⚓

Lab 101 — แรงลอยตัว: หลักของอาร์คิมิดีส (3D)

Buoyancy — แขวนวัตถุกับเครื่องชั่งสปริง ลากแขนขาตั้งลงจุ่มวัตถุในถ้วยยูเรกา น้ำที่ล้นไหลลงกระบอกตวง · อ่านน้ำหนักในอากาศ น้ำหนักในของเหลว และปริมาตรของเหลวที่ล้น · แรงลอยตัว = น้ำหนักของเหลวที่ถูกแทนที่ · หาความหนาแน่นของวัตถุ X และของเหลว Y

3D · three.js KP Science simulation
🎯 สิ่งที่ต้องวัด: น้ำหนักวัตถุในอากาศ W และขณะจมทั้งก้อน W′ (เครื่องชั่งสปริง ขีดละ 0.05 N) · ปริมาตรของเหลวที่ล้นลงกระบอกตวง V (ขีดละ 1 mL) — รายละเอียดวัตถุประสงค์อยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง
🖐 ลากแขนขาตั้ง (ตัวจับสีแดง) หรือเครื่องชั่งขึ้น-ลง เพื่อจุ่มวัตถุ
🖱 ลากที่ว่าง = หมุนภาพ · ล้อ = ซูม · Shift+ลาก = เลื่อน
📱 1 นิ้ว = ลาก/หมุน · 2 นิ้ว = ซูม/เลื่อน
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ หรือเบราว์เซอร์นี้ไม่รองรับ WebGL
จึงอ่านเครื่องมือในภาพ 3D ไม่ได้ — เปลี่ยนเป็นโหมด ⚡ อัตโนมัติ ในแผงด้านข้างเพื่อให้ระบบอ่านค่าให้
📝 บันทึกผลการวัด
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและค่าปริศนาที่ซ่อนไว้ไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🧱 วัตถุที่แขวน
ทรงกระบอกรัศมี 2.0 cm ความสูงต่างกัน · ปริมาตรไม่บอก ให้หาจากน้ำที่ล้น
💧 ของเหลวในถ้วยยูเรกา
เปลี่ยนวัตถุหรือของเหลวแล้ว ระบบยกวัตถุออก เติมถ้วยถึงปากล้น และเทกระบอกตวงให้ใหม่
🎚 ความสูงของแขนขาตั้ง
วัตถุ
—
ถ้วยยูเรกา
—
ถ้ายกวัตถุออกหลังน้ำล้นไปแล้ว ระดับในถ้วยจะต่ำกว่าปากล้น ต้องกด 🔁 เติมถ้วยใหม่ก่อนวัดครั้งต่อไป
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก — ชั่งในอากาศ จุ่มทั้งก้อน อ่านกระบอกตวง แล้วกรอกในกรอบ “📝 บันทึกผลการวัด” ใต้ภาพ
📋 ตารางบันทึกผล
📈 กราฟจากข้อมูลที่บันทึก
🎯 ตรวจคำตอบ
ความหนาแน่นของวัตถุ X = kg/m³
ความหนาแน่นของเหลว Y = kg/m³
ถือว่าถูกเมื่อคลาดไม่เกิน 5% · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

  1. วัดแรงลอยตัวจากผลต่างของน้ำหนักในอากาศกับน้ำหนักขณะจมในของเหลว FB = W − W′
  2. ตรวจสอบหลักของอาร์คิมิดีส: แรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ FB = ρของเหลว g V
  3. อธิบายว่าแรงลอยตัวขึ้นกับปริมาตรที่จมและความหนาแน่นของของเหลว ไม่ขึ้นกับความหนาแน่นของวัตถุ
  4. หาความหนาแน่นของวัตถุปริศนา X และของเหลวปริศนา Y

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

ตอน ก: อะลูมิเนียมในน้ำ

  1. ยกวัตถุพ้นน้ำ กด ⚖ เครื่องชั่งสปริง อ่านน้ำหนักในอากาศ W
  2. ลากแขนขาตั้งลงช้า ๆ จนวัตถุจมทั้งก้อน (ไม่แตะก้นถ้วย) · สังเกตว่าเครื่องชั่งอ่านค่าน้อยลงเรื่อย ๆ ขณะจมลง แล้วคงที่เมื่อจมทั้งก้อน · อ่าน W′
  3. รอให้น้ำหยุดล้น กด 📏 กระบอกตวง อ่านปริมาตร V · บันทึก
  4. กด 🔁 เติมถ้วย · เทกระบอก ทำซ้ำอีกครั้ง

