Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩
Subjects · ⁨รายวิชา⁩

A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩

Tips · ⁨เคล็ดลับ⁩

A-Level Physics (9702) ไปตั้งแต่ measurement และ motion ไปจนถึง quantum physics การเปลี่ยนแปลงที่ใหญ่ที่สุดจาก IGCSE คือ algebra: คุณต้องจัดรูปและรวมสมการ ไม่ใช่แค่จำพวกมัน

ปี AS: mechanics, waves, electricity และเริ่มต้นของ particle physics. ปี A2: circular motion, gravitational, electric และ magnetic fields, oscillations, thermodynamics และ nuclear physics.

อ่านหัวข้อหนึ่ง แล้ว ทำคำถามเกี่ยวกับหัวข้อนั้นทันที Physics ไม่ติดใจจากการอ่าน เมื่อคำตอบผิด ให้ถามตัวเอง: มันคือ physics หรือ algebra? ทั้งสองต้องการการแก้ไขที่แตกต่างกัน

  • 1

    Physical quantities and units · ⁨ปริมาณทางกายภาพและหน่วยวัด⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    1.1

    Physical quantities

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that all physical quantities consist of a numerical magnitude and a unit
    2. make reasonable estimates of physical quantities included within the syllabus
    ไทย
    1. เข้าใจว่าทุก ปริมาณทางฟิสิกส์ ประกอบด้วย ขนาดตัวเลข (numerical magnitude) และ หน่วย (unit)
    2. ประมาณค่า ปริมาณทางฟิสิกส์ ที่อยู่ในหลักสูตรได้อย่างสมเหตุสมผล

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    A physical quantity 物理量 has two parts: a number (its magnitude 大小) and a unit 单位. The number on its own tells you nothing. You must also say what is measured and in which unit.

    Example: "the length is 1.5" is not complete. "The length is 1.5 m" is a physical quantity.

    Making estimates

    You should be able to estimate 估算 the size of the physical quantities in this syllabus. Paper 1 usually opens with a question like this. Learn these rough values:

    • mass 质量 of an adult human: $\sim 70\ \text{kg}$; of a car: $\sim 1000\ \text{kg}$; of an apple: $\sim 0.1\ \text{kg}$
    • weight 重力 of an adult human: $\sim 700\ \text{N}$; of an apple: $\sim 1\ \text{N}$
    • height of an adult human: $\sim 1.7\ \text{m}$; height of a room: $\sim 3\ \text{m}$
    • walking speed: $\sim 1.5\ \text{m s}^{-1}$; a car on a fast road: $\sim 30\ \text{m s}^{-1}$
    • speed of sound in air: $\sim 340\ \text{m s}^{-1}$; speed of light in a vacuum 真空: $3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$
    • acceleration 加速度 of free fall 自由落体: $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$
    • density 密度 of water: $1000\ \text{kg m}^{-3}$; of air: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$; of steel: $\sim 8000\ \text{kg m}^{-3}$
    • atmospheric pressure 大气压强: $\sim 1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$
    • room temperature: $\sim 20\ ^{\circ}\text{C} \approx 293\ \text{K}$
    • power of a kettle: $\sim 2\ \text{kW}$; of a person climbing stairs: $\sim 300\ \text{W}$
    • wavelength of visible light: $\sim 5 \times 10^{-7}\ \text{m}$; diameter of an atom: $\sim 10^{-10}\ \text{m}$; of a nucleus: $\sim 10^{-15}\ \text{m}$

    A good estimate has the right order of magnitude 数量级 (the right power of ten). For a human, 70 kg is a good guess; 7 kg is not.

    To estimate a quantity that is not in the list, build it from ones that are. The kinetic energy of a moving car is $\tfrac{1}{2}mv^{2} \approx \tfrac{1}{2} \times 1000 \times 30^{2} \approx 5 \times 10^{5}\ \text{J}$. The pressure under a standing person is $700\ \text{N} / 0.02\ \text{m}^{2} \approx 4 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. Always check that the power of ten looks sensible before you move on.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    physical quantity/ˈfɪzɪkl ˈkwɒntɪti/ ปริมาณทางฟิสิกส์
    magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ ขนาด
    unit/ˈjuːnɪt/ หน่วย
    estimate/ˈestɪmət/ การประมาณ
    mass/mæs/ มวล
    weight/weɪt/ น้ำหนัก
    vacuum/ˈvækjuːm/ สุญญากาศ
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่ง
    free fall/friː fɔːl/ การตกอย่างอิสระ
    density/ˈdensɪti/ ความหนาแน่น
    atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/ ความดันบรรยากาศ
    order of magnitude/ˈɔːdə ɒv ˈmæɡnɪtjuːd/ ลำดับขนาด
    1.2

    SI units 国际单位制

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall the following SI base quantities and their units: mass (kg), length (m), time (s), current (A), temperature (K)
    2. express derived units as products or quotients of the SI base units and use the derived units for quantities listed in this syllabus as appropriate
    3. use SI base units to check the homogeneity of physical equations
    4. recall and use the following prefixes and their symbols to indicate decimal submultiples or multiples of both base and derived units: pico (p), nano (n), micro (\mu), milli (m), centi (c), deci (d), kilo (k), mega (M), giga (G), tera (T)
    ไทย
    1. จำได้และระบุ ปริมาณพื้นฐานของระบบสากล (SI base quantities) และหน่วยของแต่ละปริมาณ ได้แก่: มวล (mass) (กิโลกรัม, kg), ความยาว (length) (เมตร, m), เวลา (time) (วินาที, s), กระแสไฟฟ้า (current) (แอมแปร์, A), อุณหภูมิ (temperature) (เคลวิน, K)
    2. เขียน หน่วยที่หาได้ (derived units) ในรูปของผลคูณหรือผลหารของ หน่วยพื้นฐานของระบบสากล (SI base units) และใช้หน่วยที่หาได้สำหรับปริมาณต่างๆ ที่ระบุในหลักสูตรอย่างเหมาะสม
    3. ใช้หน่วยพื้นฐานของระบบสากลเพื่อตรวจสอบ ความเป็นเอกภาพของมิติ (homogeneity) ของสมการทางฟิสิกส์
    4. จำและใช้ พยางค์นำหน้า (prefixes) และสัญลักษณ์ต่อไปนี้เพื่อบ่งชี้ตัวคูณหรือตัวหารทศนิยมของทั้งหน่วยพื้นฐานและหน่วยที่หาได้: pico (p), nano (n), micro (\mu), milli (m), centi (c), deci (d), kilo (k), mega (M), giga (G), tera (T)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Base units

    The SI system has seven base quantities 基本量; five of them are used in this topic. You must know these five and their units:

    • mass — kilogram, $\text{kg}$
    • length 长度 — metre, $\text{m}$
    • time — second, $\text{s}$
    • current 电流 — ampere 安培, $\text{A}$
    • temperature 温度 — kelvin 开尔文, $\text{K}$

    Every other unit in this syllabus is built from these five.

    Derived units

    A derived unit 导出单位 is made by multiplying or dividing base units. You should be able to write any quantity in this syllabus in base units.

    Build a derived unit from the equation that defines it:

    • speed 速率 = distance / time, so its unit is $\text{m s}^{-1}$
    • acceleration = change in velocity 速度 / time, so its unit is $\text{m s}^{-2}$
    • force 力 = mass × acceleration, so its unit is $\text{kg m s}^{-2}$. The newton 牛顿 is $1\ \text{N} = 1\ \text{kg m s}^{-2}$.
    • work 功 and energy 能量 = force × distance, so the unit is $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-2}$. The joule 焦耳 is $1\ \text{J} = 1\ \text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-2}$.
    • power 功率 = energy / time, so the unit is $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$. The watt 瓦特 is $1\ \text{W} = 1\ \text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$.
    • pressure 压强 and stress 应力 = force / area, so the unit is $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$. The pascal 帕斯卡 is $1\ \text{Pa} = 1\ \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$.

    When a question asks for the SI base units of a quantity, replace each named unit with its base units, then simplify. Example: the SI base units of the watt are $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$.

    Checking that the units match

    An equation is homogeneous 量纲一致 when both sides have the same base units. In plain words: the units on both sides match.

    Write each side in base units and compare. Take the equation $v^{2} = u^{2} + 2as$:

    • left side: $(\text{m s}^{-1})^{2} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
    • right side, first term: $(\text{m s}^{-1})^{2} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
    • right side, second term: $\text{m s}^{-2} \cdot \text{m} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$

    Both sides give $\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so the units match.

    Be careful: matching units do not prove the whole equation is correct. It could still have a wrong number, or a missing factor of 2. But if the units do not match, the equation is wrong for sure.

    Worked example. The drag force on a falling ball is given by $F = kv^{2}$, where $v$ is the speed. Find the SI base units of the constant $k$.

    Rearrange: $k = F / v^{2}$. In base units, $F$ is $\text{kg m s}^{-2}$ and $v^{2}$ is $\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so

    $$k:\ \frac{\text{kg m s}^{-2}}{\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}} = \text{kg m}^{-1}.$$

    A multiple-choice question often asks "which equation could be correct?". Check the base units of each option; only a homogeneous equation can be correct. A pure number (like 2, $\pi$ or $\tfrac{1}{2}$) has no unit, so it never changes the check.

    Prefixes

    A prefix 词头 is a letter put in front of a unit to make it bigger or smaller by powers of ten. You must know these:

    The SI prefixes climb in steps of a thousand, from pico up to giga
    The SI prefixes climb in steps of a thousand, from pico to giga
    Prefix Symbol Factor
    tera T $10^{12}$
    giga G $10^{9}$
    mega M $10^{6}$
    kilo k $10^{3}$
    deci d $10^{-1}$
    centi c $10^{-2}$
    milli m $10^{-3}$
    micro $\mu$ $10^{-6}$
    nano n $10^{-9}$
    pico p $10^{-12}$

    To change a prefixed unit into base units, replace the prefix with its factor, then simplify. Example: change $0.25\ \text{kN mm}^{-2}$ into $\text{N m}^{-2}$:

    $$0.25\ \text{kN mm}^{-2} = 0.25 \times \frac{10^{3}\ \text{N}}{(10^{-3}\ \text{m})^{2}} = 0.25 \times \frac{10^{3}}{10^{-6}}\ \text{N m}^{-2} = 2.5 \times 10^{8}\ \text{N m}^{-2}.$$

    Take special care with squared units like $\text{mm}^{2}$: you must square the factor too.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Base or derived? · ⁨เป็นปริมาณพื้นฐานหรือปริมาณที่latest derived?⁩

    Only seven quantities are base quantities. Everything else is built from them, and its unit can be written in base units. · ⁨มีเพียง เจ็ด ปริมาณที่เป็นปริมาณพื้นฐาน สิ่งอื่นทั้งหมดสร้างมาจากพวกมัน และหน่วยสามารถเขียนเป็นหน่วยพื้นฐานได้⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    length/leŋθ/ ความยาว
    speed/spiːd/ ความเร็ว
    pressure/ˈpreʃə/ ความดัน
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิ
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    SI units/ˌes ˈaɪ ˈjuːnɪts/ หน่วย SI
    base quantity/beɪs ˈkwɒntɪti/ ปริมาณฐาน
    current/ˈkʌrənt/ 电流的属性
    ampere/ˈæmpeə/ แอมแปร์
    kelvin/ˈkelvɪn/ เคลวิน
    derived unit/dɪˈraɪvd ˈjuːnɪt/ หน่วยที่หาได้จากหน่วยพื้นฐาน
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    force/fɔːs/ แรง
    newton/ˈnjuːtn/ นิวตัน
    work/wɜːk/ งาน
    joule/dʒuːl/ จูล
    watt/wɒt/ วัตต์
    stress/stres/ ความเครียด (stress)
    pascal/ˈpæskl/ ปาสคาล
    homogeneous/ˌhɒməˈdʒiːniəs/ เนื้อเดียวกัน
    prefix/ˈpriːfɪks/ พหุคูณ
    1.3

    Errors and uncertainties

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand and explain the effects of systematic errors (including zero errors) and random errors in measurements
    2. understand the distinction between precision and accuracy
    3. assess the uncertainty in a derived quantity by simple addition of absolute or percentage uncertainties
    ไทย
    1. เข้าใจและอธิบายผลกระทบของ ความคลาดเคลื่อนเชิงระบบ (systematic errors) (รวมถึง ความคลาดเคลื่อนศูนย์ (zero errors)) และ ความคลาดเคลื่อนสุ่ม (random errors) ในการวัด
    2. เข้าใจความแตกต่างระหว่าง ความละเอียด (precision) และ ความถูกต้อง (accuracy)
    3. ประเมิน ความไม่แน่นอน (uncertainty) ของ ปริมาณที่หาได้ (derived quantity) โดยการบวกค่า ความไม่แน่นอนสัมบูรณ์ (absolute uncertainties) หรือ ความไม่แน่นอนเปอร์เซ็นต์ (percentage uncertainties) แบบง่าย

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    A vernier caliper measuring an object
    A vernier caliper measures length precisely, with a small uncertainty.

    Every measurement 测量 has some uncertainty 不确定度 — we are never fully sure of the value. A good experimenter knows where the uncertainty comes from, makes a fair estimate of it, and carries it through to the final answer.

    A labelled photograph of a real micrometer screw gauge: the anvil and spindle close onto the object, the C-shaped frame holds them, the sleeve carries the main scale, the thimble carries the thimble scale, and the ratchet closes it gently
    The main parts of a real micrometer screw gauge, which measures to the nearest 0.01 mm
    Two micrometer readings. Panel a is a zero reading: the thimble edge is at 0 mm and the thimble 0 lines up with the datum line, so it reads 0.00 mm. Panel b is a measurement: the thimble edge has passed 5.5 mm on the main scale and the thimble 28 lines up with the datum line, giving 5.5 + 0.28 = 5.78 mm
    Reading a micrometer: add the main scale reading to the thimble reading
    A close-up photograph of a real micrometer scale: the sleeve's main scale on the left meets the rotating thimble scale on the right at the datum line
    Reading a real micrometer: read the mm and half-mm on the sleeve, then add the thimble scale
    A metal vernier caliper with its jaws and a main centimetre scale, and a shorter sliding vernier scale that gives the extra digit of the reading
    Vernier calipers measure to the nearest 0.1 mm — the sliding scale gives the extra digit
    How to read a vernier caliper. The main scale gives the whole millimetres at the vernier zero (here 15 mm); the one vernier line that lines up with a main line gives the tenths (line 4, so 0.4 mm); the reading is 15.4 mm
    Reading a vernier caliper: whole millimetres from the main scale, plus the tenths from the vernier line that lines up

    Systematic and random errors

    A systematic error 系统误差 changes every reading by the same amount, in the same direction. You cannot find it by repeating the measurement. Common causes:

    • a zero error 零点误差 (the scale does not read zero when the true value is zero)
    • a calibration 校准 error (the scale itself is wrong)
    • parallax 视差 (your eye is always to one side of the scale)
    An analogue ammeter with a 0 to 5 A scale. With no current flowing the needle should rest on zero, but it rests just below the zero mark. A dashed line shows the true zero position and a small arrow marks the gap, labelled zero error
    An ammeter with a zero error: the needle reads below zero before any current flows
    A pointer raised above a ruler, viewed by three eyes. The eye straight above reads the true value; an eye too far left reads too high and an eye too far right reads too low, because each sight line passes the pointer and crosses the scale on the far side
    Parallax error: different viewing angles give different scale readings

    A systematic error makes the accuracy 准确度 worse, but it does not change the precision 精密度.

    A random error 随机误差 makes readings jump above and below the true value, with no pattern. Causes include how carefully you read the scale, changing conditions, and the smallest step the instrument 仪器 can show. If you repeat the measurement many times and take the mean 平均值 (the average), random errors partly cancel out.

    A random error makes the precision worse. But with enough repeats, the mean can still be accurate.

    On a graph the two errors look different. A systematic error moves every point by the same amount, so the line of best fit keeps its gradient but no longer passes through the origin: the intercept 截距 changes. Random errors scatter the points above and below the line; a best-fit line drawn through the middle of the scatter still gives a reliable gradient.

    Two graphs of y against x. Left: a systematic zero error has lifted every point by the same amount, so the best-fit line is parallel to the true line but cuts the y-axis above the origin. Right: random errors scatter the points above and below the best-fit line, which still passes through the middle of them
    A systematic error shifts the whole line, so the intercept moves; random errors scatter the points about the line
    Error How to reduce it
    systematic check for a zero error and subtract it; calibrate the instrument against a known standard; read the scale from directly in front
    random repeat the reading and take the mean; use an instrument with smaller divisions; time many oscillations instead of one

    Precision and accuracy

    Precision is how close repeated readings are to each other. Precise readings are grouped very close together.

    Accuracy is how close a reading (or the mean of several readings) is to the true value.

    Two distribution curves, both centred on the true value T. The top curve is narrow and tall, labelled precise and accurate; the bottom curve is wide and low, labelled imprecise but accurate. Both peaks sit on T, so precision is about how narrow the curve is
    Precision: how narrow the distribution is around the true value T

    A set of readings can be:

    • precise and accurate — close together and near the true value
    • precise but not accurate — close together, but away from the true value (a systematic error)
    • accurate but not precise — spread out, but the mean is near the true value
    • neither — spread out and away from the true value
    Two distribution curves whose peaks are both offset from the true value T. The top curve is narrow but its peak is to the right of T, labelled precise but not accurate; the bottom curve is wide and its peak is also to the right of T, labelled imprecise and not accurate. A double-headed arrow marks the offset from T in each
    Accuracy: whether the peak of the distribution is centred on the true value T

    When a question gives a table of repeated readings, look at the spread (precision) and the mean (accuracy) separately.

    Estimating the uncertainty in a reading

    Before you combine uncertainties, you need a sensible uncertainty for each raw reading:

    • A single reading on an analogue scale: half the smallest division 分度 (a metre rule reads to $1\ \text{mm}$, so one reading is $\pm 0.5\ \text{mm}$). A length needs two readings, one at each end, so its uncertainty is $\pm 1\ \text{mm}$.
    • A digital meter: $\pm 1$ in the last digit shown (a stopwatch showing $2.47\ \text{s}$ is $\pm 0.01\ \text{s}$).
    • A hand-timed measurement: your reaction time 反应时间 matters more than the display. Allow about $\pm 0.1$ to $0.2\ \text{s}$, and time many oscillations instead of one, so the same uncertainty is shared between all of them.
    • Repeated readings: the uncertainty is half the range 极差的一半. Three timings of $2.42$, $2.48$ and $2.45\ \text{s}$ have a mean of $2.45\ \text{s}$ and a range of $0.06\ \text{s}$, so $t = (2.45 \pm 0.03)\ \text{s}$.

    Be honest. If the edge of a shadow is hard to see, the uncertainty in its position is several millimetres, however fine the scale. Examiners do not accept "the smallest division" as the uncertainty of a difficult reading.

    Uncertainty in a derived quantity

    A measurement is often written as $x \pm \Delta x$. Here $\Delta x$ is the absolute uncertainty 绝对不确定度. The percentage uncertainty 百分比不确定度 is

    $$\text{percentage uncertainty in } x = \frac{\Delta x}{|x|} \times 100\%.$$

    A derived quantity 导出量 is one you calculate from measured values. Its uncertainty is found by simple rules:

    • Adding or subtracting — add the absolute uncertainties. If $y = a + b$ or $y = a - b$, then $\Delta y = \Delta a + \Delta b$.
    • Multiplying or dividing — add the percentage uncertainties. If $y = \dfrac{a \cdot b}{c}$, then
      $$\frac{\Delta y}{|y|} = \frac{\Delta a}{|a|} + \frac{\Delta b}{|b|} + \frac{\Delta c}{|c|}.$$
    • Powers — multiply the percentage uncertainty by the power. If $y = a^{n}$, then $\dfrac{\Delta y}{|y|} = |n| \cdot \dfrac{\Delta a}{|a|}$.

    Worked example. A ball's diameter 直径 is measured as $d = (5.26 \pm 0.02)\ \text{cm}$. The volume 体积 of a sphere is $V = \tfrac{4}{3}\pi r^{3} = \tfrac{4}{3}\pi (d/2)^{3}$, so $V \propto d^{3}$ ($V$ depends on $d$ cubed).

    The percentage uncertainty in $d$ is

    $$\frac{0.02}{5.26} \times 100\% \approx 0.38\%.$$

    Because $V \propto d^{3}$, the percentage uncertainty in $V$ is three times this, about $1.14\%$. The volume is $\tfrac{4}{3}\pi(2.63)^{3} \approx 76.2\ \text{cm}^{3}$. So the absolute uncertainty is $0.0114 \times 76.2 \approx 0.87\ \text{cm}^{3}$. The final answer is $V = (76.2 \pm 0.9)\ \text{cm}^{3}$.

    Do two values agree? Practical questions often ask whether two calculated values of a constant support a suggested relationship. Do not just say "they are close". Work out the percentage difference 百分比差异 between them,

    $$\text{percentage difference} = \frac{|k_{1} - k_{2}|}{\text{mean of } k_{1} \text{ and } k_{2}} \times 100\%,$$

    and compare it with the percentage uncertainty in $k$ (or with the criterion the question gives, often 10%). If the difference is smaller, the two values agree within the uncertainty and the relationship is supported. If it is larger, they do not.

    Significant figures

    When you write a calculated quantity, give it the same number of significant figures 有效数字 as the least precise measurement you used — usually two or three in this syllabus. Too many significant figures makes the answer look more exact than it really is. Too few loses useful information.

    Practical papers ask you to justify the number you chose. Name the raw readings: "$a$ is given to 2 significant figures because $L$ and $t$ were each measured to 2 significant figures." The phrase "because of the raw data" on its own does not earn the mark. In a table of results, judge each row from the least precise raw reading in that row; do not force every row to the same number of figures.

    Uncertainties on a graph

    Paper 5 asks you to carry uncertainties through a graph:

    • Plot each point with an error bar 误差棒 whose length shows the absolute uncertainty in that value.
    • Draw the line of best fit 最佳拟合直线 through the points, then the worst acceptable line 最差可接受直线: the steepest (or shallowest) straight line that still passes through every error bar.
    • The uncertainty in the gradient is the difference between the two gradients, $\Delta m = |m_{\text{best}} - m_{\text{worst}}|$. The uncertainty in the intercept is found the same way.
    • When you plot a logarithm, the absolute uncertainty in $\ln x$ is $\Delta x / x$ (and in $\lg x$ it is $0.434\,\Delta x / x$). Work it out for the largest and smallest values of $x$ separately.
    A graph of y against x with six points, each with a vertical error bar. A solid best-fit line passes through the middle of the points; a dashed worst acceptable line runs from the bottom of the first error bar to the top of the last, steeper than the best line. A note reads: the uncertainty in the gradient is the difference between the two gradients
    The worst acceptable line still passes through every error bar; the gradient uncertainty is the difference between the two gradients

    A percentage uncertainty in the gradient then flows into any quantity you calculate from it, using the rules above.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Systematic or random? · ⁨ความคลาดเคลื่อนแบบระบบหรือแบบสุ่ม?⁩

    A systematic error shifts every reading the same way and survives repetition; a random error scatters the readings and shrinks when you average. · ⁨ความคลาดเคลื่อนแบบระบบ ทำให้ค่าอ่านทุกค่าเปลี่ยนไปในทิศทางเดียวกันและไม่หายไปเมื่อทำซ้ำ; ความคลาดเคลื่อนแบบสุ่ม ทำให้ค่ากระจายตัวและลดลงเมื่อเราหาค่าเฉลี่ย⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    diameter/daɪˈæmɪtə/ เส้นผ่านศูนย์กลาง
    uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ ความไม่แน่นอน (uncertainty)
    measurement/ˈmeʒəmənt/ การวัดค่า
    random error/ˈrændəm ˈerə/ ความคลาดเคลื่อนแบบสุ่ม
    systematic error/ˌsɪstəˈmætɪk ˈerə/ ความคลาดเคลื่อนเชิงระบบ
    zero error/ˈzɪərəʊ ˈerə/ ความคลาดเคลื่อนของศูนย์
    calibration/ˌkælɪˈbreɪʃn/ การปรับเทียบ
    parallax/ˈpærəlæks/ ความคลาดเคลื่อนจากมุมมอง
    accuracy/ˈækjʊrəsi/ ความถูกต้อง
    precision/prɪˈsɪʒn/ ความละเอียด
    instrument/ˈɪnstrəmənt/ เครื่องมือ
    mean/miːn/ ค่าเฉลี่ย
    line of best fit/laɪn ɒv best fɪt/ เส้นแนวโน้มที่ดีที่สุด
    intercept/ˌɪntəˈsept/ จุดตัดแกน
    division/dɪˈvɪʒn/ การแบ่งแยก
    reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ เวลาตอบสนอง
    half the range/hɑːf ðə reɪndʒ/ ครึ่งหนึ่งของช่วง
    derived quantity/dɪˈraɪvd ˈkwɒntɪti/ ปริมาณที่คำนวณได้
    absolute uncertainty/ˈæbsəluːt ʌnˈsɜːtənti/ ความไม่แน่นอนสัมบูรณ์
    percentage uncertainty/pəˈsentɪdʒ ʌnˈsɜːtənti/ ความไม่แน่นอนเป็นเปอร์เซ็นต์
    volume/ˈvɒljuːm/ ปริมาตร
    percentage difference/pəˈsentɪdʒ ˈdɪfrəns/ ความแตกต่างเป็นเปอร์เซ็นต์
    significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ ตัวเลข有意义的
    same number of significant figures/seɪm ˈnʌmbə ɒv sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ มีตัวเลขมีนัยสำคัญเท่ากัน
    error bar/ˈerə bɑː/ แถบความคลาดเคลื่อน
    worst acceptable line/wɜːst əkˈseptəbl laɪn/ เส้นที่ยอมรับได้ในกรณีเลวที่สุด
    1.4

    Scalars and vectors

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand the difference between scalar and vector quantities and give examples of scalar and vector quantities included in the syllabus
    2. add and subtract coplanar vectors
    3. represent a vector as two perpendicular components
    ไทย
    1. เข้าใจความแตกต่างระหว่าง ปริมาณสเกลาร์ (scalar) และ ปริมาณเวกเตอร์ (vector) และยกตัวอย่างของปริมาณทั้งสองประเภทที่ปรากฏในหลักสูตร
    2. บวกและลบเวกเตอร์ที่อยู่บนระนาบเดียวกัน
    3. แสดงเวกเตอร์ในรูปขององค์ประกอบตั้งฉากสององค์ประกอบ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Resolving a force into components

    A scalar 标量 has size only. A vector 矢量 has both size and direction.

    Examples from the syllabus:

    • scalars: mass, time, temperature, energy, work, power, distance, speed, pressure, density, electric charge 电荷
    • vectors: displacement 位移, velocity, acceleration, force (including weight), momentum 动量

    Quick test: if it makes sense to ask "in which direction?", the quantity is a vector. You cannot ask "in which direction is the temperature?", so temperature is a scalar. You can ask "in which direction is the velocity?", so velocity is a vector.

    Adding and subtracting vectors

    A vector is drawn as an arrow: the direction of the arrow gives the direction of the quantity, and the length of the arrow (drawn to scale) gives the magnitude.

    Two velocity vectors drawn as arrows to scale, with a north-south compass reference and a scale key of 1 unit to 5 metres per second. Arrow a points due east and is three units long for 15 metres per second; arrow b points due south and is two units long for 10 metres per second
    Vectors represented as arrows drawn to scale

    To add two coplanar 共面 vectors (vectors in the same flat plane), draw them tip to tail. The resultant 合矢量 goes from the tail of the first arrow to the tip of the second.

    To find $\vec{X} - \vec{Y}$, add the reverse of $\vec{Y}$: $\vec{X} + (-\vec{Y})$. The reverse of $\vec{Y}$ has the same size as $\vec{Y}$ but points the opposite way.

    Adding and subtracting parallel vectors, drawn tip to tail. Row a: 20 N up plus 30 N up, stacked tip to tail, gives a 50 N resultant pointing up. Row b: 20 N up minus 30 N down, so the 30 N is drawn pointing down tip to tail, giving a 10 N resultant pointing down
    Adding and subtracting parallel vectors

    If the two vectors are at right angles (90°), the size of the resultant is

    $$|\vec{R}| = \sqrt{X^{2} + Y^{2}},$$

    and its direction comes from $\tan\theta = Y / X$.

    Worked example. A swimmer heads north at $1.2\ \text{m s}^{-1}$ across a river that flows east at $0.5\ \text{m s}^{-1}$. Find the size and direction of the resultant velocity.

    The two velocities are perpendicular, so

    $$|\vec{R}| = \sqrt{1.2^{2} + 0.5^{2}} = \sqrt{1.69} = 1.3\ \text{m s}^{-1},$$

    at an angle $\tan\theta = 0.5/1.2$, giving $\theta \approx 23°$ east of north.

    The swimmer example as a vector triangle: a 1.2 m/s north arrow and a 0.5 m/s east arrow drawn tip to tail, with the resultant from start to finish at angle theta east of north, of magnitude the square root of 1.2 squared plus 0.5 squared
    Two perpendicular vectors add to a resultant of size $\sqrt{X^2+Y^2}$ at angle $\theta$

    If two vectors have the same size $F$ with an angle $2\alpha$ between them, the resultant has size $2F\cos\alpha$ and lies along the line that cuts the angle in half.

    Worked example. Two forces of $6.0\ \text{N}$ act on an object with $60°$ between them. Find the resultant.

    Here $2\alpha = 60°$, so $\alpha = 30°$ and $R = 2 \times 6.0 \times \cos 30° = 10.4\ \text{N}$, along the line halfway between the two forces. Resolving gives the same answer: each force has a component $6.0\cos 30°$ along that line, and their components at right angles to it cancel.

    For two vectors at any other angle, either make a scale drawing 按比例作图 of the vector triangle and measure the resultant, or resolve both vectors into perpendicular components, add the components, and recombine with $\sqrt{X^{2} + Y^{2}}$.

    Worked example. A ball moving east at $5.0\ \text{m s}^{-1}$ is hit so that it moves north at $5.0\ \text{m s}^{-1}$. Find its change in velocity.

    A change in velocity is a vector subtraction: $\Delta\vec{v} = \vec{v}_{\text{final}} - \vec{v}_{\text{initial}}$. Draw $5.0\ \text{m s}^{-1}$ north, then add the reverse of the initial velocity, $5.0\ \text{m s}^{-1}$ west. The two are perpendicular, so $|\Delta\vec{v}| = \sqrt{5.0^{2} + 5.0^{2}} = 7.1\ \text{m s}^{-1}$, pointing north-west. The speed did not change, but the velocity did. That is why a force must have acted on the ball (topic 3).

    Splitting a vector into perpendicular parts

    Any vector can be split into two perpendicular 垂直 (at right angles) components 分量. Usually these are horizontal 水平 and vertical 竖直, or along and across a surface. For a vector $\vec{v}$ at angle $\theta$ to the horizontal:

    $$v_{\text{H}} = v\cos\theta, \qquad v_{\text{V}} = v\sin\theta.$$
    A force F at angle theta to the horizontal, resolved into perpendicular components. A dashed horizontal arrow is the horizontal component F_H = F cos theta and a dashed vertical arrow is the vertical component F_V = F sin theta; together with F they form a right-angled triangle
    Resolving a vector into horizontal and vertical components

    Choose the directions that make the problem easiest. On a slope (an inclined plane 斜面), split the weight into one part along the slope and one part at right angles to it:

    $$W_{\parallel} = W\sin\theta, \qquad W_{\perp} = W\cos\theta,$$

    where $\theta$ is the angle of the slope to the horizontal.

    A block resting on a slope inclined at angle theta. Its weight W is drawn straight down from the block and split into two dashed components: W sin theta pointing down along the slope and W cos theta pointing into the slope. The angle between W and the perpendicular component is marked theta, the same as the slope angle
    On a slope the weight splits into $W\sin\theta$ down the slope and $W\cos\theta$ into the slope; the angle between $W$ and the perpendicular is the slope angle $\theta$

    You split a vector into components whenever you need to know how much of it acts in one direction. For example: the part of a force that acts along a slope, or the horizontal and vertical parts of a ball's velocity after it is thrown.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Adding two vectors · ⁨การบวกเวกเตอร์สองตัว⁩

    resultant = a + b

    Vectors add tip to tail. The resultant runs from the start of the first arrow to the tip of the second, and its length is found from a scale drawing or by Pythagoras, never by adding the two magnitudes. · ⁨เวกเตอร์บวกกันแบบ หัวต่อท้าย เวกเตอร์ผลรวมเริ่มต้นจากหัวลูกศรตัวแรกไปยังปลายลูกศรตัวที่สอง และหาขนาดได้จากภาพวาดมาตราส่วนหรือทฤษฎีบทพีทาโกรัส โดยไม่ pernahนำขนาดทั้งสองมาบวกกันโดยตรง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    vertical/ˈvɜːtɪkl/ แนวตั้ง
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    vector/ˈvektə/ เวกเตอร์
    component/kəmˈpəʊnənt/ องค์ประกอบ
    electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ ประจุไฟฟ้า
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัด
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    coplanar/ˌkəʊˈpleɪnə/ อยู่ระนาบเดียวกัน
    resultant/rɪˈzʌltənt/ 合力
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ ตั้งฉาก
    scale drawing/skeɪl ˈdrɔːɪŋ/ ภาพวาดตามมาตราส่วน
    horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ เป็นแนวนอน
    inclined plane/ɪnˈklaɪnd pleɪn/ ระนาบเอียง
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    1.4

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    physical quantity a numerical magnitude together with a unit
    homogeneous equation an equation in which every term has the same base units
    systematic error an error that shifts every reading in the same direction by the same amount; not reduced by repeating
    random error an error that scatters readings above and below the true value; reduced by repeating and averaging
    zero error the reading an instrument shows when the true value is zero
    precision how close repeated readings are to each other
    accuracy how close a reading, or the mean of several readings, is to the true value
    absolute uncertainty the range within which the true value is expected to lie, in the units of the quantity
    percentage uncertainty the absolute uncertainty divided by the value, multiplied by 100%
    scalar a quantity with magnitude only
    vector a quantity with magnitude and direction
    1.4

    Exam tips

    • Give every answer a unit, and check homogeneity — both sides of an equation must have the same base units.
    • Distinguish random error (reduce by repeating and averaging) from systematic error (a zero or calibration error that repeats do not remove).
    • Combine uncertainties: add absolute uncertainties when adding/subtracting, add percentage uncertainties when multiplying/dividing (and multiply the % by any power).
    • Distinguish precision (small spread) from accuracy (close to the true value).
    • Resolve a vector into perpendicular components ($F\cos\theta$, $F\sin\theta$); add vectors tip-to-tail or by components.

    Common mistakes

    • Substituting 5 cm as 5, or 20 g as 20. Convert the prefix first: 0.05 m, 0.020 kg.
    • Giving the percentage uncertainty in $T^{2}$ as the same as in $T$. Squaring doubles it; a square root halves it.
    • Treating the percentage uncertainty and the absolute uncertainty as the same number.
    • Quoting "the smallest division" as the uncertainty of a reading that was hard to take.
    • Offering two answers to a definition. Commit to one.
  • 2

    Kinematics · ⁨จลนศาสตร์⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    2.1

    Key definitions

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define and use distance, displacement, speed, velocity and acceleration
    2. use graphical methods to represent distance, displacement, speed, velocity and acceleration
    3. determine displacement from the area under a velocity–time graph
    4. determine velocity using the gradient of a displacement–time graph
    5. determine acceleration using the gradient of a velocity–time graph
    6. derive, from the definitions of velocity and acceleration, equations that represent uniformly accelerated motion in a straight line
    7. solve problems using equations that represent uniformly accelerated motion in a straight line, including the motion of bodies falling in a uniform gravitational field without air resistance
    8. describe an experiment to determine the acceleration of free fall using a falling object
    9. describe and explain motion due to a uniform velocity in one direction and a uniform acceleration in a perpendicular direction
    ไทย
    1. นิยามและใช้ ระยะทาง (distance), การกระจัด (displacement), อัตราเร็ว (speed), ความเร็ว (velocity) และ ความเร่ง (acceleration)
    2. ใช้ วิธีกราฟ (graphical methods) เพื่อแสดงระยะทาง การกระจัด อัตราเร็ว ความเร็ว และความเร่ง
    3. หาค่า การกระจัด จากพื้นที่ใต้ กราฟความเร็ว–เวลา (velocity–time graph)
    4. หาค่า ความเร็ว จากความชันของ กราฟการกระจัด–เวลา (displacement–time graph)
    5. หาค่า ความเร่ง จากความชันของ กราฟความเร็ว–เวลา (velocity–time graph)
    6. หาสมการที่แสดงถึงการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสม่ำเสมอในเส้นตรง จากนิยามของความเร็วและความเร่ง
    7. แก้โจทย์ปัญหาโดยใช้สมการที่แสดงถึงการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสม่ำเสมอในเส้นตรง รวมถึงการเคลื่อนที่ของวัตถุที่ตกใน สนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ (uniform gravitational field) โดยไม่มี แรงต้านอากาศ (air resistance)
    8. อธิบายการทดลองเพื่อหา ความเร่งโน้มถ่วง (acceleration of free fall) โดยใช้วัตถุที่ตก
    9. อธิบายและอธิบายการเคลื่อนที่เนื่องจาก ความเร็วสม่ำเสมอ ในทิศทางหนึ่งและ ความเร่งสม่ำเสมอ ในทิศทางตั้งฉากกัน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Dropped vs thrown: falling together
    A car speedometer
    A speedometer shows speed: the distance travelled per unit time.

    These five quantities come up in almost every kinematics 运动学 question. Learn the exact words — the examiner gives marks for precise wording.

    • distance 距离 — the total length of the path travelled. A scalar 标量.
    • displacement 位移 — the straight-line distance from the start to the end, with a direction. A vector 矢量.
    • speed 速率 — the rate of change of distance with time. A scalar.
    • velocity 速度 — the rate of change of displacement with time. A vector.
    • acceleration 加速度 — the rate of change of velocity with time. A vector.

    The unit of speed and velocity is $\text{m s}^{-1}$; the unit of acceleration is $\text{m s}^{-2}$.

    Two more phrases the examiner uses: uniform acceleration 匀加速 means constant acceleration (a straight line on a velocity–time graph), and the acceleration of free fall 自由落体加速度 $g$ is the acceleration of an object falling freely in a uniform gravitational field 匀强重力场 when air resistance is negligible 可忽略的 (small enough to ignore).

    A common mistake: deceleration 减速度 just means acceleration in the opposite direction to the velocity. It is not a separate quantity.

    Speeds are sometimes given in $\text{km h}^{-1}$. Convert before you calculate: $85\ \text{km h}^{-1} = 85 \times 1000 / 3600 = 23.6\ \text{m s}^{-1}$.

    An average-speed enforcement camera on a gantry over a motorway
    A speed camera measures average speed over a known distance — displacement over time, made into a fine
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    The velocity–time graph · ⁨กราฟความเร็ว–เวลา⁩

    v = u + at

    On a speed–time graph the gradient is the acceleration and the area underneath is the distance travelled. · ⁨บนกราฟความเร็ว–เวลา ความชัน คือความเร่ง และ พื้นที่ ด้านใต้กราฟคือระยะทางที่เคลื่อนที่⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    speed/spiːd/ ความเร็ว
    distance/ˈdɪstəns/ ระยะทาง
    kinematics/ˌkɪnɪˈmætɪks/ จลนศาสตร์
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัด
    vector/ˈvektə/ เวกเตอร์
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่ง
    uniform acceleration/ˈjuːnɪfɔːm əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่งสม่ำเสมอ
    acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ ความเร่งโน้มถ่วงอิสระ
    uniform gravitational field/ˈjuːnɪfɔːm ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ สนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ
    negligible/ˈneɡlɪdʒəbl/ เล็กน้อย / ไม่สำคัญ
    deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ การลดความเร็ว
    2.1

    Motion graphs

    Many marks come from reading or drawing motion graphs, the graphical methods 图像法 the syllabus names. Two graphs matter.

    Displacement–time graph

    The gradient 斜率 (steepness) of a displacement–time graph at a point gives the velocity at that moment.

    • flat line → the object is at rest.
    • straight sloping line → constant velocity (gradient = velocity).
    • curved line → changing velocity. Draw a tangent 切线 at the point and find its gradient.
    A displacement–time graph of a car on a test track: the curve starts shallow, steepens as the car speeds up, then levels off; a tangent drawn at one point shows the instantaneous velocity there
    Displacement–time graph of a car on a test track

    Velocity–time graph

    The gradient of a velocity–time graph gives the acceleration at that moment.

    The area between the line and the time axis gives the displacement in that time.

    • flat line → constant velocity (zero acceleration).
    • straight sloping line → uniform acceleration (constant acceleration).
    • curved line → changing acceleration.
    • area above the time axis is positive displacement; area below is negative (the object moved backwards).
    Velocity–time graph showing a triangular shape: velocity rises to a peak then falls back to zero; the gradient of each line is the acceleration and the shaded area under the line is the total displacement
    Velocity–time graph — gradient gives acceleration, area gives displacement
    Acceleration–time graph paired with the velocity–time graph above: a constant positive acceleration, then a step down to a constant negative acceleration
    Acceleration–time graph derived from the same motion

    To find the displacement, split the area into triangles and rectangles, or count grid squares. Area of a triangle is $\tfrac{1}{2} \times \text{base} \times \text{height}$; area of a rectangle is $\text{base} \times \text{height}$.

    Worked example. The graph shows the velocity of a lift. Find the acceleration in each stage and the total distance travelled.

    A velocity–time graph on a grid: the velocity rises in a straight line from 0 to 3.0 metres per second in the first 4.0 seconds (stage A), stays at 3.0 metres per second from 4.0 to 10.0 seconds (stage B), then falls in a straight line to zero at 12.0 seconds (stage C); the area under the whole line is shaded
    Velocity–time graph of a lift: gradient gives each acceleration, the shaded area gives the distance
    • Stage A: gradient $= \dfrac{3.0 - 0}{4.0} = 0.75\ \text{m s}^{-2}$.
    • Stage B: the line is flat, so the acceleration is zero.
    • Stage C: gradient $= \dfrac{0 - 3.0}{2.0} = -1.5\ \text{m s}^{-2}$ (a deceleration of $1.5\ \text{m s}^{-2}$).
    • Distance: triangle A $= \tfrac{1}{2} \times 4.0 \times 3.0 = 6.0\ \text{m}$, rectangle B $= 6.0 \times 3.0 = 18\ \text{m}$, triangle C $= \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 3.0 = 3.0\ \text{m}$; total $27\ \text{m}$.

    When the graph is a curve, the area is still the displacement: count the squares under the curve (half a square or more counts as one) and multiply by the value of one square.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Reading a velocity–time graph · ⁨การอ่านกราฟความเร็ว–เวลา⁩

    Change the start velocity u and the acceleration a. The gradient of the line is the acceleration; the area under it is the displacement. · ⁨เปลี่ยนความเร็วต้น u และความเร่ง a ความชัน ของเส้นคือความเร่ง; พื้นที่ ภายใต้เส้นคือระยะกระจัด⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    graphical methods/ˈɡræfɪkl ˈmeθədz/ วิธีการทางกราฟ
    gradient/ˈɡreɪdɪənt/ ความชัน
    tangent/ˈtændʒənt/ เส้นสัมผัส
    2.1

    The four SUVAT equations

    For motion in a straight line with uniform acceleration, we use five symbols: starting velocity $u$, final velocity $v$, acceleration $a$, displacement $s$, and time $t$. Four equations link them:

    $$v = u + at$$
    $$s = ut + \tfrac{1}{2} a t^{2}$$
    $$s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$$
    $$v^{2} = u^{2} + 2as$$

    Each equation uses four of the five symbols. To pick the right one: write down what you know and what you want, then choose the equation with exactly those four.

    Worked example. A car accelerates uniformly from $8\ \text{m s}^{-1}$ to $20\ \text{m s}^{-1}$ over a distance of $56\ \text{m}$. Find its acceleration.

    We know $u$, $v$ and $s$ and want $a$, so use $v^{2} = u^{2} + 2as$:

    $$20^{2} = 8^{2} + 2a(56) \quad\Rightarrow\quad 336 = 112\,a \quad\Rightarrow\quad a = 3.0\ \text{m s}^{-2}.$$

    Where the SUVAT equations come from

    You should be able to get these from the definitions of velocity and acceleration. Think of the velocity–time graph of the motion: a straight line from $u$ at $t = 0$ to $v$ at time $t$.

    • $v = u + at$: acceleration is the gradient, $a = (v - u)/t$, so $v = u + at$.
    • $s = \tfrac{1}{2}(u + v) t$: displacement is the area under the line, a trapezium 梯形 with parallel sides $u$ and $v$ and width $t$, so $s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$.
    • $s = ut + \tfrac{1}{2}at^{2}$: put $v = u + at$ into the area: $s = \tfrac{1}{2}(u + u + at)t = ut + \tfrac{1}{2}at^{2}$.
    • $v^{2} = u^{2} + 2as$: from the first equation $t = (v - u)/a$; put this into $s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$ to get $2as = (v + u)(v - u) = v^{2} - u^{2}$.

    A "derive" question wants exactly these steps, each starting from a definition or an equation already established, with no numbers.

    Displacement–time parabola for uniform acceleration: the curve rises from the origin and steepens, with a tangent drawn at one point labelled slope equals v
    Displacement–time graph for uniform acceleration — the slope at any point equals the instantaneous velocity

    If a question asks "which equation can be found using only the gradient of a velocity–time graph?", the answer is $v = u + at$ (the gradient is the acceleration).

    "Show that" questions. When the question gives the answer ("show that the height is 3.2 km"), the marks are for the method. State the equation, substitute every value with its unit, and give the result to one more significant figure than the value quoted ($3.24\ \text{km}$, which rounds to $3.2\ \text{km}$). Reaching the quoted value proves nothing on its own.

    Choosing a positive direction

    Pick a positive direction at the start and keep it. Anything pointing the other way gets a minus sign. For a ball thrown straight up, if "up" is positive: $u$ is positive, $a = -g$ (gravity 重力 pulls down), and at the highest point the displacement is positive but the velocity is zero.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    trapezium/trəˈpiːzɪəm/ สี่เหลี่ยมคางหมู
    gravity/ˈɡrævɪti/ แรงโน้มถ่วง
    2.1

    Free fall under gravity

    When air resistance 空气阻力 can be ignored, an object in free fall 自由落体 has a constant acceleration $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ downwards. This is the same for every mass.

    For a ball dropped from rest and falling a distance $h$:

    $$h = \tfrac{1}{2}gt^{2}, \qquad v = gt, \qquad v^{2} = 2gh.$$

    For a ball thrown straight up with speed $u$:

    • greatest height: put $v = 0$ in $v^{2} = u^{2} - 2gh$, giving $h = u^{2}/(2g)$.
    • time to reach the top: put $v = 0$ in $v = u - gt$, giving $t = u/g$.
    • total time to fall back to the start height: $2u/g$ (the motion is symmetric 对称).

    Worked example. A ball is thrown straight up at $20\ \text{m s}^{-1}$. Find the greatest height it reaches (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    At the highest point $v = 0$, so from $h = u^{2}/(2g)$:

    $$h = \frac{20^{2}}{2 \times 9.81} = \frac{400}{19.62} \approx 20.4\ \text{m}.$$

    When air resistance is not negligible

    The equations above assume the only force is the weight. With air resistance, the resultant force on a falling object is smaller than its weight, so the acceleration is less than $g$; and because air resistance grows with speed, the acceleration keeps decreasing as the object speeds up. On a velocity–time graph the line curves, its gradient falling towards zero as the object approaches terminal velocity 收尾速度 (topic 3). For a projectile, air resistance shortens the range and lowers the maximum height, and the path is no longer a symmetrical parabola 抛物线: the object comes down more steeply than it went up. A "state and explain" question wants the force first, then its effect on the acceleration, then the effect on the motion.

    Experiment to find $g$

    A common method: drop an object from rest, then measure the distance $h$ it falls and the time $t$ it takes. Then

    $$g = \frac{2h}{t^{2}}.$$

    Repeat for several heights and plot $h$ against $t^{2}$. The gradient of the best straight line is $g/2$, so $g$ is twice the gradient. Repeating reduces random error 随机误差. An electronic timer — using light gates 光电门, or a switch the ball hits — removes reaction-time 反应时间 error.

    Experimental set-up to measure g: a release switch cuts the current to an electromagnet so a steel ball drops and starts an electronic timer; the ball falls a measured height h and strikes a trapdoor switch that stops the timer
    Experimental set-up for measuring the acceleration due to free fall
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    free fall/friː fɔːl/ การตกอย่างอิสระ
    air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ แรงต้านอากาศ
    parabola/pəˈræbələ/ พาราโบลา
    symmetric/sɪˈmetrɪk/ สมมาตร
    terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ ความเร็วสูงสุด
    random error/ˈrændəm ˈerə/ ความคลาดเคลื่อนแบบสุ่ม
    light gate/laɪt ɡeɪt/ ประตูแสง
    reaction-time/rɪˈækʃn taɪm/ เวลาตอบสนอง
    2.1

    Motion in two directions

    Water jets leave one sprinkler nozzle at the same speed but different angles (, , ); each traces a parabola, and the  jet reaches the greatest range
    Water jets from a sprinkler trace parabola paths — a real example of projectile motion

    When an object moves at constant velocity in one direction (say horizontal 水平) and speeds up in a direction at right angles to it (say vertical 竖直, under gravity), the two motions do not affect each other. Treat each direction on its own, with its own SUVAT equation.

    Horizontal throw

    An object thrown horizontally with speed $u_{\text{H}}$ from height $h$, with air resistance ignored:

    • horizontal: constant velocity $u_{\text{H}}$. After time $t$, the horizontal distance is $x = u_{\text{H}} t$.
    • vertical: starts from rest and speeds up downwards at $g$. After time $t$, it has fallen $y = \tfrac{1}{2} g t^{2}$ and has vertical velocity $v_{\text{V}} = g t$.

    The time to reach the ground depends only on the height $h$, not on $u_{\text{H}}$. Solve $h = \tfrac{1}{2} g t^{2}$ for $t$; then the horizontal range 射程 is $u_{\text{H}} t$.

    Worked example. A ball is thrown horizontally at $15\ \text{m s}^{-1}$ from the top of a cliff $20\ \text{m}$ high. Find the time it takes to land and how far from the base it lands (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    Vertical motion gives the time: from $h = \tfrac{1}{2}g t^{2}$,

    $$t = \sqrt{\frac{2h}{g}} = \sqrt{\frac{2 \times 20}{9.81}} \approx 2.0\ \text{s}.$$

    Horizontal motion then gives the range: $x = u_{\text{H}} t = 15 \times 2.0 \approx 30\ \text{m}.$

    The horizontal-velocity graph is a flat line at $u_{\text{H}}$. The vertical-velocity graph is a straight line from the origin with gradient $g$.

    Comparing two objects. If object A is dropped and object B is thrown horizontally from the same height at the same moment, both reach the ground at the same time: their vertical motions are identical. If instead B is thrown with an upward component, it takes longer, because it must first rise and come back to the start height before it falls the same distance. Its speed on landing is still found from energy: the kinetic energy gained equals the potential energy lost, whatever the direction of the throw, so a ball launched at any angle with the same speed from the same height lands at the same speed (topic 5).

    Projectile at an angle

    A projectile 抛体 thrown at speed $u$ at angle $\theta$ above the horizontal:

    Diagram of a projectile launched at angle  above the horizontal: parabolic path from the origin, the initial velocity  resolved into horizontal component  and vertical component , with  and  axes labelled
    Projectile launched at angle $\theta$ — horizontal and vertical motions are independent
    • horizontal component 分量 of the starting velocity: $u_{\text{H}} = u \cos\theta$ (stays constant during the flight).
    • vertical component of the starting velocity: $u_{\text{V}} = u \sin\theta$ (gets smaller, becomes zero at the top, then grows downwards).

    At the highest point, $v_{\text{V}} = 0$, but $v_{\text{H}}$ is still $u\cos\theta$. The time to the top is $t_{\text{up}} = u\sin\theta / g$; the total flight time (back to the start height) is $2t_{\text{up}}$.

    Sketching the velocity graphs. Examiners often ask you to sketch $v_{\text{H}}$ and $v_{\text{V}}$ against time on the same axes, taking upwards as positive. The horizontal component is a flat line at $u\cos\theta$ for the whole flight. The vertical component is a straight line of gradient $-g$: it starts at $+u\sin\theta$, crosses zero at the top of the flight, and reaches $-u\sin\theta$ on landing at the start height. Label each line, mark the times where the lines start and stop, and make the crossing sit exactly at $t_{\text{up}}$.

    Two velocity–time sketches for a projectile with upwards positive. Left: the horizontal component is a flat line at u cos theta for the whole flight. Right: the vertical component is a straight line of gradient minus g from plus u sin theta, through zero at the top of the flight, to minus u sin theta at landing
    Velocity–time sketches for a projectile: the horizontal component stays constant; the vertical component falls in a straight line through zero at the top

    Worked example. A ball leaves the ground at $18\ \text{m s}^{-1}$ at $60°$ to the horizontal. Show that it reaches its maximum height at $t = 1.6\ \text{s}$.

    $u_{\text{V}} = 18 \sin 60° = 15.6\ \text{m s}^{-1}$. At the top $v_{\text{V}} = 0$, so from $v = u + at$ with $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$: $t = 15.6 / 9.81 = 1.59\ \text{s} \approx 1.6\ \text{s}$.

    Projectile launched at angle  from level ground: a parabolic path showing the range  from launch to landing point and the maximum height  at the midpoint
    Range $R$ of a projectile launched from and landing on level ground

    Bouncing ball

    When a ball bounces, its velocity–time graph is a set of straight sloping lines (constant $g$) with a sudden jump at each bounce (the velocity flips direction, and gets smaller if some energy 能量 is lost). Add up the times and the distances across the bounces.

    Velocity–time graph of a ball dropped from rest that bounces three times, with downwards positive: each flight is a straight line of gradient g; at each bounce the velocity flips sign in a near-vertical line and comes back smaller, so each flight is shorter than the one before
    A bouncing ball: every sloping line has gradient $g$; the velocity flips sign and shrinks at each bounce

    Read such a graph carefully: the gradient of every sloping line is the same $g$; the ball is at its highest point wherever the line crosses the time axis; and the height of each bounce comes from the area of the triangle above (or below) the axis for that flight.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Launch a projectile · ⁨ยิงวัตถุ⁩

    Fire the ball, then change the angle and speed. The horizontal motion is steady while gravity pulls it down — together they trace a parabola. Find the angle for the longest range, and try the Moon. · ⁨ยิงลูกบอล แล้วเปลี่ยนมุมและความเร็ว การเคลื่อนที่แนวนอนมีความคงที่ขณะที่แรงโน้มถ่วงดึงลง — ทั้งสองรวมกันสร้างเส้นโค้งพาราโบลา หามุมที่ให้ระยะทางไกลที่สุด และลองทำบนดวงจันทร์⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    projectile/prəˈdʒektaɪl/ วัตถุถูกยิง
    range/reɪndʒ/ range
    horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ เป็นแนวนอน
    vertical/ˈvɜːtɪkl/ แนวตั้ง
    component/kəmˈpəʊnənt/ องค์ประกอบ
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    2.1

    Two objects meeting

    When two objects move along the same line in different ways, write a displacement equation for each. Use the same start time and the same positive direction. Then set the two displacements equal (or set their difference to a given gap).

    For a goods train at constant velocity $u_{\text{G}}$ and an express train starting from rest with acceleration $a$, both passing the same point at $t = 0$:

    $$s_{\text{G}} = u_{\text{G}} t, \qquad s_{\text{E}} = \tfrac{1}{2} a t^{2}.$$

    They are level again when $s_{\text{G}} = s_{\text{E}}$, giving $t = 2 u_{\text{G}} / a$.

    Two s–t graphs meet where the objects are level at the same time
    Meet where the displacement–time graphs cross (same s at same t)
    2.1

    Tips for solving problems

    1. Draw a diagram and mark the positive direction.
    2. List the SUVAT symbols with their known and unknown values, including signs.
    3. Choose the SUVAT equation with exactly the four symbols you have, plus the one you want.
    4. For projectile motion, split into horizontal and vertical SUVAT problems, linked only by the time $t$.
    5. Always check the units of your answer, and that its size is sensible.
    2.1

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    distance the total length of the path travelled (a scalar)
    displacement the distance moved in a stated direction, from start to finish (a vector)
    speed the rate of change of distance with time
    velocity the rate of change of displacement with time
    acceleration the rate of change of velocity with time
    uniform acceleration acceleration that is constant in magnitude and direction
    acceleration of free fall the acceleration of an object falling freely under gravity alone, with air resistance negligible
    2.1

    Exam tips

    • Use the SUVAT equations only for constant acceleration; list $s, u, v, a, t$ and pick the equation missing your unknown.
    • Choose one direction as positive and keep signs consistent (usually $g = -9.81\ \text{m s}^{-2}$).
    • On a velocity-time graph, gradient $=$ acceleration and area $=$ displacement.
    • For projectiles, treat horizontal (constant velocity) and vertical ($a = g$) motion separately, linked by the same time.

    Common mistakes

    • Saying the heavier ball hits the ground first, or faster, when air resistance is ignored. Both fall with the same acceleration and land at the same speed.
    • Taking the gradient of a $v$–$t$ graph when the question wants the area, or the area when it wants the gradient. Gradient is acceleration; area is displacement.
    • Drawing a curve on a $v$–$t$ graph for a body under constant acceleration. Constant acceleration is a straight line; only the sign of $v$ changes at a bounce.
    • Using $g = +9.81$ for a ball thrown upwards with "up" as positive. Once up is positive, $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$ for the whole flight, on the way down too.
    • Using a SUVAT equation when the acceleration is changing (air resistance, a curved graph). Then only the graph methods work.
  • 3

    Dynamics · ⁨พลวัต⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    3.1

    Mass, momentum and force

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that mass is the property of an object that resists change in motion
    2. recall $F = ma$ and solve problems using it, understanding that acceleration and resultant force are always in the same direction
    3. define and use linear momentum as the product of mass and velocity
    4. define and use force as rate of change of momentum
    5. state and apply each of Newton’s laws of motion
    6. describe and use the concept of weight as the effect of a gravitational field on a mass and recall that the weight of an object is equal to the product of its mass and the acceleration of free fall
    ไทย
    1. เข้าใจว่า มวล เป็นคุณสมบัติของวัตถุที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่
    2. จำ $F = ma$ และแก้ปัญหาโดยใช้สมการนั้น โดยเข้าใจว่า ความเร่ง และ แรงลัพธ์ จะมีทิศทางเดียวกันเสมอ
    3. นิยามและใช้ โมเมนตัมเชิงเส้น ในรูปของผลคูณของมวลและความเร็ว
    4. นิยามและใช้ แรง ในรูปของ อัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัม
    5. บอกและใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันแต่ละข้อ
    6. อธิบายและใช้แนวคิดเรื่อง น้ำหนัก ในลักษณะที่เป็นผลของ สนามโน้มถ่วง ต่อมวล และจำได้ว่าน้ำหนักของวัตถุเท่ากับผลคูณของมวลกับ ความเร่งโน้มถ่วง

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Mass

    Mass 质量 tells you how hard it is to change an object's motion. The larger the mass, the larger the force 力 needed to give it a certain acceleration 加速度. Mass is measured in kilograms ($\text{kg}$) and is a scalar 标量.

    Momentum

    Linear momentum 动量 is the product of mass and velocity:

    $$p = mv.$$

    Momentum is a vector 矢量 — it points the same way as the velocity 速度. Its unit is $\text{kg m s}^{-1}$, which is the same as $\text{N s}$.

    Force as the rate of change of momentum

    Newton's second law, in its general form: the resultant force 合力 on an object equals the rate of change of its momentum.

    Impulse is the area under a force–time graph, and equals the change in momentum
    Impulse is the area under a force-time graph, equal to the change in momentum
    $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}.$$

    When the mass is constant this becomes $F = ma$, because $\Delta p = m\,\Delta v$ and $\Delta v / \Delta t = a$. Cambridge questions often want you to use $F = \Delta p / \Delta t$ directly for a collision 碰撞 or an impulse 冲量: the average force equals the change in momentum divided by the contact time.

    A ball hits a wall with momentum $p_{1}$ and bounces back with momentum $p_{2}$ in the opposite direction. The change in momentum is $\Delta p = p_{2} - p_{1}$ (give each direction the correct sign). The average force is $\Delta p / \Delta t$, where $\Delta t$ is the contact time.

    Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ ball hits a wall at $8.0\ \text{m s}^{-1}$ and bounces straight back at $6.0\ \text{m s}^{-1}$. The contact lasts $0.050\ \text{s}$. Find the average force on the ball.

    Take the rebound direction as positive, so $u = -8.0\ \text{m s}^{-1}$ and $v = +6.0\ \text{m s}^{-1}$:

    $$\Delta p = m(v - u) = 0.20 \times \big(6.0 - (-8.0)\big) = 2.8\ \text{kg m s}^{-1},$$
    $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = \frac{2.8}{0.050} = 56\ \text{N}.$$

    When you know the momentum but not the speed, the change in kinetic energy 动能 is

    $$\Delta E_{\text{k}} = \frac{p_{2}^{2} - p_{1}^{2}}{2m}.$$

    This comes from $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} m v^{2} = p^{2} / (2m)$.

    Momentum–time graphs

    Because $F = \Delta p / \Delta t$, the gradient of a momentum–time graph is the resultant force, just as the gradient of a velocity–time graph is the acceleration. A straight line means a constant resultant force; a horizontal line means zero resultant force; a line sloping down means a force acting against the motion.

    A momentum–time graph for a motorcycle: momentum rises in a straight line from zero to 5000 kilogram metres per second in the first 10 seconds, stays constant from 10 to 16 seconds, then falls in a straight line while braking. The gradient of the first section, 500 newtons, is the resultant force
    The gradient of a momentum–time graph is the resultant force: 500 N while accelerating, zero while the momentum is constant, negative while braking

    Worked example. The graph shows the momentum of a motorcycle. Find the resultant force on it during the first $10\ \text{s}$.

    Gradient $= \Delta p / \Delta t = 5000 / 10 = 500\ \text{N}$. Between $10\ \text{s}$ and $16\ \text{s}$ the momentum is constant, so the resultant force is zero: the driving force just balances the resistive forces. From $16\ \text{s}$ to $20\ \text{s}$ the momentum falls by $2000\ \text{kg m s}^{-1}$, so the resultant force is $-500\ \text{N}$, acting backwards.

    If a question tells you the speed is changing while the resultant force stays constant, that force cannot be air resistance: drag depends on speed, so it would change as the speed changes, and drag always acts against the motion.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Free-body diagram (F = ma) · ⁨แผนภาพร่างกายอิสระ (F = ma)⁩

    The resultant of the forces, divided by the mass, gives the acceleration. · ⁨ผลรวมของแรง หารด้วยมวล จะให้ความเร่ง⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Newton's second law · ⁨กฎข้อที่สองของนิวตัน⁩

    F = ma (resultant) · ⁨F = ma ( resultant )⁩

    The resultant force sets the acceleration; balanced forces ⇒ none. · ⁨แรงลัพธ์ กำหนดความเร่ง; แรงสมดุล ⇒ ไม่มีความเร่ง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    mass/mæs/ มวล
    force/fɔːs/ แรง
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่ง
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    linear momentum/ˈlɪnɪə məʊˈmentəm/ โมเมนตัมเชิงเส้น
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    vector/ˈvektə/ เวกเตอร์
    resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ แรงลัพธ์
    impulse/ˈɪmpʌls/ สัญญาณ
    collision/kəˈlɪʒn/ การชนกัน
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    3.1

    Newton's three laws of motion

    A space shuttle launching
    A rocket pushes gas down; by Newton's third law the gas pushes the rocket up.

    First law

    An object stays at rest, or keeps moving at constant velocity in a straight line, unless a resultant external force 外力 acts on it. In short: zero resultant force means zero acceleration.

    Second law

    The resultant force on an object equals its rate of change of momentum, and acts in the same direction as that change. In SI units,

    $$F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = ma \quad\text{(for constant mass)}.$$

    Acceleration and resultant force always point the same way.

    Free-body diagram of a box on a floor with four force arrows: P pulling at 20 degrees above horizontal to the left, R upward, W downward, and F friction to the right
    Free-body diagram showing all forces on a block being pulled at an angle
    A book resting on a table with weight arrow pointing down and normal contact force R arrow pointing up, the two arrows equal in length to show equilibrium
    Weight and normal contact force on a book resting on a table

    Third law

    When body A pushes on body B, body B pushes back on body A with an equal and opposite force. The two forces:

    • act on different objects,
    • are of the same type (both gravitational, both contact, both electrostatic 静电, and so on),
    • have the same size and opposite direction.

    A common trap: the weight 重力 of a block on a table and the normal contact force 支持力 from the table are not a third-law pair (they act on the same object and are different types). The third-law partner of the block's weight is the pull the block makes on the Earth. The third-law partner of the table's contact force is the push the block makes on the table.

    To name a third-law partner, swap the two bodies in the sentence. "The back wheel of a bicycle pushes backwards on the road" pairs with "the road pushes forwards on the back wheel", and that forward push is what drives the bicycle. "The Earth pulls the Moon" pairs with "the Moon pulls the Earth", with the same size of force.

    For a rocket: the thrust 推力 on the rocket and the force on the gases are a third-law pair (the engine pushes the gas down, the gas pushes the engine up). Weight and air resistance are not part of this pair.

    A book on a table with the contact-point arrows: R acting upward on the book (the table pushing the book up) and R-prime acting downward on the table (the book pushing the table down) — equal and opposite forces on different objects
    Newton's third-law pair: R on the book (up) and R′ on the table (down)
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    thrust/θrʌst/ แรงดัน
    external force/ekˈstɜːnl fɔːs/ แรงภายนอก
    weight/weɪt/ น้ำหนัก
    normal contact force/ˈnɔːml ˈkɒntækt fɔːs/ แรงสัมผัสปกติ
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ สถิตไฟฟ้า
    3.1

    Weight

    Weight is the force on an object from a gravitational field 重力场. Near the Earth's surface,

    $$W = mg,$$

    where $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ is the acceleration of free fall. Weight is a vector that points towards the centre of the Earth. Do not mix it up with mass: mass is the same everywhere, but weight changes with place.

    On the Moon $g$ is about $1.6\ \text{m s}^{-2}$, so an astronaut's mass is unchanged but their weight is about one sixth of its value on Earth. When a multiple-choice question asks which statement describes weight, the answer is the one that says "the force on the object due to a gravitational field", not "mass times acceleration" and not "the resultant force".

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    gravitational field/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ สนามโน้มถ่วง
    3.2

    Non-uniform motion: friction, drag and terminal velocity

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. show a qualitative understanding of frictional forces and viscous/drag forces including air resistance (no treatment of the coefficients of friction and viscosity is required, and a simple model of drag force increasing as speed increases is sufficient)
    2. describe and explain qualitatively the motion of objects in a uniform gravitational field with air resistance
    3. understand that objects moving against a resistive force may reach a terminal (constant) velocity
    ไทย
    1. แสดงความเข้าใจเชิงคุณภาพเกี่ยวกับ แรงเสียดทาน และ แรงหนืด/แรงต้าน รวมถึง แรงต้านอากาศ (ไม่จำเป็นต้องศึกษาสัมประสิทธิ์ความเสียดทานและความหนืด และการสร้างแบบจำลองอย่างง่ายที่แสดงว่าแรงต้านเพิ่มขึ้นตามความเร็วก็เพียงพอแล้ว)
    2. อธิบายและวิเคราะห์เชิงคุณภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุใน สนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ ที่มี แรงต้านอากาศ
    3. เข้าใจว่าวัตถุที่เคลื่อนที่สวนกับ แรงต้านทาน อาจถึง ความเร็วปลาย (ความเร็วคงที่) ได้

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Friction and drag forces

    A friction 摩擦力 force between two solid surfaces acts along the surface and opposes the sliding. A viscous 黏性 or drag 阻力 force is the resistive force from a fluid 流体 (a liquid or gas) on an object moving through it; air resistance is the case for air. You do not need to use any coefficient 系数 of friction or viscosity.

    A simple model: the drag gets bigger as the speed gets bigger. At zero speed, the drag is zero. Drag also grows with the cross-sectional area 横截面积 of the object and with the density of the fluid; a parachute works by making the area, and so the drag, much larger. These frictional forces and drag forces are all resistive forces: they act against the direction of motion and transfer kinetic energy to thermal energy.

    A book being pulled along a table with four force arrows: normal contact force up, weight down, pulling force P to the right, frictional force F to the left
    Free-body diagram of a book being pulled on a table

    An object falling through air

    For an object dropped from rest and falling through air:

    1. At first, only weight acts, so the object speeds up downwards at $g$.
    2. As the speed grows, the upward drag grows. The resultant force gets smaller, so the acceleration gets smaller.
    3. In the end, the drag equals the weight. The resultant force is zero, the acceleration is zero, and the speed stays constant — the terminal velocity 收尾速度.

    On a velocity–time graph, the line starts straight with gradient $g$, then bends and flattens at the terminal velocity. This shape (fast start, then slowing acceleration, then constant speed) is how "falling with air resistance" differs from "free fall in a vacuum" in a uniform gravitational field 匀强重力场. On an acceleration–time graph the acceleration starts at $g$ and decreases, curving down to zero.

    Two spheres of the same size but different density have different terminal velocities: the denser sphere has the larger weight, so it needs a larger drag to balance it, and drag only reaches that value at a higher speed. That is also why a parachute changes everything: when it opens, the drag suddenly exceeds the weight, the resultant force is upwards, and the skydiver decelerates (the acceleration is upwards while the velocity is still downwards) until the drag has fallen back to equal the weight at a new, much lower terminal velocity.

    A velocity–time graph of a skydiver. The velocity rises with a gradient that falls from g to zero and levels off at a first terminal velocity where drag equals weight. When the parachute opens the velocity drops steeply, then levels off again at a second, much lower terminal velocity
    A skydiver's velocity–time graph: the acceleration falls from $g$ to zero at the first terminal velocity; opening the parachute makes the drag exceed the weight, so the velocity falls to a new, lower terminal velocity
    Velocity-time graph showing speed rising with initial gradient g, then curving and levelling off at the terminal velocity, with a dashed tangent at the origin and a dashed asymptote
    Velocity–time graph for an object falling through air
    An object falling through a fluid with drag (viscous force) plus upthrust acting upward and weight acting downward, and a velocity arrow pointing down
    Forces on a falling object in a fluid

    Falling through a liquid: three forces

    A ball falling through a liquid has three forces on it: its weight downwards, the upthrust 浮力 upwards, and the viscous drag upwards. The upthrust comes from hydrostatic pressure 流体静压强: the pressure in a liquid increases with depth, so the liquid pushes harder on the bottom of the ball than on the top, and the resultant of these pushes is upwards. Its size is the weight of the liquid the ball displaces, $U = \rho_{\text{liquid}} V g$ (topic 4). The drag grows with speed. When weight $=$ upthrust $+$ drag, the resultant force is zero and the ball falls at its terminal speed. A "draw labelled arrows" question wants exactly these three, with the upthrust and drag both up and the weight down.

    Worked example. A steel ball of radius $2.0\ \text{mm}$ and weight $2.56 \times 10^{-3}\ \text{N}$ falls through oil of density $850\ \text{kg m}^{-3}$. The viscous drag on it is $F = 6\pi \eta r v$, where $\eta$ is the viscosity 黏度 of the oil and $v$ the speed. (a) Find the SI base units of $\eta$. (b) Show that the upthrust on the ball is $2.8 \times 10^{-4}\ \text{N}$. (c) Taking $\eta = 0.20$ in SI units, find the terminal speed.

    (a) $\eta = F / (6\pi r v)$, so its units are $\text{N} / (\text{m} \cdot \text{m s}^{-1}) = \text{kg m s}^{-2} / (\text{m}^{2}\ \text{s}^{-1}) = \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-1}$.

    (b) $V = \tfrac{4}{3}\pi r^{3} = \tfrac{4}{3}\pi (2.0 \times 10^{-3})^{3} = 3.35 \times 10^{-8}\ \text{m}^{3}$, so $U = 850 \times 3.35 \times 10^{-8} \times 9.81 = 2.79 \times 10^{-4}\ \text{N} \approx 2.8 \times 10^{-4}\ \text{N}$.

    (c) At the terminal speed, drag $= W - U = 2.56 \times 10^{-3} - 2.8 \times 10^{-4} = 2.28 \times 10^{-3}\ \text{N}$. So $v = F / (6\pi \eta r) = 2.28 \times 10^{-3} / (6\pi \times 0.20 \times 2.0 \times 10^{-3}) = 0.30\ \text{m s}^{-1}$.

    Skydivers in free fall, arms and legs spread wide, high above the ground at sunset
    Why the spread-eagle pose? Spreading out gives the largest area, so the most drag. The bigger the drag, the sooner drag balances weight — and the lower the steady terminal velocity they fall at

    Energy during a terminal-velocity fall

    At terminal velocity, a parachutist 跳伞者 has constant kinetic energy. But the gravitational potential energy 重力势能 keeps falling as they go down. Where does it go? Almost all of it turns into thermal energy 热能 of the air around them. It does not become kinetic energy of the parachutist — that stays constant.

    Cyclist or car at constant speed

    A vehicle at constant speed on a flat road has zero resultant force. The forward driving force 驱动力 is equal and opposite to the total resistive force (friction, air resistance, and rolling resistance). At higher speed the drag is larger, so the driving force must be larger too — and so the power 功率 must be larger.

    On a slope the weight has a component along the road. Going up at constant speed, the driving force must balance the resistive force and the part of the weight that pulls down the slope, $W\sin\theta$; going down, that same component helps the motion.

    A car on a slope inclined at angle theta, drawn as a free-body diagram: the driving force D up the slope, the resistive force R down the slope, the normal contact force N perpendicular to the slope, the weight W vertically down, and the dashed component of the weight along the slope, W sin theta
    A car climbing a slope at constant speed: along the slope the driving force balances the resistive force plus the weight's component $W\sin\theta$

    Worked example. A car of mass $1500\ \text{kg}$ climbs a road inclined at $12°$ to the horizontal at a constant $30\ \text{m s}^{-1}$. The total resistive force is $1600\ \text{N}$. Find the driving force and the useful output power of the engine.

    Constant speed means zero resultant force along the slope: $D = 1600 + 1500 \times 9.81 \times \sin 12° = 1600 + 3060 = 4660\ \text{N} \approx 4700\ \text{N}$. Power is force times velocity (topic 5): $P = Dv = 4660 \times 30 = 1.4 \times 10^{5}\ \text{W}$.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Stopping a car · ⁨停车⁩

    Friction is what brakes a car. Set a speed and brake — the car keeps moving while the driver reacts, then friction slows it. Double the speed and watch the braking distance quadruple. · ⁨摩擦力使汽车制动。设定速度并刹车——汽车在司机反应期间继续移动,然后摩擦力使其减速。将速度加倍,观察制动距离变为四倍。⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Reach terminal velocity · ⁨达到终端速度⁩

    Jump and watch the air-resistance arrow grow until it balances the weight — then the speed is constant. Open the parachute and the much bigger drag drops the diver to a slow, safe terminal velocity. · ⁨跳跃并观察空气阻力箭头增长直至平衡重力——此时速度恒定。打开降落伞后,大得多的阻力使跳伞者降至缓慢安全的终端速度。⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    driving force/ˈdraɪvɪŋ fɔːs/ แรงขับเคลื่อน
    drag/dræɡ/ แรงต้านทานการเคลื่อนที่
    friction/ˈfrɪkʃn/ แรงเสียดทาน
    terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ ความเร็วสูงสุด
    viscous/ˈvɪskəs/ ความหนืด
    fluid/ˈfluːɪd/ ของไหล
    coefficient/ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ สัมประสิทธิ์
    viscosity/vɪˈskɒsɪti/ ความหนืด
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ พื้นที่หน้าตัด
    thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能
    uniform gravitational field/ˈjuːnɪfɔːm ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ สนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ
    upthrust/ˈʌpθrʌst/ แรงลอยตัว
    hydrostatic pressure/ˌhaɪdrəˈstætɪk ˈpreʃə/ hydrostatic pressure
    parachutist/ˈpærətʃuːtɪst/ นักกระโดดร่ม
    gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์โน้มถ่วง
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    3.3

    Conservation of linear momentum

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. state the principle of conservation of momentum
    2. apply the principle of conservation of momentum to solve simple problems, including elastic and inelastic interactions between objects in both one and two dimensions (knowledge of the concept of coefficient of restitution is not required)
    3. recall that, for an elastic collision, total kinetic energy is conserved and the relative speed of approach is equal to the relative speed of separation
    4. understand that, while momentum of a system is always conserved in interactions between objects, some change in kinetic energy may take place
    ไทย
    1. บอกหลักการ การอนุรักษ์โมเมนตัม
    2. ใช้หลักการการอนุรักษ์โมเมนตัมเพื่อแก้ปัญหาง่ายๆ รวมถึง ปฏิกิริยาแบบยืดหยุ่น และ ไม่ยืดหยุ่น ระหว่างวัตถุทั้งในมิติเดียวและสองมิติ (ไม่จำเป็นต้องรู้เรื่องสัมประสิทธิ์การคืนตัว)
    3. จำได้ว่า สำหรับ การชนแบบยืดหยุ่น พลังงานจลน์รวม จะถูกอนุรักษ์ไว้ และ ความเร็วสัมพัทธ์ที่เข้าหากัน มีค่าเท่ากับ ความเร็วสัมพัทธ์ที่แยกออกจากกัน
    4. เข้าใจว่า แม้ โมเมนตัม ของระบบจะถูกอนุรักษ์เสมอในการกระทำระหว่างวัตถุ แต่อาจมีการเปลี่ยนแปลงของ พลังงานจลน์ เกิดขึ้นได้

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Conservation of momentum in a collision
    A car crash test
    In a crash, a large force acts over a very short time to change momentum.

    The principle

    For a system with no resultant external force, the total momentum stays constant. This is conservation of momentum 动量守恒. Stated for the two marks the examiner gives: the total momentum of a system of objects remains constant provided no resultant external force acts on the system. Both halves are needed: "total momentum is constant" alone scores one.

    It always holds when there is no outside resultant force — in collisions, explosions 爆炸, and recoil 反冲. In two dimensions, momentum is conserved along each direction on its own.

    Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ trolley and a $3.0\ \text{kg}$ trolley are held together against a compressed spring, then released from rest. The $2.0\ \text{kg}$ trolley flies off at $6.0\ \text{m s}^{-1}$. Find the speed of the other trolley.

    The total momentum stays zero (it started at rest), so

    $$0 = (2.0)(6.0) + (3.0)(-v) \quad\Rightarrow\quad v = \frac{12}{3.0} = 4.0\ \text{m s}^{-1}$$

    in the opposite direction.

    Two particles A and B with equal and opposite force arrows F pointing toward each other, illustrating Newton's third law in a two-body system
    Newton's third law in an isolated two-particle system: equal and opposite forces

    Elastic and inelastic collisions

    In every collision, momentum is conserved (if there is no outside resultant force).

    An elastic collision 弹性碰撞 is one where the total kinetic energy is also conserved. A quick test: in an elastic collision, the relative speed 相对速率 of approach equals the relative speed of separation.

    In an inelastic collision 非弹性碰撞, momentum is conserved but kinetic energy goes down — some becomes thermal, sound, or deformation 形变 energy. If the two objects stick together, the collision is perfectly inelastic.

    Solving collision problems (one dimension)

    Two particles A and B shown before and after a head-on collision: before, A moves right with u1 and B moves left with u2; after, A moves left with v1 and B moves right with v2
    Head-on collision: velocities before and after

    For two objects with masses $m_{1}, m_{2}$ and starting velocities $u_{1}, u_{2}$ that hit head-on 正面, write

    $$m_{1} u_{1} + m_{2} u_{2} = m_{1} v_{1} + m_{2} v_{2}.$$

    Use signed velocities (positive in one chosen direction). If the collision is elastic, add the relative-speed equation

    $$u_{1} - u_{2} = -(v_{1} - v_{2}),$$

    or, the same thing, $\tfrac{1}{2} m_{1} u_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} u_{2}^{2} = \tfrac{1}{2} m_{1} v_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} v_{2}^{2}$. That gives two equations for two unknowns.

    Worked example. A $1500\ \text{kg}$ car moving at $12\ \text{m s}^{-1}$ runs into a stationary $1000\ \text{kg}$ car and they lock together. Find their common velocity just after the collision.

    Momentum is conserved (the cars stick, so $v_{1} = v_{2} = v$):

    $$1500 \times 12 + 1000 \times 0 = (1500 + 1000)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{18\,000}{2500} = 7.2\ \text{m s}^{-1}.$$

    Questions often go on to ask what fraction of the kinetic energy is transferred to other forms. Before: $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} \times 1500 \times 12^{2} = 1.08 \times 10^{5}\ \text{J}$. After: $\tfrac{1}{2} \times 2500 \times 7.2^{2} = 6.48 \times 10^{4}\ \text{J}$. So $4.3 \times 10^{4}\ \text{J}$, which is $40\%$ of the original kinetic energy, becomes thermal energy, sound and deformation of the cars. Momentum is conserved; kinetic energy is not.

    Worked example. A stationary nucleus of mass $222\,u$ decays by emitting an alpha particle α粒子 of mass $4\,u$ at $1.6 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Find the speed of the remaining nucleus.

    Before the decay the total momentum is zero, so afterwards the two momenta are equal and opposite: $218\,u \times v = 4\,u \times 1.6 \times 10^{7}$, giving $v = 2.9 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$ in the opposite direction to the alpha particle. The unit $u$ cancels, so its value is never needed. In a decay the momentum, the charge (proton number), the nucleon number and the total mass–energy are all conserved (topic 11).

    A useful result for a head-on elastic collision of mass $m$ with a stationary 静止 mass $M$:

    $$v_{m} = \frac{m - M}{m + M} u, \qquad v_{M} = \frac{2m}{m + M} u.$$

    Collisions in two dimensions

    If the objects move in two dimensions, split the velocities into perpendicular 垂直 components 分量 and apply conservation of momentum along each direction on its own. For a collision where the objects hit at an angle, choose one axis along the first object's motion and one across it. The total momentum is conserved along each axis.

    Worked example. On a frictionless surface, ball A has momentum $4.0\ \text{N s}$ due east and ball B has momentum $3.0\ \text{N s}$ due north. They collide and stick together. Find the momentum of the combined object.

    Momentum is conserved along each axis: $4.0\ \text{N s}$ east and $3.0\ \text{N s}$ north after the collision, exactly as before. The total momentum is the vector sum, $\sqrt{4.0^{2} + 3.0^{2}} = 5.0\ \text{N s}$ at $\tan^{-1}(3.0 / 4.0) = 37°$ north of east; the combined object moves that way at $5.0\ \text{N s}$ divided by the total mass. A multiple-choice diagram of two momentum arrows is asking exactly this: add the arrows tip to tail.

    A glancing collision: an incoming particle of mass m moving along the x-axis strikes a stationary particle; the two move off at angles phi and beta above and below the x-axis with velocities v1 and v2
    A glancing collision resolved along two perpendicular axes

    Rocket / pushing out mass

    A rocket pushes out gas at velocity $u$ (relative to itself) at a mass-flow rate 质量流率 $\dot m$ (kg per second). It feels a thrust

    $$F = \dot m \cdot u,$$

    which comes from $F = \Delta p / \Delta t$. The momentum given to the gas each second equals the thrust on the rocket (Newton's third law: the rocket pushes the gas one way, the gas pushes the rocket the other way). An engine ejecting $90\ \text{kg}$ of gas per second at $190\ \text{m s}^{-1}$ produces a thrust of $90 \times 190 = 1.7 \times 10^{4}\ \text{N}$.

    Worked example. A rocket of weight $W$ leaves the ground with an initial acceleration $a$. What thrust does its engine produce?

    Take upwards as positive. The resultant force is thrust minus weight, so $T - W = ma$. With $m = W / g$, $T = W + Wa / g = W(1 + a / g)$. A rocket of weight $2.0 \times 10^{6}\ \text{N}$ accelerating at $4.0\ \text{m s}^{-2}$ needs a thrust of $2.0 \times 10^{6} \times (1 + 4.0 / 9.81) = 2.8 \times 10^{6}\ \text{N}$. The thrust must exceed the weight before the rocket moves at all.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    A collision · ⁨การชน⁩

    Set the masses and speeds, then collide them. Total momentum is conserved — the total before equals the total after. · ⁨ตั้งมวลและความเร็ว แล้วชนกัน รวม โมเมนตัมจะคงที่ — โมเมนตัมรวมก่อนเท่ากับหลังชน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    component/kəmˈpəʊnənt/ องค์ประกอบ
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ ตั้งฉาก
    conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ การอนุรักษ์โมเมนตัม
    explosion/ekˈspləʊʒn/ การระเบิด
    recoil/rɪˈkɔɪl/ การดีดกลับ
    inelastic collision/ɪnɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ การชนแบบไม่ยืดหยุ่น
    elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ การชนแบบยืดหยุ่น
    relative speed/ˈrelətɪv spiːd/ ความเร็วสัมพัทธ์
    deformation/ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ การเปลี่ยนรูป
    head-on/hed ɒn/ ชนตรงหน้า
    stationary/ˈsteɪʃənəri/ นิ่ง
    alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ อนุภาคอัลฟา
    mass-flow rate/mæs fləʊ reɪt/ อัตราการไหลของมวล
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    3.3

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    mass the property of an object that resists a change in its motion
    linear momentum the product of an object's mass and its velocity
    force the rate of change of momentum
    Newton's first law an object remains at rest or moves at constant velocity unless acted on by a resultant force
    Newton's second law the resultant force on an object is proportional to the rate of change of its momentum, and acts in the direction of the change
    Newton's third law when two bodies interact, the force on one is equal in magnitude and opposite in direction to the force on the other
    weight the force on an object due to a gravitational field; equal to the product of its mass and the acceleration of free fall
    principle of conservation of momentum the total momentum of a system of objects remains constant provided no resultant external force acts on the system
    elastic collision a collision in which total kinetic energy is conserved (and the relative speed of approach equals the relative speed of separation)
    inelastic collision a collision in which momentum is conserved but some kinetic energy is transferred to other forms
    terminal velocity the constant velocity reached when the resistive force on a moving object equals the force driving it, so the resultant force is zero
    3.3

    Exam tips

    • Newton's second law is $F = \Delta p / \Delta t$ (rate of change of momentum); $F = ma$ is the special case for constant mass.
    • Identify third-law pairs correctly: the same type of force, acting on two different bodies — not the balanced forces on one body.
    • Momentum is conserved in every collision; kinetic energy is conserved only in an elastic collision.
    • For terminal velocity, explain that drag rises with speed until drag $=$ weight, so the acceleration becomes zero.

    Common mistakes

    • Writing "the forces are balanced" or "the forces cancel out". Say "the resultant force on the object is zero".
    • Adding both speeds in a head-on collision because momentum is "total". Choose a positive direction, give the opposing velocity a minus sign, then add.
    • Calculating kinetic energy from a component of the velocity. Kinetic energy uses the full speed of each body.
    • Calling the weight and the normal contact force on one object a third-law pair. A pair acts on two different objects and is one type of force.
    • Stating conservation of momentum without the condition. It holds only when no resultant external force acts on the system.
  • 4

    Forces, density and pressure · ⁨แรง ความหนาแน่น และความดัน⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    4.1

    Turning effects of forces · ⁨ผลกระทบจากการหมุนของแรง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that the weight of an object may be taken as acting at a single point known as its centre of gravity
    2. define and apply the moment of a force
    3. understand that a couple is a pair of forces that acts to produce rotation only
    4. define and apply the torque of a couple
    ไทย
    1. เข้าใจว่า น้ำหนัก ของวัตถุสามารถพิจารณาว่ากระทำที่จุดเดียวซึ่งเรียกว่า ศูนย์มวล
    2. นิยามและใช้ โมเมนต์ของแรง
    3. เข้าใจว่า คู่แรง คือคู่ของแรงที่ทำหน้าที่เพื่อให้เกิดการหมุนเท่านั้น
    4. นิยามและใช้ โมเมนต์ของคู่แรง

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    The principle of moments

    Centre of gravity

    The weight 重力 of a large object can be treated as acting at one single point, called the centre of gravity 重心 (the same as the centre of mass 质心 in a uniform gravitational field). For a uniform, regular shape — a rectangle, a sphere, a uniform rod — the centre of gravity is at the middle.

    When you draw a free-body diagram 受力图, always put the weight arrow at the centre of gravity.

    For an irregular shape, find the centre of gravity by experiment. Hang the object freely from a pin: in equilibrium it settles with its centre of gravity vertically below the pin, because only then does the weight have no moment about the pin. A plumb line 铅垂线 hung from the same pin marks that vertical. Hang the object from a second point and draw the second line; the centre of gravity is where the two lines cross. The same fact answers the exam's "explain why the sheet hangs like this": its centre of gravity is directly below the support, so the weight's line of action passes through the pivot and there is no resultant torque.

    For a non-uniform 非均匀 bar, the centre of gravity is not at the middle. Find it by balancing the bar on a pivot, or by taking moments: if the bar's weight $W$ balances a known weight, the distance of its centre of gravity from the pivot is the one moment that makes the two sides equal.

    Moment of a force

    The moment 力矩 of a force about a point is

    $$M = F \cdot d,$$

    where $F$ is the size of the force 力 and $d$ is the perpendicular distance 垂直距离 from the point to the line of action 作用线 of the force. Unit: $\text{N m}$.

    If the force acts at angle $\theta$ to a lever arm 力臂 of length $r$ from the pivot 支点, then $d = r\sin\theta$, so $M = F r\sin\theta$. Only the part of the force perpendicular 垂直 to the lever arm makes it turn.

    Worked example. A force of $50\ \text{N}$ is applied to the end of a spanner $0.40\ \text{m}$ long, at $30°$ to the spanner. Find the moment of the force about the nut.

    $$M = F r\sin\theta = 50 \times 0.40 \times \sin 30° = 50 \times 0.40 \times 0.50 = 10\ \text{N m}.$$

    A moment is either clockwise 顺时针 or anticlockwise 逆时针 about the chosen point.

    Couple and torque

    A couple 力偶 is a pair of forces that are:

    • equal in size,
    • opposite in direction,
    • with their lines of action a perpendicular distance apart.

    A couple makes the body turn only — its resultant force is zero, so it gives no straight-line acceleration.

    The torque 力偶矩 of a couple is the turning effect it makes:

    $$\tau = F \cdot d,$$

    where $F$ is the size of one force and $d$ is the perpendicular distance between the two lines of action. Unit: $\text{N m}$. The torque is the same about any point — a special property of couples.

    A common multiple-choice trap: two equal forces in the same direction are not a couple (they have a resultant force and cause translation 平动). A couple needs equal size and opposite direction.

    Watch the distance in the formula. For a couple of two forces $F$ each acting a distance $d$ from a central pivot, on opposite sides, the perpendicular distance between the two lines of action is $2d$, so the torque is $F \times 2d = 2Fd$. Taking moments about the pivot gives the same answer, $Fd + Fd$. The two-mark definition wants both parts: the product of one of the forces and the perpendicular distance between the lines of action of the forces.

    ไทย
    หลักการโมเมนต์

    จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง

    น้ำหนักของวัตถุขนาดใหญ่สามารถพิจารณาว่ากระทำที่จุดเดียวที่เรียกว่า จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง (ซึ่งเหมือนกับ จุดศูนย์กลางมวล ในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ) สำหรับรูปร่างสม่ำเสมอและสมมาตร เช่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสทรงกลมแท่งสม่ำเสมอ จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงจะอยู่ที่กึ่งกลาง

    เมื่อคุณวาด แผนภาพร่างกายอิสระ ต้องวางลูกศรน้ำหนักที่จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงเสมอ

    สำหรับรูปร่างที่ไม่สม่ำเสมอ ให้หาจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงโดยการทดลอง แขวนวัตถุอย่างอิสระจากหมุด: ในสภาวะสมดุลมันจะนิ่งลงโดยมีจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงอยู่ ใต้หมุดในแนวตั้ง เพราะเพียงเท่านั้นน้ำหนักจึงไม่มีโมเมนต์รอบหมุด สายน้ำหนัก ที่แขวนจากหมุดเดียวกันจะบอกลายเส้นแนวดิ่งนี้ แขวนวัตถุจากจุดที่สองแล้ววาดเส้นที่สอง؛ จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงคือจุดที่เส้นทั้งสองตัดกัน ข้อเท็จจริงเดียวกันนี้ตอบคำถามสอบ "อธิบายว่าทำไมแผ่นกระดาษถึงแขวนแบบนี้": จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงอยู่ใต้จุดรองรับโดยตรง ดังนั้นเส้นกระทำของน้ำหนักผ่านจุดหมุนและไม่เกิดโมเมนต์สุทธิ

    แผ่นกระดาษไม่สมมาตรแขวนจากหมุด พร้อมสายน้ำหนักจากหมุดวาด横跨上去; หมุดที่สองและเส้นประตัดกับเส้นแรกที่จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง ซึ่งทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมาย X
    การหาจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง: แขวนอย่างอิสระ วัตถุจะนิ่งลงโดยมีจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงอยู่ใต้หมุดในแนวตั้ง ดังนั้นสายน้ำหนักสองเส้นจากหมุดสองจุดจะตัดกันที่จุดนั้น

    สำหรับแท่ง ไม่สม่ำเสมอ จุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงจะไม่อยู่ที่กึ่งกลาง หาได้โดยการوازنแท่งบนจุดหมุน หรือโดยการtaking moments: ถ้า น้ำหนัก ของแท่ง $W$ BALANCES น้ำหนักที่กำหนดให้ ระยะทางจากจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงไปยังจุดหมุนคือโมเมนต์ที่ทำให้สองด้านเท่ากัน

    โมเมนต์ของแรง

    โมเมนต์ ของแรงรอบจุดหนึ่งคือ

    $$M = F \cdot d,$$

    โดยที่ $F$ คือขนาดของ แรง และ $d$ คือ ระยะตั้งฉาก จากจุดนั้นไปยัง เส้นกระทำ ของแรง หน่วยวัด: $\text{N m}$

    ถ้าแรงกระทำที่มุม $\theta$ กับ คันโยก ยาว $r$ จาก จุดหมุน แล้ว $d = r\sin\theta$, ดังนั้น $M = F r\sin\theta$. เพียงส่วนประกอบของแรงที่ ตั้งฉาก กับคันโยกเท่านั้นที่ทำให้มันหมุน

    ตัวอย่างคำนวณ. แรงแบบ $50\ \text{N}$ ถูกกระทำที่ปลายประแจยาว $0.40\ \text{m}$, ที่มุม $30°$ ต่อประแจ. หาค่าโมเมนต์ของแรงรอบน็อต

    $$M = F r\sin\theta = 50 \times 0.40 \times \sin 30° = 50 \times 0.40 \times 0.50 = 10\ \text{N m}.$$
    จุดหมุนพร้อมแรง F กระทำที่ปลายคันโยกยาว r ที่มุม theta; ระยะตั้งฉาก d จากจุดหมุนไปยังเส้นกระทำของแรงแสดงด้วยเส้นประแนวนอน
    โมเมนต์ขึ้นอยู่กับระยะตั้งฉาก $d$ จากจุดหมุนไปยังแนวกระทำของแรง

    โมเมนต์จะเป็นeither ตามเข็มนาฬิกา หรือ ทวนเข็มนาฬิกา รอบจุดที่เลือก

    คู่แรงและโมเมนต์บิด

    คู่แรง คือคู่ของแรงที่เป็น:

    • มีขนาดเท่ากัน,
    • มีทิศทางตรงกันข้าม,
    • และมีเส้นกระทำห่างกันเป็นระยะตั้งฉาก

    คู่แรงทำให้วัตถุ หมุนเท่านั้น — แรงลัพธ์ของมันเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่ให้ความเร่งเชิงเส้น

    โมเมนต์บิด ของคู่แรงคือผลกระทบต่อการหมุนที่มันสร้าง:

    $$\tau = F \cdot d,$$

    โดยที่ $F$ คือขนาดของแรงหนึ่งตัวและ $d$ คือระยะตั้งฉากระหว่างเส้นกระทำทั้งสอง หน่วยวัด: $\text{N m}$. โมเมนต์บิดจะมีค่าเท่ากันรอบจุดใดๆ — ซึ่งเป็นคุณสมบัติพิเศษของคู่แรง

    ดิสก์ที่มีแรง F สองแรงขนาดเท่ากันและทิศทางตรงข้ามกันกระทำที่ปลายทั้งสองซึ่งห่างกันด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 2r พร้อมลูกศรโค้งแสดงโมเมนต์ที่ทำให้ดิสก์หมุน
    คู่แรง: แรงสองตัวเท่ากันและตรงข้ามกัน มีระยะห่างกัน เกิดโมเมนต์

    กับดักข้อสอบแบบเลือกตอบที่พบบ่อย: แรงสองแรงที่มีขนาดเท่ากันแต่อยู่ใน ทิศทางเดียวกัน จะไม่จัดเป็นคู่แรง (因为它们会产生แรงลัพธ์และทำให้เกิดการ เคลื่อนที่เชิงเส้น) คู่แรงจำเป็นต้องมีขนาดเท่ากัน และ ทิศทางตรงข้าม

    ระวังระยะในสูตร สำหรับคู่แรงของแรง $F$ แต่ละตัวกระทำที่ระยะ $d$ จากจุดหมุนกลาง ซึ่งอยู่คนละด้าน ระยะตั้งฉากระหว่างแนวการกระทำของแรงทั้งสองคือ $2d$ ดังนั้นโมเมนต์จึงเท่ากับ $F \times 2d = 2Fd$ การคำนวณโมเมนต์รอบจุดหมุนจะได้คำตอบเดียวกันคือ $Fd + Fd$ นิยามสำหรับคะแนน 2 ข้อ ต้องระบุทั้งสองส่วน: ผลคูณของแรงหนึ่งใดกับระยะตั้งฉากระหว่างแนวการกระทำของแรงทั้งสอง

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Balance the see-saw · ⁨ปรับสมดุลกระดาก⁩

    Put a weight on each side and slide it in or out. A small weight far from the pivot can balance a big weight close in — the beam is level when force × distance matches on both sides. · ⁨วางน้ำหนักลงบนแต่ละด้านและเลื่อนเข้าหรือออก. น้ำหนักเล็กน้อยที่อยู่ไกลจากจุดหมุนสามารถดุลกับน้ำหนักมากที่อยู่ใกล้ได้ — คานจะราบเรียบเมื่อแรง × ระยะ ทางทั้งสองฝั่งเท่ากัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    force/fɔːs/ แรง
    moment/ˈməʊmənt/ ปัจจุบัน
    centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ ศูนย์ถ่วง
    weight/weɪt/ น้ำหนัก
    centre of mass/ˈsentə ɒv mæs/ ศูนย์กลางมวล
    free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ แผนภาพวัตถุอิสระ
    torque/tɔːk/ แรงบิด
    non-uniform/nɒn ˈjuːnɪfɔːm/ ไม่สม่ำเสมอ
    perpendicular distance/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə ˈdɪstəns/ ระยะตั้งฉาก
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ ตั้งฉาก
    lever arm/ˈliːvə ɑːm/ แขนงก้าน
    horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ เป็นแนวนอน
    couple/ˈkʌpl/ คู่มุม
    resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ แรงลัพธ์
    translation/trænˈsleɪʃn/ การแปลรหัส
    angular acceleration/ˈæŋɡjʊlə əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่งมุม
    tension/ˈtenʃn/ แรงตึง
    component/kəmˈpəʊnənt/ องค์ประกอบ
    4.2

    Equilibrium of forces · ⁨ความสมดุลของแรง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. state and apply the principle of moments
    2. understand that, when there is no resultant force and no resultant torque, a system is in equilibrium
    3. use a vector triangle to represent coplanar forces in equilibrium
    ไทย
    1. บอกและใช้ หลักการของโมเมนต์
    2. เข้าใจว่า เมื่อไม่มี แรงลัพธ์ และไม่มี โมเมนต์ลัพธ์ ระบบจะอยู่ในสภาวะ สมดุล
    3. ใช้ สามเหลี่ยมเวกเตอร์ เพื่อแทน แรงในระนาบเดียวกัน ที่อยู่ในสภาวะสมดุล

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Conditions for equilibrium

    A body is in equilibrium 平衡 when:

    1. the resultant force 合力 is zero (no straight-line acceleration), AND
    2. the resultant moment about any point is zero (no angular acceleration 角加速度).

    Both must hold. A body with no resultant force can still be turning; a body with no resultant moment can still be moving in a straight line.

    The classic multiple-choice case: four forces, two equal pairs pointing in opposite directions but not along the same lines. The resultant force is zero, so the centre of mass does not accelerate, but the pairs form couples with a resultant torque, so the object spins faster and faster while its centre of mass moves at constant velocity. Only when both conditions hold is the body in equilibrium.

    Principle of moments

    For a body that is not turning, the total clockwise moment about any point equals the total anticlockwise moment about the same point. This is the principle of moments 力矩原理.

    To solve a balance problem:

    1. Choose a pivot — usually where an unknown force acts, so that force drops out (its distance is zero).
    2. List every force and its perpendicular distance from the pivot.
    3. Set $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
    4. Use $\sum F = 0$ if you need a second equation.

    A ruler balanced on a pivot with masses on each side is solved this way. For a heavy uniform rod, remember to include its weight acting at its centre of gravity. Stated for the marks: for a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about any point equals the sum of the anticlockwise moments about that same point.

    Worked example. A uniform beam of length $4.0\ \text{m}$ is pivoted at its centre. A $40\ \text{N}$ weight hangs $1.5\ \text{m}$ from the pivot on one side. How far from the pivot, on the other side, must a $30\ \text{N}$ weight hang to balance the beam?

    The beam's own weight acts at the centre (the pivot), so it has no moment. Setting clockwise $=$ anticlockwise moments:

    $$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$

    Worked example. A uniform rod of length $L$ and weight $W = 28\ \text{N}$ is hinged to a wall at one end and held horizontal by a wire from its other end. The wire makes $40°$ with the rod. Find the tension $T$ in the wire.

    Take moments about the hinge, so the unknown hinge force drops out. The weight acts at the centre, a distance $L/2$ from the hinge: its moment is $W \times L/2$, clockwise. The tension acts at the end, but not at right angles to the rod, so its moment is $T\sin 40° \times L$, anticlockwise (only the component of $T$ perpendicular to the rod turns it). Equate them:

    $$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$

    The length $L$ cancels, which is why the question need not give it. If a load hangs from the rod as well, add its moment on the clockwise side. This is the shape of almost every moments question: choose the pivot where the unknown force acts, use the perpendicular component of any angled force, and let unknown lengths cancel.

    Worked example. A uniform beam of weight $200\ \text{N}$ and length $9.0\ \text{m}$ rests on two supports, X at $1.0\ \text{m}$ from the left end and Y at $6.5\ \text{m}$. A person of weight $700\ \text{N}$ stands $1.7\ \text{m}$ from Y, beyond it. Find the force from each support.

    Two unknown forces, $R_{\text{X}}$ and $R_{\text{Y}}$, so take moments about X to remove $R_{\text{X}}$. The beam's weight acts at its centre, $3.5\ \text{m}$ from X; Y is $5.5\ \text{m}$ from X; the person is $7.2\ \text{m}$ from X:

    $$R_{\text{Y}} \times 5.5 = 200 \times 3.5 + 700 \times 7.2 \quad\Rightarrow\quad R_{\text{Y}} = \frac{700 + 5040}{5.5} = 1040\ \text{N}.$$

    Then the resultant force is zero: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, so $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. A negative answer means the beam would lift off X: with the person that far past Y, X must hold the beam down, not up. Questions often ask where a person can stand before the beam tips; that is the position at which $R_{\text{X}}$ becomes zero.

    Vector triangle

    Three forces in the same plane that are in equilibrium can be drawn as a closed vector triangle 矢量三角形 — drawn tip-to-tail, the three arrows come back to the start. This is a drawing method instead of splitting into components 分量.

    Use the sine rule 正弦定理 or the cosine rule 余弦定理 on the triangle to find unknown sizes or directions, or draw the triangle to scale on graph paper.

    You can also split each force into horizontal 水平 and vertical 竖直 components and set $\sum F_{x} = 0$ and $\sum F_{y} = 0$.

    To draw the triangle for the marks: draw the weight first (vertical, to scale), then add the other two forces tip to tail in their real directions, so the third arrow closes the triangle; label every side with its force and mark the angles. For a block resting on a slope the three forces are the weight (vertical), the normal contact force (perpendicular to the slope) and friction (along the slope), so the triangle is right-angled with the weight as the hypotenuse. For a picture hanging from a string over a pin, the two equal tensions make an isosceles triangle with the weight. The test of any answer is that the triangle closes; if it does not, the object is not in equilibrium.

    Worked example. A pulley of negligible weight is held by a spring. A single cable passes under the pulley, and each side of the cable makes $30°$ with the vertical. The tension in the cable is $T = 60\ \text{N}$. Find the force from the spring and the extension of the spring, given its spring constant is $2000\ \text{N m}^{-1}$.

    Because it is one continuous cable, the tension is the same on both sides. The two tensions pull down and outwards; their horizontal components cancel and their vertical components add, so the spring must pull up with $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$. From Hooke's law (topic 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. If the angle to the vertical grows, $\cos\theta$ falls, so the spring force and extension fall: the cable is pulling more sideways and less upwards.

    ไทย

    เงื่อนไขความสมดุล

    วัตถุจะอยู่ในสภาวะ สมดุล เมื่อ:

    1. แรงลัพธ์ เป็นศูนย์ (ไม่มีการเร่งความเร็วเชิงเส้น), และ
    2. โมเมนต์ลัพธ์รอบจุดใดๆ เป็นศูนย์ (ไม่มีความเร่งเชิงมุม).

    ทั้งสองเงื่อนไขต้องเกิดขึ้นพร้อมกัน วัตถุที่ไม่มีแรงลัพธ์อาจยังหมุนได้ วัตถุที่ไม่มีโมเมนต์ลัพธ์อาจยังเคลื่อนที่ตามเส้นตรงได้

    กรณีข้อสอบแบบเลือกตอบคลาสสิก: แรงสี่แรง มีสองคู่ที่มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงข้ามกันแต่ไม่อยู่บนแนวเดียวกัน แรงลัพธ์เป็นศูนย์ ดังนั้นศูนย์กลางมวลไม่เร่ง แต่คู่แรงเหล่านี้สร้างคู่แรงที่มีโมเมนต์ลัพธ์ ทำให้วัตถุหมุนเร็วขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่ศูนย์กลางมวลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ วัตถุจะอยู่ในสภาวะสมดุลก็ต่อเมื่อทั้งสองเงื่อนไขเป็นจริงเท่านั้น

    หลักการโมเมนต์

    สำหรับวัตถุที่ไม่หมุน ผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิการอบจุดใดๆ เท่ากับผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิการอบจุดเดียวกัน นี่คือ หลักการโมเมนต์

    ในการแก้โจทย์สมดุล:

    1. เลือกจุดหมุน — มักเป็นตำแหน่งที่แรงที่ไม่ทราบค่ากระทำ เพื่อให้แรงนั้นหายไป (เพราะระยะเป็นศูนย์).
    2. จดforce ทุกตัวและระยะตั้งฉากจากจุดหมุน.
    3. ตั้งสมการ $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
    4. ใช้ $\sum F = 0$ หากต้องการสมการเพิ่มเติม.

    ไม้บรรทัดที่วางสมดุลบนจุดหมุนโดยมีมวลทั้งสองข้างแก้ได้แบบนี้ สำหรับแท่งสม่ำเสมอหนัก ให้จำไว้ว่าต้องรวมน้ำหนักที่กระทำที่ศูนย์กลางมวล之它 stating for the marks: สำหรับวัตถุในสภาวะสมดุล ผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิการอบจุดใดๆ เท่ากับผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิการอบจุดเดียวกัน

    ตัวอย่างวิธีทำ. แท่งสม่ำเสมอยาว $4.0\ \text{m}$ วางบนจุดหมุนที่กึ่งกลาง มีน้ำหนัก $40\ \text{N}$ แขวนอยู่ที่ระยะ $1.5\ \text{m}$ จากจุดหมุนด้านหนึ่ง ต้องวางน้ำหนัก $30\ \text{N}$ ที่ระยะเท่าไรจากจุดหมุนอีกด้านหนึ่งเพื่อทำให้แท่งสมดุล?

    น้ำหนักของแท่งเองกระทำที่กึ่งกลาง (จุดหมุน) จึงไม่มีโมเมนต์ ตั้งให้โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา $=$ โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา:

    $$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$
    ไม้บรรทัดแนวนอนที่วางสมดุลบนจุดหมุนกลาง โดยมีน้ำหนักแขวนอยู่ที่ระยะต่างกัน; น้ำหนักทางซ้ายให้โมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา และน้ำหนักทางขวาให้โมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา
    น้ำหนักบนไม้บรรทัดที่สมดุลบนจุดหมุน — ใช้ทดสอบหลักการของโมเมนต์
    เครนหอคอย ณ พื้นที่ก่อสร้างในเมือง แต่ละตัวมีแขนยาวและน้ำหนักถ่วง平衡ที่แขนสั้นด้านหลังเสา
    เครนหอคอยคือโจทย์เรื่องโมเมนต์: โมเมนต์ของน้ำหนักถ่วง平衡รอบเสาจะสมดุลกับโมเมนต์ของโหลด

    ตัวอย่างวิธีทำ. แท่งสม่ำเสมอยาว $L$ และมีน้ำหนัก $W = 28\ \text{N}$ ยึดติดกับผนังที่ปลายด้านหนึ่ง และยึดให้ตั้งนอนด้วยสายจากปลายอีกด้าน สายทำมุม $40°$ กับแท่ง หาแรงตึง $T$ ในสาย

    แท่งสม่ำเสมอที่ยึดติดกับผนังที่ปลายซ้าย ถูกยึดให้ตั้งนอนด้วยสายจากปลายขวาขึ้นไปหาผนังที่มุม theta เทียบกับแท่ง น้ำหนัก W กระทำที่กึ่งกลางของแท่ง แรงตึง T กระทำตามสาย และมีแรงที่ไม่ทราบค่ากระทำที่จุดยึด; ทำเครื่องหมายระยะ L/2 และ L/2 *แท่งที่ยึดติดกับผนังด้วยสาย: การคำนวณโมเมนต์รอบจุดยึดจะทำให้แรงที่ไม่ทราบค่าที่จุดยึดหายไป

    คำนวณโมเมนต์รอบจุดยึด sehingga แรงที่ไม่ทราบค่าที่จุดยึดหายไป น้ำหนักกระทำที่กึ่งกลาง ซึ่งเป็นระยะ $L/2$ จากจุดยึด: โมเมนต์ของมันคือ $W \times L/2$, ตามเข็มนาฬิกา แรงตึงกระทำที่ปลายแต่ไม่ตั้งฉากกับแท่ง ดังนั้นโมเมนต์ของมันคือ $T\sin 40° \times L$, ทวนเข็มนาฬิกา (เฉพาะองค์ประกอบของ $T$ ที่ตั้งฉากกับแท่งเท่านั้นที่ทำให้มันหมุน) เทบเท่ากัน:

    $$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$

    ความยาว $L$ หักล้างกัน ซึ่งเป็นเหตุผลที่โจทย์ไม่จำเป็นต้องระบุ หากมีโหลดแขวนบนแท่งด้วย ให้เพิ่มโมเมนต์นั้นเข้าฝั่งตามเข็มนาฬิกา นี่คือรูปแบบเกือบทุกโจทย์โมเมนต์: เลือกจุดหมุนที่แรงที่ไม่ทราบค่ากระทำ ใช้องค์ประกอบตั้งฉากของแรงที่เอียง และปล่อยให้ความยาวที่ไม่ทราบค่าหักล้างกัน

    ตัวอย่างวิธีทำ. แท่งสม่ำเสมอที่มีน้ำหนัก $200\ \text{N}$ และความยาว $9.0\ \text{m}$ วางอยู่บนฐานรองรับสองจุด X ที่ระยะ $1.0\ \text{m}$ จากปลายซ้าย และ Y ที่ระยะ $6.5\ \text{m}$ คนที่มีน้ำหนัก $700\ \text{N}$ ยืนอยู่ที่ระยะ $1.7\ \text{m}$ จาก Y ผ่านไป beyond it หาแรงจากฐานรองรับแต่ละจุด

    แท่งแนวนอนวางอยู่บนฐานรองรับสามเหลี่ยม X และ Y โดยมีแรงสนับสนุน R_X และ R_Y ชี้ขึ้นที่จุดเหล่านั้น น้ำหนักของแท่งกระทำลงที่กึ่งกลาง และน้ำหนักคนกระทำลงใกล้ปลายขวา; แถบแสดงระยะด้านล่างระบุว่า 3.5 เมตรจาก X ถึงกึ่งกลาง, 2.0 เมตรจากกึ่งกลางถึง Y และ 1.7 เมตรจาก Y ถึงคน *แท่งบนฐานรองรับสองจุด: การคำนวณโมเมนต์รอบฐานรองรับจุดหนึ่งจะให้แรงของฐานรองรับอีกจุดหนึ่ง; ผลรวมของแรงจะหาแรงจุดแรกได้

    แรงที่ไม่ทราบค่าสองตัว คือ $R_{\text{X}}$ และ $R_{\text{Y}}$, ดังนั้นคำนวณโมเมนต์รอบ X เพื่อลบ $R_{\text{X}}$ ออก น้ำหนักของแท่งกระทำที่กึ่งกลาง ซึ่งเป็นระยะ $3.5\ \text{m}$ จาก X; Y อยู่ห่างจาก X $5.5\ \text{m}$; คนอยู่ห่างจาก X $7.2\ \text{m}$:

    $$R_{\text{Y}} \times 5.5 = 200 \times 3.5 + 700 \times 7.2 \quad\Rightarrow\quad R_{\text{Y}} = \frac{700 + 5040}{5.5} = 1040\ \text{N}.$$

    จากนั้นแรงลัพธ์เป็นศูนย์: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, ดังนั้น $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. คำตอบที่เป็นลบหมายความว่าแท่งจะยกออกจาก X: เมื่อคนยืนไกลเกิน Y那么 X ต้องกดแท่งไว้ ไม่สามารถดันขึ้นได้ โจทย์มักถามว่าคนสามารถยืนได้ที่ใดก่อนที่แท่งจะคว่ำ: นั่นคือตำแหน่งที่ $R_{\text{X}}$ จะกลายเป็นศูนย์.

    สามเหลี่ยมเวกเตอร์

    แรงสามแรงในระนาบเดียวกันซึ่งอยู่ในสภาวะสมดุล สามารถวาดเป็น สามเหลี่ยมเวกเตอร์ปิด — เมื่อวาดปลายลูกศรติดกับปลายลูกศรอีกตัว ลูกศรทั้งสามจะวนกลับไปยังจุดเริ่มต้น นี่คือวิธีการวาดแทนการแยกเป็น องค์ประกอบ

    แรงสามแรงในสภาวะสมดุล (น้ำหนัก W และความตึงสองแรง) วาดปลายติดปลายเป็นสามเหลี่ยมปิดที่วนกลับไปยังจุดเริ่มต้น
    แรงสามแรงในสภาวะสมดุลจะสร้างสามเหลี่ยมเวกเตอร์ปิด

    ใช้ กฎของไซน์ หรือ กฎของโคไซน์ กับสามเหลี่ยมเพื่อหาค่าหรือทิศทางที่ไม่ทราบค่า หรือวาดสามเหลี่ยมตามสเกลบนกระดาษกราฟ

    คุณสามารถแยกแรงแต่ละตัวออกเป็น องค์ประกอบแนวนอน และ องค์ประกอบแนวตั้ง แล้วกำหนด $\sum F_{x} = 0$ และ $\sum F_{y} = 0$.

    ในการวาดสามเหลี่ยมสำหรับโจทย์: วาดน้ำหนักก่อน (แนวตั้ง ตามสเกล) จากนั้นเพิ่มแรงอีกสองแรงโดยต่อปลายลูกศรไปในทิศทางจริง เพื่อให้ลูกศรสุดท้ายปิดรูปสามเหลี่ยม; ทำป้ายชื่อทุกด้านด้วยชื่อแรงและทำเครื่องหมายมุม สำหรับวัตถุวางนิ่งบนทางลาด แรงสามแรงคือ น้ำหนัก (แนวตั้ง), แรงสัมผัสปกติ (ตั้งฉากกับทางลาด) และแรงเสียดทาน (ตามทางลาด) ดังนั้นสามเหลี่ยมจะเป็นสามเหลี่ยมมุมฉากโดยมีน้ำหนักเป็นด้านตรงข้ามมุมฉาก สำหรับภาพที่แขวนด้วยเชือกผ่านหมุด ความตึงเท่ากันสองแรงจะทำให้เกิดสามเหลี่ยมหน้าจั่วร่วมกับน้ำหนัก การทดสอบคำตอบใด ๆ คือให้สามเหลี่ยมปิดได้; หากไม่ปิด หมายความว่าวัตถุนั้นไม่อยู่ในสภาวะสมดุล

    ตัวอย่างวิธีทำ. รอกที่มีน้ำหนักน้อยมากถูกยึดด้วยสปริง เชือกเส้นเดียวพาดผ่านใต้รอก และแต่ละด้านของเชือกทำมุม $30°$ กับแนวตั้ง ความตึงในเชือกคือ $T = 60\ \text{N}$ จงหาแรงจากสปริงและการยืดตัวของสปริง โดยกำหนดค่าคงที่สปริงคือ $2000\ \text{N m}^{-1}$

    รอกที่แขวนอยู่กับสปริงที่ยึดเพดานไว้ เชือกพาดผ่านใต้รอกและยกขึ้นทำมุม theta กับแนวตั้ง มีลูกศรแรงสามตัวกระทำที่รอก: ความตึง T สองแรงตาม方向和และแรงสปริงชี้ขึ้น
    รอกที่ถูกยึดด้วยสปริง: ความตึงสองแรงในเชือกเส้นเดียวกันมีค่าเท่ากัน และแรงสปริงจะต้านองค์ประกอบแนวตั้งของความตึงทั้งสอง

    เนื่องจากเป็นเชือกเส้นต่อเนื่อง ความตึงจึงเท่ากันทั้งสองด้าน ความตึงทั้งสองดึงลงและออกด้านข้าง; องค์ประกอบแนวนอนหักล้างกันและองค์ประกอบแนวตั้งบวกกัน ดังนั้นสปริงต้องดึงขึ้นด้วย $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$ จากกฎของฮุค (หัวข้อ 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. หากมุมเทียบกับแนวตั้งเพิ่มขึ้น, $\cos\theta$ จะลดลง ทำให้แรงสปริงและการยืดตัวลดลง: เชือกดึงด้านข้างมากขึ้นและดึงขึ้นน้อยลง

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Forces in equilibrium · ⁨แรงในสภาวะสมดุล⁩

    When forces are balanced the resultant is zero — the vectors form a closed loop. Drag the arrows to keep them cancelling. · ⁨เมื่อแรงสมดุล แรงลัพธ์จะเป็นศูนย์ — เวกเตอร์สร้างเป็นวงปิด ลากลูกศรเพื่อรักษาการหักล้างกัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ หลักการโมเมนต์
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ จุดดุลยภาพ
    plumb line/plʌm laɪn/ เส้นตั้งฉาก
    vertical/ˈvɜːtɪkl/ แนวตั้ง
    line of action/laɪn ɒv ˈækʃn/ เส้นของการกระทำ
    pivot/ˈpɪvət/ จุดหมุน
    clockwise/ˈklɒkwaɪz/ ตามเข็มนาฬิกา
    anticlockwise/ˌæntɪˈklɒkwaɪz/ ทวนเข็มนาฬิกา
    vector triangle/ˈvektə ˈtraɪæŋɡl/ สามเหลี่ยมเวกเตอร์
    closed vector triangle/kləʊzd ˈvektə ˈtraɪæŋɡl/ สามเหลี่ยมเวกเตอร์ปิด
    sine rule/saɪn ruːl/ กฎ سین
    cosine rule/ˈkəʊsaɪn ruːl/ กฎโคไซน์
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    4.3

    Density · ⁨ความหนาแน่น⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define and use density
    2. define and use pressure
    3. derive, from the definitions of pressure and density, the equation for hydrostatic pressure $\Delta p = \rho g \Delta h$
    4. use the equation $\Delta p = \rho g \Delta h$
    5. understand that the upthrust acting on an object in a fluid is due to a difference in hydrostatic pressure
    6. calculate the upthrust acting on an object in a fluid using the equation $F = \rho g V$ (Archimedes' principle)
    ไทย
    1. นิยามและใช้ ความหนาแน่น
    2. นิยามและใช้ ความดัน
    3. สกัดสูตรสำหรับ ความดันไฮโดรสแตติก $\Delta p = \rho g \Delta h$ จากนิยามของความดันและความหนาแน่น
    4. ใช้สมการ $\Delta p = \rho g \Delta h$
    5. เข้าใจว่า แรงลอยตัว ที่กระทำต่อวัตถุในของไหลเกิดจากความแตกต่างของความดันไฮโดรสแตติก
    6. คำนวณแรงลอยตัวที่กระทำต่อวัตถุในของไหลโดยใช้สมการ $F = \rho g V$ (หลักการของอาร์คิมิดีส)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Density 密度 is the mass per unit volume:

    $$\rho = \frac{m}{V}.$$

    Unit: $\text{kg m}^{-3}$ (or $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). Density is a scalar 标量.

    Some useful densities to know:

    • water: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
    • air at room conditions: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
    • iron / steel: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$

    Measuring density is a practical question in disguise. For a cuboid, measure the mass on a balance and the three side lengths with a rule or calipers, then $\rho = m / (xyz)$. Because density is a product and quotient, the percentage uncertainty in $\rho$ is the sum of the percentage uncertainties in $m$, $x$, $y$ and $z$ (topic 1). A zero error on the balance, or a rule whose end is worn, is a systematic error; repeating the readings does not remove it, but subtracting the zero reading does.

    Worked example. A block has mass $(120 \pm 1)\ \text{g}$ and sides $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ and $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. Find its density and the percentage uncertainty.

    $\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. The percentage uncertainties are $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ and $5.0\%$, so the density is uncertain by $12\%$, about $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. The shortest side contributes most, which is why a question asks which measurement to improve first.

