อุปกรณ์
ดินน้ำมัน ถัง หรือ ขัน น้ำ
ขั้นตอนการปฏิบัติ แบ่งนักเรียนเป็นกลุ่ม แต่ละกลุ่ม แบ่งหน้าที่ ส่งตัวแทนมารับชุดทดลอง
ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มร่วมกันคิดวางแผนออกแบบการทดลอง และตารางบันทึกผลทำอย่างไร ดินน้ำมันจะลอยน้ำได้
2. นำรูปทรงที่ลอยได้ ร่วมกันวางแผนออกแบบ เป็นเรือดินน้ำมัน ที่ลอยน้ำได้ พร้อมบรรทุกคน
จำนวนหนึ่ง โดยใช้ดินน้ำมันปั้นลูกกลมเล็กๆ เป็นตัวแทนจำนวนคนลงในเรือ ทดลองนำลอยในถัง
สังเกต บันทึกผลในตาราง
ควรวัดมวล และปริมาตรของเรือเป็นตัวเลข เพื่อใช้คำนวณความหนาแน่น ในการตอบโจทย์
เรือดินน้ำมันลอยน้ำได้อย่างไร
การทดลองนี้สอดคล้องกับสะเต็มศึกษา และบูรณาการเข้ากับวัฒนธรรมท้องถิ่น
3. แต่ละกลุ่มคิดวางแผนการนำเสนอผลการทดลอง
ทฤษฎีใช้ประกอบการอธิบาย
ทำไมเรือจึงลอยน้ำได้...?
วัตถุชนิดต่างๆ จะมีคุณสมบัติทางกายภาพ ได้แก่ มวล ปริมาตร รูปร่างหรือรูปทรงทางเรขาคณิต น้ำหนัก ความหนาแน่น เป็นต้น
ในกรณีของเรือ เราสามารถพิจารณาสมบัติดังกล่าวข้างต้นได้ โดยที่ปริมาตรของเรือ หาได้จากขนาดของรูปทรงทางเรขาคณิต อาทิเช่น ความกว้าง ความยาว ความสูงหรือความหนา ซึ่งเราจะต้องพิจารณาด้วยว่า เรือลำนั้นมีรูปทรงแบบใด เมื่อทราบแล้วเราก็จะหาปริมาตรตามสมการการหาค่าปริมาตรของวัตถุ เช่น
รูปสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ หาได้จากสมการ = กว้าง x ยาว x สูง
รูปทรงสามเหชี่ยม “ = ½ x สูง x ความยาวของฐาน เป็นต้น
สมบัติอีกประการหนึ่งของวัตถุ นั่นคือ ความหนาแน่น ซึ่งเราสามารถทราบค่าความหนาแน่นของวัตถุได้จาก นำค่ามวลของวัตถุ เปรียบเทียบกับ ปริมาตรของวัตถุ นั่นเอง ดังสมการ
นักวิทยาศาสตร์จะเปรียบเทียบความหนาแน่นของวัตถุชนิดต่างๆ ได้จากการเปรียบเทียบกับค่าความหนาแน่นของน้ำ นั่นคือ เมื่อนำวัตถุนั้นๆ มาวางลงในน้ำ หากวัตถุชนิดนั้นลอยแสดงว่าค่าความหนาแน่นของวัตถุนั้น มีค่าน้อยกว่าน้ำ (น้อยกว่า 1.0 x 103 กก. / เมตร3 ) ในทางตรงกันข้าม หากวัตถุชนิดนั้นจมลงในน้ำ แสดงว่าวัตถุชนิดนั้น มีค่าความหนาแน่นมากกว่าน้ำ นั่นเอง
