คู่มือสรุปฟิสิกส์พื้นฐาน ม.ปลาย: อธิบายครบ สูตรแม่น พร้อมตัวอย่างโจทย์และการเฉลยอย่างละเอียด

วิชาฟิสิกส์มักจะถูกมองว่าเป็นวิชาที่ยากและเต็มไปด้วยสูตรคำนวณที่ซับซ้อน แต่สำหรับฟิสิกส์พื้นฐาน ม.ปลาย หรือวิชาวิทยาศาสตร์กายภาพ 2 ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551 (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560) นั้นแท้จริงแล้วเน้นไปที่การอธิบายปรากฏการณ์รอบตัวอย่างเป็นเหตุเป็นผล ที่มุ่งเน้นให้ผู้เรียนเข้าใจธรรมชาติของแรง การเคลื่อนที่ พลังงาน และคลื่น บทความนี้สรุปเนื้อหาสำคัญทั้ง 7 บท พร้อมสูตรเด่นและแนวโจทย์ เพื่อให้น้อง ๆ ใช้เป็นคู่มือเตรียมสอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สมัครเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย กับ OnDemand  

การเคลื่อนที่และแรง

การเคลื่อนที่แนวตรงเป็นบทเรียนแรกที่เป็นรากฐานของฟิสิกส์ ปริมาณที่เกี่ยวข้องสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ ปริมาณสเกลาร์ มีแต่ขนาด ไม่มีทิศทาง เช่น ระยะทาง, อัตราเร็ว และปริมาณเวกเตอร์ มีทั้งขนาดและทิศทาง เช่น การกระจัด แรง ความเร็วและความเร่ง

เมื่อวัตถุเคลื่อนที่โดยมีความเร็วเปลี่ยนไป จะเกิดสิ่งที่เรียกว่า “ความเร่ง” และหากมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน 

สูตรคำนวณที่สำคัญสำหรับบทการเคลื่อนที่และแรง

แรงในธรรมชาติ

ในเอกภพและธรรมชาติรอบตัวเรา มีแรงพื้นฐานอยู่ 4 ชนิด ที่เป็นตัวควบคุมอันตรกิริยาระหว่างสสาร ได้แก่

1. แรงโน้มถ่วง (Gravitational Force) หรือแรงดึงดูดระหว่างมวล เป็นแรงที่ทำให้วัตถุตกสู่พื้นโลกและทำให้ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ น้ำหนักของวัตถุหาได้จาก W = mg
2. แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Force) เป็นแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าเมื่ออยู่สนามไฟฟ้าหรือแรงที่กระทำต่อประจุเมื่อเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก โดยมีสื่อนำแรง คือ โฟตอน (Photon)
3. แรงเข้ม (Strong Force) เป็นแรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่างควาร์กเป็นแบริออนหรือมีซอน โดยมีสื่อนำแรง คือ กลูออน (Gluon) 
4. แรงอ่อน (Weak Force) เป็นแรงที่เกี่ยวช้องกับการสลายตัวให้รังสีบีตา โดยมีสื่อนำแรง ได้แก่ W-โบซอน และ Z-โบซอน

สำหรับนักเรียนช่วงชั้นมัธยมศึกษาตอนปลาย จะศึกษาในวิชาฟิสิกส์พื้นฐาน ประเด็นของแรงพื้นฐานในทางธรรมชาติทุกแรง โดยแต่ละแรงจะมีประเด็นที่ศึกษาหลัก ดังนี้

• แรงโน้มถ่วง เน้นการศึกษาผลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อการโคจรของดาวเทียมรอบโลก และใช้แนวคิดการเคลื่อนที่แบบวงกลมมาประยุกต์เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเทียมภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง
• แรงแม่เหล็กไฟฟ้า เน้นศึกษาผลของแรงแม่เหล็กที่มีต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุในสนามแม่เหล็ก และแรงแม่เหล็กที่กระทำต่อลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก
• แรงเข้ม เน้นศึกษาผลแรงเข้มต่อการยึดเหนี่ยวของควาร์กเป็นอนุภาคในระดับอะตอม เช่น โปรตอน นิวตรอน และผลของแรงเข้มที่มีต่อการยึดเหนี่ยวระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียส
• แรงอ่อน เน้นศึกษาผลของแรงอ่อนที่มีต่อการสลายตัวให้รังสีบีตา 

นอกจากนี้ ในการศึกษาแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก ในบทเรียนแรงในธรรมชาติ จึงมีการเรียนเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในรูปแบบต่าง ๆ และการเกิดอีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำอีกด้วย

พลังงาน

ในหัวข้อพลังงานของฟิสิกส์พื้นฐานจะศึกษาเกี่ยวกับพลังงานทดแทน (Alternative energy) ซึ่งเป็นกระแสของโลกในการเปลี่ยนผ่านจากพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลไปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่น ๆ สำหรับช่วงชั้นมัธยมศึกษาจะเน้นศึกษาพลังงานจากแสงอาทิตย์ และพลังงานนิวเคลียร์