    ไทย
    ภูเขาน้ำแข็งขนาดใหญ่ลอยอยู่ในทะเล
    ภูเขาน้ำแข็งลอยโดยมีปริมาตรส่วนใหญ่ซ่อนอยู่: น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเล็กน้อย

    ความหนาแน่น คือมวลต่อหน่วยปริมาตร:

    $$\rho = \frac{m}{V}.$$

    หน่วย: $\text{kg m}^{-3}$ (หรือ $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). ความหนาแน่นเป็น สเกลาร์

    ค่าความหนาแน่นที่สำคัญควรจดจำ:

    • น้ำ: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
    • อากาศที่อุณหภูมิห้อง: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
    • เหล็ก / เหล็กกล้า: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$

    การวัดความหนาแน่นเป็นคำถามปฏิบัติที่ซ่อนอยู่ สำหรับทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า ให้ชั่งมวลด้วยตาชั่งและวัดความยาวสามด้านด้วยไม้บรรทัดหรือคาลิเปอร์ แล้ว $\rho = m / (xyz)$. เนื่องจากความหนาแน่นเป็นผลคูณและผลหาร ค่าความคลาดเคลื่อนเปอร์เซ็นต์ใน $\rho$ คือ ผลรวม ของค่าความคลาดเคลื่อนเปอร์เซ็นต์ใน $m$, $x$, $y$ และ $z$ (หัวข้อ 1) ความคลาดเคลื่อนศูนย์ของตาชั่ง หรือไม้บรรทัดwhose ปลายสึกหรอ เป็นความคลาดเคลื่อนแบบระบบ; การอ่านซ้ำไม่ได้ขจัดมันออกไป แต่สามารถลบค่าศูนย์ออกได้

    ตัวอย่างวิธีทำ. บล็อกมีมวล $(120 \pm 1)\ \text{g}$ และด้านยาว $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ และ $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. จงหาความหนาแน่นและความคลาดเคลื่อนเปอร์เซ็นต์

    $\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. ค่าความคลาดเคลื่อนเปอร์เซ็นต์คือ $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ และ $5.0\%$, ดังนั้นความหนาแน่นจึงคลาดเคลื่อนไป $12\%$, ประมาณ $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. ด้านสั้นที่สุดมีส่วนร่วมมากที่สุด นี่คือเหตุผลที่คำถามถามว่าควรปรับปรุงการวัดอย่างไหนก่อน

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    density/ˈdensɪti/ ความหนาแน่น
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    4.3

    Pressure · ⁨ความดัน⁩

    English

    Pressure 压强 is the force per unit area, where the force acts at right angles to the surface:

    $$p = \frac{F}{A}.$$

    Unit: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. Pressure is a scalar.

    The force is the one pressing at right angles to the surface, and the area is the area of contact. A tree trunk of weight $9.0\ \text{kN}$ standing on a post of diameter $0.28\ \text{m}$ presses with $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; the same weight on a wider post gives a smaller pressure. Convert diameters to radii, and centimetres to metres, before squaring.

    Hydrostatic pressure

    Take a column of fluid 流体 with density $\rho$, cross-sectional area 横截面积 $A$ and height $\Delta h$. Its weight is

    $$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$

    This weight presses down on the area $A$ at the bottom, so the extra pressure at the bottom compared with the top is

    $$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$

    This is the hydrostatic pressure 流体静压强 equation. It depends only on the density of the fluid and the depth 深度 — the shape of the container does not matter.

    Worked example. Find the extra pressure due to the water at the bottom of a swimming pool $2.5\ \text{m}$ deep. (Water density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)

    $$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$

    For a submarine at depth $h$ below the surface, the pressure from the water is $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. For the total pressure, add the atmospheric pressure 大气压强 at the surface (about $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$).

    Upthrust and Archimedes' principle

    When an object is submerged 浸没 in a fluid, the pressure at the bottom of the object is greater than the pressure at the top (by $\rho g \Delta h$, where $\Delta h$ is the object's height). This difference gives a net upward force called the upthrust 浮力.

    For an object of volume $V$ (the volume of fluid displaced 排开), the upthrust is

    $$F_{\text{upthrust}} = \rho_{\text{fluid}}\, g\, V.$$

    This is Archimedes' principle 阿基米德原理: the upthrust on a body in a fluid equals the weight of the fluid it pushes aside.

    Worked example. A metal block of volume $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ is fully submerged in water. Find the upthrust on it. (Water density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)

    $$F_{\text{upthrust}} = \rho_{\text{fluid}}\, g\, V = 1000 \times 9.81 \times 2.0 \times 10^{-3} \approx 20\ \text{N}.$$

    For a fully submerged object, $V$ is its full volume. For a floating 漂浮 object, $V$ is only the volume below the surface — the object floats when the upthrust on the part below the surface equals its weight.

    Whether an object floats at all depends on densities: for a fully submerged object the ratio of upthrust to weight is $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, so it floats if it is less dense than the fluid and sinks if it is denser. Halving the object's density doubles that ratio; changing its volume or the depth changes nothing.

    Worked example. A cylinder of mass $11\ \text{kg}$ and diameter $0.78\ \text{m}$ floats upright in water of density $990\ \text{kg m}^{-3}$. Find the depth $y$ of its base below the surface.

    Floating means upthrust $=$ weight. The submerged volume is the base area times the depth, $A y$, with $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:

    $$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$

    Each extra newton of load on the cylinder needs an extra $1 / (\rho g A)$ of depth, so the depth rises in a straight line with the added weight, wherever on the cylinder it is placed.

    Force balance with upthrust

    A block held under water by a string tied to the bottom of the container is in equilibrium under three vertical forces: weight (down), tension 张力 (down), upthrust (up). Set $F_{\text{upthrust}} = W + T$ to find the tension.

    A submerged block hanging from a newton meter 弹簧测力计 reads less than its weight in air, because of the upthrust: reading $= W - F_{\text{upthrust}}$.

    Worked example. A cylinder of weight $25.0\ \text{N}$ hangs from a newton meter fully submerged in water, and the meter reads $10.0\ \text{N}$. Find the volume of the cylinder.

    The upthrust is the missing $15.0\ \text{N}$, and upthrust $= \rho g V$, so $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. The same method finds the density of the cylinder: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$.

    The upthrust depends on the fluid density and the displaced volume, not on the object's material or depth (for an incompressible 不可压缩 fluid). On a planet with smaller $g$, the upthrust is smaller in the same ratio as the weight, so a floating object still floats with the same fraction below the surface.

    ไทย

    ความดัน คือแรงต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งแรงนั้นกระทำตั้งฉากกับพื้นผิว:

    $$p = \frac{F}{A}.$$

    หน่วย: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. ความดันเป็นสเกลาร์

    แรงคือแรงที่กดตั้งฉากกับพื้นผิว และพื้นที่คือพื้นที่สัมผัส ต้นไม้ที่มีน้ำหนัก $9.0\ \text{kN}$ ตั้งอยู่บนเสาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง $0.28\ \text{m}$ กดด้วยความดัน $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; น้ำหนักเท่ากันแต่วางบนเสาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกว้างกว่าจะได้ความดันน้อยกว่า แปลงเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นรัศมี และเซนติเมตรเป็นเมตร ก่อนทำการยกกำลังสอง

    เครื่องวัดความดันอากาศ aneroid แบบแม่นยำที่มีกรอบทองเหลืองและหน้าปัดสีขาว เข็มชี้ไปที่สเกลที่ระบุเป็นเฮกโตปาสคาล (hPa) และนิ้วปรอท (inHg)
    เครื่องวัดความดันบรรยากาศแบบ aneroid ที่มีความแม่นยำสูงวัดความดันบรรยากาศ

    ความดันไฮโดรสแตติก

    พิจารณาแท่ง ของเหลว ที่มีความหนาแน่น $\rho$, พื้นที่หน้าตัด $A$ และความสูง $\Delta h$. น้ำหนักของมันคือ

    $$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$

    น้ำหนักนี้กดลงบนพื้นที่ $A$ ที่ด้านล่าง ดังนั้นความดันเพิ่มเติมที่ด้านล่างเมื่อเทียบกับด้านบนคือ

    $$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$

    นี่คือสมการ ความดันไฮโดรสแตติก. มันขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวและ ความลึก เท่านั้น – รูปร่างของภาชนะไม่สำคัญ

    ตัวอย่างวิธีทำ. จงหาความดันเพิ่มเติมจากน้ำที่ก้นสระน้ำลึก $2.5\ \text{m}$. (ความหนาแน่นน้ำ $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)

    $$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$
    แท่งของเหลวทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีพื้นที่หน้าตัด A ภายในภาชนะ โดยมีระดับความลึก h1 ที่ด้านบนและ h2 ที่ด้านล่างทำเครื่องหมายไว้; น้ำหนัก W ของแท่งกระทำลงและสร้างความดันเพิ่มเติมที่ฐาน
    เสาของเหลวที่มีพื้นที่ $A$: น้ำหนักของมันกำหนดค่าความดันเพิ่มที่ความลึกด้านล่าง

    สำหรับเรือดำน้ำที่ความลึก $h$ ใต้ผิวน้ำ ความดันจากน้ำคือ $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. สำหรับความดันรวม ให้บวกกับ ความดันบรรยากาศ ที่ผิวน้ำ (ประมาณ $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$)

    แรงพยวและหลักการของอาร์คิมิดีส

    เมื่อวัตถุถูก จุ่ม ลงในของเหลว ความดันที่ด้านล่างของวัตถุนั้นมากกว่าความดันที่ด้านบน (โดย $\rho g \Delta h$, โดยที่ $\Delta h$ คือความสูงของวัตถุ) ความแตกต่างนี้ทำให้เกิดแรงสุทธิในทิศทางขึ้นซึ่งเรียกว่า แรงลอยตัว

    บล็อกจุ่มอยู่ในของเหลวแสดงแรงกดลง F_down ที่较小บนหน้าด้านบนและแรงยก F_up ที่ใหญ่กว่าบนหน้าด้านล่าง ทำให้เกิดแรงลอยตัวสุทธิ
    แรงลอยตัวเกิดขึ้นเนื่องจากความดันที่ด้านล่างของวัตถุมากกว่าที่ด้านบน

    สำหรับวัตถุที่มีปริมาตร $V$ (ปริมาตรของของเหลวที่ถูก แทนที่), แรงลอยตัวคือ

    $$F_{\text{upthrust}} = \rho_{\text{fluid}}\, g\, V.$$

    นี่คือ กฎของอาร์คิมิดีส: แรงลอยตัวต่อร่างกายในของเหลวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ร่างกายนั้นผลักออก

    ตัวอย่างวิธีทำ บล็อกโลหะที่มีปริมาตร $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ จุ่มลงในน้ำอย่างสมบูรณ์ จงหาแรงลอยตัว对它。(ความหนาแน่นของน้ำ $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)

    $$F_{\text{upthrust}} = \rho_{\text{fluid}}\, g\, V = 1000 \times 9.81 \times 2.0 \times 10^{-3} \approx 20\ \text{N}.$$

    สำหรับวัตถุที่จุ่มลงอย่างสมบูรณ์, $V$ คือปริมาตรทั้งหมดของมัน สำหรับวัตถุที่ ลอย, $V$ เป็นเพียงปริมาตรที่อยู่ใต้ผิวน้ำ — วัตถุลอยเมื่อแรงลอยตัวต่อส่วนที่อยู่ใต้ผิวน้ำเท่ากับน้ำหนักของมัน

    ว่าวัตถุจะลอยได้หรือไม่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น: สำหรับวัตถุที่จุ่มลงอย่างสมบูรณ์ อัตราส่วนระหว่างแรงลอยตัวต่อน้ำหนักคือ $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, ดังนั้นมันจึงลอยหากมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว และจมหากมีความหนาแน่นมากกว่า การลดความหนาแน่นของวัตถุลงครึ่งหนึ่งจะทำให้ค่าอัตราส่วนนี้เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า; การเปลี่ยนปริมาตรหรือความลึกจะไม่เปลี่ยนแปลงอะไรเลย

    ตัวอย่างวิธีทำ กระบอกทรงกลมที่มีมวล $11\ \text{kg}$ และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง $0.78\ \text{m}$ ลอยตั้งตรงในน้ำที่มีความหนาแน่น $990\ \text{kg m}^{-3}$ จงหาความลึก $y$ ของฐานอยู่ใต้ผิวน้ำ

    การลอยหมายความว่าแรงลอยตัว $=$ น้ำหนัก ปริมาตรที่จุ่มอยู่คือพื้นที่ฐานคูณด้วยความลึก, $A y$, โดยที่ $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:

    $$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$

    ทุกนิวตันของน้ำหนักเพิ่มที่ใส่ลงบนกระบอกต้องการความลึกเพิ่มอีก $1 / (\rho g A)$, ดังนั้นความลึกจึงเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามน้ำหนักที่เพิ่มเข้าไป ไม่ว่าจะถูกวางไว้ที่ไหนบนกระบอกก็ตาม

    บล็อกลอยอยู่บางส่วนใต้เส้นผิวน้ำ; น้ำหนักของมันกระทำลงและแรงลอยตัวต่อส่วนที่จุ่มอยู่กระทำขึ้น, และมันลอยเมื่อแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนัก
    วัตถุที่ลอยจะจมลงจนกว่าแรงลอยตัวต่อส่วนที่จุ่มอยู่จะเท่ากับน้ำหนักของมัน

    สมดุลของแรงกับแรงลอยตัว

    บล็อกที่ถูกยึดไว้ใต้ผิวน้ำด้วยเชือกผูกกับก้นภาชนะอยู่ในสภาวะสมดุลภายใต้แรงแนวตั้งสามแรง: น้ำหนัก (ลง), แรงตึง (ลง), แรงลอยตัว (ขึ้น) ตั้ง $F_{\text{upthrust}} = W + T$ เพื่อหาค่าแรงตึง

    บล็อกที่จุ่มอยู่แขวนจาก เครื่องวัดนิวตัน แสดงค่าน้อยกว่าน้ำหนัก它在อากาศ, เนื่องจากแรงลอยตัว: ค่าที่อ่านได้ $= W - F_{\text{upthrust}}$

    ตัวอย่างวิธีทำ กระบอกทรงกลมที่มีน้ำหนัก $25.0\ \text{N}$ แขวนจากเครื่องวัดนิวตันจุ่มลงในน้ำอย่างสมบูรณ์, และเครื่องวัดแสดงค่า $10.0\ \text{N}$ จงหาปริมาตรของกระบอกทรงกลม

    แรงลอยตัวคือ $15.0\ \text{N}$ ที่หายไป, และแรงลอยตัว $= \rho g V$, ดังนั้น $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. วิธีเดียวกันนี้สามารถหาความหนาแน่นของกระบอกทรงกลมได้: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$

    แรงลอยตัวขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวและปริมาตรที่ถูกแทนที่, ไม่ใช่วัสดุของวัตถุหรือความลึก (สำหรับของเหลวที่ บีบอัดไม่ได้) บนดาวเคราะห์ที่มี $g$ น้อยกว่า, แรงลอยตัวจะน้อยลงในอัตราส่วนเดียวกับน้ำหนัก, ดังนั้นวัตถุที่ลอยจะยังคงลอยอยู่ในสัดส่วนใต้ผิวน้ำเท่าเดิม

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Pressure with depth · ⁨ความดันกับความลึก⁩

    p = ρg·h

    Pressure is proportional to depth — the gradient is ρg. · ⁨ความดัน แปรผันตรงกับ ความลึก — ความชันคือ ρg⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    floating/ˈfləʊtɪŋ/ ลอยตัว
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    pressure/ˈpreʃə/ ความดัน
    atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/ ความดันบรรยากาศ
    hydrostatic pressure/ˌhaɪdrəˈstætɪk ˈpreʃə/ hydrostatic pressure
    fluid/ˈfluːɪd/ ของไหล
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ พื้นที่หน้าตัด
    depth/depθ/ มิติลึก
    upthrust/ˈʌpθrʌst/ แรงลอยตัว
    Archimedes' principle/ˌɑːkɪˈmiːdiːz ˈprɪnsɪpl/ หลักของอาร์คิมิดีส
    submerged/səbˈmɜːdʒd/ จมอยู่ใต้น้ำ
    displaced/dɪˈspleɪst/ ถูกแทนที่
    newton meter/ˈnjuːtn ˈmiːtə/ นิวตันเมตร
    incompressible/ˌɪnkəmˈpresəbl/ อัดตัวไม่ได้
    4.3

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    centre of gravity the point at which the whole weight of an object may be considered to act
    moment of a force the product of the force and the perpendicular distance from the point to the line of action of the force
    couple a pair of equal and opposite forces whose lines of action do not coincide, which produces rotation only
    torque of a couple the product of one of the forces and the perpendicular distance between the lines of action of the forces
    principle of moments for a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about any point equals the sum of the anticlockwise moments about that point
    equilibrium the state of a body on which the resultant force and the resultant torque are both zero
    density mass per unit volume
    pressure force per unit area, where the force acts at right angles to the surface
    upthrust the upward force on a body in a fluid caused by the pressure being greater on its lower surface than on its upper surface
    Archimedes' principle the upthrust on a body in a fluid is equal to the weight of the fluid displaced by the body
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    จุดศูนย์ถ่วง จุดที่น้ำหนักทั้งหมดของวัตถุสามารถพิจารณาได้ว่ากระทำลง
    โมเมนต์ของแรง ผลคูณของแรงกับระยะทางตั้งฉากจากจุดถึงแนวกระทำของแรง
    คู่แรง คู่แรงที่มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้ามwhose lines of action ไม่ซ้อนทับกัน, ซึ่งสร้างการหมุนเท่านั้น
    โมเมนต์คู่แรง ผลคูณของแรงหนึ่งและระยะทางตั้งฉากระหว่างแนวกระทำของแรงทั้งสอง
    หลักการโมเมนต์ สำหรับร่างกายที่อยู่ในสภาวะสมดุล, ผลรวมของโมเมนต์ตามเข็มนาฬิการอบจุดใด ๆ เท่ากับผลรวมของโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิการอบจุดนั้น
    สภาวะสมดุล สถานะของร่างกายที่แรงลัพธ์และโมเมนต์ลัพธ์เป็นศูนย์ทั้งสองอย่าง
    ความหนาแน่น มวลต่อหน่วยปริมาตร
    ความดัน แรงต่อหน่วยพื้นที่, โดยที่แรงกระทำตั้งฉากกับพื้นผิว
    แรงลอยตัว แรงที่กระทำขึ้นต่อร่างกายในของเหลวที่เกิดจากความดันที่พื้นผิวด้านล่างมากกว่าพื้นผิวด้านบน
    กฎของอาร์คิมิดีส แรงลอยตัวต่อร่างกายในของเหลวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่โดยร่างกายนั้น
    4.3

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Take moments about a chosen pivot; for equilibrium, total clockwise $=$ total anticlockwise moments and the resultant force is zero.
    • A body in equilibrium under three forces gives a closed triangle of forces.
    • Fluid pressure $= \rho g h$; upthrust $=$ weight of fluid displaced (Archimedes).
    • Distinguish mass, weight and density, and give the base unit each time.

    Common mistakes

    • Resolving with $\cos\theta$ where the geometry needs $\sin\theta$. Draw the triangle and check which side the angle is next to before choosing.
    • Substituting the weight of the object where the question is about the upthrust on it. Upthrust is the weight of the fluid displaced, $\rho_{\text{fluid}} V g$.
    • Leaving out the weight of a uniform beam. It acts at the centre, and it has a moment about any pivot that is not at the centre.
    • Using the distance along the rod for an angled force. The moment needs the perpendicular distance, or the perpendicular component of the force.
    • Taking the torque of a couple as $Fd$ with $d$ measured from the pivot. The distance is between the two lines of action, so a symmetric couple gives $2Fd$.
    ไทย
    • พิจารณา โมเมนต์ รอบจุดหมุนที่เลือก; เพื่อความสมดุล, ผลรวมโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา $=$ ผลรวมโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา และ แรงลัพธ์เป็นศูนย์
    • ร่างกายที่อยู่ในสภาวะสมดุลภายใต้แรงสามแรงจะให้ สามเหลี่ยมปิด ของแรง
    • ความดันของของเหลว $= \rho g h$; แรงลอยตัว $=$ น้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ (อาร์คิมิดีส)
    • แยกแยะมวล, น้ำหนัก และความหนาแน่น, และให้หน่วยพื้นฐานของแต่ละครั้ง

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การแยกองค์ประกอบด้วย $\cos\theta$ เมื่อรูปทรง هندาจำเป็นต้องใช้ $\sin\theta$ วาดสามเหลี่ยมและตรวจสอบว่ามุมอยู่ติดกับด้านไหนก่อนเลือก
    • แทนที่น้ำหนักของวัตถุเมื่อโจทย์ถามเกี่ยวกับแรงลอยตัว对它 แรงลอยตัวคือน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่, $\rho_{\text{fluid}} V g$
    • การละเลยน้ำหนักของคานสม่ำเสมอ มันกระทำที่จุดกึ่งกลาง, และมีโมเมนต์รอบจุดหมุนใดๆที่ไม่ใช่จุดกึ่งกลาง
    • การใช้ระยะทางตามแกนคันโยกสำหรับแรงเอียง โมเมนต์ต้องใช้ระยะทางตั้งฉาก, หรือองค์ประกอบตั้งฉากของแรง
    • การคำนวณโมเมนต์คู่แรงว่าเป็น $Fd$ โดยที่ $d$ วัดจากจุดหมุน ระยะทางอยู่ระหว่างแนวกระทำทั้งสอง, ดังนั้นคู่แรงสมมาตรจะให้ $2Fd$
  • 5

    Work, energy and power

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    5.1

    Work, energy and power · ⁨งาน, พลังงาน และกำลัง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand the concept of work, and recall and use $\text{work done} = \text{force} \times \text{displacement in the direction of the force}$
    2. recall and apply the principle of conservation of energy
    3. recall and understand that the efficiency of a system is the ratio of useful energy output from the system to the total energy input
    4. use the concept of efficiency to solve problems
    5. define power as work done per unit time
    6. solve problems using $P = W/t$
    7. derive $P = Fv$ and use it to solve problems
    ไทย
    1. เข้าใจแนวคิดเรื่อง งาน และจำและใช้ $\text{work done} = \text{force} \times \text{displacement in the direction of the force}$
    2. จำและใช้หลักการ การอนุรักษ์พลังงาน
    3. จำและเข้าใจว่า ประสิทธิภาพ ของระบบคืออัตราส่วนระหว่างพลังงานที่มีประโยชน์ที่ระบบผลิตออกมาต่อพลังงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าไป
    4. ใช้แนวคิดเรื่องประสิทธิภาพเพื่อแก้ปัญหา
    5. นิยาม กำลัง ว่าคืองานที่ทำต่อหน่วยเวลา
    6. แก้ปัญหาโดยใช้ $P = W/t$
    7. สกัด $P = Fv$ และใช้เพื่อแก้ปัญหา

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Work done by a force

    Work 功 is done when a force moves its point of contact along the line of the force. For the one-mark definition write: work done is the product of the force and the distance moved in the direction of the force. The work done by a constant force $F$ that causes a displacement 位移 $s$ is

    $$W = F \cdot s \cdot \cos\theta,$$

    where $\theta$ is the angle between the force and the displacement. Only the component 分量 of the force along the displacement does work.

    Worked example. A child pulls a sledge $5.0\ \text{m}$ across the snow with a rope, using a force of $20\ \text{N}$ at $60°$ to the ground. Find the work done by the rope.

    $$W = Fs\cos\theta = 20 \times 5.0 \times \cos 60° = 20 \times 5.0 \times 0.50 = 50\ \text{J}.$$

    Unit: $\text{J} = \text{N m}$. Work is a scalar 标量.

    Special cases:

    • force in the same direction as the motion ($\theta = 0$): $W = Fs$, positive work, energy 能量 given to the object.
    • force at right angles to the motion ($\theta = 90°$): $W = 0$. The normal contact force 支持力 on a car on a flat road does no work.
    • force opposite to the motion ($\theta = 180°$): $W = -Fs$, negative work, energy taken from the object (for example friction 摩擦力).

    For an object moving up a slope at angle $\alpha$ to the horizontal 水平, the work done against gravity in rising a height $h$ is $mgh$, while the work done by a horizontal push over the slope length $L$ uses $\cos\alpha$.

    Two multiple-choice tests of the definition: no work is done on an object that slides at constant velocity along a frictionless surface (no force along the motion), or on one that is simply held still (no distance moved); work is done when a force lifts it. And when a box is pushed at constant velocity across a rough floor, the work done by the push is $F \times d$ for the whole distance, however the path is split into stages.

    Worked example. A block of mass $4.9\ \text{kg}$ is pushed at constant velocity up a rough slope of length $8.0\ \text{m}$ that rises $1.5\ \text{m}$, by a force of $12\ \text{N}$ acting along the slope. Find the work done against friction.

    Constant velocity means no change in kinetic energy, so the work done by the push is shared between the gain in gravitational potential energy and the work done against friction. Work by the push: $12 \times 8.0 = 96\ \text{J}$. Gain in GPE, using the vertical rise: $4.9 \times 9.81 \times 1.5 = 72\ \text{J}$. So the work done against friction is $96 - 72 = 24\ \text{J}$, and the friction force is $24 / 8.0 = 3.0\ \text{N}$. Using the slope length in $mgh$ is the commonest error on this question.

    Conservation of energy

    Energy is never made or destroyed — it only changes from one form to another, or moves from one object to another. In a closed system 封闭系统, the total energy stays constant. This is conservation of energy 能量守恒, stated for the marks as: energy cannot be created or destroyed; it can only be transferred from one form to another (so the total energy of a closed system is constant).

    When you write an energy equation, list every form the energy starts as and ends as. Common forms in this syllabus: kinetic, gravitational potential, elastic potential energy 弹性势能, electrical 电能, thermal, sound, chemical energy 化学能.

    A ball rolling down a frictionless 无摩擦 ramp 斜坡 turns gravitational potential energy 重力势能 into kinetic energy 动能: $mgh = \tfrac{1}{2} m v^{2}$, so $v = \sqrt{2gh}$. With friction, some of this energy becomes thermal energy 热能 of the ramp and the air.

    Worked example. A ball is released from rest at the top of a smooth ramp $1.2\ \text{m}$ high. Find its speed at the bottom (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    All the gravitational potential energy becomes kinetic energy, so $v = \sqrt{2gh}$ (the mass cancels):

    $$v = \sqrt{2 \times 9.81 \times 1.2} \approx 4.9\ \text{m s}^{-1}.$$

    The same idea reads a graph. For a ball falling from height $H$ with air resistance negligible, the GPE falls in a straight line with height ($mgh$), the KE rises in a straight line ($mg(H - h)$), and the two add to the constant $mgH$ at every height.

    The energy chain can pass through a spring. A block that hits a spring with kinetic energy $110\ \text{J}$ while sliding a little downhill, so that its GPE falls by a further $20\ \text{J}$ before the spring stops it, stores $110 + 20 = 130\ \text{J}$ of elastic potential energy at the greatest compression, if nothing is lost to friction. The spring's force–compression graph then gives the compression: the energy stored is the area under the line, $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$ for a spring that obeys Hooke's law (topic 6), so a maximum force of $2600\ \text{N}$ means $x_{0} = 2 \times 130 / 2600 = 0.10\ \text{m}$. At that instant the resultant force on the block is the spring force minus the component of the weight down the slope, and its acceleration follows from $F = ma$ (topic 3).

    Efficiency

    The efficiency 效率 of a system is

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%.$$

    The same idea with power:

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%.$$

    Efficiency is always less than 100% in a real system, because some input energy becomes "useless" forms — usually thermal energy. If a total energy $E$ is supplied and an amount $Q$ is wasted, the useful output is $E - Q$ and the efficiency is $(E - Q) / E$; a motor rated at $1.7\ \text{kW}$ input with efficiency $53\%$ delivers $0.53 \times 1.7 = 0.90\ \text{kW}$ of useful output.

    For an electric motor lifting a load with efficiency $\eta$ at voltage 电压 $V$ and current 电流 $I$, the useful output power is $\eta V I$. From this you can find a force, a lifting speed, or a tension 张力.

    Worked example. An electric motor lifts a $50\ \text{kg}$ load at a steady $0.40\ \text{m s}^{-1}$ while drawing $250\ \text{W}$ of electrical power. Find its efficiency (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    The useful output power is $P = mgv = 50 \times 9.81 \times 0.40 = 196\ \text{W}$, so

    $$\text{efficiency} = \frac{196}{250} \times 100\% \approx 78\%.$$

    Worked example. A motor raises a block with a force of $240\ \text{N}$ through a vertical distance of $12\ \text{m}$ in $60\ \text{s}$. The input power to the motor is $900\ \text{W}$. Find the useful output power and the efficiency.

    Work done on the block: $W = Fd = 240 \times 12 = 2880\ \text{J}$. Useful output power: $P = W / t = 2880 / 60 = 48\ \text{W}$. Efficiency: $48 / 900 \times 100\% = 5.3\%$. Most of the input goes into thermal energy in the motor and its cable. Turned round, a lift motor of useful output $20\ \text{kW}$ raising $1500\ \text{kg}$ through $20\ \text{m}$ takes $t = mgh / P = 1500 \times 9.81 \times 20 / 20\,000 = 15\ \text{s}$.

    ไทย
    กังหันลมเรียงกัน
    กังหันลมถ่ายโอนพลังงานจลน์ของลมให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

    งานที่ทำโดยแรง

    งาน เกิดขึ้นเมื่อแรงเคลื่อนที่จุดกระทำของมันไปตามแนวของแรง สำหรับนิยามแบบ 1 คะแนน ให้เขียนว่า: งานคือผลคูณของแรงและระยะทางที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรง งานที่ทำโดยแรงคงที่ $F$ ที่ทำให้เกิด การกระจัด $s$ คือ

    $$W = F \cdot s \cdot \cos\theta,$$

    โดยที่ $\theta$ เป็นมุมระหว่างแรงและการกระจัด มีเพียง องค์ประกอบ ของแรงในแนวการกระจัดเท่านั้นที่ทำงานได้

    บล็อคบนพื้นผิวถูกดึงด้วยแรง F ในมุม theta เทียบกับการกระจัดแนวนอน s; F ถูกแยกเป็นองค์ประกอบ F cos theta ตามแนว s และองค์ประกอบตั้งฉาก F sin theta โดยที่เฉพาะ F cos theta เท่านั้นที่ทำงานได้
    มีเพียงองค์ประกอบของแรงในแนวการกระจัด ($F\cos\theta$) เท่านั้นที่ทำงานได้

    ตัวอย่างวิธีทำ เด็กคนหนึ่งดึงสเลด $5.0\ \text{m}$ ผ่านหิมะด้วยเชือก โดยใช้แรง $20\ \text{N}$ ในมุม $60°$ เทียบกับพื้นดิน จงหางานที่ทำโดยเชือก

    $$W = Fs\cos\theta = 20 \times 5.0 \times \cos 60° = 20 \times 5.0 \times 0.50 = 50\ \text{J}.$$

    หน่วย: $\text{J} = \text{N m}$. งานเป็น สเกลาร์

    กรณีพิเศษ:

    • แรงอยู่ในทิศทางเดียวกับMotion ($\theta = 0$): $W = Fs$, งานเป็นบวก, พลังงาน ถูกส่งเข้าหาวัตถุ
    • แรงตั้งฉากกับMotion ($\theta = 90°$): $W = 0$. แรงปฏิกิริยา ต่อรถบนถนนราบไม่ทำงาน
    • แรงตรงข้ามกับMotion ($\theta = 180°$): $W = -Fs$, งานเป็นลบ, พลังงานถูกดึง ออกจาก วัตถุ (เช่น แรงเสียดทาน)
    Two diagrams: top, the force F points along the displacement s, giving positive work W = +Fs and energy to the object; bottom, the force F points opposite to the displacement s, giving negative work W = -Fs and taking energy from the object
    งานบวก ($W = +Fs$): แรงตาม Motion (ด้านบน). งานลบ ($W = -Fs$): แรงตรงข้ามกับMotion เช่น แรงเสียดทาน (ด้านล่าง)

    สำหรับวัตถุเคลื่อนที่ขึ้นทางลาดชันในมุม $\alpha$ เทียบกับ แนวนอน, งานที่ทำต้านแรงโน้มถ่วงในการยกสูง $h$ คือ $mgh$, ในขณะที่งานที่ทำโดยแรงดันแนวนอนตลอดความยาวทางลาด $L$ ใช้ $\cos\alpha$

    ข้อสอบปรนัย 2 ข้อเกี่ยวกับนิยาม: ไม่มีงานที่ทำต่อวัตถุที่ลื่นไถลด้วยความเร็วคงที่ตามพื้นผิวไร้แรงเสียดทาน (ไม่มีแรงตาม Motion), หรือวัตถุที่ถูกถือไว้เฉยๆ (ไม่มีการเคลื่อนที่); จะเกิดงานเมื่อมีแรงยกมันขึ้น และเมื่อผลักกล่องด้วยความเร็วคงที่บนพื้นหยาบ, งานที่ทำโดยการผลักจะเป็น $F \times d$ ตลอดทั้งระยะทาง ไม่ว่าเส้นทางจะถูกแบ่งเป็นขั้นตอนอย่างไรก็ตาม

    ตัวอย่างวิธีทำ บล็อคมวล $4.9\ \text{kg}$ ถูกผลักด้วยความเร็วคงที่ขึ้นทางลาดชันหยาบ ความยาว $8.0\ \text{m}$ สูงขึ้น $1.5\ \text{m}$, ด้วยแรง $12\ \text{N}$ ทำตามแนวทางลาด จงหางานที่ทำต้านแรงเสียดทาน

    A box on a slope inclined at angle theta, pushed up the slope at constant velocity by a force P along the slope, with friction f acting down the slope and the weight acting vertically; the slope length L and the vertical rise h are marked
    กล่องถูกผลักขึ้นทางลาดชันหยาบด้วยความเร็วคงที่: งาน所做的由推力完成用于支付GPE的增加, ซึ่งต้องใช้เพียงการยกสูงในแนวตั้ง $h$, และสำหรับงานต้านแรงเสียดทานตลอดความยาวทั้งหมด $L$

    ความเร็วคงที่หมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ ดังนั้นงาน所做的由推力完成的จะแบ่งปันกันระหว่างการเพิ่มขึ้นของพลังงานศักย์โน้มถ่วงและงาน所做的抵抗摩擦力。推力做功: $12 \times 8.0 = 96\ \text{J}$。GPE的增加,使用垂直上升高度: $4.9 \times 9.81 \times 1.5 = 72\ \text{J}$。因此,克服摩擦力做的功是 $96 - 72 = 24\ \text{J}$,摩擦力是 $24 / 8.0 = 3.0\ \text{N}$。在$mgh$中使用斜面长度是这道题最常见的错误。

    การอนุรักษ์พลังงาน

    พลังงาน ไม่เคยถูกสร้างหรือทำลาย — มันเพียงเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกแบบหนึ่ง, หรือเคลื่อนย้ายจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ใน ระบบปิด, พลังงานรวมจะคงที่ นี่คือ การอนุรักษ์พลังงาน,表述为分数: พลังงานไม่สามารถถูกสร้างหรือทำลายได้; มันสามารถถ่ายโอนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกแบบหนึ่ง (ดังนั้นพลังงานรวมของระบบปิดจึงคงที่)

    เมื่อคุณเขียนสมการพลังงาน,列出every形式能量开始和结束。这个教学大纲中的常见形式:动能、重力势能、弹性势能、电能、热能、声能、化学能。

    ลูกบอลกลิ้งลง ทางลาดชันไร้แรงเสียดทาน เปลี่ยน พลังงานศักย์โน้มถ่วง เป็น พลังงานจลน์: $mgh = \tfrac{1}{2} m v^{2}$, ดังนั้น $v = \sqrt{2gh}$。有摩擦力时,部分能量变成斜面和空气的热能。

    Three energy bars for a ball descending a frictionless ramp: at the top all the energy is GPE, at the middle it is half GPE and half KE, at the bottom it is all KE — the total height stays the same
    在无摩擦斜坡上,GPE转化为KE,同时总能量保持恒定

    ตัวอย่างวิธีทำ ลูกบอลปล่อยจากหยุดนิ่งที่ด้านบนของทางลาดเรียบสูง $1.2\ \text{m}$ จงหาความเร็วที่ด้านล่าง (ใช้ $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$)

    พลังงานศักย์โน้มถ่วงทั้งหมดกลายเป็นพลังงานจลน์, ดังนั้น $v = \sqrt{2gh}$ (มวลตัดกัน):

    $$v = \sqrt{2 \times 9.81 \times 1.2} \approx 4.9\ \text{m s}^{-1}.$$

    แนวคิดเดียวกันนี้สามารถอ่านกราฟได้ สำหรับลูกบอลตกจากความสูง $H$ ที่มีความต้านทานอากาศน้อยมาก, GPE ลดลงในเส้นตรงตามความสูง ($mgh$), KE เพิ่มขึ้นในเส้นตรง ($mg(H - h)$), และทั้งสองรวมกันเป็นค่าคงที่ $mgH$ ที่ทุกความสูง

    A graph of energy against height above the ground for a falling ball: the GPE line rises in proportion to height, the KE line falls in proportion to height, and a dashed total line stays level at mgH
    ลูกบอลที่กำลังตก: GPE และ KE เปลี่ยนแปลงเป็นเส้นตรงตามความสูง, และผลรวมของพวกมันคงที่

    ห่วงโซ่พลังงานสามารถผ่านสปริงได้ บล็อกที่ชนสปริงด้วยพลังงานจลน์ $110\ \text{J}$ ขณะไถลลงทางลาดเล็กน้อย ทำให้พลังงานศักย์โน้มถ่วงลดลงเพิ่มอีก $20\ \text{J}$ ก่อนที่สปริงจะหยุดมัน จะเก็บพลังงานศักย์ยืดหยุ่นไว้ $110 + 20 = 130\ \text{J}$ ที่จุดอัดตัวสูงสุด หากไม่มีการสูญเสียต่อแรงเสียดทาน กราฟแรง–การอัดตัวของสปริงจะบอกค่าการอัดตัว: พลังงานที่เก็บคือ พื้นที่ใต้เส้นกราฟ, $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$ สำหรับสปริงที่เป็นไปตามกฎของฮุค (หัวข้อ 6) ดังนั้นแรงสูงสุดที่ $2600\ \text{N}$ แสดงถึง $x_{0} = 2 \times 130 / 2600 = 0.10\ \text{m}$. ในวินาทีนั้น แรงลัพธ์ที่กระทำต่อบล็อกคือแรงสปริงลบด้วยองค์ประกอบของน้ำหนักตามแนวลาด และความเร่งหาได้จาก $F = ma$ (หัวข้อ 3).

    กราฟแรง–การอัดตัวของสปริง เป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิดมีความชัน k; พื้นที่ใต้เส้นกราฟจนถึงการอัดตัว x0 ถูกทาสีและระบุว่าเป็นครึ่งหนึ่งของ F0 x0 ซึ่งเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นที่เก็บไว้
    พลังงานที่เก็บไว้ในสปริงคือพื้นที่ใต้กราฟแรง–การอัดตัวของมัน: $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$ ซึ่งเท่ากับ $\tfrac{1}{2} k x_{0}^{2}$

    ประสิทธิภาพ

    ประสิทธิภาพ ของระบบคือ

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%.$$

    แนวคิดเดียวกันนี้ใช้กับกำลัง:

    $$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%.$$

    ประสิทธิภาพในระบบจริงจะน้อยกว่า 100% เสมอ เนื่องจากพลังงานเข้าบางส่วนกลายเป็นรูป "ไร้ประโยชน์" — มักเป็นพลังงานความร้อน หากมีพลังงานรวม $E$ ถูกจ่ายเข้ามา และมี $Q$ ถูกสิ้นเปลือง ผลลัพธ์ที่มีประโยชน์จะเป็น $E - Q$ และประสิทธิภาพจะอยู่ที่ $(E - Q) / E$; มอเตอร์ที่กำหนดให้รับกำลังเข้า $1.7\ \text{kW}$ ที่มีประสิทธิภาพ $53\%$ จะให้ผลลัพธ์ที่มีประโยชน์ออกมา $0.53 \times 1.7 = 0.90\ \text{kW}$.

    จากพลังงานเข้าทั้งหมดลูกศรหนาแสดงผลลัพธ์ที่มี_useful output_ และลูกศรบางแสดงพลังงานที่สูญเปล่าเป็นความร้อน; ประสิทธิภาพคือผลลัพธ์ที่มีประโยชน์หารด้วยพลังงานเข้ารวม
    ประสิทธิภาพ: มีเพียงส่วนหนึ่งของพลังงานเข้าที่กลายเป็นผลลัพธ์ที่มีประโยชน์ ส่วนที่เหลือถูกสิ้นเปลือง โดยมักเป็นความร้อน

    สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ายกโหลดที่มีประสิทธิภาพ $\eta$ ที่ แรงดันไฟฟ้า $V$ และ กระแสไฟฟ้า $I$ กำลังออกที่มีประโยชน์คือ $\eta V I$. จากนี้คุณสามารถหาแรง ความเร็วในการยก หรือ แรงตึง ได้

    ตัวอย่างวิธีทำ. มอเตอร์ไฟฟ้ายกโหลด $50\ \text{kg}$ ด้วยความเร็วคงที่ $0.40\ \text{m s}^{-1}$ โดยใช้กำลังไฟฟ้า $250\ \text{W}$. จงหาประสิทธิภาพ (ใช้ $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    กำลังออกที่มีประโยชน์คือ $P = mgv = 50 \times 9.81 \times 0.40 = 196\ \text{W}$ ดังนั้น

    $$\text{efficiency} = \frac{196}{250} \times 100\% \approx 78\%.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. มอเตอร์ยกบล็อกด้วยแรง $240\ \text{N}$ ขึ้นสูงเป็นระยะตั้งฉาก $12\ \text{m}$ ภายในเวลา $60\ \text{s}$. กำลังเข้าสู่มอเตอร์คือ $900\ \text{W}$. จงหากำลังออกที่มีประโยชน์และประสิทธิภาพ.

    งานที่ทำต่อบล็อก: $W = Fd = 240 \times 12 = 2880\ \text{J}$. กำลังออกที่มีประโยชน์: $P = W / t = 2880 / 60 = 48\ \text{W}$. ประสิทธิภาพ: $48 / 900 \times 100\% = 5.3\%$. ส่วนใหญ่ของกำลังเข้าเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนในมอเตอร์และสายเคเบิล. กลับด้านกัน มอเตอร์ลิฟต์ที่มีกำลังออก有用 output $20\ \text{kW}$ ยก $1500\ \text{kg}$ สูงขึ้น $20\ \text{m}$ ใช้เวลา $t = mgh / P = 1500 \times 9.81 \times 20 / 20\,000 = 15\ \text{s}$.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Energy flow & efficiency

    The input energy divides into useful work and wasted energy; efficiency = useful ÷ input, and useful + wasted always equals the input. · ⁨พลังงานที่ป้อนเข้าถูกแบ่งออกเป็นงานที่มีประโยชน์และพลังงานที่สูญเสีย; ประสิทธิภาพ = มีประโยชน์ ÷ ป้อนเข้า, และผลรวมของงานที่มีประโยชน์และพลังงานที่สูญเสียจะเท่ากับพลังงานที่ป้อนเข้าเสมอ⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Work, energy & power

    PE + KE = constant · ⁨PE + KE = ค่าคงที่⁩

    Work transfers energy; as it falls, PE becomes KE with the total fixed. · ⁨งานถ่ายโอน พลังงาน; เมื่อตก下来 PE จะเปลี่ยนเป็น KE โดยค่าคงที่⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    work/wɜːk/ งาน
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    electrical/ɪˈlektrɪkl/ ไฟฟ้า
    electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ พลังงานไฟฟ้า
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัด
    component/kəmˈpəʊnənt/ องค์ประกอบ
    horizontal/ˌhɒrɪˈzɒntl/ เป็นแนวนอน
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    normal contact force/ˈnɔːml ˈkɒntækt fɔːs/ แรงสัมผัสปกติ
    friction/ˈfrɪkʃn/ แรงเสียดทาน
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    frictionless/ˈfrɪkʃənləs/ ไร้แรงเสียดทาน
    mass/mæs/ มวล
    weight/weɪt/ น้ำหนัก
    gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์โน้มถ่วง
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
    closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ ระบบปิด
    elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น
    chemical energy/ˈkemɪkl ˈenədʒi/ 化学能
    ramp/ræmp/ รางลื่น
    thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能
    spring/sprɪŋ/ สปริง
    compression/kəmˈpreʃn/ การอัดตัว
    efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ ประสิทธิภาพ
    voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ แรงดันไฟฟ้า
    current/ˈkʌrənt/ 电流的属性
    tension/ˈtenʃn/ แรงตึง
    drag/dræɡ/ แรงต้านทานการเคลื่อนที่
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่ของสปริง
    projectile/prəˈdʒektaɪl/ วัตถุถูกยิง
    bungee jumper/ˈbʌndʒiː ˈdʒʌmpə/ นักกระโดดบันจี้
    5.1

    Power · ⁨กำลัง⁩

    English

    Power 功率 is the rate of doing work, or the rate of transferring energy:

    $$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{\Delta t}.$$

    Unit: $\text{W} = \text{J s}^{-1}$. Power is a scalar.

    Power, force and velocity

    For an object moving at velocity 速度 $v$ with a force $F$ along the direction of motion, in a short time $\Delta t$ the displacement is $v\,\Delta t$ and the work done is $F v\,\Delta t$. Dividing by $\Delta t$:

    $$P = F v.$$

    This is one of the most useful results in mechanics. A "derive $P = Fv$" answer needs exactly those three lines: $P = W / t$, $W = Fs$ for a force along the motion, and $s / t = v$; then use it to solve problems in which a vehicle or a load moves at constant speed.

    Worked example. A car travels at a steady $25\ \text{m s}^{-1}$ against a total resistive force of $600\ \text{N}$. Find the output power of its engine.

    At constant speed the driving force equals the resistive force, so

    $$P = Fv = 600 \times 25 = 15\,000\ \text{W} = 15\ \text{kW}.$$
    • For a car at constant velocity $v$ on a flat road, the engine power must balance the total resistive force: $P = F_{\text{resist}} \cdot v$. If the drag 阻力 grows with $v^{2}$, doubling the speed roughly quadruples the power needed.
    • For lifting a weight 重力 $mg$ straight up at constant speed $v$, the useful output power is $P = mg \cdot v$.
    • For an aircraft hovering at a fixed height, the lift force equals the weight, and a large power is needed because air must be pushed downwards all the time.
    • A crane raising $600\ \text{kg}$ at a steady $12\ \text{m}$ per minute lifts at $v = 0.20\ \text{m s}^{-1}$, so its useful output power is $mgv = 600 \times 9.81 \times 0.20 = 1.2\ \text{kW}$. Convert the speed to $\text{m s}^{-1}$ first.
    • A sailboat pushed by a constant wind force at constant velocity must also feel an equal resistive force from the water: constant velocity means zero resultant force, so the wind's power $Fv$ is all going into work against the water.
    ไทย

    กำลัง คืออัตราการทำงาน หรืออัตราการถ่ายโอนพลังงาน:

    กำลังคืองานต่อวินาที: งานเท่ากันแต่ใช้เวลาสั้นกว่าแปลว่ากำลังมากกว่า
    การทำงานเท่าเดิมแต่ใช้เวลาสั้นกว่า หมายความว่ากำลังสูงกว่า
    $$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{\Delta t}.$$

    หน่วย: $\text{W} = \text{J s}^{-1}$. กำลังเป็นสเกลาร์

    กำลัง, แรง และความเร็ว

    สำหรับวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว ความเร็ว $v$ ภายใต้แรง $F$ ตามทิศทางของการเคลื่อนที่ ในช่วงเวลาสั้น ๆ $\Delta t$ การกระจัดคือ $v\,\Delta t$ และงานที่ทำคือ $F v\,\Delta t$. หารด้วย $\Delta t$:

    $$P = F v.$$

    นี่เป็นหนึ่งในผลลัพธ์ที่มีประโยชน์ที่สุดในกลศาสตร์ คำตอบแบบ " derivation $P = Fv$" ต้องมีสามบรรทัดนี้เท่านั้น: $P = W / t$, $W = Fs$ สำหรับแรงตามทิศทางการเคลื่อนที่, และ $s / t = v$; จากนั้นนำไปใช้แก้ปัญหาที่ยานพาหนะหรือโหลดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

    ตัวอย่างวิธีทำ. รถยนต์วิ่งด้วยความเร็วคงที่ $25\ \text{m s}^{-1}$ ต้านทานแรงต้านรวม $600\ \text{N}$. จงหากำลังออกของเครื่องยนต์

    เมื่อความเร็วคงที่ แรงขับเคลื่อนจะเท่ากับแรงต้านทาน ดังนั้น

    $$P = Fv = 600 \times 25 = 15\,000\ \text{W} = 15\ \text{kW}.$$
    • สำหรับรถยนต์ที่มีความเร็วคงที่ $v$ บนถนนราบ แรงแม่เหล็กต้องสมดุลกับแรงต้านทานรวม: $P = F_{\text{resist}} \cdot v$. ถ้า แรงต้านอากาศ เพิ่มขึ้นตาม $v^{2}$, การเพิ่มความเร็วเป็นสองเท่าจะทำให้กำลังที่ต้องการเพิ่มขึ้นประมาณ สี่เท่า
    • สำหรับการยก น้ำหนัก $mg$ ขึ้นตรงๆ ด้วยความเร็วคงที่ $v$, กำลังออกที่มีประโยชน์คือ $P = mg \cdot v$.
    • สำหรับเครื่องบินลอยนิ่งอยู่ในระดับความสูงคงที่ แรงยกจะเท่ากับน้ำหนัก และต้องใช้กำลังมากเพราะต้องผลักอากาศลงตลอดเวลา
    • เกรน crane ยก $600\ \text{kg}$ ด้วยความเร็วคงที่ $12\ \text{m}$ ต่อนาที ยกขึ้นที่ $v = 0.20\ \text{m s}^{-1}$, ดังนั้นกำลังออกที่มีประโยชน์คือ $mgv = 600 \times 9.81 \times 0.20 = 1.2\ \text{kW}$. แปลงความเร็วเป็น $\text{m s}^{-1}$ ก่อน
    • เรือใบที่ถูกพัดด้วยแรงลมคงที่ด้วยความเร็วคงที่ จะต้องได้รับแรงต้านทานจากน้ำเท่ากันด้วย: ความเร็วคงที่หมายถึงแรงลัพธ์เป็นศูนย์ ดังนั้นกำลังของลม $Fv$ จึงถูกใช้ไปกับการทำงานต้านทานน้ำทั้งหมด

    เขื่อนผลิตไฟฟ้าพลังน้ำและสถานีไฟฟ้าย่อย น้ำถูกกักเก็บไว้สูงอยู่หลังกำแพง *สถานีไฟฟ้าพลังน้ำกำหนดกำลังเป็นเมกะวัตต์: พลังงานของน้ำที่กักเก็บ หารด้วยเวลาที่ปล่อยน้ำออก

    5.2

    Gravitational potential energy · ⁨พลังงานศักย์โน้มถ่วง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. derive, using $W = Fs$, the formula $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ for gravitational potential energy changes in a uniform gravitational field
    2. recall and use the formula $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ for gravitational potential energy changes in a uniform gravitational field
    3. derive, using the equations of motion, the formula for kinetic energy $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
    4. recall and use $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
    ไทย
    1. สกัด using $W = Fs$, สูตร $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ สำหรับ การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วง ใน สนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ
    2. จำและใช้สูตร $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ เพื่อคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ
    3. สกัด using equations of motion, สูตรสำหรับ พลังงานจลน์ $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
    4. จำและใช้ $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Energy exchange in a pendulum

    In a uniform gravitational field (close to a planet's surface), the change in gravitational potential energy of mass 质量 $m$ rising or falling through a height $\Delta h$ is

    $$\Delta E_{\text{P}} = m g \Delta h.$$

    Where it comes from

    The work done against gravity to raise a mass $m$ slowly (no change in kinetic energy) through height $\Delta h$ equals the gravitational potential energy gained:

    • the gravitational force on the mass is $mg$ downwards,
    • the force needed to lift it slowly is $mg$ upwards,
    • the work done by this force is $W = F \cdot s = mg \cdot \Delta h$,
    • this work becomes $\Delta E_{\text{P}}$.

    So $\Delta E_{\text{P}} = mg \Delta h$. To use it you need $m$ and $\Delta h$ (and $g$). You do not need speed or time. The two-mark derivation wants the same four lines, with the condition stated: the block is raised at constant speed, so the lifting force equals the weight $mg$, and the work done by that force over the vertical distance $\Delta h$ is $mg\Delta h$, which is the gain in gravitational potential energy. A $100\ \text{g}$ object falling $10\ \text{m}$ loses $0.100 \times 9.81 \times 10 = 9.8\ \text{J}$, about $10\ \text{J}$; the mass must be in kilograms.

    ไทย

    *การแลกเปลี่ยนพลังงานในลูกตุ้ม

    ในสนามโน้มถ่วง สม่ำเสมอ (ใกล้พื้นผิวดาวเคราะห์), การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงของ มวล $m$ ที่ยกขึ้นหรือตก下来 through a height $\Delta h$ คือ

    $$\Delta E_{\text{P}} = m g \Delta h.$$

    ที่มาของพลังงานนี้

    งานที่ทำ ต่อต้าน แรงโน้มถ่วงเพื่อยกมวล $m$ ขึ้นช้าๆ (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์) ผ่านความสูง $\Delta h$ เท่ากับพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่ได้รับ:

    • แรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลคือ $mg$ ลงด้านล่าง,
    • แรงที่ต้องใช้ในการยกมันอย่างช้าๆ คือ $mg$ ขึ้นด้านบน,
    • งานที่ทำโดยแรงนี้คือ $W = F \cdot s = mg \cdot \Delta h$,
    • งานนี้จะกลายเป็น $\Delta E_{\text{P}}$.

    ดังนั้น $\Delta E_{\text{P}} = mg \Delta h$. ในการใช้สูตรนี้ คุณต้องรู้ $m$ และ $\Delta h$ (และ $g$). คุณไม่จำเป็นต้องทราบความเร็วหรือเวลา การหาผล derivation ที่ 2 คะแนน ต้องการบรรทัดทั้งสี่同上相同的,พร้อมระบุเงื่อนไข: บล็อกถูกยกขึ้น ด้วยความเร็วคงที่ ดังนั้นแรงยกจึงเท่ากับน้ำหนัก $mg$, และงานที่ทำโดยแรงนั้นบนระยะทางแนวตั้ง $\Delta h$ คือ $mg\Delta h$, ซึ่งคือพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่ได้เพิ่มขึ้นมา. วัตถุ $100\ \text{g}$ ที่ตกจากสูง $10\ \text{m}$ จะสูญเสีย $0.100 \times 9.81 \times 10 = 9.8\ \text{J}$, ประมาณ $10\ \text{J}$; มวลต้องอยู่ในหน่วยกิโลกรัม.

    เส้นทางชันและเส้นทางคดเคี้ยวแบบ gentle zig-zag ทั้งสองขึ้นสู่ความสูง h เดียวกัน; พลังงานศักย์โน้มถ่วงเพิ่มขึ้นเป็น mgh ในทั้งสองกรณี เพราะมีเพียงความสูงที่สำคัญ
    พลังงานศักย์โน้มถ่วงขึ้นอยู่กับความสูงที่ยกขึ้นไปเท่านั้น ไม่ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ใช้
    ขบวนรถเท่ลกรอว์ถูกดึงขึ้นเนินยกที่ชันด้วยโซ่
    ขบวนรถเท่ลกรอว์ที่ถูกดึงขึ้นเนินยก: งานที่ทำต้านแรงโน้มถ่วงจะถูกเก็บไว้เป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง
    5.2

    Kinetic energy · ⁨พลังงานจลน์⁩

    English

    The kinetic energy of an object of mass $m$ moving at speed $v$ is

    $$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$

    Where it comes from

    Apply a resultant force $F$ to a mass $m$ that starts at rest. It speeds up evenly from $0$ to $v$ over a displacement $s$. From $v^{2} = u^{2} + 2as$ with $u = 0$,

    $$s = \frac{v^{2}}{2a}.$$

    The work done on the mass is

    $$W = F \cdot s = m a \cdot \frac{v^{2}}{2a} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$

    All this work becomes kinetic energy, so $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$. In the exam, state the assumptions as you go: the object starts from rest, the force is constant, so the acceleration is uniform, and $F = ma$ is Newton's second law.

    Because $E_{\text{K}} \propto v^{2}$, quadrupling the speed multiplies the kinetic energy by sixteen: an object with $1500\ \text{J}$ at $10\ \text{m s}^{-1}$ has $24\,000\ \text{J}$ at $40\ \text{m s}^{-1}$. The same square is why a stopping force is found from energy: a ball of mass $1.2\ \text{kg}$ moving at $3.0\ \text{m s}^{-1}$ that is stopped by a cushion over $0.020\ \text{m}$ loses $\tfrac{1}{2} \times 1.2 \times 3.0^{2} = 5.4\ \text{J}$, so the average force on it is $5.4 / 0.020 = 270\ \text{N}$: the work done by the cushion equals the kinetic energy lost.

    Kinetic energy and momentum

    Combining $p = mv$ and $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$:

    $$E_{\text{K}} = \frac{p^{2}}{2m}.$$

    This is handy when the momentum 动量 is given but not the velocity. For a momentum change from $p_{1}$ to $p_{2}$ at constant mass, the change in kinetic energy is $(p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) / (2m)$.

    ไทย

    พลังงานจลน์ของวัตถุที่มีมวล $m$ เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $v$ คือ

    $$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$

    ที่มาของพลังงานนี้

    ใช้แรงลัพธ์ $F$ กับมวล $m$ ที่เริ่มจากหยุดนิ่ง มันเร่งความเร็วอย่างสม่ำเสมอจาก $0$ ถึง $v$ บนการกระจัด $s$. จาก $v^{2} = u^{2} + 2as$ ด้วย $u = 0$,

    $$s = \frac{v^{2}}{2a}.$$

    งานที่ทำต่อมวลนี้คือ

    $$W = F \cdot s = m a \cdot \frac{v^{2}}{2a} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$

    งานทั้งหมดนี้เปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ดังนั้น $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$. ในการสอบ ให้ระบุสมมติฐานขณะทำข้อสอบ: วัตถุเริ่มต้นจากหยุดนิ่ง, แรงมีค่าคงที่, ดังนั้นความเร่งจึงสม่ำเสมอ, และ $F = ma$ คือกฎข้อที่สองของนิวตัน.

    เนื่องจาก $E_{\text{K}} \propto v^{2}$, การเพิ่มความเร็วเป็นสี่เท่าจะทำให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้นสิบหกเท่า: วัตถุที่มี $1500\ \text{J}$ ที่ $10\ \text{m s}^{-1}$ จะมี $24\,000\ \text{J}$ ที่ $40\ \text{m s}^{-1}$. สี่เหลี่ยมจัตุรัสเดียวกันนี้คือเหตุผลว่าทำไมแรงเบรกจึงหาได้จากพลังงาน: ลูกบอลมวล $1.2\ \text{kg}$ เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $3.0\ \text{m s}^{-1}$ และถูกหยุดโดยเบาะรองรับภายในระยะ $0.020\ \text{m}$ จะสูญเสีย $\tfrac{1}{2} \times 1.2 \times 3.0^{2} = 5.4\ \text{J}$, ดังนั้นแรงเฉลี่ยที่กระทำต่อมันคือ $5.4 / 0.020 = 270\ \text{N}$: งานที่ทำโดยเบาะรองรับเท่ากับพลังงานจลน์ที่สูญเสียไป.

    พลังงานจลน์และโมเมนตัม

    รวม $p = mv$ และ $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$:

    $$E_{\text{K}} = \frac{p^{2}}{2m}.$$

    สิ่งนี้มีประโยชน์เมื่อให้ โมเมนตัม มาแต่ไม่ให้ความเร็ว สำหรับการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมจาก $p_{1}$ เป็น $p_{2}$ ที่มวลคงที่, การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์คือ $(p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) / (2m)$.

    นักกระโดดค้ำไม้ในช่วงดีดตัว, ค้ำงอเกือบครึ่งอยู่ใต้ตัวเขา
    นักกระโดดค้ำไม้: พลังงานจลน์จากการวิ่งเข้าหาถูกเก็บไว้ในค้ำที่งอ, จากนั้นถูกส่งกลับเป็นความสูง
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Kinetic & potential energy · ⁨พลังงานจลน์ & พลังงานศักย์⁩

    PE + KE = constant · ⁨PE + KE = ค่าคงที่⁩

    Potential energy turns into kinetic energy — the total never changes. · ⁨พลังงานศักย์ เปลี่ยนเป็น พลังงานจลน์ — ค่ารวมไม่เปลี่ยนแปลง.⁩

    5.2

    Using energy methods · ⁨การใช้วิธีพลังงาน⁩

    English

    A useful plan for problems that mix forces and energy:

    1. Find the start and end states. Write the kinetic and potential energies in each.
    2. List any work done by outside forces (friction, a push). Friction usually takes energy out; a push can add it.
    3. Conservation of energy: $E_{\text{start}} + W_{\text{in}} = E_{\text{end}} + W_{\text{lost as heat etc.}}$.

    Examples:

    • A box pushed at constant velocity up a ramp of length $L$ rising by $h$: $E_{\text{K}}$ does not change, so the work done by the push goes into $\Delta E_{\text{P}}$ plus the work done against friction.
    • A block sliding into a spring 弹簧 with kinetic energy $E_{\text{K}}$ on a frictionless surface: at greatest compression 压缩 $x$, all the kinetic energy has become elastic potential energy $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ (where $k$ is the spring constant 劲度系数).
    • A ball dropped from height $h_{1}$ that bounces to height $h_{2}$: the ratio $h_{2}/h_{1}$ is the fraction of mechanical energy kept, $h_{2}/h_{1} = (v_{\text{up}}/v_{\text{down}})^{2}$.
    • A projectile 抛体 thrown to the same height at different angles: the final speed is the same (only the height matters); use components to get its direction.
    • A bungee jumper 蹦极者: from the platform to the point where the cord goes taut, GPE becomes KE; from there the cord stretches and takes energy as elastic potential energy, so the KE reaches its maximum where the cord's pull first equals the weight, then falls to zero at the lowest point, where GPE lost $=$ elastic PE stored (plus any thermal energy).
    ไทย

    แผนที่มีประโยชน์สำหรับปัญหาที่ผสมผสานระหว่างแรงและพลังงาน:

    1. หาสถานะเริ่มต้นและสิ้นสุด. เขียนพลังงานจลน์และศักย์ในแต่ละสถานะ
    2. ระบิงานที่ทำโดยแรงภายนอก (แรงเสียดทาน, แรงผลัก) แรงเสียดทานมักดึงพลังงานออก; แรงผลักสามารถเพิ่มพลังงานได้
    3. อนุรักษ์พลังงาน: $E_{\text{start}} + W_{\text{in}} = E_{\text{end}} + W_{\text{lost as heat etc.}}$.

    ตัวอย่าง:

    • กล่องที่ถูกดันด้วย ความเร็วคงที่ ขึ้นทางลาดยาว $L$ สูงขึ้น $h$: $E_{\text{K}}$ ไม่เปลี่ยนแปลง, ดังนั้นงานที่ทำโดยแรงดันจะเข้าสู่ $\Delta E_{\text{P}}$ plus งานที่ทำต้านแรงเสียดทาน.
    • บล็อกที่ลื่นเข้าไปใน สปริง ด้วยพลังงานจลน์ $E_{\text{K}}$ บนพื้นไร้แรงเสียดทาน: ที่การ อัดสูงสุด $x$, พลังงานจลน์ทั้งหมดกลายเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่น $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ (ที่ $k$ คือ ค่าคงที่ของสปริง).
    • ลูกบอลตกจากความสูง $h_{1}$ แล้วเด้งกลับถึงความสูง $h_{2}$: อัตราส่วน $h_{2}/h_{1}$ คือเศษส่วนของพลังงานกลที่คงเหลือ, $h_{2}/h_{1} = (v_{\text{up}}/v_{\text{down}})^{2}$.
    • โปรเจกไทล์ yang ทิ้งไปที่ความสูงเดียวกันด้วยมุมต่างกัน: ความเร็วสุดท้ายเท่าเดิม (มีเพียงความสูงที่สำคัญ); ใช้องค์ประกอบเพื่อหาทิศทาง
    • นักกระโดดบันจี้: จากแท่นไปยังจุดที่เชือกตึง, GPE เปลี่ยนเป็น KE; จากนั้นเชือกยืดและรับพลังงานเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่น, ดังนั้น KE จะถึงจุดสูงสุดเมื่อแรงดึงของเชือกเท่ากับน้ำหนักเป็นครั้งแรก, แล้วลดลงเป็นศูนย์ที่จุดต่ำสุด, ที่ GPE ที่สูญเสียไป $=$ Elastic PE ถูกเก็บไว้ (บวกกับพลังงานความร้อนใดๆ)
    บล็อกเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว v (พลังงานจลน์ครึ่งหนึ่ง m v สี่เหลี่ยม) ลื่นเข้าไปในสปริง; ที่การอัดสูงสุด x พลังงานทั้งหมดกลายเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นครึ่งหนึ่ง k x สี่เหลี่ยม
    พลังงานจลน์ของบล็อกกลายเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นขณะมันอัดสปริง
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Conservation of energy · ⁨การอนุรักษ์พลังงาน⁩

    Drop the mass and watch GPE turn into KE. With no friction the total energy stays the same — that's the energy method. · ⁨ปล่อยมวลลงดู GPE เปลี่ยนเป็น KE หากไม่มีแรงเสียดทาน พลังงานรวมจะคงที่ — นี่คือวิธีการใช้พลังงาน⁩

    5.2

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    work done by a force the product of the force and the distance moved in the direction of the force
    principle of conservation of energy energy cannot be created or destroyed, only transferred from one form to another, so the total energy of a closed system is constant
    efficiency the ratio of useful energy (or power) output from a system to the total energy (or power) input, usually as a percentage
    power the work done per unit time, or the rate at which energy is transferred
    gravitational potential energy the energy an object has because of its position in a gravitational field
    kinetic energy the energy an object has because of its motion
    elastic potential energy the energy stored in an object that has been stretched or compressed
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    งานที่ทำโดยแรง ผลคูณของแรงและระยะทางที่เคลื่อนที่ในทิศทางของแรง
    หลักการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้, สามารถถ่ายโอนจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกแบบหนึ่งเท่านั้น, ดังนั้นพลังงานรวมของระบบปิดจะมีค่าคงที่
    ประสิทธิภาพ อัตราส่วนของพลังงาน (หรือกำลัง) ที่มีประโยชน์ที่ระบบส่งออกต่อพลังงาน (หรือกำลัง) ทั้งหมดที่ระบบได้รับ, มักจะเป็นเปอร์เซ็นต์
    กำลัง งานที่ทำต่อหน่วยเวลา, หรืออัตราการถ่ายโอนพลังงาน
    พลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานที่วัตถุมีเนื่องจากตำแหน่ง它在สนามโน้มถ่วง
    พลังงานจลน์ พลังงานที่วัตถุมีเนื่องจากเคลื่อนที่
    พลังงานศักย์ยืดหยุ่น พลังงานที่เก็บไว้ในวัตถุที่ผ่านการยืดหรืออัด
    5.2

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Work $=$ force $\times$ distance moved in the direction of the force — use $Fs\cos\theta$ when they are at an angle.
    • Use conservation of energy: loss in GPE $=$ gain in KE ($+$ work done against resistance).
    • Power $=$ work $/$ time $= Fv$; efficiency $=$ useful output $\div$ total input.
    • GPE uses the vertical height gained, not the distance along a slope.

    Common mistakes

    • Giving the change in height as the answer to a change-in-energy question. Finish the calculation: $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$.
    • Using the distance along a slope as the height in $mg\Delta h$, or using mass where weight is needed. Use the vertical height gained, and check whether the quantity wanted is $m$ in kg or $W$ in N.
    • Putting the resistive force into $P = Fv$ for a car that is accelerating. $F$ is the driving force; only at constant speed does it equal the resistive force.
    • Efficiency above 100%, or efficiency as output divided by wasted. It is useful output divided by total input, and the total input is always the larger number.
    • Reading a force–extension graph's gradient when the question wants the energy. Energy stored is the area under the line, not its slope.
    ไทย
    • งาน $=$ แรง $\times$ ระยะทางเคลื่อนที่ในทิศทางของแรง — ใช้ $Fs\cos\theta$ เมื่อ ониเป็นมุม.
    • ใช้ อนุรักษ์พลังงาน: การสูญเสีย GPE $=$ การเพิ่มขึ้น KE ($+$ งานที่ทำต้านแรงต้าน).
    • กำลัง $=$ งาน $/$ เวลา $= Fv$; ประสิทธิภาพ $=$ ผลลัพธ์ที่มีประโยชน์ $\div$ อินพุตรวม.
    • GPE ใช้ ความสูงแนวตั้ง ที่เพิ่มขึ้น, ไม่ใช่ระยะทางตามทางลาด

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การให้ความเปลี่ยนแปลงของความสูงเป็นคำตอบสำหรับคำถามเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน. เสร็จสิ้นการคำนวณ: $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$.
    • การใช้ระยะทางตามแนวลาดเอียงเป็นความสูงใน $mg\Delta h$, หรือการใช้มวลแทนน้ำหนัก เมื่อต้องการใช้แรง ให้ใช้ความสูงในแนวตั้งที่เพิ่มขึ้นจริง และตรวจสอบว่าปริมาณที่ต้องการหาคือ $m$ เป็น kg หรือ $W$ เป็น N
    • การใส่แรงต้านลงใน $P = Fv$ สำหรับรถที่กำลังเร่ง $F$ คือแรงขับเคลื่อน; จะเท่ากับแรงต้านก็ต่อเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เท่านั้น
    • ประสิทธิภาพเกิน 100%, หรือคำนวณประสิทธิภาพด้วยการนำกำลังออกหารด้วยพลังงานสูญเสีย พลังงานที่มีประโยชน์คือกำลังออกหารด้วยกำลังเข้ารวม โดยกำลังเข้ารวมจะมีค่ามากกว่าเสมอ
    • การอ่านความชันของกราฟแรง–การยืดขยาย เมื่อโจทย์ต้องการหาพลังงาน พลังงานสะสมคือพื้นที่ใต้เส้นโค้ง ไม่ใช่ความชันของกราฟ
  • 6

    Deformation of solids · ⁨การเปลี่ยนรูปของวัตถุแข็ง⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    6.1

    Forces that cause deformation

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that deformation is caused by tensile or compressive forces (forces and deformations will be assumed to be in one dimension only)
    2. understand and use the terms load, extension, compression and limit of proportionality
    3. recall and use Hooke's law
    4. recall and use the formula for the spring constant $k = F/x$
    5. define and use the terms stress, strain and the Young modulus
    6. describe an experiment to determine the Young modulus of a metal in the form of a wire
    ไทย
    1. เข้าใจว่า การเปลี่ยนรูป เกิดจาก แรงดึง หรือ แรงอัด (แรงและการเปลี่ยนรูปจะสมมติให้เป็นเพียงมิติเดียว)
    2. เข้าใจและใช้คำว่า โหลด, การยืด, การอัด และ ขีดจำกัดความแปรผัน
    3. จำและใช้ กฎของฮุค
    4. จำและใช้สูตรสำหรับ ค่าคงที่สปริง $k = F/x$
    5. นิยามและใช้คำว่า ความเครียด, ความเครียด และ โมดูลัสของยง
    6. อธิบายการทดลองเพื่อหาค่าโมดูลัสของยงของโลหะในรูปแบบลวด

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Hooke's law & the elastic limit

    When a force acts on a solid along its length, the object changes shape (deformation 形变). Two cases (treated as one-dimensional here):

    • a tensile 拉伸 force stretches the object — it makes an extension 伸长量 $x$,
    • a compressive force squeezes the object — it makes a compression 压缩, treated as a negative extension.

    The applied force is the load 负载. The change from the natural length is the extension (or compression).

    Both are measured from the natural, unstretched length, never from the loaded length: on a diagram of a spring under a box, the distance the spring has shortened is its compression. A spring's own mass is usually said to be negligible 可忽略的, so the only forces on it are the load and the tension it provides.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Hooke's law spring · ⁨สปริงตามกฎของฮุค⁩

    Hang a load on the real spring: up to the elastic limit the extension is proportional to the force; beyond it the spring is stretched for good. · ⁨แขวนน้ำหนักบนสปริงจริง: จนถึงจุดยืดหยุ่น การยืดจะแปรผันตรงกับแรง; เมื่อเกินไป สปริงจะถูกยืดถาวร⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    deformation/ˌdiːfɔːˈmeɪʃn/ การเปลี่ยนรูป
    tensile/ˈtensaɪl/ แรงดึง
    extension/ekˈstenʃn/ 扩张
    compression/kəmˈpreʃn/ การอัดตัว
    load/ləʊd/ น้ำหนัก
    negligible/ˈneɡlɪdʒəbl/ เล็กน้อย / ไม่สำคัญ
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    6.1

    Hooke's law and the spring constant

    A coiled metal spring
    A spring obeys Hooke's law: extension is proportional to the force applied.

    For many materials at small extensions, the extension is proportional to the load — this is Hooke's law 胡克定律. The constant that links them is the spring constant 劲度系数 $k$:

    $$F = kx \qquad\Longleftrightarrow\qquad k = \frac{F}{x}.$$

    Unit of $k$: $\text{N m}^{-1}$.

    Worked example. A spring stretches by $4.0\ \text{cm}$ when a $2.0\ \text{N}$ load is hung from it. Find its spring constant.

    Converting the extension to metres ($4.0\ \text{cm} = 0.040\ \text{m}$):

    $$k = \frac{F}{x} = \frac{2.0}{0.040} = 50\ \text{N m}^{-1}.$$

    For the one-mark "state Hooke's law", write it in words: the extension is directly proportional to the applied force (load), provided the limit of proportionality is not exceeded. The spring constant is the force per unit extension; the multiple-choice distractors are "extension per unit force" (that is $1/k$) and $\tfrac{1}{2}Fx$ (the energy stored).

    A load against extension graph: a straight line from the origin up to point P, then the line curves and flattens
    A load–extension graph: straight up to the limit of proportionality $P$, then it curves

    Reading a graph:

    • A force–extension ($F$ against $x$) graph has gradient $k$ in the Hooke's-law region.
    • An extension–force ($x$ against $F$) graph has gradient $1/k$ in the Hooke's-law region.

    A common trap: if a graph plots length $L$ against force, you can still find the spring constant from the gradient (since $L = L_{0} + F/k$, the gradient is $1/k$ — read it off carefully).

    Worked example. A spring has length $90\ \text{mm}$ under a force of $0.80\ \text{N}$ and $115\ \text{mm}$ under $1.30\ \text{N}$. Find the spring constant and the unstretched length.

    The extra force $0.50\ \text{N}$ produces the extra extension $25\ \text{mm} = 0.025\ \text{m}$, so $k = 0.50 / 0.025 = 20\ \text{N m}^{-1}$. At $0.80\ \text{N}$ the extension is $x = F/k = 0.80 / 20 = 0.040\ \text{m}$, so the unstretched length is $90 - 40 = 50\ \text{mm}$. On a graph of length against force the intercept on the length axis is $L_{0}$, the gradient is $1/k$, and the work done in stretching the spring is the triangle between the line and the level $L = L_{0}$, not the whole area down to the force axis: the rectangle below $L_{0}$ is the unstretched length multiplied by the force, which means nothing.

    A graph of a spring's length against the applied force: a straight line starting at L0 on the length axis with gradient one over k; the triangle between the line and the level L0, up to the force F1, is shaded as the work done, and the rectangle below L0 is hatched as not work
    Length against force: the intercept is $L_{0}$, the gradient is $1/k$, and only the triangle above $L_{0}$ is the work done

    Limit of proportionality

    Hooke's law only holds up to the limit of proportionality 比例极限. Past this point the $F$ against $x$ line curves and is no longer straight. The material may still be elastic 弹性 (it returns to its first length when you remove the load) a little further, then it becomes plastic 塑性.

    Springs in series and parallel

    You may need to combine spring constants:

    • Series 串联 (one spring hangs from another): the same load passes through both, the total extension is the sum, so $\dfrac{1}{k_{\text{total}}} = \dfrac{1}{k_{1}} + \dfrac{1}{k_{2}}$.
    • Parallel 并联 (two springs side by side holding the same load): each takes half the load (if they are identical), the extensions are equal, so $k_{\text{total}} = k_{1} + k_{2}$.
    Two springs in series, end to end, combine as 1/k = 1/k1 + 1/k2; two springs in parallel, side by side, combine as k = k1 + k2
    Combining spring constants: series gives a softer spring, parallel a stiffer one

    Worked example. Springs of spring constant $6.0\ \text{N cm}^{-1}$ and $4.0\ \text{N cm}^{-1}$ are joined end to end and a load of $80\ \text{N}$ hangs from them. Find the total extension.

    Each spring carries the full $80\ \text{N}$, so the extensions are $80/6.0 = 13.3\ \text{cm}$ and $80/4.0 = 20\ \text{cm}$: a total of $33\ \text{cm}$ (the same as $k = 2.4\ \text{N cm}^{-1}$ from $1/k = 1/6.0 + 1/4.0$). Three identical springs give the largest combined constant when all three are in parallel ($3k$) and the smallest when all are in series ($k/3$). When a load is shared by two identical springs in parallel, each carries half the force and so stores a quarter of the energy of one spring holding the whole load; the pair together stores half as much as the single spring did. A spring constant in $\text{N cm}^{-1}$ is $100$ times smaller than the same constant in $\text{N m}^{-1}$; give the unit the question asks for.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Hooke's law · ⁨กฎของฮুক⁩

    F = k·x

    Force is proportional to extension — the gradient is the spring constant k. · ⁨แรงเป็น สัดส่วน กับระยะยืดออก — ความชันคือค่าคงที่สปริง k.⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Hooke's law · ⁨กฎของฮুক⁩

    F = kx

    Up to the limit, extension is proportional to force — the gradient is the spring constant k. · ⁨จนถึงจุดสัดส่วน การยืดแปรผันตรงกับแรง — ความชันคือค่าคงที่ของสปริง k⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Hooke's law: F = kx · ⁨กฎของฮุค: F = kx⁩

    F = ax

    Drag the spring constant. Force is proportional to extension — a straight line through the origin whose gradient is the spring constant. · ⁨ลากค่าคงที่สปริง แรง แปรผันตรงกับ การยืด — เป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชันเท่ากับค่าคงที่สปริง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    Hooke's law/hʊks lɔː/ กฎของฮুক
    elastic/ɪˈlæstɪk/ ยืดหยุ่น
    spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่ของสปริง
    limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ ขีดจำกัดของสัดส่วน
    plastic/ˈplæstɪk/ พลาสติก
    series/ˈsɪəriːz/ 串联电路中
    parallel/ˈpærəlel/ 并联电路中
    6.1

    Stress, strain and the Young modulus

    For a wire of uniform cross-section under a tensile load:

    • Stress 应力 $\sigma = \dfrac{F}{A}$, where $F$ is the load and $A$ is the cross-sectional area 横截面积. Unit: $\text{Pa}$.
    • Strain 应变 $\varepsilon = \dfrac{x}{L_{0}}$, where $x$ is the extension and $L_{0}$ is the original length. Strain has no unit (it is a ratio of lengths).

    For the one-mark definitions: stress is the force per unit cross-sectional area (the force acting normally to the area); strain is the extension per unit original length. The unit of stress, $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$, is $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$ in base units. The area of a round wire comes from its diameter $d$: $A = \pi d^{2}/4 = \pi r^{2}$, and using $d$ in place of $r$ makes the area four times too big. Convert $\text{mm}^{2}$ to $\text{m}^{2}$ with $10^{-6}$.

    Worked example. A tensile force of $18\ \text{N}$ acts on a wire of cross-sectional area $3.2\ \text{mm}^{2}$. Find the stress.

    $\sigma = F/A = 18 / (3.2 \times 10^{-6}) = 5.6 \times 10^{6}\ \text{Pa}$. The same force acts along the whole wire, so a bolt whose diameter is $2d$ at one end and $d$ at the other has four times the stress at the narrow end ($\sigma \propto 1/d^{2}$), and a wire of three times the radius carries one ninth of the stress.

    A wire of original length L0 and cross-sectional area A clamped at the top with a load F hanging from it; stress is F over A and strain is the extension x over L0
    Stress is the load per cross-sectional area; strain is the extension per original length

    The Young modulus 杨氏模量 is the ratio of stress to strain in the Hooke's-law region:

    $$E = \frac{\sigma}{\varepsilon} = \frac{F / A}{x / L_{0}} = \frac{F L_{0}}{A x}.$$

    Unit: $\text{Pa}$ (about $10^{11}$ for metals; e.g. steel $\approx 2.0 \times 10^{11}$ Pa).

    Worked example. A steel wire of length $2.0\ \text{m}$ and cross-sectional area $1.5 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ stretches by $1.0\ \text{mm}$ under a load of $15\ \text{N}$. Find the Young modulus.

    $$E = \frac{F L_{0}}{A x} = \frac{15 \times 2.0}{(1.5 \times 10^{-7})(1.0 \times 10^{-3})} = 2.0 \times 10^{11}\ \text{Pa}.$$
    A stress against strain graph: a straight line from the origin up to point P, then the line curves over
    A stress–strain graph, straight up to the limit of proportionality $P$

    The Young modulus is a property of the material — it does not depend on the wire's shape or size. The spring constant $k$ depends on both the material and the size: $k = EA/L_{0}$.

    For the one-mark definition: the Young modulus is the ratio of stress to strain (for a material deformed within its limit of proportionality). Because it belongs to the material, a thicker wire of the same metal has the same Young modulus: it stretches less under the same load because its area is larger, not because the metal is stiffer. A "show that $k = EA/L_{0}$" question wants two lines: $k = F/x$ and $E = FL_{0}/(Ax)$, so $E = kL_{0}/A$. Two things follow: a wire's spring constant stays constant while Hooke's law holds, whatever the force, and a wire of the same metal with twice the diameter has four times the spring constant.

    Worked example. A copper wire of length $1.7\ \text{m}$ and diameter $0.64\ \text{mm}$ has Young modulus $1.2 \times 10^{11}\ \text{Pa}$. Find its spring constant.

    $A = \pi (0.32 \times 10^{-3})^{2} = 3.2 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$, so $k = EA/L_{0} = 1.2 \times 10^{11} \times 3.2 \times 10^{-7} / 1.7 = 2.3 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$.

    On a stress–strain graph the gradient of the straight part is $E$, so of two materials drawn on the same axes the steeper line is the stiffer material, and a wire with double the Young modulus is drawn as a line through the origin with twice the gradient. On a force–extension graph the gradient is $EA/L_{0}$ and the Young modulus is the gradient multiplied by $L_{0}/A$; only a stress–strain graph has a gradient equal to $E$ itself.

    Stress against strain for steel and brass on the same axes: two straight lines from the origin, the steel line steeper, each marked with a cross where it leaves its straight path at its limit of proportionality
    Two metals on one stress–strain graph: the steeper line has the larger Young modulus

    Experiment to find the Young modulus of a metal wire

    A standard setup:

    1. Clamp one end of a long, thin wire to a fixed support. Pass the wire over a pulley 滑轮 at the edge of the bench so it hangs straight down.
    2. Measure the original length $L_{0}$ between the clamp and a marker near the pulley, using a metre rule.
    3. Measure the diameter 直径 $d$ of the wire at several places with a micrometer 螺旋测微器 and take the average. Work out $A = \pi d^{2}/4$.
    4. Hang weights one at a time. Record the load $F$ and the extension $x$ (how far the marker moves against a fixed scale).
    5. Plot $F$ against $x$. In the straight region the gradient is $EA/L_{0}$, so $E = \text{gradient} \times L_{0}/A$.

    Why a long, thin wire? To make the extension big enough to measure well. Why repeat readings and measure $d$ at several places? To reduce random error 随机误差 and check the wire is uniform.

    A "describe an experiment" answer earns its marks for the quantities measured and how ($L_{0}$ with a metre rule; $d$ with a micrometer at several points; the load from the masses or a newton meter; the extension from a marker read against a fixed scale, or a vernier scale), the graph ($F$ against $x$, gradient $EA/L_{0}$, or stress against strain, gradient $E$) and the precautions: safety goggles in case the wire snaps, a small load first to straighten kinks, and readings taken on unloading as well as loading to check the wire stayed elastic.

    A long wire clamped at one end, running horizontally over a pulley at the edge of a bench, with a paper flag marker on the wire read against a fixed scale and masses hanging from the end past the pulley
    Apparatus for measuring the Young modulus of a wire
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    stress/stres/ ความเครียด (stress)
    strain/streɪn/ ความเครียด (strain)
    Young modulus/jʌŋ ˈmɒdjʊləs/ โมดูลัสของ Young
    cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ พื้นที่หน้าตัด
    diameter/daɪˈæmɪtə/ เส้นผ่านศูนย์กลาง
    pulley/ˈpʊli/ รอก
    micrometer/maɪˈkrɒmɪtə/ ไมโครเมตร
    random error/ˈrændəm ˈerə/ ความคลาดเคลื่อนแบบสุ่ม
    6.2

    Elastic and plastic behaviour

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand and use the terms elastic deformation, plastic deformation and elastic limit
    2. understand that the area under the force–extension graph represents the work done
    3. determine the elastic potential energy of a material deformed within its limit of proportionality from the area under the force–extension graph
    4. recall and use $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ for a material deformed within its limit of proportionality
    ไทย
    1. เข้าใจและใช้คำว่า การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น, การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก และ ขีดจำกัดยืดหยุ่น
    2. เข้าใจว่าพื้นที่ใต้ กราฟแรง–การยืด แทนถึง งานที่ทำ
    3. หาค่า พลังงานศักย์ยืดหยุ่น ของวัสดุที่ถูกเปลี่ยนรูปภายใน ขีดจำกัดความแปรผัน จากพื้นที่ใต้กราฟแรง–การยืด
    4. จำและใช้ $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ สำหรับวัสดุที่ถูกเปลี่ยนรูปภายในขีดจำกัดความแปรผัน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    As the load grows:

    1. Elastic and straight (Hooke obeyed) — up to the limit of proportionality. Removing the load returns the object to its first length.
    2. Elastic but curved — between the limit of proportionality and the elastic limit 弹性极限. The extension is no longer straight in the load, but on unloading the object still returns to its first length.
    3. Plastic — past the elastic limit. On unloading, the object does not return to its first length; a permanent extension stays.

    Hooke's law only holds in the straight, elastic region.

    In words: elastic deformation means the object returns to its original length (or shape) when the load is removed; plastic deformation means it does not, and a permanent extension remains; the elastic limit is the maximum load (or extension) for which the deformation is still elastic; the limit of proportionality is the point beyond which the extension is no longer proportional to the load. On a graph the limit of proportionality is where the line stops being straight. The elastic limit lies a little beyond it and cannot be read from a loading line alone. So in a "which statement must be correct" item, the end of the straight part is the limit of proportionality, but whether a later point is the elastic limit or the breaking point cannot be told from the shape of the loading line.

    A force against extension graph with the loading line passing through the limit of proportionality P and the elastic limit E, and a dashed unloading line returning to a permanent extension B on the extension axis
    Force–extension past the elastic limit: $P$ and $E$ marked, with a permanent extension $B$ left after unloading
    Two modern universal testing machines: a sample is held between two grips on a tall rigid frame, and the machine pulls the grips apart while measuring the force and the extension
    A modern universal (tensile) testing machine stretches a sample and records the force and extension

    On a force–extension graph for a material taken into the plastic region and then unloaded, the loading line and the unloading line are different. The unloading line is parallel to the first Hooke line but shifted to the right (the permanent extension left when the load reaches zero). The area between the loading and unloading lines is the energy turned into thermal energy 热能 in the material.

    A rubber band 橡皮筋 also has different loading and unloading curves, but it returns to its original length: its deformation is elastic. The area between the two curves is again energy dissipated as thermal energy (elastic hysteresis 弹性滞后), and the energy recovered on unloading is the area under the lower curve. The two-mark "explain why the work done in stretching the wire is not equal to the energy recovered when the force is removed" answer says that the wire was taken past its elastic limit, so part of the deformation is plastic and a permanent extension remains, and that part of the work done became thermal energy in the wire.

    Force against extension for a rubber band: the loading curve lies above the unloading curve, both run from the origin to the same maximum point, and the area between them is shaded as the energy dissipated as thermal energy
    A rubber band returns to its original length, but the area between loading and unloading is energy lost as thermal energy
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    elastic limit/ɪˈlæstɪk ˈlɪmɪt/ จุดยืดหยุ่น
    thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能
    rubber band/ˈrʌbə bænd/ ยางพารา
    elastic hysteresis/ɪˈlæstɪk ˌhɪstəˈriːsɪs/ ฮิสเทอริสซิสยืดหยุ่น
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    6.2

    Energy stored in a stretched material

    The work done in stretching a material from $0$ to extension $x$, as the load grows from $0$ to $F$, is the area under the force–extension graph.

    A straight force against extension line with the triangle between the line and the extension axis shaded, labelled area equals one half F x
    The work done stretching a material is the area under the force–extension graph

    Why the area: work done is force multiplied by the distance moved, but here the force grows as the material stretches, so the work is the sum of $F\,\Delta x$ over many small extensions, which is the area under the line. Within the limit of proportionality the force rises uniformly from $0$ to $F$, so the average force is $\tfrac{1}{2}F$ and the work is $\tfrac{1}{2}Fx$. On a force–extension graph the gradient is the spring constant.

    Hooke's-law material

    When Hooke's law holds, the $F$ against $x$ graph is a straight line through the origin. The area under it from $0$ to $x$ is a triangle:

    $$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x = \tfrac{1}{2} k x^{2}.$$

    This is the elastic potential energy 弹性势能 stored in a spring or wire stretched within its limit of proportionality. An equal form:

    $$E_{\text{P}} = \frac{F^{2}}{2k}.$$

    Worked example. A spring of spring constant $50\ \text{N m}^{-1}$ is stretched by $0.20\ \text{m}$, within its limit of proportionality. Find the elastic potential energy stored.

    $$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} k x^{2} = \tfrac{1}{2} \times 50 \times 0.20^{2} = 1.0\ \text{J}.$$

    Worked example. A wire of spring constant $2.0 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$ is already extended by $2.0\ \text{mm}$. Find the work done to increase its extension to $3.0\ \text{mm}$.

    The stored energy rises from $\tfrac{1}{2} k x_{1}^{2}$ to $\tfrac{1}{2} k x_{2}^{2}$: $W = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 10^{4} \times \left[(3.0 \times 10^{-3})^{2} - (2.0 \times 10^{-3})^{2}\right] = 0.050\ \text{J}$. This is the trapezium under the line between the two extensions, not $\tfrac{1}{2} k (x_{2} - x_{1})^{2}$. Because $E_{\text{P}} \propto x^{2}$ at fixed $k$, doubling the extension of a wire stores four times the energy ($0.65\ \text{J}$ becomes $2.6\ \text{J}$), and a stored energy gives the extension as $x = \sqrt{2E_{\text{P}}/k}$: a spring of $k = 400\ \text{N m}^{-1}$ storing $0.32\ \text{J}$ is compressed by $\sqrt{2 \times 0.32 / 400} = 0.040\ \text{m}$. For two wires joined end to end the tension is the same in both, so the total energy stored is $\tfrac{1}{2}F x_{1} + \tfrac{1}{2}F x_{2}$ with each wire's own extension.

    Non-Hooke material

    For a graph that is not a straight line (a stretched rubber band, or a spring past its limit of proportionality), find the area by counting grid squares or by using trapezia 梯形. The same idea holds: the area under the force–extension graph is the work done on the material. To estimate the work done up to the breaking point, count the squares under the whole curve (part squares as halves) and multiply by the energy one square represents, the force step multiplied by the extension step; saying that the area was found by counting squares is the "explain your reasoning" mark.

    Comparing stored energy

    A common multiple-choice case: two materials are stretched by the same force, or by the same extension. Using $E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x$:

    • same $F$, smaller $k$ (less stiff) → larger $x$ → more energy stored.
    • same $x$, larger $k$ (stiffer) → larger $F$ → more energy stored.

    A sketch of $E_{\text{P}}$ against extension or compression is a curve through the origin that gets steeper ($E_{\text{P}} \propto x^{2}$), not a straight line. Of two wires of the same length and area under the same load, the one with the smaller Young modulus extends more and so stores more energy.

    When a stretched spring is released onto a mass, the elastic potential energy becomes kinetic energy 动能 (and gravitational potential energy if the mass rises). Set $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ equal to $\tfrac{1}{2} m v^{2}$ (plus any $mgh$) to find the speed or height.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น
    trapezia/trəˈpiːzɪə/ กล้ามเนื้อทราพีเซีย
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    6.2

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    Hooke's law the extension is directly proportional to the applied force, provided the limit of proportionality is not exceeded
    spring constant the force per unit extension
    limit of proportionality the point beyond which the extension is no longer proportional to the applied force
    elastic limit the maximum force (or extension) for which the material returns to its original length when the force is removed
    elastic deformation the material returns to its original length (shape) when the force is removed
    plastic deformation the material does not return to its original length when the force is removed; a permanent extension remains
    stress the force per unit cross-sectional area
    strain the extension per unit original length
    Young modulus the ratio of stress to strain (within the limit of proportionality)
    elastic potential energy the energy stored in an object because it has been stretched or compressed
    6.2

    Exam tips

    • Hooke's law ($F = kx$) holds only up to the limit of proportionality.
    • Stress $= F/A$, strain $= x/L$, Young modulus $=$ stress$/$strain (gradient of the straight part of the stress-strain graph) — watch the units (Pa).
    • Energy stored $=$ area under the force-extension graph $= \frac{1}{2}Fx$ in the elastic region.
    • Distinguish elastic (returns to shape) from plastic (permanent) deformation.

    Common mistakes

    • Using the diameter as the radius in $A = \pi r^{2}$, or leaving an area in $\text{mm}^{2}$. Halve the diameter first; $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
    • Reading the work done off a length–force graph as the whole area down to the axis. Only the triangle above $L_{0}$ is work.
    • Treating stored energy as proportional to extension. It goes as $x^{2}$: double the extension, four times the energy; and the work done between two extensions is the difference of two $\tfrac{1}{2}kx^{2}$ values.
    • Stating Hooke's law without its condition. "Provided the limit of proportionality is not exceeded" is part of the law.
    • Swapping the limit of proportionality (the end of the straight line) and the elastic limit (the end of elastic behaviour, a little beyond it).
    • Saying a thicker wire has a larger Young modulus. The modulus is the material's; the thicker wire has a larger spring constant.
  • 7

    Waves · ⁨คลื่น⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    7.1

    Progressive waves · ⁨คลื่นเคลื่อนที่⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. describe what is meant by wave motion as illustrated by vibration in ropes, springs and ripple tanks
    2. understand and use the terms displacement, amplitude, phase difference, period, frequency, wavelength and speed
    3. understand the use of the time-base and $y$-gain of a cathode-ray oscilloscope (CRO) to determine frequency and amplitude
    4. derive, using the definitions of speed, frequency and wavelength, the wave equation $v = f\lambda$
    5. recall and use $v = f\lambda$
    6. understand that energy is transferred by a progressive wave
    7. recall and use $\text{intensity} = \text{power}/\text{area}$ and $\text{intensity} \propto (\text{amplitude})^2$ for a progressive wave
    ไทย
    1. อธิบายความหมายของ การเคลื่อนที่ของคลื่น ตามที่แสดงด้วยการสั่นในเชือก, สปริง และอ่างน้ำ
    2. เข้าใจและใช้คำศัพท์ การกระจัด, แอมพลิจูด, ผลต่างเฟส, คาบ, ความถี่, ความยาวคลื่น และ ความเร็ว
    3. เข้าใจการใช้ ฐานเวลา (time-base) และ กำลังขยาย $y$-gain ของ เครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคโทด (CRO) เพื่อหาความถี่และความเข้มของสัญญาณ
    4. สรุปสมการ คลื่น $v = f\lambda$ โดยใช้นิยามของความเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่น
    5. จำและใช้ $v = f\lambda$
    6. เข้าใจว่าพลังงานถูกถ่ายโอนโดย คลื่นเคลื่อนที่
    7. จำและใช้ $\text{intensity} = \text{power}/\text{area}$ และ $\text{intensity} \propto (\text{amplitude})^2$ สำหรับคลื่นเคลื่อนที่

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A wave 波 carries energy 能量 from one place to another without moving matter overall. The particles of the medium 介质 oscillate 振动 about fixed rest positions; only the disturbance (and its energy) propagates 传播. Examples: a transverse wave 横波 on a rope, a longitudinal wave 纵波 on a slinky spring, ripples on water, and sound in air. A wave that travels and carries energy is a progressive wave 行波.

    Wave motion 波动 is a series of oscillations of the particles of a medium, each passing the disturbance on to the next: shake one end of a rope, push one end of a spring, or touch the surface of the water in a ripple tank 水波槽, and the oscillation travels away from where it started. For the one-mark definition, a progressive wave transfers energy from one place to another without transferring matter; the particles only oscillate about their rest positions.

    Key terms

    • displacement 位移 $y$ — how far a particle has moved from its rest position at a moment. A vector 矢量.
    • amplitude 振幅 $A$ — the largest displacement from the rest position.
    • wavelength 波长 $\lambda$ — the shortest distance along the wave between two points that move in phase 同相 (for example, two next-door crests 波峰).
    • period 周期 $T$ — the time for one full oscillation of a particle.
    • frequency 频率 $f$ — the number of full oscillations per second; $f = 1/T$. Unit: hertz 赫兹, $\text{Hz}$.
    • speed 速率 $v$ — how fast a crest travels along the medium.
    • phase difference 相位差 — the fraction of a cycle by which one oscillation leads or lags another. Given in radians 弧度 (a full cycle is $2\pi$) or degrees (a full cycle is $360°$).

    Two points one wavelength apart are in phase (phase difference 0 or $2\pi$). Two points half a wavelength apart are exactly out of phase (phase difference $\pi$).

    To find the phase difference between two points from a displacement–distance graph, divide their separation by the wavelength and multiply by $360°$ (or $2\pi$): two points $0.50\ \text{m}$ apart on a wave of wavelength $2.0\ \text{m}$ ($v = 600\ \text{m s}^{-1}$, $f = 300\ \text{Hz}$) differ in phase by $0.25 \times 360° = 90°$. Only the fraction of a cycle matters, so $450°$ is the same as $90°$. From two displacement–time graphs, read the time shift between the peaks as a fraction of the period. Which way is a point moving at the instant a graph shows? The whole profile moves along, so each point takes up the displacement that its neighbour on the side the wave comes from has now; a point at a crest or a trough is momentarily at rest.

    Worked example. Points R and T on a string are $0.62\ \text{cm}$ apart and a quarter of a cycle out of phase. The wave speed is $0.27\ \text{m s}^{-1}$. Find the frequency.

    A quarter of a cycle is a quarter of a wavelength, so $\lambda = 4 \times 0.62 = 2.5\ \text{cm}$ and $f = v / \lambda = 0.27 / 0.025 = 11\ \text{Hz}$.

    The wave equation

    In one period $T$, the wave moves forward by one wavelength $\lambda$. So speed $= \text{distance} / \text{time} = \lambda / T = \lambda f$:

    $$v = f \lambda.$$

    This comes straight from the definitions of speed, frequency and wavelength, and works for every progressive wave. For the two-mark derivation write both steps: in one period $T$ the wave travels one wavelength $\lambda$, so $v = \lambda / T$; and $f = 1/T$, so $v = f\lambda$. Because $v$ is fixed by the medium, a higher frequency means a shorter wavelength. A period question is the same equation the other way round: light of wavelength $460\ \text{nm}$ has $f = c / \lambda = 6.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ and $T = 1/f = 1.5 \times 10^{-15}\ \text{s}$.

    Reading a CRO trace

    A cathode-ray oscilloscope 示波器 (CRO) draws a voltage signal — for sound, the output of a microphone — against time. Two controls matter:

    • time-base 时基 (seconds per division across): turns horizontal distance on the screen into time. Read the period $T$ as the distance between two next-door peaks, then $f = 1/T$.
    • y-gain 垂直增益 (volts per division up): turns vertical distance into voltage. The amplitude in volts is the peak height from the centre line.

    If the time-base is $5\ \text{ms}/\text{div}$ and one full cycle takes $4$ divisions, then $T = 4 \times 5\ \text{ms} = 20\ \text{ms}$ and $f = 50\ \text{Hz}$.

    The time-base is the time represented by one division (or one centimetre) across the screen, in $\text{s}\ \text{div}^{-1}$. To set it for a given signal, work backwards: a $2000\ \text{Hz}$ sound has $T = 0.50\ \text{ms}$, so for one cycle to span $2.5\ \text{cm}$ the time-base must be $0.50 / 2.5 = 0.20\ \text{ms cm}^{-1}$. For the amplitude, multiply the peak height in divisions by the y-gain: $2.0$ divisions at $3.5\ \text{mV cm}^{-1}$ is $7.0\ \text{mV}$. When the intensity of the sound is reduced to a quarter at the same frequency, the trace keeps its period and its peaks halve in height, because $I \propto A^{2}$.

    Intensity of a wave

    A wave carries energy. The intensity 强度 at a point is the power 功率 passing through unit area at right angles to the direction of travel:

    $$I = \frac{P}{A}.$$

    Unit: $\text{W m}^{-2}$.

    Intensity is proportional to the square of the amplitude:

    $$I \propto A^{2}.$$

    For a point source 点源 sending out energy equally in all directions, the wavefronts 波前 are spheres; the surface area at distance $r$ is $4\pi r^{2}$, so

    $$I = \frac{P}{4\pi r^{2}}, \qquad I \propto \frac{1}{r^{2}}.$$

    Doubling the distance cuts the intensity to a quarter, which means the amplitude is halved (since $I \propto A^{2}$).

    Worked example. A lamp emits $60\ \text{W}$ of light equally in all directions. Find the intensity of the light $2.0\ \text{m}$ away.

    $$I = \frac{P}{4\pi r^{2}} = \frac{60}{4\pi (2.0)^{2}} \approx 1.2\ \text{W m}^{-2}.$$

    Worked example. Light of power $750\ \text{W}$ falls at right angles on a square solar panel of side $1.2\ \text{m}$. Find the intensity.

    $I = P/A = 750 / 1.2^{2} = 520\ \text{W m}^{-2}$. A smaller panel in the same light receives the same intensity but less power, in proportion to its area. The other way round, a magnifying glass of radius $r$ collects a power $I \times \pi r^{2}$ and concentrates it on a small spot.

    Two rules the multiple-choice questions turn on. Because $I \propto A^{2}$, the ratio of two intensities is the square of the ratio of the amplitudes: waves of amplitude $3.0\ \text{cm}$ and $2.0\ \text{cm}$ have intensities in the ratio $2.25$, and when an amplitude falls to a half the intensity falls to a quarter. For a point source, $I \propto 1/r^{2}$ means $A \propto 1/r$, so a sketch of $A/A_{0}$ against $d/x_{0}$ is a curve falling as $1/d$, not a straight line. The one-line statement the scheme wants: intensity is proportional to the amplitude squared.

    ไทย
    คลื่นวงกลมกระจายบนน้ำ
    คลื่นวงกลมบนน้ำเป็นคลื่นเคลื่อนที่ที่พาพลังงานออกไปด้านนอก
    คลื่นสองลูกที่มีความถี่เท่ากันเลื่อนไปจากกันด้วยผลต่างเฟส
    คลื่นสองลูกที่มีความถี่เท่ากัน เลื่อนไปจากกันด้วยผลต่างเฟส

    คลื่น พาพลังงาน จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยไม่มีการเคลื่อนย้ายมวลโดยรวม.อนุภาคของ สื่อ สั่น รอบตำแหน่งสมดุลที่ตายตัว; เพียงแต่การรบกวน (และพลังงานของมัน) แพร่กระจาย. ตัวอย่าง: คลื่นขวาง บนเชือก, คลื่นยาว บนสปริง slinky, คลื่นวงกลมบนน้ำ, และเสียงในอากาศ. คลื่นที่เดินทางและพาพลังงานคือ คลื่นเคลื่อนที่

    การเคลื่อนที่ของคลื่น คือ سلسلةการสั่นของอนุภาคของสื่อ โดยแต่ละอนุภาคส่งการรบกวนต่อไปยังอนุภาคถัดไป: สั่นปลาย一端ของเชือก, ดัน末端ของสปริง, หรือแตะผิวน้ำใน อ่างคลื่น, และการสั่นจะเคลื่อนที่ออกจากจุดเริ่มต้น. สำหรับนิยาม 1 คะแนน คลื่นเคลื่อนที่ถ่ายโอนพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยไม่ถ่ายโอนมวล; อนุภาคเพียงสั่นรอบตำแหน่งสมดุลเท่านั้น

    คำศัพท์สำคัญ

    • การกระจัด $y$ — ระยะที่อนุภาคเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งสมดุล在某时刻. เป็น เวกเตอร์
    • แอมพลิจูด $A$ — การกระจัดสูงสุดจากตำแหน่งสมดุล
    • ความยาวคลื่น $\lambda$ — ระยะสั้นที่สุดตามทิศทางของคลื่นระหว่างสองจุดที่เคลื่อนที่ ในเฟสเดียวกัน (เช่น ยอดคลื่น สองจุดติดกัน)
    • คาบ $T$ — เวลาที่ใช้สำหรับการสั่นครบหนึ่งรอบของอนุภาคหนึ่งตัว
    • ความถี่ $f$ — จำนวนรอบการสั่นสมบูรณ์ต่อวินาที; $f = 1/T$. หน่วย: เฮิร์ตซ์, $\text{Hz}$.
    • ความเร็ว $v$ — ความเร็วที่ยอดคลื่นเคลื่อนที่ไปตามตัวกลาง
    • ผลต่างเฟส — ส่วนหนึ่งของรอบการสั่นที่การสั่นหนึ่งตัวนำหรือล่าช้ากว่าอีกตัวหนึ่ง แสดงเป็น เรเดียน (รอบเต็มคือ $2\pi$) หรือองศา (รอบเต็มคือ $360°$)

    สองจุดห่างกันหนึ่งความยาวคลื่นจะอยู่ในเฟสเดียวกัน (ผลต่างเฟส 0 หรือ $2\pi$) สองจุดห่างกันครึ่งความยาวคลื่นจะอยู่ตรงข้ามเฟสกันโดยสมบูรณ์ (ผลต่างเฟส $\pi$)

    ในการหาผลต่างเฟสระหว่างสองจุดจากกราฟการกระจัด–ระยะทาง ให้หาระยะห่างระหว่างจุดทั้งสองด้วยความยาวคลื่น แล้วคูณด้วย $360°$ (หรือ $2\pi$): สองจุด $0.50\ \text{m}$ ห่างกันบนคลื่นที่มีความยาวคลื่น $2.0\ \text{m}$ ($v = 600\ \text{m s}^{-1}$, $f = 300\ \text{Hz}$) จะมีผลต่างเฟสกัน $0.25 \times 360° = 90°$ เนื่องจากพิจารณาเพียงส่วนหนึ่งของรอบการสั่นเท่านั้น ดังนั้น $450°$ จึงเท่ากับ $90°$ จากกราฟการกระจัด–เวลา สามารถอ่านค่าความ SHIFT ของเวลาระหว่างยอดคลื่นออกเป็นสัดส่วนของคาบได้ ทิศทางที่จุดหนึ่งกำลังเคลื่อนที่ ณ วินาทีที่กราฟแสดงคืออะไร? รูปแบบคลื่นทั้งหมดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ดังนั้นแต่ละจุดจึงรับค่าการกระจัดจากเพื่อนบ้านด้านที่คลื่นเข้ามาถึงในขณะนั้น จุดที่อยู่ที่ยอดคลื่นหรือร่องคลื่นจะหยุดนิ่งชั่วคราว

    รูปแบบคลื่นขวางเคลื่อนที่ไปทางขวา โดยตำแหน่งถัดไป不久的แสดงด้วยเส้นประ; จุด R เคลื่อนที่ขึ้น จุด S ที่ร่องคลื่นหยุดนิ่งชั่วคราว และจุด T เคลื่อนที่ลง ซึ่งแต่ละจุดมีลูกศรชี้ทิศทาง
    ทิศทางการเคลื่อนที่ของแต่ละจุด: ไปสู่ค่าการกระจัดที่เพื่อนบ้านด้านที่คลื่นเข้ามาถึงมีอยู่ในขณะนั้น; ยอดคลื่นหรือร่องคลื่นจะหยุดนิ่งชั่วคราว

    ตัวอย่างวิธีทำ. จุด R และ T บนเชือกห่างกัน $0.62\ \text{cm}$ และมีผลต่างเฟสกันหนึ่งในสี่รอบ ความเร็วของคลื่นคือ $0.27\ \text{m s}^{-1}$. จงหาความถี่

    หนึ่งในสี่ของรอบการสั่นคือหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น ดังนั้น $\lambda = 4 \times 0.62 = 2.5\ \text{cm}$ และ $f = v / \lambda = 0.27 / 0.025 = 11\ \text{Hz}$

    สมการคลื่น

    ภายในหนึ่งคาบ $T$ คลื่นเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้หนึ่งความยาวคลื่น $\lambda$ ดังนั้นความเร็ว $= \text{distance} / \text{time} = \lambda / T = \lambda f$:

    $$v = f \lambda$$

    สมการนี้ได้มาโดยตรงจากนิยามของความเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่น และใช้ได้กับทุกชนิดของคลื่นแบบแพร่กระจาย สำหรับข้อ derivation คะแนน 2 ต้องเขียนทั้งสองขั้นตอน: ในหนึ่งคาบ $T$ คลื่นเดินทางหนึ่งความยาวคลื่น $\lambda$ ดังนั้น $v = \lambda / T$; และ $f = 1/T$ ดังนั้น $v = f\lambda$ เนื่องจาก $v$ ถูกกำหนดโดยตัวกลาง ค่าความถี่ที่สูงขึ้นจะทำให้มีความยาวคลื่นสั้นลง ข้อสอบแบบคาบคือสมการเดียวกันแต่กลับด้าน: แสงที่มีความยาวคลื่น $460\ \text{nm}$ มี $f = c / \lambda = 6.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ และ $T = 1/f = 1.5 \times 10^{-15}\ \text{s}$

    การอ่านเทรสจากเครื่องวัดสัญญาณไฟฟ้า

    ออสซิลโลสโคปrors์ (CRO) จะวาดกราฟสัญญาณแรงดันไฟฟ้า — เช่นสัญญาณเสียงจากไมโครโฟน — เทียบกับเวลา มีปุ่มควบคุมสำคัญ 2 ตัว:

    • ฐานเวลา (วินาทีต่อช่องแนวนอน): แปลงระยะทางแนวนอนบนจอให้เป็นเวลา อ่านคาบ $T$ เป็นระยะระหว่างยอดคลื่นสองจุดติดกัน แล้ว $f = 1/T$
    • y-gain (โวลต์ต่อช่องแนวตั้ง): แปลงระยะทางแนวตั้งให้เป็นแรงดันไฟฟ้า แอมพลิจูดในหน่วยโวลต์คือความสูงของยอดตั้งแต่เส้นกลาง

    หากฐานเวลาคือ $5\ \text{ms}/\text{div}$ และหนึ่งรอบเต็มใช้ $4$ ช่อง แล้ว $T = 4 \times 5\ \text{ms} = 20\ \text{ms}$ และ $f = 50\ \text{Hz}$

    ฐานเวลาคือเวลาที่แทนด้วยหนึ่งช่อง (หรือหนึ่งเซนติเมตร) ตามแนว横跨 across หน้าจอ ใน $\text{s}\ \text{div}^{-1}$. ในการตั้งค่าสำหรับสัญญาณที่กำหนด ให้คำนวณย้อนกลับ: เสียง $2000\ \text{Hz}$ มีคาบ $T = 0.50\ \text{ms}$ ดังนั้นเพื่อให้หนึ่งรอบครอบคลุม $2.5\ \text{cm}$ ฐานเวลาต้องเป็น $0.50 / 2.5 = 0.20\ \text{ms cm}^{-1}$. สำหรับแอมพลิจูด ให้คูณความสูงของยอดในจำนวนช่องกับ y-gain: $2.0$ ช่อง ที่ $3.5\ \text{mV cm}^{-1}$ คือ $7.0\ \text{mV}$. เมื่อความเข้มของเสียงลดลงเหลือหนึ่งในสี่ที่ความถี่เท่าเดิม เทรสจะมีคาบเท่าเดิมและยอดคลื่นลดความสูงลงครึ่งหนึ่ง เนื่องจาก $I \propto A^{2}$

    หน้าจอออสซิลโลสโคปพร้อมตารางกริดและเทรสรูปไซน์; คาบ  แสดงด้วยระยะทางแนวนอนระหว่างยอดคลื่นสองจุดติดกัน ครอบคลุมสี่ช่อง พร้อมสเกลบาร์แสดงหนึ่งช่อง横跨 และหนึ่งช่องแนวตั้ง *การอ่านคาบ T จากเทรส CRO โดยใช้ตารางกริดและฐานเวลา

    ออสซิลโลสโคปดิจิทัลสมัยใหม่ที่มีหน้าจอตารางแสดงสัญญาณแรงดันไฟฟ้าสีเหลืองเทียบกับเวลา, แถบปุ่มควบคุมและลูกบิด, และสายโพรเบสี่เส้นเสียบเข้าช่องอินพุต *ออสซิลโลสโคปจริง: ตารางกริดช่วยให้สามารถอ่านค่าคาบและแอมพลิจูดได้

    ความเข้มของคลื่น

    คลื่นพาพลังงาน ความเข้ม ที่จุดหนึ่งคือ กำลัง ที่ไหลผ่านพื้นที่หนึ่งหน่วยในมุมฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่:

    $$I = \frac{P}{A}$$

    หน่วย: $\text{W m}^{-2}$

    ความเข้มแปรผันตรงกับกำลังสองของแอมพลิจูด:

    $$I \propto A^{2}$$

    สำหรับ แหล่งกำเนิดจุด ที่ปล่อยพลังงานเท่าๆ กันทุกทิศทาง หน้าคลื่น จะเป็นทรงกลม; พื้นที่ผิวที่ระยะ $r$ คือ $4\pi r^{2}$ ดังนั้น

    $$I = \frac{P}{4\pi r^{2}}, \qquad I \propto \frac{1}{r^{2}}$$

    การเพิ่มระยะทางเป็นสองเท่าจะทำให้ความเข้มลดลงเหลือหนึ่งในสี่ ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดลดลงครึ่งหนึ่ง (เนื่องจาก $I \propto A^{2}$)

    ตัวอย่างวิธีทำ. โคมไฟแผ่แสง $60\ \text{W}$ เท่าๆ กันทุกทิศทาง จงหาความเข้มของแสงที่ระยะ $2.0\ \text{m}$

    $$I = \frac{P}{4\pi r^{2}} = \frac{60}{4\pi (2.0)^{2}} \approx 1.2\ \text{W m}^{-2}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. แสงกำลัง $750\ \text{W}$ ตกกระทบแผงโซลาร์เซลล์สี่เหลี่ยมด้านขนานด้านยาว $1.2\ \text{m}$ ในมุมฉาก จงหาความเข้ม

    $I = P/A = 750 / 1.2^{2} = 520\ \text{W m}^{-2}$ แผงขนาดเล็กกว่าในแสงเดียวกันจะได้รับความเข้มเท่าเดิมแต่ได้รับกำลังน้อยกว่า สัดส่วนกับพื้นที่ของมัน ในทางกลับกัน เลนส์ขยายที่มีรัศมี $r$ จะรวบรวมกำลัง $I \times \pi r^{2}$ และรวมมันไว้ที่จุดเล็กๆ

    กฎหลัก 2 ข้อที่ข้อสอบแบบเลือกตอบขึ้นอยู่กับ เนื่องจาก $I \propto A^{2}$ อัตราส่วนของความเข้มคือ กำลังสอง ของอัตราส่วนของแอมพลิจูด: คลื่นที่มีแอมพลิจูด $3.0\ \text{cm}$ และ $2.0\ \text{cm}$ จะมีอัตราส่วนความเข้มเป็น $2.25$, และเมื่อแอมพลิจูดลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง ความเข้มจะลดลงเหลือหนึ่งในสี่ สำหรับแหล่งกำเนิดจุด, $I \propto 1/r^{2}$ หมายความว่า $A \propto 1/r$, ดังนั้นกราฟของ $A/A_{0}$ เทียบกับ $d/x_{0}$ จะเป็นเส้นโค้งที่ลดลงตาม $1/d$, ไม่ใช่เส้นตรง ประโยคสั้นๆ ที่แผนภาพต้องการ: ความเข้มแปรผันตรงกับกำลังสองของแอมพลิจูด

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Progressive waves · ⁨คลื่นเคลื่อนที่⁩

    y = a sin(bx + c)

    A wave: a is amplitude, b sets the wavelength, c the phase. · ⁨คลื่น: a คือแอมพลิจูด, b กำหนดความยาวคลื่น, c คือเฟส⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    progressive wave/prəˈɡresɪv weɪv/ คลื่นเคลื่อนที่
    wave/weɪv/ คลื่น
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    frequency/ˈfriːkwənsi/ ความถี่
    phase difference/feɪz ˈdɪfrəns/ ความต่างเฟส
    medium/ˈmiːdɪəm/ ตัวกลาง
    oscillate/ˈɒsɪleɪt/ การสั่นสะเทือน
    propagate/ˈprɒpəɡeɪt/ แพร่กระจาย
    y-gain/waɪ ɡeɪn/ การขยายสัญญาณแกน Y
    7.2

    Transverse and longitudinal waves · ⁨คลื่นขวางและคลื่นยาว⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. compare transverse and longitudinal waves
    2. analyse and interpret graphical representations of transverse and longitudinal waves
    ไทย
    1. เปรียบเทียบ คลื่นตามขวาง และ คลื่นตามยาว
    2. วิเคราะห์และตีความกราฟแสดงคลื่นตามขวางและคลื่นตามยาว

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Transverse vs longitudinal waves

    Transverse waves

    The particles oscillate perpendicular 垂直 to the direction the energy travels. A wave on a rope, all electromagnetic waves, and S-waves in the Earth are transverse.

    Longitudinal waves

    The particles oscillate parallel to the direction the energy travels. Sound in any medium, P-waves in the Earth, and the squashes on a slinky are longitudinal. The wave is made of compressions 压缩 (higher pressure, particles close together) and rarefactions 稀疏 (lower pressure, particles spread out).

    Graphs of waves

    A graph of particle displacement against position at one moment looks like a sine curve 正弦曲线 for both kinds of wave. The difference: for a transverse wave the displacement axis is the real sideways displacement; for a longitudinal wave it is the small back-and-forth displacement along the direction of travel (positive one way, negative the other).

    For a longitudinal wave take displacement to the right as positive. Where the graph crosses zero going from positive to negative, the particles on either side have moved towards that point, so it is a compression; where it crosses from negative to positive they have moved apart, a rarefaction. Two neighbouring compressions are one wavelength apart, and a compression and the next rarefaction are half a wavelength apart. The direction of motion of a particle follows the same rule as for a transverse wave: it moves towards the displacement of its neighbour on the side the wave comes from.

    A graph of particle displacement against time at one point in space is also a sine curve for both kinds. Read the period $T$ from this graph.

    The two-mark comparison, with reference to the direction of energy transfer: in a transverse wave the oscillations are perpendicular to the direction of energy transfer; in a longitudinal wave they are parallel to it. Both kinds transfer energy without transferring matter, both can be reflected, refracted and diffracted, and both can form stationary waves (topic 8). Only transverse waves can be polarised, and only electromagnetic waves, which are all transverse, can travel through a vacuum; sound needs a medium. Reading the two graphs together: the displacement–distance graph gives $\lambda$, the displacement–time graph gives $T$, and $v = \lambda / T$.