ตอน ข: เปลี่ยนวัตถุ · เปลี่ยนของเหลว

  1. ทำซ้ำกับทองเหลืองในน้ำ และอะลูมิเนียมในน้ำเกลือ · เปรียบเทียบ FB กับ ρgV

ตอน ค: ค่าปริศนา

  1. วัตถุ X ในน้ำ: ρX = m/V = W/(gV) หรือ ρX = ρน้ำ × W/FB
  2. อะลูมิเนียมในของเหลว Y: ρY = FB/(gV)
⚠️ อ่านค่าทุกอย่างจากเครื่องมือในภาพ 3D เอง — โหมดวัดค่าเองไม่บอกตัวเลข · อย่าให้วัตถุแตะก้นถ้วย (เครื่องชั่งจะอ่านค่าน้อยเกินจริง) · ถ้าเติมถ้วยไม่ถึงปากล้น ปริมาตรที่ล้นจะน้อยกว่าปริมาตรวัตถุ

ตารางบันทึกผล (ตัวอย่างหัวตาราง)

วัตถุ | ของเหลว | W (N) | W′ (N) | FB = W − W′ (N) | V (mL) | น้ำหนักของเหลวที่ล้น ρgV (N) | ρวัตถุ = W/(gV)

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ขณะวัตถุค่อย ๆ จมลง เครื่องชั่งอ่านค่าเปลี่ยนไปอย่างไร เมื่อจมทั้งก้อนแล้วลดลงต่อไปอีก ค่าเปลี่ยนหรือไม่ เพราะเหตุใด
  2. อะลูมิเนียมกับทองเหลืองที่ปริมาตรเท่ากัน ได้แรงลอยตัวเท่ากันหรือไม่
  3. วัตถุเดียวกันในน้ำเกลือได้แรงลอยตัวมากกว่าในน้ำหรือไม่ อธิบายว่าทำไมคนลอยตัวในทะเลเดดซีได้ง่าย
  4. เรือเหล็กลอยน้ำได้อย่างไร ทั้งที่เหล็กหนาแน่นกว่าน้ำ

1. แรงลอยตัว

ความดันในของเหลวเพิ่มตามความลึก ผิวล่างของวัตถุจึงถูกดันขึ้นแรงกว่าที่ผิวบนถูกดันลง ผลต่างนี้คือแรงลอยตัว

FB = (Pล่าง − Pบน) A = ρ g (h₂ − h₁) A = ρ g Vจม
หลักของอาร์คิมิดีส: แรงลอยตัว = น้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุแทนที่

2. วัดด้วยเครื่องชั่งสปริง

ในอากาศ: เครื่องชั่งอ่าน W = mg
จมในของเหลว: T + FB = mg → เครื่องชั่งอ่าน W′ = T = W − FB
FB = W − W′ (ควรเท่ากับ ρของเหลว g Vล้น)

3. หาความหนาแน่น

ความหนาแน่นวัตถุ: ρวัตถุ = m/V = W/(gV) = ρของเหลว × W/FB
ความหนาแน่นของเหลว: ρของเหลว = FB/(gV) (V จากกระบอกตวง หรือจากวัตถุเดิมที่รู้ปริมาตรแล้ว)
1 mL = 1 cm³ = 10⁻⁶ m³
💡 แบบจำลอง: g = 9.8 m/s² · สปริงยืด 2 cm ต่อ 1 N วัตถุจึงลอยขึ้นเล็กน้อยเมื่อได้รับแรงลอยตัว (คำนวณจุดสมดุลจริง) · ถ้วยยูเรกาเติมถึงปากล้นพอดี ของเหลวส่วนเกินไหลลงกระบอกตวงหมด · ไม่คิดแรงตึงผิวและน้ำที่ติดผิววัตถุ · ความหนาแน่นของวัตถุ X และของเหลว Y สุ่มต่อการเปิดหน้า