ในกรณีของเรือ เรือทำมาจากเหล็ก ซึ่งมีค่าความหนาแน่นมากกว่าน้ำ หากเราพิจารณาเฉพาะเหล็กเป็นแท่งหรือเหล็กเป็นแผ่น เมื่อวางลงในน้ำ เหล็กจะจมน้ำ แต่เมื่อเรานำเหล็กเหล่านี้มาต่อเป็นรูปร่างหรือรูปทรง จะทำให้ปริมาตรของเหล็กเพิ่มขึ้น (การหาปริมาตรของวัตถุหาจากรูปทรงทางเรขาคณิตของวัตถุ) นั่นคือ เมื่อเราคำนวณหาค่าความหนาแน่นของเรือ ค่าปริมาตรที่เป็นตัวหารมีค่ามาก จะทำให้ผลลัพธ์มีค่าน้อยกว่า 1.0 x 103 กก. / เมตร3 หรือมีค่าน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ จึงทำให้เรือลำนี้ลอยได้นั่นเอง
จากการพิจารณาดูรูปที่ (1) จะเห็นว่าตาชั่งอยู่ในสมดุล ซึ่งเราอาจกล่าวได้ว่า เหล็ก และไม้มีมวลเท่ากัน หรือพูดกันอย่างชาวบ้านทั่วไปก็จะพูดได้ว่า เหล็กกับไม้หนักเท่ากัน
เมื่อพิจารณาดูรูปที่ (2) เห็นได้ว่าตาชั่งไม่สมดุลโดยเอียงมาทางด้านเหล็ก จึงอาจพูดได้ว่า เหล็กมีมวลมากกว่าไม้หรือเหล็กหนักกว่าไม้นั่นเอง
ทั้งสอบรูปมีความเท่ากันและแตกต่างกันกล่าวคือ รูปที่ (1) ไม้กับเหล็กมีมวลเท่ากันแต่ขนาดไม่เท่ากัน ส่วนรูปที่ (2) ไม้กับเหล็กมีขนาดเท่ากันแต่หนักไม่เท่ากัน การบอก "ขนาด" ของวัตถุ ก็คือการบอกปริมาตรของวัตถุ การหาปริมาตรของวัตถุที่มีรูปทรงทางเรขาคณิต เช่น รูปลูกบาศก์ รูปทรงกลม สามารถใช้สูตรทางคณิตศาสตร์คำนวนออกมาได้ แต่ถ้าวัตถุนั้น มีรูปทรงไม่แน่นอน เราก็สามารถหาปริมาตรของวัตถุนั้นได้โดยการแทนที่น้ำ ดังรูปที่ (3)
รูปที่ (3) แสดงการหาปริมาตรของวัตถุโดยการแทนที่น้ำ
ถ้านักเรียนนำดินน้ำมันก้อนหนึ่งไปชั่งบนตาชั่งเพื่อหามวล ของดินน้ำมัน แล้วนำไปหาปริมาตรของดินน้ำมันโดยการแทนที่น้ำดังรูปที่ (3) มวลของดินน้ำมันที่ชั่งได้หารด้วยปริมาตรของดินน้ำมันก้อนนั้น จะเป็นค่า "ความหนาแน่น" ของดินน้ำมัน
หน่วยของความหนาแน่นเป็นหน่วยของ มวลต่อปริมาตร เช่น กรัม / ลบ.ซม. หรือ กิโลกรัม / ลบ.ม. เป็นต้น
เราใช้น้ำซึ่งมีความหนาแน่น 1 กรัม / ลบ.ซม. หรือ 1,000 กิโลกรัม / ลบ.ม. เป็นมาตรฐาน กล่าวคือ วัตถุใดที่มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ วัตถุนั้นจะจมน้ำ แต่ถ้าวัตถุใดมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำวัตถุนั้นจะลอยน้ำ
ตัวอย่างความหนาแน่นของสารบางชนิดในหน่วย กรัม / ลบ.ซม.
อะลูมิเนียม 2.20 เหล็ก 7.90 ทองแดง 8.90 ตะกั่ว 11.40 ไม้คอร์ก 0.25 พาราฟิน 0.80 น้ำแข็ง 0.92
ช่วยกันคิดหน่อยซิว่า ทำไมเรือที่ทำด้วยเหล็กจึงลอยน้ำได้ ?
แหล่งที่มา : พันธุ์ทิพย์ ทิมสุกใส มหาวิทยาลัยราชภัฏนครราชสีมา