    ไทย
    คลื่นขวางเทียบกับคลื่นยาว

    คลื่นขวาง

    อนุภาคสั่น ตั้งฉาก กับทิศทางที่พลังงานเคลื่อนที่ คลื่นบนเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด และคลื่น S ในโลกเป็นคลื่นขวาง

    คลื่นขวางบนเชือกวาดเป็นเส้นไซน์: แต่ละส่วนของเชือกสั่นขึ้นลง (ลูกศรคู่แนวตั้ง) ในขณะที่พลังงานเคลื่อนที่ไปทางขวาตามเชือก
    คลื่นขวางบนเชือก

    คลื่นยาว

    อนุภาคสั่น ขนาน กับทิศทางที่พลังงานเคลื่อนที่ เสียงในสื่อใดๆ คลื่น P ในโลก และการบีบอัดสปริงสล/ngky เป็นคลื่นยาว คลื่นประกอบด้วย การอัดตัว (ความดันสูง, อนุภาคอยู่ใกล้กัน) และ การขยายตัว (ความดันต่ำ, อนุภาคกระจายตัว)

    คลื่นยาวบนสปริงสปริงกี้: ข Coil(publicions) และกระจายตัวเป็นบริเวณบาง (rarefactions); แต่ละขcoilสั่นไปมา (ลูกศรคู่แนวนอน) مواบขนกับทิศทางที่พลังงานเคลื่อนที่
    คลื่นยาวบนสปริงสลิงกี้

    กราฟของคลื่น

    กราฟของ การกระจัดของอนุภาคเทียบกับตำแหน่ง ในช่วงเวลาหนึ่ง ดูคล้าย เส้นไซน์ สำหรับคลื่นทั้งสองชนิด ความแตกต่างคือ สำหรับคลื่นขวาง แกนการกระจัดคือการกระจัดด้านข้างจริง; สำหรับคลื่นยาวมันคือการกระจัดไปมาเล็กน้อยตามทิศทางการเดินทาง (บวกทางหนึ่ง ลบอีกทาง)

    สำหรับคลื่นยาว ให้กำหนดให้การกระจัดไปทาง ขวา เป็นบวก เมื่อกราฟตัดแกนศูนย์จากบวกไปลบ อนุภาคทั้งสองข้างได้เคลื่อนที่ เข้าหา จุดนั้น จึงเป็นการอัดตัว; เมื่อตัดจากลบไปบวก อนุภาคได้เคลื่อนที่ออกจากกัน เป็นการขยายตัว การอัดตัวสองจุดติดกันห่างกันหนึ่งความยาวคลื่น และการอัดตัวและการขยายตัวถัดไปห่างกันครึ่งความยาวทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคปฏิบัติตามกฎเดียวกับคลื่นขวาง: มันเคลื่อนที่เข้าหาการกระจัดของเพื่อนบ้านด้านที่คลื่นมาจาก

    คลื่นยาววาดซ้ำสองครั้ง:แถวจุดอนุภาคจับกลุ่มเป็นบริเวณหนา C และกระจายตัวเป็นบริเวณบาง R, ด้านบนคือกราฟการกระจัด-ระยะทางของอนุภาคเดียวกันโดยกำหนดการกระจัดไปทางขวาเป็นบวก; เส้นประแสดงว่าบริเวณหนาอยู่ที่ที่กราฟตัดแกนศูนย์จากบวกไปลบ และบริเวณบางอยู่ที่ที่กราฟตัดจากลบไปบวก
    คลื่นยาวชนิดเดียวกันทั้งในรูปอนุภาคและกราฟ: การอัดตัวที่การกระจัดเปลี่ยนจากบวกไปลบ, การขยายตัวที่เปลี่ยนจากลบไปบวก
    กราฟการกระจัดเทียบกับระยะทางวาดเป็นเส้นไซน์, แสดงแอมพลิจูด  จากแกนนิ่งไปยังยอดคลื่น และความยาวคลื่น  ระหว่างยอดคลื่นที่อยู่ติดกัน
    กราฟการกระจัด–ระยะทางแสดงแอมพลิจูดและความยาวคลื่นของคลื่น

    กราฟของ การกระจัดของอนุภาคเทียบกับเวลา ที่จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศก็เป็นเส้นไซน์สำหรับคลื่นทั้งสองชนิด อ่านคาบ $T$ จากกราฟนี้

    กราฟการกระจัดเทียบกับเวลาวาดเป็นรูปคลื่นไซน์ โดยมีการระบุค่าแอมพลิจูด  จากแกนสมดุลไปยังยอดคลื่น และระบุช่วงคาบ  ระหว่างยอดคลื่นที่อยู่ติดกัน
    กราฟการกระจัด–เวลาแสดงแอมพลิจูดและคาบของคลื่น

    การเปรียบเทียบคะแนนสองข้อ โดยอ้างอิงถึงทิศทางการถ่ายโอนพลังงาน: ในคลื่นขวางการสั่น ตั้งฉาก กับทิศทางการถ่ายโอนพลังงาน; ในคลื่นยาวมัน ขนาน กับมัน ทั้งสองชนิดถ่ายโอนพลังงานโดยไม่ถ่ายโอนมวล ทั้งสองสามารถสะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้ และทั้งสองสามารถสร้างคลื่นนิ่งได้ (หัวข้อ 8) เฉพาะคลื่นขวางเท่านั้นที่สามารถโพลาไรซ์ได้, และเฉพาะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งทั้งหมดเป็นคลื่นขวางเท่านั้นที่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้; เสียงต้องการสื่อ การอ่านกราฟทั้งสองพร้อมกัน: กราฟการกระจัด–ระยะทางให้ $\lambda$, กราฟการกระจัด–เวลาให้ $T$, และ $v = \lambda / T$

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Transverse waves · ⁨คลื่นขวาง⁩

    y = a sin(bx + c)

    Change the amplitude and wavelength of the wave. · ⁨เปลี่ยน แอมพลิจูด และ ความยาวคลื่น ของคลื่น⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ คลื่นขวาง
    longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ คลื่นยาว
    Wave motion/weɪv ˈməʊʃn/ การเคลื่อนที่ของคลื่น
    ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ อ่างน้ำripple
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัด
    vector/ˈvektə/ เวกเตอร์
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ แอมพลิจูด
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ ความยาวคลื่น
    in phase/ɪn feɪz/ อยู่ในเฟสเดียวกัน
    crest/krest/ ยอดcrest
    rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ การกระจายตัว
    stationary/ˈsteɪʃənəri/ นิ่ง
    vacuum/ˈvækjuːm/ สุญญากาศ
    7.3

    Doppler effect (moving source, stationary observer) · ⁨ผลดอปเพลอร์ (แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่, ผู้สังเกตหยุดนิ่ง)⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that when a source of sound waves moves relative to a stationary observer, the observed frequency is different from the source frequency (understanding of the Doppler effect for a stationary source and a moving observer is not required)
    2. use the expression $f_{\text{o}} = f_{\text{s}} v / (v \pm v_{\text{s}})$ for the observed frequency when a source of sound waves moves relative to a stationary observer
    ไทย
    1. เข้าใจว่าเมื่อแหล่งกำเนิด คลื่นเสียง เคลื่อนที่สัมพัทธ์กับผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง ความถี่ที่สังเกตได้ จะแตกต่างจาก ความถี่แหล่งกำเนิด (ไม่จำเป็นต้องเข้าใจผลดอปเพลอร์สำหรับแหล่งกำเนิดที่หยุดนิ่งและผู้สังเกตที่เคลื่อนที่)
    2. ใช้สูตร $f_{\text{o}} = f_{\text{s}} v / (v \pm v_{\text{s}})$ สำหรับความถี่ที่สังเกตได้เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นเสียงเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับผู้สังเกตที่หยุดนิ่ง

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    When the source 波源 of a sound moves relative to a stationary 静止 observer 观察者, the heard frequency is different from the source frequency. This is the Doppler effect 多普勒效应.

    • source moving towards the observer: the wavefronts in front are squashed, so the wavelength is shorter and the heard frequency is higher.
    • source moving away from the observer: the wavefronts behind are spread out, so the wavelength is longer and the heard frequency is lower.

    The formula (source moving at speed $v_{\text{s}}$ along the line to the observer; wave speed $v$, source frequency $f_{\text{s}}$, heard frequency $f_{\text{o}}$):

    $$f_{\text{o}} = \frac{v \cdot f_{\text{s}}}{v \pm v_{\text{s}}}.$$

    Choose the sign to match the physics:

    • minus sign on the bottom when the source moves towards the observer ($f_{\text{o}} > f_{\text{s}}$),
    • plus sign when the source moves away ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$).

    You only need the case of a stationary observer.

    Worked example. A car horn at $f_{\text{s}} = 800\ \text{Hz}$ moves at $30\ \text{m s}^{-1}$ towards a still listener. Speed of sound $v = 340\ \text{m s}^{-1}$:

    $$f_{\text{o}} = \frac{340 \times 800}{340 - 30} = \frac{272\,000}{310} \approx 877\ \text{Hz}.$$

    Moving away at the same speed, the listener hears $340 \times 800 / (340 + 30) = 735\ \text{Hz}$: the frequency is constant while the car approaches, drops as it passes, and is constant again, lower, as it recedes. A sketch of observed frequency against time for a source passing at constant speed is two level lines joined by a fall. Working backwards, a source of $1200\ \text{Hz}$ heard as $960\ \text{Hz}$ is moving away ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$): $960 = 1200 \times 340 / (340 + v_{\text{s}})$ gives $v_{\text{s}} = 85\ \text{m s}^{-1}$. A buzzer swung in a horizontal circle at $25\ \text{m s}^{-1}$ while emitting $846\ \text{Hz}$ is heard between $846 \times 330 / 355 = 786\ \text{Hz}$ (moving directly away) and $846 \times 330 / 305 = 915\ \text{Hz}$ (moving directly towards), once each per revolution. If the period of a CRO trace of the sound rises continuously, the observed frequency is falling: the source is moving away with increasing speed. The Doppler effect happens for all waves, light included (topic 25); only the sound formula is examined here.

    ไทย

    เมื่อ แหล่งกำเนิด ของเสียงเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับ ผู้สังเกต ที่ หยุดนิ่ง, ความถี่ที่ได้ยินจะต่างจากความถี่ของแหล่งกำเนิด นี่คือ ผลดอปเพลอร์

    • แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกต: หน้าคลื่นถูกบีบอัด ทำให้ความยาวคลื่นสั้นลงและความถี่ที่ได้ยิน สูงขึ้น
    • แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกต: หน้าคลื่นด้านหลังถูกกระจายทำให้ความยาวคลื่นยาวขึ้นและความถี่ที่ได้ยิน ต่ำลง
    หน้าคลื่นวงกลมจากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ไปทางขวาด้วยความเร็ว  เข้าหาผู้สังเกตที่นิ่งอยู่; หน้าคลื่นด้านหน้าแหล่งกำเนิด (เข้าหาผู้สังเกต) จับกลุ่มใกล้กันมากกว่า และด้านหลัง (เข้าหาจุด P) กระจายห่างกันมากขึ้น
    แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ยับยั้งหน้าคลื่นด้านหน้า使其ทำให้ความถี่ที่วัดได้สูงขึ้น

    สูตร (แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $v_{\text{s}}$ ตามเส้นตรงสู่ผู้สังเกต; ความเร็วคลื่น $v$, ความถี่แหล่งกำเนิด $f_{\text{s}}$, ความถี่ที่ได้ยิน $f_{\text{o}}$):

    $$f_{\text{o}} = \frac{v \cdot f_{\text{s}}}{v \pm v_{\text{s}}}.$$

    เลือกเครื่องหมายให้สอดคล้องกับหลักฟิสิกส์:

    • เครื่องหมายลบที่ส่วนล่างเมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ เข้าหา ผู้สังเกต ($f_{\text{o}} > f_{\text{s}}$),
    • เครื่องหมายบวกเมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ ออกจาก ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$).

    คุณจำเป็นต้องใช้กรณีของผู้สังเกตหยุดนิ่งเท่านั้น

    ตัวอย่างวิธีทำ. แตรรถยนต์ที่ $f_{\text{s}} = 800\ \text{Hz}$ เคลื่อนที่เข้าหาผู้ฟังที่ยืนนิ่งด้วยความเร็ว $30\ \text{m s}^{-1}$. ความเร็วของเสียง $v = 340\ \text{m s}^{-1}$:

    $$f_{\text{o}} = \frac{340 \times 800}{340 - 30} = \frac{272\,000}{310} \approx 877\ \text{Hz}.$$

    เคลื่อนที่ออกด้วยความเร็วเท่าเดิม ผู้ฟังจะได้ยิน $340 \times 800 / (340 + 30) = 735\ \text{Hz}$: ความถี่คงที่ขณะรถเข้าใกล้ ลดลงเมื่อผ่าน และคงที่อีกครั้งแต่ต่ำกว่า ขณะรถถอยห่าง กราฟแสดงความถี่ที่สังเกตได้เทียบกับเวลา สำหรับแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่ผ่านด้วยความเร็วคงที่ คือเส้นสองระดับเชื่อมกันด้วยการลดลง เมื่อทบทวนย้อนกลับ แหล่งกำเนิดที่emit $1200\ \text{Hz}$ ได้ยินเป็น $960\ \text{Hz}$ กำลังเคลื่อนที่ออก ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$): $960 = 1200 \times 340 / (340 + v_{\text{s}})$ ให้ค่า $v_{\text{s}} = 85\ \text{m s}^{-1}$. บัซเซอร์ถูกแกว่งในวงกลมแนวนอนที่ $25\ \text{m s}^{-1}$ ขณะemit $846\ \text{Hz}$ จะได้ยินระหว่าง $846 \times 330 / 355 = 786\ \text{Hz}$ (เคลื่อนที่ตรงข้าม) และ $846 \times 330 / 305 = 915\ \text{Hz}$ (เคลื่อนที่เข้าหา), ครั้งละหนึ่งรอบ หากคาบของกราฟ CRO ของเสียงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความถี่ที่สังเกตได้กำลังลดลง: แหล่งกำเนิดกำลังเคลื่อนที่ออกด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น. เอฟเฟกต์ดอปพลาร์เกิดขึ้นกับคลื่นทุกชนิด รวมถึงแสง (หัวข้อ 25); ในที่นี้พิจารณาเฉพาะสูตรเสียงเท่านั้น

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Doppler effect · ⁨ปรากฏการณ์ดอปพลาร์⁩

    Send the source moving and watch the wavefronts bunch up ahead (higher pitch) and stretch out behind — the siren effect, controlled by the source's speed. · ⁨ให้แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่แล้วดูหน้าคลื่นรวมกันด้านหน้า (เสียงสูงขึ้น) และยืดออกด้านหลัง — ผลกระทบไซเรน ซึ่งควบคุมด้วยความเร็วแหล่งกำเนิด⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    Doppler effect/ˈdɒplə ɪˈfekt/ ปรากฏการณ์ดอปพลาร์
    observer/ɒbˈzɜːvə/ ผู้สังเกต
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
    microwaves/ˈmaɪkrəʊweɪvz/ ไมโครเวฟ
    infrared/ˌɪnfrəˈred/ อินฟราเรด
    ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ อัลตราไวโอเลต
    X-rays/eks reɪz/ รังสีเอกซ์
    7.4

    Electromagnetic spectrum · ⁨สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. state that all electromagnetic waves are transverse waves that travel with the same speed $c$ in free space
    2. recall the approximate range of wavelengths in free space of the principal regions of the electromagnetic spectrum from radio waves to $\gamma$-rays
    3. recall that wavelengths in the range 400–700 nm in free space are visible to the human eye
    ไทย
    1. ระบุ bahwa ทุก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็น คลื่นตามขวาง ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกัน $c$ ในสุญญากาศ
    2. จำช่วงประมาณของความยาวคลื่นในสุญญากาศของบริเวณหลักของ สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จาก คลื่นวิทยุ ไปจนถึง $\gamma$-เรย์
    3. จำว่าความยาวคลื่นในช่วง 400–700 nm ในสุญญากาศเป็น แสงที่มองเห็นได้对于眼睛มนุษย์

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    All electromagnetic waves 电磁波 (EM waves) are transverse and travel in a vacuum 真空 at the same speed:

    $$c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}.$$

    The electromagnetic spectrum 电磁波谱 includes radio waves, microwaves 微波, infrared 红外线, visible light, ultraviolet 紫外线, X-rays X射线 and $\gamma$-rays γ射线.

    Approximate wavelength ranges in free space (learn the orders of magnitude):

    • radio waves: $> 10^{-1}\ \text{m}$ (up to many km).
    • microwaves: $10^{-3}\ \text{m}$ to $10^{-1}\ \text{m}$.
    • infrared: $\sim 7 \times 10^{-7}\ \text{m}$ to $10^{-3}\ \text{m}$.
    • visible light: $400\ \text{nm}$ (violet) to $700\ \text{nm}$ (red), i.e. $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$ to $7 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
    • ultraviolet: $\sim 10^{-8}\ \text{m}$ to $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
    • X-rays: $\sim 10^{-11}\ \text{m}$ to $10^{-8}\ \text{m}$.
    • $\gamma$-rays: $< 10^{-11}\ \text{m}$.

    The boundaries between regions are not sharp. Use $c = f\lambda$ to change between wavelength and frequency. Only light with wavelengths $400$–$700\ \text{nm}$ can be seen.

    To identify a region, convert to a wavelength with $\lambda = c / f$ and compare with the ranges: $2.1\ \text{cm}$ is a microwave; $138\ \text{pm} = 1.4 \times 10^{-10}\ \text{m}$ is an X-ray; $30\ \text{THz}$ gives $\lambda = 1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}$, infrared; $3.0 \times 10^{16}\ \text{Hz}$ gives $1.0 \times 10^{-8}\ \text{m}$, ultraviolet. Visible light spans frequencies of about $4.3 \times 10^{14}$ to $7.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$, so a wave of $5.0 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ can be seen and one of wavelength $5.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$ (infrared) cannot. Red light has a longer wavelength and a lower frequency than green. A list "in order of increasing wavelength" runs $\gamma$-rays, X-rays, ultraviolet, visible, infrared, microwaves, radio waves. A pulse of light reflected from a wall $150\ \text{m}$ away returns after $2 \times 150 / (3.00 \times 10^{8}) = 1.0\ \mu\text{s}$.

    ไทย

    คลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า (EM waves) ทั้งหมดเป็น คลื่นขวาง และเดินทางใน สุญญากาศ ด้วยความเร็วเดียวกัน:

    $$c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}.$$

    สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยคลื่นวิทยุ, ไมโครเวฟ, อินฟราเรด, แสงที่มองเห็นได้, อัลตราไวโอเลต, รังสีเอกซ์ X และ $\gamma$-รังสี γ.

    สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแถบแนวนอนตั้งแต่คลื่นวิทยุถึงรังสีแกมมา, มีสเกลความถี่หน่วย Hz ด้านบนและสเกลความยาวคลื่นหน่วย m ด้านล่าง; จากซ้ายไปขวาความยาวคลื่นลดลงและความถี่เพิ่มขึ้น
    สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

    ช่วงความยาวคลื่นโดยประมาณในสุญญากาศ (จำลำดับขนาด):

    • คลื่นวิทยุ: $> 10^{-1}\ \text{m}$ (สูงสุดหลายกิโลเมตร).
    • ไมโครเวฟ: $10^{-3}\ \text{m}$ ถึง $10^{-1}\ \text{m}$.
    • อินฟราเรด: $\sim 7 \times 10^{-7}\ \text{m}$ ถึง $10^{-3}\ \text{m}$.
    • แสงที่มองเห็นได้: $400\ \text{nm}$ (ม่วง) ถึง $700\ \text{nm}$ (แดง), นั่นคือ $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$ ถึง $7 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
    • อัลตราไวโอเลต: $\sim 10^{-8}\ \text{m}$ ถึง $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
    • รังสีเอกซ์: $\sim 10^{-11}\ \text{m}$ ถึง $10^{-8}\ \text{m}$.
    • $\gamma$-รังสี: $< 10^{-11}\ \text{m}$.

    ขอบเขตระหว่างภูมิภาคไม่ชัดเจน ใช้ $c = f\lambda$ เพื่อแปลงระหว่างความยาวคลื่นและความถี่ มีเพียงแสงที่มีความยาวคลื่น $400$–$700\ \text{nm}$ เท่านั้นที่มองเห็นได้

    เพื่อระบุภูมิภาค ให้แปลงเป็นความยาวคลื่นด้วย $\lambda = c / f$ แล้วเปรียบเทียบกับช่วง: $2.1\ \text{cm}$ เป็นไมโครเวฟ; $138\ \text{pm} = 1.4 \times 10^{-10}\ \text{m}$ เป็นรังสีเอกซ์; $30\ \text{THz}$ ให้ค่า $\lambda = 1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}$, อินฟราเรด; $3.0 \times 10^{16}\ \text{Hz}$ ให้ค่า $1.0 \times 10^{-8}\ \text{m}$, อัลตราไวโอเลต. แสงที่มองเห็นได้ครอบคลุมความถี่ประมาณ $4.3 \times 10^{14}$ ถึง $7.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$, ดังนั้นคลื่นที่ $5.0 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ สามารถมองเห็นได้ และคลื่นที่ความยาวคลื่น $5.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$ (อินฟราเรด) ไม่สามารถมองเห็นได้ แสงสีแดงมีความยาวคลื่นยาวกว่าและความถี่ต่ำกว่าแสงสีเขียว รายการ "เรียงตามลำดับความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น" คือ $\gamma$-รังสี, รังสีเอกซ์, อัลตราไวโอเลต, แสงที่มองเห็นได้, อินฟราเรด, ไมโครเวฟ, คลื่นวิทยุ. พัลส์ของแสงสะท้อนจากกำแพง $150\ \text{m}$ กลับมาถึงหลังจาก $2 \times 150 / (3.00 \times 10^{8}) = 1.0\ \mu\text{s}$

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Slide across the spectrum · ⁨เลื่อนผ่านสเปกตรัม⁩

    Radio waves, visible light and gamma rays are all the same wave — only the wavelength changes, and with it the frequency, photon energy and everyday use. · ⁨คลื่นวิทยุ แสงที่มองเห็นได้ และรังสีแกมมา ล้วนเป็นคลื่นชนิดเดียวกัน — เพียงความยาวคลื่นเปลี่ยนไป และตามด้วยการเปลี่ยนแปลงของความถี่ พลังงานโฟตอน และการใช้งานในชีวิตประจำวัน⁩

    7.5

    Polarisation · ⁨การโพลาไรเซชัน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that polarisation is a phenomenon associated with transverse waves
    2. recall and use Malus’s law ($I = I_0 \cos^2\theta$) to calculate the intensity of a plane-polarised electromagnetic wave after transmission through a polarising filter or a series of polarising filters (calculation of the effect of a polarising filter on the intensity of an unpolarised wave is not required)
    ไทย
    1. เข้าใจว่า การโพลาไรซ์ เป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ คลื่นตามขวาง
    2. จำและใช้ กฎของมาลัส ($I = I_0 \cos^2\theta$) เพื่อคำนวณ ความเข้ม ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์ระนาบ หลังผ่าน ตัวกรองโพลาไรซ์ หรือชุดตัวกรองโพลาไรซ์ (ไม่จำเป็นต้องคำนวณผลกระทบของตัวกรองโพลาไรซ์ต่อความเข้มของคลื่นที่ไม่โพลาไรซ์)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Polarisation 偏振 means making a transverse wave oscillate in one plane only.

    • Only transverse waves can be polarised — the oscillation is perpendicular to the direction of travel, so different perpendicular planes are real choices.
    • Longitudinal waves (sound) cannot be polarised — the oscillation is along the direction of travel, so there is no other plane.

    So polarisation is a test: if a wave can be polarised, it must be transverse.

    Malus's law

    Plane-polarised 平面偏振 light of intensity $I_{0}$ passes through a polarising filter 偏振片 whose transmission axis 透光轴 is at angle $\theta$ to the plane of polarisation. The transmitted intensity is given by Malus's law 马吕斯定律:

    $$I = I_{0} \cos^{2}\theta.$$
    • $\theta = 0°$: filter lined up with the polarisation, $I = I_{0}$, all passes through.
    • $\theta = 90°$: filter at right angles, $I = 0$, all blocked.
    • $\theta = 60°$: $I = I_{0} \cos^{2} 60° = I_{0} \cdot 0.25 = I_{0}/4$.

    Worked example. Plane-polarised light of intensity $12\ \text{W m}^{-2}$ meets a polarising filter whose axis is at $30°$ to the plane of polarisation. Find the transmitted intensity.

    $$I = I_{0}\cos^{2}\theta = 12 \times \cos^{2} 30° = 12 \times 0.75 = 9.0\ \text{W m}^{-2}.$$

    For two filters in a row, use Malus's law twice with the angle between each pair. Be careful with the angle each time — after the first filter the polarisation is along that filter's axis, and the second filter's angle is measured from there.

    (You do not need to work out the effect of a polarising filter on an unpolarised wave.)

    When a filter is rotated through $360°$ in front of plane-polarised light, the transmitted intensity varies as $\cos^{2}\theta$: it is a maximum when the transmission axis is parallel to the plane of polarisation ($0°$ and $180°$), zero when perpendicular ($90°$ and $270°$), and never negative. Because $I \propto A^{2}$, the transmitted amplitude is $A_{0}\cos\theta$: at $45°$ the intensity halves and the amplitude falls to $0.71$ of its value. For two filters, the first sets the plane of polarisation along its own axis, so the second filter's angle is measured from that: vertically polarised light through filters at $50°$ and then $80°$ to the vertical keeps $\cos^{2} 50° \times \cos^{2} 30° = 0.31$ of its intensity. The one-mark definitions: polarisation is the oscillation of a transverse wave in a single plane, which contains the direction of travel; sound cannot be polarised because its oscillations are along the direction of travel, so there is no plane to select.

    ไทย

    การโพลาไรเซชัน หมายถึงการทำให้คลื่นขวางสั่นในระนาบเดียวเท่านั้น

    • มีเพียง คลื่นขวาง เท่านั้นที่สามารถโพลาไรซ์ได้ — การสั่นตั้งฉากกับทิศทางการเดินทาง ดังนั้นระนาบตั้งฉากต่างๆ จึงเป็นทางเลือกที่เป็นจริง
    • คลื่นยาว (เสียง) ไม่สามารถโพลาไรซ์ได้ — การสั่นไปตามทิศทางการเดินทาง ดังนั้นไม่มีระนาบอื่น

    ดังนั้น การโพลาไรเซชันจึงเป็นการทดสอบ: ถ้าคลื่นสามารถโพลาไรซ์ได้ มันต้องเป็นคลื่นขวาง

    แผนภาพสองแบบตามทิศทางการพลังงานคลื่น: คลื่นที่ไม่มีการโพลาไรซ์ที่มีลูกศรคู่สีแดงชี้ไปในหลายระนาบ, และคลื่นที่มีการโพลาไรซ์ที่มีลูกศรคู่สีแดงเดียวในระนาบใดระนาบหนึ่ง
    คลื่นที่ไม่มีการโพลาไรซ์สั่นในหลายระนาบ; คลื่นที่มีการโพลาไรซ์สั่นในระนาบเดียว

    ไม้บรรทัดวัดมุมพลาสติกใสเรืองแสงเป็นแถบสีรุ้งบนพื้นหลังสีดำ *ไม้บรรทัดวัดมุมพลาสติกโปร่งแสงวางอยู่ระหว่างตัวกรองโพลาไรเซอร์ที่ไขว้กัน แสงเข้าถึงตาคุณเพราะพลาสติกที่เครียดหมุนระนาบการโพลาไรเซชัน — สีแสดงตำแหน่งที่พลาสติกบีบอัดมากที่สุด หากเป็นแสงธรรมดาจะดูโปร่งใสเท่านั้น

    กฎของมาลัส

    แสง โพลาไรซ์ระนาบ ที่มีความเข้ม $I_{0}$ ผ่าน ตัวกรองโพลาไรเซอร์ ที่มี แกนส่งผ่าน ทำมุม $\theta$ กับระนาบการโพลาไรเซชัน. ความเข้มที่ส่งผ่านกำหนดโดย กฎของมาลัส:

    $$I = I_{0} \cos^{2}\theta.$$
    • $\theta = 0°$: ตัวกรองจัดแนวกับการโพลาไรเซชัน, $I = I_{0}$, ทุกอย่างส่งผ่าน
    • $\theta = 90°$: ตัวกรองตั้งฉาก, $I = 0$, ถูกปิดกั้นทั้งหมด
    • $\theta = 60°$: $I = I_{0} \cos^{2} 60° = I_{0} \cdot 0.25 = I_{0}/4$.

    ตัวอย่างวิธีทำ. แสงโพลาไรซ์ระนาบที่ความเข้ม $12\ \text{W m}^{-2}$ gặpตัวกรองโพลาไรเซอร์whose axis at $30°$ to the plane of polarisation. Find the transmitted intensity.

    $$I = I_{0}\cos^{2}\theta = 12 \times \cos^{2} 30° = 12 \times 0.75 = 9.0\ \text{W m}^{-2}.$$
    แสงที่ไม่มีการโพลาไรซ์ผ่านโพลาริเซอร์กลายเป็นแสงโพลาไรซ์ระนาบ แล้วพบกับอะนาลายเซอร์: ใน (a) แกนส่งผ่านของอะนาลายเซอร์ไขว้กัน (ตั้งฉาก) ไม่มีแสงผ่าน; ใน (b) ขนานกัน และแสงโพลาไรซ์ส่งผ่าน
    เกร็ดกรองตัดกัน (a) กั้นแสง; เกร็ดกรองขนานกัน (b) ให้แสงผ่าน

    สำหรับตัวกรองสองตัวเรียงกัน ใช้กฎของมาลัสสองครั้งพร้อมมุมระหว่างแต่ละคู่ ระวังเรื่องมุมทุกครั้ง — หลังตัวกรองแรก การโพลาไรเซชันจะอยู่ในทิศทางของแกนตัวกรองนั้น และมุมของตัวกรองที่สองจะวัดจากจุดนั้น

    (คุณไม่จำเป็นต้องคำนวณผลของตัวกรองโพลาไรเซอร์ต่อคลื่นที่ไม่มีการโพลาไรซ์)

    เมื่อตัวกรองถูกหมุนผ่าน $360°$ หน้าแสงโพลาไรซ์ระนาบ ความเข้มที่ส่งผ่านจะแปรผันตาม $\cos^{2}\theta$: สูงสุดเมื่อแกนส่งขนานกับระนาบการโพลาไรซ์ ($0°$ และ $180°$), เป็นศูนย์เมื่อตั้งฉาก ($90°$ และ $270°$), และไม่เคยเป็นค่าลบ เนื่องจาก $I \propto A^{2}$, แอมพลิจูดที่ส่งผ่านคือ $A_{0}\cos\theta$: ที่ $45°$ ความเข้มลดลงครึ่งหนึ่งและแอมพลิจูดลดลงเหลือ $0.71$ ของค่าเดิม สำหรับตัวกรองสองตัว ตัวกรองแรกกำหนดระนาบการโพลาไรซ์ตามแกนของมันเอง ดังนั้นมุมของตัวกรองที่สองจึงวัดจากแกนนั่น: แสงโพลาไรซ์แนวตั้งผ่านตัวกรองที่ $50°$ แล้วตามด้วย $80°$ จากแนวตั้ง จะคงไว้ซึ่ง $\cos^{2} 50° \times \cos^{2} 30° = 0.31$ ของความเข้มเดิม นิยามแบบ 1 คะแนน: การโพลาไรซ์คือการสั่นของคลื่นขวางในระนาบเดียว ซึ่งรวมทิศทางของการเคลื่อนที่; เสียงไม่สามารถโพลาไรซ์ได้เพราะการสั่นของเสียงอยู่ในทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ จึงไม่มีระนาบใดให้เลือก

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Polarisation intensity lab · ⁨ห้องปฏิบัติการความเข้มโพลาไรเซชัน⁩

    intensity changes with polariser angle · ⁨ความเข้มเปลี่ยนแปลงตามมุมของโพลาไรเซอร์⁩

    Rotate a polariser and see why only transverse waves can be polarised. · ⁨หมุนแผ่นโพลาไรเซอร์เพื่อดูว่าทำไมเพียงคลื่นขวางเท่านั้นที่เกิดโพลาไรเซชันได้⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    intensity/ɪnˈtensɪti/ ความเข้ม
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    point source/pɔɪnt sɔːs/ แหล่งกำเนิดแบบจุด (point source)
    source/sɔːs/ แหล่งผลิต
    wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ หน้าคลื่น
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ ตั้งฉาก
    electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
    sine curve/saɪn kɜːv/ Executes sine curve
    compression/kəmˈpreʃn/ การอัดตัว
    polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ การทำให้มีขั้ว
    polarising filter/ˈpəʊləraɪzɪŋ ˈfɪltə/ ฟิลเตอร์โพลาไรซ์
    Malus's law/ˈmæləsɪz lɔː/ กฎของมาลัส
    plane-polarised/pleɪn ˈpəʊləraɪzd/ โพลาไรซ์ระนาบ
    transmission axis/trænˈsmɪʃn ˈæksɪs/ แกนส่งผ่าน
    γ-rays/ˈɡæmə reɪz/ รังสีแกมมา
    gamma-rays/ˈɡæmə reɪz/ รังสีแกมมา
    7.5

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    progressive wave a wave that transfers energy from one place to another without transferring matter
    transverse wave a wave whose oscillations are perpendicular to the direction of energy transfer
    longitudinal wave a wave whose oscillations are parallel to the direction of energy transfer
    displacement the distance of a particle from its equilibrium (rest) position, in a stated direction
    amplitude the maximum displacement of a particle from its equilibrium position
    wavelength the minimum distance between two points on the wave that are in phase (for example, adjacent crests)
    period the time for one complete oscillation of a particle (or for the wave to travel one wavelength)
    frequency the number of oscillations per unit time (or the number of wavefronts passing a point per unit time)
    phase difference the fraction of a cycle, as an angle, by which one oscillation leads or lags another
    intensity the power per unit area, at right angles to the direction of travel
    Doppler effect the change in the observed frequency of a wave when the source moves relative to the observer
    polarisation the oscillations of a transverse wave are in one plane only, containing the direction of travel
    time-base the time represented by one division across the screen of a CRO
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    คลื่นประนีประนอม คลื่นที่ถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่มีการถ่ายโอนมวลสาร
    คลื่นขวาง คลื่นที่มีการสั่นตั้งฉากกับทิศทางการถ่ายโอนพลังงาน
    คลื่นยาว คลื่นที่มีการสั่นขนานกับทิศทางการถ่ายโอนพลังงาน
    การกระจัด ระยะทางของอนุภาคจากตำแหน่งสมดุล (休憩) ของมัน ในทิศทางที่กำหนด
    แอมพลิจูด การกระจัดสูงสุดของอนุภาคจากตำแหน่งสมดุล
    ความยาวคลื่น ระยะห่างขั้นต่ำระหว่างสองจุดบนคลื่นที่มีเฟสเดียวกัน (เช่น ยอดคลื่นติดกัน)
    Period เวลาสำหรับการสั่นครบรอบหนึ่งรอบของอนุภาค (หรือเพื่อให้คลื่นเคลื่อนที่ไปหนึ่งความยาวคลื่น)
    ความถี่ จำนวนรอบการสั่นต่อหน่วยเวลา (หรือจำนวนหน้าคลื่นที่ผ่านจุดหนึ่งต่อหน่วยเวลา)
    ความต่างเฟส ส่วนหนึ่งของรอบการสั่น ในรูปของมุม โดยที่การสั่นหนึ่ง超前หรือ滞后 อีกการสั่นหนึ่ง
    ความเข้ม กำลังงานต่อหน่วยพื้นที่ ในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่
    ผลดอปเพลอร์ การเปลี่ยนแปลงของความถี่ที่สังเกตได้ของคลื่น เมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่สัมเทียบกับผู้สังเกต
    การโพลาไรซ์ การสั่นของคลื่นขวางมีเพียงในระนาบเดียว ซึ่งรวมทิศทางการเคลื่อนที่
    Time-base เวลาที่แทนด้วยหนึ่งช่องบนหน้าจอของ CRO
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    period/ˈpɪərɪəd/ รอบ
    hertz/hɜːts/ เฮิร์ตซ์
    speed/spiːd/ ความเร็ว
    radian/ˈreɪdɪən/ เรเดียน
    cathode-ray oscilloscope/ˈkæθəʊd reɪ ɒˈsɪləskəʊp/ ออสซิลโลสโคปรังสีแคโทด
    time-base/taɪm beɪs/ ฐานเวลา
    7.5

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Define terms precisely (displacement, amplitude, wavelength, period, frequency) and use $v = f\lambda$.
    • Distinguish transverse (vibration perpendicular to travel) from longitudinal (parallel); only transverse waves can be polarised.
    • For the Doppler effect, the observed frequency rises as the source approaches and falls as it recedes.
    • Learn the electromagnetic spectrum order; all its waves travel at $c$ in a vacuum.

    Common mistakes

    • A phase difference bigger than one cycle, or degrees where radians were asked. Only the fraction of a cycle matters: $450°$ is $90°$, and $90°$ is $\pi/2$.
    • Reading the wavelength from a displacement–time graph. That graph gives the period; the wavelength comes from the displacement–distance graph.
    • Doubling the amplitude and "doubling" the intensity. Intensity goes as the amplitude squared: four times.
    • Choosing the Doppler sign by feel. Towards means minus on the bottom (frequency up); away means plus (frequency down). Check that the answer lies on the right side of $f_{\text{s}}$.
    • Using the first filter's angle for the second. After a filter the light is polarised along that filter's axis, and the next angle is measured from there.
    • Saying that sound can be polarised. Only transverse waves can.
    ไทย
    • นิยามศัพท์ให้ชัดเจน (การกระจัด, แอมพลิจูด, ความยาวคลื่น, period, ความถี่) และใช้ $v = f\lambda$.
    • แยกแยะ คลื่นขวาง (สั่นตั้งฉากกับการเคลื่อนที่) ออกจาก คลื่นยาว (ขนาน); มีเพียงคลื่นขวางเท่านั้นที่จะสามารถ โพลาไรซ์ ได้
    • สำหรับ ผลดอปเพลอร์, ความถี่ที่สังเกตได้จะ เพิ่มขึ้น เมื่อแหล่งกำเนิดเข้าใกล้และลดลงเมื่อถอยห่าง
    • จำลำดับของ สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า; คลื่นทั้งหมดเดินทางด้วยความเร็ว $c$ ในสุญญากาศ

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • ความต่างเฟสมากกว่าหนึ่งรอบ หรือองศาที่ถามเป็นเรเดียน สิ่งที่สำคัญคือส่วนหนึ่งของรอบ: $450°$ คือ $90°$, และ $90°$ คือ $\pi/2$
    • การอ่านค่าความยาวคลื่นจากกราฟการกระจัด–เวลา กราฟนั้นให้ค่า period; ค่าความยาวคลื่นมาจากกราฟการกระจัด–ระยะทาง
    • การเพิ่มแอมพลิจูดเป็นสองเท่าและ "เพิ่ม" ความเข้มเป็นสองเท่า ความเข้มแปรผันตามกำลังสองของแอมพลิจูด: สี่เท่า
    • เลือกเครื่องหมายผลดอปเพลอร์ด้วยการรู้สึก Towards หมายความว่าลบด้านล่าง (ความถี่ขึ้น); Away หมายความว่าบวก (ความถี่ลง) ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคำตอบอยู่ทางด้านขวาของ $f_{\text{s}}$
    • ใช้มุมของตัวกรองแรกสำหรับตัวกรองที่สอง หลังผ่านตัวกรองแล้วแสงจะถูกโพลาไรซ์ตามแกนของตัวกรองนั้น และมุมถัดไปจะวัดจากจุดนั้น
    • บอกว่าเสียงสามารถโพลาไรซ์ได้ มีเพียงคลื่นขวางเท่านั้นที่จะทำได้
  • 8

    Superposition · ⁨การซ้อนทับ⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    8.1

    Principle of superposition · ⁨หลักการซ้อนทับ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. explain and use the principle of superposition
    2. show an understanding of experiments that demonstrate stationary waves using microwaves, stretched strings and air columns (it will be assumed that end corrections are negligible; knowledge of the concept of end corrections is not required)
    3. explain the formation of a stationary wave using a graphical method, and identify nodes and antinodes
    4. understand how wavelength may be determined from the positions of nodes or antinodes of a stationary wave
    ไทย
    1. อธิบายและใช้ หลักการซ้อนทับ
    2. แสดงความเข้าใจในการทดลองที่สาธิต คลื่นนิ่ง โดยใช้ไมโครเวฟ, เชือกตึง และคอลัมน์อากาศ (จะถือว่าค่าแก้ไขปลายมีค่าน้อยมาก; ไม่จำเป็นต้องรู้แนวคิดเรื่องค่าแก้ไขปลาย)
    3. อธิบายการเกิดคลื่นนิ่งโดยใช้วิธีกราฟิก และระบุตำแหน่ง โหนด และ แอนติโหนด
    4. เข้าใจวิธีการหา ความยาวคลื่น จากตำแหน่งของโหนดหรือแอนติโหนดของคลื่นนิ่ง

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Two waves make a standing wave

    When two or more waves 波 overlap at a point, the displacement 位移 there is the vector sum 矢量和 of the displacements each wave would make on its own. This is the principle of superposition 叠加.

    The waves pass through each other and come out unchanged. Superposition is the base of everything in this topic.

    For the two-mark statement: when two or more waves meet at a point, the resultant displacement is the sum of the displacements of the individual waves. It is the displacements that add, not the amplitudes or the intensities, and the principle applies whenever waves of the same type overlap; the waves do not have to be coherent or of equal amplitude.

    If two waves of amplitude 振幅 $A_{1}$ and $A_{2}$ meet:

    • in phase 同相 (crest 波峰 meets crest): the amplitude is $A_{1} + A_{2}$ (constructive interference 相长干涉).
    • exactly out of phase (crest meets trough 波谷, phase difference 相位差 $\pi$): the amplitude is $|A_{1} - A_{2}|$ (destructive interference 相消干涉).
    • any other phase difference $\phi$: the amplitude is somewhere between these two.

    For intensity 强度, $I \propto A^{2}$. Two equal waves meeting in phase give intensity $(2A)^{2} = 4A^{2}$ — four times the intensity of one wave alone.

    Because $I \propto A^{2}$, work in amplitudes first. Two waves of intensities $I$ and $4I$ have amplitudes $A$ and $2A$: superposing in phase gives amplitude $3A$ and intensity $9I$, in antiphase amplitude $A$ and intensity $I$. So two coherent waves of different intensities never cancel completely: the minima have intensity $(A_{2} - A_{1})^{2}$, not zero. A wave of amplitude $2A$ meeting one of amplitude $A/2$ travelling the opposite way gives a resultant that varies between $2.5A$ and $1.5A$, a stationary pattern with no true nodes. Doubling the amplitude of one of two equal waves that meet in phase takes the resultant from $2A$ to $3A$, so the intensity rises from $4A^{2}$ to $9A^{2}$: $2.25$ times.

    ไทย
    คลื่นสองลูกสร้างคลื่นนิ่ง

    เมื่อคลื่นสองลูกหรือมากกว่ามาบรรจบกันที่จุดหนึ่ง การกระจัด ที่จุดนั้นจะเป็น ผลรวมเวกเตอร์ ของการกระจัดที่แต่ละคลื่นจะทำให้เกิดหากมันอยู่เดี่ยวๆ นี่คือ หลักการซ้อนทับ

    คลื่นเหล่านี้ทะลุผ่านกันและออกมาโดยไม่เปลี่ยนแปลง การซ้อนทับเป็นพื้นฐานของทุกสิ่งในเรื่องนี้

    สำหรับประโยค 2 คะแนน: เมื่อคลื่นสองลูกหรือมากกว่ามาบรรจบกันที่จุดหนึ่ง ผลรวมการกระจัดจะเป็นผลรวมของการกระจัดของคลื่นแต่ละลูก การกระจัดคือสิ่งที่ถูกนำมารวมกัน ไม่ใช่แอมพลิจูดหรือความเข้ม และหลักการนี้ใช้ได้ whenever คลื่นชนิดเดียวกันซ้อนทับกัน; คลื่นไม่จำเป็นต้องเป็น coherent หรือมีแอมพลิจูดเท่ากัน

    หากคลื่นสองลูกที่มี แอมพลิจูด $A_{1}$ และ $A_{2}$ มาบรรจบกัน:

    • in phase (crest เจอกับ crest): แอมพลิจูดคือ $A_{1} + A_{2}$ (constructive interference).
    • Exactly out of phase (crest เจอกับ trough, phase difference $\pi$): แอมพลิจูดคือ $|A_{1} - A_{2}|$ (destructive interference).
    • ความต่างเฟสอื่น ๆ $\phi$: แอมพลิจูดจะอยู่ที่บางจุดระหว่างสองกรณีนี้
    Two identical waves drawn in phase, one above the other, adding to give a resultant wave of twice the amplitude
    Two waves arriving in phase add to give double the amplitude (constructive)
    Two identical waves drawn exactly out of phase adding to give a flat resultant line of zero amplitude
    Two waves arriving exactly out of phase cancel to zero (destructive)

    สำหรับ ความเข้ม, $I \propto A^{2}$. คลื่นสองลูกเท่ากันมาบรรจบกันแบบ in phase ให้ความเข้ม $(2A)^{2} = 4A^{2}$ — สี่เท่า ของความเข้มของคลื่นเดียว

    เนื่องจาก $I \propto A^{2}$ ให้ทำงานกับแอมพลิจูดก่อนคลื่นสองคลื่นที่มีความเข้ม $I$ และ $4I$ มีแอมพลิจูด $A$ และ $2A$: การซ้อนทับในเฟสให้แอมพลิจูด $3A$ และความเข้ม $9I$, ในเฟสตรงข้ามแอมพลิจูด $A$ และความเข้ม $I$. ดังนั้น คลื่น cohorent สองคลื่นที่มีความเข้มต่างกันจะไม่หักล้างกันสนิท: จุดต่ำสุดมีความเข้ม $(A_{2} - A_{1})^{2}$, ไม่ใช่ศูนย์. คลื่นที่มีแอมพลิจูด $2A$ พบกับคลื่นที่มีแอมพลิจูด $A/2$ ที่เคลื่อนที่ไปทางตรงข้าม จะได้ผลรวมที่แปรผันระหว่าง $2.5A$ และ $1.5A$, เป็นรูปแบบนิ่งที่มีโหนดจริง (true nodes) ไม่มี. การเพิ่มแอมพลิจูดของคลื่นหนึ่งจากคลื่นเท่ากันสองคลื่นที่ซ้อนทับกันในเฟส ทำให้ผลรวมเปลี่ยนจาก $2A$ เป็น $3A$, ดังนั้นความเข้มเพิ่มขึ้นจาก $4A^{2}$ เป็น $9A^{2}$: $2.25$ เท่า.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Adding two waves · ⁨การบวกคลื่นสองคลื่น⁩

    Two waves overlap and add. Line them up for constructive interference, or oppose them for destructive — change the phase to see both. · ⁨คลื่นสองคลื่นทับซ้อนและ บวกกัน เรียงให้เข้าที่เพื่อการเสริมกัน หรือต้านกันเพื่อการหักล้าง — ปรับเฟสเพื่อดูทั้งสองกรณี⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ แอมพลิจูด
    coherent/kəʊˈhɪərənt/ มีความสอดคล้องกัน (coherent)
    in phase/ɪn feɪz/ อยู่ในเฟสเดียวกัน
    crest/krest/ ยอดcrest
    constructive interference/kənˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ การแทรกสอดแบบเสริมกัน
    interference/ˌɪntəˈfɪərəns/ การแทรกแซง
    trough/trɒf/ trough
    phase difference/feɪz ˈdɪfrəns/ ความต่างเฟส
    destructive interference/dɪˈstrʌktɪv ˌɪntəˈfɪərəns/ การแทรกสอดแบบหักล้างกัน
    node/nəʊd/ โหนด
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    8.1

    Stationary (standing) waves · ⁨คลื่นนิ่ง (standing waves)⁩

    English

    When two identical progressive waves 行波 travel in opposite directions and overlap, they make a stationary wave 驻波. Examples: a wave on a string reflected 反射 from a fixed end overlapping the incoming wave; sound in an air column reflected from a closed end; microwaves between an emitter and a metal sheet.

    Explain how the stationary wave is formed (three or four marks, asked for a string, an air column and microwaves alike): the wave from the source travels to the far end (the wall, the closed end, the metal plate) and is reflected; the incident and reflected waves have the same frequency, wavelength and speed and travel in opposite directions; they superpose where they overlap; at the points where they always meet in phase the displacements add to give the maximum amplitude, an antinode, and at the points where they always meet in antiphase they cancel, a node. For "state the conditions": two waves of the same type, with the same frequency (and wavelength) and speed, travelling in opposite directions along the same line; equal amplitudes are needed only for the nodes to have zero amplitude. The metal plate in the microwave experiment is there to reflect the waves back along their own path.

    Nodes and antinodes

    In a stationary wave:

    • node 波节 — a point that is always at zero displacement (the two waves always cancel). The distance between next-door nodes is $\lambda/2$.
    • antinode 波腹 — a point of largest amplitude (the two waves always add). The distance between next-door antinodes is $\lambda/2$.
    • a node and the next antinode are $\lambda/4$ apart.

    Particles between two nodes oscillate in phase with each other, but with different amplitudes (largest at the antinode, zero at the nodes). Particles on opposite sides of a node oscillate in antiphase 反相 (phase difference $\pi$).

    So the phase difference between two points on the same loop (between adjacent nodes) is $0°$; between points on neighbouring loops it is $180°$; and between points on loops separated by one whole loop it is $0°$ again. Every point reaches its maximum displacement at the same instant and passes through zero at the same instant. A sketch of the string a quarter of a cycle after the instant of maximum displacement is a straight line along the rest position; half a cycle later it is the mirror image of the first sketch. In one period a particle at an antinode travels four amplitudes, so a particle that moves $72\ \text{mm}$ in one and a half periods has an amplitude of $12\ \text{mm}$.

    Worked example. A string of length $0.80\ \text{m}$ is fixed at both ends and vibrates in its fundamental mode, where the wave speed is $240\ \text{m s}^{-1}$. Find the fundamental frequency.

    One loop fits the string, so $\lambda = 2L = 1.60\ \text{m}$. Then

    $$f = \frac{v}{\lambda} = \frac{240}{1.60} = 150\ \text{Hz}.$$

    How a stationary wave differs from a progressive wave: it does not carry energy 能量 along its length, the pattern does not move along, and the nodes stay fixed; a progressive wave has the same amplitude everywhere and carries energy. The three differences the scheme lists: a progressive wave transfers energy and a stationary wave does not; in a progressive wave every point has the same amplitude, in a stationary wave the amplitude varies from zero at a node to a maximum at an antinode; in a progressive wave neighbouring points differ in phase, in a stationary wave all the points between two nodes are in phase.

    Measuring wavelength from node spacing

    Drive a string with a vibrator at frequency $f$ until a stationary pattern appears. Measure the distance between two well-separated nodes and divide by the number of half-wavelengths 波长 between them. Then $\lambda$ is known, and $v = f\lambda$ gives the wave speed.

    For a tube closed at one end and open at the other (a resonance tube 共鸣管), the closed end is a displacement node and the open end is a displacement antinode. The fundamental 基频 has $L = \lambda/4$; the next resonance is at $L = 3\lambda/4$; and so on. For a tube open at both ends, both ends are antinodes; the fundamental is at $L = \lambda/2$.

    The general rule: a closed end is a node and an open end an antinode, and a string fixed at both ends has a node at each end. So a closed pipe fits an odd number of quarter-wavelengths ($L = \lambda/4, 3\lambda/4, 5\lambda/4, \ldots$), while an open pipe and a fixed string fit whole half-wavelengths ($L = \lambda/2, \lambda, 3\lambda/2, \ldots$); a pipe open at both ends with $n$ nodes has $n + 1$ antinodes. Frequencies follow from $f = v/\lambda$: a closed pipe whose lowest note is $820\ \text{Hz}$ has $\lambda = 4L$, and a corridor $13.2\ \text{m}$ long with a reflecting door at each end resonates lowest at $f = v/2L = 330/26.4 = 12.5\ \text{Hz}$.

    Worked example. A loudspeaker at the open end of a tube $0.51\ \text{m}$ long, closed at the other end, sets up a stationary wave with two nodes and two antinodes. Find the wavelength and, with $v = 340\ \text{m s}^{-1}$, the frequency.

    Two nodes and two antinodes is the second mode of a closed pipe, $L = 3\lambda/4$, so $\lambda = 4 \times 0.51 / 3 = 0.68\ \text{m}$ and $f = 340 / 0.68 = 500\ \text{Hz}$. The longest wavelength that can resonate in this tube is $4L = 2.0\ \text{m}$.

    The experiments the syllabus names all measure $\lambda$ from node or antinode spacing. In the resonance tube, a tube is raised out of water while a loudspeaker or tuning fork sounds at its open end; the sound is suddenly loud at the first resonance, when the air column is $\lambda/4$ long, and again at $3\lambda/4$, so the tube moves $\lambda/2$ between the two (a student needs no equipment to detect the resonance: the note becomes loud). In a dust tube, fine powder settles into heaps at the displacement nodes, $\lambda/2$ apart. With microwaves, a receiver moved along the line between the transmitter and a metal reflecting plate reads a minimum every $\lambda/2$: a receiver that starts at a minimum and passes six more minima in $1.05\ \text{m}$ has crossed $3\lambda$, so $\lambda = 0.35\ \text{m}$ and, with $v = 340\ \text{m s}^{-1}$ for the equivalent sound experiment, $f = 970\ \text{Hz}$. A stationary wave in a microwave oven melts chocolate at the antinodes, $\lambda/2$ apart, so the spot spacing and the oven's frequency ($2.45\ \text{GHz}$) give the speed of light from $c = f\lambda$.

    ไทย

    เมื่อ คลื่นหน้า (progressive waves) แบบเดียวกันสองคลื่นเคลื่อนที่ใน ทิศทางตรงกันข้าม และซ้อนทับกัน จะเกิด คลื่นนิ่ง. ตัวอย่าง: คลื่นบนสาย สะท้อน จากปลายตรึง ซ้อนทับกับคลื่นที่เข้ามา; เสียงในคอลัมน์อากาศสะท้อนจากปลายปิด; ไมโครเวฟระหว่างตัวส่งและแผ่นโลหะ.

    อธิบายการเกิดคลื่นนิ่ง (สามหรือสี่คะแนน, ถามสำหรับสาย คอลัมน์อากาศ และไมโครเวฟเหมือนกัน): คลื่นจากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ไปยังปลายด้านไกล (กำแพง ปลายปิด หรือแผ่นโลหะ) และ สะท้อน; คลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนมีความถี่ ความยาวคลื่น และความเร็วเท่ากัน และเคลื่อนที่ใน ทิศทางตรงกันข้าม; พวกมัน ซ้อนทับ เมื่อซ้อนทับกัน; ที่จุดที่พวกมันพบกันเสมอในเฟส การกระจัดบวกกันเพื่อให้ได้แอมพลิจูดสูงสุด คือแอนติโหนด, และที่จุดที่พวกมันพบกันเสมอในเฟสตรงข้าม พวกมันหักล้างกัน เป็นโหนด. สำหรับ "ระบุเงื่อนไข": คลื่นสองชนิดเดียวกัน มีความถี่ (และความยาวคลื่น) และความเร็วเท่ากัน เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามตามเส้นตรงเดียวกัน; แอมพลิจูดเท่ากันจำเป็นต่อโหนดเพื่อให้ความเข้มเป็นศูนย์เท่านั้น. แผ่นโลหะในการทดลองไมโครเวฟมีไว้เพื่อสะท้อนคลื่นกลับไปตามเส้นทางเดิม.

    ภาพ snapshots ห้าชุดซ้อนกันที่ t = 0, T/4, T/2, 3T/4 และ T แสดงคลื่นหน้าสองคลื่นเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามและผลรวมของพวกมัน พร้อมโหนด (N) และแอนติโหนด (A) ที่กำหนดไว้ด้านบน
    คลื่นนิ่งเกิดขึ้นเมื่อคลื่นตรงกันข้ามสองคลื่นซ้อนทับกัน (N แทนโหนด, A แทนแอนติโหนด)

    โหนดและแอนติโหนด

    ในคลื่นนิ่ง:

    • โหนด (node) — จุดที่มีค่าการกระจัดเป็นศูนย์เสมอ (คลื่นทั้งสองจะหักล้างกันเสมอ) ระยะห่างระหว่างโหนดที่อยู่ติดกันคือ $\lambda/2$
    • แอนติโหนด — จุดที่มีแอมพลิจูดสูงสุด (คลื่นทั้งสองบวกกันเสมอ). ระยะห่างระหว่างแอนติโหนดติดกันคือ $\lambda/2$.
    • โหนดและแอนติโหนดถัดไปอยู่ห่างกัน $\lambda/4$.

    อนุภาคระหว่างโหนดสองจุดสั่น ในเฟส กับกันเอง แต่มีแอมพลิจูดต่างกัน (มากที่สุดในแอนติโหนด, เป็นศูนย์ที่โหนด). อนุภาคบนฝั่งตรงข้ามของโหนดสั่นใน เฟสตรงข้าม (ความต่างเฟส $\pi$).

    ดังนั้น ความต่างเฟสระหว่างจุดสองจุดบนลูปเดียวกัน (ระหว่างโหนดติดกัน) คือ $0°$; ระหว่างจุดบนลูปคู่ขนานคือ $180°$; และระหว่างจุดบนลูปที่แยกออกจากกันด้วยลูปเต็มหนึ่งรอบคือ $0°$ อีกครั้ง. ทุกจุดถึงความกระจัดสูงสุดในเวลาเดียวกันและผ่านจุดศูนย์ในเวลาเดียวกัน. ภาพวาดของสายหลังจากช่วงเวลาของความกระจัดสูงสุด四分之一รอบคือเส้นตรงตามตำแหน่งพัก; หลังครึ่งรอบคือภาพสะท้อนของภาพวาดแรก. ในช่วงเวลาหนึ่งรอบ อนุภาคที่แอนติโหนดเดินทางสี่เท่าของแอมพลิจูด, ดังนั้น อนุภาคที่เคลื่อนที่ $72\ \text{mm}$ ในหนึ่งและครึ่งรอบจะมีแอมพลิจูด $12\ \text{mm}$.

    สายตึงสั่นในโหมดพื้นฐาน: ลูปเดียวพร้อมโหนดที่ปลายตรึงแต่ละข้างและแอนติโหนดตรงกลาง, ความยาว L เท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น
    โหมดพื้นฐานบนสายตึง — ลูปเดียว, โดยที่ L เท่ากับครึ่งของความยาวคลื่น

    ตัวอย่างวิธีทำ. สายยาว $0.80\ \text{m}$ ตอกบอกร้อย.exists และสั่นในโหมดพื้นฐาน, ซึ่งความเร็วคลื่นคือ $240\ \text{m s}^{-1}$. หาความถี่พื้นฐาน.

    ลูปเดียวพอดีกับสาย, ดังนั้น $\lambda = 2L = 1.60\ \text{m}$. จากนั้น

    $$f = \frac{v}{\lambda} = \frac{240}{1.60} = 150\ \text{Hz}.$$

    ความแตกต่างของคลื่นนิ่งจากคลื่นหน้า: มันไม่ส่ง พลังงาน ตามความยาวของมัน, รูปแบบไม่เคลื่อนที่ไปตาม, และโหนดคงที่; คลื่นหน้ามีแอมพลิจูดเท่ากันทุกจุดและส่งพลังงาน. ความแตกต่างสามอย่างที่แผนข้อสอบระบุ: คลื่นหน้าถ่ายโอนพลังงานและคลื่นนิ่งไม่; ในคลื่นหน้าทุกจุดมีแอมพลิจูดเท่ากัน, ในคลื่นนิ่งแอมพลิจูดแปรผันจากศูนย์ที่โหนดถึงสูงสุดที่แอนติโหนด; ในคลื่นหน้าจุดติดกันมีความต่างเฟส, ในคลื่นนิ่งทุกจุดระหว่างโหนดสองจุดอยู่ในเฟสเดียวกัน.

    วัดความยาวคลื่นจากความห่างของโหนด

    ขับเคลื่อนสายด้วยวібраторที่ความถี่ $f$ จนกว่ารูปแบบนิ่งจะปรากฏ. วัดระยะห่างระหว่างโหนดสองจุดที่ห่างกันดีและหารด้วยจำนวนครึ่ง-ความยาวคลื่น ระหว่าง них. แล้ว $\lambda$Known, และ $v = f\lambda$ให้ความเร็วคลื่น.

    สำหรับท่อปิดที่ปลายด้านหนึ่งและเปิดที่อีกด้านหนึ่ง (ท่อเรโซแนนซ์), ปลายปิดเป็นโหนดการกระจัดและปลายเปิดเป็นแอนติโหนดการกระจัด. พื้นฐาน มี $L = \lambda/4$; เรโซแนนซ์ถัดไปอยู่ที่ $L = 3\lambda/4$; และอื่นๆ. สำหรับท่อเปิดทั้งสองด้าน ปลายทั้งสองเป็นแอนติโหนด; พื้นฐานอยู่ที่ $L = \lambda/2$.

    กฎทั่วไป: ปลายปิดคือจุดกึ่ง standing wave และปลายเปิดคือจุดกึ่ง standing wave最大 และสายที่ยึดติดกันทั้งสองด้านจะมีจุดกึ่ง standing wave ที่ปลายแต่ละข้าง ดังนั้นท่อปิดจะรองรับจำนวนครึ่งความยาวคลื่นเป็นเลขคี่ ($L = \lambda/4, 3\lambda/4, 5\lambda/4, \ldots$) ในขณะที่ท่อเปิดและสายที่ยึดติดกันจะรองรับจำนวนเต็มของความยาวคลื่นครึ่งหนึ่ง ($L = \lambda/2, \lambda, 3\lambda/2, \ldots$); ท่อที่เปิดทั้งสองด้านซึ่งมี $n$ จุดกึ่ง standing wave จะมี $n + 1$ จุดกึ่ง standing wave最大. ความถี่สามารถหาได้จาก $f = v/\lambda$: ท่อปิดที่มีโน้ตต่ำสุดที่ $820\ \text{Hz}$ จะมี $\lambda = 4L$, และทางเดินยาว $13.2\ \text{m}$ ที่มีประตูสะท้อนเสียงที่ปลายทั้งสองข้างจะเกิดเสียงดังที่สุดที่ $f = v/2L = 330/26.4 = 12.5\ \text{Hz}$.

    หอคอยอากาศห้าช่องเรียงต่อกัน: ท่อปิดด้านหนึ่งในโหมดแรกสามแบบ โดยมีจุดกึ่ง standing wave ที่ปลายปิดและจุดกึ่ง standing wave最大 ที่ปลายเปิด และ L เท่ากับหนึ่งสี่, สามสี่ และห้าสี่ของความยาวคลื่น; และท่อเปิดทั้งสองด้านในโหมดแรกสองแบบ โดยมีจุดกึ่ง standing wave最大 ที่ปลายทั้งสองข้าง และ L เท่ากับความยาวคลื่นครึ่งหนึ่งและความยาวคลื่นหนึ่ง
    โหมดของหอคอยอากาศ: ปลายปิดคือจุดกึ่ง standing wave, ปลายเปิดคือจุดกึ่ง standing wave最大

    ตัวอย่างฝึกปฏิบัติ. ลำโพงอยู่ที่ปลายเปิดของท่อยาว $0.51\ \text{m}$ ปิดอีกด้านหนึ่ง สร้างคลื่นนิ่งที่มีจุดกึ่ง standing wave สองจุดและจุดกึ่ง standing wave最大 สองจุด หาความยาวคลื่น และด้วย $v = 340\ \text{m s}^{-1}$ หาความถี่

    จุดกึ่ง standing wave สองจุดและจุดกึ่ง standing wave最大 สองจุดคือโหมดที่สองของท่อปิด, $L = 3\lambda/4$, ดังนั้น $\lambda = 4 \times 0.51 / 3 = 0.68\ \text{m}$ และ $f = 340 / 0.68 = 500\ \text{Hz}$. ความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดที่สามารถเกิดเสียงดังที่สุดในท่อนี้คือ $4L = 2.0\ \text{m}$.

    การทดลองที่หลักสูตรระบุทั้งหมดวัด $\lambda$ จากระยะห่างระหว่างจุดกึ่ง standing wave หรือจุดกึ่ง standing wave最大. ใน หลอดเสียง, ท่อจะถูกยกขึ้นจากน้ำขณะที่ลำโพงหรือส้อมสั่นส่งเสียงที่ปลายเปิด; เสียงจะดังขึ้นอย่างฉับพลันที่การสั่นพ้องครั้งแรก เมื่อหอคอยอากาศยาว $\lambda/4$, และอีกครั้งที่ $3\lambda/4$, ดังนั้นท่อเคลื่อนที่ $\lambda/2$ ระหว่างสองจุดนี้ (นักเรียนไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือเพื่อตรวจจับการสั่นพ้อง: โน้ตจะกลายเป็นเสียงดัง). ใน หลอดฝุ่น, ฝุ่นละเอียดจะตกตัวเป็นกองอยู่ที่จุดกึ่ง standing wave การกระจัด, $\lambda/2$ ห่างกัน. ด้วย ไมโครเวฟ, ตัวรับสัญญาณที่เคลื่อนที่ไปตามเส้นระหว่างเครื่องส่งสัญญาณและแผ่นโลหะสะท้อนจะอ่านค่าต่ำสุดทุก $\lambda/2$: ตัวรับสัญญาณที่เริ่มจากค่าต่ำสุดและผ่านค่าต่ำสุดเพิ่มอีกหกครั้งใน $1.05\ \text{m}$ ได้ข้าม $3\lambda$, ดังนั้น $\lambda = 0.35\ \text{m}$ และ, ด้วย $v = 340\ \text{m s}^{-1}$ สำหรับการทดลองเสียงเทียบเท่า, $f = 970\ \text{Hz}$. คลื่นนิ่งในเตาไมโครเวฟทำให้ช็อกโกแลตละลายที่จุดกึ่ง standing wave最大, $\lambda/2$ ห่างกัน, ดังนั้นระยะห่างของจุดและความถี่ของเตา ($2.45\ \text{GHz}$) ให้ความเร็วแสงจาก $c = f\lambda$.

    ท่อปิดด้านล่างและเปิดด้านบน ยาว L, dengan kurva amplitudo perpindahan yang menunjukkan titik simpul (N) di ujung tertutup dan titik perut (A) di ujung terbuka
    โหมดพื้นฐานในท่อปิด — จุดกึ่ง standing wave ที่ปลายปิด, จุดกึ่ง standing wave最大 ที่ปลายเปิด
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Standing waves & harmonics · ⁨คลื่นนิ่งและฮาร์มอนิก⁩

    A string fixed at both ends only resonates at its harmonics. Drag n to see the nodes, antinodes and how the wavelength changes. · ⁨เชือกที่ยึดติดกันทั้งสองด้านจะเกิดสั่นพ้องเฉพาะที่ฮาร์มอนิก ลาก n เพื่อดูโหนด, แอนติโหนด และการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่น⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Stationary waves · ⁨คลื่นนิ่ง⁩

    y = y₁ + y₂

    Two waves superpose: where they reinforce you get antinodes, where they cancel, nodes. · ⁨คลื่นสองตัว ซ้อนทับ: ที่ซึ่งเสริมกันจะได้แอนติโหนด, ที่ซึ่งหักล้างกันได้โหนด⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    principle of superposition/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ หลักการ叠加 (superposition)
    superposition/ˌsuːpəpəˈzɪʃn/ การ叠加 (email: superposition)
    wave/weɪv/ คลื่น
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัด
    vector sum/ˈvektə sʌm/ ผลบวกเวกเตอร์
    progressive wave/prəˈɡresɪv weɪv/ คลื่นเคลื่อนที่
    stationary wave/ˈsteɪʃənəri weɪv/ คลื่นนิ่ง
    reflected/rɪˈflektɪd/ สะท้อน
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ ความยาวคลื่น
    fundamental/ˌfʌndəˈmentl/ พื้นฐาน
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    resonance tube/ˈrezənəns tjuːb/ ท่อเรโซแนนซ์
    8.2

    Diffraction · ⁨การหักเห⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. explain the meaning of the term diffraction
    2. show an understanding of experiments that demonstrate diffraction including the qualitative effect of the gap width relative to the wavelength of the wave; for example diffraction of water waves in a ripple tank
    ไทย
    1. อธิบายความหมายของคำว่า การหักเห
    2. แสดงความเข้าใจในการทดลองที่สาธิตการหักเห รวมถึงผลกระทบเชิงคุณภาพของ ความกว้างช่องเปิด เทียบกับ ความยาวคลื่น; ตัวอย่างเช่น การหักเหของคลื่นน้ำในอ่างน้ำ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Diffraction 衍射 is the spreading of a wave after it passes through a gap or around an obstacle 障碍物. All waves diffract — water, sound, light, microwaves.

    For the two-mark "state what is meant by diffraction": the spreading of a wave as it passes through a gap (an aperture) or around the edge of an obstacle, into the region behind it. Diffraction changes the direction the wave travels in, but not its speed, frequency or wavelength.

    The amount of spreading depends on the ratio of wavelength to gap width:

    • gap much wider than $\lambda$: very little spreading; the wave goes nearly straight through.
    • gap about the size of $\lambda$: a lot of spreading; the wave fans out.
    • gap smaller than $\lambda$: very strong spreading; the gap acts almost like a point source.

    Show this with water waves in a ripple tank 水波槽: straight waves meet a barrier with a gap, and the waves curve more as the gap is made narrower. The same idea is why you can hear someone around a corner (speech has $\lambda$ near 1 m, close to the gap size) but cannot see them (visible light has $\lambda \sim 500\ \text{nm}$, far smaller than the gap).

    For the strongest spreading the gap should be about one wavelength wide. So to increase the diffraction of a given wave, make the gap narrower; for a given gap, use a longer wavelength, which means a lower frequency. Radio waves of wavelength $1.5\ \text{km}$ diffract around a mountain and reach an aerial behind it; microwaves of $1.5\ \text{cm}$ do not. Sound of $0.44\ \text{kHz}$ in air has $\lambda = 330 / 440 = 0.75\ \text{m}$, so features of about $0.75\ \text{m}$ diffract it most, and of the sounds passing through a doorway $0.80\ \text{m}$ wide the low frequencies spread out most. Making the gap many wavelengths wide, or raising the frequency, reduces the spreading.

    ไทย

    การหักเห คือการแผ่ขยายของคลื่นหลังจากที่มันผ่านช่องว่างหรือรอบๆ สิ่งกีดขวาง. คลื่นทุกชนิดเกิดการหักเห — น้ำ, เสียง, แสง, ไมโครเวฟ.

    สำหรับข้อสอบคะแนนสอง "บอกความหมายของการหักเห": การแผ่ขยายของคลื่นขณะมันผ่านช่องว่าง (รูพรุน) หรือรอบขอบของสิ่งกีดขวาง, เข้าไปในพื้นที่ด้านหลังของมัน. การหักเหเปลี่ยนทิศทางที่คลื่นเดินทาง แต่ไม่เปลี่ยนความเร็ว, ความถี่ หรือความยาวคลื่นของมัน.

    ปริมาณการแผ่ขยายขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของ ความยาวคลื่นต่อความกว้างช่อง:

    • ช่อง กว้างกว่ามาก ของ $\lambda$: การแผ่ขยายน้อยมาก; คลื่นวิ่งผ่านเกือบตรง.
    • ช่อง ประมาณขนาดของ $\lambda$: การแผ่ขยายมาก; คลื่นกระจายออก.
    • ช่อง เล็กกว่า $\lambda$: การแผ่ขยายแรงมาก; ช่องทำหน้าที่เหมือนแหล่งกำเนิดจุดเกือบสนิท.

    แสดงสิ่งนี้ด้วยคลื่นน้ำใน อ่างripple: คลื่นตรงพบกำแพงที่มีช่องว่าง, และคลื่นโค้งมากขึ้นเมื่อช่องแคบลง. หลักการเดียวกันนี้คือเหตุผลที่คุณได้ยินคนอยู่หลังมุม (เสียงมีความยาวคลื่น $\lambda$ ใกล้ 1 m, ใกล้เคียงกับขนาดช่อง) แต่ไม่สามารถมองเห็นเขาได้ (แสงที่มองเห็นได้มีความยาวคลื่น $\lambda \sim 500\ \text{nm}$, เล็กกว่าช่องมาก).

    สำหรับการแผ่ขยายที่_SIM最, ช่องควรกว้างประมาณหนึ่งความยาวคลื่น. ดังนั้นเพื่อเพิ่มการหักเหของคลื่นที่กำหนดให้, ทำช่องให้แคบลง; สำหรับช่องที่กำหนดให้, ใช้ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า, ซึ่งหมายความว่าความถี่ต่ำกว่า. คลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่น $1.5\ \text{km}$ หักเหรอบภูเขาและเข้าถึงเสาอากาศที่อยู่เบื้องหลัง; ไมโครเวฟที่มีความยาว $1.5\ \text{cm}$ ไม่ทำเช่นนั้น. เสียงที่มีความยาว $0.44\ \text{kHz}$ ในอากาศมี $\lambda = 330 / 440 = 0.75\ \text{m}$, ดังนั้นลักษณะประมาณ $0.75\ \text{m}$ จะหักเหมันมากที่สุด, และของเสียงที่ผ่านประตูกว้าง $0.80\ \text{m}$, ความถี่ต่ำจะกระจายออกมากที่สุด. การทำให้ช่องกว้างหลายความยาวคลื่น, หรือเพิ่มความถี่, ลดการแผ่ขยาย.

    คลื่นน้ำตรงในอ่างripple พบกับกำแพงที่มีช่องว่าง: ผ่านช่องกว้าง (a) พวกมันผ่านเกือบตรง, ผ่านช่องแคบ (b) พวกมันกระจายออกเป็นหน้าคลื่นโค้ง
    การรบกวนในอ่างripple — ช่องกว้าง (a) กระจายตัวน้อย, ช่องแคบ (b) กระจายตัวมาก
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Waves adding and cancelling · ⁨คลื่นบวกกันและหักล้างกัน⁩

    Two overlapping waves add where they are in phase and cancel where out of phase — change the phase to see the result. This is what makes diffraction patterns. · ⁨คลื่นสองตัวซ้อนทับกันจะบวกกันเมื่อเฟสเดียวกันและหักล้างกันเมื่อต่างเฟส — เปลี่ยนเฟสเพื่อดูผลลัพธ์ นี่คือสิ่งที่สร้างรูปแบบการเลี้ยวเบน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射
    obstacle/ˈɒbstəkl/ สิ่งกีดขวาง
    ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ อ่างน้ำripple
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    8.3

    Interference · ⁨การแทรกสอด⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand the terms interference and coherence
    2. show an understanding of experiments that demonstrate two-source interference using water waves in a ripple tank, sound, light and microwaves
    3. understand the conditions required if two-source interference fringes are to be observed
    4. recall and use $\lambda = ax / D$ for double-slit interference using light
    ไทย
    1. เข้าใจคำศัพท์ การแทรกสอด และ ความสอดคล้องกัน
    2. แสดงความเข้าใจในการทดลองที่สาธิต การแทรกสอดสองแหล่งกำเนิด โดยใช้คลื่นน้ำในอ่างน้ำ เสียง แสง และไมโครเวฟ
    3. เข้าใจเงื่อนไขที่จำเป็นหากต้องการ quan sát แถบการแทรกสอด จากสองแหล่งกำเนิด
    4. จำและใช้ $\lambda = ax / D$ สำหรับการ การแทรกสอดช่องคู่ โดยใช้แสง

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Two-slit interference

    Interference 干涉 is the superposition of two coherent 相干 waves to give a steady pattern of high-amplitude regions (constructive) and low-amplitude regions (destructive).

    Coherence

    Two sources are coherent when they emit waves with a constant phase difference (which also needs the same frequency). Two separate lamps are not coherent — their phase changes randomly, so any pattern flickers too fast to see and you get only an average.

    The one-mark definition: coherent waves have a constant phase difference, which requires the same frequency. They need not be in phase with each other: two coherent sources emitting $180°$ apart give a pattern whose central line is a minimum. Two separate lasers, or a lamp and a laser, are not coherent even when their frequencies happen to match, so no steady pattern forms.

    To make coherent light from one source, pass it through two slits 狭缝 in a double-slit 双缝 setup. Both slits are lit by the same wavefront, so the two beams keep a fixed phase relationship.

    Conditions for a clear pattern

    To see two-source fringes you need:

    1. two coherent sources (constant phase difference).
    2. roughly equal amplitudes (or the dark regions are not very dark).
    3. the waves overlap where you look.
    4. for light (a transverse wave), the same plane of polarisation 偏振.

    In practice, for light: a single slit (or a laser) makes the two slits coherent; the slits are narrow, so each diffracts the light into the region where the two beams overlap; and the slits are close together with the screen far away, so that the fringes are wide enough to see.

    Path difference

    For two coherent sources, what happens at a point depends on the path difference 路程差 $\Delta x$ between the two waves arriving there:

    • constructive: $\Delta x = n\lambda$ (for whole numbers $n = 0, 1, 2, \ldots$).
    • destructive: $\Delta x = (n + \tfrac{1}{2})\lambda$.

    The path difference fixes the phase difference: one wavelength of path is $360°$. Waves that have travelled $100\ \text{cm}$ and $80\ \text{cm}$ from two in-phase sources of wavelength $8.0\ \text{cm}$ arrive with a path difference of $2.5\lambda$, a phase difference of $180°$, and cancel; microwaves of wavelength $4\ \text{cm}$ whose paths differ by $6\ \text{cm}$ ($1.5\lambda$) give a minimum, of zero intensity only if the two amplitudes are equal. Lowering both source frequencies equally lengthens the wavelength, so the same path difference is a smaller number of wavelengths and the point is no longer a minimum.

    Double-slit (Young's) experiment

    For two slits a distance $a$ apart, with a screen a distance $D$ away (assume $D \gg a$), light of wavelength $\lambda$ makes fringes on the screen.

    The fringe spacing 条纹间距 $x$ (one fringe 条纹 to the next) is

    $$\lambda = \frac{a x}{D}, \qquad x = \frac{\lambda D}{a}.$$

    Bright fringes (maximum 极大) are where the path difference is a whole number of $\lambda$; dark fringes (minimum 极小) where it is $(n + \tfrac{1}{2})\lambda$. The fringes are equally spaced.

    To make the fringe spacing smaller: increase $a$ (slits further apart), reduce $D$ (screen closer), or use a shorter $\lambda$ (bluer light).

    Explain how the pattern of bright and dark fringes is formed (three marks): the light diffracts at each slit; the two diffracted beams overlap and superpose; where the path difference from the two slits is a whole number of wavelengths the waves arrive in phase and interfere constructively, giving a bright fringe, and where it is an odd number of half-wavelengths they arrive in antiphase and interfere destructively, giving a dark fringe. A brighter source makes the bright fringes brighter but does not change their spacing; changing to blue light makes the spacing smaller, so to keep the same spacing the slits must be moved closer together; making each slit narrower increases the diffraction, so fringes appear across a wider region, with the spacing unchanged.

    Worked example. In a double-slit experiment the slits are $0.50\ \text{mm}$ apart and lit by light of wavelength $600\ \text{nm}$. The screen is $2.0\ \text{m}$ away. Find the fringe spacing.

    $$x = \frac{\lambda D}{a} = \frac{(600 \times 10^{-9})(2.0)}{0.50 \times 10^{-3}} = 2.4 \times 10^{-3}\ \text{m} = 2.4\ \text{mm}.$$

    Worked example. Red light of wavelength $680\ \text{nm}$ falls on slits $0.16\ \text{mm}$ apart. The distance between the centres of the first and ninth dark fringes is $3.2\ \text{cm}$. Find the distance $D$ to the screen.

    Eight fringe spacings make $3.2\ \text{cm}$, so $x = 4.0\ \text{mm}$ and $D = ax / \lambda = (0.16 \times 10^{-3})(4.0 \times 10^{-3}) / (680 \times 10^{-9}) = 0.94\ \text{m}$. On a screen $5.0\ \text{cm}$ wide centred on the pattern, with $x = 2.4\ \text{mm}$, ten bright fringes fit on each side of the central one: $21$ in all. A graph of $x$ against $a$ is a curve falling as $1/a$; a graph of $x$ against $\lambda$ (or against $D$) is a straight line through the origin with gradient $D/a$ (or $\lambda/a$), from which $a$ can be found.

    ไทย
    การแทรกสอดสองช่อง
    ฟองสบู่สีรุ้ง
    การเปลี่ยนสีบนฟองสบู่มาจากการแทรกสอดของแสง.

    การแทรกสอด คือการ叠加กันของคลื่น cohherent สองคลื่นเพื่อให้ได้รูปแบบที่มั่นคงของบริเวณที่มีแอมพลิจูดสูง (แบบเสริมกัน) และบริเวณที่มีแอมพลิจูดต่ำ (แบบหักล้างกัน).

    หน้าคลื่นวงกลมซ้อนทับกันจากแหล่งกำเนิดจุด cohherent สองจุด, พร้อมจุดสีน้ำเงินทำเครื่องหมายตำแหน่งที่crest bertemu crest และเส้นแห่งการกระจัดสูงสุดที่กระจายออกจากระหว่างแหล่งกำเนิด
    แหล่งกำเนิดสอดคล้องสองแหล่งให้เส้นการกระจัดสูงสุดเมื่อcrest gặp crest
    ภาพถ่ายจริงของอ่างripple: คลื่นน้ำวงกลมสองชุดจากแหล่งกำเนิดสองข้างกันซ้อนทับกัน, ทิ้งร่องสงบ (การยกเลิก) กระจายออกจากระหว่างชุดคลื่นrippleสว่างสองชุด
    ผลเดียวกันในอ่างripple จริง — แหล่งกำเนิด cohherent สองจุดให้รูปแบบการแทรกสอดที่มั่นคง

    ความcohherent

    แหล่งกำเนิดสองแหล่งเป็น cohherent เมื่อพวกมันปล่อยคลื่นที่มี ความต่างเฟสคงที่ (ซึ่งยังต้องการความถี่เหมือนกัน). หลอดไฟสองดวงแยกกันไม่ใช่ cohherent — เฟสของพวกมันเปลี่ยนแปลงแบบสุ่ม, ดังนั้นรูปแบบใดๆ จึงกะพริบเร็วเกินกว่าจะมองเห็นและคุณจะได้เพียงค่าเฉลี่ยเท่านั้น

    นิยามแบบ 1 คะแนน: คลื่นที่สอดคล้องกัน (coherent waves) มี ความต่างเฟสคงที่ ซึ่งจำเป็นต้องมีความถี่เท่ากัน ไม่จำเป็นต้องอยู่ในเฟสเดียวกัน: แหล่งกำเนิดคลื่นที่สอดคล้องกันสองแหล่งซึ่งห่างกัน $180°$ จะเกิดลวดลายที่มีเส้นตรงกลางเป็นจุดต่ำสุด (minimum) เลเซอร์แยกจากกันสองดวง หรือโคมไฟกับเลเซอร์ ไม่ใช่คลื่นที่สอดคล้องกัน แม้แต่เมื่อความถี่ของพวกมันบังเอิญตรงกัน ดังนั้นจึงไม่เกิดลวดลายที่เสถียร

    ในการสร้างแสงที่สอดคล้องกันจากแหล่งกำเนิดเดียว ให้ส่งผ่านช่องเปิด สองช่อง ในชุดการทดลองแบบ ช่องคู่ (double-slit) ช่องทั้งสองถูกส่องสว่างด้วยหน้าคลื่นเดียวกัน ทำให้ลำแสงทั้งสองรักษาความสัมพันธ์Regardingフェสที่คงที่ไว้ได้

    เงื่อนไขสำหรับลวดลายที่ชัดเจน

    เพื่อให้เห็นแถบ干涉 (fringes) จากแหล่งกำเนิดสองแหล่ง คุณต้องการ:

    1. แหล่งกำเนิดคลื่นที่สอดคล้องกันสองแหล่ง (coherent) (ความต่างเฟสคงที่).
    2. แอมพลิจูดประมาณเท่ากัน (หรือบริเวณมืดจะไม่มืดมาก)
    3. คลื่นซ้อนทับกันในพื้นที่ที่คุณมอง
    4. สำหรับแสง (ซึ่งเป็นคลื่นตามขวาง) ต้องมีระนาบ โพลาไรเซชัน (polarisation) เดียวกัน

    ในทางปฏิบัติ สำหรับแสง: ช่องเดี่ยว (หรือเลเซอร์) ช่วยทำให้ช่องทั้งสองสอดคล้องกัน; ช่องแคบมากดังนั้นแต่ละช่องจะเกิดการกระจาย (diffract) ของแสงเข้าไปในพื้นที่ที่ลำแสงทั้งสองซ้อนทับกัน; และช่องอยู่ใกล้กันพร้อมทั้งจ่อหน้าจออยู่ไกล ทำให้แถบ干涉กว้างพอที่จะมองเห็นได้

    ความแตกต่างของระยะทางเดิน

    สำหรับแหล่งกำเนิดคลื่นที่สอดคล้องกันสองแหล่ง สิ่งที่เกิดขึ้นที่จุดใดจุดหนึ่งขึ้นอยู่กับ ความแตกต่างของระยะทางเดิน (path difference) $\Delta x$ ระหว่างคลื่นทั้งสองที่มาถึงจุดนั้น:

    • การเสริมกัน (constructive): $\Delta x = n\lambda$ (สำหรับจำนวนเต็ม $n = 0, 1, 2, \ldots$).
    • การหักล้างกัน (destructive): $\Delta x = (n + \tfrac{1}{2})\lambda$.

    ความต่างของระยะทางกำหนด ความต่างของเฟส: ระยะทางหนึ่งความยาวคลื่นเท่ากับ $360°$ คลื่นที่เดินทางมา $100\ \text{cm}$ และ $80\ \text{cm}$ จากแหล่งกำเนิดสองจุดที่มีเฟสเดียวกันและความยาวคลื่น $8.0\ \text{cm}$ จะมาถึงพร้อมกันด้วยความต่างของระยะทาง $2.5\lambda$, ความต่างของเฟส $180°$, และหักล้างกัน; ไมโครเวฟที่มีความยาวคลื่น $4\ \text{cm}$ ที่มีความต่างของเส้นทาง $6\ \text{cm}$ ($1.5\lambda$) จะให้ค่าต่ำสุด ซึ่งมีความเข้มเป็นศูนย์ก็ต่อเมื่อความสูงคลื่นของทั้งสองเท่ากันเท่านั้น การลดความถี่ของแหล่งกำเนิดทั้งสองลงเท่าๆ กันจะทำให้ความยาวคลื่นยาวขึ้น ดังนั้นความต่างของระยะทางเดิมจึงมีค่าเป็นจำนวนของความยาวคลื่นน้อยลง และจุดนั้นจะไม่เป็นจุดต่ำสุดอีกต่อไป

    แหล่งกำเนิดคลื่นที่สอดคล้องกัน X และ Y และจุด Z โดยวาดเส้นทางการเดินทาง XZ และ YZ; ความแตกต่างของระยะทางเดินคือ XZ ลบด้วย YZ ซึ่งเป็นจำนวนเต็มของความยาวคลื่นสำหรับค่าสูงสุดและเป็นจำนวนคี่ของครึ่งความยาวคลื่นสำหรับค่าต่ำสุด
    สิ่งที่เกิดขึ้นที่ Z ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของระยะทางเดิน XZ − YZ ที่วัดในความยาวคลื่น

    การทดลองช่องคู่ (Young's experiment)

    สำหรับช่องคู่ที่ห่างกัน $a$ และมีจอภาพอยู่ห่าง $D$ (สมมติว่า $D \gg a$), แสงที่มีความยาวคลื่น $\lambda$ จะเกิดแถบ干涉บนจอภาพ

    แสงสีเดียวผ่านช่องเดี่ยวแล้วไปช่องคู่ที่ห่างกัน a; แสงที่กระจายจากแต่ละช่องซ้อนทับกันเพื่อสร้างลวดลาย干涉บนจอภาพที่ห่าง D, โดยมีระยะห่างระหว่างแถบ x
    การทดลองช่องคู่ของyoung — ช่องเดี่ยวทำให้ช่องคู่เป็นแหล่งกำเนิดสอดคล้อง

    ระยะห่างระหว่างแถบ干涉 (fringe spacing) $x$ (จากหนึ่ง แถบ干涉 (fringe) ไปยังอีกแถบถัดไป) คือ

    $$\lambda = \frac{a x}{D}, \qquad x = \frac{\lambda D}{a}.$$

    แถบสว่าง (สูงสุด) คือตำแหน่งที่ความต่างของระยะทางเป็นจำนวนเต็มของความยาวคลื่น $\lambda$; แถบมืด (ต่ำสุด) คือตำแหน่งที่ความต่างของระยะทางเป็น $(n + \tfrac{1}{2})\lambda$. แถบเหล่านี้มีระยะห่างเท่าๆ กัน

    เพื่อให้ระยะห่างของแถบเล็กลง: เพิ่ม $a$ (ช่องแยกห่างกัน), ลด $D$ (จอใกล้ขึ้น), หรือใช้แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า $\lambda$ (แสงสีฟ้า)

    อธิบายวิธีการเกิดลวดลายของแถบสว่างและแถบมืด (3 คะแนน): แสง กระจาย (diffracts) ที่แต่ละช่อง; ลำแสงที่กระจายทั้งสอง ซ้อนทับ (overlap) และแทรกสอดกัน; ที่ซึ่งความแตกต่างของระยะทางเดินจากช่องทั้งสองเป็นจำนวนเต็มของความยาวคลื่น คลื่นจะมาถึงพร้อมเฟสเดียวกันและแทรกสอดแบบเสริมกัน เกิดเป็นแถบสว่าง; และที่ซึ่งเป็นจำนวนคี่ของครึ่งความยาวคลื่น คลื่นจะมาถึงตรงข้ามเฟสและแทรกสอดแบบหักล้างกัน เกิดเป็นแถบมืด. แหล่งกำเนิดแสงที่สว่างขึ้นจะทำให้แถบสว่างสว่างขึ้นแต่ไม่เปลี่ยนระยะห่าง; เปลี่ยนเป็นแสงสีฟ้าจะทำให้ระยะห่างเล็กลง ดังนั้นเพื่อรักษาระยะห่างเดิม ช่องต้องถูกย้ายเข้าหากันมากขึ้น; การทำให้แต่ละช่องแคบลง会增加การกระจาย (increases the diffraction), sehingga interference patterns ปรากฏในพื้นที่ที่กว้างขึ้น โดยที่ระยะห่างไม่เปลี่ยนแปลง.

    ตัวอย่างฝึกหัด. ในการทดลองช่องคู่ ช่องห่างกัน $0.50\ \text{mm}$ และส่องด้วยแสงที่มีความยาวคลื่น $600\ \text{nm}$. จอภาพอยู่ห่าง $2.0\ \text{m}$. หาระยะห่างระหว่างแถบ干涉.

    $$x = \frac{\lambda D}{a} = \frac{(600 \times 10^{-9})(2.0)}{0.50 \times 10^{-3}} = 2.4 \times 10^{-3}\ \text{m} = 2.4\ \text{mm}.$$

    ตัวอย่างโจทย์ทำ แสงสีแดงที่มีความยาวคลื่น $680\ \text{nm}$ ตกกระทบช่องแยก相距 $0.16\ \text{mm}$. ระยะห่างระหว่างกึ่งกลางของแถบมืดที่หนึ่งและแถบมืดที่เก้าคือ $3.2\ \text{cm}$. จงหาระยะทาง $D$ ไปยังจอ

    แปดระยะห่างระหว่างแถบ interference สร้าง $3.2\ \text{cm}$, ดังนั้น $x = 4.0\ \text{mm}$ และ $D = ax / \lambda = (0.16 \times 10^{-3})(4.0 \times 10^{-3}) / (680 \times 10^{-9}) = 0.94\ \text{m}$. บนจอภาพกว้าง $5.0\ \text{cm}$ ที่ตั้งกึ่งกลางกับลวดลาย, พร้อมกับ $x = 2.4\ \text{mm}$, แถบสว่างสิบแถบสามารถใส่ได้ด้านละห้าแถบรอบแถบตรงกลาง: รวม $21$. กราฟของ $x$ เทียบกับ $a$ เป็นโค้งที่ลดลงตาม $1/a$; กราฟของ $x$ เทียบกับ $\lambda$ (หรือเทียบกับ $D$) เป็นเส้นตรงผ่านจุดเริ่มต้นที่มีความชัน $D/a$ (หรือ $\lambda/a$), จากนั้นสามารถหา $a$ ได้

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Interference · ⁨การรบกวน⁩

    y = y₁ + y₂

    In phase → constructive (bright/loud); antiphase → destructive (dark/quiet). · ⁨เฟสเดียวกัน → เสริมกัน (สว่าง/ดัง); เฟสตรงข้าม → หักล้างกัน (มืด/เบา)⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    minimum/ˈmɪnɪməm/ ต่ำสุด
    slit/slɪt/ ช่องเปิด
    double-slit/ˈdʌbl slɪt/ ช่องเปิดคู่
    fringe/frɪndʒ/ แถบสว่าง/มืด
    polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ การทำให้มีขั้ว
    path difference/pæθ ˈdɪfrəns/ ความแตกต่างของเส้นทาง
    fringe spacing/frɪndʒ ˈspeɪsɪŋ/ ระยะห่างของแถบสว่าง
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    8.4

    Diffraction grating · ⁨เกรตติงการกระจาย (Diffraction grating)⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall and use $d \sin \theta = n\lambda$
    2. describe the use of a diffraction grating to determine the wavelength of light (the structure and use of the spectrometer are not included)
    ไทย
    1. จำและใช้ $d \sin \theta = n\lambda$
    2. อธิบายการใช้ เกรตติ้งการหักเห เพื่อหา ความยาวคลื่น ของแสง (โครงสร้างและการใช้สเปกโทรมิเตอร์ไม่รวมอยู่ในเนื้อหา)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A diffraction grating 衍射光栅 has many equally spaced slits — often hundreds or thousands per millimetre. Each slit is a coherent source. A maximum is seen at angle $\theta$ from the normal 法线 to the grating when

    $$d \sin\theta = n \lambda,$$

    where $d$ is the slit spacing 缝间距 (centre to centre), $n = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots$ is the order 级次, and $\lambda$ is the wavelength.

    Worked example. A diffraction grating has $500$ lines per mm. Light of wavelength $600\ \text{nm}$ is shone normally on it. Find the angle of the first-order ($n = 1$) maximum.

    The slit spacing is $d = \dfrac{1}{500}\ \text{mm} = 2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$, so

    $$\sin\theta = \frac{n\lambda}{d} = \frac{600 \times 10^{-9}}{2.0 \times 10^{-6}} = 0.30 \quad\Rightarrow\quad \theta \approx 17°.$$

    Compared with the double slit, a grating gives much sharper maxima, because more slits add together — every other direction is cancelled by many slits.

    To describe the diffraction at the grating: the light spreads out (diffracts) at every slit, and the waves from all the slits superpose; in the directions where the path difference between neighbouring slits is a whole number of wavelengths they are all in phase, so sharp maxima form there and almost nothing in between. A graph of intensity against angle is a set of narrow peaks at $\theta = 0$ and at $\pm\theta_{1}, \pm\theta_{2}, \ldots$, where $\sin\theta_{n} = n\lambda/d$: equally spaced in $\sin\theta$, so slightly further apart in $\theta$ at the higher orders.

    Worked example. Light of wavelength $680\ \text{nm}$ is incident normally on a grating with $450$ lines per mm. Find the angle between the two second-order maxima.

    $d = 1/450\ \text{mm} = 2.22 \times 10^{-6}\ \text{m}$, so $\sin\theta_{2} = 2 \times 680 \times 10^{-9} / (2.22 \times 10^{-6}) = 0.612$ and $\theta_{2} = 37.7°$; the two second-order beams are $2\theta_{2} = 75°$ apart.

    Slit spacing from "lines per mm"

    If a grating has $N$ lines per millimetre, then $d = 1/N$ millimetres $= 10^{-3}/N$ metres. For $450$ lines per mm, $d = 1/450\ \text{mm} \approx 2.22\ \mu\text{m}$.

    Highest order

    For a given grating and wavelength, $\sin\theta = n\lambda/d$ cannot be more than $1$, so the highest order seen is

    $$n_{\text{max}} = \left\lfloor \frac{d}{\lambda} \right\rfloor.$$

    If $d/\lambda = 3.27$, orders up to $n = 3$ exist; $n = 4$ would need $\sin\theta > 1$ and is not seen.

    So the total number of maxima on a wide screen is $2n_{\text{max}} + 1$: for $700\ \text{nm}$ light and $400$ lines per mm, $d/\lambda = 3.57$, so $n_{\text{max}} = 3$ and seven beams are seen. A shorter wavelength gives more orders at smaller angles. With white light every order except the zero order is a spectrum, violet nearest the centre and red furthest out, because $\theta$ grows with $\lambda$; the zero order stays white. Two wavelengths give a maximum at the same angle when $n_{1}\lambda_{1} = n_{2}\lambda_{2}$: the third order of $400\ \text{nm}$ coincides with the second order of $600\ \text{nm}$.

    Finding $\lambda$ with a grating

    Shine parallel light of unknown wavelength straight at the grating. Measure the angle $\theta_{1}$ of the first-order maximum from the centre. Then $\lambda = d \sin\theta_{1}$. Repeating for higher orders and averaging reduces error.

    Measure the angle between the first-order maxima on the two sides and halve it, which cancels any error in setting the zero; higher orders give larger angles and so a smaller percentage uncertainty; and plotting $\sin\theta$ against $n$ for several orders gives a straight line through the origin of gradient $\lambda/d$, so $\lambda = Gd$ (or, for a known wavelength, $d = \lambda/G$). Two things must be right: $\theta$ is measured from the normal to the grating, not from its surface, and $d$ is the distance between adjacent lines, so $400$ lines per mm means $d = 2.5\ \mu\text{m}$, never $400$.

    ไทย

    เกรตติงการกระจาย (diffraction grating) มีช่องเปิดจำนวนมากที่เว้นระยะเท่ากัน — มักจะมีหลายร้อยหรือหลายพันช่องต่อมิลลิเมตร แต่ละช่องเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นที่สอดคล้องกัน ค่าสูงสุด (maximum) จะเห็นได้ที่มุม $\theta$ จาก แนวฉาก (normal) ต่อเกรตติงเมื่อ

    $$d \sin\theta = n \lambda,$$

    โดยที่ $d$ คือ ระยะห่างระหว่างช่อง (slit spacing) (จากศูนย์กลางถึงศูนย์กลาง), $n = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots$ คือ อันดับ (order), และ $\lambda$ คือความยาวคลื่น

    ตัวอย่างฝึกหัด. เกรตติงการกระจายมี $500$ เส้นต่อมิลลิเมตร. แสงที่มีความยาวคลื่น $600\ \text{nm}$ ส่อง:normal incidence. หามุมของค่าสูงสุดอันดับแรก ($n = 1$)

    ระยะห่างระหว่างช่องคือ $d = \dfrac{1}{500}\ \text{mm} = 2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$, ดังนั้น

    $$\sin\theta = \frac{n\lambda}{d} = \frac{600 \times 10^{-9}}{2.0 \times 10^{-6}} = 0.30 \quad\Rightarrow\quad \theta \approx 17°.$$

    เมื่อเทียบกับช่องคู่ เกรตติงให้ค่าสูงสุดที่ คมชัด (sharper) มากขึ้น เพราะช่อง越多加起来 — ทุกทิศทางอื่น ๆ ถูกหักล้างโดยช่อง非常多.

    เพื่ออธิบายการหกลายที่เกรตติ้ง: แสงจะกระจายออก (หกลาย) ที่ช่องทุกช่อง และคลื่นจากช่องทั้งหมดจะ叠加กัน; ในทิศทางที่ความต่างของระยะทางระหว่างช่องเพื่อนบ้านเป็นจำนวนเต็มเท่าของความยาวคลื่น คลื่นเหล่านั้นจะมีเฟสเดียวกันทั้งหมด ดังนั้นจึงเกิด maxima ที่คมชัดขึ้นและแทบไม่มีความเข้มเลยในระหว่างนั้น กราฟของความเข้มเทียบกับมุมจะเป็นชุดของยอดแหลมแคบๆ ที่ $\theta = 0$ และที่ $\pm\theta_{1}, \pm\theta_{2}, \ldots$, โดยที่ $\sin\theta_{n} = n\lambda/d$: เรียงห่างกันเท่าๆ ใน $\sin\theta$, ดังนั้นจะห่างกันเล็กน้อยมากขึ้นใน $\theta$ สำหรับอันดับที่สูงกว่า

    กราฟแสดงความเข้มเทียบกับมุมสำหรับเกรตติ้งหกลาย: ยอดแหลมแคบๆ คมชัดที่มีขนาดใกล้เคียงกันที่ศูนย์และที่บวกลบเทต้าหนึ่งและเทต้าสอง, มีป้ายกำกับว่า n = 0, บวกหรือลบ 1, บวกหรือลบ 2, โดยมีความเข้มเกือบไม่มีอยู่ระหว่างยอดเหล่านี้
    ความเข้มเทียบกับมุมสำหรับเกรตติ้ง: maxima คมชัดที่ $d\sin\theta = n\lambda$

    ตัวอย่างวิธีทำ. แสงที่มีความยาวคลื่น $680\ \text{nm}$ ส่องตกกระทบกับเกรตติ้งที่มี $450$ เส้นต่อมิลลิเมตรอย่างตั้งฉาก หามุมระหว่าง maxima อันดับสองทั้งสอง

    $d = 1/450\ \text{mm} = 2.22 \times 10^{-6}\ \text{m}$, ดังนั้น $\sin\theta_{2} = 2 \times 680 \times 10^{-9} / (2.22 \times 10^{-6}) = 0.612$ และ $\theta_{2} = 37.7°$; รังสีลำดับที่สองทั้งสองอยู่ห่างกัน $2\theta_{2} = 75°$

    ลำแสงขนานของแสงสีเดียวที่ส่องลงบนเกรตติ้งหกลายและแยกออกเป็นหลายรังสีคมชัดที่ไปถึงจอที่มุมต่างๆ (อันดับ)
    เกรตติ้งการหักเหแยกแสงสีเดียวเป็นจุดสูงสุดแหลมบนจอ

    ระยะห่างช่องจาก "เส้นต่อมิลลิเมตร"

    ถ้าเกรตติ้งมี $N$ เส้นต่อมิลลิเมตร, แล้ว $d = 1/N$ มิลลิเมตร $= 10^{-3}/N$ เมตร. สำหรับ $450$ เส้นต่อมิลลิเมตร, $d = 1/450\ \text{mm} \approx 2.22\ \mu\text{m}$.

    อันดับสูงสุด

    สำหรับเกรตติ้งและความยาวคลื่นที่กำหนด $\sin\theta = n\lambda/d$ ไม่สามารถมากกว่า $1$ ได้, ดังนั้นอันดับสูงสุดที่มองเห็นได้คือ

    $$n_{\text{max}} = \left\lfloor \frac{d}{\lambda} \right\rfloor.$$

    หาก $d/\lambda = 3.27$, จะมีอันดับตั้งแต่ $n = 3$; $n = 4$ จะต้องใช้ $\sin\theta > 1$ และไม่ปรากฏ

    ดังนั้นจำนวนสูงสุดทั้งหมดบนจอกว้างคือ $2n_{\text{max}} + 1$: สำหรับแสง $700\ \text{nm}$ และ $400$ เส้นต่อมิลลิเมตร, $d/\lambda = 3.57$, ดังนั้น $n_{\text{max}} = 3$ และเห็นรังสีเจ็ดลำ. ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าจะให้ลำดับมากกว่าที่มุมเล็กกว่า. ด้วยแสงสีขาว ทุกลำดับยกเว้นลำดับศูนย์จะเป็นสเปกตรัม สีน้ำเงินอยู่ใกล้กึ่งกลางที่สุดและสีแดงอยู่ไกลออกไปที่สุด เนื่องจาก $\theta$ เพิ่มขึ้นตาม $\lambda$; ลำดับศูนย์ยังคงเป็นสีขาว. สองความยาวคลื่นจะให้เกิดค่าสูงสุดที่มุมเดียวกันเมื่อ $n_{1}\lambda_{1} = n_{2}\lambda_{2}$: ลำดับที่สามของ $400\ \text{nm}$ ชนกับลำดับที่สองของ $600\ \text{nm}$

    การหา $\lambda$ ด้วยเกรตติ้ง

    ส่องแสงขนานที่มีความยาวคลื่นไม่ทราบค่าตรงๆ เข้ากับเกรตติ้ง วัดมุม $\theta_{1}$ ของ first-order maximum จากศูนย์กลาง จากนั้น $\lambda = d \sin\theta_{1}$. ทำซ้ำสำหรับอันดับที่สูงกว่าและหาค่าเฉลี่ยจะช่วยลดข้อผิดพลาด

    วัดมุมระหว่างค่าสูงสุดลำดับแรกจากทั้งสองด้านแล้วหารสอง เพื่อตัดข้อผิดพลาดในการตั้งค่าศูนย์; ลำดับที่สูงกว่าจะให้มุมที่ใหญ่ขึ้นดังนั้นความคลาดเคลื่อนแบบเปอร์เซ็นต์จะน้อยกว่า; และการกราฟ $\sin\theta$ เทียบกับ $n$ สำหรับหลายลำดับจะได้เส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชัน $\lambda/d$, ดังนั้น $\lambda = Gd$ (หรือ, สำหรับความยาวคลื่นที่กำหนดไว้, $d = \lambda/G$). สิ่งสองอย่างต้องถูกต้อง: $\theta$ วัดจาก แนวฉาก กับเกรตติ่ง ไม่ใช่จากพื้นผิวของมัน, และ $d$ เป็นระยะห่างระหว่างเส้นที่อยู่ติดกัน, ดังนั้น $400$ เส้นต่อมิลลิเมตร หมายความว่า $d = 2.5\ \mu\text{m}$, ไม่เคย $400$

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Why the grating gives sharp maxima · ⁨ทำไมกรวยจึงให้ maksima คมชัด⁩

    Two waves add when in phase and cancel when out of phase — change the phase and watch the resultant. A grating's many slits make the bright fringes razor-sharp. · ⁨คลื่นสองคลื่นบวกกันเมื่อเฟสเดียวกันและหักล้างกันเมื่อเฟสต่างกัน — เปลี่ยนเฟสและดูผลลัพธ์. กรวยที่มีช่องจำนวนมากทำให้แถบสว่างคมกริบ⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    intensity/ɪnˈtensɪti/ ความเข้ม
    antiphase/ˌæntɪˈfeɪz/ ตรงข้ามเฟส
    maximum/ˈmæksɪməm/ สูงสุด
    antinode/ˌæntɪˈnəʊd/ จุดแอมพลิจูดสูงสุด
    diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ เกรตติ้งเลี้ยวเบน
    normal/ˈnɔːml/ เส้นปกติ
    slit spacing/slɪt ˈspeɪsɪŋ/ ระยะห่างระหว่างช่องเปิด
    order/ˈɔːdə/ ลำดับ (order)
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    8.4

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    principle of superposition when two or more waves meet at a point, the resultant displacement is the sum of the displacements of the individual waves
    stationary wave the pattern formed when two progressive waves of the same frequency and speed travel in opposite directions and superpose, with nodes and antinodes that do not move
    node a point on a stationary wave where the displacement is always zero
    antinode a point on a stationary wave where the amplitude is a maximum
    diffraction the spreading of a wave as it passes through a gap or around the edge of an obstacle
    interference the superposition of waves from coherent sources, giving a steady pattern of maxima and minima
    coherence waves that have a constant phase difference (and so the same frequency)
    path difference the difference between the distances travelled by two waves from their sources to a point
    fringe spacing the distance between the centres of two adjacent bright (or dark) fringes
    order of a maximum the whole number $n$ in $d\sin\theta = n\lambda$, the number of wavelengths of path difference between adjacent slits
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    หลักการ叠加 เมื่อคลื่นสองหรือมากกว่ามาพบกันที่จุดหนึ่ง การกระจัดรวมจะเป็นผลบวกของการกระจัดของคลื่นแต่ละตัว
    คลื่นนิ่ง รูปแบบที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่น propagated สองคลื่นที่มีความถี่และความเร็วเท่ากันเดินทางในทิศทางตรงกันข้ามและ叠加กัน, โดยมีโหนดและแอนติโหนดที่ไม่เคลื่อนที่
    โหนด จุดบนคลื่นนิ่งที่การกระจัดเป็นศูนย์ตลอดเวลา
    แอนติโหนด จุดบนคลื่นนิ่งที่แอมพลิจูดมีค่าสูงสุด
    การหกลาย การกระจายตัวของคลื่นขณะผ่านช่องหรือรอบขอบของสิ่งกีดขวาง
    การแทรกสอด การ叠加ของคลื่นจากแหล่งกำเนิดที่สอดคล้องกัน, ให้รูปแบบที่เสถียรของ maxima และ minima
    ความเป็น cohherence คลื่นที่มีผลต่างเฟสคงที่ (และดังนั้นมีความถี่เท่ากัน)
    ความต่างของระยะทาง ความแตกต่างระหว่างระยะทางที่คลื่นสองคลื่นเดินทางจากแหล่งกำเนิดไปยังจุดหนึ่ง
    ระยะห่างของแถบ ระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของแถบสว่าง (หรือมืด) ที่ติดกันสองแถบ
    อันดับของ maxima จำนวนเต็ม $n$ ใน $d\sin\theta = n\lambda$, จำนวนของความยาวคลื่นของความต่างระยะทางระหว่างช่องเพื่อนบ้าน
    8.4

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Two-source interference: constructive when path difference $= n\lambda$, destructive when $= (n + \tfrac{1}{2})\lambda$; the sources must be coherent.
    • Double slit: $\lambda = ax/D$; diffraction grating: $d\sin\theta = n\lambda$ — know every symbol.
    • On a stationary wave mark nodes and antinodes; adjacent nodes are $\lambda/2$ apart; it stores energy but does not transfer it.
    • A stationary wave needs two waves of the same frequency travelling in opposite directions.

    Common mistakes

    • Adding amplitudes or intensities in the principle of superposition. Displacements add; the intensity then follows from the resultant amplitude squared.
    • "Adjacent nodes are one wavelength apart." Half a wavelength; a node to the next antinode is a quarter.
    • Using $d =$ lines per millimetre in $d\sin\theta = n\lambda$. Invert: $d = 10^{-3}/N$ metres.
    • Measuring $\theta$ from the grating surface, or forgetting that the angle between the two first-order beams is $2\theta_{1}$.
    • Writing "in phase" for coherent. Coherent means a constant phase difference; the sources may be permanently out of step.
    • Saying the fringe spacing changes when the source is made brighter, or that narrower slits change the spacing. Brightness and slit width change the contrast and the number of visible fringes, not $x = \lambda D/a$.
    ไทย
    • การแทรกสอดแบบสองแหล่งกำเนิด: เสริมกัน เมื่อความต่างระยะทาง $= n\lambda$, หักล้างกัน เมื่อ $= (n + \tfrac{1}{2})\lambda$; แหล่งกำเนิดต้อง cohherent
    • ช่องคู่: $\lambda = ax/D$; เกรตติ่งการกระจาย: $d\sin\theta = n\lambda$ — ต้องรู้สัญลักษณ์ทุกตัว
    • บน คลื่นนิ่ง แสดงโหนดและแอนติโหนด; โหนดที่ติดกันจะ $\lambda/2$ จากกัน; เก็บพลังงานแต่ไม่ส่งต่อ
    • คลื่นนิ่งต้องการคลื่นสองคลื่นที่มี ความถี่เท่ากันเดินทางในทิศทางตรงกันข้าม

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การบวกแอมพลิจูดหรือความเข้มในหลักการ叠加. การกระจัดบวกกัน; ความเข้มจากนั้นเกิดจากกำลังสองของแอมพลิจูดรวม
    • "โหนดที่ติดกันอยู่ห่างกันหนึ่งความยาวคลื่น" ครึ่งความยาวคลื่น; โหนดถึงแอนติโหนดถัดไปคือหนึ่งในสี่
    • การใช้ $d =$ เส้นต่อมิลลิเมตรใน $d\sin\theta = n\lambda$. กลับค่า: $d = 10^{-3}/N$ เมตร
    • การวัด $\theta$ จากพื้นผิวเกรตติ้ง, หรือลืมว่ามุมระหว่างรังสี first-order ทั้งสองคือ $2\theta_{1}$
    • เขียนว่า "in phase" สำหรับ cohherent. Coherent หมายความว่าผลต่างเฟสคงที่; แหล่งกำเนิดอาจไม่ตรงกันตลอดกาล
    • บอกว่าระยะห่างของแถบเปลี่ยนเมื่อแหล่งกำเนิดสว่างขึ้น, หรือว่าช่องแคบลงเปลี่ยนระยะห่าง. ความสว่างและความกว้างของช่องเปลี่ยนความคมชัดและจำนวนแถบที่มองเห็นได้, ไม่ใช่ $x = \lambda D/a$
  • 9

    Electricity · ⁨ไฟฟ้า⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    9.1

    Electric current

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that an electric current is a flow of charge carriers
    2. understand that the charge on charge carriers is quantised
    3. recall and use $Q = It$
    4. use, for a current-carrying conductor, the expression $I = Anvq$, where $n$ is the number density of charge carriers
    ไทย
    1. เข้าใจว่า กระแสไฟฟ้า คือการไหลของ ตัวพาประจุ
    2. เข้าใจว่าประจุบนตัวพาประจุเป็น ปริมาณที่แยกส่วนได้
    3. จำและใช้ $Q = It$
    4. ใช้สำหรับตัวนำที่มีกระแสไหลผ่าน สูตร $I = Anvq$, โดยที่ $n$ คือ ความหนาแน่นจำนวน ของตัวพาประจุ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    An electric current 电流 is a flow of charge carriers 载流子. In a metal the carriers are negative conduction electrons 电子; in an electrolyte 电解质 they are positive and negative ions 离子; in a semiconductor 半导体 they may be electrons or "holes" 空穴. The conventional current 常规电流 direction is the way positive charge would flow — opposite to the real flow of electrons in a wire.

    Charge

    Charge is quantised 量子化: the smallest free unit of charge is the elementary charge 基本电荷

    $$e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}.$$

    Every free charge in this syllabus is a whole-number multiple of $e$. The unit of charge is the coulomb 库仑, $\text{C}$.

    So a particle can carry $4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ (three electrons' worth) or $-2.4 \times 10^{-18}\ \text{C}$ (fifteen), but never $1.1 \times 10^{-19}\ \text{C}$ or $6.4 \times 10^{-20}\ \text{C}$; a set of measurements that gives a charge carrier $2.5 \times 10^{-19}\ \text{C}$ cannot be right, because that is not a multiple of $e$. For the one-mark definitions: an electric current is a flow of charge carriers; the coulomb is the charge that passes a point in one second when the current is one ampere (an ampere multiplied by a second); a charge carrier can be an electron, a proton, an ion or an $\alpha$-particle, but never a neutron.

    Current as the rate of flow of charge

    If charge $Q$ passes a point in time $t$, the current is

    $$I = \frac{Q}{t}, \qquad Q = It.$$

    Unit of current: ampere, $\text{A}$ ($= \text{C s}^{-1}$). For a changing current, the charge that has flowed in a time is the area under an $I$–$t$ graph.

    Worked example. A current of $0.50\ \text{A}$ flows for $2.0$ minutes. Find the charge that passes, and how many electrons this represents. ($e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)

    $$Q = It = 0.50 \times 120 = 60\ \text{C}, \qquad N = \frac{Q}{e} = \frac{60}{1.60 \times 10^{-19}} \approx 3.8 \times 10^{20}.$$

    The same two lines answer "how many electrons pass in $10$ hours at $4.0\ \text{mA}$" (convert the time to seconds: $N = It/e = 4.0 \times 10^{-3} \times 36\,000 / (1.60 \times 10^{-19}) = 9.0 \times 10^{20}$) and, the other way round, "the average current when $6.0 \times 10^{23}$ electrons pass in $24$ hours" ($I = Ne/t = 1.1\ \text{A}$). A beam of $\alpha$-particles carries a current too: each carries $2e$, so a beam current of $6.9 \times 10^{-9}\ \text{A}$ is $6.9 \times 10^{-9} / (2 \times 1.60 \times 10^{-19}) = 2.2 \times 10^{10}$ particles per second. A lightning strike that transfers $1 \times 10^{20}$ electrons in $30\ \mu\text{s}$ is a current of $Ne/t = 5.3 \times 10^{5}\ \text{A}$.

    Drift velocity equation

    For a uniform conductor of cross-section area $A$, with $n$ charge carriers per unit volume (the number density 数密度), each carrying charge $q$, moving with average drift velocity 漂移速度 $v$:

    $$I = A n v q.$$
    Two conductors of cross-section A: in (a) positive carriers +q drift the same way as the conventional current I; in (b) electrons -q drift the opposite way to I. Drift velocity v is shown along the axis.
    Charge carriers drifting inside a conductor: positive carriers drift with $I$, electrons against it

    Worked example. A copper wire of cross-sectional area $1.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$ carries a current of $5.0\ \text{A}$. Copper has $n = 8.5 \times 10^{28}$ free electrons per $\text{m}^{3}$. Find the drift velocity. ($e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)

    Rearranging $I = Anvq$ gives $v = \dfrac{I}{Anq}$:

    $$v = \frac{5.0}{(1.0 \times 10^{-6})(8.5 \times 10^{28})(1.60 \times 10^{-19})} \approx 3.7 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}.$$

    The electrons drift very slowly — less than a millimetre per second.

    Two "show that" steps that often precede this calculation. The number density of a metal with one free electron per atom is $n = \dfrac{\text{density} \times N_{\text{A}}}{\text{molar mass}}$: for copper, $8.9 \times 10^{3} \times 6.02 \times 10^{23} / 0.0635 = 8.5 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$. And the time for an electron to drift the length of a wire is $t = L / v$: at $3.7 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ a $2.0\ \text{m}$ wire takes $5\,400\ \text{s}$, an hour and a half, even though the current is established almost instantly. Between them, the equation $I = Anvq$ is used as a ratio far more often than as a calculation:

    • two wires in series carry the same current; if wire Y has twice the diameter of X (four times the area) and the same metal, its electrons drift at a quarter of the speed. Two wires of the same length and diameter but different metals have drift speeds in the inverse ratio of their number densities.
    • a wire that narrows (a wedge, a tapered rod, a cable of thick and thin strands) carries the same current at every cross-section, so the drift speed rises where the area falls: $v \propto 1/A \propto 1/r^{2}$. A sketch of $v$ against distance along a tapering wire is a curve that rises more and more steeply towards the narrow end, not a straight line.
    • the p.d. across a uniform wire is proportional to its length at fixed current, because $V = IR = I\rho L / A$ with $I$, $\rho$ and $A$ constant.
    A conductor that narrows from a wide end X to a narrow end Y with current arrows of equal size along it: the drift is slow where the area is large and fast where the area is small, because the current is the same everywhere
    The same current everywhere, so the electrons drift faster where the wire is thinner

    Use this to compare currents:

    • a thinner wire (smaller $A$) at the same $I$ needs a faster drift $v$.
    • a semiconductor has far fewer free carriers than a metal (smaller $n$), so for the same $I$ the drift velocity is much larger.
    • in series 串联 components, $I$ is the same everywhere, so if $A$ stays the same but the material changes, $nv$ changes the other way.
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Current, voltage and resistance · ⁨กระแส, แรงดันไฟฟ้า และความต้านทาน⁩

    Current is the rate of flow of charge. Raise the voltage and current rises; raise the resistance and it falls — I = V / R. · ⁨กระแสคือการไหลของประจุต่อหน่วยเวลา เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า กระแสจะเพิ่มขึ้น; เมื่อเพิ่มความต้านทาน กระแสจะลดลง — I = V / R⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ กระแสไฟฟ้า
    charge carrier/tʃɑːdʒ ˈkærɪə/ พาหะประจุ
    electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
    electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ สารอิเล็กโทรไลต์
    ion/ˈaɪɒn/ ไอออน
    semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ เซมิคอนดักเตอร์
    hole/həʊl/ จุดว่าง
    conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ กระแสไฟฟ้าแบบปกติ
    quantised/ˈkwɒntaɪzd/ ควอนไทซ์ (quantised)
    elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ ประจุขั้นพื้นฐาน
    coulomb/ˈkuːlɒm/ คูลอมบ์
    drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ ความเร็วลอยตัว
    number density/ˈnʌmbə ˈdensɪti/ ความหนาแน่นของจำนวน
    series/ˈsɪəriːz/ 串联电路中
    9.2

    Potential difference

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define the potential difference across a component as the energy transferred per unit charge
    2. recall and use $V = W/Q$
    3. recall and use $P = VI$, $P = I^2R$ and $P = V^2/R$
    ไทย
    1. นิยาม ** potencioelectric difference** Across a component as the energy transferred per unit charge
    2. จำและใช้ $V = W/Q$
    3. จำและใช้ $P = VI$, $P = I^2R$ และ $P = V^2/R$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    The potential difference 电势差 (p.d.) across a component is the energy 能量 transferred per unit charge as that charge passes through it:

    $$V = \frac{W}{Q}.$$

    Unit: volt 伏特, $\text{V}$ ($= \text{J C}^{-1}$).

    If $1\ \text{J}$ of electrical energy changes into other forms (thermal, light, kinetic, …) when $1\ \text{C}$ of charge passes through a component, the p.d. across it is $1\ \text{V}$.

    The electromotive force 电动势 (e.m.f.) of a source is the energy given per unit charge by the source. The formula is the same as for p.d.; the difference is direction: e.m.f. is energy given to the charge by the change; p.d. is energy given up by the charge to the component.

    The definitions the examiner accepts: the potential difference across a component is the energy transferred (from electrical to other forms) per unit charge passing through it; the e.m.f. of a source is the energy transferred from other forms (chemical, in a cell) to electrical energy per unit charge in driving the charge round a complete circuit; one volt is one joule per coulomb. A battery "marked $9.0\ \text{V}$" therefore gives each coulomb $9.0\ \text{J}$ of electrical energy for the whole circuit, and the product of charge and p.d. is the energy transferred.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ ต่างศักย์
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    volt/vəʊlt/ โวลต์
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ แรงขับเคลื่อนไฟฟ้า
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    9.2

    Electrical power

    High-voltage electricity pylons and power lines
    High-voltage power lines carry electrical energy across the country.

    Combining $V = W/Q$ and $I = Q/t$:

    $$P = \frac{W}{t} = V I.$$

    Using Ohm's law $V = IR$:

    $$P = V I = I^{2} R = \frac{V^{2}}{R}.$$

    Pick the form with the quantities you know. Examples:

    • two heaters of equal resistance — the one with the larger current gives more power 功率 ($P = I^{2}R$).
    • two resistors in parallel 并联 across the same voltage 电压 — the one with smaller $R$ gives more power ($P = V^{2}/R$).
    • a kettle marked "$2.4\ \text{kW}, 240\ \text{V}$" draws $I = P/V = 10\ \text{A}$ and has resistance $R = V^{2}/P = 24\ \Omega$.

    Energy transferred in time $t$ is $E = P t$.

    Worked example. Two lamps, P rated $250\ \text{V}$, $50\ \text{W}$ and Q rated $250\ \text{V}$, $200\ \text{W}$, are connected in series to a $250\ \text{V}$ supply. Which is brighter?

    Their resistances at the rated p.d. are $R = V^{2}/P$: $1250\ \Omega$ for P and $313\ \Omega$ for Q. In series they carry the same current, so $P = I^{2}R$ makes the larger resistance, lamp P, dissipate more power: the "weaker" lamp is the brighter one. In parallel the p.d. is the same across both and $P = V^{2}/R$ favours the smaller resistance: Q. "State and explain which resistor dissipates more power" is answered by naming the quantity the two share (current in series, p.d. in parallel) and the form of the power equation that uses it.

    Worked example. A supply delivers $2.4\ \text{kW}$ at $240\ \text{V}$ to a kettle through two cables of resistance $0.10\ \Omega$ each. Find the power lost in the cables.

