |
|---|---|---|
| Spring Builder bar | เหนือ canvas | เลือก อนุกรม/ขนาน/เดี่ยว, ตั้งค่า k₁, k₂, k₃ |
| ทูลบาร์ | เหนือสุด | ▶ เริ่ม / รีเซ็ต · เลือกฐาน A,B,C · เลือกแนว ↔/↕ |
| นาฬิกาจับเวลา | บนสุดของแถบขวา | จับเวลาอิสระ · มี ⏺ Lap (เลือกใช้ได้) |
| กล่อง Stopwatch+นับรอบ | กล่องบันทึกผล (Manual) | นับรอบ อัตโนมัติ · เตือนเมื่อครบรอบ · คำนวณ k ให้ทันที |
| โหมดสุ่ม k | กล่องบันทึกผล (Manual sub-tab) | โปรแกรมสุ่ม k_จริง (ซ่อน) ให้นักเรียนวัดเอง |
| โหมด Auto | กล่องบันทึกผล tab Auto | เก็บ x, v, F, KE, PE ทุก 0.1 s · CSV export |
โปรแกรมเก็บอัตโนมัติเมื่อกด ⏹ Stop ในกล่องนับรอบ
คอลัมน์: # · การต่อ · n · t · T · k_meas · k_set · error % (สีตามคุณภาพ: เขียว <2%, ส้ม <5%, แดง ≥5%)
ปุ่ม ⬇ CSV เพื่อ download ตาราง
กด ⏺ REC → เก็บ t, x, v, F, KE, PE, E_tot ทุก ~0.1 s
เหมาะสำหรับสร้างกราฟ x-t, v-t, energy ใน Excel/Python
| ครั้ง | การต่อ | k₁ | k₂ | m (kg) | n รอบ | t (s) | T = t/n | k_meas = 4π²m/T² | k_eff_ทฤษฎี | %error |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | เดี่ยว | 100 | — | 1.0 | 10 | ... | ... | ... | 100 | ... |
| 2 | อนุกรม | 100 | 200 | 1.0 | 10 | ... | ... | ... | 66.7 | ... |
| 3 | ขนาน | 100 | 200 | 1.0 | 10 | ... | ... | ... | 300 | ... |
1. T_วัด ห่างจาก T_ทฤษฎี กี่ % ? อะไรเป็นแหล่ง error หลัก?
2. ถ้านำสปริง k=100 N/m มาต่อกัน 3 อัน อนุกรม ค่า k_eff เป็นเท่าไร? ลองทำใน simulation เพื่อยืนยัน
3. ทำไมแนวดิ่งจึงให้ T เท่ากับแนวระดับ ทั้งที่มีแรงโน้มถ่วง? (ดูพิสูจน์ในแท็บทฤษฎี)
4. กราฟ F-x มี slope = อะไร? ถ้าเปลี่ยนการต่อจากอนุกรมเป็นขนาน slope จะเปลี่ยนอย่างไร?
5. ถ้าเอาสปริงไปทดลองในอวกาศ (g=0) คาบจะต่างจากบนโลกไหม? (ลองเปลี่ยน g ใน Dropdown)
นิยาม: การเคลื่อนที่ที่เกิดจาก แรงคืนตัว (restoring force) ซึ่งแปรผันตรงกับการกระจัด และมีทิศตรงข้ามกับการกระจัด
จากกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน: ma = F = −kx ⟹ a = −(k/m)·x
นิยามให้ ω² = k/m (ความถี่เชิงมุม) ⟹ a = −ω²x — สมการอนุพันธ์อันดับ 2 ที่มีคำตอบ:
📌 T ขึ้นกับ m และ k เท่านั้น — ไม่ขึ้นกับ A (amplitude) และไม่ขึ้นกับ g
ผิด: "อนุกรม k_eff = 100 + 200 = 300" ❌
ถูก: 1/k_eff = 1/100 + 1/200 = 3/200 → k_eff = 66.7 N/m (น้อยกว่าทั้งคู่)
ที่จุดสมดุลใหม่ x₀: kx₀ = mg → x₀ = mg/k
ให้ y = ระยะจากจุดสมดุลใหม่ (ลง = +) → F_total = mg − k(x₀ + y) = mg − kx₀ − ky = −ky
⟹ ได้สมการ SHM เหมือนเดิม โดย k คงเดิม → T = 2π√(m/k) ไม่ขึ้นกับ g
| สปริง (Mass-Spring) | ลูกตุ้มอย่างง่าย (Pendulum) | |
|---|---|---|
| คาบ T | 2π√(m/k) | 2π√(L/g) |
| ขึ้นกับ m | ✅ T ∝ √m | ❌ ไม่ขึ้นกับมวล |
| ขึ้นกับ g | ❌ ไม่ขึ้นกับ g | ✅ T ∝ 1/√g |
| เงื่อนไข SHM | F = −kx (ตลอดทุก x) | มุมเล็ก: sinθ ≈ θ |
| ในอวกาศ (g=0) | ยังแกว่งได้ T เท่าเดิม | ไม่แกว่ง (T → ∞) |
| รหัส | ความเข้าใจผิด | ความจริง |
|---|---|---|
| M3.1 | k อนุกรม = k₁+k₂ | 1/k = Σ 1/kᵢ (ขนาน = Σ kᵢ) |
| M3.2 | F สปริงคงที่ | F = −kx (เปลี่ยนตามตำแหน่ง) |
| M3.3 | ดิ่งสูตรต่างจากระดับ | T = 2π√(m/k) เหมือนกัน |
| M3.4 | มวลไม่มีผลต่อ T | T ∝ √m (เพิ่ม 4× → T เพิ่ม 2×) |
| M3.5 | A มีผลต่อ T | T ไม่ขึ้นกับ A (isochronism) |
หลักสูตรแกนกลาง 2551 (ปรับปรุง 2560) · สสวท. ฟิสิกส์ ม.5 เล่ม 3 (การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย) · Halliday, Resnick & Walker — Fundamentals of Physics, Ch.15