📦

Lab 70 — งานกับแรงและระยะทาง: ลากกล่องด้วยตาชั่งสปริง (3D)

Work, Force and Displacement — ชั่งน้ำหนักกล่องไม้ · ยกกล่องขึ้นช้า ๆ (W = F·h) · ลากกล่องบนโต๊ะด้วยความเร็วคงตัวที่มุม θ ต่าง ๆ อ่านตาชั่งสปริงและไม้เมตร · W = F s cos θ · หา μk ของโต๊ะ

3D · three.js KP Science simulation
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — ต้องเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต
ยังทดลองได้จากภาพ 2 มิติด้านล่าง
📐 ภาพด้านข้าง · แว่นขยายตาชั่งสปริง · แว่นขยายขีดชี้บนไม้เมตร / ไม้บรรทัดตั้ง
📝 บันทึกผลการวัด
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผล มวลกล่อง และ μk ของโต๊ะไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🔬 เลือกส่วนการทดลอง
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก — กรอกค่าในกรอบ “📝 บันทึกผลการวัด” ใต้แผนภาพ แล้วกดบันทึก
📋 ตารางบันทึกผล
ตาราง A — ชั่ง / ยกกล่อง
ตาราง B — ลากกล่อง
📈 กราฟจากข้อมูลที่บันทึก
❓ ปริศนา — μk ของโต๊ะเป็นเท่าไร
ใช้น้ำหนักกล่อง (ส่วน A) และค่าที่ลาก (ส่วน B): ขณะความเร็วคงตัว F cos θ = f = μk N และ N = Mg − F sin θ
→ μk = F cos θ / (Mg − F sin θ)
μk ≈

วัตถุประสงค์

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

ส่วน A — ชั่งน้ำหนักและยกกล่อง

  1. เลือก 🅐 ส่วน A กด ⬆ ยกช้า ๆ แล้ว ⏹ หยุด ให้กล่องห้อยนิ่ง อ่านค่าตาชั่งสปริง = น้ำหนักกล่อง W = mg
  2. อ่านความสูง h ที่ขีดชี้ใต้กล่องบนไม้บรรทัดตั้ง กรอก F และ h แล้วกด 📝 บันทึก
  3. ยกที่ความสูงต่าง ๆ 10–50 cm บันทึกหลายค่า → กราฟ W = F h กับ h ความชัน = น้ำหนักกล่อง

ส่วน B — ลากกล่องด้วยความเร็วคงตัว

🖐 ลากกล่องด้วยมือได้ — จับที่กล่องหรือเชือกในภาพ 3D (เมาส์บนคอมพิวเตอร์ · นิ้วบน iPad/มือถือ) หรือในภาพด้านข้าง 2D ใต้ภาพ 3D แล้วลากไปทางขวา กล่องจะเคลื่อนตามมือ
ค่าที่ตาชั่งอ่านได้ขึ้นกับความเร่งของกล่อง — ถ้าลากเร็วบ้างช้าบ้าง เข็มจะแกว่งอ่านไม่ได้ ต้องลากด้วยความเร็วสม่ำเสมอเข็มจึงนิ่ง (ดูแถบ “ความเร็ว … ✓ สม่ำเสมอ” ใต้แว่นขยายตาชั่ง และที่แถบสถานะเหนือภาพด้านข้าง)
เชือกดึงได้ทางเดียว ลากถอยหลังกล่องจะไม่ขยับ ถ้าจะเริ่มใหม่ให้กด ↩ กลับจุดเริ่ม · ถ้าไม่อยากลากเอง กด ▶ ลาก ให้เครื่องลากด้วยความเร็วคงตัวแทนได้
  1. เลือก 🅑 ส่วน B ตั้งมุม θ = 0° อ่านตำแหน่งขีดชี้ก่อนลาก x₁ (ขอบหน้ากล่อง — อ่านได้ทั้งบนไม้เมตรในภาพ 3D และในแว่นขยายใต้ภาพ)
  2. ลากกล่องด้วยนิ้ว/เมาส์ให้ความเร็วสม่ำเสมอ (หรือกด ▶ ลาก) อ่านค่าตาชั่งสปริง F ขณะกล่องเคลื่อนที่สม่ำเสมอ (อ่านค่ากลางของเข็มที่สั่น) แล้วปล่อยมือ (หรือกด ⏹ หยุด)
  3. อ่านตำแหน่งหยุด x₂ กรอก F, x₁, x₂ แล้วกด 📝 บันทึก · s = x₂ − x₁
  4. ที่ θ = 0° ลากหลายระยะ (20, 40, 60 cm) → กราฟ W กับ s
  5. ทำซ้ำที่ θ = 15°, 30°, 45°, 60° เปรียบเทียบ F กับ F cos θ

ตารางบันทึกผล (คำนวณจากค่าที่นักเรียนกรอก)

ส่วน A: W_ยก = F · h (F ≈ mg เมื่อยกช้า ๆ ด้วยความเร็วคงตัว)
ส่วน B: s = x₂ − x₁ W = F s cos θ μk = F cos θ / (W_กล่อง − F sin θ)

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ที่มุม θ เดียวกัน งานกับระยะทางมีความสัมพันธ์กันอย่างไร ความชันของกราฟ W กับ s มีความหมายอย่างไร
  2. เมื่อ θ เพิ่มขึ้น ค่า F ที่อ่านได้เปลี่ยนอย่างไร และ F cos θ เปลี่ยนอย่างไร เพราะเหตุใด
  3. แรงองค์ประกอบ F sin θ ทำงานต่อกล่องหรือไม่ เพราะเหตุใด
  4. งานในการยกกล่องขึ้นสูง h ขึ้นกับความเร็วในการยกหรือไม่ ถ้ายกช้า ๆ ด้วยความเร็วคงตัว
  5. ทำไมช่วงแรกที่เริ่มลากค่าที่อ่านได้จึงสูงกว่าตอนกล่องเคลื่อนที่สม่ำเสมอ

1. งานของแรงคงตัว

W = (F cos θ) · s

2. ลากด้วยความเร็วคงตัว

μk = F cos θ / (mg − F sin θ)

ถ้าลากไม่สม่ำเสมอ (มีความเร่ง a)

3. ยกวัตถุขึ้นช้า ๆ

ยกด้วยความเร็วคงตัว แรงที่ใช้เท่ากับน้ำหนัก F = mg ในทิศเดียวกับการกระจัด (θ = 0°) งานที่ทำ W = mgh ไม่ขึ้นกับความเร็วในการยก (ถ้าคงตัว) · กราฟ W กับ h เป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด ความชัน = mg

💡 แบบจำลองใน simulation: g = 9.8 m/s² · มวลกล่องสุ่ม 0.80–2.50 kg และ μk ของโต๊ะสุ่ม 0.20–0.45 ทุกครั้งที่เปิดหน้า · μs = 1.2 μk (ช่วงเริ่มลาก) · ผิวโต๊ะไม่สม่ำเสมอ μk ต่างกันเล็กน้อย (±1%) ในแต่ละครั้งที่ลาก · เข็มตาชั่งสั่น ±0.1 N ขณะเคลื่อนที่ · ไม่คิดมวลเชือกและตาชั่ง · เชือกผูกที่กึ่งกลางด้านหน้า กล่องไม่พลิก