    The current is $I = P/V = 10\ \text{A}$, so the cables dissipate $I^{2}R = 10^{2} \times 0.20 = 20\ \text{W}$, and the kettle receives $2380\ \text{W}$. The efficiency of a circuit that exists to power one component is that component's power divided by the total power from the supply: with $6.0\ \text{V}$ across a $0.86\ \Omega$ series resistor and $4.5\ \text{V}$ across the component at the same current, the efficiency is $4.5 / (6.0 + 4.5) = 43\%$. A thermistor across a fixed p.d. dissipates $P = V^{2}/R$, so as its temperature rises and $R$ falls, the power rises. A kettle draws about $10\ \text{A}$ from a $250\ \text{V}$ supply; a mobile phone charger a fraction of an ampere.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Electrical power · ⁨กำลังไฟฟ้า⁩

    P = VI

    At a fixed voltage, power is proportional to the current it drives. · ⁨ที่แรงดันไฟฟ้าคงที่, กำลังไฟฟ้าแปรผันตรงกับกระแสที่มันขับเคลื่อน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ แรงดันไฟฟ้า
    parallel/ˈpærəlel/ 并联电路中
    9.3

    Resistance and Ohm's law

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define resistance
    2. recall and use $V = IR$
    3. sketch the $I\text{--}V$ characteristics of a metallic conductor at constant temperature, a semiconductor diode and a filament lamp
    4. explain that the resistance of a filament lamp increases as current increases because its temperature increases
    5. state Ohm's law
    6. recall and use $R = \rho L/A$
    7. understand that the resistance of a light-dependent resistor (LDR) decreases as the light intensity increases
    8. understand that the resistance of a thermistor decreases as the temperature increases (it will be assumed that thermistors have a negative temperature coefficient)
    ไทย
    1. นิยาม ความต้านทาน
    2. จำและใช้ $V = IR$
    3. วาดแผนภาพ $I\text{--}V$ Characteristics of a metallic conductor at constant temperature, a semiconductor diode and a filament lamp
    4. อธิบายว่าความต้านทานของหลอดไส้เพิ่มขึ้นเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิสูงขึ้น
    5. ระบุ กฎของโอห์ม
    6. จำและใช้ $R = \rho L/A$
    7. เข้าใจว่าความต้านทานของ ตัวต้านทานที่ไวต่อแสง (LDR) ลดลงเมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้น
    8. เข้าใจว่าความต้านทานของ เทอร์มิสเตอร์ ลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (จะถือว่าเทอร์มิสเตอร์มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่อลบ)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    The resistance 电阻 $R$ of a component is

    $$R = \frac{V}{I}.$$

    Unit: ohm 欧姆, $\Omega$ ($= \text{V A}^{-1}$). Resistance depends on the conditions (such as temperature) when it is measured.

    Six real fixed resistors in a row on a white background, each a small barrel with metal wire leads and several coloured bands painted around it that code its resistance value
    Real fixed resistors — the coloured bands code the resistance in ohms

    Ohm's law

    A conductor obeys Ohm's law 欧姆定律 when the current through it is proportional to the p.d. across it, as long as the conditions (especially temperature) stay constant. For such a conductor $R$ is constant and the $I$–$V$ graph is a straight line through the origin.

    Ohm's law is an experimental result, not a definition. The definition $R = V/I$ works for any component; only ohmic ones have constant $R$.

    For the marks: resistance is the ratio of the potential difference across a component to the current in it; the ohm is the resistance of a component in which a p.d. of one volt produces a current of one ampere (a volt per ampere); Ohm's law states that the current in a metallic conductor is directly proportional to the potential difference across it, provided that its temperature (and other physical conditions) remains constant. Of several $I$–$V$ graphs, only a straight line through the origin obeys Ohm's law; a straight line that misses the origin, or any curve, does not.

    $I$–$V$ characteristics

    You should be able to sketch these:

    • metal wire at constant temperature — a straight line through the origin (constant $R$). Reversing the p.d. drives the current the other way, giving a straight line in both directions.
    • filament lamp 灯丝灯泡 — through the origin, steep at first, then flatter as $V$ (and $I$) grow. Reason: more current heats the filament, so its resistance rises and the gradient $1/R$ falls.
    • semiconductor diode 二极管 — almost no current for negative $V$ or small positive $V$. Above a "switch-on" voltage (about $0.7\ \text{V}$ for silicon), the current rises sharply.

    Explain the shape of the filament lamp's line (three marks): as the current increases the filament's temperature rises; the lattice ions vibrate with larger amplitude, so the free electrons collide with them more often; each collision takes energy from the electrons, so the resistance increases; on the graph the ratio $V/I$ grows and the gradient falls. Run backwards for "the current decreases": the temperature falls, so the resistance falls. Two things to read off any characteristic. The resistance at a point is $V/I$ for that point, never the gradient of a curve, so a diode's resistance is very large (infinite, in practice) up to the switch-on p.d. and then falls steeply as $V$ rises further, and of four components at the same p.d. the one with the smallest current has the greatest resistance. And when a lamp (or a diode) is in series with a resistor, the two carry the same current and their p.d.s add: read the current from the component's curve at its own p.d., then use $V = IR$ for the resistor, and the supply p.d. is the sum.

    I–V graph for an ohmic conductor: a straight line through the origin in both directions, so resistance is constant
    $I$–$V$ characteristic of an ohmic conductor (metal wire at constant temperature)
    I–V graph for a filament lamp: an S-shaped curve through the origin, steep near zero and flattening at high voltage as the filament heats and its resistance rises
    $I$–$V$ characteristic of a filament lamp
    I–V graph for a diode: current stays near zero in reverse and below the switch-on voltage, then rises sharply above about 0.7 V
    $I$–$V$ characteristic of a semiconductor diode

    Resistivity

    For a uniform conductor of length $L$ and cross-section area $A$,

    $$R = \frac{\rho L}{A}.$$

    $\rho$ is the resistivity 电阻率, a property of the material, with unit $\Omega\ \text{m}$. Doubling the length doubles $R$; doubling the area halves it; halving the diameter quarters the area and so makes $R$ four times bigger.

    Worked example. A copper wire of length $2.0\ \text{m}$ and cross-sectional area $1.7 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ has resistivity $1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$. Find its resistance.

    $$R = \frac{\rho L}{A} = \frac{(1.7 \times 10^{-8})(2.0)}{1.7 \times 10^{-7}} = 0.20\ \Omega.$$

    Typical values: copper at room temperature $\rho \sim 1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$; an insulator 绝缘体 $\rho \sim 10^{15}\ \Omega\ \text{m}$ or more.

    Two conductors of equal cross-section A: one of length L with resistance R, one of length 2L with resistance 2R. Resistance is proportional to length.
    A longer conductor has more resistance — doubling $L$ doubles $R$
    Two conductors of equal length L: one of cross-section area A with resistance R, one of area 2A with half the resistance. Resistance is inversely proportional to area.
    A wider conductor has less resistance — doubling $A$ halves $R$

    The resistivity of a metal rises with temperature (more lattice vibration 晶格振动 scatters 散射 the electrons), which is why the filament lamp's $I$–$V$ line curves.

    Most resistivity questions are ratios. Stretching a wire keeps its volume ($A \times L$) constant, so if the length becomes $k$ times longer the area becomes $k$ times smaller and $R = \rho L / A$ becomes $k^{2}$ times larger: a wire three times as long (same mass, same metal) has nine times the resistance, and a wire whose diameter falls to $0.940$ of its value has its area multiplied by $0.884$, its length divided by $0.884$, and its resistance multiplied by $1/0.884^{2} = 1.28$.

    A wire of length L and area A with resistance R, and below it the same wire stretched to length 2L, its area halved to A/2, with resistance 4R: at constant volume the resistance goes as the square of the length
    Stretched at constant volume: twice the length, half the area, four times the resistance

    Worked example. A copper lightning rod of resistance $9.6\ \Omega$ and length $20\ \text{m}$ has resistivity $1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$. Find its radius.

    $A = \rho L / R = 1.7 \times 10^{-8} \times 20 / 9.6 = 3.5 \times 10^{-8}\ \text{m}^{2}$, and $r = \sqrt{A / \pi} = 1.1 \times 10^{-4}\ \text{m}$. Doubling the radius (same length) quarters the resistance. The other standard ratios: strands in parallel — seven identical strands share the current, so the cable's resistance is one seventh of one strand's; two wires of the same resistance where one metal has twice the resistivity need the second wire to have twice the area (a diameter $\sqrt{2}$ times larger) for the same length; a wire's resistance per unit length, $0.92\ \Omega\ \text{m}^{-1}$, multiplied by its area, $5.3 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$, is its resistivity, $4.9 \times 10^{-7}\ \Omega\ \text{m}$; and a cylinder of conducting putty $60\ \text{mm}$ long and $20\ \text{mm}$ across, or a cube of side $a$ ($R = \rho a / a^{2} = \rho / a$), uses the same $R = \rho L / A$ with the shape's own length and end area. When the wire is held under tension, $R_{0} = \rho L / A$ still gives its resistance, and a stretch that lengthens it and thins it raises $R$ for both reasons. Because $\rho = RA/L = R\pi d^{2}/(4L)$, the percentage uncertainty in a measured resistivity is the sum of the percentage uncertainties in $R$ and $L$ plus twice that in $d$.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    What resistance depends on: R = ρL/A · ⁨ความต้านทานขึ้นอยู่กับอะไร: R = ρL/A⁩

    A longer wire has more resistance; a thicker one (bigger area) has less. Change the length, area and metal. · ⁨ลวดยาวขึ้นมีความต้านทานมากขึ้น; ลวดที่หนากว่า (พื้นที่ใหญ่ขึ้น) มีความต้านทานน้อยลง เปลี่ยนความยาว พื้นที่ และโลหะ⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Resistance (Ohm's law) · ⁨ความต้านทาน (กฎของโอห์ม)⁩

    V = R·I

    Ohm's law: voltage is proportional to current — the gradient is the resistance R. · ⁨กฎของโอห์ม: แรงดันไฟฟ้า แปรผันตรง กับกระแส — ความชันคือความต้านทาน R⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Ohm's law: V = IR · ⁨กฎของโอห์ม: V = IR⁩

    V = aI

    Drag the resistance. For an ohmic conductor voltage is proportional to current — a straight line whose gradient is the resistance. · ⁨ลากค่าความต้านทาน สำหรับตัวนำตามกฎโอห์ม แรงดันไฟฟ้า แปรผันตรงกับ กระแส — เส้นตรงที่มีความชันเท่ากับค่าความต้านทาน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    ohm/əʊm/ โอห์ม
    Ohm's law/əʊmz lɔː/ กฎของโอห์ม
    resistance/rɪˈzɪstəns/ ความต้านทาน
    filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ หลอดไฟไส้
    semiconductor diode/ˌsemɪkənˈdʌktə ˈdaɪəʊd/ ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์
    diode/ˈdaɪəʊd/ ไดโอด
    resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ ความต้านทานจำเพาะ
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ ฉนวน
    lattice vibration/ˈlætɪs vaɪˈbreɪʃn/ การสั่นสะเทือนของโครงผลึก
    scatters/ˈskætəz/ กระจาย
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    9.3

    Light-dependent resistor (LDR)

    A light-dependent resistor 光敏电阻 (LDR) is a semiconductor whose resistance falls as the light intensity rises. In bright light $R$ may be a few hundred $\Omega$; in the dark it can be in the megaohms. LDRs are used in light-sensing circuits (street lamps, camera light meters). Here the light intensity 光强 controls the resistance.

    Log-log graph: resistance in kilo-ohms on the y-axis falling from 1000 to 0.1 as light intensity in lux rises from 0.1 to 10000
    Resistance of an LDR decreases as light intensity increases
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ ตัวต้านทานแสง
    light intensity/laɪt ɪnˈtensɪti/ ความเข้มของแสง
    9.3

    Thermistor

    In this syllabus a thermistor 热敏电阻 has a negative temperature coefficient 负温度系数: its resistance falls as its temperature rises. This is useful for sensing temperature — put it in a potential divider 分压器 and the output voltage changes with temperature.

    Graph of resistance in ohms versus temperature in degrees Celsius: a steeply falling curve from about 3800 ohms at 0 degrees C down to about 650 ohms at 50 degrees C
    Resistance of a thermistor falls as temperature rises

    This is the opposite of a metal: in a semiconductor, more thermal energy frees more charge carriers, and this matters more than the extra scattering.

    A sketch of a thermistor's resistance against temperature starts at $R_{0}$ at $0\ °\text{C}$ and falls along a curve that flattens: the fall is not linear, which is the disadvantage of a thermistor as a thermometer (its scale is not uniform, so it needs calibrating). When the light on an LDR is increased, or a thermistor is warmed, its resistance falls, the current in its circuit rises, and the p.d. across it (in series with a fixed resistor) falls while the p.d. across the resistor rises; a fixed resistor and a metal wire at constant temperature keep their resistance, and a filament lamp's rises with current.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    thermistor/ˈθɜːmɪstə/ เทอร์มิสเตอร์
    negative temperature coefficient/ˈneɡətɪv ˈtemprɪtʃə ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ
    potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ ตัวแบ่งศักย์
    9.3

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    electric current a flow of charge carriers
    coulomb the charge passing a point in one second when the current is one ampere
    potential difference the energy transferred from electrical to other forms per unit charge passing through a component
    electromotive force (e.m.f.) the energy transferred from other forms to electrical energy per unit charge, by a source driving charge round a complete circuit
    volt one joule per coulomb
    resistance the ratio of the potential difference across a component to the current in it
    ohm the resistance of a component in which a potential difference of one volt produces a current of one ampere
    Ohm's law the current in a metallic conductor is directly proportional to the potential difference across it, provided its temperature remains constant
    resistivity the constant $\rho$ in $R = \rho L / A$, a property of the material with unit $\Omega\ \text{m}$
    number density the number of charge carriers per unit volume of the conductor
    9.3

    Exam tips

    • Use $I = Q/t$, $V = W/Q$ (energy per unit charge) and $P = VI = I^2 R = V^2/R$.
    • Ohm's law ($V = IR$) applies only to an ohmic conductor at constant temperature — a filament lamp is non-ohmic.
    • Sketch and interpret the $I$-$V$ characteristics of a resistor, filament lamp and diode.
    • An LDR's resistance falls with light; a thermistor's falls as temperature rises.

    Common mistakes

    • Taking the resistance from the gradient of a curved $I$–$V$ graph. Resistance is $V/I$ at the point; only for a straight line through the origin is it the reciprocal of the gradient.
    • Leaving a time in minutes or hours in $Q = It$. Convert to seconds first.
    • Saying the filament lamp's resistance rises "because of the voltage". The chain is current, temperature, ion vibration, more collisions, more resistance.
    • Forgetting that a stretched wire changes in two ways. At constant volume the area falls as the length rises, so $R \propto L^{2}$.
    • Using the diameter as the radius in $A = \pi r^{2}$, or leaving $\text{mm}^{2}$ unconverted.
    • Comparing powers with the wrong form. Series components share the current, so use $I^{2}R$; parallel components share the p.d., so use $V^{2}/R$.
  • 10

    D.C. circuits · ⁨วงจรกระแสตรง (D.C.)⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    10.1

    Practical circuits

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall and use the circuit symbols shown in section 6 of this syllabus
    2. draw and interpret circuit diagrams containing the circuit symbols shown in section 6 of this syllabus
    3. define and use the electromotive force (e.m.f.) of a source as energy transferred per unit charge in driving charge around a complete circuit
    4. distinguish between e.m.f. and potential difference (p.d.) in terms of energy considerations
    5. understand the effects of the internal resistance of a source of e.m.f. on the terminal potential difference
    ไทย
    1. จำและใช้สัญลักษณ์วงจรที่แสดงในหัวข้อ 6 ของหลักสูตรนี้
    2. วาดและตีความแผนภาพวงจรที่มีสัญลักษณ์วงจรตามหัวข้อ 6 ของหลักสูตรนี้
    3. นิยามและใช้พลังงานจลน์ไฟฟ้า (e.m.f.) ของแหล่งจ่ายเป็นพลังงานที่ถูกถ่ายโอนต่อหน่วยประจุในการขับเคลื่อนประจุรอบวงจรสมบูรณ์
    4. แยกแยะระหว่าง e.m.f. กับ แรงต่างศักย์ (p.d.) ในเชิงการพิจารณาเรื่องพลังงาน
    5. เข้าใจผลกระทบของความต้านทานภายในของแหล่ง e.m.f. ที่มีต่อแรงต่างศักย์ขั้ว

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    e.m.f. and p.d.

    The electromotive force 电动势 (e.m.f.) $\varepsilon$ of a source is the energy 能量 given to each unit of charge by the source as it drives the charge around a full circuit. Unit: volt.

    The potential difference 电势差 (p.d.) across a component is the energy changed from electrical to other forms by each unit of charge as it passes through that component.

    Both are in volts; they differ in energy direction:

    • e.m.f. — energy put into the circuit by the source (chemical → electrical in a battery, mechanical → electrical in a generator).
    • p.d. — energy taken out of the electrical form (electrical → thermal in a resistor, → light in a lamp, → kinetic in a motor).

    The examiner's wording is fixed. e.m.f. is "the energy transferred per unit charge by the source in driving charge round a complete circuit"; p.d. is "the energy transferred per unit charge from electrical to other forms". Both are energy per charge, so the volt is a joule per coulomb ($1\ \text{V} = 1\ \text{J C}^{-1}$). Statements that are always true of a source: the e.m.f. is the terminal p.d. when no current flows; the total energy it gives to a charge $Q$ is $\varepsilon Q$. The name is a trap: an electromotive "force" is not a force and is not measured in newtons.

    Worked example. A cell of e.m.f. $\varepsilon$ and internal resistance $r$ drives a charge $Q$ round a circuit whose terminal p.d. is $V$. Compare the energy transferred by the cell with the energy dissipated outside it.

    The cell transfers $\varepsilon Q$ in total; the external circuit receives $VQ$. Since $V = \varepsilon - Ir < \varepsilon$ whenever a current flows, $VQ < \varepsilon Q$ — the difference $(\varepsilon - V)Q = IrQ$ is the energy turned to heat inside the cell.

    In the lab you often build a circuit on a breadboard 面包板 (a board with rows of holes that connect components without soldering) and measure currents and p.d.s with a multimeter 万用表.

    An empty 400-point breadboard seen from above: two long rails marked with a red and a blue line down the edges, and short rows of five holes filling the middle
    The bare board: the two long rails carry power, and each short row of holes is joined underneath
    A small circuit on a breadboard: a resistor and a glowing red LED are plugged into the rows, wired to a microcontroller, while the red and black probes of a multimeter touch the circuit to take a reading
    A real circuit on a breadboard, being measured with a multimeter

    Internal resistance

    A real source has some internal resistance 内阻 $r$ — usually the resistance of the electrolyte 电解质 in a cell 电池, or the wire windings in a generator. When current $I$ flows, an internal p.d. of $Ir$ is "lost" inside the source, so the terminal p.d. 端电压 across the outside circuit is

    $$V_{\text{terminal}} = \varepsilon - I r.$$

    So:

    • no current (open circuit 开路, $I = 0$): the terminal p.d. equals the e.m.f.
    • larger current: the terminal p.d. falls.
    • short circuit 短路 ($R_{\text{external}} \to 0$): $I = \varepsilon / r$, a large current, with all the energy turned to heat inside the source.

    To measure $r$, change the outside resistance and plot $V_{\text{terminal}}$ against $I$: the line has $y$-intercept $\varepsilon$ and gradient $-r$.

    Worked example. A cell of e.m.f. $1.5\ \text{V}$ and internal resistance $0.50\ \Omega$ is connected to a $2.5\ \Omega$ resistor. Find the current and the terminal p.d.

    The e.m.f. drives the current through both resistances: $I = \dfrac{\varepsilon}{R + r} = \dfrac{1.5}{2.5 + 0.50} = 0.50\ \text{A}$. Then

    $$V_{\text{terminal}} = \varepsilon - Ir = 1.5 - 0.50 \times 0.50 = 1.25\ \text{V}.$$
    A circuit with a cell drawn as e.m.f. E in series with internal resistance r inside a dashed box, connected to a voltmeter across the terminals, an ammeter, and a variable resistor
    Circuit for measuring the e.m.f. and internal resistance of a cell
    A graph of terminal p.d. V against current I: a straight line starting at E on the V-axis and sloping down with gradient minus r
    Terminal p.d. against current — the intercept is the e.m.f. and the gradient is minus the internal resistance

    The power 功率 given to the outside load is $P_{\text{ext}} = (\varepsilon - Ir) I$; the power lost inside is $P_{\text{int}} = I^{2} r$; the total power from the source is $\varepsilon I$.

    The efficiency 效率 of the source is $\dfrac{P_{\text{ext}}}{\varepsilon I} = \dfrac{VI}{\varepsilon I} = \dfrac{V}{\varepsilon} = \dfrac{R}{R + r}$: a large load resistance wastes little energy inside the source.

    Worked example. A cell of e.m.f. $2.0\ \text{V}$ and internal resistance $0.40\ \Omega$ drives a current of $1.5\ \text{A}$ through a wire. Show that the terminal p.d. is $1.4\ \text{V}$ and find the percentage efficiency with which the cell supplies power to the wire.

    $V = \varepsilon - Ir = 2.0 - 1.5 \times 0.40 = 2.0 - 0.60 = 1.40\ \text{V}$. Power to the wire $= VI = 1.4 \times 1.5 = 2.1\ \text{W}$; total power from the cell $= \varepsilon I = 2.0 \times 1.5 = 3.0\ \text{W}$. Efficiency $= 2.1 / 3.0 = 0.70$, i.e. $70\%$. In a "show that" question, write every step and the unrounded value ($1.40\ \text{V}$) before the value you were given.

    When the outside circuit changes, argue through the current. Closing a switch that adds a second resistor in parallel lowers the total external resistance, so the current in the cell rises, the internal "lost volts" $Ir$ rise, and the terminal p.d. $\varepsilon - Ir$ falls; the p.d. across the original resistor (which is the terminal p.d.) therefore falls, and so does its current, even though the cell's current rose. This chain — resistance → current in the cell → $Ir$ → terminal p.d. — is the model answer for almost every "state and explain the effect" question in this topic.

    A cell of e.m.f. E and internal resistance r with a voltmeter across its terminals, feeding a resistor R1; a switch S and a second resistor R2 form a parallel branch that can be added by closing S
    Closing S adds a parallel branch: the current in the cell rises, so Ir rises and the terminal p.d. read by the voltmeter falls

    Cells joined together. In series, e.m.f.s add and internal resistances add: three cells of e.m.f. $\varepsilon$ and internal resistance $r$ give $3\varepsilon$ and $3r$. A cell connected the wrong way round subtracts its e.m.f. (ten $1.5\ \text{V}$ cells with one reversed give $8 \times 1.5 = 12\ \text{V}$). Identical cells in parallel give the same e.m.f. $\varepsilon$ with a smaller internal resistance $r/N$, so they can supply a larger current.

    Circuit symbols

    You must recognise and draw the standard symbols in the syllabus: cell, battery, switch, resistor, variable resistor, ammeter 电流表, voltmeter 电压表, lamp, diode (and LED 发光二极管), capacitor 电容器, inductor, thermistor, light-dependent resistor, fuse 保险丝, earth, junction. An ideal ammeter has zero resistance 电阻 and goes in series 串联. An ideal voltmeter has infinite resistance and goes in parallel 并联.

    A grid of standard circuit symbols including cell, battery, switch, earth, lamp, fixed and variable resistor, LDR, thermistor, diode, LED, capacitor, inductor, fuse, ammeter, voltmeter, galvanometer, potentiometer, junction and motor
    The standard circuit symbols you need to recognise and draw

    Drawing a circuit diagram. Marks are lost for symbols, not physics. Use ruler-straight lines and the standard symbols; an ammeter goes in series with the component whose current it measures and a voltmeter in parallel with (across) the component whose p.d. it measures; a cell with internal resistance is drawn as an ideal cell in series with a resistor $r$; and a variable resistor may be used in two ways, shown below. A "complete the circuit diagram" question usually wants exactly this measuring arrangement: source, ammeter and variable resistor in one series loop, voltmeter across the component under test.

    A digital multimeter with its probes across a bank of resistors
    A digital multimeter across a resistor bank: the voltmeter goes in parallel, the ammeter in series
    Two circuits side by side: a rheostat with two connections in series with a lamp, which sets the current; and a potentiometer with three connections across the cell, whose sliding contact gives an output p.d. anywhere between zero and the full e.m.f.
    A variable resistor as a rheostat (two connections, sets the current) and as a potential divider (three connections, sets a p.d. from 0 to E)
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Internal resistance · ⁨ความต้านทานภายใน⁩

    V = ε − I·r

    Terminal p.d. falls with current: it starts at the e.m.f. ε and drops by I·r. · ⁨แรงดันขั้วลดลงเมื่อกระแสเพิ่มขึ้น: เริ่มต้นที่ ε และลดลงตาม I·r⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ แรงขับเคลื่อนไฟฟ้า
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ ต่างศักย์
    breadboard/ˈbredbɔːd/ แผงวงจร
    multimeter/ˌmʌltɪˈmiːtə/ มัลติมิเตอร์
    internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ ความต้านทานภายใน
    electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ สารอิเล็กโทรไลต์
    cell/sel/ เซลล์
    terminal p.d./ˈtɜːmɪnl ˌpiː ˈdiː/ แรงดันไฟฟ้าขั้วต่อ
    open circuit/ˈəʊpən ˈsɜːkɪt/ วงจรเปิด
    short circuit/ʃɔːt ˈsɜːkɪt/ วงจรลัด
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ ประสิทธิภาพ
    ammeter/ˈæmiːtə/ แอมมิเตอร์
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ โวลต์มิเตอร์
    LED/ˌel iː ˈdiː/ LED
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ ตัวเก็บประจุ
    fuse/fjuːz/ ฟิวส์
    resistance/rɪˈzɪstəns/ ความต้านทาน
    series/ˈsɪəriːz/ 串联电路中
    parallel/ˈpærəlel/ 并联电路中
    loop/luːp/ ลูป
    10.2

    Kirchhoff's laws

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall Kirchhoff's first law and understand that it is a consequence of conservation of charge
    2. recall Kirchhoff's second law and understand that it is a consequence of conservation of energy
    3. derive, using Kirchhoff's laws, a formula for the combined resistance of two or more resistors in series
    4. use the formula for the combined resistance of two or more resistors in series
    5. derive, using Kirchhoff's laws, a formula for the combined resistance of two or more resistors in parallel
    6. use the formula for the combined resistance of two or more resistors in parallel
    7. use Kirchhoff's laws to solve simple circuit problems
    ไทย
    1. จำ กฎข้อที่หนึ่งของเคอร์ชอฟฟ์ และเข้าใจว่าเป็นผลมาจากการ อนุรักษ์ประจุ
    2. จำ กฎข้อที่สองของเคอร์ชอฟฟ์ และเข้าใจว่าเป็นผลมาจากการ อนุรักษ์พลังงาน
    3. สืบสมมติฐานโดยใช้กฎของเคอร์ชอฟฟ์ เพื่อหาสูตรสำหรับ ความต้านทานรวม ของตัวต้านทานสองตัวหรือมากกว่าที่ต่อแบบ อนุกรม
    4. ใช้สูตรความต้านทานรวมของตัวต้านทานสองตัวหรือมากกว่าที่ต่อแบบอนุกรม
    5. สืบสมมติฐานโดยใช้กฎของเคอร์ชอฟฟ์ เพื่อหาสูตรสำหรับ ความต้านทานรวม ของตัวต้านทานสองตัวหรือมากกว่าที่ต่อแบบ ขนาน
    6. ใช้สูตรความต้านทานรวมของตัวต้านทานสองตัวหรือมากกว่าที่ต่อแบบขนาน
    7. ใช้ กฎของเคอร์ชอฟฟ์ เพื่อแก้โจทย์ปัญหาวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    First law (junction rule)

    At any junction 节点, the total current flowing in equals the total current flowing out. This follows from conservation of charge 电荷守恒 — charge cannot build up at a point in a steady circuit, so charge in per second equals charge out per second.

    For a junction with three wires: $I_{1} = I_{2} + I_{3}$ if currents 2 and 3 flow out and current 1 flows in.

    A parallel circuit where a 3 A current from the battery splits at a junction into a 2 A branch and a 1 A branch, then recombines to 3 A
    Current divides at a junction in a parallel circuit (3 A in equals 2 A plus 1 A)

    Two ways the examiner asks it: "state the law" (one mark: the sum of the currents into a junction equals the sum of the currents out of it) and "state the conservation law behind it" (charge). Do not answer "energy" for the first law or "charge" for the second — the pairing is tested in almost every Paper 1.

    Second law (loop rule)

    Around any closed loop 回路, the total e.m.f. equals the total p.d. across the components in that loop. This follows from conservation of energy 能量守恒: as a unit of charge goes once round a loop, the energy it gains from sources equals the energy it gives up to components.

    Pick a direction round the loop. Take an e.m.f. as positive when the loop direction goes from − to + of the source, and a p.d. as positive when the loop direction is the conventional current direction through the resistor.

    In symbols, round any closed loop $\sum \varepsilon = \sum IR$. A source you pass from $+$ to $-$ counts as a negative e.m.f. (it is being charged, or opposes the other source), and a resistor you pass against its current counts as a negative p.d.

    Worked example. Two batteries are in one loop with their e.m.f.s opposed: $12.0\ \text{V}$ with internal resistance $1.0\ \Omega$, and $8.0\ \text{V}$ with internal resistance $0.50\ \Omega$. Find the current.

    Going round the loop, the net e.m.f. is $12.0 - 8.0 = 4.0\ \text{V}$ and the total resistance is $1.0 + 0.50 = 1.5\ \Omega$ (the internal resistances are in series), so $I = 4.0 / 1.5 = 2.7\ \text{A}$. The current flows in the direction driven by the larger e.m.f.

    Combining resistors

    Resistors in series. Derivation using Kirchhoff's laws: there is no junction between the resistors, so by the first law the same current $I$ passes through each. By the second law the e.m.f. round the loop equals the sum of the p.d.s:

    $$\varepsilon = I R_{1} + I R_{2} + \ldots = I (R_{1} + R_{2} + \ldots),$$

    so $R_{\text{series}} = R_{1} + R_{2} + \ldots$.

    Two resistors R1 and R2 in series carrying the same current I, with p.d.s V1 and V2, shown as equivalent to a single resistor R with p.d. V
    Two resistors in series and their single equivalent resistor

    Resistors in parallel. Derivation: by the second law, each resistor forms its own loop with the source, so each has the same p.d. $V$ across it. By the first law the current entering the junction equals the sum of the branch currents:

    $$I = \frac{V}{R_{1}} + \frac{V}{R_{2}} + \ldots = V \left(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \ldots\right),$$

    so $\dfrac{1}{R_{\text{parallel}}} = \dfrac{1}{R_{1}} + \dfrac{1}{R_{2}} + \ldots$.

    Two resistors R1 and R2 in parallel sharing the current I as I1 and I2 across the same p.d. V, shown as equivalent to a single resistor R
    Two resistors in parallel and their single equivalent resistor

    Two equal resistors $R$ in parallel give $R/2$; $N$ equal ones give $R/N$. A parallel combination is always smaller than any of its resistors; a series combination is always larger.

    Worked example. A $4.0\ \Omega$ resistor and a $12\ \Omega$ resistor are connected in parallel. Find their combined resistance.

    $$\frac{1}{R} = \frac{1}{4.0} + \frac{1}{12} = \frac{3}{12} + \frac{1}{12} = \frac{4}{12} = \frac{1}{3} \quad\Rightarrow\quad R = 3.0\ \Omega.$$

    Resistor networks and power

    Reduce a mixed network one step at a time: replace each series chain by its sum and each parallel pair by $\dfrac{R_{1}R_{2}}{R_{1} + R_{2}}$ (the "product over sum" form, valid for two resistors only), redraw, and repeat until one resistor is left. Two rules decide which resistor dissipates the most power without any arithmetic: components carrying the same current dissipate more in the larger resistance ($P = I^{2}R$); components with the same p.d. dissipate more in the smaller resistance ($P = V^{2}/R$). In a series–parallel mix the single resistor that carries the whole current usually dissipates the most, because a parallel branch carries only a share of it.

    Worked example. Three resistors, each of resistance $R$, are connected with two in series and that pair in parallel with the third. The total resistance between the ends is $8.0\ \Omega$. Find $R$.

    The series pair is $2R$; in parallel with $R$: $R_{\text{T}} = \dfrac{2R \times R}{2R + R} = \dfrac{2R}{3}$. So $\dfrac{2R}{3} = 8.0$, giving $R = 12\ \Omega$. Check: the single resistor $R$ carries twice the current of the pair (same p.d., half the resistance), so it dissipates the most power.

    Solving a circuit

    1. Label every current with a symbol and a chosen direction.
    2. Use Kirchhoff's first law 基尔霍夫第一定律 at each junction to link the currents.
    3. Use Kirchhoff's second law 基尔霍夫第二定律 around each loop to get equations in the p.d.s.
    4. Use $V = IR$ for each resistor.
    5. Solve the equations together.

    For symmetric resistor networks, use the symmetry to spot branches with equal currents — the branch with the most current gives the most power ($P = I^{2}R$).

    A circuit with a cell of e.m.f. E in the left rail, a resistor R1 in the top rail, then a junction where the current I1 splits into I2 through R2 and I3 through R3 in two parallel branches; two loops are marked, loop 1 through E, R1 and R2, and loop 2 through R2 and R3
    The standard two-loop circuit: one junction equation and two loop equations fix all three currents

    Worked example. In the circuit above $\varepsilon = 12\ \text{V}$ (negligible internal resistance), $R_{1} = 2.0\ \Omega$, $R_{2} = 6.0\ \Omega$ and $R_{3} = 3.0\ \Omega$. Find the three currents.

    Kirchhoff's method. Junction: $I_{1} = I_{2} + I_{3}$. Loop 1 (through $\varepsilon$, $R_{1}$, $R_{2}$): $12 = 2.0 I_{1} + 6.0 I_{2}$. Loop 2 (through $R_{2}$ and $R_{3}$, no source): $0 = 6.0 I_{2} - 3.0 I_{3}$, so $I_{3} = 2 I_{2}$. Then $I_{1} = 3 I_{2}$ and $12 = 6.0 I_{2} + 6.0 I_{2}$, giving $I_{2} = 1.0\ \text{A}$, $I_{3} = 2.0\ \text{A}$ and $I_{1} = 3.0\ \text{A}$.

    Reduction check. $6.0\ \Omega$ and $3.0\ \Omega$ in parallel give $2.0\ \Omega$; with $R_{1}$ the total is $4.0\ \Omega$, so $I_{1} = 12 / 4.0 = 3.0\ \text{A}$ and the p.d. across the parallel pair is $3.0 \times 2.0 = 6.0\ \text{V}$, giving $I_{2} = 6.0/6.0 = 1.0\ \text{A}$ and $I_{3} = 6.0/3.0 = 2.0\ \text{A}$. Both methods must agree; a negative answer for a current simply means you guessed its direction the wrong way.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Series & parallel circuits · ⁨วงจรอนุกรมและขนาน⁩

    Switch between series and parallel and add bulbs. In series they share the voltage and one break kills them all; in parallel each gets the full voltage and a break only loses its branch. · ⁨สลับระหว่างอนุกรมและขนานแล้วเพิ่มหลอดไฟ ในอนุกรมพวกมันแบ่งกันแรงดัน และหากขาดหนึ่งดวงจะดับทั้งหมด; ในขนานแต่ละดวงได้รับแรงดันเต็มและหากขาดเพียงดวงเดียวจะเสียเฉพาะสาขานั้น⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    junction/ˈdʒʌŋkʃn/ จุดแยก
    conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ การอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
    closed loop/kləʊzd luːp/ วงจรปิด
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
    Kirchhoff's first law/ˈkɜːkhɒfs fɜːst lɔː/ กฎข้อที่หนึ่งของเคิร์ชฮอฟฟ์
    Kirchhoff's second law/ˈkɜːkhɒfs ˈsekənd lɔː/ กฎข้อที่สองของเคิร์ชฮอฟฟ์
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    10.3

    Potential dividers

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand the principle of a potential divider circuit
    2. recall and use the principle of the potentiometer as a means of comparing potential differences
    3. understand the use of a galvanometer in null methods
    4. explain the use of thermistors and light-dependent resistors in potential dividers to provide a potential difference that is dependent on temperature and light intensity
    ไทย
    1. เข้าใจหลักการของ วงจรแบ่งศักย์ไฟฟ้า
    2. จำและใช้หลักการของ ** potenciometer** เป็นวิธีการเปรียบเทียบ ความต่างศักย์ไฟฟ้า
    3. เข้าใจการใช้ กัลวานอมิเตอร์ ใน วิธีศูนย์
    4. อธิบายการใช้ เทอร์มิสเตอร์ และ ตัวต้านทานแสง ในวงจรแบ่งศักย์เพื่อให้ความต่างศักย์ที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มของแสง

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    A potential divider 分压器 is two (or more) resistors in series across a source. The p.d. across each resistor is in direct proportion to its resistance:

    $$V_{1} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}}, \qquad V_{2} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}}.$$

    The output (tapped between $R_{1}$ and $R_{2}$) can be set to any voltage 电压 between $0$ and $V_{\text{in}}$ by choosing the resistances. A potentiometer 电位差计 used with all three of its connections (a slider on a uniform-resistance track) gives a smoothly variable divider; the same component with only two connections is a rheostat 变阻器, which just changes the current.

    Worked example. A $6.0\ \text{V}$ supply is connected across a $2.0\ \text{k}\Omega$ resistor in series with a $4.0\ \text{k}\Omega$ resistor. Find the output voltage tapped across the $4.0\ \text{k}\Omega$ resistor.

    $$V_{2} = V_{\text{in}} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = 6.0 \times \frac{4.0}{2.0 + 4.0} = 4.0\ \text{V}.$$

    The same answer comes from the current-first route the mark scheme often lays out: $I = V_{\text{in}} / (R_{1} + R_{2}) = 6.0 / 6000 = 1.0\ \text{mA}$, then $V_{2} = I R_{2} = 1.0 \times 10^{-3} \times 4000 = 4.0\ \text{V}$. Two consequences worth remembering: the larger resistance takes the larger share of the p.d.; and the ratio formula holds only while no current is drawn from the output — a load (or a low-resistance voltmeter) in parallel with $R_{2}$ lowers the effective resistance of $R_{2}$ and so lowers $V_{2}$.

    A potential divider: a source drives current I through R1 and R2 in series, with the total p.d. V split into V1 across R1 and V2 across R2, the output tapped across R2
    A potential divider — the p.d. splits between R1 and R2 in proportion to their resistances

    Sensor circuits

    Replace one fixed resistor with a sensor 传感器 whose resistance changes with a physical quantity:

    • thermistor 热敏电阻 (NTC): $R$ falls as temperature rises. In a divider, the output voltage changes with temperature in a fixed direction.
    • light-dependent resistor 光敏电阻 (LDR): $R$ falls as light intensity 光强 rises, giving a brightness-dependent output.

    Connect the output to a transistor 晶体管 base or a comparator 比较器 to switch a load on or off when the temperature or light passes a threshold 阈值.

    A potential divider with a fixed resistor R in series with a thermistor S across a cell of e.m.f. E, the output voltage V taken across the thermistor
    A thermistor in a potential divider gives an output voltage that changes with temperature

    Which way does the output go? The output can be taken across the sensor or across the fixed resistor, and the two choices respond in opposite directions. Argue through the current, in this order, and you have the full three-mark answer:

    1. the light gets brighter (or the temperature rises), so the resistance of the LDR (or thermistor) falls;
    2. the total resistance of the series circuit falls, so the current rises ($I = \varepsilon / R_{\text{total}}$);
    3. the p.d. across the fixed resistor $= IR$ rises, so the p.d. across the sensor $= \varepsilon - IR$ falls.

    So an output across the fixed resistor rises with light or temperature; an output across the sensor falls. If the source has internal resistance, add one more link: the larger current also increases $Ir$, so the terminal p.d. falls slightly.

    Two LDR potential dividers: in circuit A the LDR is above a fixed resistor and the output is taken across the fixed resistor, so the output rises when the light gets brighter; in circuit B the fixed resistor is above the LDR and the output is taken across the LDR, so the output falls when the light gets brighter
    Where you take the output decides the direction of the change: across the fixed resistor it rises with light, across the LDR it falls

    Worked example. A battery of e.m.f. $9.0\ \text{V}$ and negligible internal resistance is connected in series with an LDR and a $1200\ \Omega$ resistor. In the light the LDR has a resistance of $1800\ \Omega$. Calculate the p.d. across the LDR, and state and explain what happens to it when the light intensity decreases.

    $V_{\text{LDR}} = 9.0 \times \dfrac{1800}{1800 + 1200} = 5.4\ \text{V}$. Less light → the resistance of the LDR increases → the total resistance increases and the current decreases → the p.d. across the $1200\ \Omega$ resistor ($IR$) decreases → the p.d. across the LDR ($9.0 - IR$) increases.

    Worked example. A thermistor in series with a $5800\ \Omega$ resistor across a $6.0\ \text{V}$ supply gives a p.d. of $2.9\ \text{V}$ across the resistor. Find the resistance of the thermistor.

    Current $= 2.9 / 5800 = 5.0 \times 10^{-4}\ \text{A}$. The thermistor takes the remaining $6.0 - 2.9 = 3.1\ \text{V}$, so $R = 3.1 / (5.0 \times 10^{-4}) = 6200\ \Omega$ (or, by ratio, $R = 5800 \times 3.1/2.9$).

    Potentiometer and the null method

    A potentiometer is a uniform resistance wire of length $L_{0}$ with a sliding contact (jockey 滑动触头). The resistance per unit length is uniform, so the p.d. from one end to the jockey is proportional to the length:

    $$V_{x} = V_{\text{full}} \cdot \frac{x}{L_{0}}.$$

    To compare two e.m.f.s (an unknown cell against a standard cell), connect each in turn with the jockey through a galvanometer 检流计. Slide the jockey until the galvanometer reads zero (a null — no current flows through the cell being measured, because the potentiometer's voltage there exactly opposes the cell's e.m.f.). The balance length 平衡长度 — the wire length from the end to the jockey at balance — is proportional to the e.m.f. being measured, so the two lengths are in the ratio of the e.m.f.s:

    $$\frac{\varepsilon_{1}}{\varepsilon_{2}} = \frac{l_{1}}{l_{2}}.$$

    This is a null method 零点法: you find the balance (zero current) instead of measuring a current's value. Its advantage is that at balance the unknown cell gives no current, so its internal resistance does not affect the result.

    A potentiometer circuit: a driver cell sends current along a uniform wire; a two-way switch selects cell E_A or E_B, each connected through a galvanometer to a sliding contact, balanced at length l_A
    A potentiometer comparing two cell e.m.f.s by the null method

    Why the null method is better than a voltmeter. At balance no current is drawn from the cell being measured, so there is no $Ir$ drop inside it: the balance point measures the e.m.f., not the terminal p.d. A voltmeter always draws some current, so it reads slightly less than the e.m.f.

    Reading the balance point. The p.d. per unit length of the wire is fixed by the driver cell 驱动电池 and the resistance of the wire. Anything that makes the p.d. being balanced larger moves the balance point further along the wire; anything that makes the p.d. per unit length larger (a driver cell of larger e.m.f., or a wire that takes a larger share of the driver's p.d.) makes the balance length shorter. Replacing the wire by one of the same length but greater diameter lowers its resistance ($R = \rho L / A$): if the driver cell has negligible internal resistance and nothing else is in series, the p.d. across the wire is still the full e.m.f. and the balance length does not move; if the driver has internal resistance or a series resistor, the wire's share of the e.m.f. falls, the p.d. per metre falls, and the balance length grows. Say which case you are in.

    Worked example. A potentiometer wire XY of length $2.0\ \text{m}$ carries a p.d. of $1.50\ \text{V}$. A cell of e.m.f. $E$ is balanced when the jockey is $1.6\ \text{m}$ from X. Find $E$, and state what happens to the balance length if the driver cell is replaced by one of larger e.m.f.

    $E = 1.50 \times \dfrac{1.6}{2.0} = 1.2\ \text{V}$. A larger driver e.m.f. gives a larger p.d. per metre, so the same $1.2\ \text{V}$ is reached at a shorter length: the jockey must move towards X.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Sharing voltage in series · ⁨การแบ่งแรงดันในวงจรอนุกรม⁩

    In a series loop the same current flows everywhere and the cell's voltage splits across the components — that split is how a potential divider works. · ⁨ในวงลูปอนุกรม กระแสไหลผ่านทุกจุดเท่ากัน และแรงดันของเซลล์จะแยก across อุปกรณ์ — การแยกนี้คือวิธีการทำงานของตัวหารแรงดัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ ตัวแบ่งศักย์
    voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ แรงดันไฟฟ้า
    potentiometer/pəˌtentɪˈɒmɪtə/ โพลтенชิโอมิเตอร์
    rheostat/ˈriːəstæt/ รีโอสแตท
    sensor/ˈsensə/ sensor
    thermistor/ˈθɜːmɪstə/ เทอร์มิสเตอร์
    light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ ตัวต้านทานแสง
    light intensity/laɪt ɪnˈtensɪti/ ความเข้มของแสง
    transistor/trænˈzɪstə/ ทรานซิสเตอร์
    comparator/kəmˈpæreɪtə/ คอมพาราร์
    threshold/ˈθreʃəʊld/ 阈値 (threshold)
    jockey/ˈdʒɒki/ จ็อกกี้
    galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ กาลวานอมิเตอร์
    balance length/ˈbæləns leŋθ/ ความยาวสมดุล
    null method/nʌl ˈmeθəd/ วิธีศูนย์
    driver cell/ˈdraɪvə sel/ เซลล์ไดรเวอร์
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    10.3

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    electromotive force (e.m.f.) the energy transferred per unit charge by a source in driving charge round a complete circuit
    potential difference (p.d.) the energy transferred per unit charge from electrical energy to other forms of energy
    internal resistance the resistance to current inside a source of e.m.f., which causes a p.d. $Ir$ across the source when a current flows
    terminal p.d. the p.d. across the terminals of a source, equal to e.m.f. $- Ir$
    Kirchhoff's first law the sum of the currents into a junction is equal to the sum of the currents out of the junction (conservation of charge)
    Kirchhoff's second law the sum of the e.m.f.s round a closed loop is equal to the sum of the p.d.s round the loop (conservation of energy)
    potential divider two or more resistors in series across a supply, giving a p.d. across one of them that is a fraction of the supply p.d.
    potentiometer a uniform resistance wire with a sliding contact, used to compare p.d.s by finding the length at which a galvanometer reads zero
    null method a measurement made by adjusting a circuit until a meter reads zero, so no current is drawn from the component being measured
    balance length the length of potentiometer wire between one end and the sliding contact when the galvanometer reads zero
    10.3

    Exam tips

    • Apply Kirchhoff's laws: current into a junction $=$ current out (charge conserved); $\sum \text{e.m.f.} = \sum \text{p.d.}$ round a loop (energy conserved). Name the law you are using when a question says "use Kirchhoff's laws".
    • Combine resistors: series $R = R_1 + R_2$; parallel $1/R = 1/R_1 + 1/R_2$. A parallel combination is always smaller than its smallest resistor.
    • A potential divider splits voltage in the ratio of the resistances; the larger resistance takes the larger p.d.
    • Include internal resistance: $\text{e.m.f.} = I(R + r)$ — the "lost volts" are $Ir$. When a circuit changes, argue resistance → current in the cell → $Ir$ → terminal p.d.
    • "Negligible internal resistance" means the terminal p.d. is the e.m.f., whatever the current. Look for the phrase before you start.
    • Read a $V$–$I$ graph of a source as $V = \varepsilon - Ir$: intercept $\varepsilon$, gradient $-r$, and the current at $V = 0$ is the maximum (short-circuit) current $\varepsilon / r$.
    • In Paper 5, rearrange the circuit relation into $y = mx + c$ before plotting: a cell of e.m.f. $\varepsilon$ and internal resistance $r$ feeding $n$ equal resistors $R$ in parallel obeys $\varepsilon = I\left(\dfrac{R}{n} + r\right)$, so $\dfrac{1}{I} = \dfrac{R}{\varepsilon} \cdot \dfrac{1}{n} + \dfrac{r}{\varepsilon}$ — a graph of $1/I$ against $1/n$ has gradient $R/\varepsilon$ and intercept $r/\varepsilon$.

    Common mistakes

    • Writing $V = IR$ with the e.m.f. and the external resistance only, forgetting $r$. Use $\varepsilon = I(R + r)$.
    • Saying e.m.f. is "the force that pushes the charge". It is energy per unit charge; the volt is a joule per coulomb.
    • Pairing the laws with the wrong conservation law. First law — charge; second law — energy.
    • Using "product over sum" for three parallel resistors. It works for two only; otherwise add the reciprocals.
    • Explaining a sensor circuit by "the resistance changes so the voltage changes". The marks are for the chain: resistance → total resistance → current → $IR$ across the fixed resistor → the rest across the sensor.
    • Claiming a potentiometer at balance "draws no current from the driver cell". It draws none from the cell being measured; the driver cell always supplies the wire current.
    • Rounding a "show that" value before the last line — write $1.40\ \text{V}$, then say it is $1.4\ \text{V}$.
  • 11

    Particle physics · ⁨ฟิสิกส์อนุภาค⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    11.1

    The nuclear atom

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. infer from the results of the $\alpha$-particle scattering experiment the existence and small size of the nucleus
    2. describe a simple model for the nuclear atom to include protons, neutrons and orbital electrons
    3. distinguish between nucleon number and proton number
    4. understand that isotopes are forms of the same element with different numbers of neutrons in their nuclei
    5. understand and use the notation $_Z^A\text{X}$ for the representation of nuclides
    6. understand that nucleon number and charge are conserved in nuclear processes
    7. describe the composition, mass and charge of $\alpha$-, $\beta$- and $\gamma$-radiations (both $\beta^-$ (electrons) and $\beta^+$ (positrons) are included)
    8. understand that an antiparticle has the same mass but opposite charge to the corresponding particle, and that a positron is the antiparticle of an electron
    9. state that (electron) antineutrinos are produced during $\beta^-$ decay and (electron) neutrinos are produced during $\beta^+$ decay
    10. understand that $\alpha$-particles have discrete energies but that $\beta$-particles have a continuous range of energies because (anti)neutrinos are emitted in $\beta$-decay
    11. represent $\alpha$- and $\beta$-decay by a radioactive decay equation of the form $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\alpha$
    12. use the unified atomic mass unit (u) as a unit of mass
    ไทย
    1. สรุปจากการทดลองการกระเจิงอนุภาค $\alpha$ ว่ามี นิวเคลียส อยู่และมีขนาดเล็กมาก
    2. อธิบายแบบจำลองอย่างง่ายของ อะตอมแบบนิวเคลียส โดยรวมถึง โปรตอน, นิวตรอน และ อิเล็กตรอนในวงโคจร
    3. แยกแยะระหว่าง เลขมวล กับ เลขอะตอม
    4. เข้าใจว่า ไอโซโทป คือรูปทรงของธาตุเดียวกันที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันภายในนิวเคลียส
    5. เข้าใจและใช้สัญลักษณ์ $_Z^A\text{X}$ ในการแสดง นิวไคลด์
    6. เข้าใจว่าเลขมวลและประจุมีค่าคงที่ในปฏิกิริยานิวเคลียร์
    7. อธิบายองค์ประกอบ มวล และประจุของรังสี $\alpha$-, $\beta$- และ $\gamma$- (รวมถึง $\beta^-$ (อิเล็กตรอน) และ $\beta^+$ (โพซิตรอน) ด้วย)
    8. เข้าใจว่า อนุภาคปฏิสัมพันธ์ มีมวลเท่าเดิมแต่มีประจุตรงข้ามกับอนุภาคที่เกี่ยวข้อง และ โพซิตรอนคืออนุภาคปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน
    9. ระบุว่า (อิเล็กตรอน)แอนตินิวทริโน ถูกสร้างในระหว่างการสลายตัว $\beta^-$ และ (อิเล็กตรอน)นิวทริโน ถูกสร้างในระหว่างการสลายตัว $\beta^+$
    10. เข้าใจว่าอนุภาค $\alpha$ มี พลังงานแบบไม่ต่อเนื่อง แต่อนุภาค $\beta$ มี ช่วงพลังงานต่อเนื่อง เนื่องจากมีการปล่อย (แอนติ)นิวทริโน ออกมาในการสลายตัว $\beta$
    11. แสดงการสลายตัว $\alpha$ และ $\beta$ โดยใช้ สมการการสลายตัวของสารกัมมันต์ รูปแบบ $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\alpha$
    12. ใช้ หน่วยมวลอะตอมรวม (u) เป็นหน่วยของมวล

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Geiger–Marsden α-particle scattering

    Alpha particles α粒子 fired at a thin gold foil were seen to:

    • mostly pass straight through, with very little deflection 偏转,
    • sometimes deflect through small angles,
    • rarely (about $1$ in $8000$) deflect through angles greater than $90°$.

    From this Rutherford worked out:

    • the atom is mostly empty space (most α-particles pass straight through),
    • there is a tiny, dense, positively charged nucleus 原子核 at the centre (the rare large deflections need a concentrated charge to push the α away),
    • almost all of the atom's mass is in this nucleus.

    Order of magnitude: atom diameter $\sim 10^{-10}\ \text{m}$, nucleus diameter $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ — the nucleus is about $10^{5}$ times smaller than the atom.

    The three results and what each proves — the mark scheme pairs them exactly like this:

    Observation Conclusion
    the vast majority pass straight through with little or no deflection most of the atom is empty space
    a small number are deflected through small angles there is a concentrated positive charge (the nucleus) that repels the positive α-particles
    a very small minority (about 1 in 8000) are deflected through more than 90°, some straight back the nucleus is very small compared with the atom, and contains almost all of the atom's mass

    Three details of the experiment are also asked: the foil is thin so that each α-particle meets at most one nucleus (and is not absorbed); the chamber is a vacuum so the α-particles are not stopped or scattered by air; gold is used because it can be beaten into a very thin sheet and has a heavy, highly charged nucleus.

    Worked example. Explain why a very small minority of the α-particles are scattered through angles greater than 90°.

    Only an α-particle that approaches a nucleus almost head-on is turned back. The nucleus and the α-particle are both positive, so the electrostatic 静电 repulsion is very large at small separation, and the nucleus is much more massive than the α-particle, so it is the α-particle that is turned round. Because the nucleus is tiny, very few α-particles get that close — hence the small minority. As the α-particle approaches, its kinetic energy is converted to electric potential energy; at the point of closest approach it is momentarily at rest and all of its kinetic energy has become potential energy.

    The deflection depends on how close the path passes to the nucleus: the smaller the distance, the larger the angle, and the paths are symmetrical about the line through the nucleus.

    Simple nuclear model

    An atom has:

    • a central nucleus of protons 质子 (positive, charge $+e$) and neutrons 中子 (no charge),
    • electrons 电子 (charge $-e$) around the nucleus.

    The proton and neutron have almost the same mass ($\approx 1\ \text{u}$); the electron is about $\tfrac{1}{1836}$ of the proton's mass.

    Worked example. Describe the structure of an atom of uranium-238, $^{238}_{92}\text{U}$.

    A nucleus containing 92 protons and $238 - 92 = 146$ neutrons, with 92 electrons in orbit around it. "Orbital electrons" is the syllabus phrase — the electrons are outside the nucleus, and the neutral atom has as many electrons as protons.

    Notation and key numbers

    For a nuclide 核素 written $^{A}_{Z}\text{X}$:

    • proton number 质子数 $Z$ (also the atomic number): the number of protons. It fixes the element.
    • nucleon number 核子数 $A$ (also the mass number): the total number of nucleons 核子 (protons + neutrons).
    • number of neutrons $N = A - Z$.

    A neutral atom has the same number of electrons as protons.

    Isotopes

    Isotopes 同位素 are atoms of the same element (same $Z$) with different numbers of neutrons (different $A$). They behave the same chemically but differently in the nucleus. Example: $^{12}_{6}\text{C}$ and $^{14}_{6}\text{C}$ are isotopes of carbon.

    The examiner's wording: isotopes are nuclei (or atoms) with the same number of protons but different numbers of neutrons — equivalently the same proton number $Z$ and different nucleon numbers $A$. Hydrogen has three:

    Worked example. Tritium, $^{3}_{1}\text{H}$, is an isotope of hydrogen. State the numbers of protons, neutrons and electrons in a neutral tritium atom, and give the quark composition of its nucleus.

    $Z = 1$ proton; $A - Z = 3 - 1 = 2$ neutrons; 1 electron (neutral, so electrons $=$ protons). The nucleus is one proton (uud) and two neutrons (udd, udd): 4 up quarks and 5 down quarks. Charge check: $4 \times \tfrac{2}{3} - 5 \times \tfrac{1}{3} = +1$, the proton number. A "labelled diagram" of the atom is the nucleus (1 p, 2 n) with one electron orbiting outside it.

    Conservation laws in nuclear processes

    In any nuclear process:

    • nucleon number $A$ is conserved (total $A$ before $=$ total $A$ after),
    • charge is conserved (this is conservation of charge 电荷守恒).

    These two rules let you balance decay and reaction equations.

    Unified atomic mass unit

    The unified atomic mass unit 统一原子质量单位, symbol $\text{u}$, is set so that an atom of $^{12}_{6}\text{C}$ has mass exactly $12\ \text{u}$. Numerically,

    $$1\ \text{u} = 1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}.$$

    A proton has mass $\approx 1.007\ \text{u}$; a neutron $\approx 1.009\ \text{u}$; an electron $\approx 5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$.

    Worked example. A nucleus X has 14 nucleons and $p$ protons. Its charge-to-mass ratio is $4.1 \times 10^{7}\ \text{C kg}^{-1}$. Find $p$ and identify X.

    Charge $= pe$; mass $\approx 14\ \text{u}$. So $\dfrac{pe}{14\text{u}} = 4.1 \times 10^{7}$, giving $p = \dfrac{4.1 \times 10^{7} \times 14 \times 1.66 \times 10^{-27}}{1.60 \times 10^{-19}} = 5.96 \approx 6$. Six protons and 14 nucleons: X is carbon-14, $^{14}_{6}\text{C}$. Keep every figure until the end, then round to the nearest whole number of protons.

    ไทย

    Geiger–Marsden α-particle scattering

    อนุภาคอัลฟา α ที่ยิงเข้าหาแผ่นทองคำบางถูกสังเกตว่า:

    • ส่วนใหญ่พุ่งผ่านตรงไปโดยมีการเบี่ยงเบนน้อยมาก,
    • บางครั้งเบี่ยงเบนด้วยมุมเล็ก,
    • น้อยมาก (ประมาณ $1$ ใน $8000$) จะเบี่ยงเบนด้วยมุมมากกว่า $90°$.

    จากข้อนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดได้สรุปได้ว่า:

    • อะตอมเป็น พื้นที่ว่างส่วนใหญ่ (อนุภาค α绝大部分พุ่งผ่านตรงไป),
    • มี นิวเคลียส ขนาดเล็กหนาแน่นและมีประจุบวกอยู่ตรงกลาง (การเบี่ยงเบนมุมใหญ่ที่หายากจำเป็นต้องมีประจุรวมตัวกันเพื่อผลักอนุภาค α ออกไป),
    • มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมจะอยู่ในนิวเคลียสนี้.

    Order of magnitude: เส้นผ่านศูนย์กลางอะตอม $\sim 10^{-10}\ \text{m}$, เส้นผ่านศูนย์กลางนิวเคลียส $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ — นิวเคลียสมีขนาดเล็กกว่าอะตอมประมาณ $10^{5}$ เท่า

    ผลจากการทดลองทั้งสามและสิ่งที่พิสูจน์ได้ — แผนการให้คะแนนจับคู่กันตามนี้:

    การสังเกต บทสรุป
    ส่วนใหญ่พุ่งผ่านตรงไปโดยไม่มีการเบี่ยงเบนหรือเบี่ยงเบนเล็กน้อย ส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นพื้นที่ว่าง
    จำนวนเล็กน้อยถูกเบี่ยงเบนด้วยมุมเล็ก มีประจุบวกที่รวมตัวกัน (นิวเคลียส) ซึ่งผลักอนุภาค α ที่มีประจุบวก
    กลุ่มน้อยมาก (ประมาณ 1 ใน 8000) ถูกเบี่ยงเบนมากกว่า 90° บางส่วนสะท้อนกลับ นิวเคลียสมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับอะตอม และมีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม

    รายละเอียดของการทดลอง还包括:แผ่นทองคำต้อง บาง เพื่อให้แต่ละอนุภาค α เจอนิวเคลียสเพียงหนึ่งตัวเท่านั้น (และไม่ถูกดูดกลืน); ห้องทดลองเป็น สุญญากาศ เพื่อไม่ให้อนุภาค α ถูกหยุดหรือกระจัดกระจายโดยอากาศ; ใช้ทองคำเพราะสามารถบดอัดให้เป็นแผ่นบางมากและมีนิวเคลียสที่มีมวลสูงและมีประจุมาก

    ตัวอย่างวิธีทำ. อธิบายว่าทำไมกลุ่มน้อยมากของอนุภาค α จึงถูกกระจัดกระจายด้วยมุมมากกว่า 90°.

    เฉพาะอนุภาค α ที่พุ่งเข้าใกล้นิวเคลียสแบบ ชนตรง เท่านั้นที่จะถูกสะท้อนกลับ นิวเคลียสและอนุภาค α มีประจุบวกทั้งคู่ ดังนั้นแรงผลักรังสีไฟฟ้าจึงมีค่ามหาศาลเมื่อระยะห่างใกล้ และนิวเคลียสมีมวลมากกว่าอนุภาค α มาก ดังนั้นจึงเป็นอนุภาค α ที่ถูกเปลี่ยนทิศทาง เมื่ออนุภาค α เข้าใกล้ พลังงานจลน์จะถูกแปลงเป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้า; ณ จุดที่ใกล้ที่สุด它会 momentarily at rest and all of its kinetic energy has become potential energy.

    การเบี่ยงเบนขึ้นอยู่กับความใกล้เคียงของเส้นทางกับนิวเคลียส: ระยะทางยิ่งน้อย มุมยิ่งมาก และเส้นทางจะสมมาตรรอบเส้นที่ผ่านนิวเคลียส

    อุปกรณ์การกระเจิงแอลฟา: แหล่งกำเนิดแอลฟาและแผ่นทองคำบางภายในห้องสุญญากาศ พร้อมเครื่องตรวจจับสังกะสีซัลไฟด์บนกล้องจุลทรรศน์ที่สามารถเคลื่อนที่ได้เพื่อวัดที่มุมต่างๆ
    การทดลองการกระเจิง $\alpha$ — อนุภาค $\alpha$ ชนแผ่นทองคำบางในสุญญากาศ
    เส้นทางของอนุภาคแอลฟาใกล้กับนิวเคลียสขนาดเล็กหนาแน่น: ส่วนใหญ่พุ่งผ่านเกือบตรงไป บางส่วนเบี่ยงเบนด้วยมุมเล็ก และหายากที่部份ที่พุ่งเข้าชนตรงจะถูกกระจัดกระจายกลับที่จุดใกล้ที่สุด
    อนุภาค $\alpha$ ส่วนใหญ่พุ่งผ่านเกือบตรงไป; บางส่วนเบี่ยงเบนอย่างรุนแรงโดยนิวเคลียสขนาดเล็ก

    โมเดลนิวเคลียสอย่างง่าย

    อะตอมประกอบด้วย:

    • นิวเคลียสตรงกลางของ โปรตอน (ประจุบวก, ประจุ $+e$) และ นิวตรอน (ไม่มีประจุ),
    • อิเล็กตรอน (ประจุ $-e$) ล้อมรอบนิวเคลียส

    โปรตอนและนิวตรอนมีมวลเกือบเท่ากัน ($\approx 1\ \text{u}$); อิเล็กตรอนมีมวลประมาณ $\tfrac{1}{1836}$ ของมวลโปรตอน

    โมเดลอะตอมสองแบบ: ก) อะตอมฮีเลียมที่มีโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัวในนิวเคลียสและอิเล็กตรอน 2 ตัวบนชั้นเดียว, ข) อะตอมลิเธียมที่มีโปรตอน 3 ตัวและนิวตรอน 4 ตัวและอิเล็กตรอนอยู่บนสองชั้น (สองชั้นใน, ชั้นนอกหนึ่งชั้น)
    โมเดลเรียบง่ายของอะตอมฮีเลียมและลิเธียม (ไม่ใช่มาตราส่วน)

    ตัวอย่างวิธีทำ. อธิบายโครงสร้างของอะตอมยูเรเนียม-238, $^{238}_{92}\text{U}$.

    นิวเคลียสที่มีโปรตอน 92 ตัวและ $238 - 92 = 146$ นิวตรอน, พร้อมอิเล็กตรอน 92 ตัวโคจรอยู่รอบๆ. “อิเล็กตรอนโคจร” เป็นคำศัพท์ในหลักสูตร — อิเล็กตรอนอยู่ภายนอกนิวเคลียส และอะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน

    สัญลักษณ์และตัวเลขสำคัญ

    สำหรับ นิวคลีด ที่เขียนว่า $^{A}_{Z}\text{X}$:

    สัญลักษณ์นิวคลีด: ตัวเลขด้านบนคือเลขมวล A, ตัวเลขด้านล่างคือเลขอะตอม Z
    สัญลักษณ์นิวคลีด: เลขมวลด้านบน เลขอะตอมด้านล่าง
    • เลขอะตอม $Z$ (หรือเลขอะตอม): จำนวนโปรตอน ซึ่งกำหนดชนิดของธาตุ
    • เลขมวล $A$ (หรือเลขนิวคลีด): จำนวนรวมของ นิวคลีออน (โปรตอน + นิวตรอน).
    • จำนวนนิวตรอน $N = A - Z$.

    อะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน

    ไอโซโทป

    ไอโซโทป คืออะตอมของธาตุเดียวกัน (มี $Z$ เดียวกัน) แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน ($A$ ต่างกัน) They behave the same chemically but differently in the nucleus. ตัวอย่าง: $^{12}_{6}\text{C}$ และ $^{14}_{6}\text{C}$ เป็นไอโซโทปของคาร์บอน

    คำพูดของผู้สอบ: ไอโซโทปคือนิวเคลียส (หรืออะตอม) ที่มี จำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่ จำนวนนิวตรอนต่างกัน — หรือก็คือเลขอะตอมเท่ากัน $Z$ และเลขมวลต่างกัน $A$. ไฮโดรเจนมีสามชนิด:

    ไอโซโทปของไฮโดรเจนสามชนิดวาดเป็นอะตอมง่ายๆ: ไฮโดรเจน-1 ที่มีโปรตอน 1 ตัวและอิเล็กตรอนโคจร 1 ตัว, ไฮโดรเจน-2 (ดีิวเทอเรียม) ที่มีโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว, ไฮโดรเจน-3 (ไตรเทียม) ที่มีโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว; ทั้งหมดมีอิเล็กตรอน 1 ตัว
    ไอโซโทปของไฮโดรเจนสามชนิด: โปรตอนตัวเดียวกัน จำนวนนิวตรอนต่างกัน

    ตัวอย่างวิธีทำ. ไตรเทียม, $^{3}_{1}\text{H}$, เป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน ระบุจำนวนโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนในอะตอมไตรเทียมที่เป็นกลาง และให้องค์ประกอบควาร์กของนิวเคลียส

    $Z = 1$ โปรตอน; $A - Z = 3 - 1 = 2$ นิวตรอน; 1 อิเล็กตรอน (เป็นกลาง ดังนั้นอิเล็กตรอน $=$ โปรตอน) นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว (uud) และนิวตรอน 2 ตัว (udd, udd): ควาร์กขึ้น 4 ตัว และควาร์กล่าง 5 ตัว ตรวจสอบประจุ: $4 \times \tfrac{2}{3} - 5 \times \tfrac{1}{3} = +1$, ซึ่งเป็นเลขอะตอม แผนภาพที่มีฉลากของอะตอมคือนิวเคลียส (1 p, 2 n) ที่มีอิเล็กตรอน 1 ตัวโคจรรอบอยู่ภายนอก

    กฎการอนุรักษ์ในปฏิกิริยานิวเคลียร์

    在任何核反应中:

    • จำนวนนิวคลีออน $A$ ถูกอนุรักษ์ (ผลรวม $A$ ก่อน $=$ ผลรวม $A$ หลัง),
    • ประจุ ถูกอนุรักษ์ (นี่คือ กฎการอนุรักษ์ประจุ).

    กฎทั้งสองนี้ช่วยให้คุณสามารถปรับสมดุลสมการการสลายตัวและปฏิกิริยาได้

    หน่วยมวลอะตอมรวม

    หน่วยมวลอะตอมรวม, สัญลักษณ์ $\text{u}$, ถูกกำหนดให้ อะตอมของ $^{12}_{6}\text{C}$ มีมวลเท่ากับ $12\ \text{u}$ พอดี ในเชิงตัวเลข,

    $$1\ \text{u} = 1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$$

    โปรตอนมีมวล $\approx 1.007\ \text{u}$; นิวตรอน $\approx 1.009\ \text{u}$; อิเล็กตรอน $\approx 5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$.

    ตัวอย่างที่คำนวณแล้ว. นิวเคลียส X มี 14 นิวคลีออน และมี $p$ โปรตอน อัตราส่วนประจุต่อมวลของมันคือ $4.1 \times 10^{7}\ \text{C kg}^{-1}$. หา $p$ และระบุชนิดของ X

    ประจุ $= pe$; มวล $\approx 14\ \text{u}$. ดังนั้น $\dfrac{pe}{14\text{u}} = 4.1 \times 10^{7}$, ซึ่งให้ค่า $p = \dfrac{4.1 \times 10^{7} \times 14 \times 1.66 \times 10^{-27}}{1.60 \times 10^{-19}} = 5.96 \approx 6$. มีโปรตอน 6 ตัว และนิวคลีออน 14 ตัว: X คือคาร์บอน-14, $^{14}_{6}\text{C}$. รักษาค่าทุกตำแหน่งจนจบ แล้วจึงปัดเศษให้เป็นจำนวนเต็ม terdekatของโปรตอน

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Nuclear atom evidence lab · ⁨ห้องปฏิบัติการหลักฐานอะตอมนิวเคลียร์⁩

    Connect observations to the nuclear model of the atom. · ⁨เชื่อมโยงการสังเกตเข้ากับโมเดลนิวเคลียสของอะตอม⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Radioactive decay · ⁨การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี⁩

    A = A₀·bᵗ

    Activity decays exponentially — set the base b below 1. · ⁨กิจกรรม ลดลง แบบเอ็กซ์โพเนนเชียล — ตั้งค่าฐาน b ต่ำกว่า 1.⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ อนุภาคอัลฟา
    deflection/dɪˈflekʃn/ การเบี่ยงเบน
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียส
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ สถิตไฟฟ้า
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    nuclide/ˈnjuːklaɪd/ นิวไคลด์
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ เลขนิวคลีออน
    nucleon/ˈnjuːklɪən/ นิวคลีออน (nucleon)
    proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ เลขอะตอม
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ ไอโซโทป
    11.1

    Radioactive emissions · ⁨การแผ่รังสีจากสารกัมมันตรังสี⁩

    English

    An unstable nucleus rearranges itself and gives out one of three kinds of radiation 辐射. This is radioactive 放射性 decay. Each kind has its own properties.

    α-radiation

    • Made of: a helium-4 nucleus, $^{4}_{2}\alpha$ (two protons + two neutrons).
    • Mass: $\approx 4\ \text{u}$.
    • Charge: $+2e$.
    • Range in air: a few cm. Stopped by a sheet of paper.
    • Ionising power: strong — it is good at ionising 电离.
    • Energy spectrum: discrete 分立 (one decay gives α-particles at one or a few sharp energies).

    A cloud chamber 云室 makes the tracks visible: each α-particle leaves a short, straight, thick trail of tiny droplets as it ionises the air. The short equal lengths show the α-particles all carry about the same energy.

    β-radiation

    Two types of beta particle β粒子:

    • $\beta^{-}$: a fast electron, given out when a neutron turns into a proton.
    • $\beta^{+}$: a positron 正电子 (the electron's antiparticle), given out when a proton in a proton-rich nucleus turns into a neutron.

    Properties (both types):

    • Mass: $\approx 1/1836\ \text{u}$ (much less than α).
    • Charge: $-e$ for $\beta^{-}$, $+e$ for $\beta^{+}$.
    • Range in air: about $1\ \text{m}$. Stopped by a few mm of aluminium.
    • Energy spectrum: continuous 连续 up to a maximum (see below).

    γ-radiation

    • Made of: a high-energy photon 光子 — part of the electromagnetic spectrum 电磁波谱.
    • Mass: zero (rest mass).
    • Charge: zero.
    • Range in air: large (follows the inverse-square law). Strongly attenuated 衰减 by several cm of lead or about a metre of concrete.
    • Ionising power: weakest.
    • Energy spectrum: discrete (a gamma ray γ射线 is given out as the nucleus drops between two nuclear energy levels).

    A nucleus often gives out a γ-photon as a "tidy-up" step after an α or β decay leaves the daughter nucleus 子核 in an excited state 激发态.

    Mass and charge, side by side — a table question asks for exactly these, in units of $\text{u}$ and $e$:

    Particle Mass Charge
    proton $1\ \text{u}$ (1.007 u) $+e$
    neutron $1\ \text{u}$ (1.009 u) $0$
    electron, $\beta^{-}$ $\tfrac{1}{1836}\ \text{u}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$) $-e$
    positron, $\beta^{+}$ $\tfrac{1}{1836}\ \text{u}$ $+e$
    $\alpha$-particle $4\ \text{u}$ $+2e$
    $\gamma$-photon $0$ $0$
    neutrino, antineutrino almost zero $0$

    Worked example. Compare an α-particle with a $\beta^{+}$ particle in terms of their masses and charges (3 marks).

    Both are positively charged, but the α-particle's charge ($+2e$) is twice that of the $\beta^{+}$ ($+e$). The α-particle's mass ($4\ \text{u}$) is about $7300$ times the mass of the $\beta^{+}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$). Give a ratio, not just "heavier": twice the charge and about 7000 times the mass are the marking points.

    Because they carry charge, α- and β-particles are deflected by electric and magnetic fields — in opposite directions for opposite signs, the light β far more than the heavy α — while γ-rays, being uncharged, pass straight through.

    Antiparticles, neutrinos and antineutrinos

    Every particle has an antiparticle 反粒子 with the same mass but opposite charge. The positron is the antiparticle of the electron.

    In β-decay, a third particle is always given out as well:

    • $\beta^{-}$ decay: an antineutrino 反中微子 $\bar{\nu}_{\text{e}}$.
    • $\beta^{+}$ decay: a neutrino 中微子 $\nu_{\text{e}}$.

    Neutrinos and antineutrinos have zero charge, very small mass, and barely interact — they are very hard to detect, but they must be there to balance energy, momentum 动量 and other conserved quantities in β-decay.

    Why β has a continuous spectrum (and α does not)

    In α-decay the energy 能量 released is shared between just two particles (the daughter nucleus and the α). Conservation of momentum and energy then fixes the α's energy to one value (discrete).

    In β-decay the energy is shared between three particles (the daughter nucleus, the β, and the (anti)neutrino). The β can take any share from zero up to a maximum, so its energy spectrum is continuous.

    Worked example. The energy spectrum of the $\beta^{-}$ particles from a source is continuous, from zero up to a maximum. Explain why (3 marks).

    Each decay releases a fixed amount of energy. That energy is shared between the $\beta^{-}$ particle, the antineutrino and the recoiling daughter nucleus. The antineutrino can take any share, so the $\beta^{-}$ particle is left with any energy from zero up to the maximum — the maximum being when the antineutrino carries away almost none. (For an α-particle there are only two bodies, so momentum conservation fixes the share and the energy is discrete.)

    Writing decay equations

    A general α-decay:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$$

    (check: $A = (A-4) + 4$, $Z = (Z-2) + 2$.)

    A general $\beta^{-}$ decay:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$

    A general $\beta^{+}$ decay:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{\text{e}}.$$

    Worked example. Uranium-238, $^{238}_{92}\text{U}$, decays by α-emission; carbon-14, $^{14}_{6}\text{C}$, decays by $\beta^{-}$-emission. Find each daughter nuclide.

    α-decay lowers $A$ by 4 and $Z$ by 2; $\beta^{-}$-decay leaves $A$ unchanged and raises $Z$ by 1:

    $$^{238}_{92}\text{U} \to {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\alpha, \qquad {}^{14}_{6}\text{C} \to {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$

    Determine quantitatively the changes. α-emission: $A$ decreases by 4, $Z$ decreases by 2. $\beta^{-}$-emission: $A$ unchanged, $Z$ increases by 1. $\beta^{+}$-emission: $A$ unchanged, $Z$ decreases by 1. γ-emission: no change in either. A decay chain that ends at a known nuclide is solved from these: the number of α-decays is $(A_{\text{start}} - A_{\text{end}})/4$, and then the number of $\beta^{-}$-decays makes $Z$ come out right.

    Worked example. Thorium-230, $^{230}_{90}\text{Th}$, decays in stages, by α- and $\beta^{-}$-emission, to lead-206, $^{206}_{82}\text{Pb}$. Find the number of each kind of decay.

    α-decays: $(230 - 206)/4 = 6$. Six α-decays alone would lower $Z$ by 12, to 78; the final $Z$ is 82, so there are $82 - 78 = 4$ $\beta^{-}$-decays.

    A nucleus at rest recoils. When a stationary nucleus emits an α-particle, momentum is conserved: the daughter nucleus and the α-particle move off in opposite directions with momenta of equal magnitude. Since $p = mv$, the lighter α-particle moves much faster, and since $E_{\text{k}} = p^{2}/2m$ it also takes most of the kinetic energy — the shares are in inverse proportion to the masses.

    Worked example. A stationary nucleus P of mass $243\ \text{u}$ emits an α-particle of mass $4\ \text{u}$ at $1.5 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Find the speed of the daughter nucleus Q and the ratio of the kinetic energy of the α-particle to that of Q.

    Q has mass $243 - 4 = 239\ \text{u}$. Momentum: $239 v_{\text{Q}} = 4 \times 1.5 \times 10^{7}$, so $v_{\text{Q}} = 2.5 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$, in the opposite direction to the α-particle. Kinetic energies: $\dfrac{E_{\alpha}}{E_{\text{Q}}} = \dfrac{p^{2}/2m_{\alpha}}{p^{2}/2m_{\text{Q}}} = \dfrac{m_{\text{Q}}}{m_{\alpha}} = \dfrac{239}{4} \approx 60$. The α-particle takes about 98% of the energy released.

    ไทย

    นิวเคลียสที่ไม่เสถียรจะจัดเรียงตัวเองใหม่และปล่อย รังสี ออกมาหนึ่งจากสามชนิด นี่คือ การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี แต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะตัว

    รังสีอัลฟา (α-radiation)

    • ประกอบด้วย: นิวเคลียสของฮีเลียม-4, $^{4}_{2}\alpha$ (โปรตอน 2 ตัว + นิวตรอน 2 ตัว).
    • มวล: $\approx 4\ \text{u}$.
    • ประจุ: $+2e$.
    • ระยะทางในอากาศ: เพียงไม่กี่เซนติเมตร. ถูกกั้นด้วยกระดาษแผ่นเดียว
    • อำนาจในการไอออไนซ์: สูง — มัน擅长做 การไอออไนซ์
    • สเปกตรัมพลังงาน: แยกเป็นช่วงๆ (การสลายตัวหนึ่งครั้งให้อนุภาค α ที่พลังงานจำเพาะหนึ่งหรือสองสามค่า)

    ห้องเมฆ (cloud chamber) ทำให้เห็นร่องรอย: อนุภาค α แต่ละตัวทิ้งร่องสั้นๆ ตรงๆ หนา ของหยดน้ำเล็กๆ เมื่อมันทำไอออไนซ์อากาศ ความยาวที่เท่ากันและสั้นแสดงว่าอนุภาค α ทั้งหมดมีพลังงานใกล้เคียงกันมาก

    .Reflection of a cloud chamber: short, straight, thick white trails of vapour fan out from a small radioactive source, marking the paths of alpha particles through the cold gas
    ร่องอนุภาค阿尔法 (Alpha-particle tracks) ในห้องเมฆ กระจายออกจากแหล่ง americium-241

    รังสีเบตา (β-radiation)

    อนุภาคเบตา (beta particle) β มีสองประเภท:

    • $\beta^{-}$: อิเล็กตรอนความเร็วสูง, ปล่อยออกมาเมื่อนิวตรอนเปลี่ยนเป็นโปรตอน
    • $\beta^{+}$: โพซิตรอน (อนุภาคปฏิสัณฐานของอิเล็กตรอน), ปล่อยออกมาเมื่อโปรตอนในนิวเคลียสที่มีโปรตอนมากเกินไปเปลี่ยนเป็นนิวตรอน

    คุณสมบัติ (ทั้งสองประเภท):

    • มวล: $\approx 1/1836\ \text{u}$ (น้อยกว่า α มาก)
    • ประจุ: $-e$ สำหรับ $\beta^{-}$, $+e$ สำหรับ $\beta^{+}$.
    • ระยะทางในอากาศ: ประมาณ $1\ \text{m}$. ถูกกั้นด้วยอลูมิเนียมบางๆ若干มิลลิเมตร
    • สเปกตรัมพลังงาน: ต่อเนื่อง ถึงค่าสูงสุด (ดูด้านล่าง)

    รังสีแกมมา (γ-radiation)

    • ประกอบด้วย: โฟตอนพลังงานสูง — เป็นส่วนหนึ่งของ สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
    • มวล: ศูนย์ (มวลหยุดนิ่ง)
    • ประจุ: ศูนย์
    • ระยะทางในอากาศ: มาก (ปฏิบัติตามกฎกำลังสองผกผัน). ถูกลดทอน อย่างมากโดยตะกั่วหลายเซนติเมตรหรือคอนกรีตประมาณหนึ่งเมตร
    • อำนาจในการไอออไนซ์: อ่อนที่สุด
    • สเปกตรัมพลังงาน: แยกเป็นช่วงๆ (รังสีแกมมา γ ปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสตกลงระหว่างสองระดับพลังงานนิวเคลียร์)

    นิวเคลียสมักจะปล่อยโฟตอน γ เป็นขั้นตอน "จัดระเบียบ" หลังจากการสลายตัว α หรือ β ทิ้ง นิวเคลียสลูก ไว้ใน สถานะกระตุ้น

    Power of penetration: an alpha beam is stopped by paper, a beta beam by a few mm of aluminium, and a gamma beam is only attenuated by thick lead
    พลังทะลุทะลวง: $\alpha$ ถูกกั้นด้วยกระดาษ, $\beta$ ด้วยอลูมิเนียม, $\gamma$ ถูกลดทอนเพียงโดยตะกั่ว

    มวลและประจุ เปรียบเทียบข้างกัน — คำถามแบบตารางขอค่าเหล่านี้โดยเฉพาะ, ในหน่วยของ $\text{u}$ และ $e$:

    อนุภาค มวล ประจุ
    โปรตอน $1\ \text{u}$ (1.007 u) $+e$
    นิวตรอน $1\ \text{u}$ (1.009 u) $0$
    อิเล็กตรอน, $\beta^{-}$ $\tfrac{1}{1836}\ \text{u}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$) $-e$
    โพซิตรอน, $\beta^{+}$ $\tfrac{1}{1836}\ \text{u}$ $+e$
    อนุภาค $\alpha$-alpha $4\ \text{u}$ $+2e$
    โฟตอน $\gamma$-gamma $0$ $0$
    นิวทริโน, แอนตินิวทริโน เกือบศูนย์ $0$

    ตัวอย่างที่คำนวณแล้ว. เปรียบเทียบอนุภาค α กับอนุภาค $\beta^{+}$ ในแง่ของมวลและประจุ (3 คะแนน)

    ทั้งสองมีประจุบวก แต่ประจุของอนุภาค α ($+2e$) เป็นสองเท่าของ $\beta^{+}$ ($+e$). มวลของอนุภาค α ($4\ \text{u}$) เป็นประมาณ $7300$ เท่าของมวลของ $\beta^{+}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$). ให้เป็นอัตราส่วน ไม่ใช่แค่ "หนักกว่า": ประจุสองเท่า และ มวลหนักกว่าประมาณ 7000 เท่า คือจุดให้คะแนน

    เนื่องจากพวกมันมีประจุ อนุภาค α และ β จึงเบี่ยงเบนจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก — ในทิศทางตรงข้ามสำหรับสัญญาณตรงข้าม, อนุภาค β ที่เบาเบี่ยงเบนมากกว่าอนุภาค α ที่หนักมาก — ในขณะที่รังสี γ ซึ่งไม่มีประจุ จะวิ่งผ่านตรงๆ

    อนุภาคปฏิสัณฐาน, นิวทริโน และแอนตินิวทริโน

    ทุกอนุภาคมี อนุภาคปฏิสัณฐาน ที่มี มวลเท่ากัน แต่ ประจุตรงข้าม. โพซิตรอนคืออนุภาคปฏิสัณฐานของอิเล็กตรอน

    ในการสลายตัว β, อนุภาคที่สามจะถูกปล่อยออกมาเสมอด้วย:

    • การสลายตัว $\beta^{-}$: แอนตินิวทริโน $\bar{\nu}_{\text{e}}$.
    • การสลายตัว $\beta^{+}$: นิวทริโน $\nu_{\text{e}}$.

    นิวทริโนและแอนตินิวทริโนมีประจุศูนย์ มวลน้อยมาก และไม่เข้ากัน — พวกมันตรวจจับยากมาก แต่ต้องอยู่เพื่อปรับสมดุลพลังงาน, โมเมนตัม และปริมาณอื่นๆ ที่ถูกอนุรักษ์ในการสลายตัว β

    ทำไม β ถึงมีสเปกตรัมต่อเนื่อง (และ α ไม่)

    ในการสลายตัวแบบ α พลังงานที่ปล่อยออกจะถูกแบ่งระหว่างอนุภาคเพียงสองชนิดเท่านั้น (นิวเคลียสลูกและอนุภาค α) การอนุรักษ์โมเมนตัมและพลังงานจึงกำหนดให้พลังงานของ α มีค่าเฉพาะค่าหนึ่งเดียว (เป็นค่าไม่ต่อเนื่อง)

    ในการสลายตัวแบบ β พลังงานจะถูกแบ่งระหว่าง สาม อนุภาค (นิวเคลียสลูก, อนุภาค β และ (แอนติ)นิวทริโน) อนุภาค β สามารถรับพลังงานได้ตั้งแต่ศูนย์จนถึงค่าสูงสุด ดังนั้นสเปกตรัมพลังงานของ β จึงเป็นแบบต่อเนื่อง

    กราฟจำนวนอนุภาคเทียบกับพลังงานจลน์: สำหรับอนุภาค alpha แสดงเส้นแหลมคมที่พลังงานคงที่; สำหรับอนุภาค beta แสดงเส้นโค้งต่อเนื่องเรียบจากศูนย์ถึงพลังงานสูงสุด
    อนุภาค α จากหนึ่งการสลายตัวมีพลังงานคงที่ (ไม่ต่อเนื่อง); อนุภาค β แบ่งพลังงานกับ (แอนติ)นิวทริโน ทำให้สเปกตรัมพลังงานเป็นแบบต่อเนื่องจนถึงค่าสูงสุด

    ตัวอย่างวิธีทำ สเปกตรัมพลังงานของ $\beta^{-}$ อนุภาคจากแหล่งกำเนิดมีความต่อเนื่อง ตั้งแต่ศูนย์ไปจนถึงค่าสูงสุด อธิบายเหตุผล (3 คะแนน).

    การสลายตัวแต่ละครั้งปล่อยพลังงานในปริมาณคงที่ พลังงานนี้ถูกแบ่งระหว่าง $\beta^{-}$ อนุภาค, แอนตินิวทริโน และนิวเคลียสลูกที่ถอยกลับ แอนตินิวทริโนสามารถรับพลังงานได้的任何值 ดังนั้น $\beta^{-}$ อนุภาคจึงเหลือพลังงานได้ตั้งแต่ศูนย์จนถึงค่าสูงสุด — โดยค่าสูงสุดจะเกิดขึ้นเมื่อแอนตินิวทริโนพาพลังงานออกไปเกือบไม่มีเลย (สำหรับอนุภาค α จะมีเพียงสองวัตถุ ดังนั้นการอนุรักษ์โมเมนตัมจึงกำหนดสัดส่วนและพลังงานจะเป็นค่าไม่ต่อเนื่อง)

    การเขียนสมการการสลายตัว

    สมการการสลายตัวแบบ α ทั่วไป:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$$

    (ตรวจสอบ: $A = (A-4) + 4$, $Z = (Z-2) + 2$.)

    สมการการสลายตัว $\beta^{-}$ ทั่วไป:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$

    สมการการสลายตัว $\beta^{+}$ ทั่วไป:

    $$^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + ν_{\text{e}}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ ยูเรเนียม-238, $^{238}_{92}\text{U}$, สลายตัวด้วยการปล่อย α; คาร์บอน-14, $^{14}_{6}\text{C}$, สลายตัวด้วยการปล่อย $\beta^{-}$. จงหาสารตั้งต้นลูกของแต่ละกรณี.

    การสลายตัวแบบ α ลด $A$ ลง 4 และลด $Z$ ลง 2; การสลายตัว $\beta^{-}$ ทำให้ $A$ ไม่เปลี่ยนแปลงและเพิ่ม $Z$ ขึ้น 1:

    $$^{238}_{92}\text{U} \to {}^{234}_{90}\text{Th} + {}^{4}_{2}\alpha, \qquad {}^{14}_{6}\text{C} \to {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$

    คำนวณการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณ การปล่อย α: $A$ ลดลง 4, $Z$ ลดลง 2. การปล่อย $\beta^{-}$: $A$ ไม่เปลี่ยนแปลง, $Z$ เพิ่มขึ้น 1. การปล่อย $\beta^{+}$: $A$ ไม่เปลี่ยนแปลง, $Z$ ลดลง 1. การปล่อย γ: ไม่มีการเปลี่ยนแปลงทั้งสองอย่าง. ลำดับการสลายตัวที่สิ้นสุดที่สารตั้งต้นที่ทราบแล้วแก้ได้จากข้อมูลเหล่านี้: จำนวนการสลายตัวแบบ α คือ $(A_{\text{start}} - A_{\text{end}})/4$, และจากนั้นจำนวนการสลายตัว $\beta^{-}$ จะทำให้ $Z$ ออกมาถูกต้อง.

    ตัวอย่างวิธีทำ ทอเรียม-230, $^{230}_{90}\text{Th}$, สลายตัวเป็นขั้นตอนด้วยการปล่อย α และ $\beta^{-}$, ไปจนถึงพลวง-206, $^{206}_{82}\text{Pb}$. จงหาจำนวนการสลายตัวแต่ละประเภท.

    การสลายตัวแบบ α: $(230 - 206)/4 = 6$. หากใช้การสลายตัวแบบ α เพียง 6 ครั้ง จะทำให้ $Z$ ลดลง 12 เหลือ 78; แต่ค่าสุดท้ายของ $Z$ คือ 82 ดังนั้นจึงมีการสลายตัว $82 - 78 = 4$ ครั้งของการสลายตัว $\beta^{-}$.

    นิวเคลียสที่หยุดนิ่งจะถอยกลับ เมื่อนิวเคลียสที่หยุดนิ่งปล่อยอนุภาค α โมเมนตัมจะอนุรักษ์อยู่: นิวเคลียสลูกและอนุภาค α จะเคลื่อนที่ไปใน ทิศทางตรงกันข้าม โดยมีขนาดโมเมนตัม เท่ากัน เนื่องจาก $p = mv$, อนุภาค α ที่มีมวลน้อยกว่า จะเคลื่อนที่เร็วมาก และเนื่องจาก $E_{\text{k}} = p^{2}/2m$ มันจึงรับพลังงานจลน์ส่วนใหญ่ไป — สัดส่วนจะแปรผกผันกับมวล

    การสลายตัวของอัลฟาของนิวเคลียสที่หยุดนิ่ง: ก่อน, แม่ P อยู่กับที่; หลัง, ลูก Q เคลื่อนที่ไปทางหนึ่งและอนุภาคอัลฟาอีกทางหนึ่ง โดยมีโมเมนตัมเท่ากันทำให้อัลฟาซึ่งมีมวลน้อยกว่าเคลื่อนที่เร็วขึ้น
    นิวเคลียสที่หยุดนิ่งสลายตัว: ลูกจะถอยกลับด้วยโมเมนตัมที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกับอนุภาค α

    ตัวอย่างวิธีทำ นิวเคลียส P ที่หยุดนิ่งมีมวล $243\ \text{u}$ ปล่อยอนุภาค α ที่มีมวล $4\ \text{u}$ ที่ความเร็ว $1.5 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. จงหาความเร็วของนิวเคลียสลูก Q และอัตราส่วนระหว่างพลังงานจลน์ของอนุภาค α กับของ Q.

    Q มีมวล $243 - 4 = 239\ \text{u}$. โมเมนตัม: $239 v_{\text{Q}} = 4 \times 1.5 \times 10^{7}$, ดังนั้น $v_{\text{Q}} = 2.5 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$, ในทิศทางตรงข้ามกับอนุภาค α. พลังงานจลน์: $\dfrac{E_{\alpha}}{E_{\text{Q}}} = \dfrac{p^{2}/2m_{\alpha}}{p^{2}/2m_{\text{Q}}} = \dfrac{m_{\text{Q}}}{m_{\alpha}} = \dfrac{239}{4} \approx 60$. อนุภาค α รับประมาณ 98% ของพลังงานที่ปล่อยออกมา.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ กัมมันตรังสี
    radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ รังสี
    ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ การไอออไนซ์
    discrete/dɪˈskriːt/ แบบไม่ต่อเนื่อง
    cloud chamber/klaʊd ˈtʃeɪmbə/ ห้องเมฆ
    beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ อนุภาคเบตา
    positron/ˈpɒzɪtrɒn/ โพซิตรอน
    antiparticle/ˌæntɪˈpɑːtɪkl/ อนุภาคปฏิสสาร
    continuous/kənˈtɪnjuːəs/ 连续的
    photon/ˈfəʊtɒn/ โฟตอน
    electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
    attenuated/əˈtenjuːeɪtɪd/ ลดทอนลง
    gamma ray/ˈɡæmə reɪ/ รังสีแกมมา
    daughter nucleus/ˈdɔːtə ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียสลูก
    excited state/ekˈsaɪtɪd steɪt/ สถานะกระตุ้น
    11.2

    Fundamental particles · ⁨อนุภาคพื้นฐาน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a quark is a fundamental particle and that there are six flavours (types) of quark: up, down, strange, charm, top and bottom
    2. recall and use the charge of each flavour of quark and understand that its respective antiquark has the opposite charge (no knowledge of any other properties of quarks is required)
    3. recall that protons and neutrons are not fundamental particles and describe protons and neutrons in terms of their quark composition
    4. understand that a hadron may be either a baryon (consisting of three quarks) or a meson (consisting of one quark and one antiquark)
    5. describe the changes to quark composition that take place during $\beta^-$ and $\beta^+$ decay
    6. recall that electrons and neutrinos are fundamental particles called leptons
    ไทย
    1. เข้าใจว่า ควาร์ก เป็น อนุภาคพื้นฐาน และมี六种รสชาติ (ประเภท) ของควาร์ก: อัพ, ดาวน์, สเตรนจ์, ชาร์ม, ท็อป และ บอททม
    2. จำและใช้ประจุของแต่ละรสชาติของควาร์ก และเข้าใจว่าแอนติควาร์กที่เกี่ยวข้องจะมีประจุตรงข้าม (ไม่จำเป็นต้องรู้คุณสมบัติอื่นใดของควาร์ก)
    3. จำได้ว่า โปรตอน และ นิวตรอน ไม่ใช่อนุภาคพื้นฐาน และอธิบายโปรตอนและนิวตรอนในแง่ของ องค์ประกอบควาร์ก ของพวกมัน
    4. เข้าใจว่า ฮาดรอน อาจเป็น บาเรียน (ประกอบด้วยควาร์กสามตัว) หรือ เมซอน (ประกอบด้วยควาร์กหนึ่งตัวและแอนติควาร์กหนึ่งตัว)
    5. อธิบายการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบควาร์กที่เกิดขึ้นระหว่างการสลายตัว $\beta^-$ และ $\beta^+$
    6. จำได้ว่าอิเล็กตรอนและนิวทริโนเป็นอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่า เลปตอน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Some particles are fundamental particles 基本粒子 (point-like, with no smaller parts as far as we know); others are built from fundamental ones.

    The one-mark definition: a fundamental particle is one that cannot be broken down into smaller particles (it has no internal structure). Electrons, neutrinos and quarks are fundamental; protons and neutrons are not.

    Quarks

    A quark 夸克 is a fundamental particle. There are six flavours 味:

    • up (u), charge $+\tfrac{2}{3}e$,
    • down (d), charge $-\tfrac{1}{3}e$,
    • charm (c), charge $+\tfrac{2}{3}e$,
    • strange (s), charge $-\tfrac{1}{3}e$,
    • top (t), charge $+\tfrac{2}{3}e$,
    • bottom (b), charge $-\tfrac{1}{3}e$.

    Each quark has an antiquark 反夸克 with the same size of charge but the opposite sign: $\bar{u}$ (charge $-\tfrac{2}{3}e$), $\bar{d}$ (charge $+\tfrac{1}{3}e$). No other quark property is tested.

    Written as the table a question asks you to complete:

    Quark Charge Antiquark Charge
    up (u), charm (c), top (t) $+\tfrac{2}{3}e$ $\bar{\text{u}}$, $\bar{\text{c}}$, $\bar{\text{t}}$ $-\tfrac{2}{3}e$
    down (d), strange (s), bottom (b) $-\tfrac{1}{3}e$ $\bar{\text{d}}$, $\bar{\text{s}}$, $\bar{\text{b}}$ $+\tfrac{1}{3}e$

    Worked example. By reference to quark composition, show that the charge of a proton is $+1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.

    A proton is uud: charge $= \tfrac{2}{3}e + \tfrac{2}{3}e - \tfrac{1}{3}e = +e = +1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$. Write the three fractions and their sum — the mark is for the arithmetic, not the answer.

    Hadrons: baryons and mesons

    Particles built from quarks are hadrons 强子. Two types:

    • baryons 重子 — three quarks. Examples: proton (u u d), neutron (u d d). Charge check: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$ for the proton; $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ for the neutron.
    • mesons 介子 — one quark and one antiquark (for example $\pi^{+}$ is u$\bar{\text{d}}$).

    Protons and neutrons are not fundamental — they are baryons made of quarks.

    "Compare baryons and mesons in terms of their constituent particles" (2 marks): both are hadrons made of quarks; a baryon is three quarks (or three antiquarks, for an antibaryon), a meson is one quark and one antiquark. Any charge you are given must come out of the quark charges:

    Worked example. (a) A meson has charge $-1e$. Give a possible quark composition. (b) A meson Q has charge 0. Give a possible composition. (c) A baryon is made of three quarks of different flavours, u, d and s. Find its charge. (d) Give the quark composition of an antineutron and its charge.

    (a) d$\bar{\text{u}}$: $-\tfrac{1}{3} - \tfrac{2}{3} = -1$ (s$\bar{\text{u}}$ also works). (b) u$\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$ (or d$\bar{\text{d}}$). (c) uds: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. (d) The antineutron is the antiparticle of udd, so it is $\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}\bar{\text{d}}$: $-\tfrac{2}{3} + \tfrac{1}{3} + \tfrac{1}{3} = 0$ — the same mass and charge as the neutron, since both have charge zero.

    Quark changes in β-decay

    In $\beta^{-}$ decay a neutron turns into a proton; in quark terms, one down quark turns into an up quark:

    $$\text{d} \to \text{u} + \beta^{-} + \bar{\nu}_{\text{e}}.$$

    In $\beta^{+}$ decay a proton turns into a neutron; one up quark turns into a down quark:

    $$\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}.$$

    "Describe $\beta^{+}$ decay in terms of the fundamental particles involved" (2 marks): an up quark in a proton changes into a down quark, so the proton becomes a neutron, and a positron and an electron neutrino are emitted — $\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}$. For $\beta^{-}$ decay swap the roles: a down quark becomes an up quark, emitting an electron and an electron antineutrino. Name the (anti)neutrino: it is the "other lepton" the question asks for, and it is what makes the β energy continuous.

    Leptons

    Leptons 轻子 are fundamental particles that are not made of quarks. The leptons you need are the electron and the electron neutrino, with their antiparticles the positron and the electron antineutrino. (Heavier leptons — the muon and tau — exist but are not tested.) Asked for "two different leptons", give electron and neutrino.

    Classifying particles

    To answer "which are fundamental?": quarks and leptons (electrons, positrons, neutrinos, antineutrinos) are fundamental; protons, neutrons, baryons, mesons and hadrons are not — they are built from quarks.

    Worked example. In the list — antineutrino, $\beta^{+}$ particle, neutron, positron, proton — underline the hadrons.

    Neutron and proton (three quarks each). The antineutrino and the positron are leptons; the $\beta^{+}$ particle is a positron. The same list asked as "which are not fundamental?" has the same answer: neutron and proton.

    Antimatter. Every particle has an antiparticle of the same mass and opposite charge; a positron and an electron are alike in mass (and in the size of their charge) and differ in the sign of their charge. An antihydrogen atom is an antiproton (charge $-e$, made of $\bar{\text{u}}\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}$) with a positron in orbit.

    ไทย
    เส้นทางของอนุภาคในห้องฟองอากาศ
    ห้องฟองอากาศเผยให้เห็นร่องโค้งของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า.
    ห้องเครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรง: ลำดับของช่องเร่งและท่อลำยาวเรียงกันไปจนสุดห้อง
    แหล่งที่มาของอนุภาค: เครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงใช้สนามไฟฟ้าขับเคลื่อนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้เร็วพอที่จะสำรวจภายในนิวเคลียส

    บางอนุภาคเป็น อนุภาคพื้นฐาน (เป็นจุด ไม่มีองค์ประกอบย่อยกว่านั้นตามที่เรารู้); ส่วนอื่น ๆ สร้างมาจากอนุภาคพื้นฐาน

    นิยาม 1 คะแนน: อนุภาคพื้นฐานคืออนุภาคที่ไม่สามารถแยกย่อยออกเป็นอนุภาคที่เล็กกว่าได้อีก (ไม่มีโครงสร้างภายใน) อิเล็กตรอน นิวทริโน และควาร์กเป็นอนุภาคพื้นฐาน; โปรตอนและนิวตรอนไม่ใช่

    ควาร์ก

    ควาร์ก เป็นอนุภาคพื้นฐาน มี รส (flavours) ทั้งหมด 6 ชนิด:

    • อัพ (u), ประจุ $+\tfrac{2}{3}e$,
    • ดาวน์ (d), ประจุ $-\tfrac{1}{3}e$,
    • ชาร์ม (c), ประจุ $+\tfrac{2}{3}e$,
    • สเตรนจ์ (s), ประจุ $-\tfrac{1}{3}e$,
    • ท็อป (t), ประจุ $+\tfrac{2}{3}e$,
    • บอททอม (b), ประจุ $-\tfrac{1}{3}e$.

    ควาร์กแต่ละชนิดมี แอนติควาร์ก ที่มีขนาดประจุเท่ากันแต่เครื่องหมายตรงกันข้าม: $\bar{u}$ (ประจุ $-\tfrac{2}{3}e$), $\bar{d}$ (ประจุ $+\tfrac{1}{3}e$). ไม่มีคุณสมบัติควาร์กอื่นใดที่สอบ

    รสชาติควาร์กทั้งหกตามประจุ: อัพ ชาร์ม และท็อป แต่ละชนิดมีประจุ +2/3 e; ดาวน์ สเตรนจ์ และบอทตอมแต่ละชนิดมีประจุ -1/3 e; แอนติควาร์กแต่ละชนิดมีประจุตรงข้าม
    ควาร์กทั้งหกชนิด: อัพ/ชาร์ม/ท็อป มี $+\tfrac23 e$, ดาวน์/สเตรนจ์/บอททอม มี $-\tfrac13 e$

    เขียนในรูปแบบตารางที่โจทย์ถามให้เติมเต็ม:

    Quark Charge Antiquark Charge
    up (u), charm (c), top (t) $+\tfrac{2}{3}e$ $\bar{\text{u}}$, $\bar{\text{c}}$, $\bar{\text{t}}$ $-\tfrac{2}{3}e$
    down (d), strange (s), bottom (b) $-\tfrac{1}{3}e$ $\bar{\text{d}}$, $\bar{\text{s}}$, $\bar{\text{b}}$ $+\tfrac{1}{3}e$

    ตัวอย่างวิธีทำ โดยอ้างอิงจากองค์ประกอบของควาร์ก แสดงให้เห็นว่าประจุของโปรตอนคือ $+1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$

    โปรตอนคือ uud: ประจุ $= \tfrac{2}{3}e + \tfrac{2}{3}e - \tfrac{1}{3}e = +e = +1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$ เขียนเศษส่วนทั้งสามและผลรวม — คะแนนอยู่ที่การคำนวณ ไม่ใช่คำตอบ

    ฮาดรอน: บาเรียนและเมซอน

    อนุภาคที่สร้างจากควาร์กเรียกว่า ฮาดรอน มีสองประเภท:

    • บาเรียน — ควาร์กสามตัว ตัวอย่าง: โปรตอน (u u d), นิวตรอน (u d d) ตรวจสอบประจุ: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$ สำหรับโปรตอน; $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ สำหรับนิวตรอน
    • เมซอน — ควาร์กหนึ่งตัวและแอนติควาร์กหนึ่งตัว (เช่น $\pi^{+}$ คือ u$\bar{\text{d}}$)

    โปรตอนและนิวตรอนเป็น ไม่ใช่ อนุภาคพื้นฐาน—they are巴aryons made of quarks.

    "เปรียบเทียบบาเรียนและเมซอนในแง่ของอนุภาคส่วนประกอบ" (2 คะแนน): ทั้งคู่เป็นฮาดรอนที่สร้างจากควาร์ก; บาเรียนคือควาร์กสามตัว (หรือแอนติควาร์กสามตัวสำหรับแอนติบาเรียน), เมซอนคือควาร์กหนึ่งตัวและแอนติควาร์กหนึ่งตัว ประจุที่คุณได้รับต้องเกิดจากประจุของควาร์กทั้งหมด:

    ตัวอย่างวิธีทำ (ก) เมซอนมีประจุ $-1e$ ให้องค์ประกอบของควาร์กที่เป็นไปได้ (ข) เมซอน Q มีประจุ 0 ให้องค์ประกอบที่เป็นไปได้ (ค) บาเรียนสร้างจากควาร์กสามชนิดที่แตกต่างกัน u, d และ s จงหาประจุของมัน (ง) ให้องค์ประกอบของควาร์กของแอนตินิวตรอนและประจุของมัน

    (ก) d$\bar{\text{u}}$: $-\tfrac{1}{3} - \tfrac{2}{3} = -1$ (s$\bar{\text{u}}$ ก็ใช้ได้) (ข) u$\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$ (หรือ d$\bar{\text{d}}$) (ค) uds: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ (ง) แอนตินิวตรอนเป็นแอนติพาร์ทิเคิลของ udd ดังนั้นจึงเป็น $\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}\bar{\text{d}}$: $-\tfrac{2}{3} + \tfrac{1}{3} + \tfrac{1}{3} = 0$ — มีมวลและประจุเท่ากันกับนิวตรอน เนื่องจากทั้งสองมีประจุเป็นศูนย์

    การเปลี่ยนแปลงควาร์กในการสลายตัวแบบเบตา

    ในการสลายตัว $\beta^{-}$ นิวตรอนจะเปลี่ยนเป็นโปรตอน; ในเชิงควาร์ก ควาร์กดาวน์หนึ่งตัวจะเปลี่ยนเป็นควาร์กอัพ:

    $$\text{d} \to \text{u} + \beta^{-} + \bar{\nu}_{\text{e}}$$

    ในการสลายตัว $\beta^{+}$ โปรตอนจะเปลี่ยนเป็นนิวตรอน; ควาร์กอัพหนึ่งตัวจะเปลี่ยนเป็นควาร์กดาวน์:

    $$\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}$$
    Beta-minus decay at the quark level: a neutron (u d d) becomes a proton (u u d) as one down quark turns into an up quark, emitting a beta-minus particle and an electron antineutrino
    การสลายตัวเบตามินัส: ควาร์กดาวน์หนึ่งตัวกลายเป็นควาร์กอัพ เปลี่ยนนิวตรอนให้เป็นโปรตอน

    "อธิบายการสลายตัว $\beta^{+}$ ในเชิงอนุภาคพื้นฐานที่เกี่ยวข้อง" (2 คะแนน): ควาร์กอัพในโปรตอนเปลี่ยนเป็นควาร์กดาวน์ ทำให้โปรตอนกลายเป็นนิวตรอน และมีโพซิตรอนและอิเล็กตรอนนิวทริโนถูกปล่อยออกมา — $\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}$. สำหรับการสลายตัว $\beta^{-}$ สลับบทบาท: ควาร์กดาวน์กลายเป็นควาร์กอัพ ปล่อยอิเล็กตรอนและแอนติอิเล็กตรอนนิวทริโน ชื่อ (แอนติ)นิวทริโน: มันคือ "เลปตอนอีกตัว" ที่คำถามต้องการ และเป็นสิ่งที่ทำให้พลังงาน β เป็นต่อเนื่อง

    เลปตอน

    เลปตอน เป็นอนุภาคพื้นฐานที่ไม่ได้สร้างจากควาร์ก เลปตอนที่คุณจำเป็นต้องรู้คือ อิเล็กตรอน และ อิเล็กตรอนนิวทริโน พร้อมแอนติพาร์ทิเคิลของพวกมันคือ โพซิตรอน และ แอนติอิเล็กตรอนนิวทริโน (เลปตอนที่มีมวลมากกว่า — มิวออนและเทา — มีอยู่แต่ไม่ออกสอบ) เมื่อถามหา "เลปตอนสองชนิดที่แตกต่างกัน" ให้ตอบ อิเล็กตรอน และ นิวทริโน

    การจัดจำแนกอนุภาค

    เพื่อตอบคำถาม "อันไหนเป็นอนุภาคพื้นฐาน?": ควาร์ก และ เลปตอน (อิเล็กตรอน, โพซิตรอน, นิวทริโน, แอนตินิวทริโน) เป็นอนุภาคพื้นฐาน; โปรตอน, นิวตรอน, บาเรียน, เมซอน และฮาดรอนเป็น ไม่ใช่—they are built from quarks.

    A tree classifying particles into fundamental ones (quarks and leptons such as the electron and neutrino) and hadrons made of quarks (baryons like the proton and neutron, and mesons)
    อนุภาคพื้นฐาน (ควาร์ก, เลปตอน) เทียบกับฮาดรอน (บาเรียน, เมซอน)

    ตัวอย่างวิธีทำ ในรายการ — แอนตินิวทริโน, $\beta^{+}$ พาร์ทิเคิล, นิวตรอน, โพซิตรอน, โปรตอน — ใต้เส้นคำที่เป็นฮาดรอน

    นิวตรอนและโปรตอน (ควาร์กสามตัวแต่ละตัว) แอนตินิวทริโนและโพซิตรอนเป็นเลปตอน; $\beta^{+}$ พาร์ทิเคิล คือ โพซิตรอน รายการเดียวกันเมื่อถามว่า "อันไหนไม่เป็นอนุภาคพื้นฐาน?" จะมีคำตอบเหมือนกันคือ นิวตรอนและโปรตอน

    สสารต้านทาน อนุภาคทุกตัวมีแอนติพาร์ทิเคิลที่มีมวลเท่ากันและประจุตรงข้าม; โพซิตรอนและอิเล็กตรอนมีมวลเท่ากัน (และขนาดของประจุเท่ากัน) แต่ต่างกันที่เครื่องหมายของประจุ อะตอม แอนติไฮโดรเจน คือแอนติโปรตอน (ประจุ $-e$, สร้างจาก $\bar{\text{u}}\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}$) ที่มีโพซิตรอนโคจรรอบ

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Fundamental particle lab · ⁨ห้องปฏิบัติการอนุภาคพื้นฐาน⁩

    Sort particles by the family or interaction that defines them. · ⁨จัดกลุ่มอนุภาคตามครอบครัวหรือแรงที่กำหนดมัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    proton/ˈprəʊtɒn/ โปรตอน
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ นิวตรอน
    electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
    quark/kwɑːk/ ควาร์ก
    conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ การอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
    unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ หน่วยมวลอะตอมรวม
    neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ นิวทริโน
    antineutrino/ˌæntɪnjuːˈtriːnəʊ/ แอนตินิวทริโน
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    fundamental particles/ˌfʌndəˈmentl ˈpɑːtɪklz/ อนุภาคพื้นฐาน
    fundamental/ˌfʌndəˈmentl/ พื้นฐาน
    flavours/ˈfleɪvəz/ รสชาติ
    antiquark/ˈæntɪkwɑːk/ แอนติควาร์ก
    hadrons/ˈhædrɒnz/ แฮดรอน
    baryons/ˈbæriɒnz/ แบริออน
    mesons/ˈmiːzɒnz/ เมซอน
    leptons/ˈleptɒnz/ เลปตอน
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    11.2

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    proton number $Z$ the number of protons in a nucleus
    nucleon number $A$ the total number of protons and neutrons in a nucleus
    isotopes nuclei of the same element (same number of protons) with different numbers of neutrons
    nuclide a nucleus with a particular number of protons and a particular number of neutrons
    unified atomic mass unit one twelfth of the mass of an atom of carbon-12
    antiparticle a particle with the same mass as the corresponding particle but the opposite charge
    fundamental particle a particle that cannot be broken down into smaller particles
    hadron a particle made of quarks: a baryon (three quarks) or a meson (a quark and an antiquark)
    lepton a fundamental particle that is not made of quarks, such as the electron or the neutrino
    α-particle a helium-4 nucleus: two protons and two neutrons, charge $+2e$, mass $4\ \text{u}$
    $\beta^{-}$ / $\beta^{+}$ particle an electron / a positron emitted from a nucleus when a neutron becomes a proton / a proton becomes a neutron
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    จำนวนโปรตอน $Z$ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส
    จำนวนนิวคลีออน $A$ จำนวนรวมของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส
    ไอโซโทป นิวเคลียสของธาตุเดียวกัน (จำนวนโปรตอนเท่ากัน) ที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
    นิวไคลด์ นิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเฉพาะและจำนวนนิวตรอนเฉพาะ
    หน่วยมวลอะตอมรวม หนึ่งสิบสองส่วนหนึ่งของมวลของอะตอมคาร์บอน-12
    แอนติพาร์ทิเคิล อนุภาคที่มีมวลเท่ากับอนุภาคที่เกี่ยวข้องแต่มีประจุตรงข้าม
    อนุภาคพื้นฐาน อนุภาคที่ไม่สามารถแยกย่อยออกเป็นอนุภาคที่เล็กกว่าได้
    ฮาดรอน อนุภาคที่สร้างจากควาร์ก: บาเรียน (ควาร์กสามตัว) หรือเมซอน (ควาร์กหนึ่งตัวและแอนติควาร์กหนึ่งตัว)
    เลปตอน อนุภาคพื้นฐานที่ไม่ได้สร้างจากควาร์ก เช่น อิเล็กตรอนหรือนิวทริโน
    พาร์ทิเคิล α นิวเคลียสฮีเลียม-4: สองโปรตอนและสองนิวตรอน, ประจุ $+2e$, มวล $4\ \text{u}$
    $\beta^{-}$ / $\beta^{+}$ พาร์ทิเคิล อิเล็กตรอน / โพซิตรอนที่ถูกปล่อยออกจากนิวเคลียสเมื่อนิวตรอนกลายเป็นโปรตอน / โปรตอนกลายเป็นนิวตรอน
    11.2

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Describe the nuclear atom (a small, dense, positive nucleus) using the alpha-scattering evidence — pair each observation with its conclusion.
    • Compare $\alpha$, $\beta$ and $\gamma$ by charge, mass, ionising power and penetration; when asked to compare two particles, give the ratio ("twice the charge", "about 7000 times the mass").
    • Use quark composition (proton $uud$, neutron $udd$) and check that charge and nucleon number balance in every equation you write.
    • In $\beta^-$ decay a neutron becomes a proton, an electron and an antineutrino; in $\beta^{+}$ decay a proton becomes a neutron, a positron and a neutrino. Name the (anti)neutrino every time.
    • A nucleus at rest that decays gives its two products equal and opposite momentum, so the lighter one is faster and carries most of the kinetic energy.
    • For a decay chain, count the α-decays from the change in $A$ first, then fix $Z$ with $\beta$-decays.

    Common mistakes

    • Concluding "the nucleus is positive" from the straight-through result. That result shows empty space; the large-angle deflections show the concentrated positive charge.
    • Defining isotopes by "different mass" only. The mark needs same number of protons, different number of neutrons.
    • Writing $^{0}_{-1}\beta$ for $\beta^{+}$ decay. A positron is $^{0}_{+1}\beta$, and $Z$ goes down by one.
    • Forgetting the (anti)neutrino in a β-decay equation, or putting a neutrino with $\beta^{-}$. $\beta^{-}$ goes with the antineutrino, $\beta^{+}$ with the neutrino.
    • Saying protons or neutrons are fundamental. Only quarks and leptons are.
    • Giving a meson as "two quarks". It is a quark and an antiquark.
    • Treating an antiquark's charge as the same sign as the quark's. $\bar{\text{u}}$ is $-\tfrac{2}{3}e$, $\bar{\text{d}}$ is $+\tfrac{1}{3}e$.
    ไทย
    • อธิบาย อะตอมนิวเคลียส (นิวเคลียสขนาดเล็ก หนาแน่น และบวก) โดยใช้หลักฐานจากการกระเจิงอัลฟา — จับคู่ข้อสังเกตแต่ละข้อกับข้อสรุป
    • เปรียบเทียบ $\alpha$, $\beta$ และ $\gamma$ โดยดูจาก ประจุ มวล กำลังทำไอออไนซ์ และการทะลุทะลวง; เมื่อถูกถามให้เปรียบเทียบอนุภาคสองชนิด ให้ให้ค่าสัมพัทธ์ (เช่น "ประจุ gấpสองเท่า", "มวลประมาณ 7000 เท่า")
    • ใช้การประกอบควาร์ก (โปรตอน $uud$, นิวตรอน $udd$) และตรวจสอบให้แน่ใจว่า ประจุและเลขนิวคลีโอ้นสมดุล ในสมการที่คุณเขียนทุกสมการ
    • ในการสลายตัว $\beta^-$ นิวตรอนจะกลายเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโน; ในการสลายตัว $\beta^{+}$ โปรตอนจะกลายเป็นนิวตรอน โพซิตรอน และนิวตริโน ให้ระบุชื่อ (แอนติ)นิวตริโนทุกครั้ง
    • นิวเคลียสที่อยู่นิ่งซึ่งสลายตัวจะส่งมอบโมเมนตัมที่มี ขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้าม ให้กับผลิตภัณฑ์ทั้งสอง ดังนั้นวัตถุที่มีมวลน้อยกว่าจะมีความเร็วมากกว่าและพกพาพลังงานจลน์ส่วนใหญ่
    • สำหรับลำดับการสลายตัว นับจำนวนการสลายตัว α จากความเปลี่ยนแปลงใน $A$ ก่อน แล้วปรับ $Z$ ด้วยการสลายตัว $\beta$

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • สรุปว่า "นิวเคลียสมีประจุบวก" จากผลการทดลอง ผ่านตรง ผลลัพธ์นี้แสดงถึงพื้นที่ว่าง การเบี่ยงเบนมุมใหญ่แสดงถึงประจุบวกที่รวมตัวอยู่
    • นิยามไอโซโทปโดย "มวลต่างกัน" เพียงอย่างเดียว คะแนนต้องได้คือ มีจำนวนโปรตอนเท่าเดิม แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
    • เขียน $^{0}_{-1}\beta$ แทน $\beta^{+}$ การสลายตัว โพซิตรอนคือ $^{0}_{+1}\beta$ และ $Z$ จะ ลดลง หนึ่งหน่วย
    • ลืม (แอนติ)นิวตริโนในสมการ β-decay หรือใส่ นิวตริโน เข้ากับ $\beta^{-}$ $\beta^{-}$ ต้องคู่กับ แอนตินิวตริโน, $\beta^{+}$ คู่กับ นิวตริโน
    • บอกว่าโปรตอนหรือนิวตรอนเป็นอนุภาคพื้นฐาน มีเพียงควาร์กและเลปตันเท่านั้นที่เป็นอนุภาคพื้นฐาน
    • บอกเมซอนว่าเป็น "ควาร์กสองตัว" มันคือ ควาร์ก และแอนติควาร์ก
    • พิจารณาประจุของแอนติควาร์กว่ามีเครื่องหมายเดียวกับควาร์ก $\bar{\text{u}}$ คือ $-\tfrac{2}{3}e$, $\bar{\text{d}}$ คือ $+\tfrac{1}{3}e$
  • 12

    Motion in a circle · ⁨การเคลื่อนที่ในวงกลม⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    12.1

    Angles in radians · ⁨มุมในเรเดียน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define the radian and express angular displacement in radians
    2. understand and use the concept of angular speed
    3. recall and use $\omega = 2\pi / T$ and $v = r\omega$
    ไทย
    1. นิยาม เรเดียน และแสดง การกระจัดเชิงมุม เป็นเรเดียน
    2. เข้าใจและใช้แนวคิดของ ความเร็วเชิงมุม
    3. จำและใช้ $\omega = 2\pi / T$ และ $v = r\omega$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Uniform circular motion: velocity & acceleration

    The radian 弧度 is the angle made at the centre of a circle by an arc 弧 whose length equals the radius. For an arc of length $s$ on a circle of radius $r$, the angle in radians is

    $$\theta = \frac{s}{r}.$$

    Radians have no unit (a ratio of lengths). A full circle has $s = 2\pi r$, so $\theta = 2\pi\ \text{rad}$. A half-circle is $\pi\ \text{rad}$; a quarter is $\pi/2\ \text{rad}$.

    To convert: $1\ \text{rad} = 180°/\pi \approx 57.3°$. Set your calculator to radians for this topic; "degree" mode will give wrong answers.

    The one-mark definition. The radian is the angle subtended at the centre of a circle by an arc equal in length to the radius of the circle. Give it in words — $\theta = s/r$ on its own is not a definition — and keep $s = r\theta$ ready for turning a distance along the arc into an angle, or back.

    ไทย
    การเคลื่อนที่วงกลมสม่ำเสมอ: ความเร็วและความเร่ง

    เรเดียน คือมุมที่เกิดที่จุดศูนย์กลางของวงกลมจาก ส่วนโค้ง ที่มียาวเท่ากับรัศมี สำหรับส่วน弧ที่มีความยาว $s$ บนวงกลมที่มีรัศมี $r$, มุมในหน่วยเรเดียนคือ

    $$\theta = \frac{s}{r}.$$

    เรเดียนไม่มีหน่วย (เป็นอัตราส่วนของความยาว) วงกลมเต็มมี $s = 2\pi r$, ดังนั้น $\theta = 2\pi\ \text{rad}$. ครึ่งวงกลมคือ $\pi\ \text{rad}$;.spark部分是 $\pi/2\ \text{rad}$.