พลังงานจากแสงอาทิตย์

อุปกรณ์หนึ่งที่ใช้ในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ คือ เซลล์สุริยะ (Solar cell) หรือมีชื่อในทางวิทยาศาสตร์ว่า เซลล์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic cell หรือ PV cell) โดยเซลล์สุริยะที่ใช้กันทั่วไปทำจากสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) กระบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานไฟฟ้าเริ่มจากเมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบบนแผงเซลล์สุริยะจนมีอุณหภูมิสูงขึ้นระดับหนึ่ง จะทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างแผงเซลล์สุริยะกับอุปกรณ์อื่น ๆ ที่นำมาต่อเข้ากับวงจร จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นมา อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่อเข้ากับวงจรที่แผงเซลล์สุริยะนี้จึงทำงานได้

พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์เป็นพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear reaction) ในเตาปฏิกรณ์ สำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ โดยทั่วไปจะใช้ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) ในการสร้างความร้อน เช่น การยิงนิวตรอนไปที่ธาตุยูเรเนียม-235 แล้วแตกตัวเป็นธาตุใหม่และนิวตรอนที่จะไปชนธาตุกัมมันตรังสีอื่น ๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันอย่างต่อเนื่อง กระบวนการดังกล่าว เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่

พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถคำนวณได้จากสมการ

เมื่อ Δm คือ ส่วนมวลพร่อง หรือ ผลต่างระหว่างมวลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ หน่วย kg

c คือ อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ มีค่าประมาณ 3 × 108 m/s

ปรากฏการณ์คลื่นกล

คลื่นกล (Mechanical waves) คือ คลื่นที่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการส่งผ่านพลังงาน โดยอนุภาคของตัวกลางจะสั่นกลับไปกลับมารอบจุดสมดุลและไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น คลื่นกลแบ่งตามทิศการสั่นของตัวกลางได้เป็น คลื่นตามขวาง เช่น คลื่นในเส้นเชือก และคลื่นตามยาว เช่น คลื่นเสียง

ส่วนประกอบของคลื่นที่ต้องจำให้แม่น ได้แก่ สันคลื่น ท้องคลื่น แอมพลิจูด และปริมาณที่เกี่ยวข้องกับคลื่นที่ต้องรู้และต้องหาได้ ได้แก่ ความยาวคลื่น (λ) คาบ (T) และความถี่ ( f )

1. ความยาวคลื่น (Wavelength) คือ ระยะระหว่างสันคลื่นถึงสันคลื่นที่อยู่ติดกัน
2. คาบ (Period) คือ เวลาที่อนุภาคตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านสั่นได้ครบหนึ่งรอบ
3. ความถี่ (Frequency) คือ จำนวนรอบที่อนุภาคตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านสั่นได้ในหนึ่งหน่วยเวลา

อัตราเร็วของคลื่นและสมบัติของคลื่น

สำหรับอัตราเร็วคลื่นมีความสัมพันธ์กับ ความยาวคลื่น (λ) คาบ (T) และความถี่ ( f ) ดังนี้

โดยที่ v คือ อัตราเร็วของคลื่น หน่วย m/s

s คือ ระยะทางคลื่นเคลื่อนที่ได้ หน่วย m

t คือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ระยะทาง s หน่วย s

λ คือ ความยาวคลื่น หน่วย m

T คือ คาบ หน่วย s

f คือ ความถี่ หน่วย Hz

คลื่นทุกชนิดต้องแสดงสมบัติพื้นฐาน 4 ประการ ได้แก่ 1. การสะท้อน 2. การหักเห 3. การแทรกสอด และ 4. การเลี้ยวเบน ได้

เสียง

คลื่นเสียงเป็นคลื่นกลตามยาว มีคุณสมบัติเด่นที่ส่งผลต่อการรับรู้ของมนุษย์ เช่น ระดับสูงต่ำของเสียง (Pitch) ที่ขึ้นอยู่กับความถี่ และความดัง ซึ่งขึ้นอยู่กับความถี่และความเข้มเสียง นอกจากนี้ยังมีปรากฏการณ์การสั่นพ้อง (Resonance) บีตของเสียง (Beats) และปรากฏการณ์ดอปปเลอร์ (Doppler Effect) ในทีนี้จะขอยกตัวอย่างปรากฏการณ์บีตของเสียง ซึ่งมักออกข้อสอบบ่อยใน A-Level วิทยาศาสตร์ประยุกต์

บีตของเสียง

เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงสองแหล่งที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อยทำงานพร้อมกัน จะเกิดการแทรกสอดเกิดเป็นเสียงดัง-ค่อย สลับกัน เรียกว่า บีต

