Key Takeaways:
พลังงานจลน์เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ที่น้อง ๆ ม.ปลาย จะได้เจอครั้งแรกในบทงานและพลังงาน ม.4 ซึ่งเป็นพื้นฐานที่จะนำไปต่อยอดในหัวข้ออื่น ๆ ของเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลายได้ เช่น โมเมนตัมและการชน ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส เป็นต้น ดังนั้นในบทความนี้ พี่ ๆ จะสรุปเนื้อหาพลังงานจลน์ โดยจะเน้นพลังงานจลน์ในบทงานและพลังงานเป็นหลัก พร้อมสูตรคำนวณและตัวอย่างโจทย์ รวมไปถึงเกริ่นถึงพลังงานจลน์ที่น้อง ๆ จะได้เจอในบทอื่น ๆ ด้วย เพื่อช่วยให้น้อง ๆ ได้เตรียมตัวและสามารถเรียนรู้ได้อย่างเข้าใจมากขึ้น
Table of Contents
ลองนึกภาพว่ามีลูกบอลลูกหนึ่งวางนิ่งอยู่บนพื้น เมื่อเราเตะลูกบอลเข้าประตู ลูกบอลที่ถูกเตะจะเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็วจนกระทั่งถูกหยุดด้วยตาข่ายของประตู โดยตาข่ายนั้นจะยืดออกไปตามแนวการเคลื่อนที่ของลูกบอลด้วย การที่ตาข่ายยืดออกไปเพื่อหยุดลูกบอล แสดงให้เห็นว่าลูกบอลที่เราเตะให้เคลื่อนที่มีพลังงานอยู่ ซึ่งพลังงานของลูกบอลที่เคลื่อนที่นี้ เรียกว่า “พลังงานจลน์”
ในบทความนี้ เราจะมาทำความเข้าใจเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย เรื่องพลังงานจลน์ในมุมมองที่เข้าใจง่าย ช่วยให้เข้าใจสูตร และนำไปประยุกต์ใช้ได้จริงในการเรียนฟิสิกส์กัน
สมัครเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : งานและพลังงาน กับ OnDemand
พลังงานจลน์คืออะไร ? มีสูตรคำนวณอย่างไร ?
เมื่อมีแรงคงที่ \vec{F} มากระทำต่อวัตถุมวล m วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่ \vec{a} ตามกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน ซึ่งมีขนาดเป็น
a = \dfrac{F}{m}ถ้าวัตถุนั้นมีอัตราเร็วต้น v_i เคลื่อนที่ได้เป็นระยะทาง s ในแนวตรง อัตราเร็วปลาย v_f ของวัตถุจะหาได้จาก
v_f^2 = v_i^2 + 2asเมื่อแทนค่า a = \dfrac{F}{m} จะได้ v_f^2 = v_i^2 + 2\dfrac{F}{m}s
\dfrac{1}{2}mv_f^2 = \dfrac{1}{2}mv_i^2 + FsFs = \dfrac{1}{2}mv_f^2 – \dfrac{1}{2}mv_i^2เนื่องจากขนาดของแรงคงที่คูณกับระยะทางก็คืองานที่แรงนั้นกระทำต่อวัตถุ
นั่นคือ W = \dfrac{1}{2}mv_f^2 – \dfrac{1}{2}mv_i^2
จากสมการสามารถอธิบายได้ว่า เมื่อมีแรงมากระทำต่อวัตถุแล้วทำให้เกิดงานต่อวัตถุ วัตถุนั้นจะมีอัตราเร็วเปลี่ยนจาก v_i ไปเป็น v_f โดยจะทำให้ปริมาณ \dfrac{1}{2}mv_i^2 ของวัตถุที่มีอัตราเร็วต้น v_i มีค่าเปลี่ยนไปเป็นปริมาณ \dfrac{1}{2}mv_f^2 ของวัตถุที่มีอัตราเร็วปลาย v_f ซึ่งเราจะนิยามปริมาณ \dfrac{1}{2}mv^2 นี้ว่า “พลังงานจลน์” (Kinetic Energy)
ดังนั้น พลังงานจลน์จึงเป็นพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุมวล m ซึ่งกำลังเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว v โดยสามารถคำนวณหาพลังงานจลน์ได้จาก