    A circle with a shaded sector; the two bounding radii each have length r and the arc has length s = r, so the angle at the centre is one radian
    หนึ่งเรเดียนคือมุมที่มีความยาวส่วน弧เท่ากับรัศมี

    เพื่อแปลงค่า: $1\ \text{rad} = 180°/\pi \approx 57.3°$. ตั้งค่าเครื่องคิดเลขของคุณไปที่ เรเดียน สำหรับหัวข้อนี้; โหมด "องศา" จะให้คำตอบที่ผิด

    นิยามแบบ 1 คะแนน. เรเดียนคือมุมที่สร้างที่จุดศูนย์กลางของวงกลมโดยส่วน弧ที่มียาวเท่ากับรัศมีของวงกลม. ให้เป็นคำพูด — $\theta = s/r$ อย่างเดียวไม่ใช่คำนิยาม — และเก็บ $s = r\theta$ ไว้สำหรับเปลี่ยนระยะทางตามส่วน弧ให้เป็นมุม, หรือกลับด้าน

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    radian/ˈreɪdɪən/ เรเดียน
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่ง
    arc/ɑːk/ ส่วนโค้ง
    12.1

    Uniform circular motion: angular speed · ⁨การเคลื่อนที่วงกลมสม่ำเสมอ: ความเร็วเชิงมุม⁩

    English

    An object moves in a circle of radius $r$ at constant speed $v$. Define:

    • angular displacement 角位移 $\theta$ — the angle (in radians) turned through by the radius from a chosen start line.
    • angular speed 角速度 $\omega$ — the rate of change of angular displacement.

    For uniform motion $\omega$ is constant and

    $$\omega = \frac{\theta}{t}.$$

    Unit: $\text{rad s}^{-1}$.

    What stays constant and what varies. In uniform circular motion the speed, the angular speed, the period and the magnitude of the acceleration are constant; the velocity, the displacement from the centre and the acceleration all change continuously, because their direction changes. Asked to "state two quantities that vary", give two of velocity, acceleration, displacement and momentum — and say it is the direction that varies.

    Period and frequency

    If the object goes once round ($2\pi\ \text{rad}$, one revolution 圈) in time $T$ (the period 周期), then

    $$\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f,$$

    where $f = 1/T$ is the frequency 频率 of turning (Hz).

    Linear and angular speed

    In one period $T$ the object travels a distance $2\pi r$ (the circumference 周长) at constant speed, so

    $$v = \frac{2\pi r}{T} = r \omega.$$

    This links the linear (tangential 切向) speed $v$ with the angular speed $\omega$. At a larger radius (for the same angular speed) the linear speed is larger — a child on the edge of a merry-go-round moves faster than one near the centre, even though both go round once in the same time.

    Worked example. A fairground ride of radius $4.0\ \text{m}$ completes one turn every $8.0\ \text{s}$. Find its angular speed and the linear speed of a rider on the edge.

    $$\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{8.0} = 0.79\ \text{rad s}^{-1}, \qquad v = r\omega = 4.0 \times 0.79 = 3.1\ \text{m s}^{-1}.$$

    Worked example. The minute hand of a clock turns once every hour. A piece of modelling clay on the hand moves a total distance of $0.44\ \text{m}$ in $1400\ \text{s}$. Find the angular speed of the hand, the angle the clay turns through in that time, and its distance from the centre of the clock.

    $\omega = 2\pi/T = 2\pi/3600 = 1.75 \times 10^{-3}\ \text{rad s}^{-1}$. Angular displacement $\theta = \omega t = 1.75 \times 10^{-3} \times 1400 = 2.44\ \text{rad}$. Distance along the arc $s = r\theta$, so $r = s/\theta = 0.44/2.44 = 0.18\ \text{m}$. Check: $v = s/t = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ and $r\omega = 0.18 \times 1.75 \times 10^{-3} = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ — the same. A common trap in these questions is a radius measured from the rim: a lump $1.2\ \text{cm}$ in from the edge of a $9.3\ \text{cm}$ disc moves in a circle of radius $8.1\ \text{cm}$.

    Worked example. A bicycle chain passes round a pedal cog of radius $0.095\ \text{m}$ and a rear-wheel cog of radius $0.038\ \text{m}$. The pedals turn at $1.2$ revolutions per second. Find the speed of the chain and the angular speed of the rear cog. The chain is then moved to a smaller rear cog while the bicycle's speed stays the same; explain, without calculation, what happens to the angular speed of the pedals.

    Pedal angular speed $\omega_{1} = 2\pi \times 1.2 = 7.5\ \text{rad s}^{-1}$. Every link of the chain moves at the speed of the rim of the pedal cog: $v = r_{1}\omega_{1} = 0.095 \times 7.5 = 0.72\ \text{m s}^{-1}$. The rear cog's rim moves at the same speed, so $\omega_{2} = v/r_{2} = 0.72/0.038 = 19\ \text{rad s}^{-1}$. With the bicycle's speed unchanged, the rear wheel keeps the same angular speed; the smaller cog's rim therefore moves more slowly ($v = r\omega$ with a smaller $r$), so the chain moves more slowly, and the pedal cog, driven by the same chain, turns at a lower angular speed.

    ไทย
    A spinning fairground ride lit up at night
    เครื่องเล่นหมุนในสวนสนุก: ผู้โดยสารทุกคนหมุนผ่านมุมเดียวกันต่อวินาที

    วัตถุเคลื่อนที่ในวงกลมรัศมี $r$ ด้วยความเร็วคงที่ $v$ กำหนดให้:

    • การกระจัดเชิงมุม $\theta$ — มุม (ในหน่วยเรเดียน) ที่รัศมีหมุนผ่านจากเส้นเริ่มต้นที่กำหนด
    • ความเร็วเชิงมุม $\omega$ — อัตราการเปลี่ยนแปลงของการกระจัดเชิงมุม

    สำหรับการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ $\omega$ เป็นค่าคงที่และ

    $$\omega = \frac{\theta}{t}.$$

    หน่วย: $\text{rad s}^{-1}$

    สิ่งที่คงที่และสิ่งที่แปรผัน ในการเคลื่อนที่วงกลมสม่ำเสมอ ความเร็ว, ความเร็วเชิงมุม, ระยะเวลา และ ขนาด ของความเร่งเป็นค่าคงที่; ความเร็ว, การกระจัด จากจุดศูนย์กลาง และ ความเร่ง เปลี่ยนไปอย่างต่อเนื่อง เนื่องจาก ทิศทาง เปลี่ยนไป ถูกถามว่า "บอกปริมาณสองอย่างที่แปรผัน" ให้บอกสองอย่างจาก ความเร็ว, ความเร่ง, การกระจัด และโมเมนตัม — และบอกว่าสิ่งที่แปรผันคือทิศทาง

    ระยะเวลาและความถี่

    หากวัตถุวนรอบหนึ่ง ($2\pi\ \text{rad}$, หนึ่งรอบหมุน) ในเวลา $T$ (ช่วงคาบ), แล้ว

    $$\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f,$$

    โดยที่ $f = 1/T$ คือ ความถี่ ของการหมุน (Hz).

    ความเร็วเชิงเส้นและความเร็วเชิงมุม

    ในช่วงเวลาหนึ่ง $T$ วัตถุเดินทางระยะทาง $2\pi r$ (เส้นรอบวง) ด้วยความเร็วคงที่, ดังนั้น

    $$v = \frac{2\pi r}{T} = r \omega.$$

    สิ่งนี้เชื่อมโยงความเร็วเชิงเส้น (แนวสัมผัส) $v$ กับความเร็วเชิงมุม $\omega$. ที่รัศมียิ่งใหญ่ขึ้น (ด้วยความเร็วเชิงมุมเท่าเดิม) ความเร็วเชิงเส้นจะยิ่งใหญ่ขึ้น — เด็กที่อยู่ขอบมERRY-GO-ROUND เคลื่อนที่เร็วกว่าเด็กที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลาง แม้ว่าจะวนรอบหนึ่งพร้อมกันในเวลาที่เท่ากันก็ตาม

    A turntable with two riders sharing the same angular speed; the inner rider has a short velocity arrow and the outer rider a long one, because v equals r times omega
    ความเร็วเชิงมุมเท่ากัน แต่ผู้โดยสารอยู่ที่รัศมียิ่งใหญ่มีความเร็วเชิงเส้นยิ่งใหญ่ ($v = r\omega$)

    ตัวอย่างวิธีทำ. เครื่องเล่นในสวนสนุกที่มีรัศมี $4.0\ \text{m}$ หมวนรอบหนึ่งทุก $8.0\ \text{s}$. หาความเร็วเชิงมุมและความเร็วเชิงเส้นของผู้โดยสารที่ขอบ

    $$\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{8.0} = 0.79\ \text{rad s}^{-1}, \qquad v = r\omega = 4.0 \times 0.79 = 3.1\ \text{m s}^{-1}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. เข็มนาฬิกา.minute หมวนรอบหนึ่งทุกชั่วโมง. ก้อนดินน้ำมันบนเข็มนาฬิกาเดินทางรวมระยะทาง $0.44\ \text{m}$ ใน $1400\ \text{s}$. หาความเร็วเชิงมุมของเข็ม, มุมที่ก้อนดินหมุนผ่าน在这段时间, และระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของนาฬิกา

    $\omega = 2\pi/T = 2\pi/3600 = 1.75 \times 10^{-3}\ \text{rad s}^{-1}$. การกระจัดเชิงมุม $\theta = \omega t = 1.75 \times 10^{-3} \times 1400 = 2.44\ \text{rad}$. ระยะทางตามส่วน弧 $s = r\theta$, ดังนั้น $r = s/\theta = 0.44/2.44 = 0.18\ \text{m}$. ตรวจสอบ: $v = s/t = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ และ $r\omega = 0.18 \times 1.75 \times 10^{-3} = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ — เหมือนกัน.陷阱ที่พบบ่อยในคำถามเหล่านี้คือรัศมิตวัด จากขอบ: ก้อนstuff $1.2\ \text{cm}$ เข้าไปในขอบของดิสก์$9.3\ \text{cm}$ เคลื่อนที่ในวงกลมที่มีรัศมี $8.1\ \text{cm}$.

    A bicycle chain round a large pedal cog and a small rear cog; every link of the chain moves at the same speed v, so v equals r1 omega1 equals r2 omega2 and the small cog turns faster
    เฟืองสองตัวเชื่อมต่อกันด้วยสายพานแบ่งกันความเร็วของสายพาน, ไม่ใช่ความเร็วเชิงมุม: $v = r_{1}\omega_{1} = r_{2}\omega_{2}$

    ตัวอย่างทำข้อ. โซ่จักรยานผ่านรอบเฟืองที่เท้าเหยียบซึ่งมีรัศมี $0.095\ \text{m}$ และเฟืองที่ล้อหลังซึ่งมีรัศมี $0.038\ \text{m}$. เท้าเหยียบหมุนที่ $1.2$ รอบต่อนาที. จงหาความเร็วของโซ่และความเร็วเชิงมุมของเฟืองหลัง. จากนั้นโซ่ถูกย้ายไปใส่เฟืองหลังที่มีขนาดเล็กกว่าในขณะที่ความเร็วของจักรยานคงที่; อธิบายโดยไม่ใช้การคำนวณว่าความเร็วเชิงมุมของเท้าเหยียบจะเกิดอะไรขึ้น

    ความเร็วเชิงมุมของเท้าเหยียบ $\omega_{1} = 2\pi \times 1.2 = 7.5\ \text{rad s}^{-1}$. ทุกลิงก์ของโซ่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับขอบของเฟืองเท้าเหยียบ: $v = r_{1}\omega_{1} = 0.095 \times 7.5 = 0.72\ \text{m s}^{-1}$. ขอบของเฟืองหลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกัน ดังนั้น $\omega_{2} = v/r_{2} = 0.72/0.038 = 19\ \text{rad s}^{-1}$. เมื่อความเร็วของจักรยานไม่เปลี่ยนแปลง ล้อ หลัง จะรักษาความเร็วเชิงมุมเดิมไว้; ดังนั้นขอบของเฟืองที่มีขนาดเล็กกว่าจึงเคลื่อนที่ช้าลง ($v = r\omega$ เมื่อ $r$ มีค่าน้อยลง), ทำให้โซ่เคลื่อนที่ช้าลง และเฟืองเท้าเหยียบ ซึ่งขับเคลื่อนโดยโซ่เดียวกัน หมุนด้วยความเร็วเชิงมุม ต่ำกว่า.

    วัตถุเคลื่อนที่รอบวงกลมที่มีรัศมี r; เมื่อรัศมีกวาดผ่านมุม วัตถุจะเคลื่อนที่ไปตามส่วนโค้ง และความเร็ว v ชี้ตามแนวสัมผัส
    เมื่อรังสีหมุนผ่าน $\Delta\theta$ วัตถุเคลื่อนที่ตามส่วนโค้ง $\Delta s$ ด้วยความเร็ว $v$
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Angular speed · ⁨ความเร็วเชิงมุม⁩

    s = rθ

    Angular speed turns angle per time; arc length s = rθ. · ⁨ความเร็วเชิงมุมเปลี่ยน มุม ต่อเวลา; ความยาวส่วนโค้ง s = rθ⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    angular speed/ˈæŋɡjʊlə spiːd/ ความเร็วเชิงมุม
    angular displacement/ˈæŋɡjʊlə dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัดเชิงมุม
    period/ˈpɪərɪəd/ รอบ
    frequency/ˈfriːkwənsi/ ความถี่
    revolution/ˌrevəˈluːʃn/ انقلاب
    circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ เส้นรอบวง
    tangential/tænˈdʒenʃl/ แนวสัมผัส
    centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง
    perpendicular/ˌpɜːpənˈdɪkjʊlə/ ตั้งฉาก
    12.2

    Centripetal acceleration · ⁨ความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a force of constant magnitude that is always perpendicular to the direction of motion causes centripetal acceleration
    2. understand that centripetal acceleration causes circular motion with a constant angular speed
    3. recall and use $a = r\omega^2$ and $a = v^2 / r$
    4. recall and use $F = mr\omega^2$ and $F = mv^2 / r$
    ไทย
    1. เข้าใจว่าแรงที่มีขนาดคงที่และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่เสมอ จะทำให้เกิด ความเร่งสู่ศูนย์กลาง
    2. เข้าใจว่าความเร่งสู่ศูนย์กลางทำให้เกิด การเคลื่อนที่วงกลม ด้วย ความเร็วเชิงมุม ที่คงที่
    3. จำและใช้ $a = r\omega^2$ และ $a = v^2 / r$
    4. จำและใช้ $F = mr\omega^2$ และ $F = mv^2 / r$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    An object moving in a circle at constant speed still has a changing velocity 速度 — its direction keeps changing, even though its size stays the same. A changing velocity needs an acceleration 加速度. This acceleration points towards the centre and is the centripetal acceleration 向心加速度.

    The two-mark description. In uniform circular motion the speed is constant but the velocity is continuously changing, because its direction changes; the acceleration is constant in magnitude and is always directed towards the centre of the circle, perpendicular to the velocity. "State what is meant by centripetal acceleration": the acceleration of an object moving along a circular path, directed towards the centre of the circle.

    Size

    $$a = \frac{v^{2}}{r} = r\omega^{2}.$$

    The two forms are equal because $v = r\omega$. Pick the one with the quantities you have.

    The centripetal acceleration is perpendicular 垂直 to the velocity at every instant — never along the direction of motion. (If part of it were along the motion, the speed would change.) Unit: $\text{m s}^{-2}$.

    Why the speed does not change. The centripetal force is perpendicular to the displacement at every instant, so it does no work on the object; its kinetic energy, and so its speed, stays constant. Only the direction of the velocity changes — which is exactly what an acceleration perpendicular to the velocity does.

    Worked example. The Earth is a sphere of radius $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ rotating once in $24$ hours. Cambridge is at latitude 纬度 $52.2°$ north. Find the radius of the circle in which Cambridge moves, its speed, and its centripetal acceleration. A student of mass $58.6\ \text{kg}$ stands on bathroom scales there; state and explain the effect of the rotation on the reading.

    The circle is about the axis, so $r = R\cos\lambda = 6.37 \times 10^{6} \times \cos 52.2° = 3.90 \times 10^{6}\ \text{m}$. $\omega = 2\pi/(24 \times 3600) = 7.27 \times 10^{-5}\ \text{rad s}^{-1}$, so $v = r\omega = 284\ \text{m s}^{-1}$ and $a = r\omega^{2} = 3.90 \times 10^{6} \times (7.27 \times 10^{-5})^{2} = 2.1 \times 10^{-2}\ \text{m s}^{-2}$. The student needs a resultant force $ma = 1.2\ \text{N}$ towards the axis, which can only come from the weight exceeding the upward contact force; so the scales read less than the weight $mg = 575\ \text{N}$ — by about one newton (the acceleration has a component $a\cos\lambda = 0.013\ \text{m s}^{-2}$ along the vertical, i.e. $0.7\ \text{N}$ of the $1.2\ \text{N}$). Small, but the sign and the reason are the marks.

    ไทย

    วัตถุที่เคลื่อนที่ในวงกลมด้วยความเร็วคงที่ยังคงมีความ ความเร็ว ที่เปลี่ยนอยู่ — ทิศทางของมันเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง แม้ขนาดจะคงที่ก็ตาม การเปลี่ยนความเร็วจำเป็นต้องมี ความเร่ง. ความเร่งนี้ชี้ เข้าหาศูนย์กลาง และเรียกว่า ความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง.

    คำอธิบายสำหรับข้อ 2 คะแนน. ในการเคลื่อนที่วงกลมแบบสม่ำเสมอ ความเร็วจะคงที่แต่ความเร็วจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากทิศทางเปลี่ยนแปลง; ความเร่งจะมีขนาดคงที่และชี้เข้าหาศูนย์กลางของวงกลมเสมอ ตั้งฉากกับความเร็ว. "บอกความหมายของความเร่งเข้าหาศูนย์กลาง": ความเร่งของวัตถุที่เคลื่อนที่ตามเส้นทางวงกลม ชี้เข้าหาศูนย์กลางของวงกลม.

    ขนาด

    $$a = \frac{v^{2}}{r} = r\omega^{2}.$$

    ทั้งสองรูปแบบมีค่าเท่ากันเพราะ $v = r\omega$. เลือกแบบที่มีปริมาณที่คุณทราบ

    ความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางมีทิศทาง ตั้งฉาก กับความเร็วในทุกขณะ — ไม่เคยอยู่ในแนวการเคลื่อนที่เลย (หากมีองค์ประกอบใดอยู่แนวการเคลื่อนที่ ความเร็วจะเปลี่ยนแปลง) หน่วย: $\text{m s}^{-2}$.

    ลูกบอลเคลื่อนที่ตามเส้นทางวงกลม: ความเร็วชี้ตามแนวสัมผัส mientras แรงและความเร่งชี้เข้าด้านในสู่ศูนย์กลาง
    ความเร็วชี้ตามเส้นสัมผัส; แรงและความเร่งชี้เข้าสู่ศูนย์กลาง

    ทำไมความเร็วถึงไม่เปลี่ยน. แรงเข้าหาศูนย์กลางตั้งฉากกับการกระจัดทุกขณะ จึง ไม่ได้做功 (ไม่ทำงาน) กับวัตถุ; พลังงานจลน์ของมัน และดังนั้นความเร็ว จะคงที่. เพียงทิศทางของความเร็วเท่านั้นที่เปลี่ยน — ซึ่งนี่คือสิ่งที่ความเร่งที่ตั้งฉากกับความเร็วดำเนินการ

    โลกพร้อมแกนหมุน; จุด P ที่ละติจูด lambda เคลื่อนที่ในวงกลมเล็กรอบแกนที่มีรัศมี R cos lambda, และความเร่งเข้าหาศูนย์กลางของมันชี้เข้าหาแกน
    จุดบนโลกที่หมุนเคลื่อนที่ในวงกลมรอบแกน, ที่มีรัศมี $R\cos\lambda$, ไม่ใช่รอบศูนย์กลางของโลก

    ตัวอย่างฝึกหัด. โลกเป็นทรงกลมรัศมี $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ หมุนรอบตัวเองครั้งละ $24$ ชั่วโมง Cambridge อยู่ที่ เส้น vĩ $52.2°$ เหนือ จงหารัศมีของวงกลมที่ Cambridge เคลื่อนที่ ความเร็ว และความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลาง ของนักเรียนมวล $58.6\ \text{kg}$ ยืนอยู่บนเครื่องชั่งน้ำหนักที่นั่น ระบุและอธิบายผลกระทบของการหมุนต่อค่าที่อ่านได้

    วงกลมอยู่รอบ แกน, ดังนั้น $r = R\cos\lambda = 6.37 \times 10^{6} \times \cos 52.2° = 3.90 \times 10^{6}\ \text{m}$. $\omega = 2\pi/(24 \times 3600) = 7.27 \times 10^{-5}\ \text{rad s}^{-1}$, ดังนั้น $v = r\omega = 284\ \text{m s}^{-1}$ และ $a = r\omega^{2} = 3.90 \times 10^{6} \times (7.27 \times 10^{-5})^{2} = 2.1 \times 10^{-2}\ \text{m s}^{-2}$. นักเรียนต้องการแรงลัพธ์ $ma = 1.2\ \text{N}$ เข้าหาแกน, ซึ่งสามารถมาจากน้ำหนักที่มากกว่าแรงสัมผัสขึ้นด้านบน; ดังนั้นเครื่องชั่งจะอ่านค่า น้อยกว่า น้ำหนัก $mg = 575\ \text{N}$ — ประมาณหนึ่งนิวตัน (ความเร่งมีองค์ประกอบ $a\cos\lambda = 0.013\ \text{m s}^{-2}$ ตามแนวตั้ง, นั่นคือ $0.7\ \text{N}$ ของ $1.2\ \text{N}$). เล็กมาก แต่เครื่องหมายและเหตุผลคือคะแนน

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    latitude/ˈlætɪtjuːd/ ละติจูด
    weight/weɪt/ น้ำหนัก
    tension/ˈtenʃn/ แรงตึง
    friction/ˈfrɪkʃn/ แรงเสียดทาน
    normal contact force/ˈnɔːml ˈkɒntækt fɔːs/ แรงสัมผัสปกติ
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    12.2

    Centripetal force · ⁨แรงเข้าหาศูนย์กลาง⁩

    English

    By Newton's second law, the resultant force 力 on a body in circular motion at constant speed is

    $$F = m a = \frac{m v^{2}}{r} = m r \omega^{2}.$$

    This is the centripetal force 向心力. It always points towards the centre — perpendicular to the velocity.

    The centripetal force is not a new kind of force — it is the net result of the real forces acting (tension, gravity, friction, electric attraction, normal contact force, …). In a problem, work out which real force(s) provide it.

    Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ ball on a string is whirled in a horizontal circle of radius $0.50\ \text{m}$ at $3.0\ \text{m s}^{-1}$. Find the centripetal force (the tension in the string).

    $$F = \frac{mv^{2}}{r} = \frac{0.20 \times 3.0^{2}}{0.50} = 3.6\ \text{N}.$$

    Where the centripetal force comes from

    • Ball on a string in a horizontal circle: the tension 张力 in the string.
    • Car turning a flat corner: the friction 摩擦力 between tyres and road ($F = m v^{2}/r$). If the car goes too fast, friction is not enough and it skids outwards.
    • Banked corner 倾斜 (no friction): the horizontal part of the normal contact force 支持力; $\tan\theta = v^{2}/(rg)$ for the angle that needs no friction.
    • A planet or satellite 卫星 in orbit 轨道: the gravitational attraction 引力, $G M m / r^{2} = m v^{2}/r$.
    • Electron 电子 in a circular orbit (Bohr-style model): the electrostatic 静电 attraction between the electron and the positive nucleus 原子核:
    $$\frac{kZe^{2}}{r^{2}} = \frac{m_{e} v^{2}}{r},$$

    where $k = 1/(4\pi\varepsilon_{0})$ and $Z$ is the nuclear charge. Solve for $v$ to get the orbital speed; then $T = 2\pi r/v$.

    The tilted force: conical pendulum, cone and swing-ride

    A ball on a string swung in a horizontal circle (a conical pendulum 圆锥摆), a ball rolling round the inside of a smooth cone, a chair on a fairground swing-ride and a car on a banked track are all the same problem: one force (the tension or the normal contact force) is tilted at an angle $\theta$ to the vertical. Resolve it. Its vertical component balances the weight; its horizontal component is the whole centripetal force:

    $$F\cos\theta = mg, \qquad F\sin\theta = \frac{mv^{2}}{r} \qquad\Rightarrow\qquad \tan\theta = \frac{v^{2}}{rg}.$$

    Never add a separate "centripetal force" to the diagram: the two real forces are the weight and the tilted force, and their resultant is horizontal, towards the centre.

    Worked example. A steel ball moves in a horizontal circle of radius $0.12\ \text{m}$ on the smooth inside surface of a cone whose surface makes $52°$ with the horizontal. Name the two forces on the ball, state the direction of their resultant, and find the speed of the ball and the period of its motion.

    The forces are the weight (vertically down) and the normal contact force from the cone's surface (perpendicular to the surface, so at $52°$ to the vertical); their resultant is horizontal, towards the centre of the circle. Vertically $N\cos 52° = mg$; horizontally $N\sin 52° = mv^{2}/r$. Dividing: $v^{2} = rg\tan 52° = 0.12 \times 9.81 \times 1.28 = 1.51$, so $v = 1.2\ \text{m s}^{-1}$, and $T = 2\pi r/v = 2\pi \times 0.12/1.23 = 0.61\ \text{s}$. The mass cancels — the speed does not depend on it.

    Worked example. A sphere of mass $0.29\ \text{kg}$ hangs from a spring of spring constant $40\ \text{N m}^{-1}$ and unstretched length $6.0\ \text{cm}$. It is set moving in a horizontal circle so that the spring makes $30°$ with the vertical. Find the tension, the radius of the circle and the speed.

    Vertically $T\cos 30° = mg$, so $T = 0.29 \times 9.81/0.866 = 3.3\ \text{N}$. The extension is $x = T/k = 3.28/40 = 0.082\ \text{m}$, so the spring's length is $0.060 + 0.082 = 0.142\ \text{m}$ and $r = 0.142\sin 30° = 0.071\ \text{m}$. Horizontally $T\sin 30° = mv^{2}/r$: $v^{2} = 3.28 \times 0.5 \times 0.071/0.29 = 0.40$, $v = 0.63\ \text{m s}^{-1}$. Hooke's law supplies the length; the circle supplies the rest.

    Vertical circles

    When the circle is upright, the speed is not constant (gravity does work) — but at each instant the net force towards the centre still equals $m v^{2}/r$:

    • at the bottom of a loop: tension up, weight 重力 down, so $T - mg = m v^{2}/r$ — the tension is largest here.
    • at the top of a loop: tension and weight both point down (towards the centre), so $T + mg = m v^{2}/r$ — the tension is smallest. For the slowest speed at the top with the string just tight, set $T = 0$: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, giving $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$.

    Worked example. A car goes round a vertical loop of radius $2.0\ \text{m}$. Find the minimum speed at the top for the car to keep contact with the track (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    At the slowest speed the track force is zero, so gravity alone provides the centripetal force: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, giving $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$:

    $$v_{\text{min}} = \sqrt{9.81 \times 2.0} \approx 4.4\ \text{m s}^{-1}.$$

    The constant-speed result ($v = r\omega$, $\omega$ constant) holds for horizontal circles, or where the force only bends the path (orbits in gravity, charges in a magnetic field 磁场).

    Circles in fields

    Worked example. A helium atom is modelled as a nucleus of charge $+2e$ with two electrons in the same circular orbit of radius $170\ \text{pm}$, always on opposite sides of the nucleus. Find the resultant electric force on one electron and its speed.

    Each electron is attracted by the nucleus, distance $r$ away, and repelled by the other electron, distance $2r$ away, along the same line: $F = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\dfrac{2e^{2}}{r^{2}} - \dfrac{e^{2}}{(2r)^{2}}\right) = \dfrac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}r^{2}} \times 1.75 = \dfrac{2.31 \times 10^{-28}}{(1.7 \times 10^{-10})^{2}} \times 1.75 = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N}$. This is the centripetal force: $v = \sqrt{Fr/m} = \sqrt{1.40 \times 10^{-8} \times 1.7 \times 10^{-10}/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.

    Worked example. A proton (mass $1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) moving at $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ enters a uniform magnetic field of flux density $0.50\ \text{T}$ at right angles to the field. Find the radius of its path and the time for one revolution.

    The magnetic force $Bqv$ is always perpendicular to the velocity, so it is a centripetal force and the speed is constant: $Bqv = mv^{2}/r$ gives $r = \dfrac{mv}{Bq} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 2.0 \times 10^{6}}{0.50 \times 1.60 \times 10^{-19}} = 4.2 \times 10^{-2}\ \text{m}$, and $T = \dfrac{2\pi r}{v} = \dfrac{2\pi m}{Bq} = 1.3 \times 10^{-7}\ \text{s}$ — independent of the speed, which is why a faster proton makes a larger circle in the same time. For a satellite the gravitational force plays the same part: $\dfrac{GMm}{r^{2}} = mr\omega^{2}$, and the orbital speed and period follow from $r$ alone.

    ไทย
    รถเหวี่ยงขนาดใหญ่
    รถเหวี่ยง: แรงเข้าหาศูนย์กลางเข้าสู่ศูนย์กลางทำให้แต่ละรถเคลื่อนที่ในวงกลม.

    ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน, แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุในการเคลื่อนที่วงกลมด้วยความเร็วคงที่คือ

    $$F = m a = \frac{m v^{2}}{r} = m r \omega^{2}.$$

    นี่คือ แรงเข้าหาศูนย์กลาง. มัน ชี้เข้าหาศูนย์กลางเสมอ — ตั้งฉากกับความเร็ว

    แรงเข้าหาศูนย์กลางไม่ใช่แรงชนิดใหม่ — มันคือ ผลรวม ของแรงจริงที่กระทำ (แรงตึง, แรงโน้มถ่วง, แรงเสียดทาน, แรงดึงดูดไฟฟ้า, แรงสัมผัสปกติ, …). ในโจทย์ ให้หาว่าแรงจริงใดให้แรงนี้

    ตัวอย่างทำข้อ. ลูกบอล $0.20\ \text{kg}$ บนเชือกถูกเหวี่ยงในวงกลมแนวนอนที่มีรัศมี $0.50\ \text{m}$ ที่ $3.0\ \text{m s}^{-1}$. จงหาแรงเข้าหาศูนย์กลาง (แรงตึงในเชือก)

    $$F = \frac{mv^{2}}{r} = \frac{0.20 \times 3.0^{2}}{0.50} = 3.6\ \text{N}.$$

    แหล่งที่มาของแรงเข้าหาศูนย์กลาง

    • ลูกบอลบนเชือก ในวงกลมแนวนอน: แรงตึงในเชือก
    • รถเลี้ยวโค้งราบ: แรงเสียดทานระหว่างยางและถนน ($F = m v^{2}/r$). ถ้ารถเร็วเกินไป แรงเสียดทานไม่เพียงพอและรถไถลออกด้านนอก
    • โค้งลาด (ไม่มีแรงเสียดทาน): ส่วนแนวนอนของ แรงสัมผัสปกติ; $\tan\theta = v^{2}/(rg)$ สำหรับมุมที่ไม่ต้องใช้แรงเสียดทาน
    • ดาราหรือ ดาวเทียม ใน วงโคจร: แรงดึงดูด, $G M m / r^{2} = m v^{2}/r$
    • อิเล็กตรอน ในวงโคจรวงกลม (โมเดลแบบโบร์): แรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนและ นิวเคลียสที่มีประจุบวก:
    $$\frac{kZe^{2}}{r^{2}} = \frac{m_{e} v^{2}}{r},$$

    โดยที่ $k = 1/(4\pi\varepsilon_{0})$ และ $Z$ คือประจุของนิวเคลียส. แก้สมการเพื่อหา $v$ เพื่อรับความเร็ววงโคจร; แล้ว $T = 2\pi r/v$

    รถบนรางลาด; แรงสัมผัสปกติ F จากถนนต่อรถแยกออกเป็นส่วนตั้งฉาก F_v สมดุลกับน้ำหนักและส่วนแนวนอน F_h ชี้สู่ศูนย์กลางของวงกลม
    บนทางโค้งที่เอียง ส่วนประกอบแนวนอนของแรงจากพื้นให้แรงสู่ศูนย์กลาง

    แรงเอียง: คอนิกเพนดูลัม,กรวยและรถเหวี่ยง

    ลูกบอลผูกเชือกหมุนเป็นวงกลมแนวนอน ( ลูกตุ้มนาฬิกาข้อมือ ) ลูกบอลกลิ้งรอบด้านในของกรวยเรียบ เก้าอี้บนเครื่องเล่นสวนสนุก และรถยนต์บนถนนโค้ง ล้วนเป็นปัญหาเดียวกัน: แรงหนึ่ง (แรงตึงหรือแรงสัมผัสปกติ) มี ความเอียง เป็นมุม $\theta$ จากแนวตั้ง แยกองค์ประกอบออก องค์ประกอบ แนวตั้ง จะสมดุลกับน้ำหนัก ส่วนองค์ประกอบ แนวนอน คือแรงเข้าศูนย์กลางทั้งหมด:

    $$F\cos\theta = mg, \qquad F\sin\theta = \frac{mv^{2}}{r} \qquad\Rightarrow\qquad \tan\theta = \frac{v^{2}}{rg}.$$

    ห้ามเพิ่ม "แรงเข้าศูนย์กลาง" แยกต่างหากลงในแผนภาพ: แรงจริงสองแรงคือน้ำหนักและแรงที่เอียง และผลรวมของแรงทั้งสองมีทิศทางแนวนอน เข้าหาจุดศูนย์กลาง

    ลูกตุ้มนาฬิกาข้อมือ: เชือกทำมุม theta กับแนวตั้ง ขณะลูกตุ้มเคลื่อนที่เป็นวงกลมแนวนอน; แรงตึง T แยกเป็น T cos theta ชี้ขึ้น เพื่อสมดุลกับน้ำหนัก และ T sin theta ชี้เข้าหาจุดศูนย์กลาง เพื่อสร้างแรงเข้าศูนย์กลาง
    แยกองค์ประกอบแรงที่เอียง: องค์ประกอบแนวตั้ง $= mg$, องค์ประกอบแนวนอน $= mv^{2}/r$

    ตัวอย่างโจทย์ ลูกบอลเหล็กเคลื่อนที่เป็นวงกลมแนวนอนรัศมี $0.12\ \text{m}$ บนพื้นผิวภายในเรียบของกรวย whose surface makes $52°$ กับแนวนอน ระบุชื่อแรงสองแรงที่กระทำต่อลูกบอล บอกทิศทางของผลรวมแรง และหาค่าความเร็วและคาบของการเคลื่อนที่ของลูกบอล

    แรงคือ น้ำหนัก (ชี้ลงแนวตั้ง) และ แรงสัมผัสปกติ จากพื้นผิวกรวย (ตั้งฉากกับพื้นผิว ดังนั้นทำมุม $52°$ กับแนวตั้ง); ผลรวมของแรงทั้งสองมีทิศทางแนวนอน เข้าหาจุดศูนย์กลาง ของวงกลม แนวตั้ง $N\cos 52° = mg$; แนวนอน $N\sin 52° = mv^{2}/r$. นำมาหารกัน: $v^{2} = rg\tan 52° = 0.12 \times 9.81 \times 1.28 = 1.51$, ดังนั้น $v = 1.2\ \text{m s}^{-1}$, และ $T = 2\pi r/v = 2\pi \times 0.12/1.23 = 0.61\ \text{s}$. มวลจะตัดกัน — ความเร็วไม่ขึ้นอยู่กับมวล

    ตัวอย่างโจทย์ spheres of mass $0.29\ \text{kg}$ แขวนจากสปริงที่มีค่าคงที่ $40\ \text{N m}^{-1}$ และความยาวตามธรรมชาติ $6.0\ \text{cm}$. ตั้งให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมแนวนอนจนสปริงทำมุม $30°$ กับแนวตั้ง หาแรงตึง รัศมีของวงกลม และความเร็ว

    แนวตั้ง $T\cos 30° = mg$, ดังนั้น $T = 0.29 \times 9.81/0.866 = 3.3\ \text{N}$. การยืดออกคือ $x = T/k = 3.28/40 = 0.082\ \text{m}$, ดังนั้นความยาวของสปริงคือ $0.060 + 0.082 = 0.142\ \text{m}$ และ $r = 0.142\sin 30° = 0.071\ \text{m}$. แนวนอน $T\sin 30° = mv^{2}/r$: $v^{2} = 3.28 \times 0.5 \times 0.071/0.29 = 0.40$, $v = 0.63\ \text{m s}^{-1}$. กฎของฮุคให้ความยาว; วงกลมให้ความเหลืออีกส่วน

    วงกลมแนวตั้ง

    เมื่อวงกลมตั้งตรง ความเร็ว ไม่ใช่ ค่าคงที่ (แรงโน้มถ่วงทำงาน) — แต่ในขณะใดขณะหนึ่ง แรงลัพธ์เข้าหาจุดศูนย์กลาง ยังคงเท่ากับ $m v^{2}/r$:

    • ที่ก้นวงแหวน: แรงตึงชี้ขึ้น, น้ำหนัก ชี้ลง, ดังนั้น $T - mg = m v^{2}/r$ — แรงตึงจะมีค่ามากที่สุดในจุดนี้
    • ที่ยอดของวงLoop: แรงตึงเชือกและแรงโน้มถ่วงชี้ลงทั้งหมด (เข้าหาศูนย์กลาง), ดังนั้น $T + mg = m v^{2}/r$ — แรงตึงเชือกมีค่าน้อยที่สุด สำหรับความเร็วต่ำสุดที่ยอดโดยที่เชือกตึงพอดี ตั้งให้ $T = 0$: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, จะได้ $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$.

    วัตถุบนเครื่องเล่นวงกลมวาดไว้ที่ยอดและก้นของวงแหวน; ที่ยอด น้ำหนัก W และแรงสัมผัสปกติ R_t ชี้ลง, ที่ก้น แรงสัมผัสปกติ R_b ชี้ขึ้น และน้ำหนัก W ชี้ลง *แรงที่กระทำต่อบุคคลที่ยอดและก้นของวงกลมแนวตั้ง

    ตัวอย่างโจทย์ รถยนต์วิ่งผ่านวงแหวนแนวตั้งรัศมี $2.0\ \text{m}$. หาค่าความเร็วขั้นต่ำที่ยอดเพื่อให้รถยนต์ยังคงติดกับราง (ใช้ $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).

    ที่ความเร็วต่ำสุด แรงจากรางจะเป็นศูนย์ ดังนั้นแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวที่จะสร้างแรงเข้าศูนย์กลาง: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, ทำให้ได้ $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$:

    $$v_{\text{min}} = \sqrt{9.81 \times 2.0} \approx 4.4\ \text{m s}^{-1}.$$

    ผลลัพธ์ของความเร็วมูลค่าคงที่ ($v = r\omega$, $\omega$ คงที่) ใช้ได้กับวงกลมแนวนอน หรือบริเวณที่แรงเพียงแต่ทำให้เส้นทางโค้ง (วงโคจรภายใต้แรงโน้มถ่วง,ประจุไฟฟ้าใน สนามแม่เหล็ก ).

    วงกลมในสนาม

    ตัวอย่างโจทย์ อะตอมฮีเลียมถูกจำลองว่าเป็นนิวเคลียสที่มีประจุ $+2e$ และมีอิเล็กตรอนสองตัวอยู่ในวงโคจรวงกลมเดียวกันรัศมี $170\ \text{pm}$ โดยอยู่ตรงข้ามกันเสมอบนนิวเคลียส หาแรงไฟฟ้าลัพธ์ที่กระทำต่ออิเล็กตรอนตัวหนึ่งและความเร็วของมัน

    อิเล็กตรอนแต่ละตัวถูกดึงดูดโดยนิวเคลียส ระยะ $r$ และถูกผลักโดยอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่ง ระยะ $2r$ ตามเส้นตรงเดียวกัน: $F = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\dfrac{2e^{2}}{r^{2}} - \dfrac{e^{2}}{(2r)^{2}}\right) = \dfrac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}r^{2}} \times 1.75 = \dfrac{2.31 \times 10^{-28}}{(1.7 \times 10^{-10})^{2}} \times 1.75 = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N}$. นี่คือแรงเข้าศูนย์กลาง: $v = \sqrt{Fr/m} = \sqrt{1.40 \times 10^{-8} \times 1.7 \times 10^{-10}/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.

    ตัวอย่างโจทย์ โปรตอน (มวล $1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ เข้าไปในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ $0.50\ \text{T}$ ในมุมฉากกับสนาม หารัศมีของเส้นทางและเวลาสำหรับการหมุนหนึ่งรอบ

    แรงแม่เหล็ก $Bqv$ มีทิศทางตั้งฉากกับความเร็วเสมอ จึงเป็นแรงเข้าศูนย์กลางและความเร็วคงที่: $Bqv = mv^{2}/r$ ทำให้ได้ $r = \dfrac{mv}{Bq} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 2.0 \times 10^{6}}{0.50 \times 1.60 \times 10^{-19}} = 4.2 \times 10^{-2}\ \text{m}$, และ $T = \dfrac{2\pi r}{v} = \dfrac{2\pi m}{Bq} = 1.3 \times 10^{-7}\ \text{s}$ — ไม่ขึ้นอยู่กับความเร็ว นั่นคือเหตุผลว่าทำไมโปรตอนที่มีความเร็วสูงกว่าจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมที่ใหญ่กว่าในเวลาเดียวกัน สำหรับดาวเทียม แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เดียวกัน: $\dfrac{GMm}{r^{2}} = mr\omega^{2}$, และความเร็ววงโคจรและคาบจะหาได้จาก $r$ เพียงอย่างเดียว

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Centripetal force and speed · ⁨แรงสู่ศูนย์กลางและความเร็ว⁩

    F = mv²/r

    For circular motion the force needed grows with the square of the speed — double v, four times the force. · ⁨สำหรับการเคลื่อนที่แบบวงกลม แรงที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นตาม กำลังสองของความเร็ว — ถ้าเพิ่ม v เป็นสองเท่า แรงจะ增加到สี่เท่า⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    force/fɔːs/ แรง
    centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ แรงเข้าสู่ศูนย์กลาง
    Banked corner/bæŋkt ˈkɔːnə/ ทางโค้งที่มีระดับ
    banked/bæŋkt/ ทางโค้งเอียง
    satellite/ˈsætəlaɪt/ ดาวเทียม
    orbit/ˈɔːbɪt/ วงโคจร
    gravitational attraction/ˌɡrævɪˈteɪʃənl əˈtrækʃn/ แรงดึงดูดโน้มถ่วง
    electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ สถิตไฟฟ้า
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียส
    conical pendulum/ˈkɒnɪkl ˈpendjʊləm/ ลูกตุ้มนาฬิกาขี้ผึ้ง
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ สนามแม่เหล็ก
    radial/ˈreɪdɪəl/ แบบรัศมี
    12.2

    How to structure a circular-motion answer · ⁨วิธีจัดรูปแบบคำตอบเกี่ยวกับการเคลื่อนที่วงกลม⁩

    English
    1. Find the radius $r$ and choose $v$ or $\omega$. Use $v = r\omega$ to switch between them.
    2. Find the centripetal acceleration with $a = v^{2}/r$ or $r\omega^{2}$.
    3. List the real forces and write Newton's second law in the radial 径向 direction (towards the centre is positive). Set the net inward force equal to $m v^{2}/r$.
    4. For period or frequency: use $\omega = 2\pi/T$, or $T = 2\pi r / v$.
    5. Check the directions: centripetal force and acceleration point to the centre; the velocity is along the tangent.
    ไทย
    1. หาค่ารัศมี $r$ และเลือก $v$ หรือ $\omega$. ใช้ $v = r\omega$ เพื่อเปลี่ยนระหว่างกัน
    2. หาค่าความเร่งเข้าศูนย์กลาง โดยใช้ $a = v^{2}/r$ หรือ $r\omega^{2}$.
    3. ระบุแรงจริง และเขียนกฎข้อที่สองของนิวตันในทิศทาง รัศมี (เข้าหาจุดศูนย์กลางเป็นบวก) ตั้งให้แรงลัพธ์เข้าหาจุดศูนย์กลางเท่ากับ $m v^{2}/r$.
    4. สำหรับ คาบหรือความถี่: ใช้ $\omega = 2\pi/T$, หรือ $T = 2\pi r / v$.
    5. ตรวจสอบ ทิศทาง: แรงเข้าศูนย์กลางและความเร่งชี้เข้าหาจุดศูนย์กลาง; ความเร็วอยู่ตามเส้นสัมผัส
    12.2

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    radian the angle subtended at the centre of a circle by an arc equal in length to the radius
    angular displacement the angle, in radians, through which the radius has turned from its starting position
    angular speed the angle swept out by the radius per unit time (the rate of change of angular displacement)
    period the time taken for one complete revolution
    uniform circular motion motion in a circle at constant speed, with a velocity that changes continuously in direction and an acceleration of constant magnitude directed towards the centre
    centripetal acceleration the acceleration of an object moving in a circular path, directed towards the centre of the circle and perpendicular to the velocity
    centripetal force the resultant force on an object in circular motion, directed towards the centre, of magnitude $mv^{2}/r$
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    เรเดียน มุมที่วัดได้ที่จุดศูนย์กลางของวงกลมโดยส่วนโค้งที่มีความยาวเท่ากับรัศมี
    การกระจัดเชิงมุม มุม (หน่วยเรเดียน) ที่รัศมีหมุนจากตำแหน่งเริ่มต้น
    ความเร็วเชิงมุม มุมที่รัศมีกวาดผ่านต่อหน่วยเวลา (อัตราการเปลี่ยนแปลงของการกระจัดเชิงมุม)
    คาบ เวลาที่ใช้สำหรับการหมุนครบหนึ่งรอบ
    การเคลื่อนที่วงกลมแบบสม่ำเสมอ การเคลื่อนที่เป็นวงกลมด้วยความเร็วคงที่ โดยมีความเร็วที่เปลี่ยนทิศทางอย่างต่อเนื่องและความเร่งที่มีขนาดคงที่ชี้เข้าหาจุดศูนย์กลาง
    ความเร่งเข้าศูนย์กลาง ความเร่งของวัตถุที่เคลื่อนที่ตามวงกลม มีทิศทางเข้าสู่จุดกึ่งกลางวงกลมและตั้งฉากกับความเร็ว
    แรงเข้าศูนย์กลาง แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุในวงกลม มีทิศทางเข้าสู่จุดกึ่งกลาง ขนาด $mv^{2}/r$
    12.2

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Work in radians; angular speed $\omega = 2\pi/T = v/r$, and arc length $s = r\theta$ turns a distance along the circle into an angle.
    • Centripetal acceleration $a = v^2/r = \omega^2 r$; the net force acts towards the centre — it is provided by tension/gravity/friction/a contact force, not an extra force.
    • Always state what provides the centripetal force in the situation given, and for a tilted force resolve it: vertical component $= mg$, horizontal component $= mv^{2}/r$.
    • Read the radius carefully: a point measured from the rim moves in a smaller circle; a point on the rotating Earth moves in a circle about the axis, radius $R\cos\lambda$.
    • Two cogs on one chain share the chain's speed; two points on one rigid wheel share its angular speed.

    Common mistakes

    • Defining the radian as "$180/\pi$ degrees" or as $\theta = s/r$. The mark needs the arc equal in length to the radius.
    • Saying the velocity is constant in uniform circular motion. The speed is constant; the velocity changes direction, which is why there is an acceleration.
    • Drawing a "centripetal force" arrow as an extra force alongside the tension or contact force. It is their resultant, not a third force.
    • Using degrees in $\omega t$ or $v = r\omega$. Every formula in this topic assumes radians.
    • Forgetting that the force does no work: a force perpendicular to the motion changes direction, not speed, so kinetic energy is constant.
    • Taking $r$ as the Earth's radius for a point at latitude $\lambda$. The circle is about the axis, so $r = R\cos\lambda$.
    ไทย
    • งานใน เรเดียน; ความเร็วเชิงมุม $\omega = 2\pi/T = v/r$, และความยาวส่วนโค้ง $s = r\theta$ เปลี่ยนระยะทางบนวงกลมเป็นมุม.
    • ความเร่งเข้าศูนย์กลาง $a = v^2/r = \omega^2 r$; แรงสุทธิมีทิศทาง เข้าสู่จุดกึ่งกลาง — เกิดจากแรงตึง/แรงโน้มถ่วง/แรงเสียดทาน/แรงสัมผัส ไม่ใช่แรงเพิ่มขึ้นมาใหม่.
    • ระบุเสมอว่า อะไรคือแหล่งกำเนิดของแรงเข้าศูนย์กลาง ในสถานการณ์ที่กำหนด และหากมีแรงเอียงให้แยกองค์ประกอบ: องค์ประกอบแนวตั้ง $= mg$, องค์ประกอบแนวนอน $= mv^{2}/r$.
    • อ่านค่ารัศมีให้ละเอียด: จุดที่วัด จากริม จะเคลื่อนที่เป็นวงกลมเล็กกว่า; จุดบนโลกหมุนจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบ แกน, รัศมี $R\cos\lambda$.
    • ฟันเฟืองสองตัวบนสายพานเดียวกันมี ความเร็ว ของสายพานร่วมกัน; จุดสองจุดบนล้อแข็งเดียวกันมี ความเร็วเชิงมุม ร่วมกัน.

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การนิยามเรเดียนว่าเป็น "$180/\pi$ องศา" หรือ $\theta = s/r$. คะแนนต้องการให้ความยาวส่วนโค้งเท่ากับรัศมี.
    • บอกว่าความเร็วเป็นค่าคงที่ในการเคลื่อนที่วงกลมสม่ำเสมอ. อัตราเร็ว เป็นค่าคงที่; ความเร็ว เปลี่ยนทิศทาง จึงมีความเร่ง.
    • วาดลูกศร "แรงเข้าศูนย์กลาง" เป็นแรงเสริม alongside กับแรงตึงหรือแรงสัมผัส. มันเป็นแรงลัพธ์ ไม่ใช่แรงที่สาม.
    • ใช้องศาใน $\omega t$ หรือ $v = r\omega$. สูตรทุกสูตรในหัวข้อนี้สมมติใช้เรเดียน.
    • ลืมว่าแรงไม่ทำงาน: แรงตั้งฉากกับการเคลื่อนที่เปลี่ยนเพียงทิศทาง ไม่เปลี่ยนอัตราเร็ว ดังนั้นพลังงานจลน์คงที่.
    • ถือ $r$ เป็นรัศมีของโลกสำหรับจุดที่ละติจูด $\lambda$. วงกลมอยู่รอบแกน ดังนั้น $r = R\cos\lambda$.
  • 13

    Gravitational fields · ⁨สนามโน้มถ่วง⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    13.1

    Gravitational fields · ⁨สนามแรงโน้มถ่วง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a gravitational field is an example of a field of force and define gravitational field as force per unit mass
    2. represent a gravitational field by means of field lines
    ไทย
    1. เข้าใจว่า สนามโน้มถ่วง เป็นตัวอย่างของ สนามแรง และนิยามสนามโน้มถ่วงว่าเป็นแรงต่อหน่วยมวล
    2. แสดงสนามโน้มถ่วงโดยใช้ เส้นสนาม

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Definition

    A gravitational field 重力场 is a region where a mass 质量 feels a force 力 from other masses. The gravitational field strength 重力场强度 $g$ at a point is the gravitational force per unit mass on a small test mass 检验质量 placed there:

    $$g = \frac{F}{m}.$$

    Unit: $\text{N kg}^{-1}$ (the same as $\text{m s}^{-2}$ — the acceleration of free fall in the field). $g$ is a vector 矢量, pointing the way the force acts — towards the source mass.

    The examiner's wording. A gravitational field is a region of space in which a mass experiences a force. Gravitational field strength at a point is the gravitational force per unit mass acting on a small test mass placed at the point. The direction of a field line at a point is the direction of the force on a (small test) mass placed there. All three are one-mark definitions; "force per unit mass" is the phrase that scores, "the force on 1 kg" is not.

    Field lines

    A gravitational field is drawn with field lines 场线 that point the way the force acts on a test mass:

    • around a point mass 质点 or a uniform sphere (treated as a point mass from outside), the field lines are radial 径向, pointing inwards.
    • near the Earth's surface over a small area, the field lines are nearly parallel and equally spaced, pointing straight down — a uniform field 匀强场.

    Closer lines mean a stronger field.

    Why $g$ is constant near the surface, in terms of field lines (a two-mark explanation): over a region whose size is small compared with the Earth's radius, the radial field lines are almost parallel and their spacing hardly changes with height, so the field strength — which the spacing represents — is almost the same at the top of the region as at the bottom. Over the whole planet the lines spread out with distance and the field falls.

    Worked example. A point P represents a point mass. Draw lines to represent the gravitational field around P, and state what the direction of a line shows.

    Straight radial lines, evenly spaced around P, with arrows pointing inwards towards P. The direction of a line is the direction of the force on a small test mass placed there — always towards the mass that produces the field, because gravity only attracts.

    ไทย

    นิยาม

    สนามแรงโน้มถ่วง คือพื้นที่ซึ่ง มวล感受到 แรง จากมวลอื่น ความเข้มของสนามแรงโน้มถ่วง $g$ ที่จุดหนึ่งคือ แรงโน้มถ่วงต่อหน่วยมวล作用于一个小 ทดสอบมวล วางไว้ที่นั่น:

    $$g = \frac{F}{m}.$$

    หน่วย: $\text{N kg}^{-1}$ (เดียวกับ $\text{m s}^{-2}$ — ความเร่งตกอิสระในสนาม). $g$ เป็น เวกเตอร์, ชี้ทิศทางที่แรงกระทำ — เข้าสู่มวลต้นกำเนิด.

    คำพูดของผู้สอบ. สนามแรงโน้มถ่วง คือพื้นที่ซึ่งมวลได้รับแรง. ความเข้มของสนามแรงโน้มถ่วง ที่จุดหนึ่งคือแรงโน้มถ่วงต่อหน่วยมวล作用于一个小ทดสอบมวลวางไว้ที่จุดนั้น. ทิศทางของ เส้นสนาม ที่จุดหนึ่งคือทิศทางของแรง作用于一个小(ทดสอบ)มวลวางไว้ที่นั่น. ทั้งสามเป็นนิยามหนึ่งคะแนน; "แรงต่อหน่วยมวล" คือวลีที่ได้คะแนน, "แรง作用于1 กก." ไม่ได้.

    เส้นสนาม

    สนามแรงโน้มถ่วงวาดด้วย เส้นสนาม ชี้ทิศทางที่แรง作用于一个小ทดสอบมวล:

    • รอบ มวลจุด หรือทรงกลมสม่ำเสมอ (พิจารณาเป็นมวลจุดจากภายนอก), เส้นสนามเป็น รังสี, ชี้ เข้าหาภายใน.
    • ใกล้พื้นผิวโลกในพื้นที่เล็ก, เส้นสนามเกือบ ขนานกันและเว้นห่างเท่าๆ กัน, ชี้ตรงลง — สนามสม่ำเสมอ.

    เส้นใกล้กันหมายถึงสนามแรง更强.

    สามชุดของเส้นสนามแรงโน้มถ่วง: เส้นขนานเว้นห่างเท่ากันสำหรับความเข้มสนามคงที่, เส้นกระจายออกสำหรับความเข้มลดลง, และเส้นรวมเข้าหากันสำหรับความเข้มเพิ่มขึ้น
    ช่องว่างระหว่างเส้นสนามแสดงความเข้มของสนาม — เส้นใกล้กันแสดงถึงสนามที่แรงขึ้น

    ทำไม $g$ ถึงคงที่ใกล้พื้นผิว, ในเชิงเส้นสนาม (คำอธิบายสองคะแนน): เหนือพื้นที่whose size เล็กเมื่อเทียบกับรัศมีของโลก, เส้นสนามรังสีเกือบขนานและช่องว่างระหว่างมันแทบไม่เปลี่ยนกับความสูง, ดังนั้นความเข้มสนาม — ซึ่งช่องว่างแทน — เกือบเท่ากันที่ด้านบนของพื้นที่เช่นเดียวกับด้านล่าง. เหนือทั้งดาวเคราะห์เส้นกระจายออกตามระยะทางและสนามลดลง.

    ตัวอย่างคำนวณ. จุด P แทนมวลจุด. วาดเส้นเพื่อแสดงสนามแรงโน้มถ่วงรอบ P, และบอกว่าทิศทางของเส้นแสดงอะไร.

    เส้นรังสีตรง, เว้นห่างเท่าๆ รอบ P, พร้อมลูกศรชี้ เข้าหาภายใน สู่ P. ทิศทางของเส้นคือทิศทางของแรง作用于一个小ทดสอบมวลวางไว้ที่นั่น — เสมอเข้าสู่มวลที่สร้างสนาม, เพราะแรงโน้มถ่วงดึงดูดเท่านั้น.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    A radial field · ⁨สนามรัศมี⁩

    Change the mass. The field lines point inward and get denser close in, where the field is stronger — a radial field around a point mass. · ⁨เปลี่ยนมวล เส้นสนามชี้เข้าภายในและ หนาแน่นใกล้ศูนย์กลาง ซึ่งสนามแรงมาก — สนามรัศมีรอบมวลจุดหนึ่ง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    gravitational field/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ สนามโน้มถ่วง
    mass/mæs/ มวล
    force/fɔːs/ แรง
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ ความเข้มของสนามโน้มถ่วง
    test mass/test mæs/ มวลทดสอบ
    vector/ˈvektə/ เวกเตอร์
    field line/fiːld laɪn/ เส้นสนามไฟฟ้า
    point mass/pɔɪnt mæs/ มวลจุด
    13.2 13.3

    Newton's law of gravitation · ⁨กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that, for a point outside a uniform sphere, the mass of the sphere may be considered to be a point mass at its centre
    2. recall and use Newton's law of gravitation $F = Gm_1m_2 / r^2$ for the force between two point masses
    3. analyse circular orbits in gravitational fields by relating the gravitational force to the centripetal acceleration it causes
    4. understand that a satellite in a geostationary orbit remains at the same point above the Earth's surface, with an orbital period of 24 hours, orbiting from west to east, directly above the Equator
    ไทย
    1. เข้าใจว่า สำหรับจุดภายนอก ทรงกลมสม่ำเสมอ มวลของทรงกลมสามารถพิจารณาได้ว่าเป็น มวลจุด ที่จุดศูนย์กลาง
    2. จำและใช้ กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน $F = Gm_1m_2 / r^2$ สำหรับแรงระหว่างมวลจุดสองจุด
    3. วิเคราะห์ วงโคจรวงกลม ในสนามโน้มถ่วงโดยเชื่อมโยง แรงโน้มถ่วง กับ ความเร่งสู่ศูนย์กลาง ที่เกิดขึ้น
    4. เข้าใจว่า ดาวเทียม ใน วงโคจรภูมิสถิต จะอยู่ที่ตำแหน่งเดิมเหนือพื้นผิวโลก โดยมี รอบโคจร 24 ชั่วโมง โคจรจากตะวันตกไปตะวันออก โดยอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรโดยตรง
    English
    1. derive, from Newton's law of gravitation and the definition of gravitational field, the equation $g = GM/r^2$ for the gravitational field strength due to a point mass
    2. recall and use $g = GM/r^2$
    3. understand why $g$ is approximately constant for small changes in height near the Earth's surface
    ไทย
    1. สกัดสมการ $g = GM/r^2$ สำหรับ ความเข้มของสนามโน้มถ่วง จากมวลจุด โดยใช้กฎความโน้มถ่วงของนิวตันและการนิยามสนามโน้มถ่วง
    2. จำและใช้ $g = GM/r^2$
    3. เข้าใจว่าทำไม $g$ จึงมีค่าประมาณคงที่สำหรับการเปลี่ยนแปลงความสูงเล็กน้อยใกล้พื้นผิวโลก

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    For two point masses $m_{1}, m_{2}$ a distance $r$ apart, the force on each is

    $$F = \frac{G m_{1} m_{2}}{r^{2}},$$

    pulling them together along the line joining them. This is Newton's law of gravitation 万有引力定律. The constant $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$ is the universal gravitational constant 万有引力常量.

    In words, as the mark scheme wants it: the gravitational force between two point masses is proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of their separation — both proportionalities, and "point masses". Asked to "state the equation and the meaning of any other symbols", give $F = Gm_{1}m_{2}/r^{2}$ with $G$ the gravitational constant and $r$ the distance between the centres.

    Worked example. Two isolated uniform spheres, each of mass $1.0 \times 10^{3}\ \text{kg}$, have their centres $2.0\ \text{m}$ apart. Find the gravitational force between them and comment on its size.

    $F = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 1.0 \times 10^{3} \times 1.0 \times 10^{3}}{2.0^{2}} = 1.7 \times 10^{-5}\ \text{N}$. This is about $10^{-9}$ of each sphere's weight ($9.8 \times 10^{3}\ \text{N}$): gravity between everyday objects is negligible, and only a planet-sized mass produces a noticeable field. "Isolated" in a question means that no other masses need be considered.

    Spheres treated as point masses

    For a uniform sphere (such as a planet or star), the field at any point outside is the same as that of a point mass equal to the total mass at the centre. So from above the surface, you can treat the Earth as a point mass at its centre. (Points inside a sphere are different, and are not in the syllabus.)

    Between two masses the fields subtract and the potentials add. Field strength is a vector: on the line joining two spheres the two fields point in opposite directions, so there is a point where they cancel and the resultant field is zero. Potential is a scalar: the two potentials simply add, and both are negative, so the potential is least negative (a maximum) at the point where the field is zero.

    Worked example. Two identical isolated uniform spheres X and Y, each of mass $M$ and radius $R$, have their centres a distance $L$ apart. Point P lies on the line joining the centres. State where on the line the resultant field strength is zero, and find the gravitational potential there.

    By symmetry the fields of X and Y are equal and opposite at the midpoint, $L/2$ from each centre, so the resultant field is zero there. The potential at P is the sum $\phi = -\dfrac{GM}{L/2} - \dfrac{GM}{L/2} = -\dfrac{4GM}{L}$. A mass released at P would stay there; a mass released anywhere else on the line falls towards the nearer sphere.

    Field strength from a point mass

    Put the gravitational force on a test mass $m$ at distance $r$ from a point mass $M$ into $g = F/m$:

    $$F = \frac{G M m}{r^{2}}, \qquad g = \frac{G M}{r^{2}}.$$

    So $g$ falls off as $1/r^{2}$ as you move away from the source.

    The two-mark derivation. The force on a test mass $m$ at distance $r$ from a point mass $M$ is $F = GMm/r^{2}$ (Newton's law). Field strength is force per unit mass, $g = F/m$, so $g = GM/r^{2}$. Write both lines: the law and the definition are the two marks. Because $g \propto 1/r^{2}$, halving the distance makes the field four times stronger: at distance $x/2$ the field is $4g$, in the same direction, towards $M$.

    Worked example. Find the gravitational field strength at the Earth's surface. (Earth's mass $M = 6.0 \times 10^{24}\ \text{kg}$, radius $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)

    $$g = \frac{GM}{R^{2}} = \frac{(6.67 \times 10^{-11})(6.0 \times 10^{24})}{(6.4 \times 10^{6})^{2}} \approx 9.8\ \text{N kg}^{-1}.$$

    Why $g$ is nearly constant near the Earth's surface

    The Earth's radius is $R \approx 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$. Rising to height $h$ changes the distance from the centre from $R$ to $R + h$. For $h \ll R$ (any building or mountain), $(R + h)/R \approx 1$, so $g$ barely changes — going from $5\ \text{m}$ to $10\ \text{m}$ high changes $r$ by about one part in a million. In the laboratory, $g$ is effectively constant.

    ไทย

    สำหรับมวลจุดสอง $m_{1}, m_{2}$ ห่างกัน $r$, แรง作用于แต่ละข้างคือ

    มวลสองดึงกันตามเส้นเชื่อม把它们
    มวลสองก้อนดึงดูดกันตามเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างกัน
    $$F = \frac{G m_{1} m_{2}}{r^{2}},$$

    ดึง它们เข้าด้วยกันตามเส้นเชื่อม把它们. นี่คือ กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน. ค่าคงที่ $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$ คือ ค่าคงที่แรงโน้มถ่วงสากล.

    เป็นคำพูด, ตามที่แผนการให้คะแนนต้องการ: แรงโน้มถ่วงระหว่างมวลจุดสองแปรผันตรงกับผลคูณของมวล它们在และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง把它们 — ทั้งสองความสัมพันธ์, และ "มวลจุด". ถามให้ "เขียนสมการและความหมายของสัญลักษณ์อื่นๆ", ให้ $F = Gm_{1}m_{2}/r^{2}$ พร้อม $G$ ค่าคงที่แรงโน้มถ่วงและ $r$ ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลาง.

    ตัวอย่างคำนวณ. ทรงกลมสม่ำเสมอสองดวงที่แยกออกจากกัน, มวลแต่ละ ⟨$1.0 \times 10^{3}\ \text{kg}$⟩, จุดศูนย์กลางห่างกัน $2.0\ \text{m}$. หาแรงโน้มถ่วงระหว่าง它們และคอมเมนต์เกี่ยวกับขนาด.

    $F = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 1.0 \times 10^{3} \times 1.0 \times 10^{3}}{2.0^{2}} = 1.7 \times 10^{-5}\ \text{N}$. นี้ประมาณ $10^{-9}$ ของน้ำหนักของแต่ละทรงกลม ($9.8 \times 10^{3}\ \text{N}$): แรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุทั่วไปเล็กน้อย, และเฉพาะมวลขนาดดาวเคราะห์จึงสร้างสนาม noticeable. "แยก" dalam pertanyaanหมายความว่าไม่มีมวลอื่นต้องพิจารณา.

    ทรงกลมพิจารณาเป็นมวลจุด

    สำหรับวัตถุทรงกลมสม่ำเสมอ (เช่น ดาวเคราะห์หรือดาว)สนามแรงโน้มถ่วงที่จุดใด ๆ ภายนอกจะมีค่าเท่ากับสนามของมวลจุดที่มีค่าน้ำหนักรวมเท่ากันที่ศูนย์กลาง ดังนั้นเมื่ออยู่เหนือพื้นผิว เราสามารถพิจารณาโลกเป็นมวลจุดที่ศูนย์กลางได้ (จุดภายในทรงกลมมีค่าต่างออกไปและไม่อยู่ในหลักสูตร)

    เส้นสนามแรงโน้มถ่วงแบบรัศมีชี้เข้าหาจุดมวล และรูปแบบเส้นรัศมีชี้เข้าหาเดียวกันรอบทรงกลมสม่ำเสมอ
    ภายนอกทรงกลมสม่ำเสมอ สนามจะมีความเป็นรัศมี เหมือนกับมวลจุดที่ศูนย์กลางเป๊ะ

    ระหว่างมวลสองตัว สนามจะหักล้างกันและศักย์จะบวกกัน ความเข้มสนามเป็นเวกเตอร์: บนเส้นเชื่อมทรงกลมทั้งสอง สนามทั้งสองชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม จึงมีจุดหนึ่งที่ทำให้หักล้างกันจนเหลือสนามสุทธิเป็นศูนย์ ศักย์เป็นสเกลาร์: ศักย์ทั้งสองบวกกันโดยตรง และทั้งสองมีค่าลบ ดังนั้นศักย์จึงมีค่าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับความลบ (คือค่าสูงสุด) ที่จุดซึ่งสนามเป็นศูนย์

    กราฟสองอันตามเส้นเชื่อมระหว่างทรงกลม X และ Y ที่มีลักษณะเหมือนกัน: ความเข้มสนามรวม g ลดลงจากพื้นผิวของ X ผ่านจุดกลางเป็นศูนย์แล้วเปลี่ยนทิศทาง; ศักย์มีค่าลบตลอดและเพิ่มขึ้นถึงค่าสูงสุด ซึ่งเป็นค่าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับความลบ ที่จุดกลาง
    ตามเส้นระหว่างมวลสองตัวเท่ากัน ความเข้มสนามจะผ่านจุดศูนย์ที่จุดกลาง ซึ่งที่นั่นศักย์จะมีค่าสูงสุด

    ตัวอย่างคำนวณ ทรงกลมสม่ำเสมอ X และ Y ที่แยกออกจากกันและมีลักษณะเหมือนกัน มวลแต่ละตัว $M$ และมีรัศมี $R$ โดยระยะห่างระหว่างศูนย์กลางคือ $L$ จุด P อยู่บนเส้นเชื่อมศูนย์กลาง ระบุตำแหน่งบนเส้นที่ความเข้มสนามรวมเป็นศูนย์ และหาค่าศักย์แรงโน้มถ่วงที่จุดนั้น

    เนื่องจากสมมาตร สนามของ X และ Y จะมีขนาดเท่ากันและชี้ในทิศทางตรงกันข้ามที่ จุดกลาง $L/2$ จากศูนย์กลางทั้งสอง ทำให้สนามสุทธิเป็นศูนย์ที่นั่น ศักย์ที่ P คือผลรวม $\phi = -\dfrac{GM}{L/2} - \dfrac{GM}{L/2} = -\dfrac{4GM}{L}$ มวลที่ปล่อยจาก P จะคงอยู่ที่นั่น; มวลที่ปล่อยจากจุดอื่นใดบนเส้นจะตกเข้าหาทรงกลมที่ใกล้กว่า

    ความเข้มสนามจากจุดมวล

    แทนแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลทดสอบ $m$ ที่ระยะ $r$ จากจุดมวล $M$ ลงใน $g = F/m$:

    $$F = \frac{G M m}{r^{2}}, \qquad g = \frac{G M}{r^{2}}.$$

    ดังนั้น $g$ จึงลดลงตาม $1/r^{2}$ เมื่อเราเคลื่อนที่ออกจากแหล่งกำเนิด

    การพิสูจน์แบบ 2 คะแนน แรงที่กระทำต่อมวลทดสอบ $m$ ที่ระยะ $r$ จากจุดมวล $M$ คือ $F = GMm/r^{2}$ (กฎของนิวตัน) ความเข้มสนามคือแรงต่อหน่วยมวล $g = F/m$ ดังนั้น $g = GM/r^{2}$ เขียนทั้งสองบรรทัด: กฎและนิยามคือ 2 คะแนน เนื่องจาก $g \propto 1/r^{2}$ การลดระยะทางลงครึ่งหนึ่งจะทำให้สนาม แข็งแรงขึ้นสี่เท่า: ที่ระยะ $x/2$ สนามจะมีค่า $4g$ ในทิศทางเดิม ชี้เข้าหา $M$

    กราฟแสดงความเข้มสนามแรงโน้มถ่วง g เทียบกับระยะ r: g เท่ากับ GM/r² ดังนั้นจึงมีค่ามากใกล้พื้นผิว r=R และลดลงตาม 1/r² ตามระยะทาง
    ความเข้มสนามลดลงตาม $1/r^2$ กับระยะห่างจากจุดมวล

    ตัวอย่างคำนวณ จงหาความเข้มสนามแรงโน้มถ่วงที่พื้นผิวโลก (มวลโลก $M = 6.0 \times 10^{24}\ \text{kg}$, รัศมี $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)

    $$g = \frac{GM}{R^{2}} = \frac{(6.67 \times 10^{-11})(6.0 \times 10^{24})}{(6.4 \times 10^{6})^{2}} \approx 9.8\ \text{N kg}^{-1}.$$

    ทำไม $g$ จึงเกือบคงที่ใกล้พื้นผิวโลก

    รัศมีของโลกคือ $R \approx 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$ การยกสูงขึ้นสูง $h$ จะเปลี่ยนระยะจากศูนย์กลางจาก $R$ เป็น $R + h$ สำหรับ $h \ll R$ (อาคารหรือภูเขาใดๆ), $(R + h)/R \approx 1$, ดังนั้น $g$ จึงเปลี่ยนแปลงน้อยมาก — การเปลี่ยนความสูงจาก $5\ \text{m}$ เป็น $10\ \text{m}$ เปลี่ยน $r$ ประมาณหนึ่งส่วนในล้าน ในห้องปฏิบัติการ, $g$ สามารถถือว่าเป็นค่าคงที่ได้

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Newton's law of gravitation · ⁨กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน⁩

    F ∝ Mm / r²

    Gravity pulls inward and weakens with the square of the distance. · ⁨แรงโน้มถ่วงดึง เข้าหาศูนย์กลาง และลดลงตามกำลังสองของระยะทาง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    radial/ˈreɪdɪəl/ แบบรัศมี
    uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ สนามสม่ำเสมอ
    Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ กฎความโน้มถ่วงของนิวตัน
    universal gravitational constant/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˌɡrævɪˈteɪʃənl ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่โน้มถ่วงสากล
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ ศักย์พลังงานแรงโน้มถ่วง
    13.2 13.3

    Orbital motion in a gravitational field · ⁨การเคลื่อนที่วงโคจรในสนามแรงโน้มถ่วง⁩

    English

    For a satellite 卫星 of mass $m$ in a circular orbit 轨道 of radius $r$ around a body of mass $M$, gravity provides the centripetal force 向心力:

    $$\frac{G M m}{r^{2}} = \frac{m v^{2}}{r}.$$

    Cancel $m$ (the orbital speed does not depend on the satellite's mass):

    $$v = \sqrt{\frac{G M}{r}}.$$

    Worked example. A satellite orbits the Earth in a circular orbit of radius $r = 7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$. Find its orbital speed. (For the Earth, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$.)

    $$v = \sqrt{\frac{GM}{r}} = \sqrt{\frac{4.0 \times 10^{14}}{7.0 \times 10^{6}}} \approx 7.6 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}.$$

    The period 周期 follows from $T = 2\pi r / v$:

    $$T = 2\pi \sqrt{\frac{r^{3}}{G M}}, \quad\text{so}\quad T^{2} = \frac{4\pi^{2}}{G M} \cdot r^{3}.$$

    This is Kepler's third law 开普勒第三定律 for circular orbits: $T^{2} \propto r^{3}$. A plot of $T^{2}$ against $r^{3}$ is a straight line through the origin with gradient $4\pi^{2}/(GM)$, so orbital data gives the central mass.

    The two-mark derivation, as the exam sets it. For a satellite of mass $m$ in a circular orbit of radius $R$ and period $T$ around a planet of mass $M$: the gravitational force provides the centripetal force, $\dfrac{GMm}{R^{2}} = mR\omega^{2}$, and $\omega = 2\pi/T$; so $\dfrac{GM}{R^{2}} = \dfrac{4\pi^{2}R}{T^{2}}$, giving $T^{2} = \dfrac{4\pi^{2}R^{3}}{GM}$. For an orbit at height $h$ above a planet of radius $R_{\text{p}}$ the orbital radius is $R_{\text{p}} + h$, so $T^{2} = 4\pi^{2}(R_{\text{p}} + h)^{3}/GM$: a graph of $T^{2}$ against $(R_{\text{p}} + h)^{3}$ is a straight line through the origin whose gradient gives $M$.

    Worked example. Satellite X, of mass $M_{\text{s}}$, orbits a planet at a distance $4R$ from its centre; satellite Y, of mass $2M_{\text{s}}$, orbits at $3R$. Compare their speeds, periods and kinetic energies.

    From $v = \sqrt{GM/r}$, $\dfrac{v_{\text{Y}}}{v_{\text{X}}} = \sqrt{\dfrac{4R}{3R}} = 1.15$: Y moves faster, and the satellite masses do not enter. From $T \propto r^{3/2}$, $\dfrac{T_{\text{Y}}}{T_{\text{X}}} = \left(\dfrac{3}{4}\right)^{3/2} = 0.65$. Kinetic energy $= \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, so $\dfrac{E_{\text{Y}}}{E_{\text{X}}} = \dfrac{2M_{\text{s}}/3R}{M_{\text{s}}/4R} = \dfrac{8}{3}$. In ratio questions cancel $G$, $M$ and the satellite mass first; only the radii and masses that differ survive.

    Binary stars. Two stars of masses $M_{\text{A}}$ and $M_{\text{B}}$ a distance $d$ apart orbit their common centre of mass 质心, always on opposite sides of it, with the same period. The centre of mass divides $d$ in the inverse ratio of the masses, $M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ with $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = d$, and the same gravitational force $GM_{\text{A}}M_{\text{B}}/d^{2}$ is the centripetal force on each star.

    Worked example. A binary star consists of star A, mass $4.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$, and star B, mass $2.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$, with centres $3.3 \times 10^{11}\ \text{m}$ apart. Find the distance of A from the centre of mass and the period of the orbit.

    $M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ with $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = 3.3 \times 10^{11}$ gives $r_{\text{A}} = \dfrac{2.0}{6.0} \times 3.3 \times 10^{11} = 1.1 \times 10^{11}\ \text{m}$ (and $r_{\text{B}} = 2.2 \times 10^{11}\ \text{m}$). For star A: $\dfrac{GM_{\text{A}}M_{\text{B}}}{d^{2}} = M_{\text{A}}r_{\text{A}}\omega^{2}$, so $\omega^{2} = \dfrac{GM_{\text{B}}}{d^{2}r_{\text{A}}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 2.0 \times 10^{30}}{(3.3 \times 10^{11})^{2} \times 1.1 \times 10^{11}} = 1.1 \times 10^{-14}\ \text{s}^{-2}$, $\omega = 1.06 \times 10^{-7}\ \text{rad s}^{-1}$ and $T = 2\pi/\omega = 6.0 \times 10^{7}\ \text{s}$, about $1.9$ years. Using $d$ in the force but $r_{\text{A}}$ in the centripetal term is the whole point of the question.

    Geostationary orbit

    A geostationary 地球同步 satellite:

    • stays directly above the same point on the Earth (so a fixed dish always points at it),
    • has a period of 24 hours (the same as the Earth's rotation),
    • orbits west to east (the same way the Earth turns),
    • must be directly above the equator 赤道.

    It must have the same angular speed 角速度 as the Earth, in the same direction, in the equatorial plane (or it would drift north–south during the day). From $T = 24\ \text{h}$ and $T^{2} = 4\pi^{2} r^{3}/(GM)$, the radius is $r \approx 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ (about $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ above the surface).

    Worked example. Calculate the radius of a geostationary orbit around the Earth ($M = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$), and explain why a satellite with the same orbital radius and period may still not be geostationary.

    $T = 24 \times 3600 = 8.64 \times 10^{4}\ \text{s}$; $r^{3} = \dfrac{GMT^{2}}{4\pi^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 5.98 \times 10^{24} \times (8.64 \times 10^{4})^{2}}{4\pi^{2}} = 7.5 \times 10^{22}\ \text{m}^{3}$, so $r = 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ — a height of about $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ above the surface. A satellite with this period is geostationary only if its orbit is in the plane of the equator and it travels from west to east; with the same period in a tilted orbit (over the poles, say) it returns to the same point each day but is not always above it. Mars turns once in about $25$ hours, so a satellite that stays above one point on Mars has a $25$-hour period and the same two other features.

    ไทย
    สถานีอวกาศนานาชาติกำลังโคจรรอบโลก
    สถานีอวกาศนานาชาติโคจรรอบโลก โดยถูกรักษาเส้นทางไว้ด้วยแรงโน้มถ่วง
    ดาวเคราะห์มวล m บนวงโคจรวงกลม пункประรัศมี r รอบดวงอาทิตย์มวล M ที่ศูนย์กลาง โดยมีแรงโน้มถ่วง F ชี้เข้าหาศูนย์กลางและความเร็ว v ตามแนวสัมผัส
    แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เป็นแรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่ทำให้ดาวเคราะห์โคจรในวงกลม
    ภาพถ่ายจาก NASA ของดาวเสาร์เทียบกับท้องฟ้าสีดำ: ดาวเคราะห์ทรงกลมพร้อมแถบเมฆสีอ่อน ล้อมรอบด้วยระบบวงแหวนกว้างแบน มีดาวบริวารขนาดเล็กบางดวงปรากฏเป็นจุดสว่าง
    ดาวเสาร์ วงแหวน (ชิ้นส่วนโคจรเล็กๆ นับไม่ถ้วน) และดาวบริวารทั้งหมดถูกยึดไว้ในวงโคจรด้วยแรงโน้มถ่วง

    สำหรับ ดาวเทียม มวล $m$ ใน วงโคจรวงกลม รัศมี $r$ รอบวัตถุมวล $M$, แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เป็น แรงเข้าสู่ศูนย์กลาง:

    $$\frac{G M m}{r^{2}} = \frac{m v^{2}}{r}.$$

    ตัด $m$ ออก (ความเร็วโคจรไม่ขึ้นอยู่กับมวลของดาวเทียม):

    $$v = \sqrt{\frac{G M}{r}}.$$

    ตัวอย่างคำนวณ ดาวเทียมโคจรรอบโลกในวงโคจรวงกลมรัศมี $r = 7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ จงหาความเร็ววงโคจร (สำหรับโลก, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$.)

    $$v = \sqrt{\frac{GM}{r}} = \sqrt{\frac{4.0 \times 10^{14}}{7.0 \times 10^{6}}} \approx 7.6 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}.$$

    ช่วงเวลารอบ หาได้จาก $T = 2\pi r / v$:

    $$T = 2\pi \sqrt{\frac{r^{3}}{G M}}, \quad\text{so}\quad T^{2} = \frac{4\pi^{2}}{G M} \cdot r^{3}.$$

    นี่คือ กฎที่สามของเคปเลอร์ สำหรับวงโคจรวงกลม: $T^{2} \propto r^{3}$. กราฟของ $T^{2}$ เทียบกับ $r^{3}$ เป็นเส้นตรงผ่านจุดเริ่มต้นที่มีความชัน $4\pi^{2}/(GM)$, ดังนั้นข้อมูลวงโคจรจึงให้มวลศูนย์กลาง

    กราฟ T² เทียบกับ r³: ข้อมูลวงโคจรอยู่บนเส้นตรงผ่านจุดยืนยันกฎที่สามของเคปเลอร์ ด้วยความชัน 4π²/GM
    กฎที่สามของเคปเลอร์: $T^2 \propto r^3$, เส้นตรงผ่านจุดเริ่มต้น

    การพิสูจน์แบบเต็มคะแนนสองข้อ ตามรูปแบบข้อสอบ. สำหรับดาวเทียมมวล $m$ ในวงโคจรวงกลมรัศมี $R$ และมีคาบ $T$ รอบดาวเคราะห์มวล $M$: แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เป็นแรงเข้าสู่ศูนย์กลาง, $\dfrac{GMm}{R^{2}} = mR\omega^{2}$, และ $\omega = 2\pi/T$; ดังนั้น $\dfrac{GM}{R^{2}} = \dfrac{4\pi^{2}R}{T^{2}}$, ได้ $T^{2} = \dfrac{4\pi^{2}R^{3}}{GM}$. สำหรับวงโคจรที่ระดับสูง $h$ จากพื้นผิวดาวเคราะห์รัศมี $R_{\text{p}}$ รัศมีวงโคจรคือ $R_{\text{p}} + h$, ดังนั้น $T^{2} = 4\pi^{2}(R_{\text{p}} + h)^{3}/GM$: กราฟของ $T^{2}$ เทียบกับ $(R_{\text{p}} + h)^{3}$ จะเป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด ซึ่งความชันจะได้ค่า $M$.

    ตัวอย่างทำแบบฝึกหัด. ดาวเทียม X มีมวล $M_{\text{s}}$ โคจรรอบดาวเคราะห์ที่ระยะ $4R$ จากศูนย์กลาง; ดาวเทียม Y มีมวล $2M_{\text{s}}$ โคจรที่ $3R$. เปรียบเทียบความเร็ว ความเร็วเชิงมุม และพลังงานจลน์ของทั้งสอง

    จาก $v = \sqrt{GM/r}$, $\dfrac{v_{\text{Y}}}{v_{\text{X}}} = \sqrt{\dfrac{4R}{3R}} = 1.15$: Y เคลื่อนที่เร็วกว่า และมวลของดาวเทียมไม่ปรากฏในสมการ. จาก $T \propto r^{3/2}$, $\dfrac{T_{\text{Y}}}{T_{\text{X}}} = \left(\dfrac{3}{4}\right)^{3/2} = 0.65$. พลังงานจลน์ $= \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, ดังนั้น $\dfrac{E_{\text{Y}}}{E_{\text{X}}} = \dfrac{2M_{\text{s}}/3R}{M_{\text{s}}/4R} = \dfrac{8}{3}$. ในข้อคำถามแบบอัตราส่วน ให้ตัด $G$, $M$ และมวลของดาวเทียมออกก่อน; เหลือเพียงรัศมีและมวลที่แตกต่างกันเท่านั้น

    ดาวคู่ (Binary stars). ดาวสองดวงที่มีมวล $M_{\text{A}}$ และ $M_{\text{B}}$ ห่างกัน $d$ โคจรรอบ จุดศูนย์มวล ของพวกมันร่วมกัน โดยอยู่ตรงข้ามกันเสมอ และมี รอบโคจรเท่ากัน. จุดศูนย์มวลแบ่ง $d$ ในอัตราส่วนผกผันกับมวล, $M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ กับ $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = d$, และแรงโน้มถ่วงเท่ากัน $GM_{\text{A}}M_{\text{B}}/d^{2}$ เป็นแรงเข้าศูนย์กลางสำหรับดาวแต่ละดวง.

    ดาว A และ B โคจรรอบจุดศูนย์มวล C ร่วมกันบนวงกลมประจุรัศมี rA และ rB เสมอโดยอยู่ตรงข้ามกันโดยเส้นผ่านศูนย์กลาง โดยดาวที่มีมวลมากกว่าคือ A อยู่บนวงกลมขนาดเล็กกว่า; แรงดึงดูดระหว่างกันกระทำตามเส้นเชื่อม把它们
    ดาวคู่: ดาวทั้งสองโคจรรอบจุดศูนย์มวลด้วยรอบเวลาเดียวกัน ดาวที่มีมวลมากกว่าจะอยู่บนวงกลมขนาดเล็ก

    ตัวอย่างทำแบบฝึกหัด. ดาวคู่ประกอบด้วยดาว A มวล $4.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$ และดาว B มวล $2.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$ โดยมีศูนย์กลางห่างกัน $3.3 \times 10^{11}\ \text{m}$. จงหาระยะทางของ A จากจุดศูนย์มวล และรอบโคจร

    $M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ กับ $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = 3.3 \times 10^{11}$ จะได้ $r_{\text{A}} = \dfrac{2.0}{6.0} \times 3.3 \times 10^{11} = 1.1 \times 10^{11}\ \text{m}$ (และ $r_{\text{B}} = 2.2 \times 10^{11}\ \text{m}$). สำหรับดาว A: $\dfrac{GM_{\text{A}}M_{\text{B}}}{d^{2}} = M_{\text{A}}r_{\text{A}}\omega^{2}$, ดังนั้น $\omega^{2} = \dfrac{GM_{\text{B}}}{d^{2}r_{\text{A}}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 2.0 \times 10^{30}}{(3.3 \times 10^{11})^{2} \times 1.1 \times 10^{11}} = 1.1 \times 10^{-14}\ \text{s}^{-2}$, $\omega = 1.06 \times 10^{-7}\ \text{rad s}^{-1}$ และ $T = 2\pi/\omega = 6.0 \times 10^{7}\ \text{s}$, ประมาณ $1.9$ ปี. การใช้ $d$ ในพจน์แรง แต่ $r_{\text{A}}$ ในพจน์แรงเข้าศูนย์กลาง คือหัวใจสำคัญของข้อนี้

    วงโคจรจีโอสเตชันนารี

    ดาวเทียม จีโอสเตชันนารี (geostationary):

    • จะคงอยู่ที่เหนือตำแหน่งเดิมบนพื้นโลกเสมอ (ดังนั้นเสาอากาศแบบจานนิ่งจะชี้ไปที่มันตลอดเวลา),
    • มีรอบโคจรเท่ากับ 24 ชั่วโมง (เท่ากับการหมุนของโลก),
    • โคจรจาก ตะวันตกไปตะวันออก (ทิศทางเดียวกับการหมุนของโลก),
    • ต้องอยู่เหนือ เส้นศูนย์โลก โดยตรง.

    ต้องมีความเร็วเชิงมุมเท่ากับโลก ในทิศทางเดียวกัน บนระนาบเส้นศูนย์โลก (มิฉะนั้นจะเคลื่อนที่ไปทางเหนือ-ใต้ภายในวัน) จาก $T = 24\ \text{h}$ และ $T^{2} = 4\pi^{2} r^{3}/(GM)$, รัศมีคือ $r \approx 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ (ประมาณ $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ ด้านบนพื้นผิว).

    ตัวอย่างทำแบบฝึกหัด. คำนวณรัศมีของวงโคจรจีโอสเตชันนารีรอบโลก ($M = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$), และอธิบายว่าทำไมดาวเทียมที่มีรัศมีและรอบโคจรเท่ากันอาจยังไม่เป็นจีโอสเตชันนารี

    $T = 24 \times 3600 = 8.64 \times 10^{4}\ \text{s}$; $r^{3} = \dfrac{GMT^{2}}{4\pi^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 5.98 \times 10^{24} \times (8.64 \times 10^{4})^{2}}{4\pi^{2}} = 7.5 \times 10^{22}\ \text{m}^{3}$, ดังนั้น $r = 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ — ซึ่งสูงประมาณ $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ ด้านบนพื้นผิว. ดาวเทียมที่มีรอบนี้จะเป็นจีโอสเตชันนารี ก็ต่อเมื่อ วงโคจรอยู่ในระนาบเส้นศูนย์โลกและเคลื่อนที่จากตะวันตกไปตะวันออก; หากมีรอบเดียวกันแต่อยู่ในวงโคจรที่เอียง (เช่น ผ่านขั้วโลก) มันจะกลับมาที่จุดเดิมทุกวันแต่จะไม่อยู่เหนือจุดนั้นตลอดเวลา.青睐หมุนหนึ่งรอบในประมาณ $25$ ชั่วโมง, ดังนั้นดาวเทียมที่คงที่เหนือจุดใดจุดหนึ่งบน青睐จะมีรอบ $25$ ชั่วโมง และมีลักษณะเฉพาะอีกสองอย่าง同上

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    orbit/ˈɔːbɪt/ วงโคจร
    centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ แรงเข้าสู่ศูนย์กลาง
    satellite/ˈsætəlaɪt/ ดาวเทียม
    period/ˈpɪərɪəd/ รอบ
    Kepler's third law/ˈkepləz θɜːd lɔː/ กฎข้อที่สามของเคปเลอร์
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    centre of mass/ˈsentə ɒv mæs/ ศูนย์กลางมวล
    geostationary/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri/ จลนศาสตร์วงโคจร
    equator/ɪˈkweɪtə/ เส้นศูนย์สูตร
    angular speed/ˈæŋɡjʊlə spiːd/ ความเร็วเชิงมุม
    infinity/ɪnˈfɪnɪti/ อนันต์
    gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์โน้มถ่วง
    escape velocity/eˈskeɪp vəˈlɒsɪti/ ความเร็วหลุดพ้น
    13.4

    Gravitational potential · ⁨potensial gravitasi⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define gravitational potential at a point as the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity to the point
    2. use $\phi = -GM/r$ for the gravitational potential in the field due to a point mass
    3. understand how the concept of gravitational potential leads to the gravitational potential energy of two point masses and use $E_P = -GMm/r$
    ไทย
    1. นิยาม ศักย์โน้มถ่วง ที่จุดหนึ่งว่าเป็นงานที่ทำต่อหน่วยมวลในการนำ มวลทดสอบ เล็กๆ จากอนันต์ไปยังจุดนั้น
    2. ใช้ $\phi = -GM/r$ สำหรับศักย์โน้มถ่วงในสนามเนื่องจากมวลจุด
    3. เข้าใจว่าแนวคิด关于ศักย์โน้มถ่วงนำไปสู่ พลังงานศักย์โน้มถ่วง ของมวลจุดสองจุด如何使用 $E_P = -GMm/r$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Gravitational potential 引力势 $\phi$ at a point is the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity 无穷远 to that point:

    $$\phi = \frac{W}{m}.$$

    Unit: $\text{J kg}^{-1}$.

    The potential is taken as zero at infinity. As the test mass falls in towards the source, gravity does the work for you, so $\phi$ is negative everywhere except at infinity. For a point mass $M$ at distance $r$:

    $$\phi = -\frac{G M}{r}.$$

    $\phi$ is a scalar 标量. For several masses, add the potentials.

    The two-mark definition, and why it is negative. Gravitational potential at a point is the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity to the point. Potential is defined as zero at infinity; gravity is attractive, so as the test mass comes in from infinity the field does work on it and the mass gives out energy — the work that an external agent must do is negative. Hence the potential at every finite distance is below zero. (Electric potential near a positive charge is positive for the opposite reason: that field repels, so work must be done to bring a positive test charge in.)

    Similarities and differences with electric potential. Both are defined as work done per unit mass or per unit positive charge from infinity, both are scalars, both vary as $1/r$ from a point source and both are zero at infinity. The difference: gravitational potential is always negative, because gravity only attracts, whereas electric potential can be positive or negative depending on the sign of the charge.

    Reading a potential graph. Two graphs appear in questions. On $\phi$ against $r$ the curve is $-GM/r$: the surface value $\phi_{\text{s}} = -GM/R$ gives the mass of the planet, and the gradient at any point gives the field strength there, since $g = -\dfrac{\Delta\phi}{\Delta r}$ — field strength is the negative of the potential gradient (this is the "relationship between potential and field strength" a question may ask for). On $\phi$ against $1/r$ the graph is a straight line through the origin with gradient $-GM$, which is the neater way to extract $M$.

    Worked example. The Moon is an isolated uniform sphere of mass $7.3 \times 10^{22}\ \text{kg}$ and radius $1.7 \times 10^{6}\ \text{m}$. Calculate the gravitational potential at its surface, and the minimum speed with which a particle must leave the surface to escape.

    $\phi = -\dfrac{GM}{R} = -\dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 7.3 \times 10^{22}}{1.7 \times 10^{6}} = -2.9 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$. To escape, the particle's kinetic energy per unit mass must equal the depth of the potential well: $\tfrac{1}{2}v^{2} = 2.9 \times 10^{6}$, so $v = \sqrt{2 \times 2.9 \times 10^{6}} = 2.4 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. The minus sign carries the meaning: energy of $2.9\ \text{MJ}$ per kilogram must be supplied to lift the particle out.

    Gravitational potential energy of two point masses

    If a test mass $m$ sits where the potential is $\phi$, the gravitational potential energy 重力势能 of the pair is

    $$E_{\text{P}} = m \phi = -\frac{G M m}{r}.$$

    Like the potential, $E_{\text{P}}$ is negative and reaches zero only at infinite separation. Closer masses have more negative potential energy (more tightly bound).

    Link with $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$

    For small height changes near the surface, $r$ barely changes, so $\Delta E_{\text{P}} \approx mg\Delta h$. For large changes (a satellite moving to a higher orbit) use $-GMm/r$ at each radius and take the difference:

    $$\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\frac{1}{r_{1}} - \frac{1}{r_{2}}\right) \quad (r_{2} > r_{1}),$$

    which is positive (energy must be supplied to raise the satellite).

    Worked example. A satellite of mass $1200\ \text{kg}$ is moved from a circular orbit of radius $7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ to one of radius $8.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ around the Earth ($GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$). Find the changes in its gravitational potential energy, its kinetic energy and its total energy.

    $\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\dfrac{1}{r_{1}} - \dfrac{1}{r_{2}}\right) = 4.0 \times 10^{14} \times 1200 \times \left(\dfrac{1}{7.0 \times 10^{6}} - \dfrac{1}{8.0 \times 10^{6}}\right) = +8.6 \times 10^{9}\ \text{J}$. In a circular orbit $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, so $\Delta E_{\text{K}} = \dfrac{GMm}{2}\left(\dfrac{1}{r_{2}} - \dfrac{1}{r_{1}}\right) = -4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$: the higher satellite moves more slowly. The total energy $E_{\text{K}} + E_{\text{P}} = -\dfrac{GMm}{2r}$ rises by $+4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$, which is the energy the rocket motor must supply. A satellite's total energy is negative — it is bound — and it becomes less negative as the orbit widens.

    Escape velocity (from conservation of energy)

    To escape from radius $r$ to infinity, an object's kinetic energy 动能 must equal the size of its gravitational potential energy:

    $$\tfrac{1}{2} m v_{\text{esc}}^{2} = \frac{G M m}{r}, \qquad v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2 G M}{r}}.$$

    At the Earth's surface, the escape velocity 逃逸速度 is $\approx 11\ \text{km s}^{-1}$. It does not depend on the object's mass.

    Worked example. Find the escape velocity from the Earth's surface. (For the Earth, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$, $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$.)

    $$v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM}{R}} = \sqrt{\frac{2 (4.0 \times 10^{14})}{6.4 \times 10^{6}}} \approx 1.1 \times 10^{4}\ \text{m s}^{-1}\ (= 11\ \text{km s}^{-1}).$$

    Worked example. A particle is projected vertically upwards from the surface of an isolated planet of radius $R$, where the gravitational potential is $\phi_{\text{s}}$. Show that it just reaches a distance $r$ from the centre if its launch speed $v$ satisfies $\tfrac{1}{2}v^{2} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$, and deduce the escape speed.

    Potential varies as $1/r$, so at distance $r$ it is $\phi_{\text{s}}R/r$. When the particle stops, its kinetic energy per unit mass has all become potential energy per unit mass: $\tfrac{1}{2}v^{2} = \phi(r) - \phi_{\text{s}} = \phi_{\text{s}}\dfrac{R}{r} - \phi_{\text{s}} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$, which is positive because $\phi_{\text{s}}$ is negative. Letting $r \to \infty$ gives $\tfrac{1}{2}v_{\text{esc}}^{2} = -\phi_{\text{s}} = GM/R$ — the escape-speed result again, now read straight off the potential.

    ไทย

    Potensial gravitasi $\phi$ ที่จุดหนึ่งคือ งานที่ทำต่อหน่วยมวล ในการนำมวลทดสอบเล็ก ๆ จาก อนันต์ มาสู่จุดนั้น:

    $$\phi = \frac{W}{m}.$$

    หน่วย: $\text{J kg}^{-1}$

    กำหนดให้ค่าศักย์เป็น ศูนย์ที่อนันต์. เมื่อมวลทดสอบตกลงเข้าสู่แหล่งกำเนิด แรงโน้มถ่วงจะทำงานให้คุณ, ดังนั้น $\phi$ จึงเป็น ลบ ทุกที่ยกเว้นที่อนันต์. สำหรับมวลจุด $M$ ที่ระยะ $r$:

    $$\phi = -\frac{G M}{r}.$$

    $\phi$ เป็น สเกลาร์. สำหรับหลายมวล ให้บวกศักย์เข้าด้วยกัน

    กราฟของศักย์โน้มถ่วงเทียบกับระยะ r: phi = -GM/r เป็นลบทุกที่ ต่ำสุดใกล้พื้นผิว R และเพิ่มขึ้นใกล้ศูนย์ที่ระยะไกล — บ่อศักย์
    บ่อศักย์โน้มถ่วง: $\phi = -GM/r$ เป็นลบ, เพิ่มขึ้นเป็นศูนย์ที่อนันต์

    นิยาม 2 คะแนน และเหตุผลที่เป็นลบ. Potensial gravitasi ที่จุดหนึ่งคืองานที่ทำต่อหน่วยมวลในการนำมวลทดสอบเล็ก ๆ จากอนันต์มาสู่จุดนั้น. Potensialถูกกำหนดให้เป็นศูนย์ที่อนันต์; แรงโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูด, ดังนั้นเมื่อมวลทดสอบเข้ามาจากอนันต์ สนามจะทำงาน กับ มวล tersebut และมวลจะคายพลังงาน — งานที่ตัวกลางภายนอกต้องทำจึงเป็นลบ. ดังนั้นศักย์ที่ระยะจำกัดทุกแห่งจึงต่ำกว่าศูนย์. (ศักย์ไฟฟ้าใกล้ประจุบวกเป็นบวกเพราะเหตุผลตรงกันข้าม: สนามนั้นผลัก, ดังนั้นต้องทำงานเพื่อBring ประจุทดสอบบวกเข้ามา.)

    ความคล้ายคลึงและความแตกต่างกับศักย์ไฟฟ้า. ทั้งสองถูกนิยามว่าเป็นงานที่ทำต่อหน่วยมวลหรือต่อหน่วยประจุบวกจากอนันต์, ทั้งสองเป็นสเกลาร์, ทั้งสองแปรผันตาม $1/r$ จากแหล่งกำเนิดจุด และทั้งสองเป็นศูนย์ที่อนันต์. ความแตกต่าง: ศักย์โน้มถ่วงเป็น ลบเสมอ, เพราะแรงโน้มถ่วงดึงดูดเท่านั้น, ในขณะที่ศักย์ไฟฟ้าสามารถเป็นบวกหรือลบขึ้นอยู่กับสัญญาณของประจุ

    การอ่านกราฟศักย์. มีกราฟสองแบบปรากฏในข้อสอบ. บน $\phi$ เทียบกับ $r$, กราฟเป็น $-GM/r$: ค่าที่พื้นผิว $\phi_{\text{s}} = -GM/R$ ให้มวลของดาวเคราะห์, และ ความชัน ที่จุดใดจุดหนึ่งให้ความเข้มสนามที่นั่น, เนื่องจาก $g = -\dfrac{\Delta\phi}{\Delta r}$ — ความเข้มสนามคือลบของ gradient ศักย์ (นี่คือ "ความสัมพันธ์ระหว่างศักย์กับความเข้มสนาม" ที่ข้อสอบอาจถาม) . บน $\phi$ เทียบกับ $1/r$, กราฟเป็นเส้นตรงผ่านจุดเริ่มต้นด้วยความชัน $-GM$, ซึ่งเป็นวิธีที่สะอาดกว่าในการดึงเอา $M$ ออกมา

    ตัวอย่างทำแบบฝึกหัด. ดวงจันทร์เป็นทรงกลมสม่ำเสมอแยกเดี่ยวที่มีมวล $7.3 \times 10^{22}\ \text{kg}$ และรัศมี $1.7 \times 10^{6}\ \text{m}$. จงคำนวณศักย์โน้มถ่วงที่พื้นผิว, และความเร็วต่ำที่สุดที่อนุภาคต้องออกจากพื้นผิวเพื่อหลบหนี

    $\phi = -\dfrac{GM}{R} = -\dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 7.3 \times 10^{22}}{1.7 \times 10^{6}} = -2.9 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$. เพื่อหลบหนี, พลังงานจลน์ต่อหน่วยมวลของอนุภาคต้องเท่ากับความลึกของบ่อศักย์: $\tfrac{1}{2}v^{2} = 2.9 \times 10^{6}$, ดังนั้น $v = \sqrt{2 \times 2.9 \times 10^{6}} = 2.4 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$.เครื่องหมายลบมีความหมาย: พลังงาน $2.9\ \text{MJ}$ ต่อ กิโลกรัม ต้องถูก จ่าย ขึ้นไปเพื่อยกอนุภาคออกมา

    พลังงานศักย์โน้มถ่วงของมวลจุดสองจุด

    หากมวลทดสอบ $m$ ตั้งอยู่ที่ตำแหน่งที่มีศักย์เป็น $\phi$ พลังงานศักย์โน้มถ่วง ของคู่ดังกล่าวคือ

    $$E_{\text{P}} = m \phi = -\frac{G M m}{r}.$$

    เหมือนกับศักย์ $E_{\text{P}}$ เป็น ค่าลบ และจะเป็นศูนย์ก็ต่อเมื่ออยู่ห่างกันเป็นอนันต์ มวลที่อยู่ใกล้กันจะมีพลังงานศักย์ที่เป็นลบมากขึ้น (ผูกมัดกันแน่นขึ้น)

    ความสัมพันธ์กับ $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$

    สำหรับการเปลี่ยนแปลงความสูง_near_พื้นผิวที่น้อยมาก $r$ จะเปลี่ยนแปลงน้อยมาก ทำให้ $\Delta E_{\text{P}} \approx mg\Delta h$ สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่มาก (เช่น ดาวเทียมเคลื่อนไปยังวงโคจรที่สูงขึ้น) ให้ใช้ $-GMm/r$ ที่แต่ละรัศมีแล้วหาผลต่าง:

    $$\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\frac{1}{r_{1}} - \frac{1}{r_{2}}\right) \quad (r_{2} > r_{1}),$$

    ซึ่งมีค่าเป็นบวก (ต้องจ่ายพลังงานเพื่อยกดาวเทียมขึ้น)

    ตัวอย่างวิธีทำ. ดาวเทียมมวล $1200\ \text{kg}$ ถูกย้ายจากวงโคจรแบบวงกลมรัศมี $7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ ไปยังวงโคจรรัศมี $8.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ รอบโลก ($GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$) จงหาค่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานจลน์ และพลังงานรวมของดาวเทียม

    $\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\dfrac{1}{r_{1}} - \dfrac{1}{r_{2}}\right) = 4.0 \times 10^{14} \times 1200 \times \left(\dfrac{1}{7.0 \times 10^{6}} - \dfrac{1}{8.0 \times 10^{6}}\right) = +8.6 \times 10^{9}\ \text{J}$. ในวงโคจรวงกลม $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, ดังนั้น $\Delta E_{\text{K}} = \dfrac{GMm}{2}\left(\dfrac{1}{r_{2}} - \dfrac{1}{r_{1}}\right) = -4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$: ดาวเทียมที่สูงกว่าเคลื่อนที่ช้ากว่า พลังงานรวม $E_{\text{K}} + E_{\text{P}} = -\dfrac{GMm}{2r}$ เพิ่มขึ้น $+4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$, ซึ่งเป็นพลังงานที่เครื่องยนต์จรวดต้องจ่าย พลังงานรวมของดาวเทียมมีค่าลบ — คือถูกยึดไว้ — และมีค่าน้อยลงเมื่อวงโคจรกว้างขึ้น

    ความเร็วหนี (จากการอนุรักษ์พลังงาน)

    เพื่อหนีจากรัศมี $r$ ไปยังอนันต์ พลังงานจลน์ ของวัตถุต้องเท่ากับขนาดของพลังงานศักย์โน้มถ่วงของมัน:

    $$\tfrac{1}{2} m v_{\text{esc}}^{2} = \frac{G M m}{r}, \qquad v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2 G M}{r}}.$$

    ที่พื้นผิวโลก ความเร็วหนี คือ $\approx 11\ \text{km s}^{-1}$上不ขึ้นกับมวลของวัตถุ

    ตัวอย่างฝึกหัด. หาความเร็วหลบหนีจากพื้นผิวโลก. (สำหรับโลก, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$, $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$.)

    $$v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2GM}{R}} = \sqrt{\frac{2 (4.0 \times 10^{14})}{6.4 \times 10^{6}}} \approx 1.1 \times 10^{4}\ \text{m s}^{-1}\ (= 11\ \text{km s}^{-1}).$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. อนุภาคถูกยิงในแนวตั้งขึ้นจากพื้นผิวของดาวเคราะห์โดดเดี่ยวที่มีรัศมี $R$ ซึ่งที่นั้นศักย์โน้มถ่วงเป็น $\phi_{\text{s}}$ แสดงให้เห็นว่ามันจะไปถึงระยะ $r$ จากศูนย์กลางได้พอดีหากความเร็วในการยิง $v$ สอดคล้องกับ $\tfrac{1}{2}v^{2} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$ และสรุปความเร็วหนี

    ศักย์แปรผันตาม $1/r$ ดังนั้นที่ระยะ $r$ ศักย์จะเป็น $\phi_{\text{s}}R/r$ เมื่ออนุภาคหยุดพลังงานจลน์ต่อหน่วยมวลทั้งหมดจะกลายเป็นศักย์ต่อหน่วยมวล: $\tfrac{1}{2}v^{2} = \phi(r) - \phi_{\text{s}} = \phi_{\text{s}}\dfrac{R}{r} - \phi_{\text{s}} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$ ซึ่งมีค่าเป็นบวกเพราะ $\phi_{\text{s}}$ เป็นค่าลบ ให้ $r \to \infty$ จะได้ $\tfrac{1}{2}v_{\text{esc}}^{2} = -\phi_{\text{s}} = GM/R$ — ผลลัพธ์ความเร็วหนีอีกครั้ง อ่านได้จากกราฟศักย์โดยตรง

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Gravitational potential · ⁨ศักย์พลังงานแรงโน้มถ่วง⁩

    V = −GM / r

    Potential ∝ −1/r — deep near the mass, flattening with distance. · ⁨ศักย์ ∝ −1/r — ลึกใกล้มวล และราบเรียบลงเมื่อห่างออกไป⁩

    13.4

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    gravitational field a region of space in which a mass experiences a force
    gravitational field strength the gravitational force per unit mass acting on a small test mass placed at the point
    field line (direction) the direction of the force on a small test mass placed at that point
    Newton's law of gravitation the gravitational force between two point masses is proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of their separation
    gravitational potential the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity to the point
    gravitational potential energy (two point masses) the work done in bringing the two masses from infinity to their separation, $E_{\text{P}} = -GMm/r$
    geostationary orbit an orbit with a period of 24 hours, from west to east, directly above the equator, so the satellite stays above the same point on the surface
    escape speed the minimum speed at which an object must leave the surface to reach infinity with zero kinetic energy
    centre of mass (binary star) the point about which both stars orbit, dividing their separation in the inverse ratio of their masses
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    สนามโน้มถ่วง พื้นที่ที่มวลใดหนึ่งได้รับแรง
    ความเข้มสนามโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงต่อหน่วยมวลที่กระทำต่อมวลทดสอบเล็ก ๆ ที่วางไว้ ณ จุดนั้น
    เส้นสนาม (ทิศทาง) ทิศทางของแรงที่กระทำต่อมวลทดสอบเล็ก ๆ ที่วางไว้ ณ จุดนั้น
    กฎโน้มถ่วงของนิวตัน แรงโน้มถ่วงระหว่างมวลจุดสองจุดแปรผันตรงกับผลคูณของมวลและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างกัน
    ศักย์โน้มถ่วง งานที่ทำต่อหน่วยมวลในการนำมวลทดสอบเล็ก ๆ จากอนันต์มาสู่จุดนั้น
    พลังงานศักย์โน้มถ่วง (มวลจุดสองจุด) งานที่ทำในการนำมวลทั้งสองจากอนันต์มาสู่ระยะห่าง $E_{\text{P}} = -GMm/r$ ของมัน
    วงโคจรเชิงซิงโครน วงโคจรที่มีรอบเวลา 24 ชั่วโมง จากตะวันตกไปตะวันออก อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรพอดี ทำให้ดาวเทียมคงที่เหนือจุดเดียวกันบนพื้นผิว
    ความเร็วหนี ความเร็วต่ำสุดที่วัตถุต้องออกจากพื้นผิวเพื่อถึงอนันต์โดยมีพลังงานจลน์เป็นศูนย์
    ศูนย์กลางมวล (ดาวคู่) จุดที่ดาวทั้งสองโคจรรอบ โดยแบ่งระยะห่างระหว่างดาวด้วยอัตราส่วน 역ของมวล它们
    13.4

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Newton's law of gravitation $F = GMm/r^2$ (inverse-square); field strength $g = GM/r^2$ — and quote the derivation as two lines, the law and the definition of $g$.
    • Distinguish gravitational potential ($\phi = -GM/r$, always negative, zero at infinity) from field strength; $g$ is the negative gradient of the $\phi$–$r$ graph.
    • For an orbit set gravity $=$ centripetal force to get $T^2 \propto r^3$; a geostationary orbit has $T = 24\ \text{h}$ plus two more features: above the equator, west to east.
    • Use the orbital radius (centre to centre, $R_{\text{p}} + h$), never the height, and for a binary star the separation $d$ in the force but the orbit radius $r_{\text{A}}$ in the centripetal term.
    • Energy changes come from $-GMm/r$ at each radius; for a circular orbit $E_{\text{K}} = GMm/2r$ and the total energy is $-GMm/2r$.

    Common mistakes

    • Defining potential as "force per unit mass" or field strength as "work done per unit mass". Swap them and both marks go.
    • Saying the potential is negative "because gravity attracts" and stopping there. The mark needs the work argument: zero at infinity, and the field does the work as the mass comes in.
    • Using the height above the surface as $r$ in $GM/r^{2}$ or $T^{2} \propto r^{3}$. Add the planet's radius first.
    • Writing Kepler's law as $T \propto r$ or $T^{2} \propto r^{2}$. It is $T^{2} \propto r^{3}$: a straight line only on $T^{2}$ against $r^{3}$.
    • Making "geostationary" mean only "24-hour period". Without the equatorial plane and the west-to-east direction it is not geostationary.
    • Forgetting that a satellite's kinetic energy falls when it is raised to a higher orbit, even though energy had to be supplied.
    ไทย
    • กฎโน้มถ่วงของนิวตัน $F = GMm/r^2$ (กำลังสอง역); ความเข้มสนาม $g = GM/r^2$ — และเขียนการพิสูจน์เป็นสองบรรทัด คือกฎและนิยามของ $g$.
    • แยกแยะระหว่าง ศักย์โน้มถ่วง ($\phi = -GM/r$, มีค่าเป็นลบเสมอ, เป็นศูนย์ที่ระยะ vôเชิง) จากความเข้มสนาม; $g$ คือลบของเกรเดียนต์ของกราฟ $\phi$–$r$
    • สำหรับวงโคจรใด ๆ ที่แรงโน้มถ่วง $=$ แรงสู่ศูนย์กลางเพื่อให้ได้ $T^2 \propto r^3$; วงโคจรซิงโครนัสมี $T = 24\ \text{h}$再加上สองลักษณะเพิ่มเติม: อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตร, ทิศตะวันตกไปตะวันออก
    • ใช้ รัศมีวงโคจร (จากศูนย์กลางถึงศูนย์กลาง, $R_{\text{p}} + h$), ไม่ใช้ความสูง, และสำหรับดาวคู่ ระยะห่าง $d$ ในพจน์แรง แต่รัศมีวงโคจร $r_{\text{A}}$ ในพจน์แรงเข้าสู่ศูนย์กลาง
    • การเปลี่ยนแปลงพลังงานมาจาก $-GMm/r$ ที่แต่ละรัศมี; สำหรับวงโคจรแบบวงกลม $E_{\text{K}} = GMm/2r$ และพลังงานรวมคือ $-GMm/2r$.

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • นิยามศักย์ว่าเป็น "แรงต่อหน่วยมวล" หรือความเข้มสนามว่าเป็น "งานต่อหน่วยมวล" สลับกันจะได้คะแนนเต็มหายไป
    • บอกว่าศักย์เป็นลบ "เพราะแรงโน้มถ่วงดึงดูด" แล้วหยุดเพียงแค่นั้น คะแนนต้องการคำอธิบายเรื่องงาน: เป็นศูนย์ที่อนันต์ และสนามทำงานเมื่อมวลเข้าใกล้
    • ใช้ความสูงเหนือพื้นผิวเป็น $r$ ใน $GM/r^{2}$ หรือ $T^{2} \propto r^{3}$ ต้องบวกรัศมีดาวเคราะห์เข้าไปก่อน
    • เขียนกฎเคปเลอร์เป็น $T \propto r$ หรือ $T^{2} \propto r^{2}$. มันเป็น $T^{2} \propto r^{3}$: เส้นตรงก็ต่อเมื่อ $T^{2}$ เทียบกับ $r^{3}$ เท่านั้น
    • ทำความเข้าใจว่า "เชิงซิงโครน" หมายถึงแค่ "รอบเวลา 24 ชั่วโมง" โดยไม่มีความหมายของระนาบเส้นศูนย์สูตรและทิศตะวันตกไปตะวันออก就不是เชิงซิงโครน
    • ลืม rằngพลังงานจลน์ของดาวเทียม ลดลง เมื่อถูกยกไปยังวงโคจรที่สูงขึ้น แม้ว่าจะต้องจ่ายพลังงานก็ตาม
  • 14

    Temperature · ⁨อุณหภูมิ⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    14.1

    Thermal equilibrium · ⁨สมดุลความร้อน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that (thermal) energy is transferred from a region of higher temperature to a region of lower temperature
    2. understand that regions of equal temperature are in thermal equilibrium
    ไทย
    1. เข้าใจว่า (ความร้อน) พลังงานถูกถ่ายโอนจากบริเวณที่มี อุณหภูมิสูงกว่า ไปยังบริเวณที่มี อุณหภูมิต่ำกว่า
    2. เข้าใจว่าบริเวณที่มีอุณหภูมิเท่ากันอยู่ใน สมดุลความร้อน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Heat 热量 (thermal energy) flows from a higher temperature to a lower temperature. When two bodies touch, energy moves until their temperatures are equal — they reach thermal equilibrium 热平衡. At equilibrium there is no net flow of energy.

    Two regions at the same temperature 温度 are in thermal equilibrium with each other — no net energy flows, even though particles still exchange energy.

    Temperature decides the direction of heat flow. It is not a measure of how much thermal energy 热能 a body holds. A small cup of boiling water (100 °C) holds far less energy than a swimming pool at 25 °C, but a piece of metal put in the cup gains energy while one put in the pool loses it.

    The examiner's wording. Two objects are in thermal equilibrium when there is no net transfer of thermal energy between them; that happens when they are at the same temperature. Asked for "the reason why two objects at the same temperature are in thermal equilibrium", the one mark is: there is no net flow of thermal energy between them — energy still passes both ways, but equally. Thermal energy is the energy transferred because of a temperature difference; temperature is what decides the direction.

    Worked example. Two metal cuboids P and Q are in thermal contact and in thermal equilibrium. State what this means, and describe what happens when a hotter cuboid is placed against them.

    No net thermal energy passes between P and Q, because they are at the same temperature. A hotter cuboid transfers thermal energy to them (from higher to lower temperature) until all three reach one common temperature; then, and only then, is the whole group in thermal equilibrium.

    ไทย

    ความร้อน (พลังงานความร้อน) ไหลจาก อุณหภูมิสูงกว่า ไปยัง อุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อร่างกายสองตัวสัมผัสกัน พลังงานจะไหลจนอุณหภูมิต่างๆ เท่ากัน ——they—are สมดุลความร้อน. ที่สมดุลจะไม่มีการไหลของพลังงานสุทธิ

    สองบริเวณที่มี อุณหภูมิ เท่ากันจะอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนต่อกัน — ไม่มีพลังงานสุทธิไหลผ่าน แม้ว่าจะมีการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างอนุภาคอยู่ก็ตาม

    อุณหภูมิกำหนด ทิศทาง ของการไหลของความร้อน มันไม่ใช่ตัวชี้วัดปริมาณ พลังงานความร้อน ที่วัตถุมีอยู่ภายใน ถ้วยน้ำเดือดขนาดเล็ก (100 °C) มีพลังงานน้อยกว่าสระว่ายน้ำที่อุณหภูมิ 25 °C มาก แต่เมื่อนำโลหะไปวางในถ้วยนั้น โลหะจะได้รับพลังงาน ในขณะที่เมื่อนำไปวางในสระ它将สูญเสียพลังงาน

    ความร้อนไหลจากวัตถุร้อนที่มีอุณหภูมิ T1 ไปยังวัตถุเย็นที่มีอุณหภูมิ T2 จนกว่าทั้งสองจะมีอุณหภูมิเท่ากัน T_eq ซึ่งเมื่อถึงจุดนี้จะไม่มีการไหลของพลังงานสุทธิ
    ความร้อนไหลจากร้อนไปเย็นจนกระทั่งทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน — สภาวะสมดุลทางความร้อน

    ถ้อยคำของผู้สอบ. วัตถุสองชิ้นอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเมื่อไม่มีการถ่ายโอนพลังงานสุทธิระหว่างกัน; สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อพวกมันมีอุณหภูมิเท่ากัน เมื่อถามหา "เหตุผลว่าทำไมวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิเท่ากันจึงอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน" คำตอบหนึ่งคะแนนคือ: ไม่มีการไหลของพลังงานสุทธิระหว่างกัน — พลังงานยังคงไหลไปมาทั้งสองทางแต่ในระดับที่เท่ากัน พลังงานความร้อนคือพลังงานที่ถูกถ่ายโอน เนื่องจาก ความต่างของอุณหภูมิ ส่วนอุณหภูมิต่างหากเป็นสิ่งที่กำหนดทิศทาง

    ตัวอย่างฝึกทำข้อสอบ. บล็อกโลหะ P และ Q อยู่ในสัมผัสทางความร้อนและอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน จงระบุความหมายของสิ่งนี้ และอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อนำบล็อกที่มีความร้อนมากกว่าไปวางติดกับทั้งสอง

    ไม่มีพลังงานความร้อนสุทธิไหลผ่านระหว่าง P และ Q เนื่องจากพวกมันมีอุณหภูมิเท่ากัน บล็อกที่ร้อนกว่าจะถ่ายโอนพลังงานความร้อนไปยังทั้งสอง (จากร้อนไปเย็น) จนกว่าทั้งสามจะบรรลุอุณหภูมิร่วมกันเดียว; จากนั้นเท่านั้น และเพียงเท่านั้นที่กลุ่มทั้งหมดจะอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Thermal equilibrium route · ⁨เส้นทางสู่สมดุลความร้อน⁩

    Watch energy transfer until two objects reach the same temperature. · ⁨สังเกตการถ่ายโอนพลังงานจนวัตถุสองชิ้นมีอุณหภูมิเท่ากัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ สมดุลความร้อน
    14.2

    Measuring temperature · ⁨การวัดอุณหภูมิ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a physical property that varies with temperature may be used for the measurement of temperature and state examples of such properties, including the density of a liquid, volume of a gas at constant pressure, resistance of a metal, e.m.f. of a thermocouple
    2. understand that the scale of thermodynamic temperature does not depend on the property of any particular substance
    3. convert temperatures between kelvin and degrees Celsius and recall that $T/\text{K} = \theta/\text{ }^{\circ}\text{C} + 273.15$
    4. understand that the lowest possible temperature is zero kelvin on the thermodynamic temperature scale and that this is known as absolute zero
    ไทย
    1. เข้าใจว่าคุณสมบัติทางกายภาพที่แปรผันตามอุณหภูมิสามารถใช้วัดอุณหภูมิได้และยกตัวอย่างของคุณสมบัตินั้น รวมถึง ความหนาแน่นของของเหลว, ปริมาตรของแก๊สที่ความดันคงที่, ความต้านทานของโลหะ, e.m.f. ของ เทอร์โมคัปเปิล
    2. เข้าใจว่าสเกลของ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ ไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารชนิดใดชนิดหนึ่ง
    3. แปลงอุณหภูมิระหว่าง เคลวิน และ องศาเซลเซียส และจำได้ว่า $T/\text{K} = \theta/\text{ }^{\circ}\text{C} + 273.15$
    4. เข้าใจว่าอุณหภูมิต่ำที่สุดที่เป็นไปได้คือศูนย์เคลวินบนสเกลอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์และสิ่งนี้เรียกว่า ศูนย์สัมบูรณ์

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Any physical property that changes in a repeatable way with temperature can make a thermometer 温度计. Examples:

    • volume of a liquid — a liquid-in-glass thermometer (mercury or alcohol). As the temperature rises, the liquid expands and rises up a narrow capillary 毛细管.
    • volume of a gas at constant pressure — a gas thermometer. The gas volume rises in step with the absolute temperature.
    • resistance of a metal — a resistance thermometer. A metal's resistance 电阻 rises nearly in step with temperature over a wide range.
    • e.m.f. of a thermocouple — a thermocouple 热电偶 is two different metals joined at two points; the electromotive force 电动势 it makes depends on the temperature difference between the joins.