สำหรับความถี่บีตคำนวณได้จาก

เมื่อ fB คือ ความถี่บีต หน่วย เฮิรตซ์ (Hz)

f1 และ f2 คือ ความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียง

สำหรับแนวโจทย์ที่เคยออกในข้อสอบ A-Level วิทยาศาสตร์ประยุกต์ บทเสียง สามารถศีกษาแนวข้อสอบได้ที่ตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่าง เคาะส้อมเสียงสองอันที่มีความถี่ 438 เฮิรตซ์ และ 442 เฮิรตซ์ พร้อมกัน 

ผู้ฟังจะได้ยินเสียงดังค่อยกี่ครั้งในเวลา 5 วินาที

วิธีทำ หาความถี่บีต

หาจำนวนครั้งที่ได้ยินเสียงดังค่อยในเวลา 5 วินาที 

ดังนั้น ผู้ฟังจะได้ยินเสียงบีตส์ทั้งหมด 20 ครั้ง ในเวลา 5 วินาที

แสงสี

แสงขาวเมื่อผ่านปริซึมจะแยกออกเป็นสเปกตรัม 7 แสงสี การศึกษาในบทนี้แบ่งระบบสีออกเป็นสองกลุ่มชัดเจน คือ แสงสี และ สารสี 

ภาพ การผสมแสงสี

ภาพ การผสมสารสี

การมองเห็นสีของมนุษย์โดยทั่วไป เมื่อแสงตกกระทบที่ผิววัตถุจะสะท้อนแสงสีที่มีผสมกันได้สีเดียวกับสารสีเข้าสู่ดวงตา ดังภาพ

สำหรับแนวโจทย์ที่เคยออกในข้อสอบ A-Level วิทยาศาสตร์ประยุกต์ บทแสงสี สามารถศีกษาแนวข้อสอบได้ที่ตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่าง หากเรามองวัตถุที่มีสารสีแดงม่วงภายใต้ห้องที่ฉายเฉพาะดวงไฟแสงสีเขียว คนสายตาปกติจะมองเห็นวัตถุนั้นเป็นสีอะไร

แนวคิด สารสีแดงม่วง มีคุณสมบัติสะท้อนแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงิน แต่จะดูดกลืนแสงสีเขียวไว้

เมื่อห้องนั้นมีแต่แสงสีเขียวฉายเข้ามา สารสีแดงม่วงจะดูดกลืนแสงสีเขียวไว้ทั้งหมด ทำให้ไม่มีแสง

สีใดสะท้อนกลับเข้าสู่ตาของเราเลย

ดังนั้น คนสายตาปกติจะมองเห็นวัตถุนั้นเป็นสีดำ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) เกิดจากการเหนี่ยวนำของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกัน ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรียงลำดับจากความถี่ต่ำไปสูง (ความยาวคลื่นยาวไปสั้น) คือ คลื่นวิทยุ, ไมโครเวฟ, อินฟราเรด, แสงขาว, อัลตราไวโอเลต, รังสีเอกซ์, และรังสีแกมมา ตามลำดับ

ในด้านเทคโนโลยีการสื่อสาร ปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้คลื่นเหล่านี้ส่งสัญญาณในระบบแอนะล็อก (Analog) และระบบดิจิทัล (Digital) ซึ่งระบบดิจิทัลจะแปลงสัญญาณเป็นรหัสฐานสอง จึงทำให้มีความถูกต้อง แม่นยำ และทนต่อสัญญาณรบกวนได้ดีกว่ามาก

เรียนฟิสิกส์พื้นฐาน กับ OnDemand

สำหรับน้อง ๆ ม.ปลาย สายเน้นคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ ที่ต้องการเข้าใจเนื้อหาที่เรียนในวิชาฟิสิกส์พื้นฐานและฟิสิกส์เพิ่มเติม หากต้องการเน้นบทการเคลื่อนที่และแรง ปรากฏการณ์คลื่นกล เสียง และแสงสี เรียนกับ OnDemand ในคอร์ส Pack กลศาสตร์ 1 (0201-0204) และคอร์ส Pack : การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกและกลุ่มคลื่น (0209, 0211, 0212, 0213) เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาในบทได้ง่ายขึ้นและเตรียมตัวการเรียนเนื้อฟิสิกส์เพิ่มเติมไปพร้อม ๆ กัน ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับด้วยเทคนิค Supermap และ X-map พร้อมตะลุยโจทย์หลากหลายแนว

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

• Add Line : Ondemand Education
• โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)

อ้างอิง

• สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์กายภาพ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 2. พิมพ์ครั้งที่ 2. จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 
• สำนักงานคณะกรรมการการศึกษาขั้นพื้นฐาน. (2560). ตัวชี้วัดและสาระการเรียนรู้แกนกลาง กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ (ฉบับปรับปรุง พ.ศ.2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. พิมพ์ครั้งที่ 1. โรงพิมพ์ชุมนุมสหกรณ์การเกษตรแก่งประเทศไทย จำกัด.

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐาน (FAQs)