E_\text{k} = \dfrac{1}{2}mv^2ตารางเปรียบเทียบพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) และพลังงานศักย์ (Potential Energy)
หัวข้อเปรียบเทียบ | พลังงานจลน์ (Kinetic Energy) | พลังงานศักย์ (Potential Energy) |
นิยาม | พลังงานที่สะสมในวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ | พลังงานที่สะสมในวัตถุจากตำแหน่งหรือสถานะ |
สูตรคำนวณ | E_\text{k} = \dfrac{1}{2}mv^2 | E_\text{p} = mgh |
ปัจจัยสำคัญ | มวล (m) และความเร็ว (v) | มวล (m), ความเร่งโน้มถ่วง (g), ความสูง (h) |
สถานะของวัตถุ | วัตถุต้องมีการเคลื่อนที่ | วัตถุอาจอยู่นิ่ง แต่มีตำแหน่งภายในสนามโน้มถ่วงหรือสนามไฟฟ้า หรือมีสภาพยืดหยุ่น |
เราจะได้เจอพลังงานจลน์ในบทไหนบ้าง ?
พลังงานจลน์ถือเป็นหนึ่งในหัวใจสำคัญของเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย เพราะถูกนำไปใช้เชื่อมโยงกับเนื้อหาหลายบท ตั้งแต่กลศาสตร์ใน ม.4 ไปจนถึงฟิสิกส์ยุคใหม่ใน ม.6 ดังนี้
งานและพลังงาน
เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.4 ที่มีการกล่าวถึงนิยามของพลังงานจลน์ ไปจนถึงการนำพลังงานจลน์ไปใช้ในกฎการอนุรักษ์พลังงานกลและทฤษฎีบทงาน-พลังงาน
โมเมนตัมและการชน
เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.4 ที่มีการนำพลังงานจลน์ไปใช้นิยามประเภทของการชน โดยถ้าการชนนั้นอนุรักษ์พลังงานจลน์ จะเรียกว่า “การชนแบบยืดหยุ่น” แต่ถ้าการชนนั้นมีการสูญเสียพลังงานจลน์ จะเรียกว่า “การชนแบบไม่ยืดหยุ่น”
การเคลื่อนที่แบบวงกลม
เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.4 ที่มีการนำพลังงานจลน์ไปประยุกต์ในโจทย์ที่ต้องใช้กฎการอนุรักษ์พลังงาน เช่น การเคลื่อนที่แบบวงกลมในแนวดิ่ง
ไฟฟ้าสถิต
เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.5 ที่มีการนำพลังงานจลน์ไปประยุกต์ในโจทย์ที่เกี่ยวกับการเร่งประจุไฟฟ้า q ผ่านความต่างศักย์ \Delta V ซึ่งพลังงานศักย์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ของประจุตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.6 ที่อธิบายการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแก๊ส โดยกล่าวถึงพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สที่แปรผันตรงกับอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน และพลังงานภายในโมเลกุลแก๊สที่เป็นผลรวมของพลังงานจลน์
ฟิสิกส์อะตอม
เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.6 ที่มีการใช้พลังงานจลน์สูงสุดในการบ่งบอกพลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
ตัวอย่างโจทย์ฟิสิกส์ ม.ปลาย เรื่อง พลังงานจลน์
ตัวอย่างที่ 1 วัตถุแรกมวล m มีอัตราเร็ว v มีพลังงานจลน์ E ถ้าวัตถุที่สองมีมวล 3m
มีอัตราเร็ว 3v จะมีพลังงานจลน์เป็นกี่เท่าของวัตถุแรก
วิธีคิด จาก E_\text{k} = \dfrac{1}{2}mv^2
สำหรับวัตถุแรก E_1 = \dfrac{1}{2}mv^2 = E