    Different thermometers can read slightly differently if the property does not change in a straight line; they agree only at the calibration 校准 points.

    Fixed points and calibration. A thermometer is calibrated at two fixed points 固定点 that are easy to reproduce — the ice point ($0\ ^{\circ}\text{C}$, pure melting ice) and the steam point ($100\ ^{\circ}\text{C}$, steam above boiling water at standard pressure). The value of the property is measured at each, and the scale between them is drawn assuming the property changes linearly with temperature. That assumption is the weakness: mercury's expansion, a metal's resistance and a thermocouple's e.m.f. all vary slightly differently between the fixed points, so two thermometers that agree at $0$ and $100\ ^{\circ}\text{C}$ can disagree at $50\ ^{\circ}\text{C}$.

    Why a liquid-in-glass thermometer does not measure thermodynamic temperature (the one-mark reason): its reading depends on the property of a particular substance — the expansion of mercury or alcohol — and on the assumption that this expansion is linear between the fixed points. The thermodynamic scale depends on no substance at all.

    Why water is a poor thermometric liquid. Its density does not change steadily with temperature: it is greatest at $4\ ^{\circ}\text{C}$, so between $0$ and $8\ ^{\circ}\text{C}$ two different temperatures give the same density and the reading is ambiguous, and the change per degree is small, so the thermometer is insensitive. Mercury's density falls steadily and almost linearly over the whole range, which is why it was chosen.

    Worked example. A platinum resistance thermometer is a coil of platinum wire in a glass tube, connected to a circuit that measures its resistance. Explain how it measures temperature, and give one disadvantage compared with a thermocouple.

    The resistance of the platinum increases with temperature in a known, almost linear way; the resistance is measured at the ice point and the steam point, and any other temperature is read from where the measured resistance falls on the linear scale between them (or from a calibration graph). Disadvantage: the coil, tube and the fluid around them have a large thermal capacity, so the thermometer responds slowly and cannot follow a rapidly changing temperature; it is also bulky and needs a circuit to read it. (Its advantages: accurate, stable and usable over a very wide range.)

    Worked example. In a constant-volume gas thermometer the pressure of the gas is $1.05 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ when the bulb is in melting ice and $1.19 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ when it is in a warm room. Find the thermodynamic temperature of the room, and explain why this thermometer, unlike a liquid-in-glass one, gives thermodynamic temperature directly.

    For a fixed mass of gas at constant volume the pressure is proportional to the thermodynamic temperature, so $\dfrac{T}{273.15} = \dfrac{1.19 \times 10^{5}}{1.05 \times 10^{5}}$, giving $T = 310\ \text{K}$ ($36\ ^{\circ}\text{C}$). The pressure of a (nearly) ideal gas depends only on its temperature, not on which gas it is, so the reading does not rely on the property of a particular substance — the defining feature of the thermodynamic scale.

    ไทย
    เทอร์โมมิเตอร์ปรอทในแก้ว
    เทอร์โมมิเตอร์ใช้วัดอุณหภูมิบนสเกลที่กำหนดไว้

    คุณสมบัติทางกายภาพใดๆ ที่ เปลี่ยนแปลงซ้ำได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน สามารถทำให้เป็น เทอร์โมมิเตอร์ ได้ ตัวอย่าง:

    • ปริมาตรของของเหลว — เทอร์โมมิเตอร์ของเหลวในแก้ว (ปรอทหรือแอลกอฮอล์) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ของเหลวจะขยายตัวและพุ่งขึ้นใน ท่อบางๆ (capillary)
    • ปริมาตรของแก๊สที่ความดันคงที่ — เทอร์โมมิเตอร์แก๊ส ปริมาตรแก๊สจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิสัมบูรณ์
    • ความต้านทานของโลหะ — เทอร์โมมิเตอร์ความต้านทาน ความ ต้านทาน ของโลหะจะเพิ่มขึ้นเกือบตามอุณหภูมิในช่วงกว้าง
    • แรงเคลื่อนไฟฟ้า (e.m.f.) ของเทอร์โมคัปเปิล — เทอร์โมคัปเปิล คือโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันต่อเข้าด้วยกันที่สองจุด; แรงเคลื่อนไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับความต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดต่อ

    เทอร์โมมิเตอร์แต่ละชนิดอาจอ่านค่าแตกต่างกันเล็กน้อยหากคุณสมบัติไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเส้นตรง; พวกมันจะตรงกันเฉพาะที่จุด การปรับเทียบ (calibration) เท่านั้น

    จุดคงที่และการปรับสเกล เทอร์โมมิเตอร์ถูกปรับสเกลด้วย จุดคงที่ สองจุดที่ทำซ้ำได้ง่าย — จุดน้ำแข็ง ($0\ ^{\circ}\text{C}$, น้ำแข็งบริสุทธิ์正在融解) และ จุดไอน้ำ ($100\ ^{\circ}\text{C}$, ไอน้ำเหนือผิวน้ำ正在achaที่ความดันมาตรฐาน) ค่าของคุณสมบัตินั้นถูกวัดที่แต่ละจุด, และสเกลระหว่าง нихถูกวาดโดยสมมติว่าคุณสมบัตินั้นเปลี่ยนแบบ เชิงเส้น กับอุณหภูมิ สมมตินี้คือจุดอ่อน: การขยายตัวของปรอท, ความต้านทานของโลหะ และ e.m.f. ของเทอร์โมคouple เปลี่ยนแปลงต่างกันเล็กน้อยระหว่างจุดคงที่, ดังนั้นเทอร์โมมิเตอร์สองอันที่ตรงกันที่ $0$ และ $100\ ^{\circ}\text{C}$ อาจไม่ตรงกันที่ $50\ ^{\circ}\text{C}$

    กราฟแสดงคุณสมบัติทางเทอร์โมมิตรีต่ออุณหภูมิจริง: เส้นตรงที่สมมติระหว่างจุดน้ำแข็งและจุดไอน้ำ และการแปรผันจริงที่โค้งเล็กน้อยของคุณสมบัตินั้น; ที่อุณหภูมิจริง 50 องศา สเกลเชิงเส้นจะอ่านได้ 55 องศา
    การปรับเทียบที่จุดคงที่สองจุดและสมมติว่าเป็นเชิงเส้นระหว่างกลาง เทอร์โมมิเตอร์จะอ่านค่าอุณหภูมิที่ขึ้นอยู่กับว่าคุณสมบัติของตัวเองแปรผันอย่างไรจริงๆ

    ทำไมเทอร์โมมิเตอร์ของเหลวในแก้วจึงไม่สามารถวัดอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ได้ (เหตุผลหนึ่งคะแนน): ค่าที่อ่านได้ขึ้นอยู่กับ คุณสมบัติของสารเฉพาะ — การขยายตัวของปรอทหรือแอลกอฮอล์ — และขึ้นอยู่กับสมมติฐานว่าการขยายตัวนี้เป็นเชิงเส้นระหว่างจุดคงที่ สเกลทางอุณหพลศาสตร์ไม่ได้พึ่งพาสสารใดเลย

    ทำไมน้ำจึงเป็นของเหลวที่ไม่ดีสำหรับทำเทอร์โมมิเตอร์. ความหนาแน่นของมันไม่เปลี่ยนแปลงสม่ำเสมอตามอุณหภูมิ: สูงที่สุดที่ $4\ ^{\circ}\text{C}$, ดังนั้นระหว่าง $0$ และ $8\ ^{\circ}\text{C}$ อุณหภูมิที่แตกต่างกันสองระดับจะให้ค่าความหนาแน่นเท่ากัน ทำให้การอ่านค่าคลุมเครือ และการเปลี่ยนแปลงต่อองศามีน้อยมาก ทำให้เทอร์โมมิเตอร์ไม่ไวต่อการตอบสนอง ความหนาแน่นของปรอทลดลงอย่างต่อเนื่องและเกือบเป็นเชิงเส้นตลอดทั้งช่วง นี่คือเหตุผลที่เลือกใช้ปรอท

    ตัวอย่างฝึกทำข้อสอบ. เทอร์โมมิเตอร์ความต้านทานแพลตินัมคือขดลวดสายทองแดงในหลอดแก้ว เชื่อมต่อกับวงจรที่วัดความต้านทาน อธิบายวิธีที่มันวัดอุณหภูมิ และยกข้อเสียหนึ่งข้อเมื่อเทียบกับเทอร์โมคัปเปิล

    ความต้านทานของแพลตินัมเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิในรูปแบบที่เป็นที่ทราบกันและเกือบเป็นเชิงเส้น; ความต้านทานจะถูกวัดที่จุดน้ำแข็งและจุดไอน้ำ และอุณหภูมิอื่นๆ จะอ่านได้จากตำแหน่งที่ความต้านทานที่วัดได้ตกอยู่บนสเกลเชิงเส้นระหว่างจุดเหล่านั้น (หรือจากกราฟการปรับเทียบ) ข้อเสีย: ขดลวด หลอด และของเหลวรอบๆ มีความร้อนจำเพาะสูง ทำให้เทอร์โมมิเตอร์ตอบสนองช้าและไม่ทันต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว; นอกจากนี้ยังมีขนาดใหญ่และต้องใช้วงจรในการอ่านค่า (ข้อดี: มีความแม่นยำ เสถียร และใช้งานได้ในช่วงกว้างมาก)

    เทอร์โมมิเตอร์แก๊สปริมาตรคงที่: หลอดแก๊สเชื่อมต่อกับแมโนมิเตอร์ปรอท โดยอ่านค่าความดันจากความต่างระดับ h ระหว่างระดับปรอททั้งสอง
    เทอร์โมมิเตอร์แก๊สปริมาตรคงที่ — ความดันของแก๊สหาได้จากความต่างระดับ h

    ตัวอย่างทำโจทย์. ในเทอร์โมมิเตอร์แก๊สที่ปริมาตรคงที่ ความดันของแก๊สคือ $1.05 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ เมื่อลูกบอลอยู่ในน้ำแข็งละลาย และ $1.19 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ เมื่ออยู่ในห้องอุ่น จงหาอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ของห้อง และอธิบายว่าทำไมเทอร์โมมิเตอร์นี้ (ต่างจากเทอร์โมมิเตอร์ของเหลวในแก้ว) จึงให้ค่าอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์โดยตรง

    สำหรับแก๊สมวลคงที่ที่ปริมาตรคงที่ ความแปรผันตรงกับอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ ดังนั้น $\dfrac{T}{273.15} = \dfrac{1.19 \times 10^{5}}{1.05 \times 10^{5}}$ ซึ่งจะได้ $T = 310\ \text{K}$ ($36\ ^{\circ}\text{C}$) ความดันของแก๊ส (เกือบ) อุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊สนั้นๆ ดังนั้นการอ่านค่าจึงไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารเฉพาะชนิดใด — ซึ่งเป็นลักษณะกำหนดนิยามของสเกลอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์

    ภาพกล้องความร้อน (อินฟราเรด) ของอาหารฟาสต์ฟู้ด: ถุงกระดาษใส่เฟรตโกลายสีเหลืองและส้มสว่างอยู่ข้างถ้วยเครื่องดื่มที่ดูมืดบนพื้นหลังสีม่วง
    กล้องความร้อน (อินฟราเรด) แสดงอุณหภูมิผ่านสี: เฟรตร้อนเรืองแสงสีส้มสว่าง ส่วนเครื่องดื่มเย็นยังคงมืด
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Temperature scale lab · ⁨ห้องปฏิบัติการสเกลอุณหภูมิ⁩

    Kelvin index = Celsius index + 2.73 · ⁨ดัชนีเคลวิน = ดัชนีเซลเซียส + 2.73⁩

    Slide Celsius temperature and see the Kelvin scale shift by 273. · ⁨เลื่อนสเกลเซลเซียสเพื่อดูการเลื่อนของสเกลเคลวินไป 273⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ เทอร์โมมิเตอร์
    volume/ˈvɒljuːm/ ปริมาตร
    capillary/kəˈpɪləri/ หลอดเลือดฝอย
    absolute temperature/ˈæbsəluːt ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิสัมบูรณ์
    resistance/rɪˈzɪstəns/ ความต้านทาน
    thermocouple/ˈθɜːməkʌpl/ เทอร์โมคัปเปิล
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ แรงขับเคลื่อนไฟฟ้า
    calibration/ˌkælɪˈbreɪʃn/ การปรับเทียบ
    fixed points/fɪkst pɔɪnts/ จุดอ้างอิง
    thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์
    mass/mæs/ มวล
    kelvin/ˈkelvɪn/ เคลวิน
    14.2

    Thermodynamic temperature scale · ⁨สเกลอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์⁩

    English

    The thermodynamic temperature 热力学温度 (or absolute temperature 绝对温度) scale does not depend on any one substance — only on the laws of thermodynamics. Its unit is the kelvin 开尔文 (K).

    Absolute zero

    The lowest possible temperature is zero kelvin ($0\ \text{K}$), called absolute zero 绝对零度. There a system has its least possible internal energy 内能 — particles have no random motion to speak of. Nothing can be cooled below this.

    As the exam asks it. "State the magnitude and unit of absolute zero on the thermodynamic scale": $0\ \text{K}$ (the unit is the kelvin). "State the temperature of absolute zero on the Celsius scale": $-273.15\ ^{\circ}\text{C}$ (accept $-273\ ^{\circ}\text{C}$). "What is absolute zero?": the temperature at which a system has its minimum internal energy — the particles have the least kinetic and potential energy they can have — and below which it is impossible to go. The thermodynamic scale is fixed by absolute zero and by the triple point 三相点 of water, defined as $273.16\ \text{K}$; it does not depend on the property of any particular substance.

    Celsius scale

    The Celsius 摄氏度 scale $\theta$ is shifted from the thermodynamic scale by a fixed amount:

    $$T / \text{K} = \theta / {}^{\circ}\text{C} + 273.15.$$

    So $0\ ^{\circ}\text{C} = 273.15\ \text{K}$ and $100\ ^{\circ}\text{C} = 373.15\ \text{K}$. A kelvin and a degree Celsius are the same size, so a temperature difference of $1\ \text{K}$ equals $1\ ^{\circ}\text{C}$ — but the absolute values differ by $273.15$.

    In gas-law calculations you must always use absolute temperatures in kelvin. Using °C gives wrong answers.

    ไทย

    สเกล อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ (หรือ อุณหภูมิสัมบูรณ์) ไม่ขึ้นอยู่กับสารชนิดใดชนิดหนึ่งเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับกฎของอุณหพลศาสตร์เท่านั้น หน่วยวัดคือ เคลวิน (K)

    จุดศูนย์สัมบูรณ์

    อุณหภูมิที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้คือ ศูนย์เคลวิน ($0\ \text{K}$) ซึ่งเรียกว่า จุดศูนย์สัมบูรณ์ ที่จุดนั้น ระบบจะมี พลังงานภายใน ต่ำที่สุด — อนุภาคจะไม่มีการเคลื่อนที่แบบสุ่มใดๆ近乎 Everything cannot be cooled below this.

    ตามรูปแบบที่ข้อสอบถาม "ระบุขนาดและหน่วยของจุดศูนย์สัมบูรณ์บนสเกลอุณหพลศาสตร์": $0\ \text{K}$ (หน่วยคือ เคลวิน) "ระบุอุณหภูมิของจุดศูนย์สัมบูรณ์บนสเกลเซลเซียส": $-273.15\ ^{\circ}\text{C}$ (ยอมรับ $-273\ ^{\circ}\text{C}$) "จุดศูนย์สัมบูรณ์คืออะไร?": อุณหภูมิที่ระบบมี พลังงานภายในขั้นต่ำ — อนุภาคมีพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ต่ำสุดเท่าที่จะเป็นได้ — และต่ำกว่านั้นจะเป็นไปไม่ได้ สเกลอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดโดยจุดศูนย์สัมบูรณ์และ จุดสามสถานะ ของน้ำ ซึ่งนิยามไว้ที่ $273.16\ \text{K}$; มันไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารชนิดใดชนิดหนึ่ง

    กราฟความดันแก๊สเทียบกับอุณหภูมิเป็นองศาเซลเซียส: เส้นตรงวัดระหว่าง 0 และ 100 °C, ขยายกลับเป็นเส้นประเพื่อตัดแกนความดันเป็นศูนย์ที่ประมาณ −273 °C
    การต่อเส้นความดัน–อุณหภูมิกลับไปที่จุดความดันศูนย์จะได้จุดศูนย์สัมบูรณ์ ประมาณ −273 °C

    สเกลเซลเซียส

    สเกล เซลเซียส $\theta$ ถูกเลื่อนออกจากสเกลอุณหพลศาสตร์ด้วยจำนวนคงที่:

    $$T / \text{K} = \theta / {}^{\circ}\text{C} + 273.15$$

    ดังนั้น $0\ ^{\circ}\text{C} = 273.15\ \text{K}$ และ $100\ ^{\circ}\text{C} = 373.15\ \text{K}$ เ克林วินและองศาเซลเซียสมี ขนาดเท่ากัน ดังนั้น ส่วนต่าง อุณหภูมิ $1\ \text{K}$ เท่ากับ $1\ ^{\circ}\text{C}$ — แต่ค่าสัมบูรณ์ต่างกัน $273.15$

    ในการคำนวณกฎแก๊ส คุณต้องใช้อุณหภูมิ สัมบูรณ์ เป็นเคลวินเสมอ การใช้ °C จะให้คำตอบผิด

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ ศูนย์สัมบูรณ์
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ พลังงานภายใน
    Celsius/ˈselsɪəs/ เซลเซียส
    triple point/ˈtrɪpl pɔɪnt/ จุดสามเฟส
    specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ ความจุความร้อนจำเพาะ
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ ฉนวนกันความร้อน (insulation)
    specific latent heat/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt/ ความร้อนแฝงจำเพาะ
    latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ ความร้อนแฝง
    fusion/ˈfjuːʒn/ การหลอมรวม
    vaporisation/ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ การระเหย
    specific latent heat of fusion/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt ɒv ˈfjuːʒn/ ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมละลาย
    specific latent heat of vaporisation/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt ɒv ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ ความร้อนแฝงจำเพาะของการระเหย
    atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/ ความดันบรรยากาศ
    phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ การเปลี่ยนแปลงสถานะ
    intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ ระหว่างโมเลกุล
    14.3

    Specific heat capacity · ⁨ความจุความร้อนจำเพาะ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define and use specific heat capacity
    2. define and use specific latent heat and distinguish between specific latent heat of fusion and specific latent heat of vaporisation
    ไทย
    1. นิยามและใช้ ความจุความร้อนจำเพาะ
    2. นิยามและใช้ ความร้อนแฝงจำเพาะ และแยกแยะระหว่าง ความร้อนแฝงจำเพาะในการหลอมเหลว และ ความร้อนแฝงจำเพาะในการระเหย

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    The specific heat capacity 比热容 $c$ of a substance is the energy 能量 needed to raise the temperature of unit mass by one kelvin:

    $$c = \frac{Q}{m \Delta T} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m c \Delta T.$$

    Unit: $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.

    The two-mark definition: specific heat capacity is the energy required per unit mass of the substance to raise its temperature by one kelvin (or by one degree). Both "per unit mass" and "per unit temperature rise" are needed; "the energy to heat 1 kg by 1 K" scores, "the energy to heat the substance" does not.

    Examples:

    • water: $c \approx 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ (high — why water is a good coolant and why oceans steady the climate).
    • aluminium: $c \approx 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
    • copper: $c \approx 385\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.

    To find an unknown $c$ by experiment: supply known energy $Q$ electrically ($Q = VIt$, from the power 功率), then measure the temperature rise $\Delta T$ of a known mass 质量 $m$. Then $c = Q/(m\Delta T)$. Reduce heat loss with insulation 隔热 and use a rise of about 10 K (big enough to measure well, small enough to limit losses).

    Worked example. How much energy is needed to heat $0.50\ \text{kg}$ of water from $20\ ^{\circ}\text{C}$ to $100\ ^{\circ}\text{C}$? (Specific heat capacity of water $c = 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

    A temperature difference is the same in K and °C, so $\Delta T = 80$:

    $$Q = mc\Delta T = 0.50 \times 4200 \times 80 = 1.68 \times 10^{5}\ \text{J}\ (= 168\ \text{kJ}).$$

    When two bodies reach thermal equilibrium with no heat lost to the surroundings, the energy gained by the colder one equals the energy lost by the hotter one:

    $$m_{1} c_{1} (T_{\text{eq}} - T_{1}) = m_{2} c_{2} (T_{2} - T_{\text{eq}}).$$

    Worked example. $0.20\ \text{kg}$ of water at $80\ ^{\circ}\text{C}$ is mixed with $0.30\ \text{kg}$ of water at $20\ ^{\circ}\text{C}$, with no heat lost. Find the final temperature.

    The heat lost by the hot water equals the heat gained by the cold water (the $c$ of water cancels):

    $$0.20\,(80 - T_{\text{eq}}) = 0.30\,(T_{\text{eq}} - 20) \quad\Rightarrow\quad T_{\text{eq}} = 44\ ^{\circ}\text{C}.$$

    Worked example. A beaker of mass $42\ \text{g}$ and specific heat capacity $840\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ contains $120\ \text{g}$ of a liquid. A heater supplies energy at $810\ \text{W}$ and the temperature of the beaker and liquid rises from $19\ ^{\circ}\text{C}$ to $47\ ^{\circ}\text{C}$ in $15\ \text{s}$. Find the specific heat capacity of the liquid. The experiment is then repeated with water in place of the liquid; state and explain how the temperature rise differs.

    Energy supplied $Q = Pt = 810 \times 15 = 1.22 \times 10^{4}\ \text{J}$, $\Delta T = 28\ \text{K}$. It heats both the beaker and the liquid: $Q = m_{\text{b}}c_{\text{b}}\Delta T + m_{\text{l}}c_{\text{l}}\Delta T$, so $1.215 \times 10^{4} = 0.042 \times 840 \times 28 + 0.120 \times c_{\text{l}} \times 28$, i.e. $1.215 \times 10^{4} = 988 + 3.36c_{\text{l}}$, giving $c_{\text{l}} = 3.3 \times 10^{3}\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$. Forgetting the beaker is the usual lost mark. With water ($c = 4200$, higher) the same energy in the same time produces a smaller temperature rise, since $\Delta T = Q/(mc)$ and $mc$ is larger. If energy is lost to the surroundings the true $Q$ absorbed is less than $Pt$, so a value of $c$ found this way is an overestimate.

    Worked example. Two metal blocks X and Y are placed in contact and insulated from the surroundings. X (mass $0.50\ \text{kg}$, initially $80\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 390\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) and Y (mass $0.50\ \text{kg}$, initially $20\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) reach a common final temperature. Explain, in terms of energy, why the final temperature is nearer to Y's starting temperature, and find it.

    Thermal energy flows from X (hotter) to Y until they are in thermal equilibrium; the energy lost by X equals the energy gained by Y. Because Y has the larger specific heat capacity, a given amount of energy changes its temperature less than it changes X's, so Y warms by fewer degrees than X cools and the final temperature lies nearer to $20\ ^{\circ}\text{C}$. Numerically: $0.50 \times 390 \times (80 - T) = 0.50 \times 900 \times (T - 20)$, so $390(80 - T) = 900(T - 20)$, $31200 + 18000 = 1290T$, $T = 38\ ^{\circ}\text{C}$.

    Worked example. An aluminium block has volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ and density $2.70 \times 10^{3}\ \text{kg m}^{-3}$. Find the energy needed to raise its temperature by $40\ \text{K}$ ($c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

    Mass $= \rho V = 2.70 \times 10^{3} \times 3.612 \times 10^{-3} = 9.75\ \text{kg}$, so $Q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. A mass hidden behind a density and a volume is a common first step.

    ไทย

    ความจุความร้อนจำเพาะ $c$ ของสาร คือ พลังงาน ที่ต้องการเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของ มวลหน่วย ไป หนึ่งเคลวิน:

    $$c = \frac{Q}{m \Delta T} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m c \Delta T$$

    หน่วย: $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$

    นิยาม 2 คะแนน: ความจุความร้อนจำเพาะคือพลังงานที่ต้องการต่อมวลหน่วยของสารเพื่อเพิ่มอุณหภูมิจากหนึ่งเคลวิน (หรือหนึ่งองศา) ทั้งคำว่า "ต่อมวลหน่วย" และ "ต่อส่วนต่างอุณหภูมิหนึ่ง" จำเป็นต้องมี; "พลังงานเพื่อให้ความร้อน 1 kg ขึ้น 1 K" ได้คะแนน, แต่ "พลังงานเพื่อให้ความร้อนสาร" ไม่ได้

    ตัวอย่าง:

    • น้ำ: $c \approx 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ (สูง — ทำไมน้ำถึงเป็นสารทำความเย็นที่ดีและทำไมมหาสมุทรถึงปรับสภาพอากาศได้เสถียร)
    • อะลูมิเนียม: $c \approx 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$
    • ทองแดง: $c \approx 385\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$
    แผนภูมิแท่งของความจุความร้อนจำเพาะ: น้ำ 4200, น้ำแข็ง 2100, อะลูมิเนียม 900 และทองแดง 385 J ต่อ kg ต่อ K — น้ำสูงกว่าของแข็งมาก
    ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำสูงกว่าของแข็งทั่วไปมาก — ทำไมมันถึงเป็นสารทำความเย็นที่ดี

    ในการหา $c$ ที่ไม่ทราบจากการทดลอง: จ่ายพลังงาน known $Q$ ผ่านไฟฟ้า ($Q = VIt$, จาก กำลัง), แล้ววัดส่วนต่างอุณหภูมิ $\Delta T$ ของ มวล Known $m$ จากนั้น $c = Q/(m\Delta T)$ ลดการสูญเสียความร้อนด้วยการใช้ ฉนวน และใช้ส่วนต่างอุณหภูมิประมาณ 10 K (ใหญ่พอที่จะวัดได้ดี เล็กพอที่จะจำกัดการสูญเสีย)

    ตัวอย่างวิธีทำ ต้องใช้พลังงานเท่าไหร่ในการให้ความร้อน $0.50\ \text{kg}$ ของน้ำจาก $20\ ^{\circ}\text{C}$ ไปยัง $100\ ^{\circ}\text{C}$? (ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ $c = 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$)

    ส่วนต่างอุณหภูมิต่างกันใน K และ °C เท่ากัน ดังนั้น $\Delta T = 80$:

    $$Q = mc\Delta T = 0.50 \times 4200 \times 80 = 1.68 \times 10^{5}\ \text{J}\ (= 168\ \text{kJ}).$$

    เมื่อวัตถุสองชิ้นเข้าสู่สมดุลความร้อนโดยไม่มีความร้อนสูญเสียสู่สิ่งแวดล้อม พลังงานที่วัตถุเย็นรับเท่ากับพลังงานที่วัตถุร้อนคายออก:

    $$m_{1} c_{1} (T_{\text{eq}} - T_{1}) = m_{2} c_{2} (T_{2} - T_{\text{eq}})$$

    ตัวอย่างทำโจทย์. $0.20\ \text{kg}$ ของน้ำที่ $80\ ^{\circ}\text{C}$ ผสมกับ $0.30\ \text{kg}$ ของน้ำที่ $20\ ^{\circ}\text{C}$ โดยไม่มีความร้อนสูญเสีย จงหาอุณหภูมิสุดท้าย

    ความร้อนที่น้ำร้อนคายเท่ากับความร้อนที่น้ำเย็นรับ ( $c$ ของน้ำจะตัดกัน):

    $$0.20\,(80 - T_{\text{eq}}) = 0.30\,(T_{\text{eq}} - 20) \quad\Rightarrow\quad T_{\text{eq}} = 44\ ^{\circ}\text{C}.$$

    ตัวอย่างทำโจทย์. ถ้วยทดลองที่มีมวล $42\ \text{g}$ และความจุความร้อนจำเพาะ $840\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ มีของเหลว $120\ \text{g}$在里面 Heater จ่ายพลังงานที่ $810\ \text{W}$ และอุณหภูมิของถ้วยและของเหลวเพิ่มขึ้นจาก $19\ ^{\circ}\text{C}$ ไปยัง $47\ ^{\circ}\text{C}$ ในเวลา $15\ \text{s}$ จงหาความจุความร้อนจำเพาะของของเหลว จากนั้นทำการทดลองซ้ำโดยใช้แทนน้ำแทนของเหลว: ระบุและอธิบายว่าส่วนต่างอุณหภูมิต่างอย่างไร

    พลังงานที่จ่ายมา $Q = Pt = 810 \times 15 = 1.22 \times 10^{4}\ \text{J}$, $\Delta T = 28\ \text{K}$ มันทำให้ทั้งถ้วยและของร้อน: $Q = m_{\text{b}}c_{\text{b}}\Delta T + m_{\text{l}}c_{\text{l}}\Delta T$, ดังนั้น $1.215 \times 10^{4} = 0.042 \times 840 \times 28 + 0.120 \times c_{\text{l}} \times 28$, นั่นคือ $1.215 \times 10^{4} = 988 + 3.36c_{\text{l}}$, ให้ค่า $c_{\text{l}} = 3.3 \times 10^{3}\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ การลืมพิจารณาถ้วยเป็นสาเหตุหลักของการเสียคะแนน หากใช้น้ำ ($c = 4200$, สูงกว่า) พลังงานเท่ากันในเวลาที่เท่ากันจะทำให้เกิด ส่วนต่างอุณหภูมิต่ำกว่า เนื่องจาก $\Delta T = Q/(mc)$ และ $mc$ มีค่ามากกว่า หากมีพลังงานสูญเสียสู่สิ่งแวดล้อม ค่า $Q$ จริงที่ดูดซึมจะน้อยกว่า $Pt$ ดังนั้นค่า $c$ ที่หาค้นพบด้วยวิธีนี้จะเป็นการ ประเมินค่าเกิน

    ตัวอย่างวิธีทำ บล็อกโลหะ X และ Y วางสัมผัสกันและฉนวนจากสิ่งแวดล้อม X (มวล $0.50\ \text{kg}$, เริ่มต้นที่ $80\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 390\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) และ Y (มวล $0.50\ \text{kg}$, เริ่มต้นที่ $20\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) ถึงอุณหภูมิสุดท้ายเท่ากัน อธิบายในแง่ของพลังงานว่าทำไมอุณหภูมิสุดท้ายจึงใกล้กับอุณหภูมิเริ่มต้นของ Y มากกว่า และหาค่ามัน

    พลังงานความร้อนไหลจาก X (ร้อนกว่า) ไปยัง Y จนกว่าจะอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน; พลังงานที่ Xสูญเสียมีค่าเท่ากับพลังงานที่ Yได้รับ เนื่องจาก Y มีความจุความร้อนจำเพาะมากกว่า เมื่อได้รับพลังงานปริมาณเดียวกันอุณหภูมิของ Y จะเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า X ดังนั้น Y จึงมีความร้อนเพิ่มขึ้นน้อยลงเมื่อเทียบกับ X ที่เย็นลง และอุณหภูมิสุดท้ายจะอยู่ใกล้กับ $20\ ^{\circ}\text{C}$ hơn. การคำนวณ: $0.50 \times 390 \times (80 - T) = 0.50 \times 900 \times (T - 20)$, ดังนั้น $390(80 - T) = 900(T - 20)$, $31200 + 18000 = 1290T$, $T = 38\ ^{\circ}\text{C}$.

    ตัวอย่างวิธีทำ. บล็อกอลูมิเนียมมีปริมาตร $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ และความหนาแน่น $2.70 \times 10^{3}\ \text{kg m}^{-3}$. หาพลังงานที่ต้องการเพื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้น $40\ \text{K}$ ($c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

    มวล $= \rho V = 2.70 \times 10^{3} \times 3.612 \times 10^{-3} = 9.75\ \text{kg}$, ดังนั้น $Q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. การหามวลที่ซ่อนอยู่ภายใต้ความหนาแน่นและปริมาตรเป็นขั้นตอนแรกๆ ที่พบบ่อย

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Energy to heat it: E = mcΔT · ⁨พลังงานที่ใช้เพื่อให้ความร้อน: E = mcΔT⁩

    Pick a material, set the mass and the temperature rise, and read the energy. Water needs far more energy than the metals. · ⁨เลือกวัสดุ ตั้งมวลและการเพิ่มอุณหภูมิ แล้วอ่านค่าพลังงาน น้ำต้องใช้พลังงานมากกว่าโลหะมาก⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Specific heat capacity · ⁨ความจุความร้อนจำเพาะ⁩

    Q = mcΔT

    The heat needed is proportional to the temperature rise — the gradient depends on mass and the material's specific heat capacity. · ⁨ความร้อนที่ต้องการ แปรผันตรงกับผลต่างอุณหภูมิ — ความชันขึ้นอยู่กับมวลและความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุ⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    heat/hiːt/ ความร้อน
    thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能
    14.3

    Specific latent heat · ⁨ความร้อนแฝงจำเพาะ⁩

    English

    When a substance changes state (solid ↔ liquid, or liquid ↔ gas) at constant temperature, energy must be supplied (or removed) with no temperature change. This energy is the latent heat 潜热.

    The specific latent heat 比潜热 $L$ is the energy to change the state of unit mass at constant temperature:

    $$L = \frac{Q}{m} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m L.$$

    Unit: $\text{J kg}^{-1}$.

    The two-mark definition: specific latent heat is the energy required per unit mass to change the state of a substance without a change of temperature. "Without a change in temperature" (or "at constant temperature") is the second mark and the one most often missed. Add "from solid to liquid" for fusion or "from liquid to gas" for vaporisation when a particular one is asked for.

    Two kinds:

    • specific latent heat of fusion 熔化 $L_{\text{f}}$ — for melting or freezing (solid ↔ liquid).
    • specific latent heat of vaporisation 汽化 $L_{\text{v}}$ — for boiling or condensing (liquid ↔ gas).

    For water at atmospheric pressure: $L_{\text{f}} \approx 3.34 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$ (at $0\ ^{\circ}\text{C}$); $L_{\text{v}} \approx 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$ (at $100\ ^{\circ}\text{C}$). So $L_{\text{v}}$ is about 7 times $L_{\text{f}}$.

    Worked example. A $2.0\ \text{kW}$ heater boils water already at $100\ ^{\circ}\text{C}$. How long does it take to turn $0.10\ \text{kg}$ of this water into steam? ($L_{\text{v}} = 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$, no heat lost.)

    The energy needed is $Q = mL_{\text{v}} = 0.10 \times 2.26 \times 10^{6} = 2.26 \times 10^{5}\ \text{J}$. From $Q = Pt$,

    $$t = \frac{Q}{P} = \frac{2.26 \times 10^{5}}{2000} \approx 110\ \text{s}.$$

    Worked example. Water in a kettle stays at $100\ ^{\circ}\text{C}$ while it boils, even though the element keeps heating it. Explain this with reference to molecular energies (3 marks).

    Temperature is a measure of the mean kinetic energy of the molecules. During boiling the energy supplied is used to separate the molecules — to do work against the attractive forces between them and against the atmosphere as the vapour expands — so it increases the potential energy of the molecules, not their kinetic energy. With the mean kinetic energy unchanged, the temperature stays constant until all the water has become steam.

    Why $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$

    Two reasons, both from the particle picture of matter:

    1. Bonds: in melting, only some of the intermolecular 分子间 bonds break; the particles stay close as a liquid. In boiling, all the bonds must break so the particles can separate. Breaking all of them needs more energy.
    2. Work against the atmosphere: when a liquid turns to gas it expands hugely (vapour has about $10^{3}$ times the liquid's volume 体积), so it does work pushing back the surrounding atmospheric pressure 大气压强. That work comes from the energy supplied.

    Write both reasons and name the energies: the marks are for bonds broken (potential energy increased) — some in melting, all in boiling, and work done against the atmosphere in the large expansion. "Boiling needs more energy" restates the question.

    Worked example. A dish holds $7.2 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ of a liquid of density $710\ \text{kg m}^{-3}$ and specific latent heat of vaporisation $3.6 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$. It evaporates completely. Find the energy absorbed, and suggest, with a reason, whether the substance's specific latent heat of fusion is likely to be smaller or larger than this.

    Mass $= \rho V = 710 \times 7.2 \times 10^{-5} = 5.1 \times 10^{-2}\ \text{kg}$, so the energy absorbed is $Q = mL_{\text{v}} = 5.1 \times 10^{-2} \times 3.6 \times 10^{5} = 1.8 \times 10^{4}\ \text{J}$. Its $L_{\text{f}}$ is likely to be smaller: melting breaks only some of the intermolecular bonds and the volume barely changes, whereas vaporising breaks them all and does work against the atmosphere — for water $L_{\text{f}}$ is about a seventh of $L_{\text{v}}$.

    Multi-step problems

    If a problem mixes temperature change and a phase change 相变 (e.g. ice at $-5\ ^{\circ}\text{C}$ warming to water at $30\ ^{\circ}\text{C}$):

    1. heat the solid from $-5\ ^{\circ}\text{C}$ to $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{1} = m c_{\text{ice}} \times 5$.
    2. melt at $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{2} = m L_{\text{f}}$.
    3. heat the water from $0\ ^{\circ}\text{C}$ to $30\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{3} = m c_{\text{water}} \times 30$.

    Total: $Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}$. A phase change is at constant temperature, so use $mL$ there, not $mc\Delta T$.

    When a question gives heater power $P$ and asks for the time, use $Q = Pt$ (assuming no heat loss). Insulating (lagging) the container and using a small mass are common ways to improve the experiment.

    Worked example. An ice cube of mass $37.0\ \text{g}$ at $0.0\ ^{\circ}\text{C}$ is dropped into $208\ \text{g}$ of water at $26.4\ ^{\circ}\text{C}$ in an insulated beaker. Find the final temperature when all the ice has melted. ($c_{\text{water}} = 4.20\ \text{kJ kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$, $L_{\text{f}} = 334\ \text{kJ kg}^{-1}$.)

    The ice gains energy twice — to melt, then to warm from $0$ to $T$ — and the water loses energy cooling from $26.4$ to $T$. Working in grams and kilojoules: $37.0 \times 0.334 + 37.0 \times 4.20 \times 10^{-3}\,T = 208 \times 4.20 \times 10^{-3}\,(26.4 - T)$, i.e. $12.4 + 0.155T = 23.1 - 0.874T$, so $1.03T = 10.7$ and $T = 10\ ^{\circ}\text{C}$. Three energy terms, one equation; the commonest error is to forget that the melted ice must also be warmed.

    ไทย

    เมื่อสารเปลี่ยนสถานะ (ของแข็ง ↔ ของเหลว, หรือ ของเหลว ↔ ก๊าซ) ที่อุณหภูมิคงที่ ต้องมีพลังงานถูกจ่ายเข้า (หรือถูกดึงออก) โดย ไม่มีการ เปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ พลังงานนี้เรียกว่า ความร้อนแฝง

    ความร้อนแฝงจำเพาะ $L$ คือพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของ มวลหนึ่งหน่วย ที่อุณหภูมิคงที่:

    $$L = \frac{Q}{m} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m L.$$

    หน่วย: $\text{J kg}^{-1}$

    นิยามแบบได้คะแนนเต็ม 2 คะแนน: ความร้อนแฝงจำเพาะคือพลังงานที่จำเป็นต่อหน่วยมวลเพื่อเปลี่ยนสถานะของสารโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ. “โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ” (หรือ “ที่อุณหภูมิคงที่”) เป็นคะแนนข้อที่สองและมักพลาดบ่อยที่สุด เพิ่มคำว่า “จากของแข็งเป็นของเหลว” สำหรับการหลอมละลาย หรือ “จากของเหลวเป็นก๊าซ” สำหรับการระเหย หากโจทย์ระบุชนิดใดชนิดหนึ่ง

    สองประเภท:

    • ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมละลาย $L_{\text{f}}$ —用于熔化或凝固(solid ↔ liquid).
    • ความร้อนแฝงจำเพาะของการระเหย $L_{\text{v}}$ —用于沸腾或凝结(liquid ↔ gas).

    สำหรับน้ำที่ความดันบรรยากาศ: $L_{\text{f}} \approx 3.34 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$ (ที่ $0\ ^{\circ}\text{C}$); $L_{\text{v}} \approx 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$ (ที่ $100\ ^{\circ}\text{C}$). ดังนั้น $L_{\text{v}}$ จึงประมาณ 7 เท่าของ $L_{\text{f}}$

    กราฟเส้นความร้อนของอุณหภูมิเทียบกับพลังงานสำหรับน้ำ: น้ำแข็งอุ่นขึ้นตามแนวชัน, หลอมละลายบนพื้นที่ราบที่ 0 องศา, น้ำอุ่นขึ้นตามแนวชันมากขึ้น, ต้มเดือดบนพื้นที่ราบยาวที่ 100 องศา, จากนั้นไอน้ำอุ่นขึ้น — พื้นที่ราบคือการเปลี่ยนสถานะที่อุณหภูมิคงที่
    กราฟเส้นความร้อน: ส่วนที่มีแนวชันทำให้สารอุ่นขึ้น ($mc\Delta T$); พื้นที่ราบคือการเปลี่ยนสถานะ ($mL$)

    ตัวอย่างวิธีทำ. เครื่องทำความร้อน $2.0\ \text{kW}$ ทำให้น้ำที่อุณหภูมิ $100\ ^{\circ}\text{C}$ ต้มเดือด ใช้เวลาเท่าไหร่ในการเปลี่ยน $0.10\ \text{kg}$ ของน้ำนี้เป็นไอน้ำ? ($L_{\text{v}} = 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$, ไม่มีการสูญเสียความร้อน.)

    พลังงานที่ต้องการคือ $Q = mL_{\text{v}} = 0.10 \times 2.26 \times 10^{6} = 2.26 \times 10^{5}\ \text{J}$. จาก $Q = Pt$,

    $$t = \frac{Q}{P} = \frac{2.26 \times 10^{5}}{2000} \approx 110\ \text{s}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. น้ำในกาน้ำร้อนคงอยู่ที่ $100\ ^{\circ}\text{C}$ ขณะต้มเดือด แม้ że元件จะให้ความร้อนต่อเนื่อง อธิบายปรากฏการณ์นี้โดยใช้แนวคิดเกี่ยวกับพลังงานระดับโมเลกุล (3 คะแนน).

    อุณหภูมิเป็นวัดของพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล ระหว่างการต้ม พลังงานที่ได้รับใช้เพื่อแยกโมเลกุลออกจากกัน — เพื่อทำงานต้านแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและต้านความดันบรรยากาศเมื่อก๊าซขยายตัว — ดังนั้นจึงเพิ่มพลังงานศักย์ของโมเลกุล ไม่ใช่พลังงานจลน์ ด้วยพลังงานจลน์เฉลี่ยที่ไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิจะคงที่จนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นไอน้ำ

    ทำไม $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$

    สองเหตุผล ทั้งสองมาจากภาพอนุภาคของสสาร:

    1. พันธะ: ในการหลอมละลาย มีเพียงบางส่วนของ พันธะระหว่างโมเลกุล ที่แตก; อนุภาคยังคงอยู่ใกล้กันเป็นของเหลว ในการต้ม ทั้งหมด ของพันธะต้องแตกเพื่อให้อนุภาคแยกออกจากกัน การแตกทั้งหมดต้องใช้พลังงานมากกว่า
    2. การทำงานต้านบรรยากาศ: เมื่อของเหลวเปลี่ยนเป็นก๊าซ它会膨胀巨大(蒸气具有约$10^{3}$倍的液体体积),因此它必须推开周围的大气压做功。这部分功来自提供的能量。

    เขียนทั้งสองเหตุผลและระบุชื่อย能量:得分点在于断裂的键(势能增加)—部分在熔化,全部在沸腾,以及在大膨胀过程中对大气所做的功。“沸腾需要更多能量”只是重述了问题。

    ตัวอย่างวิธีทำ. จานหนึ่งบรรจุ $7.2 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ ของของเหลวที่มีความหนาแน่น $710\ \text{kg m}^{-3}$ และความร้อนแฝงจำเพาะของการระเหย $3.6 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$. มันระเหยหมดสิ้น จาenergy absorbed, และเสนอพร้อมเหตุผลว่าความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมละลายของสารน่าจะมีค่าน้อยกว่าหรือมากกว่าค่านี้

    มวล $= \rho V = 710 \times 7.2 \times 10^{-5} = 5.1 \times 10^{-2}\ \text{kg}$, ดังนั้น energy absorbed คือ $Q = mL_{\text{v}} = 5.1 \times 10^{-2} \times 3.6 \times 10^{5} = 1.8 \times 10^{4}\ \text{J}$. Its $L_{\text{f}}$ likely to be smaller: Eine只破坏部分分子间键且体积几乎不变,而汽化则破坏所有键并做对抗大气的功——对于水而言$L_{\text{f}}$约为$L_{\text{v}}$的七分之一。

    ปัญหาหลายขั้นตอน

    หากปัญหาผสมระหว่างการเปลี่ยนอุณหภูมิและการ เปลี่ยนสถานะ (เช่น น้ำแข็งที่ $-5\ ^{\circ}\text{C}$ อุ่นขึ้นเป็นน้ำที่ $30\ ^{\circ}\text{C}$):

    1. ให้ความร้อนของแข็งจาก $-5\ ^{\circ}\text{C}$ ถึง $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{1} = m c_{\text{ice}} \times 5$.
    2. หลอมละลายที่ $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{2} = m L_{\text{f}}$.
    3. ให้ความร้อนน้ำจาก $0\ ^{\circ}\text{C}$ ถึง $30\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{3} = m c_{\text{water}} \times 30$.

    รวม: $Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}$. การเปลี่ยนสถานะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ ดังนั้นใช้ $mL$ ที่นั่น ไม่ใช่ $mc\Delta T$.

    ปัญหาความร้อนหลายขั้นตอนสามขั้นตอน: อุ่นน้ำแข็งจาก -5 ถึง 0 องศา (Q1 = m c times 5), หลอมละลายที่ 0 องศา (Q2 = m L_f), แล้วอุ่นน้ำไป 30 องศา (Q3 = m c times 30); บวก Q1 + Q2 + Q3 *แบ่งปัญหายวดยามออกเป็นขั้นตอน — ให้ความร้อน, เปลี่ยนสถานะ, ให้ความร้อน — แล้วบวกพลังงานเข้าด้วยกัน

    เมื่อโจทย์กำหนดกำลังเครื่องทำความร้อน $P$ และถามหาเวลา ให้ใช้ $Q = Pt$ (โดยสมมติว่าไม่มีการสูญเสียความร้อน) การห่อฉนวน (lagging)ภาชนะและการใช้มวลน้อยเป็นวิธีการทั่วไปเพื่อปรับปรุงการทดลอง

    ตัวอย่างวิธีทำ ก้อนน้ำแข็งมวล $37.0\ \text{g}$ ที่ $0.0\ ^{\circ}\text{C}$ ถูก-drop ลงใน $208\ \text{g}$ ของน้ำที่ $26.4\ ^{\circ}\text{C}$ ในแก้วทดลองที่มีฉนวน หาอุณหภูมิสุดท้ายเมื่อน้ำแข็งละลายหมด ($c_{\text{water}} = 4.20\ \text{kJ kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$, $L_{\text{f}} = 334\ \text{kJ kg}^{-1}$)

    น้ำแข็งได้รับพลังงานสองครั้ง — เพื่อละลาย, จากนั้นเพื่ออุ่นจาก $0$ ไปยัง $T$ — และน้ำสูญเสียพลังงานโดยการเย็นลงจาก $26.4$ ไปยัง $T$. ทำงานโดยใช้หน่วยกรัมและกิโลจูล: $37.0 \times 0.334 + 37.0 \times 4.20 \times 10^{-3}\,T = 208 \times 4.20 \times 10^{-3}\,(26.4 - T)$, นั่นคือ $12.4 + 0.155T = 23.1 - 0.874T$, ดังนั้น $1.03T = 10.7$ และ $T = 10\ ^{\circ}\text{C}$. สามพจน์พลังงาน, สมการเดียว; ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดคือการลืมว่าน้ำแข็งที่ละลายแล้วต้องถูกทำให้ร้อนขึ้นด้วย

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    14.3

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    thermal equilibrium the state of two objects between which there is no net transfer of thermal energy; they are at the same temperature
    thermal energy energy transferred from one object to another because of a temperature difference
    thermodynamic temperature scale a temperature scale that does not depend on the property of any particular substance, fixed by absolute zero and the triple point of water
    absolute zero the lowest possible temperature, $0\ \text{K}$ ($-273.15\ ^{\circ}\text{C}$), at which a system has its minimum internal energy
    kelvin and Celsius $T/\text{K} = \theta/^{\circ}\text{C} + 273.15$; a temperature difference is the same number in both
    specific heat capacity the energy required per unit mass of a substance to raise its temperature by one kelvin
    specific latent heat the energy required per unit mass to change the state of a substance without a change of temperature
    specific latent heat of fusion the specific latent heat for the change from solid to liquid
    specific latent heat of vaporisation the specific latent heat for the change from liquid to gas
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    ความสมดุลทางความร้อน สถานะของวัตถุสองชิ้นที่ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนสุทธิระหว่าง them; They are at the same temperature
    พลังงานความร้อน พลังงานที่ถูกถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีก物体หนึ่งเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ
    สเกลอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิก สเกลอุณหภูมิที่ไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารใด ๆ โดยเฉพาะ, กำหนดโดยศูนย์สัมบูรณ์และจุดสามสถานะของน้ำ
    ศูนย์สัมบูรณ์ อุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้, $0\ \text{K}$ ($-273.15\ ^{\circ}\text{C}$), ที่ระบบมีพลังงานภายในต่ำสุด
    เคลวินและเซลเซียส $T/\text{K} = \theta/^{\circ}\text{C} + 273.15$; ส่วนต่างของอุณหภูมิเป็นตัวเลขเดียวกันในทั้งสองสเกล
    ความจุความร้อนจำเพาะ พลังงานที่ต้องการต่อหน่วยมวลของสารเพื่อเพิ่มอุณหภูมิจากหนึ่งเคลวิน
    ความร้อนแฝงจำเพาะ พลังงานที่ต้องการต่อหน่วยมวลเพื่อเปลี่ยนสถานะของสารโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
    ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว ความร้อนแฝงจำเพาะสำหรับการเปลี่ยนแปลงจากของแข็งเป็นของเหลว
    ความร้อนแฝงจำเพาะของการระเหย ความร้อนแฝงจำเพาะสำหรับการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิ
    14.3

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Thermal equilibrium means no net flow of thermal energy (equal temperature); the thermodynamic scale does not depend on any particular substance and is fixed by absolute zero and the triple point.
    • Convert temperatures with $T/\text{K} = \theta/^\circ\text{C} + 273.15$ and use kelvin in energy and gas equations; a temperature difference is the same in K and °C.
    • Use $Q = mc\Delta T$ for heating and $Q = mL$ for a change of state (no temperature change) — never mix the two, and in a mixing problem write one equation: energy lost $=$ energy gained, with every term.
    • A container heated with the liquid takes its share of the energy: include $m_{\text{beaker}}c_{\text{beaker}}\Delta T$.
    • For a "why" about latent heat, name the energies: potential energy of the molecules rises (bonds broken, work against the atmosphere), kinetic energy and hence temperature do not.

    Common mistakes

    • Defining specific heat capacity without "per unit mass" or without "per kelvin". Both are needed; the unit $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ is the reminder.
    • Leaving "at constant temperature" out of the latent-heat definition. That phrase is what distinguishes latent heat from heating.
    • Using $mc\Delta T$ across a change of state, or $mL$ for a temperature rise.
    • Forgetting the beaker, the calorimeter or the melted ice's own warming in an energy equation.
    • Saying the thermodynamic scale "uses kelvin" as its defining feature. The feature is that it depends on no particular substance.
    • Adding $273.15$ to a temperature difference. Differences are the same in both scales.
    ไทย
    • สมดุลความร้อน หมายถึงไม่มีการไหลสุทธิของพลังงานความร้อน (อุณหภูมิเท่ากัน); สเกลอุณหพลศาสตร์ไม่ขึ้นอยู่กับสารชนิดใดชนิดหนึ่งและกำหนดโดยศูนย์สัมบูรณ์และจุดสามสถานะ
    • แปลงค่าอุณหภูมิโดยใช้ $T/\text{K} = \theta/^\circ\text{C} + 273.15$ และใช้ เคลวิน ในสมการพลังงานและสมการแก๊ส; ค่า ต่าง ของอุณหภูมิมีค่าเท่ากันใน K และ °C
    • ใช้ $Q = mc\Delta T$ สำหรับการให้ความร้อนและ $Q = mL$ สำหรับการเปลี่ยนสถานะ (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) — ห้ามผสมสองอย่างนี้เข้าด้วยกัน และในโจทย์การผสมให้เขียนสมการเดียว: พลังงานที่สูญเสีย $=$ พลังงานที่ได้รับ โดยรวมทุกพจน์
    • ถังที่ให้ความร้อนพร้อมกับของเหลวจะรับส่วนหนึ่งของพลังงานด้วย: ต้องรวม $m_{\text{beaker}}c_{\text{beaker}}\Delta T$ เข้าไป
    • สำหรับคำอธิบาย "ทำไม" เกี่ยวกับความร้อนแฝง ให้ระบุประเภทของพลังงาน: พลังงานศักย์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น (พันธะแตก, ทำงานต้านบรรยากาศ) ส่วนพลังงานจลน์และดังนั้นอุณหภูมิจะไม่เปลี่ยน

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การนิยามความจุความร้อนจำเพาะโดยไม่ระบุ "ต่อหน่วยมวล" หรือ "ต่อเคลวิน" ทั้งสองสิ่งจำเป็น; หน่วย $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ คือการเตือนความจำ
    • การละทิ้งคำว่า "ที่อุณหภูมิคงที่" ออกจากนิยามความร้อนแฝง คำ phrases นี้คือสิ่งที่แยกความร้อนแฝงออกจากกระบวนการให้ความร้อน
    • การใช้ $mc\Delta T$ ผ่านการเปลี่ยนสถานะ หรือ $mL$ สำหรับการเพิ่มอุณหภูมิ
    • การลืมแก้ววัด, คาลอรีมิเตอร์ หรือการอุ่นตัวเองของน้ำแข็งที่ละลายแล้วในสมการพลังงาน
    • การบอกว่าสเกลอุณหพลศาสตร์ "ใช้เคลวิน" เป็นคุณลักษณะที่กำหนด其特征 คุณลักษณะจริงคือมันไม่ขึ้นอยู่กับสารชนิดใดชนิดหนึ่ง
    • การเพิ่ม $273.15$ เข้าไปใน ส่วนต่างอุณหภูมิ ส่วนต่างมีค่าเท่ากันในทั้งสองสเกล
  • 15

    Ideal gases · ⁨แก๊สอุดมคติ⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    15.1

    The mole · ⁨โมล⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that amount of substance is an SI base quantity with the base unit mol
    2. use molar quantities where one mole of any substance is the amount containing a number of particles of that substance equal to the Avogadro constant $N_{\text{A}}$
    ไทย
    1. เข้าใจว่า ปริมาณสาร เป็น ปริมาณพื้นฐาน SI ที่มีหน่วยพื้นฐานคือ โมล
    2. ใช้ปริมาณโมลเมื่อหนึ่ง โมล ของสารใดๆ เป็นปริมาณที่มีจำนวนอนุภาคของสารนั้นเท่ากับ ค่าคงที่อาวอกาโดร $N_{\text{A}}$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Amount of substance 物质的量 is an SI base quantity. Its unit is the mole 摩尔 (mol) — one of the seven SI base units, with the kilogram, metre, second, ampere and kelvin 开尔文 from Topic 1.

    One mole of any substance has a number of particles equal to the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量:

    $$N_{\text{A}} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}.$$

    A "particle" means whatever you are counting — atoms 原子 for a monatomic 单原子 element like helium, molecules 分子 for $\text{O}_{2}$ or $\text{H}_{2}\text{O}$. Always say what you are counting.

    For $n$ moles, the number of particles is $N = n N_{\text{A}}$.

    The molar mass 摩尔质量 $M_{\text{m}}$ is the mass of one mole ($\text{kg mol}^{-1}$ or $\text{g mol}^{-1}$). Mass of $n$ moles is $M = n M_{\text{m}}$. Mass of one particle is $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.

    The examiner's wording. The Avogadro constant is the number of atoms (or molecules) in one mole of a substance — one mark; adding "in $0.012\ \text{kg}$ of carbon-12" is accepted but not needed. Asked for "the relationship between $N_{\text{A}}$, $R$ and $k$", write $k = R/N_{\text{A}}$ (or $R = N_{\text{A}}k$).

    Worked example. Oxygen has a molar mass of $32\ \text{g mol}^{-1}$. Find the mass of one oxygen molecule, and the number of molecules in $8.0\ \text{g}$ of oxygen.

    $m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ is $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$, so $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ molecules. Keep molar masses in $\text{kg mol}^{-1}$ when the answer is in kilograms — the factor of $1000$ is the usual slip.

    ไทย

    ปริมาณสาร เป็นปริมาณพื้นฐาน SI หน่วยของมันคือ โมล (mol) — หนึ่งในเจ็ดหน่วยพื้นฐาน SI ร่วมกับกิโลกรัม เมตร วินาที แอมแปร์ และ เคลวิน จากหัวข้อ 1

    หนึ่งโมลประกอบด้วยจำนวนอาโวกาโดรของอนุภาค
    หนึ่งโมลประกอบด้วยจำนวนอนุภาคตามเลขอะวอกาโดร

    หนึ่งโมลของสารใดๆ มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ ค่าคงที่อะวอกาโดร:

    $$N_{\text{A}} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}.$$

    "อนุภาค" หมายถึงสิ่งที่คุณกำลังนับ — อะตอม สำหรับ ธาตุโมโนอะตอมมิก เช่น ฮีเลียม, โมเลกุล สำหรับ $\text{O}_{2}$ หรือ $\text{H}_{2}\text{O}$. ต้องระบุเสมอว่าคุณกำลังนับอะไร

    สำหรับ $n$ โมล จำนวนอนุภาคคือ $N = n N_{\text{A}}$.

    มวลโมลาร์ $M_{\text{m}}$ คือมวลของหนึ่งโมล ($\text{kg mol}^{-1}$ หรือ $\text{g mol}^{-1}$). มวลของ $n$ โมลคือ $M = n M_{\text{m}}$. มวลของหนึ่งอนุภาคคือ $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.

    คำพูดของผู้ตั้งข้อสอบ ค่าคงที่อาวากาโดรคือจำนวนอะตอม (หรือโมเลกุล) ในหนึ่งโมลของสาร — ได้คะแนนหนึ่งข้อ; เพิ่ม "ใน $0.012\ \text{kg}$ ของคาร์บอน-12" ถือรับได้แต่ไม่จำเป็น ถามถึง "ความสัมพันธ์ระหว่าง $N_{\text{A}}$, $R$ และ $k$" ให้เขียน $k = R/N_{\text{A}}$ (หรือ $R = N_{\text{A}}k$)

    ตัวอย่างวิธีทำ. ออกซิเจนมีมวลโมลาร์เท่ากับ $32\ \text{g mol}^{-1}$. จงหามวลของโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล และจำนวนโมเลกุลใน $8.0\ \text{g}$ ของออกซิเจน.

    $m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ คือ $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$ ดังนั้นจึงได้ $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ โมเลกุล. ควรเก็บมวลโมลาร์ไว้ใน $\text{kg mol}^{-1}$ เมื่อคำตอบอยู่ในหน่วยกิโลกรัม — ตัวคูณ $1000$ เป็นจุดที่ผู้เรียนมักทำผิดบ่อยๆ

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Mole particle count lab · ⁨ห้องปฏิบัติการนับจำนวนอนุภาคของโมล⁩

    particles = n x Avogadro constant · ⁨จำนวนอนุภาค = n x ค่าคงที่อาวอกาดโร⁩

    Change amount of substance and see particle number scale directly. · ⁨เปลี่ยนปริมาณสารแล้วดูว่าจำนวนอนุภาคแปรผันโดยตรง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    mole/məʊl/ โมล
    amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ ปริมาณสาร
    kelvin/ˈkelvɪn/ เคลวิน
    15.2

    Equation of state of an ideal gas · ⁨สมการสถานะของแก๊สอุดมคติ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a gas obeying $pV \propto T$, where $T$ is the thermodynamic temperature, is known as an ideal gas
    2. recall and use the equation of state for an ideal gas expressed as $pV = nRT$, where $n =$ amount of substance (number of moles) and as $pV = NkT$, where $N =$ number of molecules
    3. recall that the Boltzmann constant $k$ is given by $k = R/N_{\text{A}}$
    ไทย
    1. เข้าใจว่าแก๊สที่สอดคล้องกับ $pV \propto T$, โดยที่ $T$ คือ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์, เรียกว่า แก๊สในอุดมคติ
    2. จำและใช้ สมการสถานะ ของแก๊สอุดมคติที่เขียนในรูป $pV = nRT$, โดยที่ $n =$ คือปริมาณสาร (จำนวนโมล) และในรูป $pV = NkT$, โดยที่ $N =$ คือจำนวนโมเลกุล
    3. จำว่า ค่าคงที่โบลต์ซมันน์ $k$ ให้โดย $k = R/N_{\text{A}}$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    An ideal gas 理想气体 obeys $pV \propto T$ exactly, where $T$ is the thermodynamic temperature 热力学温度.

    The equation of state 状态方程 can be written two equal ways:

    $$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$

    Here:

    • $p$ — pressure 压强 (Pa).
    • $V$ — volume 体积 (m³).
    • $T$ — thermodynamic temperature in kelvin (never °C).
    • $n$ — number of moles; $N$ — number of molecules.
    • $R$ — molar gas constant 摩尔气体常量, $R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
    • $k$ — Boltzmann constant 玻尔兹曼常量, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.

    Since $N = n N_{\text{A}}$, we get $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ is the gas constant per molecule, as $R$ is per mole.

    The two-mark definition. An ideal gas is one that obeys $pV = nRT$ (or $pV \propto T$, with $T$ the thermodynamic temperature) at all values of pressure, volume and temperature. Both marks need the equation (or the proportionality with $T$ named as thermodynamic) and "at all values" or "for all $p$, $V$ and $T$". Asked to "state the meaning of each symbol in $pV = NkT$": $p$ is the pressure, $V$ the volume, $N$ the number of molecules, $k$ the Boltzmann constant and $T$ the thermodynamic temperature — a real gas is nearly ideal at low pressure and high temperature, where its molecules are far apart.

    Using the equation of state

    List the variables you have, find the unknown, and choose the form that matches your "amount" (moles → $nRT$; molecules → $NkT$). Always use SI units: Pa, m³, K.

    Worked example. A cylinder of volume $0.020\ \text{m}^{3}$ holds gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and a pressure of $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. How many moles of gas are there? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

    Convert to kelvin: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. Then from $pV = nRT$,

    $$n = \frac{pV}{RT} = \frac{(2.0 \times 10^{5})(0.020)}{8.31 \times 300} \approx 1.6\ \text{mol}.$$

    If a fixed amount of gas changes from state 1 to state 2:

    $$\frac{p_{1} V_{1}}{T_{1}} = \frac{p_{2} V_{2}}{T_{2}}.$$

    Worked example. A fixed mass of gas at $300\ \text{K}$ occupies $0.50\ \text{m}^{3}$. It is heated to $450\ \text{K}$ at constant pressure. Find the new volume.

    At constant pressure $V/T$ is constant, so

    $$V_{2} = V_{1}\,\frac{T_{2}}{T_{1}} = 0.50 \times \frac{450}{300} = 0.75\ \text{m}^{3}.$$

    Worked example. A sealed vessel of volume $0.0500\ \text{m}^{3}$ contains $0.0424\ \text{kg}$ of an ideal gas at $227\ ^{\circ}\text{C}$ and $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Find the amount of gas, the mass of one molecule, and the mean-square speed of its molecules.

    $T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. The molar mass is $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, so one molecule has mass $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. From $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (an r.m.s. speed of about $700\ \text{m s}^{-1}$).

    Worked example. Cylinder X (volume $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) and cylinder Y (volume $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) contain ideal gas and are in thermal equilibrium with each other at $290\ \text{K}$. Find the pressure in each, and explain what happens to the number of molecules in each cylinder if a tap joining them is opened.

    $p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ and $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. Gas flows from the higher pressure (X) to the lower (Y) until the pressures are equal; the temperature is unchanged, so the final pressure is $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, and X ends with $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — it loses about $0.11\ \text{mol}$ to Y.

    Worked example. A fixed amount of ideal gas at temperature $T$ is in state X, with pressure $2p$ and volume $V$. It is cooled at constant volume to state Y, where its pressure is $p$; then heated at constant pressure to state Z, where its volume is $2V$; then returned to X. Find the temperatures at Y and Z, and describe how the internal energy changes round the cycle.

    X to Y is at constant volume, so $p/T$ is constant: halving the pressure halves the temperature, $T_{\text{Y}} = T/2$. Y to Z is at constant pressure, so $V/T$ is constant: doubling the volume doubles the temperature, $T_{\text{Z}} = T$. The internal energy of an ideal gas depends only on temperature, so it falls from X to Y (by $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), rises by the same amount from Y to Z, and is unchanged from Z back to X. Read each leg off the diagram before writing an equation: vertical means constant $V$, horizontal means constant $p$.

    Special cases:

    • constant temperature (Boyle's law 玻意耳定律): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
    • constant pressure (Charles's law 查理定律): $V / T = \text{constant}$.
    • constant volume (pressure law 气体压强定律): $p / T = \text{constant}$.

    A common mistake is using °C instead of K — $pV \propto T$ only holds with $T$ in kelvin.

    ไทย
    แถวกระบอกแก๊สอัด
    กระบอกแก๊สอัดเก็บแก๊สที่มีมวลคงที่ไว้ภายใต้ความดันสูง.

    แก๊สอุดมคติ เป็นไปตาม $pV \propto T$ อย่างสมบูรณ์ โดยที่ $T$ คือ อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกส์

    สมการสถานะ สามารถเขียนได้ในรูปเท่ากันสองแบบ:

    $$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$

    โดยที่:

    • $p$ — ความดัน (ปาสคาล).
    • $V$ — ปริมาตร (m³)。
    • $T$ — อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกส์ในหน่วยเคลวิน (ห้ามใช้ °C).
    • $n$ — จำนวนโมล; $N$ — จำนวนโมเลกุล.
    • $R$ — ค่าคงตัวแก๊สโมลาร์, $R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
    • $k$ — ค่าคงตัวของโบลต์ซมันน์, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.

    เนื่องจาก $N = n N_{\text{A}}$ เราจะได้ $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ คือค่าคงตัวแก๊ส ต่อโมเลกุล เหมือนกับที่ $R$ เป็นค่าคงตัว ต่อโมล

    นิยามสำหรับสองคะแนน แก๊สในอุดมคติคือแก๊สที่ปฏิบัติตาม $pV = nRT$ (หรือ $pV \propto T$, โดยที่ $T$ คืออุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์) ที่ค่าความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิทั้งหมด ทั้งสองคะแนนต้องรวมสมการ (หรือความสัมพันธ์แปรผันตรงกับ $T$ ที่ระบุว่าเป็นทางอุณหพลศาสตร์) และ "ที่ทุกค่า" หรือ "สำหรับทุก $p$, $V$ และ $T$" เมื่อถูกถามให้ "อธิบายความหมายของสัญลักษณ์แต่ละตัวใน $pV = NkT$": $p$ คือความดัน, $V$ คือปริมาตร, $N$ คือ จำนวนโมเลกุล, $k$ คือค่าคงที่โบลต์ซมันน์ และ $T$ คืออุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ — แก๊สจริงจะมีพฤติกรรมใกล้เคียงแก๊สในอุดมคติที่ความดันต่ำและอุณหภูมิสูง ซึ่งโมเลกุลจะอยู่ห่างกันมาก

    การใช้สมการสถานะ

    ระบุตัวแปรที่คุณมี, หาสิ่งที่ต้องการหา, แล้วเลือกรูปแบบที่เหมาะสมกับ "ปริมาณ" ของคุณ (โมล → $nRT$; โมเลกุล → $NkT$). ใช้หน่วย SI เสมอ: Pa, m³, K.

    ตัวอย่างคำอธิบาย. กระบอกทรงกระบอกที่มีปริมาตร $0.020\ \text{m}^{3}$ มีก๊าซอยู่ที่ $27\ ^{\circ}\text{C}$ และความดัน $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. จะมีก๊าซกี่โมล? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

    แปลงเป็นเคลวิน: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. จากนั้นจาก $pV = nRT$,

    $$n = \frac{pV}{RT} = \frac{(2.0 \times 10^{5})(0.020)}{8.31 \times 300} \approx 1.6\ \text{mol}.$$

    หากปริมาณก๊าซคงที่เปลี่ยนจากสภาวะ 1 เป็นสภาวะ 2:

    $$\frac{p_{1} V_{1}}{T_{1}} = \frac{p_{2} V_{2}}{T_{2}}.$$

    ตัวอย่างคำอธิบาย. ก๊าซที่มีมวลคงที่อยู่ที่ $300\ \text{K}$ มีปริมาตร $0.50\ \text{m}^{3}$. ถูกให้ความร้อนถึง $450\ \text{K}$ ที่ความดันคงที่. จงหาปริมาตรใหม่.

    ที่ความดันคงที่ $V/T$ จะคงที่ ดังนั้น

    $$V_{2} = V_{1}\,\frac{T_{2}}{T_{1}} = 0.50 \times \frac{450}{300} = 0.75\ \text{m}^{3}.$$

    ตัวอย่างคำอธิบาย. ถังปิดที่มีปริมาตร $0.0500\ \text{m}^{3}$ มี $0.0424\ \text{kg}$ ของก๊าซอุดมคติที่ $227\ ^{\circ}\text{C}$ และ $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. จงหาปริมาณก๊าซ มวลของโมเลกุลหนึ่ง และความเร็วกำลังสองเฉลี่ยของโมเลกุล

    $T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. มวลโมลาร์คือ $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, ดังนั้นโมเลกุลหนึ่งมีมวล $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. จาก $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (ซึ่งมีความเร็ว r.m.s. ประมาณ $700\ \text{m s}^{-1}$).

    ตัวอย่างคำอธิบาย. กระบอก X (ปริมาตร $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) และกระบอก Y (ปริมาตร $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) มีก๊าซอุดมคติและอยู่ในสมดุลความร้อนด้วยกันที่ $290\ \text{K}$. จงหาความดันในแต่ละกระบอก และอธิบายว่าจำนวนโมเลกุล在每个กระบอก会发生什么变化如果打开连接它们的阀门。

    $p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ และ $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. แก๊สไหลจากจุดที่มีความดันสูง (X) ไปยังจุดที่มีความดันต่ำ (Y) จนกว่าความดันจะเท่ากัน; อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นความดันสุดท้ายคือ $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, และ X จะเหลือ $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — ซึ่งสูญเสียไปประมาณ $0.11\ \text{mol}$ ไปยัง Y

    แผนภูมิความดัน-ปริมาตรของรอบ: สภาวะ X ที่ความดัน 2p และปริมาตร V,被冷却等容至Y处压力为p,在等压下加热至Z处体积为2V,然后压缩回X; X、Y和Z处的温度分别为T、T/2和T
    รอบบน $p$–$V$: เส้นตั้งตรงคือปริมาตรคงที่, เส้นแนวนอนคือความดันคงที่, และ $pV/T$ เท่ากันในทุกสภาวะ

    ตัวอย่างคำอธิบาย. ก๊าซอุดมคติที่มีปริมาณคงที่ที่อุณหภูมิ $T$ อยู่ในสภาวะ X มีความดัน $2p$ และปริมาตร $V$. ถูกทำให้เย็นลงที่ปริมาตรคงที่ไปยังสภาวะ Y ที่ความดัน $p$; จากนั้นให้ความร้อนที่ความดันคงที่ไปยังสภาวะ Z ที่ปริมาตร $2V$; แล้วกลับไปที่ X. จงหาอุณหภูมิที่ Y และ Z, และอธิบายการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในรอบ

    จาก X ไป Y ที่ปริมาตรคงที่, ดังนั้น $p/T$ คงที่: การลดความดันลงครึ่งหนึ่งจะทำให้ลดอุณหภูมิลงครึ่งหนึ่ง, $T_{\text{Y}} = T/2$. จาก Y ไป Z ที่ความดันคงที่, ดังนั้น $V/T$ คงที่: การเพิ่มปริมาตรเป็นสองเท่าจะทำให้เพิ่มอุณหภูมิเป็นสองเท่า, $T_{\text{Z}} = T$. พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ดังนั้นจึงลดลงจาก X ไป Y (โดย $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), เพิ่มขึ้นเท่าเดิมจาก Y ไป Z, และไม่เปลี่ยนแปลงจาก Z กลับไป X. อ่านแต่ละส่วนจากแผนภูมิก่อนเขียนสมการ: เส้นตั้งแสดง $V$恒定, เส้นแนวนอนแสดง $p$恒定。

    กรณีพิเศษ:

    • อุณหภูมิคงที่ (กฎของบอยล์): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
    • ความดันคงที่ (กฎของชาร์ลส์): $V / T = \text{constant}$.
    • ปริมาตรคงที่ (กฎของความดัน): $p / T = \text{constant}$.

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยคือการใช้ °C แทน K — $pV \propto T$ จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อ $T$ เป็นเคลวินเท่านั้น

    กราฟความดัน-ปริมาตรสองเส้น: ที่อุณหภูมิคงที่ pV เป็นค่าคงที่, ดังนั้นแต่ละกราฟเป็นไฮเปอร์โบลา; อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะให้กราฟที่อยู่ห่างจากจุดกำเนิดมากขึ้น
    กฎของบอยล์: ที่อุณหภูมิคงที่ $pV$ เป็นค่าคงที่, ดังนั้นกราฟ $p$–$V$ จึงเป็นไฮเปอร์โบลา
    กราฟปริมาตรของก๊าซเทียบกับอุณหภูมิเป็นองศาเซลเซียสที่ความดันคงที่: เส้นตรงผ่านจุดวัด, ขยายกลับเป็นเส้นประเพื่อตัดที่ศูนย์ที่ประมาณ
    ที่ความดันคงที่ ปริมาตรของก๊าซเพิ่มขึ้นแบบเส้นตรงตามอุณหภูมิ, ถึงศูนย์ที่ศูนย์สัมบูรณ์ (กฎของชาร์ลส์)
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    The ideal gas (Boyle) · ⁨แก๊สอุดมคติ (บอยล์)⁩

    p = k / V

    At constant temperature p ∝ 1/V — squeeze the volume and pressure rises. · ⁨ที่อุณหภูมิคงที่ p ∝ 1/V — บีบปริมาตรแล้วความดันจะเพิ่มขึ้น⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    15.3

    Kinetic theory of gases · ⁨ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. state the basic assumptions of the kinetic theory of gases
    2. explain how molecular movement causes the pressure exerted by a gas and derive and use the relationship $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, where $\langle c^2 \rangle$ is the mean-square speed (a simple model considering one-dimensional collisions and then extending to three dimensions using $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ is sufficient)
    3. understand that the root-mean-square speed $c_{\text{r.m.s.}}$ is given by $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
    4. compare $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ with $pV = NkT$ to deduce that the average translational kinetic energy of a molecule is $\frac{3}{2}kT$, and recall and use this expression
    ไทย
    1. บอกรูปแบบพื้นฐานของ ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
    2. อธิบายว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก่อให้เกิด แรงดัน ที่แก๊สกระทำ以及如何 derive and use the relationship $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, where $\langle c^2 \rangle$ is the mean-square speed (a simple model considering one-dimensional collisions and then extending to three dimensions using $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ is sufficient)
    3. เข้าใจว่า ความเร็ว root-mean-square $c_{\text{r.m.s.}}$ ให้โดย $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
    4. เปรียบเทียบ $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ กับ $pV = NkT$ เพื่อสรุปว่า พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเส้นเฉลี่ย ของโมเลกุลคือ $\frac{3}{2}kT$, และจำและใช้นิพจน์นี้

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Kinetic theory: gas pressure

    The kinetic theory 分子动理论 explains a gas's large-scale behaviour from the random motion 无规则运动 of its molecules.

    Assumptions

    For an ideal gas:

    1. a large number of identical molecules in continuous random motion.
    2. the molecules' own volume is too small to matter compared with the container.
    3. the time of each collision is too short to matter compared with the time between collisions.
    4. intermolecular 分子间 forces are ignored except during collisions (molecules go in straight lines between them).
    5. collisions (with the walls and with each other) are elastic — an elastic collision 弹性碰撞 loses no kinetic energy, so the gas does not cool down by itself.
    6. Newton's laws apply.

    These assumptions become poor at very high pressure (molecular volume matters) or very low temperature (intermolecular forces matter).

    As the exam asks it. "State two (or three) basic assumptions of the kinetic theory": choose from the molecules are in continuous random motion; the volume of the molecules is negligible compared with the volume of the gas; there are no forces between the molecules except during collisions; the collisions are perfectly elastic; the time of a collision is negligible compared with the time between collisions. "State what is meant by an elastic collision": one in which the total kinetic energy is conserved (as well as momentum). "Use the assumptions to suggest why the gas at the surface of a star, at very high pressure, is not ideal": the molecules are so close together that their own volume is not negligible compared with the gas volume, and intermolecular forces act between them — the two assumptions that fail when a gas is compressed.

    Worked example. A balloon contains $0.40\ \text{mol}$ of hydrogen ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ per molecule) in $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Estimate the average separation of the molecules, the gravitational force between neighbouring molecules, and comment on the kinetic-theory assumption this tests.

    $N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ molecules, so each occupies $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ and the average separation is $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. The gravitational force between two molecules is $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — some $10^{20}$ times smaller than a molecule's own weight ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). Forces between molecules really are negligible except during collisions, as the theory assumes.

    Pressure of a gas — outline of the derivation

    Take a cubic box of side $L$ with $N$ molecules, each of mass $m$. Look at one molecule moving along the $x$-axis with velocity $u_{1}$.

    • one collision with the right wall: velocity reverses to $-u_{1}$, change in momentum 动量 $\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. By Newton's third law the wall gets an impulse 冲量 of $+2 m u_{1}$.
    • time between hits on that wall: travel $2L$ there and back, so $\Delta t = 2L/u_{1}$.
    • average force from this molecule: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
    • add over all molecules: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, where $\langle u_{x}^{2} \rangle$ is the mean square 均方 of the $x$-velocity.
    • pressure: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.

    In 3-D, by symmetry $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, where $\langle c^{2} \rangle$ is the mean-square speed 均方速率. So

    $$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

    "Explain how molecular movement causes the pressure exerted by a gas" (3 marks). The molecules move randomly and collide with the walls of the container; at each collision a molecule's momentum changes (it rebounds), so by Newton's second law the wall exerts a force on it, and by the third law it exerts an equal force on the wall; the very many collisions each second produce a steady total force on the wall, and the pressure is that force per unit area. The syllabus phrase "a simple model considering one-dimensional collisions" means the derivation above: it is sufficient to follow one molecule bouncing between two opposite faces and then average.

    The density form. Since $Nm$ is the total mass of the gas and $Nm/V$ is its density $\rho$, the same result reads $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — the version to use when a question gives a density instead of $N$ and $m$.

    Worked example. An ideal gas at a pressure of $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ has a density of $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. Show that the r.m.s. speed of its molecules is about $500\ \text{m s}^{-1}$.

    $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. In a "show that", keep an extra figure ($503$) before comparing with the value given.

    Root-mean-square speed

    The square root of $\langle c^{2} \rangle$ is the root-mean-square 均方根 (r.m.s.) speed:

    $$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2} \rangle}.$$

    It is a useful single measure of how fast the molecules move, slightly larger than the mean speed (squaring weights fast molecules more).

    ไทย
    ทฤษฎีจลน์: ความดันก๊าซ
    นักดำน้ำใต้ทะเล
    นักดำน้ำหายใจก๊าซอัด; ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิทั้งหมดเชื่อมโยงกัน.

    ทฤษฎีจลน์ อธิบายพฤติกรรมระดับมหภาคของก๊าซจาก การเคลื่อนที่แบบสุ่ม ของโมเลกุล

    สมมติฐาน

    สำหรับก๊าซอุดมคติ:

    1. จำนวนมาก ของโมเลกุลชนิดเดียวกันในการเคลื่อนที่แบบสุ่มต่อเนื่อง
    2. ปริมาตรของโมเลกุลเองมีน้อยจนไม่สำคัญเมื่อเทียบกับภาชนะ
    3. เวลาของการชนแต่ละครั้งมีน้อยจนไม่สำคัญเมื่อเทียบกับเวลาระหว่างการชน
    4. แรงระหว่างโมเลกุล ถูกมองข้ามยกเว้นระหว่างการชน (โมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงระหว่างกัน)
    5. การชน (กับผนังและกันเอง) เป็น ยืดหยุ่น — การชนที่ยืดหยุ่น ไม่สูญเสียพลังงานจลน์, ดังนั้นก๊าซจะไม่เย็นลงด้วยตัวเอง
    6. กฎของนิวตันใช้ได้
    โมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในกล่อง, มีป้ายกำกับสมมติฐานทฤษฎีจลน์: จำนวนมากโมเลกุลเหมือนกันในการเคลื่อนที่แบบสุ่ม, ปริมาตรของตัวเองเล็กน้อย, ไม่มีแรงระหว่างการชน, และการชนที่ยืดหยุ่น
    สมมติฐานสำคัญของทฤษฎีจลน์ของก๊าซอุดมคติ

    สมมติฐานเหล่านี้จะกลายเป็นไปไม่ได้นักที่ความดันสูงมาก (ปริมาตรของโมเลกุลมีนัยสำคัญ) หรือที่อุณหภูมิต่ำมาก (แรงระหว่างโมเลกุลมีนัยสำคัญ)

    ตามรูปแบบการถามของข้อสอบ "ระบุสมมติฐานพื้นฐานสอง (หรือสาม) ข้อของทฤษฎีจลน์": เลือกจาก โมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง; ปริมาตรของโมเลกุลมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับปริมาตรของแก๊ส; ไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลยกเว้นระหว่างการชน; การชนเป็นแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์; เวลาที่ใช้ในการชนมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับเวลาระหว่างการชน "อธิบายความหมายของการชนแบบยืดหยุ่น": เป็นการชนที่พลังงานจลน์รวมคงที่ (นอกจากโมเมนตัมแล้วด้วย) "ใช้สมมติฐานเพื่ออธิบายว่าทำไมแก๊สบนพื้นผิวของดาวฤกษ์ซึ่งมีความดันสูงมากจึงไม่ใช่แก๊สในอุดมคติ": โมเลกุลอยู่ใกล้กันจนปริมาตรของตัวเองมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับปริมาตรของแก๊ส และมีแรงระหว่างโมเลกุลกระทำระหว่างกัน — ซึ่งเป็นสมมติฐานทั้งสองที่ล้มเหลวเมื่อแก๊สถูกบีบอัด

    ตัวอย่างวิธีทำ บาลูนมี $0.40\ \text{mol}$ ของไฮโดรเจน ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ ต่อโมเลกุล) อยู่ใน $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. ประมาณค่าระยะห่างเฉลี่ยของโมเลกุล, แรงโน้มถ่วงระหว่างโมเลกุลเพื่อนบ้าน, และแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับสมมติฐานของทฤษฎีจลน์ที่สิ่งนี้ทดสอบ

    $N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ โมเลกุล ดังนั้นแต่ละโมเลกุลจะครอบคลุมพื้นที่ $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ และระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลคือ $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. แรงโน้มถ่วงระหว่างโมเลกุลสองโมเลกุลมีขนาด $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — น้อยกว่าน้ำหนักของโมเลกุลหนึ่งเองถึง $10^{20}$ เท่า ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). แรงระหว่างโมเลกุลนั้นน้อยมากจนสามารถละเลยได้จริงๆ除了ในการชนกัน ตามที่ทฤษฎีสมมติ

    ความดันของแก๊ส — สรุปการพิสูจน์

    พิจารณากล่องลูกบาศก์ที่มีด้านยาว $L$里面有 $N$ โมเลกุล, แต่ละตัวมีมวล $m$. พิจารณาโมเลกุลหนึ่งตัวเคลื่อนที่ตามแกน $x$ ด้วยความเร็ว $u_{1}$.

    ลูกบาศก์แก๊สด้านยาว  ที่มีโมเลกุลหนึ่งตัวแสดงกำลังเคลื่อนที่ด้วยองค์ประกอบความเร็ว  ตั้งฉากกับหน้าหนึ่งของลูกบาศก์
    การพิสูจน์ความดันพิจารณาองค์ประกอบความเร็ว $u_x$ ของโมเลกุลที่ตั้งฉากกับหน้าหนึ่งของลูกบาศก์แก๊ส
    • การชนกับผนังด้านขวาหนึ่งครั้ง: ความเร็วเปลี่ยนทิศทางเป็น $-u_{1}$, การเปลี่ยนแปลงของ โมเมนตัม คือ $\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน ผนังจะได้รับ ** импульส** จำนวน $+2 m u_{1}$.
    • เวลาระหว่างการชนกับผนังนี้: เคลื่อนที่ $2L$ ไปและกลับ, ดังนั้น $\Delta t = 2L/u_{1}$.
    • แรงเฉลี่ยจากโมเลกุลนี้: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
    • บวกผลรวมสำหรับทุกโมเลกุล: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, โดยที่ $\langle u_{x}^{2} \rangle$ เป็น ค่าเฉลี่ยของกำลังสอง ของความเร็ว $x$.
    • ความดัน: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.

    ใน 3 มิติ จากความสมมาตร $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, โดยที่ $\langle c^{2} \rangle$ เป็น ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็ว ดังนั้น

    $$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

    "อธิบายว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก่อให้เกิดความดันที่แก๊สกระทำอย่างไร" (3 คะแนน). โมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่มและชนกับผนังของภาชนะ; ที่ทุกการชน โมเมนตัมของโมเลกุลจะเปลี่ยนแปลง (มันสะท้อนกลับ), ดังนั้นตามกฎข้อที่สองของนิวตัน ผนังจะ exert แรงต่อมัน, และตามกฎข้อที่สาม มันจะ exert แรงเท่ากัน反向作用于 ผนัง; การชนจำนวนมากมากในแต่ละวินาทีจะสร้างแรงรวมที่คงที่作用于 ผนัง, และความดันคือแรงนั้นต่อหน่วยพื้นที่ คำว่า "โมเดลอย่างง่ายที่พิจารณาการชนแบบหนึ่งมิติ" ของหลักสูตรหมายถึงการพิสูจน์ข้างต้น: เพียงพอที่จะติดตามโมเลกุลหนึ่งตัวที่เด้งระหว่างหน้าตรงข้ามสองหน้าแล้วหาค่าเฉลี่ย

    รูปแบบความหนาแน่น. เนื่องจาก $Nm$ คือมวลรวมของแก๊ส และ $Nm/V$ คือความหนาแน่น $\rho$ ของมัน ผลลัพธ์เดียวกันจะเขียนได้ว่า $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — รูปแบบที่ใช้เมื่อโจทย์กำหนดความหนาแน่นมาแทน $N$ และ $m$

    ตัวอย่างวิธีทำ แก๊สในอุดมคติที่ความดัน $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ มีความหนาแน่น $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. แสดงให้เห็นว่าความเร็ว r.m.s. ของโมเลกุลของมันประมาณ $500\ \text{m s}^{-1}$.

    $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, ดังนั้น $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. ในข้อ "show that", เก็บตัวเลขเพิ่มอีกหนึ่งหลัก ($503$) ก่อนที่จะเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดให้

    ความเร็ว root-mean-square

    รากที่สองของ $\langle c^{2} \rangle$ คือ ความเร็ว root-mean-square (r.m.s.):

    $$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2} \rangle}.$$

    มันเป็นตัวชี้วัดเดียวที่มีประโยชน์สำหรับบอกถึงความเร็วของโมเลกุล ซึ่งมากกว่าความเร็วเฉลี่ยเล็กน้อย (การยกกำลังสองให้ความสำคัญกับโมเลกุลที่มีความเร็วสูงมากขึ้น)

    ความเร็ว root-mean-square สร้างขึ้นสี่ขั้นตอน:取ความเร็ว, ยกกำลังสองแต่ละค่า, หาค่าเฉลี่ยของกำลังสอง, แล้ว取其根号
    ความเร็ว root-mean-square: ยกกำลังสองความเร็วแต่ละค่า, หาค่าเฉลี่ย, แล้ว取其根号
    การแจกแจง Maxwell-Boltzmann ของความเร็วโมเลกุล: ที่อุณหภูมิต่ำกว่ากราฟจะสูงและแคบ; ที่อุณหภูมิสูงกว่ากราฟจะกว้างและเลื่อนไปทางความเร็วสูงขึ้น. ความเร็ว root-mean-square ถูกทำเครื่องหมายไว้
    การกระจายของความเร็วโมเลกุล: อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้กราฟกว้างและเลื่อนไปทางความเร็วสูงขึ้น
    กราฟร่างสองเส้น: ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็วเทียบกับอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกเป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิด, เปรียบกว่าสำหรับแก๊สที่มีมวลน้อยกว่า; ความเร็ว r.m.s. เทียบกับอุณหภูมิเป็นโค้งผ่านจุดorigin ยกขึ้นตามรากที่สองของ T
    กราฟสองเส้นที่ข้อสอบขอให้คุณวาด: $\langle c^{2}\rangle \propto T$ เป็นเส้นตรงผ่านจุด origin, ดังนั้น $c_{\text{r.m.s.}}$ จะเพิ่มขึ้นตาม $\sqrt{T}$
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Boyle's law · ⁨กฎของบอยล์⁩

    p ∝ 1/V

    At constant temperature, pressure is inversely proportional to volume — squash the gas and the pressure rises. · ⁨ที่อุณหภูมิคงที่ ความแปรผกผันกับความดัน — บีบแก๊สให้เล็กลง ความดันจะสูงขึ้น⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ โมเลกุล
    molar mass/ˈməʊlə mæs/ มวลโมลาร์
    equation of state/ɪˈkweɪʒn ɒv steɪt/ สมการสถานะ
    ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ แก๊สอุดมคติ
    pressure/ˈpreʃə/ ความดัน
    thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์
    volume/ˈvɒljuːm/ ปริมาตร
    molar gas constant/ˈməʊlə ɡæs ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่แก๊สโมลาร์
    Boltzmann constant/ˈbɒltsmən ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่โบลต์ซมันน์
    mean-square speed/miːn skweə spiːd/ ความเร็วกำลังสองเฉลี่ย
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ พลังงานภายใน
    Boyle's law/bɔɪlz lɔː/ กฎของบอยล์
    Charles's law/ˈtʃɑːlzɪz lɔː/ กฎของชาร์ลส์
    pressure law/ˈpreʃə lɔː/ กฎความดัน
    kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/ ทฤษฎีจลน์
    random motion/ˈrændəm ˈməʊʃn/ การเคลื่อนที่สุ่ม
    intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ ระหว่างโมเลกุล
    elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ การชนแบบยืดหยุ่น
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    impulse/ˈɪmpʌls/ สัญญาณ
    mean square/miːn skweə/ กำลังสองของค่าเฉลี่ย
    root-mean-square/ruːt miːn skweə/ รากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย
    average translational kinetic energy/ˈævrɪdʒ trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเส้นเฉลี่ย
    translational kinetic energy/trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์แบบเลื่อนตัว
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    15.3

    Average translational kinetic energy · ⁨พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเฉลี่ย⁩

    English

    Compare the two expressions for $pV$:

    $$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

    Set them equal, cancel $N$, and multiply by $\tfrac{3}{2}$:

    $$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$

    The right side is the average translational kinetic energy 平动动能 $\langle E_{\text{k}} \rangle$ of one molecule. So

    $$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$

    This is a key result: the average translational kinetic energy of an ideal-gas molecule depends only on the thermodynamic temperature, not on the type of gas or its pressure.

    Worked example. Find the root-mean-square speed of oxygen molecules at $300\ \text{K}$. (Mass of one $\text{O}_{2}$ molecule $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)

    From $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, the mean-square speed is $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:

    $$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3 (1.38 \times 10^{-23})(300)}{5.3 \times 10^{-26}}} \approx 480\ \text{m s}^{-1}.$$

    Worked example. The surface of the Moon reaches about $400\ \text{K}$ in sunlight. Calculate the r.m.s. speed of hydrogen molecules ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) at this temperature, and use the Moon's escape speed of $2.4\ \text{km s}^{-1}$ to suggest why the Moon has no hydrogen atmosphere.

    $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. This r.m.s. speed is close to the escape speed, and the speeds are spread widely about it, so a large fraction of the molecules move faster than $2.4\ \text{km s}^{-1}$ at any moment and escape; over time the hydrogen is lost.

    Worked example. The gas at the surface of a star is mainly hydrogen atoms ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) with an r.m.s. speed of $9300\ \text{m s}^{-1}$. Find the temperature of the surface.

    $T = \dfrac{m\langle c^{2}\rangle}{3k} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 9300^{2}}{3 \times 1.38 \times 10^{-23}} = 3.5 \times 10^{3}\ \text{K}$.

    Worked example. For a fixed sample of gas, a graph of $pV$ against $kT$ is a straight line through the origin of gradient $7.2 \times 10^{22}$. When $pV = 270\ \text{J}$ the r.m.s. speed of the molecules is $1900\ \text{m s}^{-1}$. Find the number of molecules and the mass of one molecule in u.

    From $pV = NkT$ the gradient is $N = 7.2 \times 10^{22}$. From $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — hydrogen molecules, within the rounding.

    Comparing gases and samples. At the same temperature every gas has the same average kinetic energy per molecule, so $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: hydrogen ($M_{\text{m}} = 2$) and oxygen ($M_{\text{m}} = 32$) have $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. Two samples at the same $T$ — X with $N$ molecules of mass $m$ in volume $V$, Y with $2N$ molecules of mass $2m$ in volume $2V$ — have the same pressure ($p = NkT/V$ and both $N$ and $V$ double), the same average kinetic energy per molecule, but Y's molecules have half the mean-square speed ($3kT/2m$) and Y has twice the internal energy (twice as many molecules).

    Consequences

    • doubling the absolute temperature doubles the average KE of each molecule, so $\langle c^{2} \rangle$ doubles and $c_{\text{r.m.s.}}$ grows by $\sqrt{2}$.
    • for two gases at the same temperature, the lighter gas has a larger $\langle c^{2} \rangle$. Hydrogen molecules move faster on average than oxygen molecules in the same room.
    • total translational KE of $N$ molecules: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.

    Internal energy of an ideal gas

    For an ideal gas the molecules are point particles with no intermolecular potential energy and (in this simple model) no rotation or vibration. So the internal energy 内能 is just the total kinetic energy 动能:

    $$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

    So the internal energy of an ideal gas is proportional to the thermodynamic temperature — doubling $T$ doubles $U$.

    As the exam asks it. "Use one of the basic assumptions to explain what can be deduced about the potential energy of the molecules": there are no forces between the molecules (except in collisions), so there is no potential energy associated with their separation — the random-motion energy is entirely kinetic. "Explain why the internal energy of an ideal gas is directly proportional to thermodynamic temperature" (2 marks): the internal energy is the sum of the kinetic and potential energies of the molecules; the potential energy is zero (no intermolecular forces), and the average kinetic energy of a molecule is $\tfrac{3}{2}kT$, proportional to $T$; so the total, $U = \tfrac{3}{2}NkT$, is proportional to $T$. "Derive $\tfrac{3}{2}kT$" (2 marks): equate $pV = NkT$ with $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, cancel $N$, and rearrange to $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — show the cancelling and the factor of $\tfrac{3}{2}$.

    Worked example. A sample of $0.26\ \text{m}^{3}$ of an ideal gas is at $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ and $290\ \text{K}$. Find the number of molecules, the average translational kinetic energy of a molecule, and the internal energy of the gas.

    $N = \dfrac{pV}{kT} = \dfrac{2.0 \times 10^{5} \times 0.26}{1.38 \times 10^{-23} \times 290} = 1.3 \times 10^{25}$. $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT = 1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 290 = 6.0 \times 10^{-21}\ \text{J}$. $U = N\langle E_{\text{k}}\rangle = 1.3 \times 10^{25} \times 6.0 \times 10^{-21} = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ — or directly $U = \tfrac{3}{2}pV = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$, a neat check.

    Changing pressure at fixed temperature

    Doubling $p$ at fixed $T$ (by squeezing the gas to half its volume) does not change $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — that depends only on $T$. There are more wall collisions per second, but each molecule has the same average kinetic energy.

    ไทย

    เปรียบเทียบสูตรสองสูตรของ $pV$:

    $$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

    ตั้งให้เท่ากัน, ตัด $N$ ทิ้ง, และคูณด้วย $\tfrac{3}{2}$:

    $$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$

    ฝั่งขวาคือ พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเฉลี่ย $\langle E_{\text{k}} \rangle$ ของโมเลกุลหนึ่งตัว ดังนั้น

    $$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$

    นี่เป็นผลลัพธ์ที่สำคัญ: พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เชิงเฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สในอุดมคติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกเท่านั้น ไม่ใช่ชนิดของแก๊สหรือความดันของมัน

    เส้นตรงผ่านจุดกำเนิดของพลังงานจลน์เฉลี่ยเทียบกับอุณหภูมิ แสดงให้เห็นว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย
    พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย: $\langle E_k \rangle = \tfrac32 kT$

    ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. หาความเร็ว root-mean-square ของโมเลกุลออกซิเจนที่ $300\ \text{K}$. (มวลของ $\text{O}_{2}$ โมเลกุล $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)

    จาก $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ ความเร็วกำลังสองเฉลี่ยคือ $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:

    $$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3 (1.38 \times 10^{-23})(300)}{5.3 \times 10^{-26}}} \approx 480\ \text{m s}^{-1}.$$

    ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. พื้นผิวของดวงจันทร์มีอุณหภูมิประมาณ $400\ \text{K}$ ในแสงแดด. จงคำนวณความเร็ว r.m.s. ของโมเลกุลไฮโดรเจน ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) ที่อุณหภูมินี้ และใช้ความเร็วหนีจากดวงจันทร์ที่ $2.4\ \text{km s}^{-1}$ เพื่ออธิบายว่าทำไมดวงจันทร์จึงไม่มีชั้นบรรยากาศไฮโดรเจน.

    $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. ความเร็ว r.m.s. นี้ใกล้เคียงกับความเร็วหนีมาก และความเร็วกระจายตัวกว้างรอบค่านี้ ดังนั้นโมเลกุลจำนวนมากจึงเคลื่อนที่เร็วกว่า $2.4\ \text{km s}^{-1}$ ในทุกช่วงเวลาและหลุดออกมา; เมื่อเวลาผ่านไป ไฮโดรเจนจะหายไป.

    ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. ก๊าซที่พื้นผิวของดาวฤกษ์ประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนเป็นหลัก ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) โดยมีความเร็ว r.m.s. เท่ากับ $9300\ \text{m s}^{-1}$. จงหาอุณหภูมิของพื้นผิว.

    $T = \dfrac{m\langle c^{2}\rangle}{3k} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 9300^{2}}{3 \times 1.38 \times 10^{-23}} = 3.5 \times 10^{3}\ \text{K}$.

    ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. สำหรับตัวอย่างก๊าซจำนวนคงที่ กราฟของ $pV$ เทียบกับ $kT$ เป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชัน $7.2 \times 10^{22}$. เมื่อ $pV = 270\ \text{J}$ ความเร็ว r.m.s. ของโมเลกุลคือ $1900\ \text{m s}^{-1}$. จงหาจำนวนโมเลกุลและมวลของโมเลกุลหนึ่งโมเลกุลในหน่วย u.

    จาก $pV = NkT$ ความชันคือ $N = 7.2 \times 10^{22}$. จาก $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — โมเลกุลไฮโดรเจน ซึ่งสอดคล้องภายในช่วงการปัดเศษ.

    เปรียบเทียบก๊าซและตัวอย่าง. ที่อุณหภูมิเดียวกัน ก๊าซทุกชนิดจะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลเท่ากัน ดังนั้น $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: ไฮโดรเจน ($M_{\text{m}} = 2$) และออกซิเจน ($M_{\text{m}} = 32$) จึงมี $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. ตัวอย่างสองตัวอย่างที่ $T$ เดียวกัน — X มี $N$ โมเลกุล มวล $m$ ในปริมาตร $V$, Y มี $2N$ โมเลกุล มวล $2m$ ในปริมาตร $2V$ — มี ความดันเท่ากัน ($p = NkT/V$ และทั้งสอง $N$ และ $V$ เป็นสองเท่า), มีพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลเท่ากัน แต่โมเลกุลของ Y มีความเร็วกำลังสองเฉลี่ยเป็นครึ่งหนึ่งของ X ($3kT/2m$) และมีพลังงานภายในเป็นสองเท่า (มีจำนวนโมเลกุลเป็นสองเท่า).

    ผลกระทบ

    • การเพิ่มอุณหภูมิต่อมัยเป็นสองเท่าจะทำให้พลังงานจลน์เฉลี่ย ของแต่ละโมเลกุลเป็นสองเท่า ดังนั้น $\langle c^{2} \rangle$ จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าและ $c_{\text{r.m.s.}}$ จะเพิ่มขึ้นตาม $\sqrt{2}$.
    • สำหรับ ก๊าซสองชนิดที่อุณหภูมิเดียวกัน ก๊าซที่มีมวลน้อยกว่าจะมี $\langle c^{2} \rangle$ ที่มากกว่า. โมเลกุลไฮโดรเจนเคลื่อนที่เร็วกว่าโมเลกุลออกซิเจนโดยเฉลี่ยในห้องเดียวกัน.
    • พลังงานจลน์การเคลื่อนที่แบบถ่วงรวม ของ $N$ โมเลกุล: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.

    พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ

    สำหรับก๊าซอุดมคติ โมเลกุลถือเป็นอนุภาคจุดที่ไม่มีพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุล และ (ในโมเดลพื้นฐานนี้) ไม่มีการหมุนหรือสั่นสะเทือน. ดังนั้น พลังงานภายใน จึงเป็นเพียง พลังงานจลน์รวม เท่านั้น:

    $$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

    ดังนั้น พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย — การเพิ่ม $T$ เป็นสองเท่าจะทำให้ $U$ เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าด้วย.

    รูปแบบที่ข้อสอบถาม. "ใช้สมมติฐานพื้นฐานหนึ่งเพื่ออธิบายสิ่งที่สามารถสรุปได้เกี่ยวกับพลังงานศักย์ของโมเลกุล": ไม่มี แรงกระทำระหว่างโมเลกุล (ยกเว้นในการชนกัน) ดังนั้นจึงไม่มี พลังงานศักย์ ที่เกี่ยวข้องกับระยะห่างระหว่างพวกมัน — พลังงานจากการเคลื่อนที่สุ่มเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมด. "อธิบายว่าทำไมพลังงานภายในของก๊าซอุดมคติจึงแปรผันตรงกับอุณหภูมิต่อมัย" (2 คะแนน): พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล; พลังงานศักย์เป็นศูนย์ (ไม่มีแรงระหว่างโมเลกุล) และพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลคือ $\tfrac{3}{2}kT$, แปรผันตรงกับ $T$; ดังนั้นผลรวมทั้งหมด $U = \tfrac{3}{2}NkT$ จึงแปรผันตรงกับ $T$. "หาค่า $\tfrac{3}{2}kT$" (2 คะแนน): ตั้ง $pV = NkT$ เท่ากับ $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, ตัด $N$ ออก แล้วจัดรูปใหม่เป็น $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — แสดงการตัดออกและตัวคูณ $\tfrac{3}{2}$.

    ตัวอย่างที่แสดงวิธีทำ. ตัวอย่าง $0.26\ \text{m}^{3}$ ของก๊าซอุดมคติอยู่ที่ $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ และ $290\ \text{K}$. จงหาจำนวนโมเลกุล, พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เฉลี่ยต่อโมเลกุล และพลังงานภายในของก๊าซ.

    $N = \dfrac{pV}{kT} = \dfrac{2.0 \times 10^{5} \times 0.26}{1.38 \times 10^{-23} \times 290} = 1.3 \times 10^{25}$. $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT = 1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 290 = 6.0 \times 10^{-21}\ \text{J}$. $U = N\langle E_{\text{k}}\rangle = 1.3 \times 10^{25} \times 6.0 \times 10^{-21} = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ — หรือคำนวณโดยตรงจาก $U = \tfrac{3}{2}pV = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ เพื่อตรวจสอบความถูกต้อง.

    การเปลี่ยนความดันที่อุณหภูมิคงที่

    การเพิ่ม $p$ เป็นสองเท่าที่ $T$ คงที่ (ด้วยการบีบแก๊สให้มีปริมาตรครึ่งหนึ่ง) จะ ไม่ เปลี่ยนแปลง $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — ซึ่งขึ้นอยู่กับ $T$ เท่านั้น มีจำนวนการชนกับผนังต่อวินาทีมากขึ้น แต่แต่ละโมเลกุลมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่าเดิม

    15.3

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    mole the amount of substance containing a number of particles equal to the Avogadro constant
    Avogadro constant the number of atoms or molecules in one mole of a substance, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
    ideal gas a gas that obeys $pV = nRT$ (equivalently $pV \propto T$, $T$ thermodynamic) at all values of $p$, $V$ and $T$
    Boltzmann constant the gas constant per molecule, $k = R/N_{\text{A}}$
    elastic collision a collision in which the total kinetic energy is conserved
    mean-square speed the mean of the squares of the speeds of the molecules, $\langle c^{2}\rangle$
    root-mean-square speed the square root of the mean-square speed, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$
    average translational kinetic energy of a molecule $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, depending only on thermodynamic temperature
    internal energy of an ideal gas the total kinetic energy of its molecules, $\tfrac{3}{2}NkT$, since there is no potential energy
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    摩尔 ปริมาณสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับค่า Avogadro constant
    ค่า Avogadro จำนวนอะตอมหรือโมเลกุลใน 1摩尔 ของสาร, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
    ก๊าซอุดมคติ ก๊าซที่ปฏิบัติตาม $pV = nRT$ (เทียบเท่ากับ $pV \propto T$, $T$ ต่อมัย) ที่ทุกค่าของ $p$, $V$ และ $T$
    ค่า Boltzmann ค่าคงที่ก๊าซต่อโมเลกุล, $k = R/N_{\text{A}}$
    การชนแบบยืดหยุ่น การชนที่พลังงานจลน์รวมถูกอนุรักษ์ไว้
    ความเร็วกำลังสองเฉลี่ย ค่าเฉลี่ยของกำลังสองของความเร็วของโมเลกุล, $\langle c^{2}\rangle$
    ความเร็ว root-mean-square รากที่สองของความเร็วกำลังสองเฉลี่ย, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$
    พลังงานจลน์การเคลื่อนที่แบบเลื่อนของโมเลกุล $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์เท่านั้น
    พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ พลังงานจลน์รวมของโมเลกุล, $\tfrac{3}{2}NkT$, เนื่องจากไม่มีพลังงานศักย์
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่อาโวกาโดร
    atom/ˈætəm/ อะตอม
    monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ อะตอมเดี่ยว
    15.3

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Use $pV = nRT$ ($n$ in mol) or $pV = NkT$ ($N$ molecules), with temperature in kelvin and volume in $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
    • Learn the kinetic-theory assumptions word for word (random motion, negligible molecular volume, no intermolecular forces except in collisions, elastic collisions, negligible collision time), and know which two fail at high pressure.
    • Mean translational KE $= \frac{3}{2}kT$ — it depends only on temperature; at the same $T$ a lighter molecule is faster, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
    • For a "show that" about pressure, give the chain: collisions with the wall, change of momentum, force (Newton's second and third laws), force per unit area.
    • $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ when a density is given; $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ when the internal energy is asked.

    Common mistakes

    • Using °C in $pV = nRT$ or in $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$. Convert first; a temperature ratio only works in kelvin.
    • Defining an ideal gas by "obeys $pV = nRT$" alone. Add "at all values of $p$, $V$ and $T$".
    • Confusing $n$ (moles) with $N$ (molecules), or $R$ with $k$. $N = nN_{\text{A}}$ and $k = R/N_{\text{A}}$.
    • Giving "molecules move randomly" as the reason for pressure. The mark is for the change of momentum at the wall and the resulting force per unit area.
    • Sketching $c_{\text{r.m.s.}}$ against $T$ as a straight line. $\langle c^{2}\rangle$ is linear in $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ rises as $\sqrt{T}$.
    • Saying a molecule's kinetic energy changes when the pressure is doubled at constant temperature. Only the number of collisions per second changes.
    ไทย
    • ใช้ $pV = nRT$ ($n$ ใน mol) หรือ $pV = NkT$ ($N$ โมเลกุล), โดยอุณหภูมิอยู่ใน เคลวิน และปริมาตรอยู่ใน $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
    • จำ สมมติฐานทฤษฎีจลน์ เป็นคำต่อคำ (การเคลื่อนที่สุ่ม, ปริมาตรโมเลกุลน้อยมาก, ไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลยกเว้นในการชน, การชนแบบยืดหยุ่น, เวลาการชนน้อยมาก) และรู้ว่าข้อใดสองข้อล้มเหลวที่ความดันสูง.
    • พลังงานจลน์การเคลื่อนที่เฉลี่ย $= \frac{3}{2}kT$ — มันขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิเท่านั้น; ที่ $T$ เดียวกัน โมเลกุลที่มีมวลน้อยกว่าจะเคลื่อนที่เร็วกว่า, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
    • สำหรับข้อ "พิสูจน์" เกี่ยวกับความดัน ให้แสดงลำดับ: การชนกับผนัง, การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม, แรง (กฎที่สองและที่สามของนิวตัน), แรงต่อหน่วยพื้นที่
    • ใช้ $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ เมื่อโจทย์กำหนดความหนาแน่น; ใช้ $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ เมื่อโจทย์ถามถึงพลังงานภายใน

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การใช้ °C ใน $pV = nRT$ หรือใน $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ ต้องแปลงหน่วยก่อน; อัตราส่วนอุณหภูมิใช้ได้ในหน่วยเคลวินเท่านั้น
    • การนิยามแก๊สอุดมคติเพียงว่า "ปฏิบัติตาม $pV = nRT$" เพียงอย่างเดียว เพิ่มคำว่า "ที่ทุกค่าของ $p$, $V$ และ $T$"
    • สับสนระหว่าง $n$ (โมล) กับ $N$ (โมเลกุล), หรือ $R$ กับ $k$. $N = nN_{\text{A}}$ และ $k = R/N_{\text{A}}$。
    • การอธิบายความดันด้วยเหตุผลว่า "โมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่ม" คะแนนจะเน้นที่การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่ผนังและแรงที่เกิดขึ้นต่อหน่วยพื้นที่
    • การวาดกราฟ $c_{\text{r.m.s.}}$ เทียบกับ $T$ เป็นเส้นตรง $\langle c^{2}\rangle$ เป็นเชิงเส้นใน $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ เพิ่มขึ้นเมื่อ $\sqrt{T}$。
    • การอ้างว่าพลังงานจลน์ของโมเลกุลเปลี่ยนไปเมื่อความดันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าที่อุณหภูมิคงที่ ความเร็วของการชนต่อวินาทีเท่านั้นที่เปลี่ยนไป
  • 16

    Thermodynamics · ⁨อุณหพลศาสตร์⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    16.1

    Internal energy · ⁨พลังงานภายใน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that internal energy is determined by the state of the system and that it can be expressed as the sum of a random distribution of kinetic and potential energies associated with the molecules of a system
    2. relate a rise in temperature of an object to an increase in its internal energy
    ไทย
    1. เข้าใจว่า พลังงานภายใน กำหนดโดยสถานะของระบบและสามารถแสดงเป็นผลรวมของการกระจายแบบสุ่มของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลของระบบ
    2. เชื่อมโยงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของวัตถุกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของมัน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    The internal energy 内能 $U$ of a system is the sum of:

    • the random kinetic energies 动能 of its molecules 分子 — they fly through space (translational 平动 motion), and unless they are single atoms they also spin (rotational 转动) and shake (vibrational 振动), and
    • the potential energies from the forces between the molecules.

    For a real solid, liquid or gas, both parts matter. In the ideal-gas 理想气体 model the intermolecular 分子间 forces are ignored, so the molecular potential energy is zero and the internal energy is purely kinetic.

    The two-mark definition. The internal energy of a system is the sum of the random distribution of the kinetic and potential energies of its molecules (or atoms). Both marks need "sum of kinetic and potential energies" and "random" (or "of the molecules") — leaving out "random" describes the energy of a moving object, not its internal energy. For an ideal gas, "with reference to kinetic and potential energy": the internal energy is the total kinetic energy of the molecules only, because there are no intermolecular forces and therefore no potential energy.

    Two key points:

    1. $U$ depends only on the state of the system (its temperature 温度, pressure 压强, volume 体积, amount of substance 物质的量) — not on the path taken to get there.
    2. $U$ is a sum over the molecules, not the kinetic energy of the whole object moving. A moving train of gas has bulk kinetic energy, but that is separate from $U$ — $U$ is the energy of the random molecular motion.

    Temperature and internal energy

    Raising an object's temperature raises the random kinetic energy of its molecules, and so raises its internal energy.

    For an ideal gas every molecule has average translational kinetic energy $\tfrac{3}{2} k T$ (Topic 15). With zero intermolecular potential energy, the total internal energy is

    $$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

    So the internal energy of an ideal gas is directly proportional to the thermodynamic temperature 热力学温度. Doubling $T$ doubles $U$. This is only exact for an ideal gas.

    During a phase change 相变 (melting or boiling) of a real substance, $U$ rises because the molecular potential energy rises (bonds breaking), even though the temperature stays constant.

    Describing a change in internal energy — always name both energies. A three-mark "describe and explain, with reference to molecular kinetic and potential energies" answer says what happens to each:

    • a gas heated at constant volume: the kinetic energy of the molecules increases, because temperature is a measure of their mean kinetic energy; the potential energy is unchanged (no work is done, the molecules' separation does not change); so the internal energy increases.
    • a wire stretched within its elastic limit at constant temperature: the kinetic energy of the atoms is unchanged (same temperature); the potential energy increases, because the atoms are pulled further apart against the interatomic forces; so the internal energy increases.
    • ice melting at $0\ ^{\circ}\text{C}$: the kinetic energy is unchanged (constant temperature); the potential energy increases as the bonds between molecules are broken and the separation grows; so the internal energy increases by the latent heat supplied.

    Worked example. A fixed mass of ideal gas is heated at constant pressure. Sketch the variation of its internal energy $U$ with its volume $V$.

    At constant pressure $V \propto T$ (Charles's law) and for an ideal gas $U \propto T$, so $U \propto V$: a straight line through the origin. The origin is on the line because at absolute zero both $V$ (extrapolated) and $U$ are zero.

    ไทย

    พลังงานภายใน $U$ ของระบบคือผลบวกของ:

    • พลังงานจลน์แบบสุ่ม ของ โมเลกุล —它们เคลื่อนที่ผ่านอวกาศ (การเคลื่อนที่แบบเลื่อน), และเว้นแต่จะเป็นอะตอมเดี่ยวพวกมันยังหมุน (การหมุน) และสั่น (การสั่น), และ
    • พลังงานศักย์ จากแรงระหว่างโมเลกุล

    สำหรับของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สจริง ทั้งสองส่วนมีความสำคัญ ในแบบจำลอง แก๊สอุดมคติ แรงระหว่างโมเลกุลถูกมองข้าม ดังนั้นพลังงานศักย์ของโมเลกุลจึงเป็นศูนย์และพลังงานภายในเป็นพลังงานจลน์ล้วนๆ

    นิยาม 2 คะแนน พลังงานภายในของระบบคือผลรวมของการกระจายแบบสุ่มของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล (หรืออะตอม) ทั้งสองคะแนนต้องมี "ผลบวกของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์" และ "แบบสุ่ม" (หรือ "ของโมเลกุล") — การละ "แบบสุ่ม" อธิบายถึงพลังงานของวัตถุที่เคลื่อนที่ ไม่ใช่พลังงานภายใน สำหรับแก๊สอุดมคติ "โดยอ้างอิงจากพลังงานจลน์และพลังงานศักย์": พลังงานภายในคือพลังงาน จลน์ รวมของโมเลกุลเท่านั้น เนื่องจากไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลดังนั้นจึงไม่มีพลังงานศักย์

    ภาพโมเลกุลแก๊สห้าตัววาดเป็นวงกลม แต่ละตัวมีลูกศรชี้ทิศทางเคลื่อนที่แบบสุ่ม และมีสปริงสั้นๆ เชื่อมโยงโมเลกุลเพื่อนบ้านเพื่อแทนแรงระหว่างกัน: ลูกศรคือพลังงานจลน์ของโมเลกุลและสปริงคือพลังงานศักย์
    พลังงานภายในคือพลังงานจลน์แบบสุ่มของโมเลกุล (ลูกศร) บวกกับพลังงานศักย์ของแรงระหว่างโมเลกุล (สปริง)

    จุดสำคัญสองจุด:

    1. $U$ขึ้นอยู่กับสถานะ ของระบบ (อุณหภูมิ, ความดัน, ปริมาตร, ปริมาณสาร) — ไม่ขึ้นกับเส้นทางที่ใช้ในการไปถึงสถานะนั้น
    2. $U$เป็นผลรวมของโมเลกุลทั้งหมด ไม่ใช่พลังงานจลน์ของวัตถุทั้งชิ้นที่กำลังเคลื่อนที่ รถไฟแก๊สที่เคลื่อนที่มีพลังงานจลน์รวม แต่สิ่งนั้นแยกต่างหากจาก $U$ — $U$คือพลังงานของการเคลื่อนที่แบบ สุ่ม ของโมเลกุล

    อุณหภูมิและพลังงานภายใน

    การเพิ่มอุณหภูมิของวัตถุจะเพิ่มพลังงานจลน์แบบสุ่มของโมเลกุล และดังนั้นก็เพิ่มพลังงานภายใน

    สำหรับแก๊สอุดมคติ ทุกโมเลกุลมีพลังงานจลน์การเคลื่อนที่เฉลี่ย $\tfrac{3}{2} k T$ (หัวข้อ 15) ด้วยพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลเป็นศูนย์ พลังงานภายในรวมจึงเป็น

    $$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

    ดังนั้นพลังงานภายในของแก๊สอุดมคติจึงแปรผันตรงกับ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ การคูณ $T$ เป็นสองเท่าจะทำให้ $U$ เป็นสองเท่าด้วย สิ่งนี้ ถูกต้องเพียง สำหรับแก๊สอุดมคติเท่านั้น

    ระหว่างการ เปลี่ยนสถานะ (การหลอมเหลวหรือการเดือด) ของสารจริง $U$ จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากพลังงานศักย์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น (การแตกของพันธะ) แม้ว่าจะมีอุณหภูมิคงที่ก็ตาม

    การอธิบายการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน — ต้องระบุทั้งสองประเภทของพลังงานเสมอ คำตอบ "อธิบายและอธิบายประกอบ โดยอ้างอิงถึงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล" ที่ให้คะแนน 3 คะแนน จะระบุว่าเกิดอะไรขึ้นกับ แต่ละชนิด:

    • แก๊สที่ถูกทำความร้อนที่ปริมาตรคงที่: พลังงานจลน์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิเป็นการวัดค่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของพวกมัน; พลังงานศักย์ไม่เปลี่ยนแปลง (ไม่มีการทำงาน ปริมาณการแยกตัวของโมเลกุลไม่เปลี่ยน); ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น
    • ลวดที่ถูกดึงออกภายในขีดจำกัดยืดหยุ่นที่อุณหภูมิคงที่: พลังงานจลน์ของอะตอมไม่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิเท่าเดิม); พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น เนื่องจากอะตอมถูกดึงออกจากกันไกลขึ้นเพื่อต้านแรงระหว่างอะตอม; ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น
    • น้ำแข็งละลายที่ $0\ ^{\circ}\text{C}$: พลังงานจลน์ไม่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิคงที่); พลังงานศักยเพิ่มขึ้นเมื่อพันธะระหว่างโมเลกุลแตกออกและระยะห่างเพิ่มขึ้น ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้นตามความร้อนแฝงที่ได้รับ

    ตัวอย่างวิธีทำ. มวลคงที่ของแก๊สอุดมคติถูกทำความร้อนที่ความดันคงที่ จงวาดกราฟแสดงความแปรปรวนของพลังงานภายใน $U$ กับปริมาตร $V$

    ที่ความดันคงที่ $V \propto T$ (กฎชาร์ลส์) และสำหรับแก๊สอุดมคติ $U \propto T$ ดังนั้น $U \propto V$: เส้นตรงผ่านจุดกำเนิด จุดกำเนิดอยู่บนเส้นเพราะที่อุณหภูมิสัมบูรณ์ ทั้ง $V$ (ส่วนต่อขยาย) และ $U$ เป็นศูนย์

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    The spread of molecular energies · ⁨ช่วงกระจายตัวของพลังงานโมเลกุล⁩

    Internal energy is the total random kinetic + potential energy of the molecules. Heat the gas and the whole speed distribution shifts to higher energy. · ⁨พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานจลน์ + พลังงานศักย์แบบสุ่มของโมเลกุล若ให้ความร้อนแก๊ส การกระจายตัวของความเร็วทั้งหมดจะเลื่อนไปด้านพลังงานที่สูงขึ้น⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ พลังงานภายใน
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ โมเลกุล
    translational/trænˈsleɪʃənl/ การเคลื่อนที่เชิงเส้น
    rotational/rəʊˈteɪʃənl/ การหมุน
    vibrational/vaɪˈbreɪʃənl/ การสั่น
    ideal-gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ ก๊าซอุดมคติ
    intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ ระหว่างโมเลกุล
    ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ แก๊สอุดมคติ
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิ
    pressure/ˈpreʃə/ ความดัน
    volume/ˈvɒljuːm/ ปริมาตร
    amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ ปริมาณสาร
    thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์
    phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ การเปลี่ยนแปลงสถานะ
    latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ ความร้อนแฝง
    piston/ˈpɪstn/ ลูกสูบ
    first law of thermodynamics/fɜːst lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ กฎข้อที่หนึ่งแห่งอุณหพลศาสตร์
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
    isothermal/ˌaɪsəˈθɜːml/ อุณหภูมิคงที่
    adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/ อะเดียเบติก
    heat capacity/hiːt kəˈpæsɪti/ ความจุความร้อน
    monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ อะตอมเดี่ยว
    16.2

    Work done on or by a gas · ⁨งานที่ทำโดยหรือต่อแก๊ส⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall and use $W = p\Delta V$ for the work done when the volume of a gas changes at constant pressure and understand the difference between the work done by the gas and the work done on the gas
    2. recall and use the first law of thermodynamics $\Delta U = q + W$ expressed in terms of the increase in internal energy, the heating of the system (energy transferred to the system by heating) and the work done on the system
    ไทย
    1. จำและใช้ $W = p\Delta V$ สำหรับ งานที่ทำ เมื่อปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนที่ ความดันคงที่ และเข้าใจความแตกต่างระหว่างงานที่แก๊สทำและงานที่ทำต่อแก๊ส
    2. จำและใช้ กฎข้อแรกแห่งอุณหพลศาสตร์ $\Delta U = q + W$ แสดงใน terms of การเพิ่มขึ้นของ พลังงานภายใน, การให้ความร้อนแก่ระบบ (พลังงานถ่ายโอนเข้าสู่ระบบด้วยความร้อน) และงานที่ทำต่อระบบ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    When a gas changes volume against an outside pressure, mechanical work is done. At constant pressure $p$ with a small volume change $\Delta V$, the size of the work is

    $$W = p \Delta V.$$

    Worked example. A gas at a constant pressure of $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ expands from $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ to $5.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Find the work done by the gas.

    $$W = p\,\Delta V = (1.0 \times 10^{5})(5.0 \times 10^{-3} - 2.0 \times 10^{-3}) = 300\ \text{J}.$$

    Worked example. An ideal gas of mass $0.35\ \text{kg}$ is heated at a constant pressure of $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; its internal energy rises by $7600\ \text{J}$ and its volume increases by $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^{3}$. Find the work done by the gas and the thermal energy supplied. The gas is then heated at constant volume until its internal energy rises by the same $7600\ \text{J}$; explain why less thermal energy is needed.

    Work done by the gas $= p\Delta V = 2.0 \times 10^{5} \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$, so the work done on it is $W = -2400\ \text{J}$. First law: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^{4}\ \text{J}$. At constant volume no work is done ($\Delta V = 0$, $W = 0$), so the whole of the thermal energy goes into internal energy: $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$. The extra $2400\ \text{J}$ at constant pressure was the work the gas did pushing back the surroundings as it expanded.

    Worked example. An aluminium block of volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ is heated from $0\ ^{\circ}\text{C}$ to $40\ ^{\circ}\text{C}$; its volume increases by $1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ against atmospheric pressure ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$). Compare the work it does on the atmosphere with the thermal energy it receives ($m = 9.75\ \text{kg}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

    Work done by the block $= p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-5} = 1.0\ \text{J}$; thermal energy $q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. The work is about $3 \times 10^{-6}$ of the heating, so for a solid $\Delta U \approx q$: solids and liquids barely expand, and $p\Delta V$ only matters for a gas.

    Sign convention in this syllabus

    This syllabus writes the first law as $\Delta U = q + W$, where $W$ is the work done on the gas and $q$ is the energy put in by heating.

    • when the gas is compressed, $\Delta V$ is negative and the work done on the gas is positive — the gas gains energy.
    • when the gas expands, $\Delta V$ is positive and the work done on the gas is negative — the gas loses energy (it does work on the surroundings).

    Watch which form a question wants:

    • "work done on the gas" — positive when compressing.
    • "work done by the gas" — the opposite sign, positive when expanding.

    At constant volume ($\Delta V = 0$), no work is done.

    ไทย
    โรเตอร์ของกังหันไอน้ำ
    กังหันไอน้ำทำงานเมื่อน้ำแข็งที่ขยายตัวดันใบพัดไปรอบๆ
    แก๊สในกระบอกสูบดันลูกสูบที่มีพื้นที่หน้าตัด A ออกไปเป็นระยะ Δx ต้านความดันภายนอก p; ปริมาตรแก๊สเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่กวาดไป ΔV = A Δx ดังนั้นแก๊สจึงทำงาน W = p ΔV ต่อสิ่งแวดล้อม
    แก๊สที่ดันลูกสูบที่มีพื้นที่ $A$ ออกไปเป็น $\Delta x$ ทำงาน $W = p\,\Delta V$ ต่อสิ่งแวดล้อม (ปริมาตรที่กวาดไป $\Delta V = A\,\Delta x$)

    เมื่อแก๊สเปลี่ยนปริมาตรภายใต้แรงดันภายนอก จะเกิดการทำงานทางกลขึ้น ในสภาวะแรงดันคงที่ $p$ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเล็กน้อย $\Delta V$ ขนาดของงานคือ

    $$W = p \Delta V.$$

    ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. แก๊สที่มีแรงดันคงที่ $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ ขยายตัวจาก $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ ไปยัง $5.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ จงหาจำนวนงานที่แก๊สทำ

    $$W = p\,\Delta V = (1.0 \times 10^{5})(5.0 \times 10^{-3} - 2.0 \times 10^{-3}) = 300\ \text{J}.$$

    ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. แก๊สอุดมคติมวล $0.35\ \text{kg}$ ถูกให้ความร้อนด้วยแรงดันคงที่ $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; พลังงานภายในเพิ่มขึ้น $7600\ \text{J}$ และปริมาตรเพิ่มขึ้น $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^{3}$ จงหาจำนวนงานที่แก๊สทำและพลังงานความร้อนที่ได้รับ จากนั้นถูกให้ความร้อนที่ ปริมาตรคงที่ จนกว่าพลังงานภายในจะเพิ่มขึ้นเท่าเดิม $7600\ \text{J}$ อธิบายว่าทำไมต้องใช้พลังงานความร้อนน้อยลง

    งานที่ทำ โดย แก๊ส $= p\Delta V = 2.0 \times 10^{5} \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$ ดังนั้นงานที่ทำ ต่อ แก๊สคือ $W = -2400\ \text{J}$. กฎข้อที่หนึ่ง: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^{4}\ \text{J}$. ที่ปริมาตรคงที่ไม่มีการทำงาน ($\Delta V = 0$, $W = 0$) ดังนั้นพลังงานความร้อนทั้งหมดจึงกลายเป็นพลังงานภายใน: $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$. ส่วนเพิ่ม $2400\ \text{J}$ ที่แรงดันคงที่คืองานที่แก๊สทำในการผลักสิ่งแวดล้อมออกขณะขยายตัว

    ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. บล็อกอลูมิเนียมปริมาตร $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ ถูกให้ความร้อนจาก $0\ ^{\circ}\text{C}$ ถึง $40\ ^{\circ}\text{C}$; ปริมาตรเพิ่มขึ้น $1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ ภายใต้แรงดันบรรยากาศ ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$). เปรียบเทียบงานที่มันทำต่อบรรยากาศกับพลังงานความร้อนที่ได้รับ ($m = 9.75\ \text{kg}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

    งานที่ทำโดยบล็อก $= p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-5} = 1.0\ \text{J}$; พลังงานความร้อน $q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. งานนี้คิดเป็นประมาณ $3 \times 10^{-6}$ ของการให้ความร้อน ดังนั้นสำหรับของแข็ง $\Delta U \approx q$: ของแข็งและของเหลวไม่ขยายตัวมาก และ $p\Delta V$ มีนัยสำคัญเฉพาะแก๊สเท่านั้น

    กราฟแรงดัน-ปริมาตรที่มีเส้นสีส้มแนวนอนที่แรงดันคงที่ p จากปริมาตร V1 ไปยัง V2; พื้นที่สี่เหลี่ยมผืนผ้าใต้เส้นทึบสีและติดป้ายว่างานทำ W = p คูณ Delta V และมีลูกศรเหนือเส้นแสดงการขยายตัวของแก๊สจาก V1 ไปยัง V2
    บนกราฟแรงดัน–ปริมาตร งานที่ทำที่แรงดันคงที่คือพื้นที่ใต้เส้น: $W = p\,\Delta V$

    สัญญาณตามหลักในหลักสูตรนี้

    หลักสูตรนี้เขียนกฎข้อที่หนึ่งเป็น $\Delta U = q + W$ โดยที่ $W$ คืองานที่ทำ ต่อ แก๊ส และ $q$ คือพลังงานใส่เข้า ด้วยความร้อน

    แผนภาพทรงกระบอกสองรูป: การอัดตัว: ลูกสูบถูกดันเข้าไปในก๊าซทำให้ปริมาตรลดลง และงานที่ทำต่อก๊าซมีค่าเป็นบวก; การขยายตัว: ก๊าซดันลูกสูบออกทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้น และงานที่ทำต่อก๊าซมีค่าเป็นลบ
    งานที่ทำต่อแก๊ส: เป็นบวกเมื่อถูกอัดตัว และลบเมื่อขยายตัว
    • เมื่อแก๊ส ถูกอัดตัว, $\Delta V$ เป็นลบและงานที่ทำ ต่อ แก๊สเป็นบวก — แก๊สได้รับพลังงาน
    • เมื่อแก๊ส ขยายตัว, $\Delta V$ เป็นบวกและงานที่ทำ ต่อ แก๊สเป็นลบ — แก๊สสูญเสียพลังงาน (มันทำงานต่อสิ่งแวดล้อม)

    สังเกตว่าคำถามต้องการรูปแบบใด:

    • "งานที่ทำ ต่อ แก๊ส" — เป็นบวกเมื่ออัดตัว
    • "งานที่ทำ โดย แก๊ส" — สัญญาณตรงข้าม เป็นบวกเมื่อขยายตัว

    ที่ปริมาตรคงที่ ($\Delta V = 0$) ไม่มีการทำงาน

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    16.2

    First law of thermodynamics · ⁨กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์⁩

    English

    The first law of thermodynamics 热力学第一定律 says that energy is conserved when heat and work pass between a system and its surroundings:

    $$\Delta U = q + W,$$

    where $\Delta U$ is the rise in internal energy, $q$ is the energy added by heating (positive in, negative out), and $W$ is the work done on the gas (positive when compressed). This is conservation of energy 能量守恒 for a gas.

    As the exam asks it. "State the first law of thermodynamics, identifying any symbols" (2 marks): the increase in internal energy of a system, $\Delta U$, is equal to the sum of the thermal energy transferred to the system by heating, $q$, and the work done on the system, $W$: $\Delta U = q + W$. Every symbol must be defined with its direction — "to the system" and "on the system" are what make the signs mean something. "State two ways in which the first law says the internal energy of a system may be changed": by heating (thermal energy transferred into or out of the system) and by doing work on or by the system.

    Worked example. A gas absorbs $500\ \text{J}$ of heat while it expands and does $200\ \text{J}$ of work on its surroundings. Find the change in its internal energy.

    The gas does work, so the work done on it is $W = -200\ \text{J}$:

    $$\Delta U = q + W = 500 + (-200) = 300\ \text{J}.$$

    Explaining with the first law. A three-mark "use the first law to explain" answer has three steps: say what $q$ is (and its sign), say what $W$ is (and its sign), then combine them for $\Delta U$ — and, if asked, say what the change in internal energy means for the molecules.

    • Why a bicycle pump gets hot when used quickly: the air is compressed, so work is done on it ($W > 0$); the compression is fast, so there is no time for thermal energy to leave ($q \approx 0$); therefore $\Delta U = W > 0$ — the internal energy, and so the temperature, of the air rises, and the pump warms up.
    • A spring stretched at constant temperature within its elastic limit: work is done on the spring by the stretching force ($W > 0$); there is no thermal energy transfer ($q = 0$); so the internal energy increases — stored as the elastic potential energy of the atoms, which are pulled further apart.
    • Water evaporating from a puddle on a hot day: thermal energy is transferred to the water from the surroundings ($q > 0$); the vapour formed occupies a far larger volume than the liquid, so the system does work on the atmosphere ($W < 0$); the internal energy still increases ($q$ is larger than the work done), and the increase is potential energy — the molecules are separated against the attractive forces between them.

    Reading the equation

    $\Delta U$ is fixed by the change of state (for an ideal gas, by the change in temperature). The same $\Delta U$ can come from different mixes of $q$ and $W$:

    • all heat, no work: $\Delta U = q$ (constant-volume heating).
    • all work, no heat: $\Delta U = W$ (insulated compression or expansion).

    Standard processes

    For an ideal gas, $\Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ — it depends only on $\Delta T$.

    Process What stays constant $\Delta U$ $W$ (on gas) $q$
    Isothermal $T$ $0$ $W$ $-W$
    Constant volume $V$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $0$ $\Delta U$
    Constant pressure $p$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $-p \Delta V$ $\Delta U - W$
    Adiabatic (no heat) varies $W$ $0$

    Read each row with the first law $\Delta U = q + W$:

    • Isothermal 等温 (constant $T$): $\Delta T = 0$, so $\Delta U = 0$. Then $q = -W$ — any heat that goes in comes straight back out as work.
    • Adiabatic 绝热 (no heat flow): $q = 0$, so $\Delta U = W$. The gas warms up only because work is done on it.
    • Constant volume (sealed rigid container): no work is done ($\Delta V = 0$), so all the heat goes into internal energy: $q = \Delta U$.
    • Constant pressure (gas pushing a piston 活塞): the gas does work as it expands, so the heat you supply does two jobs — it raises the internal energy and does the expansion work.

    So for the same rise in internal energy, heating at constant pressure needs more thermal energy than heating at constant volume, by exactly the work $p\Delta V$ the gas does while expanding — the constant-volume gas keeps every joule; the constant-pressure gas hands some back to the surroundings.

    Worked example: two-step process

    A sample of ideal gas at temperature $T$ with internal energy $U$ goes through:

    1. compression to temperature $3T$; work $W$ is done on the gas.
    2. cooling at constant volume to temperature $2T$.

    Step 1 ($T \to 3T$): $U = \tfrac{3}{2}nRT$, so $U \to 3U$, giving $\Delta U_{1} = 2U$. $W_{1} = +W$. So $q_{1} = \Delta U_{1} - W_{1} = 2U - W$.

    Step 2 ($3T \to 2T$, constant volume): $\Delta U_{2} = -U$. $W_{2} = 0$. So $q_{2} = -U$ (heat flows out).

    Check: total $\Delta U = 2U - U = U$, taking the gas from $T$ to $2T$ ($U \to 2U$) — consistent.

    Worked example: a cycle on a $p$–$V$ diagram

    A fixed mass of ideal gas is taken round the cycle ABCDA: A to B at constant volume $V_{1}$ (pressure $p_{1} \to p_{2}$), B to C at constant pressure $p_{2}$ (volume $V_{1} \to V_{2}$), C to D at constant volume, D to A at constant pressure $p_{1}$. Complete a table of the signs of $q$, $W$ and $\Delta U$ for each leg, and explain the internal-energy change from B to C.

    Leg Process $W$ (on gas) $\Delta U$ $q$
    A → B constant volume, pressure rises $0$ (no volume change) $+$ (temperature rises, $pV$ larger) $+$ ($q = \Delta U$)
    B → C constant pressure, expands $-$ (gas does work $p_{2}(V_{2} - V_{1})$) $+$ ($T \propto V$ at constant $p$) $+$ (and larger than $\Delta U$)
    C → D constant volume, pressure falls $0$ $-$ $-$ (thermal energy leaves)
    D → A constant pressure, compressed $+$ (work done on the gas $p_{1}(V_{2} - V_{1})$) $-$ $-$ (larger in size than $\Delta U$)

    From B to C the gas expands at constant pressure, so its temperature rises ($V/T$ constant) and its internal energy increases; it does work on the surroundings ($W$ negative), so the thermal energy supplied must cover both: $q = \Delta U - W$, larger than the rise in internal energy. Round the whole cycle $\Delta U = 0$ (the gas returns to its starting state), so the net thermal energy in equals the net work done by the gas — the area enclosed by the rectangle, $(p_{2} - p_{1})(V_{2} - V_{1})$.

    Heat capacity at constant volume

    For constant-volume heating of an ideal gas, $q = \Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$. So the molar heat capacity 热容 at constant volume is $\tfrac{3}{2} R$ for a monatomic 单原子 ideal gas. (You are not required to use the symbol $C_V$, but the result $q = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ for constant-volume heating is.)

    Heating without a temperature change

    If heat is supplied during a phase change at constant pressure (e.g. boiling water), the temperature stays constant but the internal energy still rises (the latent heat 潜热 separates the molecules), and the gas does expansion work. The first law still holds: $\Delta U = q + W$.

    ไทย
    สถานีไฟฟ้ากำลังพร้อมหอคอยระบายความร้อน
    โรงงานผลิตไฟฟ้าเป็นเครื่องยนต์ความร้อน: มันแปลงความร้อนให้เป็นงานที่มีประโยชน์

    กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ บอกว่า พลังงานมีค่าคงที่เมื่อความร้อนและงานแลกเปลี่ยนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม:

    $$\Delta U = q + W,$$

    โดยที่ $\Delta U$ คือการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน, $q$ คือพลังงานที่ใส่เข้า ด้วยความร้อน (บวกเมื่อเข้า ลบเมื่อออก), และ $W$ คืองานที่ทำ ต่อ แก๊ส (บวกเมื่อถูกอัดตัว) นี่คือ การอนุรักษ์พลังงาน สำหรับแก๊ส

    ตามที่ข้อสอบถาม. "ระบุกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ พร้อมอธิบายสัญลักษณ์ใดๆ" (2 คะแนน): การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของระบบ, $\Delta U$, เท่ากับผลรวมของพลังงานความร้อนถ่ายโอนเข้าสู่ระบบด้วยการให้ความร้อน, $q$, และงานที่ทำต่อระบบ, $W$: $\Delta U = q + W$. ต้องนิยามสัญลักษณ์ทุกตัวพร้อม ทิศทาง — "เข้าสู่ระบบ" และ "ต่อระบบ" คือสิ่งที่ทำให้สัญญาณมีความหมาย "ระบุสองวิธีที่กฎข้อที่หนึ่งบอกว่าพลังงานภายในของระบบอาจเปลี่ยนแปลงได้": โดยการ ให้ความร้อน (ถ่ายโอนพลังงานความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ) และการ ทำ работы ต่อหรือโดยระบบ

    กล่องที่ติดป้ายว่า 'ก๊าซ' ซึ่งเป็นระบบ มีลูกศรสีฟ้าที่มีป้าย q (พลังงานเข้าจากการให้ความร้อน) เข้ามาทางซ้าย และมีลูกศรสีส้มที่มีป้าย W (งานที่ทำต่อก๊าซ) เข้ามาทางขวา; ด้านล่างของกล่องมีสมการ Delta U = q + W พร้อมหมายเหตุว่าแต่ละพจน์จะมีค่าเป็นบวกเมื่อพลังงานไหลเข้าสู่ก๊าซ
    ทั้งการให้ความร้อน ($q$) และการทำงานต่อแก๊ส ($W$) ล้วนใส่พลังงานเข้า ทำให้พลังงานภายในเพิ่มขึ้น $\Delta U$

    ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. แก๊สดูดความร้อน $500\ \text{J}$ ขณะมันขยายตัวและทำงาน $200\ \text{J}$ ต่อมลแวดล้อม จงหาการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน

    แก๊สทำงาน ดังนั้นงานที่ทำ ต่อ มันคือ $W = -200\ \text{J}$:

    $$\Delta U = q + W = 500 + (-200) = 300\ \text{J}.$$

    อธิบายโดยใช้กฎข้อที่หนึ่ง. คำตอบแบบ "ใช้กฎข้อที่หนึ่งอธิบาย" 3 คะแนน มีสามขั้นตอน: บอกว่า $q$ คืออะไร (และสัญญาณ), บอกว่า $W$ คืออะไร (และสัญญาณ), แล้วรวมกันเพื่อหา $\Delta U$ — และถ้าถามให้บอกว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในหมายถึงอะไรระดับโมเลกุล

    บัตรสามใบ: เครื่องสูบลมจักรยานที่ใช้เร็ว ไม่มีการให้ความร้อน และงานทำต่ออากาศมีค่าเป็นบวกจึงทำให้พลังงานภายในเพิ่มขึ้น; ลวดที่ถูกดึงที่อุณหภูมิคงที่ไม่มีการให้ความร้อนและงานเป็นบวกทำให้พลังงานศักย์ของอะตอมเพิ่มขึ้น; บ่อน้ำระเหย ถูกให้ความร้อนจากสิ่งแวดล้อม ในขณะที่ไอน้ำทำงานต่อชั้นบรรยากาศ ทำให้โมเลกุลแยกออกจากกัน
    คำอธิบายกฎข้อที่หนึ่งสามแบบคลาสสิก: ให้ $q$连同其符号, $W$连同其符号, แล้ว $\Delta U$
    • เหตุผลที่ลูกสูบลมร้อนขึ้นเมื่อใช้เร็ว: อากาศถูกอัดตัว จึงมีงานทำ บน อากาศ ($W > 0$); การอัดตัวเกิดขึ้นเร็วมาก จึงไม่มีเวลาให้พลังงานความร้อนหลุดออก ($q \approx 0$); ดังนั้น $\Delta U = W > 0$ — พลังงานภายใน และดังนั้นอุณหภูมิของอากาศจึงสูงขึ้น ทำให้ลูกสูบร้อนขึ้น
    • สปริงที่ถูกยืดในอุณหภูมิคงที่ภายในขอบเขตความยืดหยุ่น: มีงานทำบนสปริงโดยแรงดึง ($W > 0$); ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานความร้อน ($q = 0$); ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น — เก็บเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นของอะตอม ซึ่งถูกดึงออกจากกันมากขึ้น
    • น้ำระเหยจากแอ่งน้ำในวันที่อากาศร้อน: พลังงานความร้อนถูกถ่ายโอนไปยังน้ำจากสิ่งแวดล้อม ($q > 0$); ไอน้ำที่เกิดขึ้นมีปริมาตรมากกว่าของเหลวมาก ระบบจึงทำงานกับบรรยากาศ ($W < 0$); พลังงานภายในยังคงเพิ่มขึ้น ($q$ มีค่ามากกว่างานที่ทำ) และการเพิ่มขึ้นนี้เป็นพลังงานศักย์ — โมเลกุลถูกแยกออกจากกันเพื่อต้านแรงดึงดูดระหว่างกัน

    การอ่านสมการ

    $\Delta U$ ถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนสถานะ (สำหรับแก๊สอุดมคติ คือจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) ค่า $\Delta U$ เดียวกันสามารถเกิดจากการผสมผสานของ $q$ และ $W$ ที่แตกต่างกันได้:

    • ความร้อนทั้งหมด ไม่มีงาน: $\Delta U = q$ (การให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่).
    • งานทั้งหมด ไม่มีความร้อน: $\Delta U = W$ (การอัดหรือขยายตัวแบบฉนวน)

    กระบวนการมาตรฐาน

    สำหรับแก๊สอุดมคติ, $\Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ — ขึ้นอยู่กับ $\Delta T$ เท่านั้น

    กราฟความดัน-ปริมาตรที่มีเส้นสี่เส้นเริ่มจากจุดเริ่มต้นเดียวกัน: เส้นแนวนอน (ความดันคงที่), เส้นแนวตั้ง (ปริมาตรคงที่), เส้นโค้งลดลงทางขวา (อุณหภูมิคงที่ โดย T คงที่), และเส้นโค้งที่ชันกว่าด้านล่าง ( Adiabat โดยไม่มีการไหลของความร้อน )
    กระบวนการมาตรฐานทั้งสี่ เริ่มจากสถานะเดียวกัน
    กระบวนการ สิ่งที่คงที่ $\Delta U$ $W$ (ต่อแก๊ส) $q$
    อุณหภูมิคงที่ $T$ $0$ $W$ $-W$
    ปริมาตรคงที่ $V$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $0$ $\Delta U$
    ความดันคงที่ $p$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $-p \Delta V$ $\Delta U - W$
    Adiabat (ไม่มีความร้อน) เปลี่ยนแปลง $W$ $0$

    อ่านแต่ละบรรทัดโดยใช้กฎข้อที่หนึ่ง $\Delta U = q + W$:

    • อุณหภูมิคงที่ (constant $T$): $\Delta T = 0$, ดังนั้น $\Delta U = 0$. จากนั้น $q = -W$ — ความร้อนwhateverที่เข้าไปจะออกมาเป็นงานทันที.
    • Adiabat (ไม่มีการไหลของความร้อน): $q = 0$, ดังนั้น $\Delta U = W$. แก๊สร้อนขึ้นก็เพราะมีงานทำบนมันเท่านั้น
    • ปริมาตรคงที่ (ภาชนะแข็งปิดสนิท): ไม่มีการทำงา ($\Delta V = 0$), ดังนั้นความร้อนทั้งหมดจึงไปเพิ่มพลังงานภายใน: $q = \Delta U$.
    • ความดันคงที่ (แก๊สดัน ลูกสูบ): แก๊สทำงานขณะขยายตัว ดังนั้นความร้อนที่คุณจ่ายจึงทำหน้าที่สองอย่าง — เพิ่มพลังงานภายใน และ ทำงานในการขยายตัว

    ดังนั้นสำหรับการ เพิ่มพลังงานภายในเท่าเดิม การให้ความร้อนที่ความดันคงที่ต้องใช้พลังงานความร้อน มากกว่า การให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่ พอดีเท่ากับงาน $p\Delta V$ ที่แก๊ส可以做ขณะขยายตัว — แก๊สที่ปริมาตรคงที่เก็บทุกจูล; แต่แก๊สที่ความดันคงที่ส่งบางส่วนกลับสู่สิ่งแวดล้อม

    ตัวอย่างวิธีทำ: กระบวนการสองขั้นตอน

    ตัวอย่างแก๊สอุดมคติที่อุณหภูมิ $T$ มีพลังงานภายใน $U$ ผ่าน:

    1. การอัดตัว ไปยังอุณหภูมิ $3T$; มีงาน $W$ ทำบนแก๊ส
    2. การทำความเย็นที่ปริมาตรคงที่ ลงไปจนถึงอุณหภูมิ $2T$
    แผนภูมิแท่งแสดงพลังงานภายในที่สามสถานะ: สูง U ที่อุณหภูมิ T (เริ่มต้น), เพิ่มขึ้นเป็น 3U หลังขั้นตอนที่ 1 อัดแก๊สไปที่ 3T, จากนั้นลดลงเป็น 2U หลังขั้นตอนที่ 2 ทำความเย็นที่ปริมาตรคงที่ไปที่ 2T
    พลังงานภายในติดตามอุณหภูมิ: $U \to 3U$ เมื่ออัดไปที่ $3T$, จากนั้น $3U \to 2U$ เมื่อทำความเย็นไปที่ $2T$

    ขั้นตอนที่ 1 ($T \to 3T$): $U = \tfrac{3}{2}nRT$, ดังนั้น $U \to 3U$, ได้ $\Delta U_{1} = 2U$. $W_{1} = +W$. ดังนั้น $q_{1} = \Delta U_{1} - W_{1} = 2U - W$

    ขั้นตอนที่ 2 ($3T \to 2T$, ปริมาตรคงที่): $\Delta U_{2} = -U$. $W_{2} = 0$. ดังนั้น $q_{2} = -U$ (ความร้อนไหลออก)

    ตรวจสอบ: รวม $\Delta U = 2U - U = U$, นำแก๊สจาก $T$ ไปยัง $2T$ ($U \to 2U$) — สอดคล้องกัน

    ตัวอย่างวิธีทำ: รอบวงบนแผนภูมิ $p$–$V$

    รอบวงสี่เหลี่ยมผืนผ้า ABCDA บนแผนภูมิความดัน-ปริมาตร: ให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่จาก A ไป B, ขยายตัวที่ความดันคงที่จาก B ไป C, ทำความเย็นที่ปริมาตรคงที่จาก C ไป D, และอัดตัวที่ความดันคงที่จาก D กลับไปหา A; พื้นที่ภายในคืองานสุทธิที่แก๊สทำได้
    รอบวง: สำหรับแต่ละข้อยึด $W$ จากการเปลี่ยนแปลงปริมาตร และ $\Delta U$ จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ, แล้ว $q$ จะตามมาจากกฎข้อที่หนึ่ง

    มวลคงตัวของแก๊สอุดมคติถูกพาผ่านรอบวง ABCDA: จาก A ไป B ที่ปริมาตรคงที่ $V_{1}$ (ความดัน $p_{1} \to p_{2}$), B ไป C ที่ความดันคงที่ $p_{2}$ (ปริมาตร $V_{1} \to V_{2}$), C ไป D ที่ปริมาตรคงที่, D ไป A ที่ความดันคงที่ $p_{1}$. เติมตารางเครื่องหมายของ $q$, $W$ และ $\Delta U$ สำหรับแต่ละขา และอธิบายการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจาก B ไป C

    ขั้ว กระบวนการ $W$ (ต่อก๊าซ) $\Delta U$ $q$
    A → B ปริมาตรคงที่, ความดันเพิ่มขึ้น $0$ (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตร) $+$ (อุณหภูมิเพิ่มขึ้น, $pV$ มากขึ้น) $+$ ($q = \Delta U$)
    B → C ความดันคงที่ ขยายตัว $-$ (ก๊าซทำงาน $p_{2}(V_{2} - V_{1})$) $+$ ($T \propto V$ ที่ constant $p$) $+$ (และมากกว่า $\Delta U$)
    C → D ปริมาตรคงที่, ความดันลดลง $0$ $-$ $-$ (พลังงานความร้อนออก)
    D → A ความดันคงที่, อัดตัว $+$ (มีงานทำบนแก๊ส $p_{1}(V_{2} - V_{1})$) $-$ $-$ (มีขนาดใหญ่กว่า $\Delta U$)

    จาก B ไป C ก๊าซขยายตัวที่ความดันคงที่ ดังนั้นอุณหภูมิจึงสูงขึ้น ($V/T$ คงที่) และพลังงานภายในเพิ่มขึ้น; ก๊าซทำงานต่อสิ่งแวดล้อม ($W$ เป็นลบ) ดังนั้นพลังงานความร้อนที่ต้องจ่ายจึงต้องครอบคลุมทั้งสองส่วน: $q = \Delta U - W$, มีค่ามากกว่าการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน. สำหรับรอบเต็ม $\Delta U = 0$ (ก๊าซกลับสู่สถานะเริ่มต้น) พลังงานความร้อนสุทธิที่เข้าสู่ระบบเท่ากับงานสุทธิที่ก๊าซทำ — ซึ่งคือพื้นที่ภายในรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า, $(p_{2} - p_{1})(V_{2} - V_{1})$.

    ความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่

    สำหรับการให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่ของก๊าซอุดมคติ, $q = \Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$. ดังนั้น ความจุความร้อน มولية ที่ปริมาตรคงที่สำหรับ อะตอมเดียว ของก๊าซอุดมคติคือ $\tfrac{3}{2} R$. (ไม่จำเป็นต้องใช้สัญลักษณ์ $C_V$ แต่ผลลัพธ์ $q = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ สำหรับการให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่คือ.)

    สองภาชนะ: ปริมาตรคงที่: กล่องแข็งปิดสนิทให้ความร้อนจากด้านล่าง; ไม่มีการทำงานดังนั้นความร้อนทั้งหมดเพิ่มพลังงานภายใน. ความดันคงที่: กล่องที่มีลูกสูบเคลื่อนที่ได้ด้านบนซึ่งจะเคลื่อนออกเมื่อได้รับความร้อน ทำให้ความร้อนเพิ่มพลังงานภายในและยังทำงานด้วย
    ที่ปริมาตรคงที่ ความร้อนทั้งหมดเพิ่ม $U$ ($q = \Delta U$); ที่ความดันคงที่ ก๊าซยังทำงาน

    การให้ความร้อนโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

    หากให้ความร้อนระหว่างเปลี่ยนสถานะที่ความดันคงที่ (เช่น การต้ม น้ำ) อุณหภูมิจะคงที่แต่พลังงานภายในยังเพิ่มขึ้น (เพราะ ความร้อนแฝง แยกโมเลกุลออกจากกัน) และก๊าซจะทำงานขยายตัว กฎข้อแรกยังคงใช้: $\Delta U = q + W$.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Work done on a gas · ⁨งานที่ทำต่อแก๊ส⁩

    Push the piston in and you do work on the gas (W = pΔV); the first law says that work plus the heat added equals the rise in internal energy. · ⁨กดลูกสูบเข้าไป คุณจะทำงานต่อแก๊ส (W = pΔV); กฎข้อที่หนึ่งระบุว่า งานบวกกับความร้อนที่ใส่เข้า equals การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน⁩

    16.2

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    internal energy the sum of the random distribution of the kinetic and potential energies of the molecules of a system
    internal energy of an ideal gas the total random kinetic energy of its molecules, since with no intermolecular forces there is no potential energy
    first law of thermodynamics the increase in internal energy of a system equals the thermal energy transferred to the system by heating plus the work done on the system: $\Delta U = q + W$
    work done on a gas at constant pressure $W = p\Delta V$ in size; positive when the gas is compressed, negative when it expands (the gas then does work on its surroundings)
    thermal energy transfer (heating) energy transferred to or from a system because of a temperature difference; $q$ is positive when it enters
    isothermal change a change at constant temperature, so for an ideal gas $\Delta U = 0$ and $q = -W$
    adiabatic change a change with no thermal energy transfer, $q = 0$, so $\Delta U = W$
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    พลังงานภายใน ผลรวมของการกระจายแบบสุ่มของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุลในระบบ
    พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ พลังงานจลน์แบบสุ่มทั้งหมดของโมเลกุล เนื่องจากไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลจึงไม่มีพลังงานศักย์
    กฎข้อแรกแห่งอุณหพลศาสตร์ การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของระบบเท่ากับพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนเข้าสู่ระบบด้วยการให้ความร้อนบวกกับงานที่ทำต่อระบบ: $\Delta U = q + W$
    งานที่ทำต่อก๊าซที่ความดันคงที่ $W = p\Delta V$ ในขนาด; เป็นบวกเมื่อถูกอัด, เป็นลบเมื่อขยายตัว (ในกรณีนี้ก๊าซจะทำงานต่อสิ่งแวดล้อม)
    การถ่ายโอนพลังงานความร้อน (การให้ความร้อน) พลังงานที่ถ่ายโอนเข้าหรือออกจากระบบเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ; $q$ เป็นบวกเมื่อเข้าสู่ระบบ
    การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิคงที่ การเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่所以对于理想气体 $\Delta U = 0$ และ $q = -W$
    การเปลี่ยนแปลงอדיบาติก การเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานความร้อน, $q = 0$, ดังนั้น $\Delta U = W$
    16.2

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • First law: $\Delta U = q + W$ — define every symbol with its direction: $q$ is energy transferred to the system by heating, $W$ is work done on the system.
    • For an ideal gas, internal energy depends only on temperature ($\Delta U \propto \Delta T$) and is kinetic energy only; for a solid or liquid the potential energy changes too.
    • Work done by a gas at constant pressure $= p\Delta V$; read the sign from expansion (by) or compression (on), and remember that at constant volume $W = 0$.
    • A "describe and explain" answer names both kinetic and potential energy and says what happens to each; an "explain using the first law" answer gives $q$, $W$ and then $\Delta U$, each with its sign.
    • Round a complete cycle $\Delta U = 0$, so net heating equals net work done by the gas — the area enclosed on the $p$–$V$ diagram.

    Common mistakes

    • Defining internal energy as "the total energy of the molecules" or forgetting "random" or "potential". The mark scheme wants the sum of random kinetic and potential energies.
    • Using $W = p\Delta V$ with the wrong sign. When the gas expands the work done on it is negative.
    • Saying the internal energy of an ideal gas rises when it is compressed isothermally. At constant temperature $\Delta U = 0$: the work done on it leaves again as heat.
    • Treating a phase change as $\Delta U = 0$ because the temperature is constant. The potential energy rises; $\Delta U$ is the latent heat minus any expansion work.
    • Forgetting that a gas heated at constant pressure does work, so it needs more heating than at constant volume for the same $\Delta U$.
    • Applying $\Delta U = \tfrac{3}{2}nR\Delta T$ to a real gas, a liquid or a solid. It is the ideal-gas result only.
    ไทย
    • กฎข้อแรก: $\Delta U = q + W$ — นิยามสัญลักษณ์ทุกตัวพร้อมทิศทาง: $q$ คือพลังงานที่ถ่ายโอน เข้าสู่ ระบบด้วยการให้ความร้อน, $W$ คืองานที่ทำ ต่อ ระบบ.
    • สำหรับก๊าซอุดมคติ พลังงานภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ($\Delta U \propto \Delta T$) และเป็นเพียงพลังงานจลน์; สำหรับของแข็งหรือของเหลว พลังงานศักย์ก็เปลี่ยนแปลงด้วย.
    • งานที่ก๊าซทำที่ความดันคงที่ $= p\Delta V$; อ่านเครื่องหมายจากการขยาย (โดย) หรือการอัด (ต่อ) และจำไว้ว่าที่ปริมาตรคงที่ $W = 0$.
    • คำตอบประเภท "อธิบายและอธิบายเหตุผล" ต้องระบุทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์และบอกสิ่งที่เกิดขึ้นกับแต่ละอย่าง; คำตอบประเภท "อธิบายโดยใช้กฎข้อแรก" ให้ $q$, $W$ และ سپس $\Delta U$, แต่ละอย่างมีเครื่องหมายของมัน.
    • สำหรับรอบเต็ม $\Delta U = 0$, การให้ความร้อนสุทธิเท่ากับงานสุทธิที่ก๊าซทำ — พื้นที่ภายในบนแผนภาพ $p$–$V$.

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • นิยามพลังงานภายในว่า "พลังงานทั้งหมดของโมเลกุล" หรือลืมคำว่า "แบบสุ่ม" หรือ "ศักย์". แผนการให้คะแนนต้องการผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์แบบสุ่ม.
    • การใช้ $W = p\Delta V$ กับเครื่องหมายผิด. เมื่อก๊าซขยายตัว งานที่ทำ ต่อ มันจะเป็นลบ.
    • การบอกว่าพลังงานภายในของก๊าซอุดมคติเพิ่มขึ้นเมื่อถูกอัดแบบอุณหภูมิคงที่. ที่อุณหภูมิคงที่ $\Delta U = 0$: งานที่ทำต่อมันจะถูกปล่อยออกไปเป็นความร้อนอีกครั้ง.
    • การ treating การเปลี่ยนสถานะเป็น $\Delta U = 0$ เพราะอุณหภูมิคงที่. พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น; $\Delta U$ คือความร้อนแฝงลบด้วยงานขยายตัวใดๆ.
    • ลืมว่าก๊าซที่ให้ความร้อนที่ความดันคงที่จะทำงาน ดังนั้นจึงต้องการความร้อนมากกว่าที่ปริมาตรคงที่เพื่อให้ได้ $\Delta U$ เดียวกัน.
    • การประยุกต์ใช้ $\Delta U = \tfrac{3}{2}nR\Delta T$ กับก๊าซจริง ของเหลวหรือของแข็ง. มันเป็นผลลัพธ์เฉพาะของก๊าซอุดมคติเท่านั้น.
  • 17

    Oscillations · ⁨การสั่นสะเทือน⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    17.1

    Simple harmonic motion: definition · ⁨การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น: นิยาม⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand and use the terms displacement, amplitude, period, frequency, angular frequency and phase difference in the context of oscillations, and express the period in terms of both frequency and angular frequency
    2. understand that simple harmonic motion occurs when acceleration is proportional to displacement from a fixed point and in the opposite direction
    3. use $a = -\omega^2 x$ and recall and use, as a solution to this equation, $x = x_0 \sin \omega t$
    4. use the equations $v = v_0 \cos \omega t$ and $v = \pm \omega \sqrt{x_0^2 - x^2}$
    5. analyse and interpret graphical representations of the variations of displacement, velocity and acceleration for simple harmonic motion
    ไทย
    1. เข้าใจและใช้คำศัพท์ การกระจัด, แอมพลิจูด, คาบ, ความถี่, ความถี่เชิงมุม และ ผลต่างเฟส ในบริบทของการสั่นสะเทือน, และแสดงคาบใน terms of ทั้งความถี่และความถี่เชิงมุม
    2. เข้าใจว่า การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย เกิดขึ้นเมื่อ ความเร่ง สัดส่วนกับ การกระจัด จากจุดอ้างอิงตายตัวและอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม
    3. ใช้ $a = -\omega^2 x$ และจำและใช้, ในฐานะคำตอบของสมการนี้, $x = x_0 \sin \omega t$
    4. ใช้สมการ $v = v_0 \cos \omega t$ และ $v = \pm \omega \sqrt{x_0^2 - x^2}$
    5. วิเคราะห์และตีความการแสดงกราฟของการเปลี่ยนแปลงของการกระจัด, ความเร็ว และความเร่งสำหรับการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    SHM: spring, circle and graph in phase

    A particle moves with simple harmonic motion 简谐运动 (SHM) when its acceleration 加速度 is:

    • proportional to its displacement from a fixed equilibrium 平衡 point, and
    • directed back towards that point — opposite in sign to the displacement.

    The defining equation is

    $$a = -\omega^{2} x,$$

    where $x$ is the displacement 位移 from equilibrium and $\omega$ is a positive constant, the angular frequency 角频率. The minus sign means "directed back towards equilibrium".

    The two-mark definition. Simple harmonic motion is motion in which the acceleration is proportional to the displacement from a fixed point and is always directed towards that point (in the opposite direction to the displacement). Both halves are needed. "The significance of the minus sign": the acceleration is in the opposite direction to the displacement — always towards the equilibrium position. "State what is meant by the frequency of the oscillations": the number of complete oscillations per unit time.

    Many systems do this near a stable equilibrium: a mass on a spring 弹簧, a pendulum 单摆 (small swing), a floating block pushed down, the charge on a capacitor 电容器 in an LC circuit, atoms in a solid.

    Key terms

    • displacement $x$ — distance from equilibrium at a moment (a vector along the line of motion).
    • amplitude 振幅 $x_{0}$ — the largest displacement from equilibrium. Always positive.
    • period 周期 $T$ — the time for one full oscillation.
    • frequency 频率 $f$ — the number of oscillations per second; $f = 1/T$. Unit: Hz.
    • angular frequency $\omega$ — $\omega = 2\pi/T = 2\pi f$. Unit: $\text{rad s}^{-1}$.
    • phase difference 相位差 — the fraction of a cycle (in radians) by which one oscillation leads or lags another. A quarter-cycle apart is a phase difference of $\pi/2$.

    So $T = 2\pi/\omega$ and $f = \omega/(2\pi)$ — given any one of $\omega$, $f$, $T$ you can find the others.

    Worked example. A mass on a spring oscillates with SHM of amplitude $0.050\ \text{m}$ and frequency $2.5\ \text{Hz}$. Find its maximum acceleration.

    The angular frequency is $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 2.5 = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. The acceleration is largest at the extremes, where $|a| = \omega^{2}x_{0}$:

    $$a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 15.7^{2} \times 0.050 \approx 12\ \text{m s}^{-2}.$$

    Showing that a motion is simple harmonic

    The exam's favourite four-mark derivation, and the recipe is always the same: (1) displace the object by $x$ from equilibrium; (2) find the resultant restoring force, which comes out as $F = -(\text{constant}) \times x$; (3) apply Newton's second law, $a = F/m = -(\text{constant}/m)\,x$; (4) this has the form $a = -\omega^{2}x$, so the motion is simple harmonic with $\omega^{2} = \text{constant}/m$, and $T = 2\pi/\omega$. Say in words why the force points back towards equilibrium and why it is proportional to $x$ — those are the marks, not the algebra.

    Worked example. A mass $m$ hangs from a spring of spring constant $k$. Show that, when displaced and released, it moves with simple harmonic motion, and find the period.

    At equilibrium the spring tension balances the weight. Displace the mass a distance $x$ downwards: the tension increases by $kx$ (Hooke's law), so there is a resultant force $kx$ upwards, towards equilibrium. Newton's second law: $a = -\dfrac{k}{m}x$. This is $a = -\omega^{2}x$ with $\omega^{2} = k/m$, so the motion is simple harmonic and $T = 2\pi/\omega = 2\pi\sqrt{m/k}$. (A trolley held between two identical springs has both pulling it back, $F = -2kx$, so $\omega^{2} = 2k/m$.)

    Worked example. A cuboidal block of cross-sectional area $A$ and mass $m$ floats in a liquid of density $\rho$ with its base a depth $h$ below the surface. It is pushed down a small distance $x$ and released. Show that it oscillates with simple harmonic motion and find the period in terms of $h$ and $g$.

    When the block is pushed down by $x$ an extra volume $Ax$ is submerged, so the upthrust 浮力 increases by the weight of that extra liquid, $\rho g A x$; this extra force acts upwards, towards the equilibrium position. Hence $a = -\dfrac{\rho g A}{m}x$: proportional to $x$ and opposite in direction, so the motion is simple harmonic with $\omega^{2} = \rho g A/m$. At equilibrium the upthrust on the submerged volume $Ah$ equals the weight, $\rho g A h = mg$, so $m = \rho A h$ and $\omega^{2} = g/h$: $T = 2\pi\sqrt{h/g}$ — the same form as a pendulum of length $h$.

    Worked example. A U-tube of cross-sectional area $A$ contains liquid of density $\rho$; the column in each arm has length $L$. The liquid is displaced so that one surface is $x$ above its equilibrium level and the other $x$ below. Show that the liquid oscillates with simple harmonic motion.

    The two surfaces now differ in height by $2x$, so a column of liquid of height $2x$ is unbalanced: the restoring force on the liquid is the weight of that column, $2x\rho g A$, directed so as to level the surfaces. The mass being moved is the whole liquid, $2L\rho A$. So $a = -\dfrac{2x\rho g A}{2L\rho A} = -\dfrac{g}{L}x$: simple harmonic, with $\omega^{2} = g/L$ and $T = 2\pi\sqrt{L/g}$. Note that $\rho$ and $A$ cancel — the period depends on neither the liquid nor the tube.

    ไทย
    SHM: สปริง, วงกลม และกราฟอยู่ในเฟสเดียวกัน
    นาฬิกาลูกตุ้ม
    นาฬิกาลูกตุ้มรักษาเวลาโดยใช้การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น.

    อนุภาคเคลื่อนที่ด้วย การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น (SHM) เมื่อ ความเร่ง ของมันคือ:

    • แปรผันตรงกับระยะกระจัด จากจุดสมดุลที่ตายตัว, และ
    • ชี้กลับเข้าสู่จุดนั้น — มีเครื่องหมายตรงข้ามกับระยะกระจัด.

    สมการกำหนดคือ

    $$a = -\omega^{2} x,$$

    โดยที่ $x$ คือ ระยะกระจัด จากจุดสมดุล และ $\omega$ เป็นค่าคงที่บวก, ความถี่มุม. เครื่องหมายลบหมายถึง "ชี้กลับเข้าสู่จุดสมดุล".

    นิยาม 2 คะแนน. การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้นคือการเคลื่อนที่ที่ความเร่งแปรผันตรงกับระยะกระจัดจากจุดตายตัวและชี้เข้าสู่จุดนั้นเสมอ (ในทิศทางตรงข้ามกับระยะกระจัด). ทั้งสองส่วนจำเป็น. "ความสำคัญของเครื่องหมายลบ": ความเร่งอยู่ใน ทิศทางตรงข้าม กับระยะกระจัด — เสมอเข้าสู่ตำแหน่งสมดุล. "ระบุว่าความถี่ของการสั่นคืออะไร": จำนวนรอบการสั่นสมบูรณ์ต่อหน่วยเวลา.

    หลายระบบดำเนินการแบบนี้ใกล้จุดสมดุลที่เสถียร: มวลบน สปริง, ลูกตุ้ม (การแกว่งเล็กน้อย), บล็อกลอยน้ำที่ถูกกดลง,ประจุบน ตัวเก็บประจุ ในวงจร LC, อะตอมในของแข็ง.

    มวลติดบนสปริงแสดงด้านบนและด้านล่างของเส้นสมดุล; ในแต่ละกรณีลูกศรความเร่งชี้กลับเข้าสู่จุดสมดุล ข้ามกับลูกศรการกระจัด
    ความเร่งชี้กลับเข้าสู่จุดเสมอ ข้ามกับการกระจัด

    คำศัพท์สำคัญ

    • การกระจัด $x$ — ระยะห่างจากจุดสมดุล ณ เวลาหนึ่ง (เป็นเวกเตอร์ตามแนวการเคลื่อนที่).
    • แอมพลิจูด $x_{0}$ — การกระจัดสูงสุดจากจุดสมดุล เป็นค่าบวกเสมอ.
    • คาบ $T$ — เวลาที่ใช้สำหรับการสั่นหนึ่งรอบเต็ม.
    • ความถี่ $f$ — จำนวนรอบการสั่นต่อวินาที; $f = 1/T$. หน่วย: Hz.
    • ความถี่เชิงมุม $\omega$ — $\omega = 2\pi/T = 2\pi f$. หน่วย: $\text{rad s}^{-1}$.
    • ผลต่างเฟส — ส่วนหนึ่งของรอบ (ในหน่วยเรเดียน) ที่การสั่นหนึ่งรอบนำหน้าหรือล่าช้ากว่าอีกการสั่นหนึ่ง การแยกกันครึ่งรอบคือผลต่างเฟส $\pi/2$.

    ดังนั้น $T = 2\pi/\omega$ และ $f = \omega/(2\pi)$ — เมื่อทราบค่าใดค่าหนึ่งระหว่าง $\omega$, $f$, $T$ คุณสามารถหาค่าที่เหลือได้.

    ตัวอย่างวิธีทำ. มวลติดบนสปริงมีการสั่นแบบ SHM ด้วยแอมพลิจูด $0.050\ \text{m}$ และความถี่ $2.5\ \text{Hz}$. จงหาความเร่งสูงสุด.

    ความถี่เชิงมุมคือ $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 2.5 = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. ความเร่งมีค่ามากสุดที่ตำแหน่งสุดขั้ว ซึ่ง $|a| = \omega^{2}x_{0}$:

    $$a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 15.7^{2} \times 0.050 \approx 12\ \text{m s}^{-2}.$$

    การพิสูจน์ว่าการเคลื่อนที่เป็นแบบฮาร์มอนิกง่าย

    ข้อสอบชอบถามบทพิสูจน์ 4 คะแนนนี้ และสูตรคือเหมือนกันเสมอ: (1) เลื่อนวัตถุไป $x$ จากจุดสมดุล; (2) หา แรงคืนตัวรวม ซึ่งจะได้ค่าเป็น $F = -(\text{constant}) \times x$; (3) ใช้กฎข้อที่สองของนิวตัน, $a = F/m = -(\text{constant}/m)\,x$; (4) สมการนี้มีรูปแบบ $a = -\omega^{2}x$ ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงเป็นแบบฮาร์มอนิกง่ายที่มี $\omega^{2} = \text{constant}/m$ และ $T = 2\pi/\omega$. อธิบายด้วยคำพูดว่า ทำไม แรงจึงชี้กลับเข้าสู่จุดสมดุลและ ทำไม จึงแปรผันตรงกับ $x$ — นี่คือสิ่งที่ examiner ให้คะแนน ไม่ใช่การคำนวณพีชคณิต.

    แสดงระบบสองชนิดที่เบี่ยงเบนจากสมดุล: ท่อน้ำลอยน้ำที่ถูกกดลงระยะ x ทำให้มีปริมาตรเพิ่ม Ax จมน้ำและมีแรงลอยเพิ่ม ρgAx ขึ้นด้านบน; และท่อกันน้ำรูปตัวยูที่มีคอลัมน์ด้านซ้ายสูงจากจุดสมดุล x และคอลัมน์ด้านขวาลดจากจุดสมดุล x ทำให้เกิดคอลัมน์ของเหลวความสูง 2x ที่ไม่สมดุล
    การจัดตั้ง "พิสูจน์ว่าเป็น SHM" สองแบบ: หาแรงเพิ่มเมื่อระบบถูกเลื่อนไป $x$ และพิสูจน์ว่ามันแปรผันตรงกับ $x$ และชี้กลับเข้าหา

    ตัวอย่างวิธีทำ. มวล $m$ แขวนกับสปริงที่มีค่าคงที่สปริง $k$. พิสูจน์ว่าเมื่อเลื่อนแล้วปล่อย มันจะเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกง่าย และหาคาบ.

    ที่จุดสมดุล แรงตึงสปริงสมดุลกับน้ำหนัก เลื่อนมวลลง $x$: แรงตึงเพิ่มขึ้น $kx$ (กฎของฮุก) จึงมีแรงลัพธ์ $kx$ ชี้ขึ้น สู่จุดสมดุล กฎข้อที่สองของนิวตัน: $a = -\dfrac{k}{m}x$. นี่คือ $a = -\omega^{2}x$ ที่มี $\omega^{2} = k/m$ ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงเป็นแบบฮาร์มอนิกง่ายและ $T = 2\pi/\omega = 2\pi\sqrt{m/k}$. (รถเข็นที่ยึดไว้ระหว่างสปริง identical สอง ตัว มีแรงดึงทั้งสองข้างกลับเข้าหา $F = -2kx$ ดังนั้น $\omega^{2} = 2k/m$.)

    ตัวอย่างวิธีทำ. บล็อกสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีพื้นที่หน้าตัด $A$ และมวล $m$ ลอยอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่น $\rho$ โดยฐานอยู่ลึก $h$ ใต้ผิวน้ำ ถูกกดลงเล็กน้อย $x$ แล้วปล่อย พิสูจน์ว่ามันสั่นแบบฮาร์มอนิกง่าย และหาคาบในพจน์ของ $h$ และ $g$.

    เมื่อบล็อกถูกกดลง $x$ ปริมาตรเพิ่ม $Ax$ จมอยู่ ดังนั้น แรงพยุง เพิ่มขึ้นเท่ากับน้ำหนักของของเหลวเพิ่มนั้น, $\rho g A x$; แรงเพิ่มนี้กระทำ ชี้ขึ้น สู่ตำแหน่งสมดุล ดังนั้น $a = -\dfrac{\rho g A}{m}x$: แปรผันตรงกับ $x$ และตรงข้ามทิศทาง ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงเป็นแบบฮาร์มอนิกง่ายที่มี $\omega^{2} = \rho g A/m$. ที่จุดสมดุล แรงพยุงต่อปริมาตรจม $Ah$ เท่ากับน้ำหนัก, $\rho g A h = mg$ ดังนั้น $m = \rho A h$ และ $\omega^{2} = g/h$: $T = 2\pi\sqrt{h/g}$ — รูปแบบเดียวกับลูกตุ้มนาน $h$.

    ตัวอย่างวิธีทำ. ท่อรูป U พื้นที่หน้าตัด $A$里面有ของเหลวความหนาแน่น $\rho$; คอลัมน์ในแต่ละแขนมีความยาว $L$. ของเหลวถูกเลื่อนให้พื้นผิวด้านหนึ่งสูงกว่าระดับสมดุล $x$ และอีกด้านหนึ่งต่ำกว่า $x$. พิสูจน์ว่าของเหลวสั่นแบบฮาร์มอนิกง่าย.

    ตอนนี้พื้นผิวทั้งสองต่างกันสูง $2x$ ทำให้คอลัมน์ของเหลวสูง $2x$ ไม่สมดุล: แรงคืนตัวต่อของเหลวคือน้ำหนักของคอลัมน์นี้, $2x\rho g A$, ชี้เพื่อให้พื้นผิวเท่ากัน. มวลที่ถูกเคลื่อนย้ายคือของเหลวทั้งหมด, $2L\rho A$. ดังนั้น $a = -\dfrac{2x\rho g A}{2L\rho A} = -\dfrac{g}{L}x$: แบบฮาร์มอนิก, ที่มี $\omega^{2} = g/L$ และ $T = 2\pi\sqrt{L/g}$. หมายเหตุว่า $\rho$ และ $A$ ตัดกัน — คาบไม่ขึ้นอยู่กับของเหลวหรือท่อก็ตาม.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Swing a pendulum · ⁨แกว่งลูกตุ้มนาฬิกา⁩

    Set it swinging, then change the start angle — the time for one swing stays the same (that is what makes it a good clock). Now make the string longer, or move to the Moon, and watch the period change. · ⁨ตั้งให้แกว่ง แล้วเปลี่ยนมุมเริ่มต้น — เวลาสำหรับการแกว่งครั้งเดียวจะคงที่ (นั่นคือเหตุผลที่ทำให้มันเป็นนาฬิกาที่ดี) ตอนนี้ทำให้สายยาวขึ้น หรือย้ายไปดวงจันทร์ และดูคาบเปลี่ยนไป⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
    spring/sprɪŋ/ สปริง
    pendulum/ˈpendjʊləm/ ลูกตุ้ม
    17.1

    Displacement, velocity, acceleration in SHM · ⁨การกระจัด, ความเร็ว, ความเร่ง ใน SHM⁩

    English

    If the particle starts at $x = 0$ moving in the positive direction at $t = 0$, then

    $$x = x_{0} \sin (\omega t).$$

    Differentiating once gives the velocity 速度:

    $$v = x_{0} \omega \cos(\omega t) = v_{0} \cos(\omega t),$$

    where $v_{0} = x_{0} \omega$ is the maximum speed (as the particle passes through equilibrium).

    Differentiating again gives the acceleration:

    $$a = -x_{0} \omega^{2} \sin(\omega t) = -\omega^{2} x,$$

    which is the SHM defining equation again. (If the particle instead starts at the extreme position $x = x_{0}$ at $t = 0$, use $x = x_{0} \cos(\omega t)$. Choose the one that fits the start conditions.)

    Velocity in terms of displacement

    A useful relation that does not use time:

    $$v = \pm \omega \sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}}.$$
    • at equilibrium ($x = 0$): $v = \pm \omega x_{0}$ (maximum speed). Both signs, because the particle passes through equilibrium twice each cycle.
    • at the extremes ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$ (at rest for an instant).

    Worked example. The same oscillation has amplitude $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ and angular frequency $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. Find the speed when the displacement is $x = 0.030\ \text{m}$.

    $$v = \omega\sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}} = 15.7\sqrt{0.050^{2} - 0.030^{2}} = 15.7 \times 0.040 \approx 0.63\ \text{m s}^{-1}.$$

    Reading the $v$–$x$ graph. Its width gives the amplitude ($x = \pm x_{0}$ where $v = 0$) and its height the maximum speed ($v = \pm\omega x_{0}$ at $x = 0$), so $\omega = v_{0}/x_{0}$ and the period follows. Asked to sketch $a$ against $x$ on the same axes, draw the straight line through the origin with negative gradient $-\omega^{2}$, reaching $\mp\omega^{2}x_{0}$ at $x = \pm x_{0}$.

    Worked example. The velocity of an oscillating block varies with time as $v = 0.56\sin(5.1t)$, with $v$ in $\text{m s}^{-1}$ and $t$ in seconds. Find the amplitude, the period and the maximum acceleration.

    Compare with $v = v_{0}\sin\omega t$: $v_{0} = 0.56\ \text{m s}^{-1}$ and $\omega = 5.1\ \text{rad s}^{-1}$. Since $v_{0} = \omega x_{0}$, the amplitude is $x_{0} = 0.56/5.1 = 0.11\ \text{m}$; $T = 2\pi/\omega = 1.2\ \text{s}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = \omega v_{0} = 5.1 \times 0.56 = 2.9\ \text{m s}^{-2}$. (Because this $v$ is a sine, the block was at an extreme at $t = 0$: its displacement is a cosine.)

    SHM as the shadow of circular motion. A ball moving round a circle of radius $R$ at angular speed $\omega$, lit from the side, casts a shadow that moves back and forth with simple harmonic motion of amplitude $R$ and the same $\omega$: the shadow's displacement is $x = R\cos\omega t$ (if it starts at an extreme), its maximum speed is $R\omega$ and its maximum acceleration $R\omega^{2}$. For a circle of diameter $0.46\ \text{m}$ and $\omega = 1.9\ \text{rad s}^{-1}$ the shadow has amplitude $0.23\ \text{m}$, $v_{0} = 0.44\ \text{m s}^{-1}$ and $a_{\text{max}} = 0.83\ \text{m s}^{-2}$ — greatest in size at the two ends of its path and always directed back towards the centre.

    Graphs against time

    For $x = x_{0}\sin\omega t$:

    • $x$ vs $t$ — a sine curve, amplitude $x_{0}$, period $T = 2\pi/\omega$.
    • $v$ vs $t$ — a cosine curve, leading $x$ by $\pi/2$, amplitude $\omega x_{0}$.
    • $a$ vs $t$ — a negative sine curve, out of phase with $x$ by $\pi$ (180°), amplitude $\omega^{2} x_{0}$.

    Graph of $a$ against $x$

    A straight line through the origin with negative gradient $-\omega^{2}$. So you can read $\omega$ from the graph: gradient $= -\omega^{2}$, so $\omega = \sqrt{|\text{gradient}|}$, then $T = 2\pi / \omega$. This is a common exam pattern.

    Worked example. A graph of the height $h$ of an object of mass $36\ \text{kg}$ undergoing vertical simple harmonic motion shows $h$ varying between $2\ \text{m}$ and $10\ \text{m}$, with one complete oscillation every $4.0\ \text{s}$. Find the amplitude, the angular frequency, the maximum speed, the maximum acceleration and the maximum kinetic energy.

    Amplitude $x_{0} = (10 - 2)/2 = 4.0\ \text{m}$ (half the peak-to-peak range; the equilibrium height is $6\ \text{m}$). $\omega = 2\pi/T = 2\pi/4.0 = 1.57\ \text{rad s}^{-1}$. $v_{\text{max}} = \omega x_{0} = 6.3\ \text{m s}^{-1}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 9.9\ \text{m s}^{-2}$; $E_{\text{K,max}} = \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 36 \times 6.28^{2} = 7.1 \times 10^{2}\ \text{J}$. Reading the amplitude as the full height range instead of half of it is the commonest slip here.

    Worked example. A small object rests on a horizontal platform that oscillates vertically with simple harmonic motion of amplitude $6.0\ \text{mm}$. Find the highest frequency at which the object stays in contact with the platform throughout, and state where in the motion contact is first lost.

    The object leaves the platform when the platform's downward acceleration exceeds $g$ — at the top of the oscillation, where the acceleration is greatest and directed downwards: the platform then falls away faster than the object can. The limit is $\omega^{2}x_{0} = g$: $\omega = \sqrt{9.81/0.0060} = 40\ \text{rad s}^{-1}$, so $f = \omega/2\pi = 6.4\ \text{Hz}$. Below this the normal contact force at the top is small but positive; above it, zero.

    ไทย

    หากอนุภาคเริ่มที่ $x = 0$ เคลื่อนที่ไปในทิศทางบวกที่ $t = 0$, แล้ว

    $$x = x_{0} \sin (\omega t).$$

    ดิฟครั้งแรกจะได้ ความเร็ว:

    $$v = x_{0} \omega \cos(\omega t) = v_{0} \cos(\omega t),$$

    โดยที่ $v_{0} = x_{0} \omega$ คือ ความเร็วสูงสุด (เมื่ออนุภาคผ่านจุดสมดุล).

    ดิฟอีกครั้งจะได้ความเร่ง:

    $$a = -x_{0} \omega^{2} \sin(\omega t) = -\omega^{2} x,$$

    ซึ่งคือสมการกำหนด SHM อีกครั้ง. (หากอนุภาคเริ่มต้นที่ตำแหน่งสุดขั้ว $x = x_{0}$ ที่ $t = 0$, ใช้ $x = x_{0} \cos(\omega t)$. เลือกแบบที่เหมาะกับเงื่อนไขเริ่มต้น.)

    ความเร็วในพจน์ของการกระจัด

    ความสัมพันธ์ที่มีประโยชน์ที่ไม่ต้องใช้เวลา:

    $$v = \pm \omega \sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}}.$$
    • ที่จุดสมดุล ($x = 0$): $v = \pm \omega x_{0}$ (ความเร็วสูงสุด). ทั้งเครื่องหมาย เพราะอนุภาคผ่านจุดสมดุลสองครั้งต่อรอบ.
    • ที่ตำแหน่งสุดขั้ว ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$ (หยุดนิ่งชั่วขณะ).

    ตัวอย่างวิธีทำ. การสั่นเดียวกันมีแอมพลิจูด $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ และความถี่เชิงมุม $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. จงหาความเร็วเมื่อการกระจัดเป็น $x = 0.030\ \text{m}$.

    $$v = \omega\sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}} = 15.7\sqrt{0.050^{2} - 0.030^{2}} = 15.7 \times 0.040 \approx 0.63\ \text{m s}^{-1}.$$
    กราฟของความเร็วเทียบกับระยะกระจัดสำหรับการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น: รูปวงรีที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่จุดกำเนิด ตัดแกนระยะกระจัดที่บวกและลบของแอมพลิจูด ซึ่งความเร็วเป็นศูนย์ และตัดแกนความเร็วที่บวกและลบของความเร็วสูงสุด
    กราฟความเร็วเทียบกับระยะกระจัดเป็นรูปวงรี: $v = 0$ ที่จุดสุดขั้วและ $v = \pm\omega x_{0}$ ผ่านจุดสมดุล — อ่านค่า $x_{0}$ และ $v_{0}$ จากจุดที่ตัดแกน แล้วคำนวณหา $\omega = v_{0}/x_{0}$

    การอ่านกราฟ $v$–$x$. ความกว้างของกราฟแสดงถึงแอมพลิจูด ($x = \pm x_{0}$ เมื่อ $v = 0$) และความสูงแสดงความเร็วสูงสุด ($v = \pm\omega x_{0}$ ที่ $x = 0$) ดังนั้นจึงได้ $\omega = v_{0}/x_{0}$ และจากนั้นหาคาบตามไปด้วย หากโจทย์ให้วาดกราฟ $a$ เทียบกับ $x$ บนแกนเดียวกัน ให้วาดเส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชันติดลบเท่ากับ $-\omega^{2}$ โดยจะถึงค่า $\mp\omega^{2}x_{0}$ ที่ $x = \pm x_{0}$

    ตัวอย่างวิธีทำ ความเร็วของบล็อกที่สั่นแปรผันตามเวลาตามสมการ $v = 0.56\sin(5.1t)$ โดยมี $v$ ในหน่วย $\text{m s}^{-1}$ และ $t$ ในหน่วยวินาที จงหาแอมพลิจูด คาบ และความเร่งสูงสุด

    เปรียบเทียบกับ $v = v_{0}\sin\omega t$: $v_{0} = 0.56\ \text{m s}^{-1}$ และ $\omega = 5.1\ \text{rad s}^{-1}$. เนื่องจาก $v_{0} = \omega x_{0}$, แอมพลิจูดคือ $x_{0} = 0.56/5.1 = 0.11\ \text{m}$; $T = 2\pi/\omega = 1.2\ \text{s}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = \omega v_{0} = 5.1 \times 0.56 = 2.9\ \text{m s}^{-2}$. (เนื่องจาก $v$ นี้เป็น sine ท่อน้ำจึงอยู่ที่จุดสุดขั้วที่ $t = 0$: การกระจัดของมันคือ cosinus.)

    การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก简单เป็นเงาของการเคลื่อนที่วงกลม ลูกบอลที่เคลื่อนที่รอบวงกลมรัศมี $R$ ด้วยความเร็วเชิงมุม $\omega$ เมื่อส่องแสงจากด้านข้างจะเกิดเงาที่เคลื่อนที่ไปมาด้วยการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก简单ที่มีแอมพลิจูด $R$ และมี $\omega$ เหมือนกัน: การกระจัดของเงาคือ $x = R\cos\omega t$ (หากเริ่มต้นที่จุดสุดขั้ว), ความเร็วสูงสุดคือ $R\omega$ และความเร่งสูงสุดคือ $R\omega^{2}$ สำหรับวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง $0.46\ \text{m}$ และ $\omega = 1.9\ \text{rad s}^{-1}$ เงามีแอมพลิจูด $0.23\ \text{m}$, $v_{0} = 0.44\ \text{m s}^{-1}$ และ $a_{\text{max}} = 0.83\ \text{m s}^{-2}$ — มีขนาดใหญ่ที่สุดที่ปลายทั้งสองของเส้นทางและชี้กลับเข้าหาจุดกึ่งกลางเสมอ

    กราฟเทียบกับเวลา

    สำหรับ $x = x_{0}\sin\omega t$:

    • $x$ เทียบกับ $t$ — เป็นโค้งไซน์, แอมพลิจูด $x_{0}$, คาบ $T = 2\pi/\omega$.
    • $v$ เทียบกับ $t$ — เป็นโค้งโคไซน์, 超前 $x$ จำนวน $\pi/2$, แอมพลิจูด $\omega x_{0}$.
    • $a$ เทียบกับ $t$ — เป็นโค้งไซน์ติดลบ, ต่างเฟสกับ $x$ จำนวน $\pi$ (180°), แอมพลิจูด $\omega^{2} x_{0}$.
    กราฟระยะกระจัดเทียบกับเวลาสำหรับการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น: โคว์ไซน์ที่มีแอมพลิจูด x0 เริ่มจากศูนย์
    ระยะกระจัดแปรผันตามเวลาแบบไซน์ในกรณีการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น
    กราฟระยะกระจัด ความเร็ว และความเร่งเทียบกับเวลา แสดงเป็นสามโค้งซ้อนกันในช่วงหนึ่งคาบ; ความเร็วเป็นโคไซน์ที่超前ระยะกระจัด四分之一รอบ และความเร่งเป็นลบไซน์ซึ่งต่างเฟสกับระยะกระจัดพอดี โดยมีเส้นประเชื่อมจุดที่สอดคล้องกัน
    ความเร็ว超前ระยะกระจัด四分之一รอบ; ความเร่งต่างเฟสกับระยะกระจัดอย่างสมบูรณ์

    กราฟ $a$ เทียบกับ $x$

    เส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชันติดลบเท่ากับ $-\omega^{2}$. ดังนั้นคุณสามารถอ่านค่า $\omega$ จากกราฟได้: ความชัน $= -\omega^{2}$, ดังนั้น $\omega = \sqrt{|\text{gradient}|}$, จากนั้นหา $T = 2\pi / \omega$. นี่คือรูปแบบข้อสอบที่พบบ่อย

    กราฟความเร่งเทียบกับระยะกระจัด: เส้นตรงผ่านจุดกำเนิดเอียงลงด้วยความชันลบ omega curry
    กราฟความเร่ง–ระยะกระจัดเป็นเส้นตรงผ่านจุดกำเนิดที่มีความชัน $-\omega^{2}$

    ตัวอย่างวิธีทำ กราฟความสูง $h$ ของวัตถุที่มีมวล $36\ \text{kg}$ ที่มีการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้นแนวตั้ง แสดงให้เห็นว่า $h$ เปลี่ยนแปลงระหว่าง $2\ \text{m}$ และ $10\ \text{m}$, โดยมีการสั่นครบหนึ่งรอบทุก $4.0\ \text{s}$ จงหาแอมพลิจูด ความเร็วเชิงมุม ความเร็วสูงสุด ความเร่งสูงสุด และพลังงานจลน์สูงสุด

    แอมพลิจูด $x_{0} = (10 - 2)/2 = 4.0\ \text{m}$ (ครึ่งหนึ่งของช่วงยอดต่อยอด; ความสูงสมดุลคือ $6\ \text{m}$). $\omega = 2\pi/T = 2\pi/4.0 = 1.57\ \text{rad s}^{-1}$. $v_{\text{max}} = \omega x_{0} = 6.3\ \text{m s}^{-1}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 9.9\ \text{m s}^{-2}$; $E_{\text{K,max}} = \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 36 \times 6.28^{2} = 7.1 \times 10^{2}\ \text{J}$. การอ่านค่าแอมพลิจูดเป็นความสูงทั้งหมดแทนที่จะเป็นครึ่งหนึ่งเป็นเรื่องผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในข้อนี้

    ตัวอย่างวิธีทำ วัตถุขนาดเล็กวางอยู่บนแท่นแนวนอนที่สั่นในแนวตั้งด้วยการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้นที่มีแอมพลิจูด $6.0\ \text{mm}$ จงหาความถี่สูงสุดที่วัตถุยังคงสัมผัสกับแท่นตลอดการเคลื่อนที่ และระบุตำแหน่งในการเคลื่อนที่ที่แรงสัมผัสหายไปเป็นครั้งแรก

    วัตถุหลุดออกจากแท่นเมื่อความเร่งลงของแท่นเกินกว่า $g$ — ที่ ด้านบน ของการสั่น ซึ่งมีความเร่งมากที่สุดและชี้ลง: แท่นจะตกลงมาเร็วกว่าที่วัตถุสามารถทำได้ ขอบเขตคือ $\omega^{2}x_{0} = g$: $\omega = \sqrt{9.81/0.0060} = 40\ \text{rad s}^{-1}$, ดังนั้น $f = \omega/2\pi = 6.4\ \text{Hz}$. ต่ำกว่านี้แรงปฏิกิริยาปกติที่ด้านบนจะมีค่าน้อยแต่เป็นบวก; สูงกว่านี้จะเป็นศูนย์

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ ความเร่ง
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ การกระจัด
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ จุดดุลยภาพ
    angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ ความถี่เชิงมุม
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    17.2

    Energy in simple harmonic motion · ⁨พลังงานในการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิงเส้น⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. describe the interchange between kinetic and potential energy during simple harmonic motion
    2. recall and use $E = \frac{1}{2}m\omega^2x_0^2$ for the total energy of a system undergoing simple harmonic motion
    ไทย
    1. อธิบายการแลกเปลี่ยนระหว่าง พลังงานจลน์ และ พลังงานศักย์ระหว่างการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
    2. จำและใช้ $E = \frac{1}{2}m\omega^2x_0^2$ สำหรับ พลังงานรวม ของระบบที่ดำเนินการสั่นสะเทือนแบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A simple harmonic oscillator keeps swapping energy between two forms:

    • kinetic energy 动能 $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$.
    • potential energy $E_{\text{P}}$ (elastic for a spring, gravitational for a pendulum).

    With no damping 阻尼, the total energy is constant (this is conservation of energy 能量守恒).

    Maximum and minimum

    • at equilibrium ($x = 0$): $v$ is largest, so $E_{\text{K}}$ is largest and $E_{\text{P}}$ is smallest (zero, by choice).
    • at the extremes ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$, so $E_{\text{K}} = 0$ and $E_{\text{P}}$ is largest.

    Total energy

    Using $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:

    $$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2}.$$

    Two key facts: the total energy is proportional to the square of the amplitude (doubling $x_{0}$ gives four times the energy), and to $\omega^{2}$.

    Energy against displacement

    Using $v^{2} = \omega^{2}(x_{0}^{2} - x^{2})$:

    $$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} (x_{0}^{2} - x^{2}), \qquad E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x^{2}.$$

    So $E_{\text{K}}$ is a downward parabola (peak at $x = 0$, zero at $x = \pm x_{0}$) and $E_{\text{P}}$ is an upward parabola (zero at $x = 0$, largest at $x = \pm x_{0}$). Their sum is constant.

    Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ mass oscillates with amplitude $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ and angular frequency $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. Find the total energy of the oscillation.

    The total energy equals the maximum kinetic energy, as the mass passes through $x = 0$ at $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:

    $$E = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2}(0.20)(15.7)^{2}(0.050)^{2} \approx 0.062\ \text{J}.$$

    This stays constant, swapping between kinetic and potential form twice each cycle.

    Describing the interchange without calculation. At an extreme of the motion the oscillator is momentarily at rest: its kinetic energy is zero and its potential energy is a maximum. As it moves towards equilibrium the restoring force does work on it, so potential energy is converted to kinetic energy; at the equilibrium position the kinetic energy is a maximum and the potential energy a minimum. Beyond it the kinetic energy is converted back to potential energy until the other extreme. The total stays constant, and the exchange happens twice per oscillation, so the energy graphs against time have twice the frequency of the displacement graph.

    Worked example. A pendulum bob of mass $0.81\ \text{kg}$ swings with small oscillations of amplitude $32\ \text{mm}$ and period $1.9\ \text{s}$. Find the total energy of the oscillation, and state what happens to it if the amplitude falls to $16\ \text{mm}$.

    $\omega = 2\pi/1.9 = 3.31\ \text{rad s}^{-1}$; $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 0.81 \times 3.31^{2} \times 0.032^{2} = 4.5 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Halving the amplitude quarters the energy ($E \propto x_{0}^{2}$), to $1.1 \times 10^{-3}\ \text{J}$; the difference has been dissipated as thermal energy by air resistance.

    ไทย

    ตัวสั่นแบบฮาร์มอนิกเชิงเส้นจะแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างสองรูปแบบอย่างต่อเนื่อง:

    • พลังงานจลน์ $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$.
    • พลังงานศักย์ $E_{\text{P}}$ (เป็นพลังงานยืดหยุ่นสำหรับสปริง หรือพลังงานโน้มถ่วงสำหรับลูกตุ้ม).

    โดยไม่มีการ ลดทอน, พลังงานรวม จะมีค่าคงที่ (นี่คือ กฎการอนุรักษ์พลังงาน).

    ค่าสูงสุดและต่ำสุด

    • ที่ จุดสมดุล ($x = 0$): $v$ มีค่ามากที่สุด, ดังนั้น $E_{\text{K}}$ จึงมีค่ามากที่สุดและ $E_{\text{P}}$ มีค่าน้อยที่สุด (เป็นศูนย์ ตามการกำหนด).
    • ที่ จุดสุดขั้ว ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$为零, ดังนั้น $E_{\text{K}} = 0$ และ $E_{\text{P}}$ จึงมีค่ามากที่สุด.

    พลังงานรวม

    โดยใช้ $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:

    $$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2}.$$

    ข้อเท็จจริงสำคัญสองประการ: พลังงานรวมแปรผันตรงกับ กำลังสองของแอมพลิจูด (การคูณ $x_{0}$ ด้วยสอง เท่ากับเพิ่มพลังงานสี่เท่า), และแปรผันตรงกับ $\omega^{2}$.

    พลังงานเทียบกับระยะกระจัด

    โดยใช้ $v^{2} = \omega^{2}(x_{0}^{2} - x^{2})$:

    $$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} (x_{0}^{2} - x^{2}), \qquad E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x^{2}.$$

    ดังนั้น $E_{\text{K}}$ เป็นพาราโบลาหงาย (ยอดที่ $x = 0$, ศูนย์ที่ $x = \pm x_{0}$) และ $E_{\text{P}}$ เป็นพาราโบลาดิ่ง (ศูนย์ที่ $x = 0$, มากที่สุดที่ $x = \pm x_{0}$). ผลรวมของทั้งสองมีค่าคงที่

    กราฟแสดงความสัมพันธ์กับการกระจัด แสดงพลังงานจลนในรูปพาราโบลาหงายลง พลังงานศักยในรูปพาราโบลาหงายขึ้น และผลรวมคงที่ในรูปเส้นแนวนอนสำหรับพลังงานรวม
    พลังงานจลนและพลังงานศักย์สลับกันตลอดรอบ mientrasพลังงานรวมคงที่

    ตัวอย่างวิธีทำ. มวล $0.20\ \text{kg}$ สั่นด้วยแอมพลิจูด $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ และความถี่เชิงมุม $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. หาพลังงานรวมของการสั่น.

    พลังงานรวมเท่ากับพลังงานจลนสูงสุด เมื่อมวลเคลื่อนที่ผ่าน $x = 0$ ที่ $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:

    $$E = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2}(0.20)(15.7)^{2}(0.050)^{2} \approx 0.062\ \text{J}.$$

    ค่านี้คงที่ โดยสลับระหว่างรูปทรงของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์สองครั้งในแต่ละรอบ

    การอธิบายการแลกเปลี่ยนโดยไม่ใช้การคำนวณ ที่จุดสุดขั้วของการเคลื่อนที่ ตัวสั่นจะหยุดนิ่งชั่วคราว: พลังงานจลน์เป็นศูนย์ และพลังงานศักมีค่าสูงสุด เมื่อมันเคลื่อนที่เข้าหาตำแหน่งสมดุล แรงคืนตัวจะทำงานต่อมัน ดังนั้นพลังงานศักย์จึงถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์; ที่ตำแหน่งสมดุล พลังงานจลน์จะมีค่าสูงสุดและพลังงานศักย์มีค่าต่ำสุด เมื่อผ่านตำแหน่งนั้นไป พลังงานจลน์จะถูกแปลงกลับเป็นพลังงานศักย์จนกว่าจะถึงจุดสุดขั้วอีกด้านหนึ่ง ค่ารวมจะคงที่ และการแลกเปลี่ยนนี้จะเกิดขึ้น สองครั้งต่อการสั่นหนึ่งรอบ ดังนั้นกราฟพลังงานเทียบกับเวลาจะมีความถี่เป็นสองเท่าของกราฟการกระจัด

    ตัวอย่างวิธีทำ ลูกตุ้มน้ำหนัก $0.81\ \text{kg}$ สั่นด้วยการสั่นเล็ก ๆ ที่มีขนาด $32\ \text{mm}$ และมีคาบ $1.9\ \text{s}$. จงหาค่าพลังงานรวมของการสั่น และระบุว่าถ้าขนาดลดเหลือ $16\ \text{mm}$ จะเกิดอะไรขึ้น

    $\omega = 2\pi/1.9 = 3.31\ \text{rad s}^{-1}$; $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 0.81 \times 3.31^{2} \times 0.032^{2} = 4.5 \times 10^{-3}\ \text{J}$. การลดขนาดลงครึ่งหนึ่งจะทำให้พลังงานลดลงเป็น四分之一 ($E \propto x_{0}^{2}$), เหลือ $1.1 \times 10^{-3}\ \text{J}$; ส่วนต่างนี้ได้ถูกกระจายออกไปเป็นพลังงานความร้อนโดยแรงต้านอากาศ

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Energy in SHM · ⁨พลังงานใน SHM⁩

    Watch energy swap between kinetic and potential as the oscillator moves — fastest (max KE) at the centre, still (max PE) at the ends. · ⁨สังเกตการแลกเปลี่ยนระหว่าง พลังงานจลน์ และ พลังงานศักย์ ขณะตัวสั่นเคลื่อนที่ — เร็วสุด (KE สูงสุด) ที่กึ่งกลาง, หยุดนิ่ง (PE สูงสุด) ที่ขอบ⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    17.3

    Damped oscillations · ⁨การสั่นแบบมีการหน่วง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a resistive force acting on an oscillating system causes damping
    2. understand and use the terms light, critical and heavy damping and sketch displacement–time graphs illustrating these types of damping
    3. understand that resonance involves a maximum amplitude of oscillations and that this occurs when an oscillating system is forced to oscillate at its natural frequency
    ไทย
    1. เข้าใจว่า แรงต้านทาน ที่กระทำต่อระบบสั่นสะเทือนทำให้เกิด การลดทอน
    2. เข้าใจและใช้คำศัพท์ การลดทอนเบา, การลดทอนระดับวิกฤต และ การลดทอนหนัก以及 sketch displacement–time graphs illustrating these types of damping
    3. เข้าใจว่า การสั่นพ้อง เกี่ยวข้องกับแอมพลิจูดสูงสุดของการสั่นสะเทือนและสิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อระบบสั่นสะเทือนถูกบังคับให้สั่นที่ ความถี่ธรรมชาติ ของมัน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A resistive force (friction 摩擦力, drag 阻力, air resistance 空气阻力) causes damping — the amplitude shrinks over time as energy is lost as heat. Three named cases:

    Light damping

    The amplitude shrinks slowly over many cycles (a light damping 轻阻尼 case). The system still oscillates near its natural frequency, but each cycle is smaller than the last. A car's suspension is light-to-medium damped, so bumps die away but the ride stays smooth.

    Critical damping

    The least damping that brings the system back to equilibrium without overshooting and without oscillating — a critical damping 临界阻尼 case. It returns in the shortest time. A galvanometer 检流计 or analogue voltmeter 电压表 is critically damped so the needle settles quickly.

    Heavy damping

    So much resistance that the system returns slowly, with no oscillation, but more slowly than the critical case — a heavy damping 过阻尼 case. A door with a strong closer is heavily damped.

    On a displacement–time graph: light damping is a wave whose size dies away smoothly; critical damping returns quickly with no overshoot; heavy damping returns slowly.

    As the exam asks it. Damping is the decrease in the amplitude of an oscillation caused by a resistive force that dissipates the oscillator's energy. In light damping the system oscillates with an amplitude that decreases gradually (exponentially) with time; the period is almost unchanged. In critical damping the system returns to equilibrium in the shortest possible time without oscillating. In heavy damping it returns to equilibrium slowly, without oscillating. Sketching them: the light-damping curve is a sine wave inside a shrinking envelope; the critical and heavy curves both fall to zero without crossing the axis, the heavy one more slowly.

    Worked example. A bar magnet hangs from a spring with one pole inside a coil that is connected through a switch to a resistor. The magnet is set oscillating. Explain why the oscillations die away more quickly when the switch is closed.

    The moving magnet changes the magnetic flux linking the coil, so an e.m.f. is induced (Faraday's law); with the switch closed a current flows through the resistor and dissipates energy as heat. By Lenz's law the induced current opposes the motion of the magnet — an extra resistive force. That energy comes from the oscillation, so the amplitude decreases faster: the circuit adds damping. With the switch open there is an e.m.f. but no current, so no extra energy loss.

    ไทย

    แรงต้านทาน (แรงเสียดทาน, แรงต้าน, แรงต้านอากาศ) ทำให้เกิดการ หน่วง — ซึ่งขนาดจะเล็กลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากพลังงานสูญเสียในรูปของความร้อน มีสามกรณีที่มีชื่อเรียก:

    หน่วงเบา

    ขนาด ลดลงช้าๆ ตลอดหลายรอบ (กรณี หน่วงเบา) ระบบยังสั่นอยู่ใกล้กับความถี่ธรรมชาติของมัน แต่แต่ละรอบจะเล็กกว่ารอบก่อนหน้า ระบบกันสะเทือนของรถยนต์มีการหน่วงระดับเบาถึงกลาง ดังนั้น bump จะหายไปแต่การขับขี่ยังคงเรียบเนียน

    กราฟการกระจัดเทียบกับเวลาแสดงการสั่นwhose ขนาดลดลงอย่างช้าๆ ถูกจำกัดด้วย envelope การลดลงที่เรียบเนียน
    ในการหน่วงเบา ขนาดจะค่อยๆ ลดหายไปตลอดหลายรอบ

    หน่วงวิกฤต

    การหน่วงน้อยที่สุดที่จะนำระบบกลับสู่ตำแหน่งสมดุล โดยไม่ข้ามเส้นและไม่มีการสั่น — กรณี หน่วงวิกฤต มันจะกลับมาในเวลาสั้นที่สุด กัลวานอมิเตอร์ หรือ โวลต์มิเตอร์ แบบอะนาล็อกมีการหน่วงวิกฤตเพื่อให้เข็มหยุดนิ่งได้เร็ว

    หน่วงหนัก

    มีความต้านทานมากจนระบบกลับมาช้า ไม่มีการสั่น แต่ช้ากว่ากรณีวิกฤต — กรณี หน่วงหนัก ประตูที่มีตัวปิดประตูที่แข็งแรงมีการหน่วงหนัก

    บนกราฟการกระจัด–เวลา: หน่วงเบาคือคลื่น whose ขนาดลดหายไปอย่างเรียบ; หน่วงวิกฤตกลับมาเร็วโดยไม่ข้ามเส้น; หน่วงหนักกลับมาช้า

    กราฟการกระจัดเทียบกับเวลาเปรียบเทียบโค้งหน่วงวิกฤตที่กลับสู่ตำแหน่งสมดุลอย่างรวดเร็วโดยไม่ข้ามเส้นและโค้งหน่วงเกิน (หน่วงหนัก) ที่กลับมาช้ากว่า
    หน่วงวิกฤตกลับสู่ตำแหน่งสมดุลเร็วที่สุดโดยไม่ข้ามเส้น; หน่วงเกินกลับมาช้ากว่า

    ตามรูปแบบที่ข้อสอบถาม การหน่วง คือการลดลงของขนาดของการสั่นซึ่งเกิดจากแรงต้านทานที่กระจายพลังงานของตัวสั่น ใน หน่วงเบา ระบบสั่นด้วยขนาดที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง (แบบเอ็กซ์โพเนนเชียล) กับเวลา; คาบแทบไม่เปลี่ยนแปลง ใน หน่วงวิกฤต ระบบกลับสู่ตำแหน่งสมดุลในเวลาสั้นที่สุดโดยไม่สั่น ใน หน่วงหนัก มันกลับสู่ตำแหน่งสมดุลช้าโดยไม่สั่น การวาดภาพ: โครฟหน่วงเบาคือคลื่นไซน์ภายใน envelope ที่เล็กลง; โครฟวิกฤตและหน่วงหนักทั้งสองลดลงสู่ศูนย์โดยไม่ตัดแกน, ครอฟหน่วงหนักช้ากว่า

    ตัวอย่างวิธีทำ แท่งแม่เหล็กแขวนอยู่กับสปริง โดยมีขั้วหนึ่งอยู่ภายในคอยล์ที่เชื่อมต่อกับสวิตช์ไปยังตัวต้านทาน ตั้งให้แม่เหล็กสั่น อธิบายว่าทำไมการสั่นจะหายเร็วขึ้นเมื่อสวิตช์เปิด

    แม่เหล็กที่เคลื่อนที่เปลี่ยนการไหลของสนามแม่เหล็กที่貫穿 คอยล์ ดังนั้น e.m.f. จึงถูกเหนี่ยวนำ (กฎของฟาราเดย์); เมื่อสวิตช์เปิดกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตัวต้านทานและกระจายพลังงานในรูปของความร้อน ตามกฎของเลนซ์ กระแสที่ถูกเหนี่ยวนำจะต้านทานการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก — ซึ่งเป็นแรงต้านทานเพิ่มเติม พลังงานนี้มาจาก การสั่น ดังนั้นขนาดจึงลดลงเร็วขึ้น: วงจรเพิ่มการหน่วง เมื่อสวิตช์ปิดจะมี e.m.f. แต่ไม่มีกระแส ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียพลังงานเพิ่มเติม

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    damping/ˈdæmpɪŋ/ การลดทอน
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
    air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ แรงต้านอากาศ
    friction/ˈfrɪkʃn/ แรงเสียดทาน
    drag/dræɡ/ แรงต้านทานการเคลื่อนที่
    light damping/laɪt ˈdæmpɪŋ/ หน่วงเบา (light damping)
    heavy damping/ˈhevi ˈdæmpɪŋ/ หน่วงหนัก (heavy damping)
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    17.3

    Forced oscillations and resonance · ⁨การสั่นแบบถูกบังคับและการสั่นพ้อง⁩

    English

    A forced oscillation 受迫振动 is driven by an outside periodic force at a frequency $f_{\text{d}}$ chosen by the experimenter. The system then oscillates at this driving frequency 驱动频率 $f_{\text{d}}$, not at its own natural frequency. A plot of amplitude against $f_{\text{d}}$ is a resonance curve 共振曲线 with a peak.

    Resonance

    Resonance 共振 happens when the driving frequency equals the system's natural frequency 固有频率 $f_{0}$. At resonance the amplitude is largest and the energy transfer from the driver is most efficient.

    Examples:

    • a swing pushed at the right rate builds up a large amplitude.
    • a wine glass broken by a sound at its natural ringing frequency.
    • a building shaken by an earthquake whose frequency matches a natural frequency — engineers design buildings so their natural frequencies avoid the main earthquake range.

    The peak's shape depends on damping: lighter damping → a sharper, higher peak; heavier damping → a broader, lower peak, shifted slightly to lower frequency.

    The two-mark definition. Resonance is the condition in which a system is forced to oscillate at its natural frequency, and the amplitude of the oscillation is a maximum (the transfer of energy from the driver is greatest). Both parts — driving frequency equal to natural frequency, and maximum amplitude — are needed.

    Worked example. A ball on a stretched string has a natural frequency of $4.0\ \text{Hz}$. The string is driven by a vibration generator whose frequency is increased slowly from $0$ to $10\ \text{Hz}$. Sketch the variation of the amplitude of the ball with the driving frequency, and state the effect of adding damping.

    The curve starts at a small, non-zero amplitude at low frequency, rises to a sharp peak at $4.0\ \text{Hz}$, and falls away towards zero at high frequency; the peak is at the natural frequency, and only there is the amplitude a maximum. More damping makes the peak lower and broader and shifts it slightly to a lower frequency; the amplitude far from resonance hardly changes.

    ไทย
    ภาพระยะใกล้ของสายกีตาร์
    สายกีตาร์ที่ถูกดึงจะสั่นที่ความถี่พ้องของตัวมันเอง

    การสั่นแบบถูกบังคับ (forced oscillation) คือการสั่นที่ถูกขับเคลื่อนโดยแรงภายนอกที่เป็น周期性 (periodic force) ที่มีความถี่ $f_{\text{d}}$ ซึ่งผู้ทดลองเลือกไว้ ระบบจึงสั่นด้วยความถี่นี้ ความถี่ของตัวขับเคลื่อน (driving frequency) $f_{\text{d}}$ ไม่ใช่ความถี่ธรรมชาติของระบบ กราฟแสดงความกว้างต่อ $f_{\text{d}}$ เป็น กราฟการสั่นพ้อง (resonance curve) ซึ่งมีจุดสูงสุด

    การสั่นพ้อง

    การสั่นพ้อง (Resonance) เกิดขึ้นเมื่อความถี่ของตัวขับเคลื่อนเท่ากับ ความถี่ธรรมชาติ (natural frequency) $f_{0}$ ของระบบ เมื่อเกิดการสั่นพ้อง ความกว้างจะมีค่า มากที่สุด และการถ่ายโอนพลังงานจากตัวขับเคลื่อนมีประสิทธิภาพสูงสุด

    กราฟการสั่นพ้อง: แสดงความกว้างเทียบกับความถี่ของตัวขับเคลื่อนสำหรับการหน่วงแสง กลาง และหนัก แต่ละเส้นมีจุดสูงสุดใกล้กับความถี่ธรรมชาติและลดลงทางทั้งสองด้าน; การหน่วงเบาทำให้จุดยอดแหลมและสูงกว่า
    ความกว้างของการสั่นแบบถูกบังคับจะสูงสุดที่การสั่นพ้อง เมื่อความถี่ของตัวขับเคลื่อนเท่ากับความถี่ธรรมชาติ

    ภาพถ่ายขาวดำของถนนสะพาน Tacoma Narrows ที่บิดเบี้ยวไปด้านหนึ่งอย่างมาก ในขณะที่ผู้ชายคนหนึ่งเกาะติดอยู่ *การสั่นพ้องสามารถทำลายได้ ในปี ค.ศ. 1940 ลมได้ผลักสะพาน Tacoma Narrows ให้เข้าใกล้ความถี่ธรรมชาติของมัน ด้วยระบบลดทอนที่น้อยมาก การบิดตัวจึงเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนแผ่นทางเดินแตกสลาย วิศวกรจึงออกแบบสะพานและอาคารให้มีความถี่ธรรมชาติหลีกเลี่ยงแรงกระตุ้นเหล่านี้

    ตัวอย่าง:

    • แกว่งที่ถูกเขย่าด้วยความเร็วที่เหมาะสมจะสร้างแอมพลิจูดขนาดใหญ่ขึ้น
    • แก้วไวน์แตกเนื่องจากเสียงที่มีความถี่เท่ากับความถี่การสั่นพ้องตามธรรมชาติของแก้ว
    • อาคารสั่นไหวจากแผ่นดินไหวที่มีความถี่ตรงกับความถี่ธรรมชาติ — วิศวกรออกแบบอาคารให้มีความถี่ธรรมชาติหลีกเลี่ยงช่วงความถี่หลักของแผ่นดินไหว

    รูปร่างของยอดกราฟขึ้นอยู่กับระบบลดทอน: การลดทอนน้อย → ยอดกราฟแหลมและสูง; การลดทอนมาก → ยอดกราฟกว้างและต่ำ เลื่อนไปทางความถี่ต่ำกว่าเล็กน้อย

    นิยามสำหรับ 2 คะแนน การสั่นพ้องคือสภาวะที่ระบบถูกบังคับให้สั่นที่ความถี่ธรรมชาติ และแอมพลิจูดของการสั่นมีค่าสูงสุด (การถ่ายโอนพลังงานจากตัวขับเคลื่อนมีมากที่สุด) ทั้งสองส่วน — ความถี่ขับเคลื่อนเท่ากับความถี่ธรรมชาติ และแอมพลิจูดสูงสุด — จำเป็นต้องมี

    ตัวอย่างวิธีทำ ลูกบอลบนเชือกที่ตึงมีความถี่ธรรมชาติ $4.0\ \text{Hz}$ เชือกนั้นถูกขับเคลื่อนโดยเครื่องกำเนิดการสั่นwhose的频率 slowly from $0$ to $10\ \text{Hz}$. วาดกราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดของลูกบอลเมื่อเทียบกับความถี่ขับเคลื่อน และอธิบายผลของการเพิ่มระบบลดทอน

    กราฟเริ่มต้นที่แอมพลิจูดเล็กแต่ไม่ศูนย์ที่ความถี่ต่ำ แล้วพุ่งขึ้นสู่ยอดแหลมที่ $4.0\ \text{Hz}$ และลดลงเข้าใกล้ศูนย์ที่ความถี่สูง; ยอดกราฟอยู่ที่ความถี่ธรรมชาติ และเพียงเท่านั้นที่แอมพลิจูดจะมีค่าสูงสุด การเพิ่มการลดทอนจะทำให้ยอดกราฟ ต่ำลงและกว้างขึ้น serta เลื่อนไปทางความถี่ต่ำกว่าเล็กน้อย; แอมพลิจูดที่ห่างจากจุดสั่นพ้องแทบจะไม่เปลี่ยน

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Resonance · ⁨เรโซแนนซ์⁩

    Drive the swing at different frequencies. Far from its natural frequency it barely moves; tune them to match and the amplitude explodes — resonance, the same effect that can shake a bridge apart. · ⁨เขย่าชิงช้าด้วยความถี่ต่างๆ ห่างจากความถี่ธรรมชาติมันแทบไม่ขยับ เมื่อปรับให้ตรงกัน แอมพลิจูดจะพุ่งสูง — เรโซแนนซ์ ผลลัพธ์เดียวกันที่สามารถทำให้สะพานพังทลายได้⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    frequency/ˈfriːkwənsi/ ความถี่
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ ตัวเก็บประจุ
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ แอมพลิจูด
    period/ˈpɪərɪəd/ รอบ
    phase difference/feɪz ˈdɪfrəns/ ความต่างเฟส
    upthrust/ˈʌpθrʌst/ แรงลอยตัว
    natural frequency/ˈnætʃərəl ˈfriːkwənsi/ ความถี่ธรรมชาติ
    critical damping/ˈkrɪtɪkl ˈdæmpɪŋ/ หน่วงวิกฤต (critical damping)
    galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ กาลวานอมิเตอร์
    voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ โวลต์มิเตอร์
    forced oscillation/fɔːst ˌɒsɪˈleɪʃn/ การสั่นforced
    resonance/ˈrezənəns/ เรโซแนนซ์
    driving frequency/ˈdraɪvɪŋ ˈfriːkwənsi/ ความถี่ขับ
    resonance curve/ˈrezənəns kɜːv/ กราฟเรโซแนนซ์
    17.3

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    simple harmonic motion motion in which the acceleration is proportional to the displacement from a fixed point and is always directed towards that point
    amplitude the maximum displacement from the equilibrium position
    period the time for one complete oscillation
    frequency the number of complete oscillations per unit time
    angular frequency $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$; the rate at which the phase of the oscillation changes
    phase difference the fraction of a cycle, expressed as an angle, by which one oscillation leads or lags another
    damping the reduction in amplitude of an oscillation caused by a resistive force that dissipates its energy
    critical damping the damping that returns a displaced system to equilibrium in the shortest time without oscillation
    natural frequency the frequency at which a system oscillates when displaced and left to oscillate freely
    resonance the forced oscillation of a system at its natural frequency, at which the amplitude is a maximum
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก การเคลื่อนที่ซึ่งความเร่งแปรผันตรงกับระยะกระจัดจากจุดคงที่และมีทิศทางเข้าสู่จุดนั้นเสมอ
    แอมพลิจูด ระยะกระจัดสูงสุดจากตำแหน่งสมดุล
    ระยะเวลา เวลาที่ใช้ในการสั่นครบหนึ่งรอบ
    ความถี่ จำนวนรอบการสั่นสมบูรณ์ต่อหน่วยเวลา
    ความถี่เชิงมุม $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$; อัตราที่เฟสของการสั่นเปลี่ยนแปลง
    ความต่างเฟส ส่วนหนึ่งของรอบการสั่น ซึ่งแสดงเป็นมุม โดยที่การสั่นหนึ่งนำหน้าหรือล่าช้ากว่าอีกการสั่นหนึ่ง
    ระบบลดทอน การลดลงของแอมพลิจูดของการสั่นอันเกิดจากแรงต้านทานที่กระจายพลังงานออก
    การลดทอนวิกฤต การลดทอนที่ทำให้ระบบที่กระจัดออกจากตำแหน่งสมดุลกลับสู่ตำแหน่งสมดุลในเวลาสั้นที่สุดโดยไม่มีการสั่น
    ความถี่ธรรมชาติ ความถี่ที่ระบบสั่นเมื่อถูกกระจัดออกและปล่อยให้สั่นอย่างอิสระ
    การสั่นพ้อง การสั่นforced ของระบบที่ความถี่ธรรมชาติ ซึ่งมีแอมพลิจูดสูงสุด
    17.3

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • The SHM condition is $a = -\omega^2 x$ (acceleration proportional to displacement, directed back to equilibrium); to show a motion is SHM, find the restoring force, show it is proportional to $x$ and directed back, and read off $\omega^{2}$.
    • Learn $x = x_0\sin\omega t$ (or cos), $v_{max} = \omega x_0$, $a_{max} = \omega^2 x_0$ and $v = \pm\omega\sqrt{x_0^2 - x^2}$; KE and PE interchange with the total energy constant, $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} \propto x_{0}^{2}$.
    • Velocity is zero at the extremes and maximum at the centre; acceleration is greatest at the extremes and zero at the centre.
    • The amplitude is half the peak-to-peak range of a displacement graph; $\omega$ comes from the period, or from the gradient of $a$–$x$, or from $v_{0}/x_{0}$.
    • Resonance occurs when the driving frequency equals the natural frequency; damping lowers and broadens the peak.

    Common mistakes

    • Defining SHM as "oscillation about an equilibrium position". The mark scheme wants acceleration proportional to displacement and directed towards the fixed point.
    • Saying the minus sign means the acceleration is negative. It means the acceleration is opposite in direction to the displacement.
    • Sketching $v$ against $x$ as a straight line. It is an ellipse; $a$ against $x$ is the straight line.
    • Taking the amplitude as the whole range of the displacement. It is half the range.
    • Defining resonance as "a large amplitude". It is forced oscillation at the natural frequency, giving the maximum amplitude.
    • Calling critical damping "no damping", or heavy damping "the fastest return". Critical damping is the fastest return without oscillation; heavy damping is slower.
    ไทย
    • เงื่อนไขการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกเชิง-simple (SHM condition is $a = -\omega^2 x$) (ความเร่งแปรผันตามการกระจัด และมีทิศทางกลับสู่ตำแหน่งสมดุล); เพื่อ พิสูจน์ ว่าการเคลื่อนที่นั้นเป็น SHM ให้หาแรงคืนตัว (restoring force) แสดงว่าแปรผันกับ $x$ และมีทิศทางกลับ และอ่านค่า $\omega^{2}$ ออกมา
    • เรียนรู้ $x = x_0\sin\omega t$ (หรือ cos), $v_{max} = \omega x_0$, $a_{max} = \omega^2 x_0$ และ $v = \pm\omega\sqrt{x_0^2 - x^2}$; พลังงานจลน์และพลังงานศักย์แลกเปลี่ยนกันโดยที่ พลังงานรวมคงที่, $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} \propto x_{0}^{2}$.
    • ความเร็วเป็น ศูนย์ที่จุดสุดขั้ว และสูงสุดที่จุดกึ่งกลาง; ความเร่งมีค่ามากสุดที่จุดสุดขั้วและเป็นศูนย์ที่จุดกึ่งกลาง
    • แอมพลิจูดเป็น ครึ่งหนึ่ง ของช่วงยอดถึงยอดของกราฟระยะกระจัด; $\omega$ หาได้จาก ระยะเวลา, หรือจากความชันของ $a$–$x$, หรือจาก $v_{0}/x_{0}$
    • การสั่นพ้อง เกิดขึ้นเมื่อความถี่ขับเคลื่อนเท่ากับความถี่ธรรมชาติ; การลดทอนทำให้ยอดกราฟต่ำลงและกว้างขึ้น

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • นิยาม SHM ว่า "การสั่นรอบๆ ตำแหน่งสมดุล" คำตอบในข้อสอบต้องการความเร่งแปรผันตรงกับระยะกระจัด และ มีทิศทางเข้าสู่จุดคงที่
    • การบอกว่าเครื่องหมายลบหมายความว่าความเร่งเป็นลบ ความหมายที่แท้จริงคือความเร่งมีทิศทางตรงข้ามกับระยะกระจัด
    • การวาดกราฟ $v$ เทียบกับ $x$ เป็นเส้นตรง กราฟนี้เป็นวงรี; การวาด $a$ เทียบกับ $x$ จึงเป็นเส้นตรง
    • การรับว่าแอมพลิจูดคือช่วงเต็มของระยะกระจัด ที่จริงแล้วเป็นครึ่งหนึ่งของช่วง
    • นิยามการสั่นพ้องว่า "แอมพลิจูดขนาดใหญ่" ที่ถูกต้องคือการสั่นforced ที่ความถี่ธรรมชาติ ซึ่งให้ แอมพลิจูดสูงสุด
    • การเรียกการลดทอนวิกฤตว่า "ไม่มีระบบลดทอน" หรือการลดทอนหนักว่า "การกลับเร็วที่สุด" การลดทอนวิกฤตคือการกลับเร็วที่สุดโดยไม่มีการสั่น; การลดทอนหนักจะช้ากว่า
  • 18

    Electric fields · ⁨สนามไฟฟ้า⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    18.1

    Electric fields · ⁨สนามไฟฟ้า⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that an electric field is an example of a field of force and define electric field as force per unit positive charge
    2. recall and use $F = qE$ for the force on a charge in an electric field
    3. represent an electric field by means of field lines
    ไทย
    1. เข้าใจว่า สนามไฟฟ้า เป็นตัวอย่างของ สนามแรง และนิยามสนามไฟฟ้าเป็นแรงต่อหน่วยประจุบวก
    2. จำและใช้ $F = qE$ สำหรับแรงที่กระทำต่อประจุในสนามไฟฟ้า
    3. แทนที่สนามไฟฟ้า bằng means of เส้นสนาม

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    An electric field 电场 is a region where a charge feels a force 力 from other charges. The electric field strength 电场强度 $E$ at a point is the force per unit positive charge on a small positive test charge 检验电荷 placed there:

    $$E = \frac{F}{q}.$$

    Unit: $\text{N C}^{-1}$ (the same as $\text{V m}^{-1}$, as we will see). $E$ is a vector 矢量, pointing the way the force acts on a positive charge. The force on a charge $q$ is

    $$F = qE,$$

    opposite to the field if $q$ is negative.

    The two-mark definition. Electric field strength at a point is the force per unit positive charge acting on a small (test) charge placed at that point. Three words carry the marks: force per unit charge (not "force on a charge"), positive (which fixes the direction), and small or test (so the charge does not disturb the field it is measuring). The multiple-choice version offers "force per unit charge acting on a small mass" and "force per unit mass" as distractors: a field is defined by a charge, never by a mass.

    Worked example. A proton accelerates at $2.00\ \text{m s}^{-2}$ in an electric field, with no other force acting. Find the field strength. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)

    $qE = ma$, so

    $$E = \frac{m a}{q} = \frac{(1.67 \times 10^{-27})(2.00)}{1.60 \times 10^{-19}} = 2.09 \times 10^{-8}\ \text{V m}^{-1} = 20.9\ \text{nV m}^{-1}.$$

    The same rearrangement the other way round gives the acceleration of an electron in a field of $1500\ \text{V m}^{-1}$: $a = eE/m_{\text{e}} = (1.60 \times 10^{-19})(1500)/(9.11 \times 10^{-31}) = 2.6 \times 10^{14}\ \text{m s}^{-2}$, enormous because the electron's mass is so small. Gravity ($9.81\ \text{m s}^{-2}$) is negligible beside it, which is why exam questions about electrons between plates ignore weight.

    Field lines

    • field lines 场线 point the way the force acts on a positive test charge.

    • lines start on positive charges and end on negative charges (or go to infinity).

    • lines never cross; closer lines mean a stronger field.

    • every line carries an arrow; lines meet the surface of a conductor at right angles.

    What a field line represents. Asked "state what is represented by an electric field line", give both halves: its direction shows the direction of the force on a positive charge placed there, and the spacing of the lines shows the strength of the field (closer lines, stronger field). A sketch is marked on exactly these points: arrows drawn, lines not crossing, even spacing where the field is uniform, and radial lines for a point charge or a sphere.

    Examples: a positive point charge 点电荷 has radial lines pointing out; a negative one has lines pointing in; two opposite charges (a dipole 偶极子) have lines curving from + to −; two parallel charged plates give a uniform field 匀强场 of equally spaced parallel lines.

    A charged conducting sphere

    The charge on an isolated 孤立的 conductor 导体 sits on its outer surface, spread evenly when the sphere is on its own. Outside the sphere the field lines are radial, evenly spaced and pointing outwards (for positive charge), exactly the pattern of a point charge at the centre. Inside a hollow (or solid) conductor the field is zero: the fields of all the surface charges cancel everywhere inside, so no field line enters. Two graphs follow, and both are exam favourites. The field strength $E$ is zero out to the radius $R$, jumps to its surface value $E_0$ and then falls as $1/r^{2}$; the potential $V$ is constant inside (a zero field means a zero potential gradient) and then falls as $1/r$.

    Reading the graphs. Given an $E$–$x$ graph for a charged sphere, the radius is the distance at which $E$ jumps from zero, and the charge comes from any point on the curve: $Q = 4\pi\varepsilon_{0} r^{2} E$. Given "$E_0$ at the surface", the value at $2R$ is $E_0/4$ and at $3R$ is $E_0/9$: sketch the curve through those points, starting at $E_0$ on the surface line, never from the origin.

    ไทย
    ฟ้าผ่าในเวลากลางคืน
    ฟ้าผ่าคือประกายไฟยักษ์ที่ถูกขับเคลื่อนด้วยสนามไฟฟ้าอันมหาศาล

    สนามไฟฟ้า คือพื้นที่ที่ประจุไฟฟ้า experiencing a แรง จากประจุอื่น ๆ ความเข้มสนามไฟฟ้า $E$ ที่จุดหนึ่งคือ แรงต่อหน่วยประจุบวก作用于 small positive test charge ที่วางไว้ที่จุดนั้น:

    $$E = \frac{F}{q}.$$

    หน่วย: $\text{N C}^{-1}$ (เช่นเดียวกับ $\text{V m}^{-1}$ ตามที่จะเห็นในภายหลัง) $E$ เป็น เวกเตอร์ ชี้ไปในทิศทางที่แรงกระทำต่อ ประจุบวก แรงที่กระทำต่อประจุ $q$ คือ

    $$F = qE,$$

    ตรงข้ามกับสนามหาก $q$ เป็นลบ

    นิยามสำหรับ 2 คะแนน ความเข้มสนามไฟฟ้าที่จุดหนึ่งคือแรงต่อหน่วยประจุบวกที่กระทำต่อประจุเล็ก (ประจุทดสอบ) ที่วางไว้ที่จุดนั้น คำสามคำที่นำคะแนนมาคือ: แรงต่อหน่วยประจุ (ไม่ใช่ "แรงกระทำต่อประจุ"), บวก (ซึ่งกำหนดทิศทาง), และ เล็ก หรือ ทดสอบ (เพื่อให้ประจุไม่รบกวนสนามที่กำลังวัดอยู่) ตัวเลือกแบบเลือกตอบเสนอ "แรงต่อหน่วยประจุที่กระทำต่อมวลเล็ก" และ "แรงต่อหน่วยมวล" เป็นตัวเลือกหลอก: สนามถูกนิยามโดย ประจุ ไม่เคย由 มวล

    ตัวอย่างวิธีทำ. โปรตอนเร่งความเร็วที่ $2.00\ \text{m s}^{-2}$ ในสนามไฟฟ้า โดยไม่มีแรงอื่นกระทำ จงหาความเข้มของสนาม ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)

    $qE = ma$, ดังนั้น

    $$E = \frac{m a}{q} = \frac{(1.67 \times 10^{-27})(2.00)}{1.60 \times 10^{-19}} = 2.09 \times 10^{-8}\ \text{V m}^{-1} = 20.9\ \text{nV m}^{-1}.$$

    การจัดรูปสมการในทางกลับกันนี้ให้ค่าความเร่งของอิเล็กตรอนในสนาม $1500\ \text{V m}^{-1}$: $a = eE/m_{\text{e}} = (1.60 \times 10^{-19})(1500)/(9.11 \times 10^{-31}) = 2.6 \times 10^{14}\ \text{m s}^{-2}$, มีค่ามหาศาลเนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีน้อยมาก แรงโน้มถ่วง ($9.81\ \text{m s}^{-2}$) มีค่าน้อยเมื่อเทียบกับมัน นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมคำถามข้อสอบเกี่ยวกับอิเล็กตรอนระหว่างแผ่นโลหะจึงไม่คำนึงถึงน้ำหนัก

    เส้นสนาม

    • เส้นสนาม บ่งบอกทิศทางของแรงที่กระทำต่อประจุทดสอบบวก

    • เส้นเริ่มจาก ประจุบวก และสิ้นสุดที่ ประจุลบ (หรือ Goes ไปที่อนันต์)

    • เส้นnever ตัดกัน; เส้นที่ใกล้กันหมายถึงสนามที่แรงขึ้น

    • ทุกเส้นมี ลูกศร; เส้นตัดกับพื้นผิวของตัวนำในมุมฉาก

    สิ่งที่เส้นสนามแทน. เมื่อถามว่า "ระบุสิ่งที่เส้นสนามไฟฟ้าแทน" ให้ตอบทั้งสองส่วน: ทิศทาง ของมันแสดงทิศทางของแรงที่กระทำต่อ ประจุบวก ที่วางไว้ที่จุดนั้น, และ ระยะห่าง ระหว่างเส้นแสดงความเข้มของสนาม (เส้นใกล้กัน, สนามแรงขึ้น) การวาดภาพจะให้คะแนนตามจุดเหล่านี้เท่านั้น: วาดลูกศร, เส้นไม่ตัดกัน, ระยะห่างเท่ากันเมื่อสนามสม่ำเสมอ, และเส้นรัศมีสำหรับประจุจุดหรือทรงกลม

    ตัวอย่าง: ประจุจุด บวกมีเส้นรัศมีชี้ออก; แบบลบมีเส้นชี้เข้า; สองประจุตรงข้าม (ไดโพล) มีเส้นโค้งจาก + ไป −; สองแผ่นขนานที่มีประจุให้ สนามสม่ำเสมอ ของเส้นขนานที่ห่างเท่ากัน

    รูปแบบเส้นสนามไฟฟ้าสี่แบบ: a) สนามสม่ำเสมอระหว่างแผ่นขนาน, b) ไดโพลที่มีเส้นโค้งจากบวกไปลบ, c) เส้นรัศมีออกจากประจุจุดบวก, d) ทรงกลมที่มีประจุเหนือแผ่นต่อดิน
    รูปแบบเส้นสนามสำหรับแผ่นขนาน, ไดโพล, ประจุจุด, และทรงกลมที่มีประจุเหนือแผ่นต่อดิน
    ตัวนำกลวงที่มีประจุพร้อมเส้นรัศมีที่ห่างเท่ากันชี้ออกไปด้านนอกและไม่มีสนามภายใน, คู่กับกราฟ E เทียบกับ r (ศูนย์ภายใน, กระโดดไปที่ E0 ที่ผิว, แล้วลดลงตาม 1/r²) และ V เทียบกับ r (คงที่ภายใน, แล้วลดลงตาม 1/r)
    ตัวนำกลวงที่มีประจุ: สนามภายนอกคือของประจุจุดที่ศูนย์กลาง; ภายใน, สนามเป็นศูนย์และศักย์ไฟฟ้าคงที่

    ทรงกลมตัวนำที่มีประจุ

    ประจุบน ตัวนำ ที่ แยก ออก มาอยู่ที่ ผิวภายนอก ของมัน กระจายอย่างสม่ำเสมอเมื่อทรงกลมอยู่ลำพัง ด้านนอกของทรงกลม เส้นสนามจะเป็น รัศมี, ห่างเท่ากัน และชี้ออกไป (สำหรับประจุบวก), เป็นรูปแบบเดียวกับประจุจุดที่ศูนย์กลาง ภายใน ตัวนำกลวง (หรือทึบ) สนามจะเป็น ศูนย์: สนามของประจุผิวทั้งหมดหักล้างกันทุกจุดภายใน ดังนั้นไม่มีเส้นสนามเข้าไปสองกราฟถัดมา และทั้งสองเป็นตัวเลือกที่นิยมในข้อสอบ ความเข้มของสนาม $E$ เป็นศูนย์จนถึงรัศมี $R$, กระโดด ไปที่ค่าผิว $E_0$ แล้วลดลงตาม $1/r^{2}$; ศักย์ไฟฟ้า $V$ เป็น คงที่ ภายใน (สนามศูนย์หมายถึงเกรเดียนต์ศักย์ศูนย์) แล้วลดลงตาม $1/r$.

    อ่านกราฟ. ให้กราฟ $E$–$x$ สำหรับทรงกลมที่มีประจุ รัศมี คือระยะที่ $E$ กระโดดจากศูนย์, และ ประจุ มาจากจุดใดก็ได้บนcurve: $Q = 4\pi\varepsilon_{0} r^{2} E$. ให้ "$E_0$ ที่ผิว", ค่าที่ $2R$ คือ $E_0/4$ และที่ $3R$ คือ $E_0/9$: วาด curve ผ่านจุดเหล่านั้น, เริ่มที่ $E_0$ บนเส้นผิว, ไม่เริ่มจากจุดกำเนิด

    เครื่องกำเนิด Van de Graaff: ถ้วยทองเหลืองขนาดใหญ่ขัดเงาบนเสาใส, พร้อมสายพานยางเคลื่อนที่ภายในและทรงกลมปล่อยประจุขนาดเล็กบนแท่นข้างๆ
    เครื่องกำเนิด Van de Graaff เก็บประจุสถิตจำนวนมากบนถ้วยทองเหลือง ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าแรงรอบๆ
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Electric fields · ⁨สนามไฟฟ้า⁩

    E ∝ Q / r²

    A charge sets up a radial field — out for +, in for −, obeying the inverse-square law. · ⁨ประจุจะสร้างสนามรัศมี — ออกนอกสำหรับ +, เข้าหาสำหรับ −, เป็นไปตาม กฎกำลังสองผกผัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ สนามไฟฟ้า
    test charge/test tʃɑːdʒ/ ประจุทดสอบ
    vector/ˈvektə/ เวกเตอร์
    18.2

    Uniform electric fields · ⁨สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall and use $E = \Delta V / \Delta d$ to calculate the field strength of the uniform field between charged parallel plates
    2. describe the effect of a uniform electric field on the motion of charged particles
    ไทย
    1. จำและใช้ $E = \Delta V / \Delta d$ เพื่อคำนวณ ความเข้มสนาม ของสนามสม่ำเสมอระหว่างแผ่นขนานที่มีประจุ
    2. อธิบายผลกระทบของ สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ ต่อการเคลื่อนที่ของ อนุภาคที่มีประจุ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Between two parallel plates a distance $d$ apart with potential difference 电势差 $V$ between them, the field is uniform (apart from edge effects) with size

    $$E = \frac{V}{d}.$$

    It points from the higher-potential plate to the lower one. The unit $\text{V m}^{-1}$ comes straight from this and equals $\text{N C}^{-1}$.

    Worked example. Two parallel plates $5.0\ \text{mm}$ apart have a p.d. of $200\ \text{V}$ between them. Find the field strength, and the force on an electron in the gap. ($e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)

    $$E = \frac{V}{d} = \frac{200}{5.0 \times 10^{-3}} = 4.0 \times 10^{4}\ \text{V m}^{-1}, \qquad F = qE = (1.6 \times 10^{-19})(4.0 \times 10^{4}) = 6.4 \times 10^{-15}\ \text{N}.$$

    Which changes the field? Two things only: $E = V/d$ rises if the p.d. is increased or the plates are moved closer. A resistor in series with the supply changes nothing: no current flows once the plates are charged, so there is no p.d. across the resistor and the plates sit at the full supply voltage. Between plates at $+800\ \text{V}$ and $+1300\ \text{V}$ the field points from the higher potential to the lower; two positive potentials change nothing about the direction rule.

    A charged particle in a uniform field

    A charge $q$ in a uniform field feels a constant force $F = qE$, so a constant acceleration $a = qE/m$ — just like a mass in a uniform gravitational field.

    • released at rest, it speeds up along the field (positive charge) or against it (negative charge), gaining kinetic energy 动能.
    • entering at right angles to the field, it follows a parabolic 抛物线 path — like a projectile 抛体 in gravity. This is how a cathode-ray tube 阴极射线管 used to steer its beam.

    Two forces, not one. A charged oil drop "held stationary" between horizontal plates is the exam's favourite equilibrium 平衡: both an electric force and its weight act on it (the multiple-choice distractor is "electric force only"), and they are equal and opposite. For a negative drop the electric force is opposite to the field, so the top plate must be positive to hold it up.

    Worked example. An oil drop of mass $2.6 \times 10^{-15}\ \text{kg}$ carries a charge of $-4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ and is held stationary in a vacuum between horizontal plates $2.0\ \text{cm}$ apart. Find the p.d. between the plates, and say which plate is positive.

    $$qE = mg \;\Rightarrow\; \frac{qV}{d} = mg \;\Rightarrow\; V = \frac{m g d}{q} = \frac{(2.6 \times 10^{-15})(9.81)(0.020)}{4.8 \times 10^{-19}} = 1.1 \times 10^{3}\ \text{V}.$$

    The drop is negative, so the force on it is against the field; for the force to be upwards the field must point down, so the top plate is positive. Notice that the charge is $3e$, three excess electrons, which is how Millikan showed that charge comes in multiples of $e$.