สำหรับวัตถุที่สอง E_2 = \dfrac{1}{2}(3m)(3v)^2 = \dfrac{27}{2}mv^2 = 27E
ดังนั้น วัตถุที่สองมีพลังงานจลน์เป็น 27 เท่าของวัตถุแรก
ตัวอย่างที่ 2 วัตถุมวล 1 กิโลกรัม ตกจากที่สูง 10 เมตร เมื่อเวลาผ่านไป 1 วินาที
จะมีพลังงานจลน์กี่จูล
กำหนดให้ g \approx 10\text{ m/s}^2
วิธีคิด จากโจทย์ m = 1\text{ kg}, u = 0\text{ m/s}, t = 1\text{ s}
หาอัตราเร็วปลายจาก v=u+gt
จะได้ v = (0\text{ m/s}) + (10\text{ m/s}^2)(1\text{ s}) = 10\text{ m/s}
หาพลังงานจลน์จาก E_\text{k} = \dfrac{1}{2}mv^2
จะได้ E_\text{k} = \dfrac{1}{2}(1\text{ kg})(10\text{ m/s})^2 = 50\text{ J}
ดังนั้น ขณะนั้นวัตถุมีพลังงานจลน์ 50 จูล
เรียนเรื่องพลังงานจลน์ กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.4 ที่ต้องการทำความเข้าใจเรื่องพลังงานจลน์ให้มากยิ่งขึ้น เพื่อนำไปต่อยอดในเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย เรื่องอื่น ๆ หรือเพื่อเตรียมตัวสอบในเรื่องนั้นอย่างมีประสิทธิภาพ การเรียนกับ OnDemand ในคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : งานและพลังงาน ซึ่งจะเน้นถึงการคำนวณพลังงานจลน์และการนำไปใช้ในกฎการอนุรักษ์พลังงาน ก็เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับ พร้อมตะลุยโจทย์
Youtube งานและพลังงาน ม.4 | ตัวอย่างคอร์สเรียน ฟิสิกส์ ม.ปลาย | OnDemand
นอกจากนี้ สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการเตรียมตัวสอบเข้ามหาวิทยาลัย ทาง OnDemand ก็มีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 2 : กลุ่มกลศาสตร์ 2 ให้เลือกด้วยเช่นกัน ซึ่งน้อง ๆ จะได้เรียนและตะลุยโจทย์เรื่องพลังงานจลน์ซึ่งอยู่ในเนื้อหาบทงานและพลังงานแบบเข้มข้นในคอร์สนี้ เพื่อเตรียมพร้อมสอบแข่งขันได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 เล่ม 2. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9𝗍𝗁 ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับพลังงานจลน์ (FAQs)
Q: พลังงานจลน์มีทิศทางแบบความเร็วหรือไม่ ?
A: พลังงานจลน์ไม่มีทิศทาง มีแต่ขนาด เพราะพลังงานเป็นปริมาณสเกลาร์ครับ
Q: พลังงานจลน์สามารถมีค่าเป็นลบได้ไหม ?
A: พลังงานจลน์ไม่สามารถมีค่าเป็นลบได้ เพราะพลังงานจลน์คือ E_\text{k} = \dfrac{1}{2}mv^2 ซึ่งทั้งมวล m และอัตราเร็วยกกำลังสอง v^2 จะต้องมีค่าเป็นบวกเสมอนั่นเอง
Q: วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วกว่าจะมีพลังงานจลน์มากกว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ช้ากว่าเสมอไหม ?
A: ไม่เสมอไปครับ ถ้าวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วกว่ามีมวลน้อย จะสามารถมีพลังงานจลน์น้อยกว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ช้ากว่าแต่มีมวลมากได้ เพราะพลังงานจลน์มีค่าขึ้นอยู่กับทั้งมวลและอัตราเร็วของวัตถุนั่นเอง