    Worked example. Two parallel plates in a vacuum are $0.041\ \text{m}$ apart with a p.d. of $250\ \text{V}$ between them. An electron is released from rest at the negative plate. Find (a) the field strength, (b) the force on the electron and its acceleration, (c) the time it takes to reach the positive plate, (d) its kinetic energy on arrival. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)

    (a) $E = V/d = 250/0.041 = 6.1 \times 10^{3}\ \text{V m}^{-1}$. (b) $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(6.1 \times 10^{3}) = 9.8 \times 10^{-16}\ \text{N}$; $a = F/m_{\text{e}} = 1.07 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, towards the positive plate. (c) From rest with constant acceleration, $d = \tfrac{1}{2} a t^{2}$, so $t = \sqrt{2d/a} = \sqrt{2 \times 0.041 / (1.07 \times 10^{15})} = 8.8 \times 10^{-9}\ \text{s}$. (d) Energy method, no kinematics needed: $E_{\text{k}} = qV = (1.60 \times 10^{-19})(250) = 4.0 \times 10^{-17}\ \text{J}$, so $v = \sqrt{2E_{\text{k}}/m_{\text{e}}} = 9.4 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. (Check: $v = at = (1.07 \times 10^{15})(8.8 \times 10^{-9}) = 9.4 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.)

    Worked example (deflection). An electron travelling horizontally at $2.0 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ enters the field between two horizontal plates $18\ \text{mm}$ apart with a p.d. of $400\ \text{V}$. The plates are $30\ \text{mm}$ long. Find the deflection 偏转 of the electron by the time it leaves the field.

    The horizontal motion is unaffected: time in the field $t = 0.030/(2.0 \times 10^{7}) = 1.5 \times 10^{-9}\ \text{s}$. Vertically, $a = eE/m_{\text{e}} = eV/(m_{\text{e}} d) = (1.60 \times 10^{-19})(400)/[(9.11 \times 10^{-31})(0.018)] = 3.9 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, so the deflection is $y = \tfrac{1}{2} a t^{2} = \tfrac{1}{2}(3.9 \times 10^{15})(1.5 \times 10^{-9})^{2} = 4.4 \times 10^{-3}\ \text{m}$, less than the half-gap of $9\ \text{mm}$, so the electron does leave the field. Its vertical velocity on exit is $at = 5.9 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$, so it leaves at $\tan\theta = 5.9/20$, about $16°$; the path is a parabola, and after the plates (no field) it travels in a straight line in the direction it had on exit.

    ไทย

    ระหว่างแผ่นขนานสองแผ่นห่างกัน $d$ และมี ผลต่างศักย์ $V$ ระหว่างกัน, สนามจะเป็นสม่ำเสมอ (ยกเว้นผลกระทบขอบ) ด้วยขนาด

    ระหว่างแผ่นขนานห่างกัน d ด้วยแรงดัน V, สนามคือ E = V/d
    ระหว่างแผ่นขนาน สนามจะเป็นสม่ำเสมอ, E = V/d
    $$E = \frac{V}{d}.$$

    มันชี้จากแผ่นที่มีศักย์สูงกว่าไปยังแผ่นที่มีศักย์ต่ำกว่า หน่วย $\text{V m}^{-1}$ มาโดยตรงจากสิ่งนี้และเท่ากับ $\text{N C}^{-1}$.

    ตัวอย่างวิธีทำ. แผ่นขนานสองแผ่น $5.0\ \text{mm}$之间有 p.d. $200\ \text{V}$. จงหาความเข้มของสนาม, และแรงที่กระทำต่อยอิเล็กตรอนในช่องว่าง ($e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)

    $$E = \frac{V}{d} = \frac{200}{5.0 \times 10^{-3}} = 4.0 \times 10^{4}\ \text{V m}^{-1}, \qquad F = qE = (1.6 \times 10^{-19})(4.0 \times 10^{4}) = 6.4 \times 10^{-15}\ \text{N}.$$

    อะไรเปลี่ยนสนาม? มีเพียงสองอย่าง: $E = V/d$ จะเพิ่มขึ้นหาก p.d. เพิ่มขึ้น หรือแผ่นถูกย้าย เข้าหากัน. เรซิสเตอร์ที่ต่ออนุกรมกับแหล่งจ่ายไฟไม่เปลี่ยนแปลงอะไร: ไม่มีกระแสไหลเมื่อแผ่นชาร์จแล้ว, ดังนั้นไม่มี p.d. Across เรซิสเตอร์ และแผ่นอยู่ที่แรงดันแหล่งจ่ายเต็ม Between Plates at $+800\ \text{V}$ และ $+1300\ \text{V}$, สนามชี้จาก ศักย์สูง ไปยังต่ำ; สองศักย์บวกไม่เปลี่ยนกฎทิศทาง

    อนุภาคที่มีประจุในสนามสม่ำเสมอ

    ประจุ $q$ ในสนามสม่ำเสมอรับ แรงคงที่ $F = qE$, ดังนั้น ความเร่งคงที่ $a = qE/m$ — เหมือนกับมวลในสนามโน้มถ่วงสม่ำเสมอ

    • ปล่อย จากสถานะหยุดนิ่ง, มันเร่งความเร็วไปตามสนาม (ประจุบวก) หรือสวนทาง (ประจุลบ), ได้รับ พลังงานจลน์
    • เข้า ในมุมฉาก กับสนาม, มันเดินตาม พาราโบลา Path — เหมือนกับ โปรเจกไทล์ ในแรงโน้มถ่วง นี่คือวิธีที่ หลอดรังสีแคโทด ใช้บังคับลำแสง
    อนุภาคที่มีประจุเข้าสู่สนามสม่ำเสมอระหว่างแผ่นขนานสองแผ่นในมุมฉากกับสนามและโค้งเป็นเส้นทางพาราโบลาขณะข้าม
    ประจุเข้าสู่สนามสม่ำเสมอในมุมฉากจะเดินตามเส้นทางพาราโบลา, เหมือนโปรเจกไทล
    หยดน้ำมันที่มีประจุลบอยู่ระหว่างแผ่นบวกด้านบนและแผ่นต่อลงดินด้านล่าง ยืนนิ่งเนื่องจากแรงไฟฟ้าขึ้น qE สมดุลกับน้ำหนัก mg; สนาม E = V/d ชี้ลง
    หยดน้ำมันที่มีประจุยืนนิ่งระหว่างแผ่นราบ: แรงไฟฟ้าสมดุลกับน้ำหนัก ดังนั้น q = mgd/V

    สองแรง ไม่ใช่หนึ่ง. หยดน้ำมัน "ที่ยืนนิ่ง" ระหว่างแผ่นราบคือ สมดุล ที่ข้อสอบชอบที่สุด: มีทั้ง แรงไฟฟ้าและน้ำหนักกระทำต่อมัน (ตัวเลือกลวงในข้อเลือกคือ "มีเพียงแรงไฟฟ้า") และทั้งสองมีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงข้าม สำหรับ หยดที่มีประจุลบ แรงไฟฟ้าจะตรงข้ามกับสนาม ดังนั้นแผ่นบนต้องเป็น บวก เพื่อพยุงมันไว้

    ตัวอย่างฝึกหัด. หยดน้ำมันมวล $2.6 \times 10^{-15}\ \text{kg}$ มีประจุ $-4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ และยืนนิ่งในสุญญากาศระหว่างแผ่นราบ $2.0\ \text{cm}$ แยกกัน จงหาความต่างศักย์ระหว่างแผ่น และระบุว่าแผ่นใดเป็นบวก

    $$qE = mg \;\Rightarrow\; \frac{qV}{d} = mg \;\Rightarrow\; V = \frac{m g d}{q} = \frac{(2.6 \times 10^{-15})(9.81)(0.020)}{4.8 \times 10^{-19}} = 1.1 \times 10^{3}\ \text{V}.$$

    หยดมีประจุลบ ดังนั้นแรงที่กระทำ对它是对着场; เพื่อให้แรงชี้ขึ้น สนามต้องชี้ ลง ดังนั้น บน แผ่นเป็นบวก ระวังว่าประจุนี้ $3e$ คืออิเล็กตรอนเกินสามตัว นี่คือวิธีที่มิลลิคานพิสูจน์ว่าประจุมีค่าเป็นพหุคูณของ $e$

    ตัวอย่างฝึกหัด. แผ่นขนานสองแผ่นในสุญญากาศ $0.041\ \text{m}$ แยกกัน มีความต่างศักย์ $250\ \text{V}$ ระหว่างกัน อิเล็กตรอนปล่อยจากจุดหยุดนิ่งที่แผ่นลบ จงหา (ก) ความเข้มสนาม, (ข) แรงต่ออิเล็กตรอนและความเร่ง, (ค) เวลาที่ใช้才能达到แผ่นบวก, (ง) พลังงานจลน์เมื่อถึง ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)

    (a) $E = V/d = 250/0.041 = 6.1 \times 10^{3}\ \text{V m}^{-1}$. (ข) $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(6.1 \times 10^{3}) = 9.8 \times 10^{-16}\ \text{N}$; $a = F/m_{\text{e}} = 1.07 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, ไปทางแผ่นบวก (ค) จากจุดหยุดนิ่งด้วยความเร่งคงที่ $d = \tfrac{1}{2} a t^{2}$ ดังนั้น $t = \sqrt{2d/a} = \sqrt{2 \times 0.041 / (1.07 \times 10^{15})} = 8.8 \times 10^{-9}\ \text{s}$ (ง) วิธีพลังงาน ไม่ต้องใช้สมการจลนศาสตร์: $E_{\text{k}} = qV = (1.60 \times 10^{-19})(250) = 4.0 \times 10^{-17}\ \text{J}$ ดังนั้น $v = \sqrt{2E_{\text{k}}/m_{\text{e}}} = 9.4 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. (ตรวจสอบ: $v = at = (1.07 \times 10^{15})(8.8 \times 10^{-9}) = 9.4 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.)

    ตัวอย่างวิธีทำ (การเบี่ยงเบน). อิเล็กตรอนเคลื่อนที่แนวนอนที่ $2.0 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ เข้าสู่อุณหภูมิตระหว่างแผ่นนำสองแผ่นวางขนานกัน $18\ \text{mm}$ มีต่างศักย์ $400\ \text{V}$ แผ่นนำยาว $30\ \text{mm}$ จงหา การเบี่ยงเบน (deflection) ของอิเล็กตรอนเมื่อออกจากสนาม

    การเคลื่อนที่ในแนวราบไม่ถูกกระทบ: เวลาในสนาม $t = 0.030/(2.0 \times 10^{7}) = 1.5 \times 10^{-9}\ \text{s}$. ในแนวตั้ง, $a = eE/m_{\text{e}} = eV/(m_{\text{e}} d) = (1.60 \times 10^{-19})(400)/[(9.11 \times 10^{-31})(0.018)] = 3.9 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, ดังนั้นการเบี่ยงเบนคือ $y = \tfrac{1}{2} a t^{2} = \tfrac{1}{2}(3.9 \times 10^{15})(1.5 \times 10^{-9})^{2} = 4.4 \times 10^{-3}\ \text{m}$, น้อยกว่าครึ่งช่องว่าง $9\ \text{mm}$, ดังนั้นอิเล็กตรอนออกจากระบบได้ ความเร็วในแนวตั้งตอนออกคือ $at = 5.9 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$, ดังนั้นออกที่มุม $\tan\theta = 5.9/20$, ประมาณ $16°$; เส้นทางเป็นพาราโบลา, และ หลัง จากแผ่น (ไม่มีสนาม) มันเคลื่อนที่ตามเส้นตรงในทิศทางตอนออก

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Uniform electric field lab · ⁨ห้องปฏิบัติการสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ⁩

    Follow how a charge behaves between parallel plates. · ⁨ติดตามพฤติกรรมของประจุระหว่างแผ่นขนาน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    deflection/dɪˈflekʃn/ การเบี่ยงเบน
    Coulomb's law/ˈkuːlɒmz lɔː/ กฎของคูลอม
    permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/ ค่าความยอมให้ของสุญญากาศ
    tension/ˈtenʃn/ แรงตึง
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียส
    resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ แรงลัพธ์
    centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ แรงเข้าสู่ศูนย์กลาง
    18.3

    Coulomb's law · ⁨กฎของคูลอมบ์⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that, for a point outside a spherical conductor, the charge on the sphere may be considered to be a point charge at its centre
    2. recall and use Coulomb’s law $F = Q_1Q_2 / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ for the force between two point charges in free space
    ไทย
    1. เข้าใจว่า, สำหรับจุดภายนอก ตัวนำทรงกลม, ประจุบนทรงกลมสามารถพิจารณาว่าเป็น ประจุจุด ที่ศูนย์กลางของมัน
    2. จำและใช้ กฎของคูลอมบ์ $F = Q_1Q_2 / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ สำหรับแรงระหว่างสองประจุจุดในสุญญากาศ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    For two point charges $Q_{1}$ and $Q_{2}$ a distance $r$ apart in free space, each feels a force of size

    $$F = \frac{Q_{1} Q_{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$

    This is Coulomb's law 库仑定律. Here $\varepsilon_{0} = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ is the permittivity of free space 真空电容率, and $1/(4\pi\varepsilon_{0}) \approx 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$. The force is along the line joining the charges: repulsive for like charges, attractive for opposite charges.

    Stating the law in words. "State Coulomb's law" wants a sentence, not a formula: the (electric) force between two point charges is directly proportional to the product of the charges and inversely proportional to the square of their separation. Both proportionalities are needed, and the charges must be point charges (or spheres treated as point charges at their centres) in a vacuum.

    Worked example. Find the electrostatic force between point charges of $+2.0\ \text{nC}$ and $+3.0\ \text{nC}$ placed $4.0\ \text{cm}$ apart. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)

    $$F = \frac{Q_{1}Q_{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{(9.0 \times 10^{9})(2.0 \times 10^{-9})(3.0 \times 10^{-9})}{(0.040)^{2}} \approx 3.4 \times 10^{-5}\ \text{N (repulsive).}$$

    Worked example. In a hydrogen atom the proton and the electron may be treated as point charges $120\ \text{pm}$ apart. Find the electric force between them, and compare it with their gravitational attraction. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)

    $$F_{\text{E}} = \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(1.60 \times 10^{-19})^{2}}{(1.20 \times 10^{-10})^{2}} = 1.6 \times 10^{-8}\ \text{N (attractive).}$$

    Gravity: $F_{\text{G}} = G m_{\text{p}} m_{\text{e}}/r^{2} = (6.67 \times 10^{-11})(1.67 \times 10^{-27})(9.11 \times 10^{-31})/(1.20 \times 10^{-10})^{2} = 7.0 \times 10^{-48}\ \text{N}$, about $10^{39}$ times smaller. Inside atoms, gravity is irrelevant.

    Worked example. Two identical oil droplets in a vacuum have their centres $3.8 \times 10^{-6}\ \text{m}$ apart. Each carries the same charge, and they repel with a force of $1.0 \times 10^{-15}\ \text{N}$. Find the charge on each droplet, and the number of excess electrons it carries.

    $$F = \frac{Q^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} \;\Rightarrow\; Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{\frac{(1.0 \times 10^{-15})(3.8 \times 10^{-6})^{2}}{8.99 \times 10^{9}}} = 1.3 \times 10^{-18}\ \text{C},$$

    that is $1.3 \times 10^{-18}/1.60 \times 10^{-19} \approx 8$ electrons. Identical objects with the same sign of charge always repel; do not write "attract" for the direction.

    Worked example. A charged sphere X is fixed on an insulating stand. A second sphere Y, of mass $2.0\ \text{g}$, hangs beside it on an insulating thread and settles in equilibrium with the thread at $12°$ to the vertical, its centre $5.0\ \text{cm}$ from the centre of X on the same horizontal level. Find the electric force on Y and, if the spheres carry equal charges, the charge on each.

    Three forces act on Y: its weight $mg$ (down), the tension 张力 $T$ (along the thread) and the electric force $F$ (horizontal, away from X because like charges repel). Resolving, $T\cos\theta = mg$ and $T\sin\theta = F$, so

    $$F = mg\tan\theta = (2.0 \times 10^{-3})(9.81)\tan 12° = 4.2 \times 10^{-3}\ \text{N}.$$

    Then $F = Q^{2}/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$ gives $Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{(4.2 \times 10^{-3})(0.050)^{2}/(8.99 \times 10^{9})} = 3.4 \times 10^{-8}\ \text{C}$. A closed vector triangle of the three forces is an equally good method; the exam accepts either, but it must show all three forces.

    Worked example (helium). A helium atom may be modelled as a nucleus of charge $+2e$ with two electrons in diametrically opposite circular orbits of radius $170\ \text{pm}$. Find the resultant force 合力 on one electron, and hence its orbital speed.

    Two forces act on the electron: attraction to the nucleus, at distance $r$, and repulsion from the other electron, at distance $2r$ on the far side:

    $$F_{\text{res}} = \frac{2e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} - \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} (2r)^{2}} = \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}\left(2 - \tfrac{1}{4}\right) = 1.75 \times \frac{(8.99 \times 10^{9})(1.60 \times 10^{-19})^{2}}{(1.70 \times 10^{-10})^{2}} = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N},$$

    towards the nucleus. This resultant is the centripetal force, $F = m_{\text{e}} v^{2}/r$, so $v = \sqrt{F r/m_{\text{e}}} = \sqrt{(1.4 \times 10^{-8})(1.70 \times 10^{-10})/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. The trap is to forget the second electron, or to put it at distance $r$ rather than $2r$.

    Spheres treated as point charges

    A spherical conductor with total charge $Q$ gives, at any point outside, the same field as a point charge $Q$ at its centre (measure $r$ from the centre). Inside a hollow charged conductor the field is zero, so the conductor is an equipotential 等势面.

    ไทย

    สำหรับประจุจุดสองตัว $Q_{1}$ และ $Q_{2}$ ระยะห่าง $r$ ในอวกาศว่าง แต่ละตัวรู้สึกถึงแรงขนาด

    $$F = \frac{Q_{1} Q_{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$

    นี่คือ กฎของคูลอมบ์. ที่นี่ $\varepsilon_{0} = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ คือ ค่าสัมประสิทธิ์การยอมผ่านของอวกาศว่าง, และ $1/(4\pi\varepsilon_{0}) \approx 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$. แรงอยู่ในแนวเชื่อมประจุ: ผลัก สำหรับประจุชนิดเดียวกัน, ดูด สำหรับประจุต่างชนิด

    การกล่าวกฎเป็นคำพูด. "จงกล่าวกฎของคูลอมบ์" ต้องการประโยค ไม่ใช่สูตร: แรง (ไฟฟ้า) ระหว่างประจุจุดสองตัวแปรผันตรงกับผลคูณของประจุและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง. การแปรผันทั้งสองจำเป็น และประจุต้องเป็น ประจุจุด (หรือทรงกลมที่พิจารณาเป็นประจุจุดที่ศูนย์กลาง) ในสุญญากาศ

    ทิศทางกฎของคูลอมบ์: ประจุชนิดเดียวกันสองตัว (บวกทั้งคู่) ผลักกันออก; บวกกับลบ ดึงเข้าหากัน *ประจุชนิดเดียวกันผลักกัน; ต่างชนิดดูดกัน — แรงอยู่ในแนวเชื่อม将它们

    ตัวอย่างฝึกหัด. จงหาแรงสถิตระหว่างประจุจุด $+2.0\ \text{nC}$ และ $+3.0\ \text{nC}$ วางกัน $4.0\ \text{cm}$. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)

    $$F = \frac{Q_{1}Q_{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{(9.0 \times 10^{9})(2.0 \times 10^{-9})(3.0 \times 10^{-9})}{(0.040)^{2}} \approx 3.4 \times 10^{-5}\ \text{N (repulsive).}$$

    ตัวอย่างฝึกหัด. ในอะตอมไฮโดรเจนโปรตอนและอิเล็กตรอนสามารถพิจารณาเป็นประจุจุด $120\ \text{pm}$ แยกกัน จงหาแรงไฟฟ้าระหว่าง它们 และเปรียบเทียบกับแรงโน้มถ่วง把它们之间 ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)

    $$F_{\text{E}} = \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(1.60 \times 10^{-19})^{2}}{(1.20 \times 10^{-10})^{2}} = 1.6 \times 10^{-8}\ \text{N (attractive).}$$

    แรงโน้มถ่วง: $F_{\text{G}} = G m_{\text{p}} m_{\text{e}}/r^{2} = (6.67 \times 10^{-11})(1.67 \times 10^{-27})(9.11 \times 10^{-31})/(1.20 \times 10^{-10})^{2} = 7.0 \times 10^{-48}\ \text{N}$, น้อยกว่าประมาณ $10^{39}$ เท่า. ภายในอะตอม, แรงโน้มถ่วงไม่สำคัญ

    ตัวอย่างฝึกหัด. หยดน้ำมันสองหยดเหมือนกันในสุญญากาศมีศูนย์กลาง $3.8 \times 10^{-6}\ \text{m}$ แยกกัน แต่ละหยดมีประจุเท่ากัน และผลักกันด้วยแรง $1.0 \times 10^{-15}\ \text{N}$ จงหาประจุของแต่ละหยด และจำนวนอิเล็กตรอนเกิน它有

    $$F = \frac{Q^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} \;\Rightarrow\; Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{\frac{(1.0 \times 10^{-15})(3.8 \times 10^{-6})^{2}}{8.99 \times 10^{9}}} = 1.3 \times 10^{-18}\ \text{C},$$

    นั่นคือ $1.3 \times 10^{-18}/1.60 \times 10^{-19} \approx 8$ อิเล็กตรอน วัตถุที่มีประจุชนิดเดียวกันจะ ผลักกันเสมอ; อย่าเขียน "ดึงดูด" สำหรับทิศทาง

    ตัวอย่างฝึกหัด. ทรงกลม X ที่มีประจุยึดติดกับแท่นฉนวน ทรงกลม Y มวล $2.0\ \text{g}$ แขวนข้างมันด้วยด้ายฉนวน และ/settle ในสมดุลด้วยด้ายทำมุม $12°$ กับแนวตั้ง, ศูนย์กลาง它的 $5.0\ \text{cm}$ จากศูนย์กลาง X ในระดับแนวนอนเดียวกัน จงหาแรงไฟฟ้าต่อ Y และถ้าทรงกลมมีประจุเท่ากัน จงหาประจุแต่ละตัว

    ทรงกลม Y แขวนด้วยด้ายฉนวนใกล้ทรงกลม X ที่มีประจุยึดติดกับแท่นฉนวน, ด้ายทำมุม theta กับแนวตั้ง, พร้อมแรงสามตัว作用于 Y (แรงตึง, น้ำหนัก, แรงผลักไฟฟ้าจาก X) และสามเหลี่ยมแรงปิดข้างๆ, tan theta = F over mg
    ทรงกลมที่มีประจุแขวนใกล้ทรงกลมอื่นที่มีประจุ: สามแรงสมดุล, แรงตึงตามด้าย, น้ำหนัก และแรงผลักไฟฟ้าแนวนอน, ดังนั้น tan θ = F/mg

    สามแรงกระทำต่อ Y: น้ำหนัก $mg$ (ลง), แรงตึง $T$ (ตามด้าย) และแรงไฟฟ้า $F$ (แนวนอน, ห่างจาก X เพราะประจุชนิดเดียวกันผลัก). การแยกองค์ประกอบ, $T\cos\theta = mg$ และ $T\sin\theta = F$, ดังนั้น

    $$F = mg\tan\theta = (2.0 \times 10^{-3})(9.81)\tan 12° = 4.2 \times 10^{-3}\ \text{N}.$$

    จากนั้น $F = Q^{2}/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$ ให้ $Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{(4.2 \times 10^{-3})(0.050)^{2}/(8.99 \times 10^{9})} = 3.4 \times 10^{-8}\ \text{C}$. สามเหลี่ยมเวกเตอร์ปิดของแรงสามตัวเป็นวิธีที่ดีพอ; ข้อสอบยอมรับทั้งสอง แต่ต้องแสดงแรง สาม ตัวทั้งหมด

    ตัวอย่างฝึกหัด (ฮีเลียม). อะตอมฮีเลียมอาจจำลองเป็นนิวเคลียสประจุ $+2e$ denganสองอิเล็กตรอนในวงโคจรวงกลมตรงข้ามกันรัศมี $170\ \text{pm}$. จงหา แรงลัพธ์作用于 one electron, และดังนั้นความเร็ววงโคจร

    มีแรงสองกระทำต่ออิเล็กตรอน: แรงดึงดูด toward นิวเคลียส ที่ระยะ $r$ และแรงผลัก from อิเล็กตรอนอื่น ที่ระยะ $2r$ ฝั่งตรงข้าม:

    $$F_{\text{res}} = \frac{2e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} - \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} (2r)^{2}} = \frac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}\left(2 - \tfrac{1}{4}\right) = 1.75 \times \frac{(8.99 \times 10^{9})(1.60 \times 10^{-19})^{2}}{(1.70 \times 10^{-10})^{2}} = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N},$$

    ไปทางนิวเคลียส ผลรวมของแรงนี้คือแรงเข้าศูนย์กลาง, $F = m_{\text{e}} v^{2}/r$, ดังนั้น $v = \sqrt{F r/m_{\text{e}}} = \sqrt{(1.4 \times 10^{-8})(1.70 \times 10^{-10})/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. กับดักคือการลืมอิเล็กตรอนตัวที่สอง หรือตั้งไว้ที่ระยะ $r$ แทนที่จะเป็น $2r$.

    สpheres จัดเป็นประจุจุด

    ตัวนำทรงกลมที่มีประจุทั้งหมด $Q$ จะให้สนามไฟฟ้าที่จุดใดๆ ภายนอก เหมือนกับประจุจุด $Q$ ที่ศูนย์กลาง (วัด $r$ จากศูนย์กลาง) ภายใน ตัวนำว่างที่มีประจุ สนามไฟฟ้าจะเป็นศูนย์ ดังนั้นตัวนำจึงเป็น equipotential

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Coulomb's law · ⁨กฎของคูลอม⁩

    F ∝ Qq / r²

    Like charges repel, unlike attract — and the force follows 1/r². · ⁨ประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน, ประจุต่างชนิดจะดูดกัน — และแรงเป็นไปตาม 1/r²⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    force/fɔːs/ แรง
    electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ ความเข้มสนามไฟฟ้า
    electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
    field line/fiːld laɪn/ เส้นสนามไฟฟ้า
    equipotential/ˌiːkwɪpəˈtenʃl/ equipotential
    vector sum/ˈvektə sʌm/ ผลบวกเวกเตอร์
    18.4

    Electric field due to a point charge · ⁨สนามไฟฟ้าจากประจุจุด⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall and use $E = Q / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ for the electric field strength due to a point charge in free space
    ไทย
    1. จำและใช้ $E = Q / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ สำหรับ ความเข้มสนามไฟฟ้า เนื่องจากประจุจุดในสุญญากาศ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Coulomb's law gives the force between two charges. Divide it by the test charge ($E = F/q$) and you are left with the field of the source charge $Q$ alone. The field at distance $r$ from a point charge $Q$ is

    $$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$

    It points out from a positive $Q$, in towards a negative $Q$, and falls as $1/r^{2}$ — just like gravitational field 重力场 strength, except gravity is always attractive. For several charges, add the fields as a vector sum 矢量和.

    Worked example. The Earth may be treated as a uniform conducting sphere of radius $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ carrying a total charge of $-4.80 \times 10^{5}\ \text{C}$ spread over its surface. Find the electric field strength at the surface, and compare it with the gravitational field strength there. ($M_{\text{E}} = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$.)

    $$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} R^{2}} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(4.80 \times 10^{5})}{(6.37 \times 10^{6})^{2}} = 106\ \text{V m}^{-1},$$

    directed towards the centre (the charge is negative). Gravity: $g = GM/R^{2} = 9.83\ \text{N kg}^{-1}$, so $E/g \approx 11$; in symbols $E/g = Q/(4\pi\varepsilon_{0} G M)$, which shows that the ratio depends only on the charge-to-mass ratio of the sphere. A charged sphere of mass $m$ and charge $q$ would need $qE = mg$ to float in this field: $q/m = g/E = 0.093\ \text{C kg}^{-1}$.

    Worked example. Point charges of $+4.0\ \text{nC}$ and $+1.0\ \text{nC}$ are $30\ \text{cm}$ apart. Where on the line joining them is the resultant field zero?

    Between the charges the two fields point in opposite directions; call the distance from the $4.0\ \text{nC}$ charge $x$. Zero resultant needs equal magnitudes:

    $$\frac{4.0}{x^{2}} = \frac{1.0}{(0.30 - x)^{2}} \;\Rightarrow\; \frac{0.30 - x}{x} = \frac{1}{2} \;\Rightarrow\; x = 0.20\ \text{m},$$

    twice as far from the larger charge. For opposite charges the fields between them point the same way and never cancel: the zero lies outside, beyond the smaller charge.

    ไทย

    กฎของคูลอมบ์ให้แรงระหว่าง สอง ประจุ หารด้วยประจุทดสอบ ($E = F/q$) แล้วจะเหลือเพียงสนามของประจุแหล่ง $Q$ เพียงอย่างเดียว. สนามที่ระยะ $r$ จากประจุจุด $Q$ คือ

    $$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$

    ชี้ออกจากประจุบวก $Q$ เข้าหาประจุลบ $Q$ และลดลงตาม $1/r^{2}$ — เหมือนกับ ความเข้มสนามโน้มถ่วง除 gravity เป็นแรงดึงดูดเสมอ สำหรับหลายประจุ ให้บวกสนามไฟฟ้าในรูปของ ผลบวกเวกเตอร์

    ตัวอย่างวิธีทำ. ดินสามารถจัดเป็นทรงกลมตัวนำสม่ำเสมอรัศมี $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ ที่มีประจุทั้งหมด $-4.80 \times 10^{5}\ \text{C}$ กระจายอยู่บนพื้นผิว หาความเข้มสนามไฟฟ้าที่พื้นผิว และเปรียบเทียบกับความเข้มสนามโน้มถ่วงที่นี่ ($M_{\text{E}} = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$.)

    $$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} R^{2}} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(4.80 \times 10^{5})}{(6.37 \times 10^{6})^{2}} = 106\ \text{V m}^{-1},$$

    ชี้เข้าหา ศูนย์กลาง (เพราะประจุเป็นลบ) โน้ตถ่วง: $g = GM/R^{2} = 9.83\ \text{N kg}^{-1}$, ดังนั้น $E/g \approx 11$; ในสัญลักษณ์ $E/g = Q/(4\pi\varepsilon_{0} G M)$, ซึ่งแสดงว่าอัตราส่วนขึ้นอยู่กับอัตราส่วนประจุต่อมวลของทรงกลมเท่านั้น ทรงกลมที่มีประจุ มวล $m$ และประจุ $q$ จะต้องใช้ $qE = mg$ เพื่อลอยอยู่ในสนามนี้: $q/m = g/E = 0.093\ \text{C kg}^{-1}$.

    ตัวอย่างวิธีทำ. ประจุจุดขนาด $+4.0\ \text{nC}$ และ $+1.0\ \text{nC}$ อยู่ห่างกัน $30\ \text{cm}$ จุดใดบนเส้นที่เชื่อม将它们จะมี resultant field เป็นศูนย์?

    ระหว่างประจุทั้งสอง สนามชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม ให้เรียก ระยะจากประจุ $4.0\ \text{nC}$ ว่า $x$. การได้ resultant เป็นศูนย์ต้องการขนาดเท่ากัน:

    $$\frac{4.0}{x^{2}} = \frac{1.0}{(0.30 - x)^{2}} \;\Rightarrow\; \frac{0.30 - x}{x} = \frac{1}{2} \;\Rightarrow\; x = 0.20\ \text{m},$$

    ไกลจากประจุมากกว่าสองเท่า สำหรับ ประจุต่างชนิด สนามระหว่างพวกมันชี้ไปในทิศทางเดียวกันและไม่เคยหักล้างกัน: จุดที่เป็นศูนย์อยู่ ภายนอก, หลังประจุที่มีขนาดเล็กกว่า

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Field around a point charge · ⁨สนามรอบประจุจุด⁩

    Change the charge. Field lines point away from positive and toward negative, and crowd together where the field is strongest. · ⁨เปลี่ยนประจุ เส้นสนามชี้ ออกจากประจุบวก และเข้าสู่ประจุลบ และหนาแน่นบริเวณที่สนามแรงที่สุด⁩

    18.5

    Electric potential · ⁨potensial ไฟฟ้า⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define electric potential at a point as the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point
    2. recall and use the fact that the electric field at a point is equal to the negative of potential gradient at that point
    3. use $V = Q / (4\pi\varepsilon_0 r)$ for the electric potential in the field due to a point charge
    4. understand how the concept of electric potential leads to the electric potential energy of two point charges and use $E_P = Qq / (4\pi\varepsilon_0 r)$
    ไทย
    1. นิยาม potential ไฟฟ้า ที่จุดหนึ่งเป็นงานที่ทำต่อหน่วยประจุบวกในการนำ ประจุทดสอบ เล็กจากอนันต์มายังจุดนั้น
    2. จำและใช้ความจริงที่ว่าสนามไฟฟ้าที่จุดหนึ่งเท่ากับลบของ gradient potential ที่จุดนั้น
    3. ใช้ $V = Q / (4\pi\varepsilon_0 r)$ สำหรับ potential ไฟฟ้าในสนามเนื่องจากประจุจุด
    4. เข้าใจว่าแนวคิดของ potential ไฟฟ้านำไปสู่ energyPotential ไฟฟ้า ของสองประจุจุดและใช้ $E_P = Qq / (4\pi\varepsilon_0 r)$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Electric potential 电势 $V$ at a point is the work done per unit positive charge in bringing a small positive test charge from infinity 无穷远 to that point:

    $$V = \frac{W}{q}.$$

    Unit: $\text{V}$. The potential is zero at infinity. For a positive source charge $V > 0$ everywhere outside; for a negative source charge $V < 0$.

    The two-mark definition. Electric potential at a point is the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point. The marks are for work done per unit (positive) charge and from infinity to the point. The potential of a positive charge is positive because work must be done on a positive test charge to push it in against the repulsion; near a negative charge the field does the work, so the potential is negative. "Explain why the potential near an isolated proton is positive" is answered in exactly those words.

    Potential due to a point charge

    $$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$

    Note the $1/r$ here (compared with $1/r^{2}$ for the field). $V$ is a scalar 标量; for several charges, add the potentials (with sign).

    Worked example. Find the electric potential $4.0\ \text{cm}$ from a point charge of $+3.0\ \text{nC}$. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)

    $$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r} = \frac{(9.0 \times 10^{9})(3.0 \times 10^{-9})}{0.040} \approx 6.8 \times 10^{2}\ \text{V}.$$

    Because potential is a scalar, the potential from several charges is simply their sum (each with its own sign) — no directions to resolve.

    Two charged spheres on a line

    The exam's favourite structured question puts two charged spheres X and Y some distance apart and draws the potential $V$ along the line joining their centres (or asks you to reason from it). Everything follows from two facts: potential is a scalar that adds with sign, and the field is the negative gradient of the graph.

    • Sign of the charges. If $V$ is positive along the whole line, both charges are positive; if $V$ changes sign, the charges are opposite (positive near the positive sphere).
    • Where the field is zero. Where the curve has a minimum (gradient zero). For like charges this lies between them, closer to the smaller charge: $Q_{\text{X}}/x^{2} = Q_{\text{Y}}/(d - x)^{2}$. For opposite charges there is no such point between them: the curve crosses zero there, but its gradient is not zero, so the field is not.
    • Ratio of the charges. Where $V = 0$ between opposite charges, $Q_{\text{X}}/x = Q_{\text{Y}}/(d - x)$: the distances give the ratio directly. For like charges use the minimum instead (the square root of the field condition).
    • Force on a charge placed at P. Read the gradient at P by drawing a tangent 切线; then $E$ is minus the gradient, and $F = qE$.

    Worked example. Two isolated charged metal spheres X and Y have their centres $1.2\ \text{m}$ apart in a vacuum. The potential along the line between them is positive everywhere and has a minimum at $x = 0.50\ \text{m}$ from the centre of X. State three conclusions, and then find the force on a proton held at $x = 0.60\ \text{m}$, where the gradient of the graph is $+180\ \text{V m}^{-1}$.

    Conclusions: (1) both spheres are positively charged, because the potential is positive everywhere; (2) the electric field is zero at $x = 0.50\ \text{m}$, where the gradient is zero; (3) the charge on Y is larger, because the zero-field point lies closer to X; in fact $Q_{\text{Y}}/Q_{\text{X}} = (0.70/0.50)^{2} = 2.0$. At $x = 0.60\ \text{m}$: $E = -180\ \text{V m}^{-1}$ (pointing towards X, since $V$ rises towards Y), so $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(180) = 2.9 \times 10^{-17}\ \text{N}$ towards X. Released, the proton accelerates towards X, its acceleration increasing as the gradient steepens; it needs an external force to hold it still.

    Describing the motion. "A positively charged particle is placed at P and released. Describe and explain its motion." The examiner wants: the direction (towards lower potential, down the slope of the $V$ graph); that the force, and so the acceleration, is not constant (it follows the gradient, which changes along the line); and that the particle speeds up throughout, since the force stays in the direction of motion. If P is the zero-field point the particle stays at rest, in unstable equilibrium: a nudge either way sends it off.

    Link between field and potential

    The field equals the negative potential gradient 电势梯度:

    $$E = -\frac{dV}{dx}.$$

    Between parallel plates $V$ changes evenly with position, giving $E = V/d$ as before. The minus sign means the field points towards lower potential. For a point charge, $-\dfrac{dV}{dr} = \dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = E$.

    The one-line relationship. "State the relationship between electric field and electric potential": the field strength is equal to the negative of the potential gradient, $E = -\Delta V/\Delta x$. On a $V$–$x$ graph $E$ is minus the gradient of a tangent; on a $V$–$r$ graph for a point charge the gradient is steepest close to the charge, where the field is strongest, and the sign of $E$ is fixed by "the field points towards lower potential". The uniform-field version $E = V/d$ is the same statement with a constant gradient.

    Equipotentials. An equipotential surface joins points of equal potential; no work is done moving a charge along it, so the field is always at right angles to it. Around a point charge the equipotentials are concentric spheres, growing further apart as $V$ falls; between parallel plates they are planes parallel to the plates. The surface of a conductor is an equipotential, which is why field lines meet it at right angles.

    Electric potential energy

    A charge $q$ at a point of potential $V$ has electric potential energy 电势能 $E_{\text{P}} = qV$. For two point charges $Q$ and $q$ a distance $r$ apart:

    $$E_{\text{P}} = \frac{Qq}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$
    • like charges: $E_{\text{P}} > 0$ — stored energy that would be released if they flew apart.
    • opposite charges: $E_{\text{P}} < 0$ — a bound 束缚 system; energy must be supplied to separate them.

    In both cases $E_{\text{P}} \to 0$ as $r \to \infty$.

    Worked example. The proton and the electron in a hydrogen atom are $5.3 \times 10^{-11}\ \text{m}$ apart. Find the electric potential energy of the pair.

    $$E_{\text{P}} = \frac{Qq}{4\pi\varepsilon_{0} r} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(+1.60 \times 10^{-19})(-1.60 \times 10^{-19})}{5.3 \times 10^{-11}} = -4.3 \times 10^{-18}\ \text{J} = -27\ \text{eV}.$$

    The negative sign is part of the answer: the charges are opposite, so energy ($4.3 \times 10^{-18}\ \text{J}$) must be supplied to pull them apart to infinity. (The electron also has kinetic energy of half that size, so the energy needed to ionise 电离 the atom is $13.6\ \text{eV}$; the "worked-example pattern" below shows why.)

    Charge through a p.d. A charge $q$ moved through a potential difference $V$ changes its potential energy by $qV$, which is why an electron accelerated from rest through $250\ \text{V}$ arrives with $250\ \text{eV}$ of kinetic energy whatever the shape of the field. For an MCQ about "moving P a distance $x$ along the field lines", the work done is $qEx$, and its potential energy falls if it moves the way the force pushes it.

    Worked-example pattern

    An electron 电子 orbits a nucleus 原子核 of charge $+Ze$ at distance $r$. The Coulomb attraction provides the centripetal force 向心力:

    $$\frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{m_{e} v^{2}}{r}, \qquad v = \sqrt{\frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} m_{e} r}}.$$

    The total energy is kinetic plus potential:

    $$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m_{e} v^{2} - \frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r} = -\frac{Z e^{2}}{8\pi\varepsilon_{0} r},$$

    which is negative (a bound state).

    Gravitational versus electric

    The two field theories look alike:

    Quantity Gravitational Electric
    Source mass $M$ (always positive) charge $Q$ (can be ±)
    Field strength $g = GM/r^{2}$ $E = Q/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$
    Force on test object $F = mg$ $F = qE$
    Potential $\phi = -GM/r$ $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
    PE of two $-GMm/r$ $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
    Nature always attractive attractive or repulsive

    The minus sign in the gravitational potential 引力势 reflects that gravity is always attractive; the electric potential takes the sign of the source charge.

    Similarity and difference (a standard two-marker). Both potentials are proportional to $1/r$, both are zero at infinity, and both are scalars; but gravitational potential is always negative (the force is always attractive) whereas electric potential takes the sign of the charge and can be positive. For the fields: both obey an inverse-square law and both are drawn as radial lines around a point source, but gravitational field lines only ever point inwards (attraction), while electric field lines point outwards from a positive charge and inwards to a negative one.

    ไทย

    potensial ไฟฟ้า $V$ ที่จุดหนึ่งคือ งานที่ทำต่อหน่วยประจุบวก ในการนำประจุทดสอบบวกเล็กน้อยจาก ** vô cùng** มาที่จุดนั้น:

    $$V = \frac{W}{q}.$$

    หน่วย: $\text{V}$. PotENTIAL เป็น ศูนย์ที่ vô cùng. สำหรับประจุแหล่งบวก $V > 0$ ทุกที่ภายนอก; สำหรับประจุแหล่งลบ $V < 0$.

    นิยามคะแนนสอง. Electric potential at a point is the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point. คะแนนอยู่ที่ work done per unit (positive) charge และ from infinity to the point. PotENTIAL ของประจุบวกเป็นบวกเพราะต้อง ทำงานบน ประจุทดสอบบวกเพื่อดันเข้าไปต้านแรงผลัก; ใกล้ประจุลบ สนามทำงานแทน ดังนั้น potential จึงเป็นลบ. "Explain why the potential near an isolated proton is positive" ตอบได้ด้วยคำเหล่านี้เป๊ะๆ

    Potential จากประจุจุด

    $$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$

    สังเกต $1/r$ ที่นี่ (เมื่อเทียบกับ $1/r^{2}$ สำหรับ field). $V$ เป็น scalar; สำหรับหลายประจุ ให้บวก potentials (พร้อมเครื่องหมาย)

    ตัวอย่างวิธีทำ. หา electric potential $4.0\ \text{cm}$ จากประจุจุด $+3.0\ \text{nC}$. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)

    $$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r} = \frac{(9.0 \times 10^{9})(3.0 \times 10^{-9})}{0.040} \approx 6.8 \times 10^{2}\ \text{V}.$$

    เพราะ potential เป็น scalar, potential จากหลายประจุคือผลบวกของแต่ละตัว (แต่ละตัวมีเครื่องหมายของตัวเอง) — ไม่ต้องแยก components ทิศทาง

    Potential ตามเส้นที่เชื่อมทรงกลม X และ Y: สำหรับประจุชนิดเดียวกัน potential เป็นบวกทุกที่และมีค่าต่ำสุดที่ where gradient, และดังนั้น field, เป็นศูนย์; สำหรับประจุต่างชนิด potential ตัดผ่านศูนย์ระหว่างทรงกลม
    Potential ตามเส้นระหว่างทรงกลมสองลูก: ประจุชนิดเดียวกันให้ minimum (field ศูนย์ที่นั่น); ประจุต่างชนิดให้ zero crossing

    Two charged spheres on a line

    ข้อสอบชอบคำถามโครงสร้างที่วางทรงกลม X และ Y ห่างกันบางระยะแล้ววาดกราฟ potential $V$ ตามเส้นที่เชื่อมศูนย์กลาง (หรือถามให้คุณวิเคราะห์จากกราฟ) ทุกอย่างมาจากสองข้อเท็จจริง: potential เป็น scalar ที่บวกกันด้วยเครื่องหมาย, และ field คือ negative gradient ของกราฟ

    • เครื่องหมายของประจุ. ถ้า $V$ เป็นบวกตลอดทั้งเส้น ทั้งสองประจุเป็นบวก; ถ้า $V$ เปลี่ยนเครื่องหมาย, ประจุต่างชนิด (บวกใกล้ทรงกลมบวก)
    • ที่ where field เป็นศูนย์. ที่ where curve มี minimum (gradient ศูนย์). สำหรับประจุชนิดเดียวกัน它就 lies ระหว่าง them, ใกล้ประจุที่มีขนาดเล็กกว่า: $Q_{\text{X}}/x^{2} = Q_{\text{Y}}/(d - x)^{2}$. สำหรับประจุต่างชนิดไม่มี point แบบนั้นระหว่าง them: curve ตัดผ่านศูนย์ที่นั่น, แต่ gradient ไม่ใช่ศูนย์, ดังนั้น field ก็ไม่ใช่.
    • อัตราส่วนของประจุ. ที่ where $V = 0$ ระหว่างประจุต่างชนิด, $Q_{\text{X}}/x = Q_{\text{Y}}/(d - x)$: ระยะทางให้ ratio โดยตรง. สำหรับประจุชนิดเดียวกันใช้ minimum แทน (รากที่สองของเงื่อนไข field).
    • แรง作用于ประจุที่วางที่ P. อ่าน gradient ที่ P โดยวาด tangent; แล้ว $E$ เป็นลบของ gradient, และ $F = qE$.

    ตัวอย่างวิธีทำ. Two isolated charged metal spheres X and Y มีศูนย์กลางห่างกัน $1.2\ \text{m}$ ในสุญญากาศ. Potential ตามเส้นระหว่าง them เป็นบวกทุกที่ และมี minimum ที่ $x = 0.50\ \text{m}$ จากศูนย์กลางของ X. ระบุสามข้อสรุป, แล้วหาแรง作用于โปรตอนที่ถูกยึดไว้ที่ $x = 0.60\ \text{m}$, ที่ where gradient of the graph is $+180\ \text{V m}^{-1}$.

    สรุปผล: (1) ทั้งสองสpheres มีประจุ บวก เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าเป็นบวกทุกจุด; (2) สนามไฟฟ้ามีค่า ศูนย์ ที่ $x = 0.50\ \text{m}$ ซึ่งมีความชันเป็นศูนย์; (3) ประจุของ Y มีมากกว่า X เนื่องจากจุดที่สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์อยู่ใกล้ X มากกว่า ในความเป็นจริงคือ $Q_{\text{Y}}/Q_{\text{X}} = (0.70/0.50)^{2} = 2.0$. ที่ $x = 0.60\ \text{m}$: $E = -180\ \text{V m}^{-1}$ (ชี้เข้าหา X เนื่องจาก $V$ เพิ่มขึ้นเมื่อเข้าใกล้ Y), ดังนั้น $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(180) = 2.9 \times 10^{-17}\ \text{N}$ ชี้เข้าหา X. เมื่อปล่อยออก โปรตอนจะเร่งความเร็วเข้าหา X โดยความเร่งจะ เพิ่มขึ้น เมื่อความชันเพิ่มขึ้น; ต้องใช้แรงภายนอกมาพยุงให้มันหยุดนิ่ง

    อธิบายการเคลื่อนที่. "อนุภาคที่มีประจุบวกวางอยู่ที่ P และปล่อยให้อิสระ อธิบายและอธิบายการเคลื่อนที่ของมัน" ผู้สอบต้องการคำตอบ: ทิศทาง (ไปหาจุดที่มีศักย์ ต่ำกว่า ตามลาดชันของกราฟ $V$); ว่าแรงและความเร่ง ไม่คงที่ (ตามความชันซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเส้นตรง); และว่าอนุภาคจะ เร็วขึ้น ตลอดเวลา เนื่องจากแรงยังคงอยู่ในทิศทางการเคลื่อนที่ หาก P เป็นจุดที่สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ อนุภาคจะหยุดนิ่ง处于ในสมดุลที่ไม่เสถียร: การผลักเล็กน้อยไปทางใดทางหนึ่งจะทำให้มันเคลื่อนที่ออกไป

    กราฟ 1/r สองเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างศักย์ V กับระยะ r จากประจุจุดบนแกนเดียวกัน: แหล่งประจุบวกให้ศักย์บวกที่ลดลง menuju ศูนย์, แหล่งประจุลบให้ศักลบที่เพิ่มขึ้น趋于 ศูนย์
    ศักย์ไฟฟ้าใกล้ประจุจุดแปรผันตาม 1/r — เป็นบวกสำหรับประจุบวก และเป็นลบสำหรับประจุลบ

    ความสัมพันธ์ระหว่างสนามกับศักย์

    สนามไฟฟ้าเท่ากับ ลบของความชันของศักย์ไฟฟ้า:

    $$E = -\frac{dV}{dx}.$$

    ระหว่างแผ่นขนาน $V$ เปลี่ยนแปลงสม่ำเสมอตามตำแหน่ง ทำให้ได้ $E = V/d$ เหมือนเดิมเครื่องหมายลบหมายถึงสนามชี้ hacia ศักย์ต่ำลง. สำหรับประจุจุด, $-\dfrac{dV}{dr} = \dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = E$.

    ความสัมพันธ์แบบบรรทัดเดียว. "ระบุความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้ากับศักย์ไฟฟ้า": ความเข้มของสนามไฟฟ้าเท่ากับลบของความชันของศักย์ไฟฟ้า, $E = -\Delta V/\Delta x$. บนกราฟ $V$–$x$ $E$ คือลบของ ความชัน ของเส้นสัมผัส; บนกราฟ $V$–$r$ สำหรับประจุจุด ความชันจะชันที่สุดใกล้ประจุ ซึ่งเป็นจุดที่สนามไฟฟ้าแรงที่สุด, และเครื่องหมายของ $E$ ถูกกำหนดโดย "สนามชี้ hacia ศักย์ต่ำลง". รูปแบบสนามสม่ำเสมอ $E = V/d$ ก็เป็นการบอกสิ่งเดียวกันด้วยความชันคงที่

    ** equipotentials (equipotential surfaces).** ** equipotential surface** เชื่อมต่อจุดที่มีศักย์เท่ากัน; ไม่มีการทำงานเมื่อเคลื่อนประจุตาม equipotential ดังนั้นสนามจึงตั้งฉากกับ equipotential เสมอ รอบๆ ประจุจุด equipotentials เป็นทรงกลมซ้อนกัน expanding far apart as $V$ falls; ระหว่างแผ่นขนาน它们是平行于 plates igh.พื้นผิวของตัวนำเป็น equipotential, นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมเส้นสนามจึงตัดพื้นผิวนั้นด้วยมุมฉาก

    กราฟสองเส้นเทียบกับระยะสำหรับสนามสม่ำเสมอ: a) ศักย์ลดลงอย่างต่อเนื่องจาก +V เป็นศูนย์ ด้วยความชัน −V/d, b) ความเข้มสนามคงที่ที่ V/d
    ในสนามสม่ำเสมอ ศักย์ลดลงอย่างต่อเนื่องตามระยะทาง ดังนั้นความเข้มของสนาม $V/d$ จึงคงที่

    พลังงานศักย์ไฟฟ้า

    ประจุ $q$ ที่จุดที่มีศักย์ $V$ จะมี พลังงานศักย์ไฟฟ้า $E_{\text{P}} = qV$. สำหรับประจุจุดสองตัว $Q$ และ $q$ ที่ห่างกัน $r$:

    $$E_{\text{P}} = \frac{Qq}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$
    • ประจุชนิดเดียวกัน: $E_{\text{P}} > 0$ — พลังงานที่เก็บไว้ซึ่งจะถูกปลดปล่อยหากพวกมันบินออกจากกัน
    • ประจุต่างชนิด: $E_{\text{P}} < 0$ — ระบบที่ถูก ยึดเกาะ; ต้องมีพลังงานเข้ามาเพื่อแยกพวกมันออก

    ในทั้งสองกรณี $E_{\text{P}} \to 0$ เมื่อ $r \to \infty$

    ตัวอย่างคำนวณ. โปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนอยู่ห่างกัน $5.3 \times 10^{-11}\ \text{m}$. หาพลังงานศักย์ไฟฟ้าของคู่นี้

    $$E_{\text{P}} = \frac{Qq}{4\pi\varepsilon_{0} r} = \frac{(8.99 \times 10^{9})(+1.60 \times 10^{-19})(-1.60 \times 10^{-19})}{5.3 \times 10^{-11}} = -4.3 \times 10^{-18}\ \text{J} = -27\ \text{eV}.$$

    เครื่องหมาย ลบ เป็นส่วนหนึ่งของคำตอบ: ประจุเป็นต่างชนิดกัน ดังนั้นพลังงาน ($4.3 \times 10^{-18}\ \text{J}$) ต้องถูก จ่ายเข้ามา เพื่อดึงพวกมันออกจากกันไปยังอนันต์. (อิเล็กตรอนยังมีพลังงานจลน์ครึ่งหนึ่งของค่านี้นั้น ดังนั้นพลังงานที่ต้องใช้เพื่อ ไอออไนซ์ อะตอมคือ $13.6\ \text{eV}$; "รูปแบบตัวอย่างคำนวณ" ด้านล่างแสดงให้เห็นเหตุผล)

    ประจุผ่าน p.d. ประจุ $q$ เคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ $V$ จะเปลี่ยนพลังงานศักย์由其 $qV$, นั่นคือเหตุผลว่าทำไมอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจากสถานะหยุดนิ่งผ่าน $250\ \text{V}$ จะมาถึงพร้อมกับ $250\ \text{eV}$ ของพลังงานจลน regardless of the field shape. สำหรับ MCQ เกี่ยวกับ "การเคลื่อนย้าย P ระยะ $x$ ตามเส้นสนาม", งานที่ทำคือ $qEx$, และพลังงานศักย์ของ它会 ลดลง ถ้ามันเคลื่อนที่ไปในทิศที่แรงดัน

    พลังงานศักย์ไฟฟ้าเทียบกับระยะห่าง: ประจุชนิดเดียวกันให้กราฟบวกที่ลดลงเข้าใกล้ศูนย์ (ปล่อยพลังงานหากแยกออกจากกัน); ประจุต่างชนิดให้กราฟลบที่เพิ่มขึ้นเข้าใกล้ศูนย์ — บ่อผูกมัดที่ต้องใช้พลังงานเพื่อแยกออกจากกัน
    PE ไฟฟ้าของประจุสองตัว: เป็นบวกสำหรับประจุชนิดเดียวกัน, เป็นบ่อลบสำหรับประจุต่างชนิด

    รูปแบบตัวอย่างคำนวณ

    อิเล็กตรอน โคจรรอบ นิวเคลียส ที่มีประจุ $+Ze$ ที่ระยะ $r$. แรงดึงดูดของคูลอมบ์ให้ แรงสู่ศูนย์กลาง:

    $$\frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = \frac{m_{e} v^{2}}{r}, \qquad v = \sqrt{\frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} m_{e} r}}.$$

    พลังงานรวมคือพลังงานจลนบวกศักย์:

    $$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m_{e} v^{2} - \frac{Z e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0} r} = -\frac{Z e^{2}}{8\pi\varepsilon_{0} r},$$

    ซึ่งเป็นลบ (สถานะถูกยึดเกาะ)

    เปรียบเทียบแรงโน้มถ่วงกับไฟฟ้า

    ทฤษฎีสนามทั้งสองดูคล้ายกัน:

    ปริมาณ แรงโน้มถ่วง ไฟฟ้า
    แหล่งกำเนิด มวล $M$ (เป็นบวกเสมอ) ประจุ $Q$ (อาจเป็น ±)
    ความเข้มสนาม $g = GM/r^{2}$ $E = Q/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$
    แรงบนวัตถุทดสอบ $F = mg$ $F = qE$
    ศักย์ $\phi = -GM/r$ $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
    PE ของสอง物体 $-GMm/r$ $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
    的性质 ดึงดูดเสมอ ดึงดูดหรือผลัก

    เครื่องหมายลบใน ศักย์ไฟฟ้า บ่งชี้ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูดเสมอ; ส่วนศักย์ไฟฟ้าจะมีเครื่องหมายตามประจุของแหล่งกำเนิด

    ความคล้ายคลึงและความแตกต่าง (ข้อสอบมาตรฐาน 2 คะแนน) ทั้งสองศักย์แปรผันตรงกับ $1/r$, ทั้งสองมีค่าเป็นศูนย์ที่อนันต์ และทั้งสองเป็นสเกลาร์; แต่ศักย์โน้มถ่วงจะเป็น ลบเสมอ (เนื่องจากแรงเป็นแรงดึงดูดเสมอ) ในขณะที่ศักย์ไฟฟ้าจะมี เครื่องหมายตามประจุ และสามารถเป็นบวกได้ สำหรับสนาม: ทั้งสองปฏิบัติตามกฎกำลังสองผกผันและ BOTH แสดงด้วยเส้นรัศมีรอบจุดกำเนิด แต่เส้นสนามโน้มถ่วงจะชี้เข้าหาจุดกำเนิดเท่านั้น (การดึงดูด) ในขณะที่เส้นสนามไฟฟ้าจะชี้ออกจากประจุบวกและชี้เข้าหาประจุลบ

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Electric potential · ⁨ศักย์ไฟฟ้า⁩

    V = kQ / r

    Potential ∝ 1/r around a charge — steep near it, flattening out. · ⁨ศักย์ ∝ 1/r รอบประจุ — ค่อนข้างชันใกล้ๆ, แล้วแบนราบ⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    infinity/ɪnˈfɪnɪti/ อนันต์
    conductor/kənˈdʌktə/ ตัวนำ
    point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ ประจุจุด
    dipole/ˈdaɪpəʊl/ ไดโพล
    uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ สนามสม่ำเสมอ
    isolated/ˈaɪsəleɪtɪd/ ถูกตัดขาด
    potential gradient/pəˈtenʃl ˈɡreɪdɪənt/ ความชันของศักย์
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ ต่างศักย์
    gravitational field/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld/ สนามโน้มถ่วง
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    parabolic/ˌpærəˈbɒlɪk/ พาราโบลา
    electric potential/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl/ ศักย์ไฟฟ้า
    scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
    tangent/ˈtændʒənt/ เส้นสัมผัส
    negative potential gradient/ˈneɡətɪv pəˈtenʃl ˈɡreɪdɪənt/ gradienit ความต่างศักย์เชิงลบ
    electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์ไฟฟ้า
    bound/baʊnd/ ถูกยึดติด
    ionise/ˈaɪənaɪz/ ไอออนไนซ์
    gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ ศักย์พลังงานแรงโน้มถ่วง
    18.5

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    electric field a region in which a charge experiences an (electric) force
    electric field strength the force per unit positive charge acting on a small (test) charge placed at the point
    electric field line a line whose direction shows the direction of the force on a positive charge; the spacing of the lines shows the field strength
    Coulomb's law the force between two point charges is directly proportional to the product of the charges and inversely proportional to the square of their separation
    electric potential the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point
    field and potential the electric field strength is equal to the negative of the potential gradient: $E = -\Delta V/\Delta x$
    electric potential energy (of two charges) the work done in bringing the charges from infinity to their separation; $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
    equipotential a surface (or line) on which every point has the same potential; the field is at right angles to it
    uniform field a field with the same strength and direction at every point, shown by parallel, evenly spaced field lines
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    สนามไฟฟ้า พื้นที่ซึ่งประจุใดประจุหนึ่งได้รับแรง (ไฟฟ้า)
    ความเข้มสนามไฟฟ้า แรงต่อหน่วยประจุบวกที่กระทำต่อบนประจุทดสอบขนาดเล็กที่วางไว้ ณ จุดนั้น
    เส้นสนามไฟฟ้า เส้นที่มีทิศทางแสดงทิศทางของแรงที่กระทำต่อประจุบวก; ระยะห่างระหว่างเส้นแสดงถึงความเข้มของสนาม
    กฎของคูลอมบ์ แรงระหว่างประจุจุดสองประจุแปรผันตรงกับผลคูณของประจุและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างกัน
    ศักย์ไฟฟ้า งานที่ทำต่อหน่วยประจุบวกในการนำประจุทดสอบขนาดเล็กจากอนันต์มายังจุดนั้น
    สนามและศักย์ ความเข้มสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับค่าลบของเกรเดียนต์ศักย์: $E = -\Delta V/\Delta x$
    พลังงานศักย์ไฟฟ้า (ของประจุสองประจุ) งานที่ทำในการนำประจุจากอนันต์มาไว้ที่ระยะห่างนั้น; $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
    department equipotential พื้นผิว (หรือเส้น) ที่ทุกจุดมีศักย์เท่ากัน; สนามตั้งฉากกับพื้นผิวนั้น
    สนามสม่ำเสมอ สนามที่มีความเข้มและทิศทางเท่ากันทุกจุด แสดงด้วยเส้นสนามขนานกันและเว้นระยะเท่าๆ กัน
    18.5

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Four formulae, two with $r^{2}$ and two with $r$: $F = Q_1 Q_2 / 4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ and $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ (inverse square), $V = Q/4\pi\varepsilon_0 r$ and $E_{\text{P}} = Qq/4\pi\varepsilon_0 r$. Decide which one before you write.
    • Distinguish a uniform field ($E = V/d$, between plates) from a radial field ($E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$, outside a point charge or a sphere); $r$ for a sphere is measured from the centre, not the surface.
    • The field points from high to low potential and $E$ is minus the potential gradient: draw a tangent on a $V$–$x$ graph to find it.
    • Field is a vector (add components, subtract opposing ones); potential is a scalar (add with sign). Between like charges there is a zero-field point; between opposite charges a zero-potential point.
    • A charged particle in a uniform field: $F = qE$, $a = qE/m$, $E_{\text{k}} = qV$; along the field it is the vertical half of projectile motion, and motion at right angles to the field is unaffected.
    • The data sheet gives both $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ and $1/(4\pi\varepsilon_0) = 8.99 \times 10^{9}\ \text{m F}^{-1}$; either works, do not mix them up.

    Common mistakes

    • Defining field strength as "the force on a charge" or "force per unit mass". It is the force per unit positive charge on a small positive charge.
    • Forgetting to square $r$ in Coulomb's law and in the field, or squaring it in the potential ($V \propto 1/r$).
    • Using the diameter, or the distance from the surface of a sphere, instead of the centre-to-centre distance.
    • Sketching $E$ for a sphere from the origin. It is zero inside and starts at $E_0$ on the surface; $V$ is constant inside, not zero.
    • Field lines without arrows, crossing, or unevenly spaced in a uniform field; lines not at right angles to a conductor.
    • Dropping the negative sign on the potential energy of opposite charges, or taking the direction of $E$ from the sign of $V$ instead of from its gradient.
    • Forgetting the second electron in the helium atom, or placing it at distance $r$ rather than $2r$.
    • Using $E = V/d$ for a point charge, or $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ between plates.
    • Giving an electron weight, or using the proton's mass for an electron; in electrons-between-plates questions the weight is negligible.
    • Leaving out the weight in an "oil drop held stationary" question, or getting the polarity of the top plate backwards.
    ไทย
    • สมการสี่สมการ, สองสมการใช้ $r^{2}$ และสองสมการใช้ $r$: $F = Q_1 Q_2 / 4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ และ $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ (กำลังสองผกผัน), $V = Q/4\pi\varepsilon_0 r$ และ $E_{\text{P}} = Qq/4\pi\varepsilon_0 r$. ตัดสินใจก่อนเขียนคำตอบ
    • แยกแยะระหว่าง สนามสม่ำเสมอ ($E = V/d$, ระหว่างแผ่น) กับ สนามรัศมี ($E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$, ข้างนอกประจุจุดหรือทรงกลม); การวัด $r$ สำหรับทรงกลมจะวัดจาก ศูนย์กลาง ไม่ใช่จากพื้นผิว
    • ทิศทางของสนามชี้จากศักย์สูงไปต่ำ และ $E$ คือค่าลบของเกรเดียนต์ศักย์: วาดเส้นสัมผัสบนกราฟ $V$–$x$ เพื่อหาค่าได้
    • สนามเป็นเวกเตอร์ (บวกองค์ประกอบ, ลบส่วนที่ตรงข้าม); ศักย์เป็นสเกลาร์ (บวกโดยพิจารณาเครื่องหมาย) ระหว่างประจุชนิดเดียวกันจะมีจุดที่สนามเป็นศูนย์; ระหว่างประจุต่างชนิดจะมีจุดที่ศักย์เป็นศูนย์
    • อนุภาคที่มีประจุในสนามสม่ำเสมอ: $F = qE$, $a = qE/m$, $E_{\text{k}} = qV$; ตามแนวสนามจะเป็นครึ่งหนึ่งของ运动和กระสุน (projectile motion) ในแนวตั้ง และการเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสนามจะไม่ถูกกระทบ
    • ใบข้อมูลให้ทั้ง $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ และ $1/(4\pi\varepsilon_0) = 8.99 \times 10^{9}\ \text{m F}^{-1}$; ใช้ตัวใดก็ได้ อย่าสับสน将它们

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การนิยามความเข้มสนามว่าเป็น "แรงที่กระทำต่อประจุ" หรือ "แรงต่อหน่วยมวล". มันคือแรงต่อหน่วย ประจุบวก ที่กระทำต่อบนประจุบวกขนาดเล็ก
    • ลืมยก $r$ เป็นกำลังสองในกฎของคูลอมบ์และในสนาม, หรือการยกกำลังสองมันในศักย์ ($V \propto 1/r$).
    • การใช้เส้นผ่านศูนย์กลาง, หรือระยะจาก พื้นผิว ของทรงกลม, แทนที่จะเป็นระยะจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลาง
    • วาดกราฟ $E$ สำหรับทรงกลมจากจุดเริ่มต้น. มีค่าเป็นศูนย์ภายในและเริ่มที่ $E_0$ บนพื้นผิว; $V$ มีค่าคงที่ภายใน, ไม่เป็นศูนย์
    • เส้นสนามไม่มีลูกศร, ตัดกัน, หรือเว้นระยะไม่เท่ากันในสนามสม่ำเสมอ; เส้นไม่ตั้งฉากกับตัวนำ
    • การทิ้งเครื่องหมายลบบนพลังงานศักย์ของประจุต่างชนิด, หรือการกำหนดทิศทางของ $E$ จากเครื่องหมายของ $V$ แทนที่จะมาจากเกรเดียนต์ของมัน
    • ลืมอิเล็กตรอนตัวที่สองในอะตอมฮีเลียม, หรือวางมันที่ระยะ $r$ แทนที่จะเป็น $2r$.
    • การใช้ $E = V/d$ สำหรับประจุจุด, หรือ $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ ระหว่างแผ่น
    • การให้น้ำหนักกับอิเล็กตรอน, หรือการใช้มวลของโปรตอนสำหรับอิเล็กตรอน; ในโจทย์เรื่องอิเล็กตรอนระหว่างแผ่น น้ำหนักมีค่าน้อยมากจนละเลยได้
    • การทิ้งน้ำหนักในโจทย์ "หยดน้ำมันลอยนิ่งอยู่", หรือการกำหนดขั้วของแผ่นด้านบนผิด方向
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    projectile/prəˈdʒektaɪl/ วัตถุถูกยิง
    cathode-ray tube/ˈkæθəʊd reɪ tjuːb/ หลอดรังสีแคโทด
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ จุดดุลยภาพ
  • 19

    Capacitance · ⁨ความจุ⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    19.1

    Capacitance

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define capacitance, as applied to both isolated spherical conductors and to parallel plate capacitors
    2. recall and use $C = Q/V$
    3. derive, using $C = Q/V$, formulae for the combined capacitance of capacitors in series and in parallel
    4. use the capacitance formulae for capacitors in series and in parallel
    ไทย
    1. นิยาม ความจุไฟฟ้า (capacitance) สำหรับตัวนำทรงกลมที่แยกตัวและสำหรับ ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนาน (parallel plate capacitors)
    2. จำและใช้ $C = Q/V$
    3. หาสมการของ ความจุไฟฟ้ารวม ของตัวเก็บประจุที่ต่อแบบ อนุกรม (series) และแบบ ขนาน (parallel) โดยใช้ $C = Q/V$
    4. ใช้สมการความจุไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุที่ต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Electrolytic capacitors on a circuit board
    Capacitors store electric charge in a circuit.

    A capacitor 电容器 stores charge. The simplest one is two parallel conductor 导体 plates with an insulator 绝缘体 (a dielectric 电介质, or just vacuum 真空 / air) between them. Connected to a battery, charge $+Q$ builds up on one plate and $-Q$ on the other, with a potential difference 电势差 $V$ across the gap.

    A parallel-plate capacitor: a plate with charge +Q and a plate with charge -Q separated by an insulating dielectric, connected to a battery that gives a potential difference V across the gap
    A parallel-plate capacitor: equal and opposite charges on two plates with a p.d. $V$ across the gap

    How the plates become charged. Connect the plates to a battery and electrons flow, through the battery, from the plate joined to the positive terminal 接线端 to the plate joined to the negative terminal. One plate is left with charge $+Q$ and the other gains $-Q$: the charges are always equal and opposite, so the capacitor as a whole stays neutral. The flow stops when the p.d. between the plates equals the e.m.f. of the battery. Nothing crosses the gap; the insulator is what keeps the charge separated.

    The capacitance 电容 $C$ of any capacitor (or any isolated conductor) is

    $$C = \frac{Q}{V}.$$

    This applies to:

    • an isolated sphere holding charge $Q$ at potential $V$ (zero at infinity). For radius $r$, $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0}r)$, so $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$.
    • a parallel-plate capacitor: charges $\pm Q$ on the plates, p.d. $V$ between them.

    Unit: farad 法拉 (F) $= \text{C V}^{-1}$. A farad is huge, so real capacitors run from $\text{pF}$ to $\text{mF}$.

    Capacitance is constant for a given capacitor (set by its size and dielectric). Doubling the charge doubles the voltage, so $C = Q/V$ stays the same.

    The two-mark definitions. For a parallel-plate capacitor: the charge on one plate per unit potential difference between the plates. For an isolated sphere (or any isolated conductor): the charge on the conductor per unit potential. The examiner looks for "charge per unit p.d." (or "per unit potential") and, for the plates, that the charge is the charge on one plate and the p.d. is that between the plates. "The charge stored" is accepted; "the total charge on both plates" is not, because that total is zero.

    What sets the capacitance. For parallel plates the capacitance is proportional to the plate area and inversely proportional to the separation $x$ ($C \propto 1/x$: halve the gap and the capacitance doubles), and it rises when a dielectric replaces the air. A question that states "$C$ is inversely proportional to $x$" and then moves the plates apart at constant charge is asking for $V = Q/C \propto x$: the p.d. rises in proportion. At constant p.d. (still connected to the supply) it is the charge that falls instead.

    Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor is charged to $12\ \text{V}$. Find the charge stored.

    $$Q = CV = (100 \times 10^{-6})(12) = 1.2 \times 10^{-3}\ \text{C}\ (= 1.2\ \text{mC}).$$

    Worked example. An isolated metal sphere of radius $15\ \text{cm}$ is charged to a potential of $9.0 \times 10^{3}\ \text{V}$. Find its capacitance and its charge. It is then discharged to earth through a $120\ \text{M}\Omega$ resistor: find the time constant of the discharge.

    $$C = 4\pi\varepsilon_{0} r = \frac{0.15}{8.99 \times 10^{9}} = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{F} = 17\ \text{pF}, \qquad Q = CV = (1.67 \times 10^{-11})(9.0 \times 10^{3}) = 1.5 \times 10^{-7}\ \text{C}.$$

    The time constant is $RC = (1.2 \times 10^{8})(1.67 \times 10^{-11}) = 2.0 \times 10^{-3}\ \text{s}$: even through an enormous resistance the sphere loses its charge in milliseconds, because its capacitance is so small. Notice that $4\pi\varepsilon_{0} = 1/(8.99 \times 10^{9})$, so $C = r/(8.99 \times 10^{9})$ with $r$ in metres.

    Several real capacitors of very different sizes: four large metal electrolytic cans standing upright, and a row of much smaller film and ceramic capacitors below, with a ruler for scale
    Real capacitors range from large electrolytic cans (high capacitance) down to tiny film and ceramic types -- from pF up to mF

    Combining capacitors

    Capacitors in parallel share the same p.d. $V$. The total charge is the sum:

    $$Q_{\text{total}} = C_{1} V + C_{2} V + \ldots, \qquad\text{so}\qquad C_{\text{parallel}} = C_{1} + C_{2} + \ldots$$

    A parallel combination has larger capacitance than any one capacitor.

    Two capacitors C1 and C2 connected side by side across the same potential difference V, with charges q1 and q2 adding to Q, equivalent to a single capacitor C
    Capacitors in parallel share the same p.d.; the charges add

    Capacitors in series carry the same charge $Q$. The total p.d. is the sum:

    $$V_{\text{total}} = \frac{Q}{C_{1}} + \frac{Q}{C_{2}} + \ldots, \qquad\text{so}\qquad \frac{1}{C_{\text{series}}} = \frac{1}{C_{1}} + \frac{1}{C_{2}} + \ldots$$

    A series combination has smaller capacitance than any one capacitor.

    Two capacitors C1 and C2 connected in a line carrying the same charge Q, with p.d.s V1 and V2 adding to V, equivalent to a single capacitor C
    Capacitors in series carry the same charge; the p.d.s add

    Note: these rules are the opposite of those for resistors (resistors sum in series; capacitors sum in parallel), because $C = Q/V$ has $V$ on the bottom while $R = V/I$ has $I$ on the bottom.

    Deriving the two rules

    "Derive an expression for the combined capacitance" is a show that question, and the mark scheme wants the physics stated, not just the algebra.

    • Series. The capacitors carry the same charge $Q$: the plate joined to the positive terminal loses electrons to the far plate of the next capacitor, so every plate in the chain holds $\pm Q$. The p.d.s add: $V = V_{1} + V_{2}$. With $V_{1} = Q/C_{1}$ and $V_{2} = Q/C_{2}$, and the combination defined by $V = Q/C$, dividing through by $Q$ gives $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$.
    • Parallel. The capacitors have the same p.d. $V$, because each is connected directly across the supply. The charges add: $Q = Q_{1} + Q_{2} = C_{1}V + C_{2}V$, and $Q = CV$ for the combination, so $C = C_{1} + C_{2}$.

    Two capacitors in series always give less than the smaller one; two equal capacitors $C$ give $C/2$ in series and $2C$ in parallel.

    Reducing a network of three capacitors: two capacitors in parallel are first replaced by one capacitor equal to their sum, which is then in series with the third, giving the reciprocal rule; the final single capacitor is shown
    A network is reduced one step at a time: combine the parallel pair first, then the series pair

    Worked example. A $6.0\ \mu\text{F}$ capacitor is in series with a parallel pair of $2.0\ \mu\text{F}$ and $4.0\ \mu\text{F}$. Find the total capacitance, and the charge on each capacitor when $12\ \text{V}$ is applied across the network.

    Parallel pair: $2.0 + 4.0 = 6.0\ \mu\text{F}$. In series with $6.0\ \mu\text{F}$: $1/C = 1/6.0 + 1/6.0$, so $C = 3.0\ \mu\text{F}$. Total charge $Q = CV = (3.0 \times 10^{-6})(12) = 3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$: this is the charge on the $6.0\ \mu\text{F}$ capacitor (series, same charge), and it is shared by the parallel pair in the ratio of their capacitances (same p.d., $6.0\ \text{V}$ across each): the $2.0\ \mu\text{F}$ holds $1.2 \times 10^{-5}\ \text{C}$ and the $4.0\ \mu\text{F}$ holds $2.4 \times 10^{-5}\ \text{C}$. Check: they add to $3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$.

    Worked example. Capacitors X and Y, each of capacitance $C$, are connected in series across a supply of voltage $V$; capacitors P and Q, each $C$, are connected in parallel across an identical supply. Compare the charge drawn from each supply and the energy stored in each arrangement.

    Series: $C_{\text{s}} = C/2$, charge $Q_{\text{s}} = CV/2$, energy $\tfrac{1}{2} C_{\text{s}} V^{2} = CV^{2}/4$. Parallel: $C_{\text{p}} = 2C$, charge $2CV$, energy $CV^{2}$. The parallel arrangement draws four times the charge and stores four times the energy, because at the same supply voltage the energy is $\tfrac{1}{2} C V^{2}$ and the capacitance is four times larger. Asked which arrangement stores more energy from a given supply, the answer is always parallel.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Capacitance · ⁨ความจุ⁩

    Q = C·V

    Charge stored is proportional to voltage — the gradient is the capacitance C. · ⁨ประจุที่เก็บได้ แปรผันตรงกับ แรงดัน — ความชันคือความจุ C⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ ตัวเก็บประจุ
    conductor/kənˈdʌktə/ ตัวนำ
    insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ ฉนวน
    dielectric/ˌdaɪɪˈlektrɪk/ ไดอิเล็กทริก
    vacuum/ˈvækjuːm/ สุญญากาศ
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ ต่างศักย์
    terminal/ˈtɜːmɪnl/ terminal
    capacitance/kəˈpæsɪtəns/ ความจุไฟฟ้า
    farad/ˈfæræd/ ฟาราด
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    19.2

    Energy stored in a capacitor

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. determine the electric potential energy stored in a capacitor from the area under the potential–charge graph
    2. recall and use $W = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}CV^2$
    ไทย
    1. หาค่า พลังงานศักย์ไฟฟ้า ที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุจากพื้นที่ใต้ กราฟศักย์–ประจุ (potential–charge graph)
    2. จำและใช้ $W = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}CV^2$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Charging a capacitor from $0$ to $Q$ needs work, because each extra bit of charge is pushed against the p.d. already there. When the charge is $q$, the p.d. is $V(q) = q/C$, so adding a small charge $dq$ needs work $V\,dq$. The total work is

    $$W = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C}\, dq = \frac{Q^{2}}{2 C}.$$

    Using $V = Q/C$, this is the energy 能量 stored:

    $$W = \tfrac{1}{2} Q V = \tfrac{1}{2} C V^{2} = \frac{Q^{2}}{2C}.$$

    Worked example. Find the energy stored in a $100\ \mu\text{F}$ capacitor charged to $12\ \text{V}$.

    $$W = \tfrac{1}{2}CV^{2} = \tfrac{1}{2}(100 \times 10^{-6})(12)^{2} = 7.2 \times 10^{-3}\ \text{J}\ (= 7.2\ \text{mJ}).$$

    Worked example. The graph of charge $Q$ against p.d. $V$ for a capacitor is a straight line through the origin passing through $(10\ \text{V},\ 1.2 \times 10^{-3}\ \text{C})$. Find the capacitance and the energy stored at $10\ \text{V}$, and then the extra energy stored when the p.d. is raised to $12\ \text{V}$.

    The gradient of $Q$ against $V$ is $C = 1.2 \times 10^{-3}/10 = 1.2 \times 10^{-4}\ \text{F} = 120\ \mu\text{F}$. Energy is the area under the line: $\tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-3})(10) = 6.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$. At $12\ \text{V}$: $\tfrac{1}{2}CV^{2} = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-4})(12)^{2} = 8.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$, so the extra energy is $2.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Do not find the extra energy from the extra charge as $\tfrac{1}{2}(\Delta Q)V$: energy is not proportional to charge, so subtract the two areas.

    Reading the $Q$–$V$ graph

    A plot of $V$ against $Q$ is a straight line through the origin with gradient $1/C$. The energy stored is the area under the line up to a given charge $Q$, which is the triangle $\tfrac{1}{2} Q V$. The factor $\tfrac{1}{2}$ is there because the average p.d. during charging is $V/2$ (it grows from zero to $V$), not $V$.

    A graph of potential difference against charge: a straight line through the origin, with the triangle beneath it up to charge Q0 shaded as the stored energy half Q0 V0
    The energy stored is the area under the potential–charge line (the triangle $\tfrac{1}{2}QV$)

    Why charging is "half efficient"

    Connect a capacitor $C$ to an ideal battery of e.m.f. $V$ through a wire. The capacitor stores $\tfrac{1}{2} C V^{2}$, but the battery supplies charge $Q = CV$ at e.m.f. $V$, giving out $QV = CV^{2}$. The other half is lost as heat in the wire — whatever the wire's resistance.

    Sharing charge between capacitors

    Charge sharing: a capacitor C charged to V is connected across an uncharged capacitor 3C; afterwards both have the same p.d. V over 4, the charge Q is shared 1 to 3, and three quarters of the stored energy has gone
    Connecting a charged capacitor to an uncharged one: charge is conserved, the p.d. equalises, and energy is lost

    A fully charged capacitor X (capacitance $C$, p.d. $V$, charge $Q = CV$) is disconnected from its supply and connected across an uncharged capacitor Y of capacitance $3C$. Charge flows until the two p.d.s are equal. Two principles settle everything:

    1. Charge is conserved. The total charge is still $Q$, now spread over a parallel pair of total capacitance $4C$, so the common p.d. is $V' = Q/(4C) = V/4$. X keeps $Q/4$ and Y takes $3Q/4$ (charge in the ratio of the capacitances, since the p.d. is the same).
    2. Energy is not conserved. Before: $\tfrac{1}{2} C V^{2}$. After: $\tfrac{1}{2}(4C)(V/4)^{2} = \tfrac{1}{8} C V^{2}$. Three-quarters of the energy has gone: it is dissipated 耗散 as heat in the connecting wires (and as a spark or electromagnetic radiation) while the charge moves, however small the resistance.

    Worked example. A $220\ \mu\text{F}$ capacitor charged to $9.0\ \text{V}$ is connected across an uncharged $440\ \mu\text{F}$ capacitor. Find the final p.d. and the energy lost.

    $Q = CV = (220 \times 10^{-6})(9.0) = 1.98 \times 10^{-3}\ \text{C}$; total capacitance $660\ \mu\text{F}$, so $V' = 1.98 \times 10^{-3}/(660 \times 10^{-6}) = 3.0\ \text{V}$. Energy before: $\tfrac{1}{2}(220 \times 10^{-6})(9.0)^{2} = 8.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$; after: $\tfrac{1}{2}(660 \times 10^{-6})(3.0)^{2} = 3.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$; lost: $5.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$, two-thirds of the original. A capacitor connected to another of capacitance $kC$ always loses the fraction $k/(k+1)$.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Energy in a capacitor · ⁨พลังงานในตัวเก็บประจุ⁩

    E = ½C·V²

    Stored energy grows with the square of the voltage. · ⁨พลังงานที่เก็บได้เพิ่มขึ้นตาม กำลังสอง ของแรงดัน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    dissipated/ˈdɪsɪpeɪtɪd/ สูญเสียพลังงาน
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    19.3

    Capacitor discharging through a resistor

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. analyse graphs of the variation with time of potential difference, charge and current for a capacitor discharging through a resistor
    2. recall and use $\tau = RC$ for the time constant for a capacitor discharging through a resistor
    3. use equations of the form $x = x_0 e^{-(t/RC)}$ where $x$ could represent current, charge or potential difference for a capacitor discharging through a resistor
    ไทย
    1. วิเคราะห์กราฟการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของแรงดันไฟฟ้า ประจุ และกระแสไฟฟ้า对于一个ตัวเก็บประจุที่ปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน
    2. จำและใช้ $\tau = RC$ สำหรับ ค่าคงที่เวลา (time constant) ของตัวเก็บประจุที่ปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน
    3. ใช้สมการรูปแบบ $x = x_0 e^{-(t/RC)}$ โดยที่ $x$ สามารถแทนค่าด้วย กระแสไฟฟ้า ประจุ หรือแรงดันไฟฟ้า对于一个ตัวเก็บประจุที่ปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    A capacitor $C$ charged to $V_{0}$ is connected through a switch to a resistor 电阻器 of resistance 电阻 $R$. When the switch closes at $t = 0$, the capacitor discharges.

    A circuit with a supply of e.m.f. V0, a two-way switch with positions A and B, a capacitor in the middle branch and a resistor in series with an ammeter; position A charges the capacitor and position B discharges it through the resistor
    A capacitor charges through switch A, then discharges through the resistor via switch B

    Setting up the equation

    By Kirchhoff's second law 基尔霍夫第二定律 around the loop, $V_{C} = V_{R}$. Using $V_{C} = Q/C$, $V_{R} = IR$ and $I = -dQ/dt$:

    $$\frac{Q}{C} = -R \frac{dQ}{dt}.$$

    This is solved by an exponential decay 指数衰减 with time constant $RC$.

    Discharge equations

    Charge $Q$, p.d. $V$ and current $I$ all decay exponentially with the same time constant:

    $$Q = Q_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad V = V_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad I = I_{0} e^{-t / (RC)},$$

    with $I_{0} = V_{0}/R$.

    A graph of current against time during discharge: an exponential decay from the initial current I0 = V0/R, with the area under the curve shaded to show that it equals the charge Q0 that flows, and the time constant RC marked where the current has fallen to 0.37 of its initial value
    The discharge current starts at $V_0/R$ and decays with the same time constant; the area under the curve is the charge that has flowed

    Reading the three graphs. All three curves have the same shape and the same time constant, so one measurement of $\tau$ from any of them gives $RC$. The current is largest the instant the switch closes, $I_{0} = V_{0}/R$, because the full p.d. $V_{0}$ is then across the resistor; it falls as the p.d. falls. The area under the $I$–$t$ graph is the charge that has flowed, so the total area is $Q_{0} = CV_{0}$, and the charge that flows in the first time constant is $Q_{0}(1 - e^{-1}) = 0.63\,Q_{0}$. The gradient of the $Q$–$t$ graph is $-I$: steepest at the start, flattening as the current dies away. (During charging through a resistor the current has the same decaying shape, while $V$ and $Q$ rise as $V_{0}(1 - e^{-t/RC})$, the mirror image of the discharge curve.)

    A graph of charge against time during discharge: an exponential decay curve starting at Q0 and falling to Q0/e at time equal to RC
    Charge decays exponentially during discharge, falling to $Q_0/e$ after one time constant $RC$

    Time constant

    $$\tau = RC$$

    is the time constant 时间常数 (in seconds: $\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$). It is the time for a decaying quantity to fall to $1/e \approx 0.37$ (about 37%) of its starting value. After $2\tau$ it is at about 13.5%; after $5\tau$, below 1%.

    Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor charged to $12\ \text{V}$ is discharged through a $47\ \text{k}\Omega$ resistor. Find the time constant and the voltage after one time constant.

    $$\tau = RC = (47 \times 10^{3})(100 \times 10^{-6}) = 4.7\ \text{s}.$$

    After one time constant the voltage falls to $1/e$ of its start: $V = 12 \times 0.37 \approx 4.4\ \text{V}$.

    Worked example. A $470\ \mu\text{F}$ capacitor is charged to $24\ \text{V}$ and then discharged through a $5.6\ \text{k}\Omega$ resistor. Find (a) the initial charge and energy, (b) the time constant and the initial current, (c) the p.d. after $4.0\ \text{s}$, (d) the time for the p.d. to fall to $6.0\ \text{V}$.

    (a) $Q_{0} = CV_{0} = (470 \times 10^{-6})(24) = 1.1 \times 10^{-2}\ \text{C}$; $W = \tfrac{1}{2}CV_{0}^{2} = \tfrac{1}{2}(470 \times 10^{-6})(24)^{2} = 0.135\ \text{J}$. (b) $\tau = RC = (5.6 \times 10^{3})(470 \times 10^{-6}) = 2.6\ \text{s}$; $I_{0} = V_{0}/R = 24/5600 = 4.3\ \text{mA}$. (c) $V = V_{0} e^{-t/RC} = 24\, e^{-4.0/2.63} = 24 \times 0.219 = 5.3\ \text{V}$. (d) Rearrange with logarithms: $t = -RC \ln(V/V_{0}) = -2.63 \ln(6.0/24) = 2.63 \times 1.386 = 3.6\ \text{s}$.

    Keep the time constant unrounded ($2.632\ \text{s}$) inside the calculation and round only the answers. The rearrangement in (d) is the one most often asked and most often botched: $\ln(V/V_{0})$ is negative, so $t$ comes out positive.

    Worked example. From a discharge graph, the p.d. across a $2200\ \mu\text{F}$ capacitor falls from $6.0\ \text{V}$ to $2.2\ \text{V}$ in $4.5\ \text{s}$. Find the resistance of the resistor.

    $2.2/6.0 = 0.367 \approx 1/e$, so $4.5\ \text{s}$ is one time constant: $R = \tau/C = 4.5/(2200 \times 10^{-6}) = 2.0 \times 10^{3}\ \Omega$. If the fall is not to $1/e$, use $RC = -t/\ln(V/V_{0})$; the answer is the same either way.

    To find $\tau$ from a curve: read the time to fall to $1/e$ of the start. Or take logs: $\ln(V/V_{0}) = -t/(RC)$, so a plot of $\ln V$ against $t$ is a straight line with gradient $-1/(RC)$.

    A graph of natural-log of voltage against time during discharge: the data lie on a straight line of gradient minus one over RC, used to find the time constant
    A graph of $\ln V$ against time is a straight line of gradient $-1/(RC)$

    Using the logarithmic graph. In an experiment, plot $\ln V$ (or $\ln I$) on the $y$-axis against $t$. The points should lie on a straight line: its gradient is $-1/(RC)$, so $RC = -1/\text{gradient}$, and its intercept 截距 on the $\ln V$ axis is $\ln V_{0}$. A straight line is the test that the decay really is exponential; a curve means it is not. Take the gradient from two points far apart on the best-fit line, not from two data points, and quote $RC$ in seconds.

    Reading graphs during discharge

    • $Q$ against $V_{C}$: since $Q = C V$ always, this is a straight line through the origin with gradient $C$. Discharge moves the point from $(V_{0}, Q_{0})$ down to $(0,0)$.
    • $I$ against $V_{C}$: since $I = V_{C}/R$, this is a straight line through the origin with gradient $1/R$, so you can find $R$.

    Common exam questions

    Given a discharge curve $V(t)$ or $Q(t)$:

    • read the start value $V_{0}$ or $Q_{0}$ at $t = 0$.
    • read the time to fall to $V_{0}/e$ → time constant $\tau = RC$.
    • given $R$, find $C = \tau / R$ (or the other way round).
    • predict a later value with the exponential formula.

    A capacitor as a smoothing component

    A rectified alternating voltage shown as a row of positive half-sine humps, with a smoothing capacitor's output drawn over it: the output follows each hump up to its peak, then decays slowly as the capacitor discharges through the load until the next hump catches it again; the small up-and-down of the output is labelled ripple
    A capacitor across the load of a rectifier charges at each peak and discharges through the load in between, turning the humps into a nearly steady output with a small ripple

    A rectifier 整流器 (Topic 21) turns an alternating voltage into a series of positive humps. A capacitor connected across the load smooths them. Near each peak 峰值 the diodes conduct and the capacitor charges to the peak voltage; as the supply voltage falls away the diodes stop conducting and the capacitor discharges through the load resistor, holding the output up until the next hump rises above it and recharges the capacitor. The output therefore falls only a little between peaks; the rise and fall that remains is the ripple 纹波.

    How much it falls depends on the time constant of the discharge, $RC$, compared with the time between peaks. A larger capacitance, or a larger load resistance (a smaller load current), gives a larger $RC$, a slower decay and a smaller ripple; a heavily loaded supply (small $R$) has a larger ripple. Asked to sketch the smoothed output, draw it touching each peak, decaying slightly between them, and never falling to zero.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Charge / discharge curve · ⁨กราฟการชาร์จ/ปล่อยประจุ⁩

    The voltage rises (or decays) exponentially with time constant τ = RC. · ⁨แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น (หรือลดลง) แบบเอ็กซ์โพเนนเชียลตามเวลาด้วยเวลาคงตัว τ = RC⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Discharging a capacitor · ⁨การปล่อยประจุของตัวเก็บประจุ⁩

    Q = Q₀·bᵗ

    Charge decays exponentially through the resistor. · ⁨ประจุ ลดลง แบบเอ็กซ์โพเนนเชียลผ่านตัวต้านทาน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    resistor/rɪˈzɪstə/ ตัวต้านทาน
    resistance/rɪˈzɪstəns/ ความต้านทาน
    Kirchhoff's second law/ˈkɜːkhɒfs ˈsekənd lɔː/ กฎข้อที่สองของเคิร์ชฮอฟฟ์
    exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ การลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล
    time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่เวลา
    intercept/ˌɪntəˈsept/ จุดตัดแกน
    rectifier/ˈrektɪfaɪə/ เครื่องปรับกระแส
    peak/piːk/ ยอดสูง
    ripple/ˈrɪpl/ คลื่น涟漪 (email: ripple)
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    19.3

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    capacitance (parallel-plate capacitor) the charge on one plate per unit potential difference between the plates
    capacitance (isolated conductor) the charge on the conductor per unit potential
    farad one coulomb per volt
    capacitors in series the same charge on each; the p.d.s add; $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$
    capacitors in parallel the same p.d. across each; the charges add; $C = C_{1} + C_{2}$
    energy stored the work done in charging the capacitor, equal to the area under the potential–charge graph; $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2}$
    time constant the product $RC$; the time for the charge (or p.d., or current) to fall to $1/e$ of its initial value
    19.3

    Exam tips

    • $C = Q/V$ defines capacitance; for an isolated sphere $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$. Energy stored $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2} = Q^{2}/2C$: pick the form that uses what you know, and remember that energy is not proportional to charge.
    • Combine capacitors the opposite way to resistors (parallel add, series reciprocal), and reduce a network one step at a time.
    • Charge sharing: charge is conserved, energy is not. Find the common p.d. from the total charge and the total capacitance first, then the energies.
    • Discharge: $x = x_{0} e^{-t/RC}$ for $Q$, $V$ and $I$ alike; $t = -RC \ln(x/x_{0})$; $\tau = RC$ is in seconds ($\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$) and is the time to fall to $37\%$, not to zero.
    • Graphs: the initial current is $V_{0}/R$; the area under $I$–$t$ is charge; the gradient of $Q$–$t$ is $-I$; $\ln V$ against $t$ is a straight line of gradient $-1/(RC)$ and intercept $\ln V_{0}$.
    • Convert $\mu\text{F}$ and $\text{k}\Omega$ before multiplying: $\text{k}\Omega \times \mu\text{F}$ gives milliseconds, not seconds.

    Common mistakes

    • Defining capacitance as "the charge stored" or "the charge on both plates". It is the charge on one plate per unit p.d. between the plates.
    • Adding capacitors in series as if they were resistors, or forgetting to invert the reciprocal sum at the end.
    • After charge sharing, using the supply voltage in $\tfrac{1}{2}CV^{2}$ instead of the new common p.d., or claiming the energy is conserved.
    • Drawing the discharge current starting from zero. It starts at its largest value, $V_{0}/R$.
    • Treating $\tau$ as the time to discharge completely; after $5\tau$ about $1\%$ remains.
    • Dropping the minus sign in $t = -RC \ln(V/V_{0})$ and reporting a negative time.
    • Finding the extra energy on raising the p.d. from the extra charge alone: subtract two areas (or two $\tfrac{1}{2}CV^{2}$ values).
    • Sketching a smoothed output that falls to zero between peaks, or saying a larger load resistance gives a larger ripple.
  • 20

    Magnetic fields · ⁨สนามแม่เหล็ก⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    20.1

    The magnetic field · ⁨สนามแม่เหล็ก⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a magnetic field is an example of a field of force produced either by moving charges or by permanent magnets
    2. represent a magnetic field by field lines
    ไทย
    1. เข้าใจว่า สนามแม่เหล็ก (magnetic field) เป็นตัวอย่างของ สนามแรง (field of force) ที่เกิดจากประจุที่เคลื่อนที่หรือจาก แม่เหล็กถาวร (permanent magnets)
    2. แสดงสนามแม่เหล็กด้วย เส้นสนาม (field lines)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A magnetic field 磁场 is a region where a moving charge (or a current 电流) feels a force 力. It is made by:

    • moving charges (usually a current in a wire), or
    • permanent magnets 永磁体 (where it comes from tiny atomic currents).

    "State what is meant by a magnetic field." A region in which a force acts on a moving charge, a current-carrying conductor or a magnetic material. The mark scheme wants the word force and one of those three objects; "a region around a magnet" on its own scores nothing.

    Field lines

    • field lines 场线 point from N to S outside a magnet, and S to N inside (so they form closed loops).
    • lines never cross; closer lines mean a stronger field.

    Patterns to know:

    • bar magnet 条形磁铁 — curved lines from N to S outside, strongest near the poles.
    • long straight wire — circles around the wire; the direction comes from the right-hand grip rule 右手定则 (thumb along the current, fingers curl the way the field points).
    • flat circular coil — the field through the centre is at right angles to the coil; the coil acts like a small bar magnet.
    • long solenoid 螺线管 — the field inside is nearly uniform along the axis, like a stretched bar magnet; outside it falls off fast.

    Drawing the wire's field. "Draw four field lines" around a straight wire is marked on three things: the lines are concentric circles centred on the wire; their spacing increases with distance (the field weakens with distance from the wire); and every line carries an arrow in the direction given by the right-hand grip rule (current into the page: clockwise; current out of the page: anticlockwise). Draw them as circles, not free-hand ovals.

    For a flat circular coil the loops around the two sides of the coil reinforce through the centre, so the field there is at right angles to the plane of the coil and strongest at the centre; seen from one face the coil is a north pole (the field leaves it), from the other a south pole. A long solenoid is many such coils in a row: the field inside is uniform and parallel to the axis, and the lines emerge from one end (its N end) and return outside to the other.

    An iron core 铁芯 inside a solenoid greatly increases the field, because the iron's atomic magnets line up and add to it. This is why electromagnets 电磁铁 and transformers 变压器 have iron cores.

    The syllabus calls this a ferrous 含铁的 core: iron, steel or another magnetic material. Asked why a core increases the field, say that the core becomes magnetised 被磁化 by the solenoid's field and that its own field adds to the field of the current.

    ไทย
    ตะขอมือเหล็กรอบแม่เหล็กแท่ง
    ตะขอมือเหล็กแสดงเส้นสนามรอบแม่เหล็กแท่ง.

    สนามแม่เหล็กคือบริเวณที่ประจุเคลื่อนที่ (หรือ กระแส) ได้รับความ แรง.它是由以下产生的:

    • ประจุเคลื่อนที่ (มักจะเป็นกระแสในสายไฟ), หรือ
    • แม่เหล็กถาวร (ซึ่งเกิดจากกระแสอะตอมขนาดเล็ก).

    "บอกความหมายของสนามแม่เหล็ก." บริเวณที่แรงกระทำต่อประจุเคลื่อนที่, ตัวนำที่มีกระแสไหลผ่าน, หรือวัสดุแม่เหล็ก. แผนคำตอบต้องการคำว่า force และหนึ่งในสามสิ่งนั้น; "บริเวณรอบแม่เหล็ก" เพียงอย่างเดียวไม่ได้คะแนน.

    เส้นสนาม

    • เส้นสนาม ชี้จาก N ไป S ข้างนอกแม่เหล็ก, และ S ไป N ข้างใน (ดังนั้นมันสร้างวงปิด).
    • เส้นnever ตัดกัน; เส้นที่ใกล้กันหมายถึงสนามที่แรงขึ้น
    เส้นสนามแม่เหล็กโค้งวิ่งจากขั้ว N ไปขั้ว S ข้างนอกแม่เหล็กแท่ง, หนาแน่นใกล้ขั้ว
    สนามของแม่เหล็กแท่ง: เส้นวิ่งจาก N ไป S, เข้มข้นใกล้ขั้ว
    ตะขอมือเหล็กจำนวนนับร้อยหว่านบนกระดาษรอบแม่เหล็กแท่ง เรียงตัวเป็นเส้นโค้งเชื่อมขั้ว N และ S
    ตะขอมือเหล็กรอบแม่เหล็กแท่งเรียงตามสนาม แสดงรูปร่างจริง

    รูปแบบที่ต้องรู้:

    • แม่เหล็กแท่ง — เส้นโค้งจาก N ไป S ข้างนอก, เข้มข้นใกล้ขั้ว.
    • สายตรงยาว — วงกลมรอบสาย; ทิศทางมาจาก กฎกำปั้นมือขวา (นิ้วโป้งชี้ตามกระแส, นิ้ว成指งอตามทิศทางสนาม).
    • คอยล์วงกลมแบน — สนามผ่านศูนย์กลางตั้งฉากกับคอยล์; คอยล์ทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กแท่งขนาดเล็ก.
    • โซเลนอยด์ยาว — สนามภายในเกือบ สม่ำเสมอ ตามแกนนอน, เหมือนแม่เหล็กแท่งที่ถูกดึงออก; ข้างนอกจะลดลงอย่างรวดเร็ว.
    เส้นสนามแม่เหล็กวงกลมรัศมีเดียวกันรอบสายไฟตรงที่มีกระแสไหล, โดยกระแสพุ่งเข้าหน้ากระดาษ
    สนามรอบสายตรงยาว
    เส้นสนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์: สม่ำเสมอและขนานกันภายใน, กระจายออกที่ปลายเหมือนแม่เหล็กแท่ง, มีระบุขั้ว N และ S
    สนามของโซเลนอยด์

    วาดสนามของสายไฟ. "วาดเส้นสนามสี่เส้น" รอบสายตรงให้คะแนนที่สามประเด็น: เส้นเป็น วงกลมรัศมีเดียวกัน ศูนย์กลางอยู่ที่สาย; ระยะห่างระหว่างเส้น เพิ่มขึ้น ตามระยะ (สนามอ่อนลงตามระยะ); และทุกเส้นต้องมี ลูกศร ชี้ทิศทางตามกฎกำปั้นมือขวา (กระแส เข้า หน้ากระดาษ: ทวนเข็ม; กระแส ออก จากหน้ากระดาษ:顺时针). วาดเป็นวงกลม, ไม่ใช่วงรีวาดมือ.

    คอยล์วงกลมแบนมองจากด้านข้าง: กระแสพุ่งออกจากหน้ากระดาษด้านหนึ่ง (จุด) และพุ่งเข้าหน้ากระดาษอีกด้าน (กากบาท); เส้นสนามวนรอบแต่ละสาย, ทั้งหมดพุ่งขึ้นผ่านศูนย์กลางคอยล์ไปในทิศทางเดียวกัน, ดังนั้นคอยล์ทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กแท่งสั้น
    คอยล์วงกลมแบนมองจากด้านข้าง: สนามวนรอบแต่ละด้านของคอยล์และพุ่งผ่านศูนย์กลางตั้งฉากกับระนาบคอยล์

    สำหรับ คอยล์วงกลมแบน วงวนรอบสองด้านของคอยล์เสริมกันผ่านศูนย์กลาง, ดังนั้นสนาม那儿ตั้งฉากกับระนาบคอยล์และเข้มที่สุดที่ศูนย์กลาง; มองจากด้านหนึ่งคอยล์จะเป็นขั้วเหนือ (สนามออกมาจากมัน), จากอีกด้านเป็นขั้วใต้. โซเลนอยด์ยาวคือคอยล์หลายอันเรียงกัน: สนามภายในสม่ำเสมอและขนานกับแกนนอน, และเส้นสนามพุ่งออกจากปลายหนึ่ง (ขั้ว N ของมัน) กลับเข้ามาภายนอกที่อีกปลาย.

    แกนเหล็กภายในคอยล์โซเลนอยด์ช่วย เพิ่ม สนามแม่เหล็กอย่างมาก เนื่องจากแม่เหล็กอะตอมของเหล็กเรียงตัวและเสริมสนามนี้เข้าด้วยกัน นี่คือเหตุผลที่ แม่เหล็กไฟฟ้า และ หม้อแปลง มีแกนเหล็ก

    หลักสูตรเรียนเรียกมันว่าแกน ERENCEOUS: เหล็ก เหล็กกล้า หรือวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กอื่น ๆ หากถามว่าทำไมแกนจึงเพิ่มสนามได้ ให้ตอบว่าแกนนั้นถูก ทำให้เป็นแม่เหล็ก โดยสนามของโซเลนอยด์ และสนามของตัวเองของมันจะรวมกับสนามจากกระแสไฟ

    เครื่องสแกน MRI: แม่เหล็กทรงวงแหวนสีขาวขนาดใหญ่พร้อมโต๊ะผู้ป่วยที่เลื่อนเข้าไปในช่องกลวง
    เครื่องสแกน MRI สร้างขึ้นรอบๆ สนามแม่เหล็กที่เข้มมากและสม่ำเสมอมาก — คือคอยล์โซเลนอยด์ขนาดเท่าห้อง
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Magnetic field lab · ⁨ห้องปฏิบัติการสนามแม่เหล็ก⁩

    Move between magnetic arrangements and see how field patterns change. · ⁨เปลี่ยนการจัดวางของสนามแม่เหล็กเพื่อดูว่ารูปแบบสนามเปลี่ยนแปลงอย่างไร⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Current field rule lab · ⁨การทดลองกฎสนามกระแส⁩

    Connect current direction to the circular magnetic field around a wire. · ⁨เชื่อมต่ทิศทางกระแสกับสนามแม่เหล็กวงกลมรอบสายไฟ⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ สนามแม่เหล็ก
    bar magnet/bɑː ˈmæɡnɪt/ แม่เหล็กแท่ง
    field line/fiːld laɪn/ เส้นสนามไฟฟ้า
    force/fɔːs/ แรง
    permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ แม่เหล็กถาวร
    right-hand grip rule/raɪt hænd ɡrɪp ruːl/ กฎกำปั้นมือขวา
    coil/kɔɪl/ คอยล์
    long solenoid/lɒŋ ˈsəʊlənɔɪd/ โซเลนอยด์ยาว
    solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ โซเลนอยด์
    iron core/ˈaɪən kɔː/ แกนเหล็ก
    20.2

    Force on a current-carrying conductor · ⁨แรง作用于การนำกระแสไฟฟ้า⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a force might act on a current-carrying conductor placed in a magnetic field
    2. recall and use the equation $F = BIL \sin \theta$, with directions as interpreted by Fleming's left-hand rule
    3. define magnetic flux density as the force acting per unit current per unit length on a wire placed at right-angles to the magnetic field
    ไทย
    1. เข้าใจว่าอาจมีแรงกระทำต่อ สายนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (current-carrying conductor) เมื่อวางอยู่ใน สนามแม่เหล็ก (magnetic field)
    2. จำและใช้สมการ $F = BIL \sin \theta$ พร้อมทิศทางตามที่กำหนดโดย กฎมือซ้ายของเฟมมิ่ง (Fleming's left-hand rule)
    3. นิยาม ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density) sebagaiแรงที่กระทำต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยความยาวบนลวดที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A current $I$ in a wire of length $L$ in a magnetic field of flux density $B$ feels a force

    $$F = B I L \sin\theta,$$

    where $\theta$ is the angle between the wire and the field. The force is largest when the wire is at right angles to the field ($F = BIL$) and zero when the wire is along the field.

    Worked example. A wire of length $0.20\ \text{m}$ carries a current of $3.0\ \text{A}$ at right angles to a magnetic field of flux density $0.50\ \text{T}$. Find the force on it.

    $$F = BIL = 0.50 \times 3.0 \times 0.20 = 0.30\ \text{N}.$$

    Two conditions for a force. A copper wire in a magnetic field feels a force only if (1) it carries a current, and (2) the current is not parallel to the field (some part of the wire is at right angles to $B$). A wire with no current, or one lying along the field lines, feels nothing: $\sin\theta = 0$.

    Worked example (the current balance). A horizontal wire of length $5.0\ \text{cm}$ lies at right angles to the field between the poles of a magnet standing on a top-pan balance. With no current the balance reads $102.30\ \text{g}$; with a current of $2.5\ \text{A}$ it reads $102.86\ \text{g}$. Find the flux density.

    By Newton's third law the force on the wire is matched by an equal and opposite force on the magnet, so the balance reading changes by the magnetic force: $F = \Delta m\, g = (0.56 \times 10^{-3})(9.81) = 5.5 \times 10^{-3}\ \text{N}$. Then $B = F/(IL) = 5.5 \times 10^{-3}/(2.5 \times 0.050) = 4.4 \times 10^{-2}\ \text{T}$ ($44\ \text{mT}$). The reading rose, so the force on the magnet is downwards and the force on the wire is upwards; reversing the current would make the reading fall by the same amount.

    Worked example (forces on a coil). A rectangular coil PQRS with sides PS and QR of length $8.0\ \text{cm}$ carries a current of $1.2\ \text{A}$ in a horizontal field of $0.30\ \text{T}$, with the plane of the coil parallel to the field. Describe the forces on the coil.

    Sides PS and QR are at right angles to the field, so each feels $F = BIL = 0.30 \times 1.2 \times 0.080 = 2.9 \times 10^{-2}\ \text{N}$; the currents in them run in opposite directions, so by Fleming's rule the forces are equal and opposite, one up and one down. Sides PQ and SR are parallel to the field and feel no force. The two forces form a couple 力偶 that turns the coil about its axis; as the coil turns the forces stay the same size but their perpendicular separation shrinks, so the turning effect falls to zero when the plane of the coil is at right angles to the field. This is the principle of the electric motor and of the moving-coil meter.

    Magnetic flux density

    This equation also defines the magnetic flux density 磁通密度 $B$:

    $$B = \frac{F}{IL} \quad\text{(wire at right angles to the field).}$$

    So $B$ is the force per unit current per unit length on a wire at right angles to the field. Unit: tesla 特斯拉, $\text{T} = \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.

    The two-mark definitions. Magnetic flux density is the force per unit current per unit length acting on a (straight) conductor placed at right angles to the field. Both "per unit current" and "per unit length" are needed, and so is "at right angles" (or "perpendicular"): without it the definition is false, because the force also depends on the angle. The tesla is the flux density that produces a force of one newton on one metre of conductor carrying a current of one ampere at right angles to the field: $1\ \text{T} = 1\ \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.

    Direction — Fleming's left-hand rule

    Use the left hand (Fleming's left-hand rule 弗莱明左手定则): first finger = Field, second finger = Current, thumb = force (thrust). Hold the three at right angles.

    ไทย

    กระแส $I$ ในสายยาว $L$ ที่อยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ $B$ จะได้รับแรง

    $$F = B I L \sin\theta,$$

    โดยที่ $\theta$ คือมุมระหว่างสายและสนาม แรงจะมีค่ามากที่สุดเมื่อสายตั้งฉากกับสนาม ($F = BIL$) และเป็นศูนย์เมื่อสายขนานกับสนาม

    ตัวอย่างวิธีทำ. สายยาว $0.20\ \text{m}$ พกพากระแส $3.0\ \text{A}$ ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ $0.50\ \text{T}$ จงหาแรงกระทำต่อสายนั้น

    $$F = BIL = 0.50 \times 3.0 \times 0.20 = 0.30\ \text{N}.$$

    เงื่อนไขสองประการสำหรับแรง. สายทองแดงในสนามแม่เหล็กจะได้รับแรงก็ต่อเมื่อ (1) มันมี กระแส ไหลผ่าน, และ (2) กระแสนั้น ไม่ขนาน กับสนาม (ส่วนหนึ่งของสายต้องตั้งฉากกับ $B$). สายที่ไม่มีกระแส หรือสายที่วางตามเส้นสนาม จะไม่ได้รับแรงเลย: $\sin\theta = 0$.

    ตัวอย่างวิธีทำ (เครื่องชั่งกระแส). สายแนวนอนยาว $5.0\ \text{cm}$ วางตั้งฉากกับสนามระหว่างขั้วแม่เหล็กที่วางอยู่บนเครื่องชั่งแบบถาดด้านบน เมื่อไม่มีกระแส เครื่องชั่งอ่านค่าได้ $102.30\ \text{g}$; เมื่อมีกระแส $2.5\ \text{A}$ อ่านค่าได้ $102.86\ \text{g}$. จงหาความหนาแน่นฟลักซ์

    ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงกระทำต่อสายจะถูกทดแทนด้วยแรงที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกระทำต่อแม่เหล็ก ดังนั้นค่าที่อ่านได้จากเครื่องชั่งจึงเปลี่ยนแปลงไปเท่ากับแรงแม่เหล็ก: $F = \Delta m\, g = (0.56 \times 10^{-3})(9.81) = 5.5 \times 10^{-3}\ \text{N}$. จากนั้น $B = F/(IL) = 5.5 \times 10^{-3}/(2.5 \times 0.050) = 4.4 \times 10^{-2}\ \text{T}$ ($44\ \text{mT}$). ค่าที่อ่านได้ เพิ่มขึ้น, แสดงว่าแรงกระทำต่อแม่เหล็กมีทิศทางลง และแรงกระทำต่อสายมีทิศทางขึ้น; การกลับทิศทางกระแสจะทำให้ค่าที่อ่านได้ลดลงในปริมาณเท่ากัน

    มุมมองด้านท้ายของคอยล์สี่เหลี่ยมผืนผ้าสามรูปแบบในสนามแนวนอน: เมื่อระนาบคอยล์ขนานกับสนาม ข้างทั้งสองแนวตั้งจะได้รับแรงแนวตั้งที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งสร้างคู่แรงที่ทำให้คอยล์หมุน; เมื่อคอยล์เอียง แรงจะไม่เปลี่ยนแต่ระยะห่างระหว่างแรงจะเล็กลง; เมื่อระนาบคอยล์ตั้งฉากกับสนาม แรงจะอยู่ในแนวเดียวกันและไม่เกิดผลหมุน *คอยล์สี่เหลี่ยมผืนผ้าในสนามสม่ำเสมอ มองจากด้านท้าย: แรงกระทำต่อสองข้างที่ตัดสนามจะสร้างคู่แรง whose ผลการหมุนจะมีค่ามากที่สุดเมื่อระนาบคอยล์ขนานกับสนาม และเป็นศูนย์เมื่อตั้งฉาก

    ตัวอย่างวิธีทำ (แรง作用于คอยล์). คอยล์สี่เหลี่ยมผืนผ้า PQRS ที่มีด้าน PS และ QR ยาว $8.0\ \text{cm}$ พกพากระแส $1.2\ \text{A}$ ในสนามแนวนอน $0.30\ \text{T}$ โดยมีระนาบคอยล์ขนานกับสนาม อธิบายแรงกระทำต่อคอยล์

    ด้าน PS และ QR ตั้งฉากกับสนาม ดังนั้นแต่ละด้านจะได้รับแรง $F = BIL = 0.30 \times 1.2 \times 0.080 = 2.9 \times 10^{-2}\ \text{N}$; กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นตามกฎของเฟลมिंग แรงจึง มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้าม, ด้านหนึ่งขึ้นและอีกด้านหนึ่งลง ด้าน PQ และ SR ขนาน กับสนามและไม่ได้รับแรง คู่แรงทั้งสองนี้สร้าง คู่แรง ที่หมุนคอยล์รอบแกนของมัน; เมื่อคอยล์หมุน แรงจะมีขนาดเท่าเดิมแต่ระยะแยกตั้งฉากจะหดตัวลง ทำให้ผลการหมุนลดลงจนเป็นศูนย์เมื่อระนาบคอยล์ตั้งฉากกับสนาม นี่คือหลักการของมอเตอร์ไฟฟ้าและมิเตอร์แบบคอยล์เคลื่อนที่

    ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก

    สมการนี้ยัง นิยาม ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก $B$:

    $$B = \frac{F}{IL} \quad\text{(สายตั้งฉากกับสนาม).}$$

    ดังนั้น $B$ จึงเป็นแรงต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยยาวบนสายที่ตั้งฉากกับสนาม หน่วยวัด: เทสล่า, $\text{T} = \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.

    นิยามคะแนนสอง. ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กคือแรงต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยยาวกระทำต่อตัวนำ (ตรง) ที่วางตั้งฉากกับสนาม. คำว่า "ต่อหน่วยกระแส" และ "ต่อหน่วยยาว" จำเป็นต้องมี และคำว่า "ตั้งฉาก" (หรือ "ตั้งฉาก") ก็จำเป็นเช่นกัน: หากขาดคำนี้ นิยามจะผิด เพราะแรงยังขึ้นอยู่กับมุมด้วย เทสล่าคือความหนาแน่นฟลักซ์ที่สร้างแรงหนึ่งนิวตันต่อหนึ่งเมตรของตัวนำที่พกพากระแสหนึ่งแอมแปร์ในทิศทางตั้งฉากกับสนาม: $1\ \text{T} = 1\ \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.

    ทิศทาง — กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง

    ใช้ มือซ้าย (กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง): นิ้วชี้ = Field (สนาม), นิ้วกลาง = Current (กระแส), นิ้วโป้ง = force (แรง/แรงผลัก). จับทั้งสามให้ตั้งฉากกัน

    ลูกศรสามเส้นตั้งฉากต่อกันจากจุดเดียว: นิ้วโป้งคือแรงหรือการเคลื่อนที่, นิ้วชี้คือสนาม, นิ้วกลางคือกระแส
    กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง: นิ้วโป้ง = แรง, นิ้วชี้ = สนาม, นิ้วกลาง = กระแส
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Feel the force on the wire · ⁨รู้สึกถึงแรงที่กระทำต่อสายไฟ⁩

    A current in a magnetic field feels a force F = BIL at right angles to both — reverse the current or flip the magnet and the force jumps the other way. · ⁨กระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กจะ experiencing แรง F = BIL ตั้งฉากกับทั้งสอง — กลับทิศทางกระแสหรือพลิกแม่เหล็ก แรงจะเปลี่ยนทิศทางทันที⁩

    20.3

    Force on a moving charge · ⁨แรง作用于ประจุที่เคลื่อนที่⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. determine the direction of the force on a charge moving in a magnetic field
    2. recall and use $F = BQv \sin \theta$
    3. understand the origin of the Hall voltage and derive and use the expression $V_{\text{H}} = BI / (ntq)$, where $t = \text{thickness}$
    4. understand the use of a Hall probe to measure magnetic flux density
    5. describe the motion of a charged particle moving in a uniform magnetic field perpendicular to the direction of motion of the particle
    6. explain how electric and magnetic fields can be used in velocity selection
    ไทย
    1. กำหนดทิศทางของแรง作用于ประจุที่เคลื่อนที่ใน สนามแม่เหล็ก (magnetic field)
    2. จำและใช้ $F = BQv \sin \theta$
    3. เข้าใจต้นกำเนิดของ แรงดันฮอลล์ (Hall voltage) และหาและใช้สมการ $V_{\text{H}} = BI / (ntq)$ โดยที่ $t = \text{thickness}$
    4. เข้าใจการใช้ โพรบฮอลล์ (Hall probe) ในการวัด ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density)
    5. อธิบายการเคลื่อนที่ของ อนุภาคที่มีประจุ (charged particle) ที่เคลื่อนที่ใน สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ (uniform magnetic field) ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค
    6. อธิบายการใช้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในการเลือกความเร็ว (velocity selection)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    A charge $Q$ moving at velocity 速度 $v$ through a field feels

    $$F = B Q v \sin\theta,$$

    with $\theta$ the angle between $v$ and $B$. Same left-hand rule (the second finger is the motion of a positive charge — reverse it for a negative charge). The force is largest when $v$ is at right angles to $B$, and zero when $v$ is along $B$.

    Two situations with no force. A charged particle in a magnetic field feels no force when it is stationary (no $v$) or when it moves parallel or antiparallel to the field ($\sin\theta = 0$). Contrast the electric field, which pushes a stationary charge just as hard: that difference is the whole point of the velocity selector below.

    Circular motion in a uniform field

    A charge moving at right angles to a uniform field 匀强场 feels a force at right angles to both $v$ and $B$. This force does no work (always at right angles to the motion), so the kinetic energy 动能 and speed stay constant — the particle moves in a circle. Set the magnetic force equal to the centripetal force 向心力:

    $$B Q v = \frac{m v^{2}}{r}, \qquad r = \frac{m v}{B Q}.$$

    Worked example. A proton (mass $1.7 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, charge $1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$) moves at $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ at right angles to a $0.50\ \text{T}$ field. Find the radius of its circular path.

    $$r = \frac{mv}{BQ} = \frac{(1.7 \times 10^{-27})(2.0 \times 10^{6})}{(0.50)(1.6 \times 10^{-19})} \approx 0.043\ \text{m}.$$

    So the radius depends on the momentum 动量 $mv$. The period is

    $$T = \frac{2\pi m}{B Q},$$

    which does not depend on the speed — a faster particle goes in a bigger circle but takes the same time per turn. If $v$ also has a part along $B$, that part is unchanged, and the path is a helix 螺旋.

    "Explain why the path is circular." The magnetic force is always at right angles to the velocity, so it changes the direction of motion but not the speed, and its magnitude $BQv$ is constant because $B$, $Q$ and $v$ are constant. A force of constant size that stays perpendicular to the velocity is exactly a centripetal force, so the path is a circle. Give all three ideas: perpendicular, constant magnitude, speed unchanged.

    Worked example. Electrons moving at $1.7 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ enter a uniform field of flux density $4.8\ \text{mT}$ at right angles to it. Find the radius of their path. The electrons are then replaced by positrons 正电子 (same mass, charge $+e$) moving at $3.4 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ along the same initial line: describe how the path changes.

    $$r = \frac{mv}{BQ} = \frac{(9.11 \times 10^{-31})(1.7 \times 10^{7})}{(4.8 \times 10^{-3})(1.60 \times 10^{-19})} = 2.0 \times 10^{-2}\ \text{m}.$$

    The positrons are deflected the opposite way (positive charge, so Fleming's rule with the second finger along the motion gives a force in the opposite direction), and since $r \propto v$ their radius is twice as large, $4.0\ \text{cm}$. Their period is the same ($T = 2\pi m/BQ$ has no $v$ in it): they go round a bigger circle at twice the speed.

    Hall effect

    A slab of conductor carrying current $I$, in a field $B$ at right angles to the current, develops a voltage across its faces — the Hall voltage 霍尔电压 $V_{\text{H}}$ (the Hall effect 霍尔效应).

    The moving charges feel a magnetic force $BQv_{\text{d}}$ ($v_{\text{d}}$ is the drift velocity 漂移速度), so they build up on one face, making an electric field 电场 $E$ that opposes more build-up. At steady state $eE = Bev_{\text{d}}$, so $E = B v_{\text{d}}$. With $V_{\text{H}} = E w$ and $I = n e v_{\text{d}} w t$:

    $$V_{\text{H}} = \frac{B I}{n t q},$$

    where $q$ is the carrier charge. A Hall probe 霍尔探头 uses this to measure $B$: pass a known current through a thin semiconductor 半导体 slab and read $V_{\text{H}}$ (largest when the slab is at right angles to $B$).

    Deriving $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$ (the exam asks for this in full). Take a slice of width $d$, across which the Hall voltage appears, and thickness $t$ along $B$, so the current passes through a cross-section $A = dt$. (1) At steady state the electric force on a carrier balances the magnetic force: $qE = Bqv$, so $E = Bv$. (2) The Hall field is uniform across the width, so $V_{\text{H}} = Ed = Bvd$. (3) The current is $I = nAvq = n\,dt\,vq$, so $v = I/(n\,dt\,q)$. Substituting: $V_{\text{H}} = Bd \cdot I/(n\,dt\,q) = BI/(ntq)$. Two things to notice: the voltage appears across the faces perpendicular to the magnetic force, not across the ends where the current enters; and it is larger for a semiconductor, whose number density $n$ is millions of times smaller than a metal's, which is why probes use a semiconductor slice.

    Using a Hall probe. The reading is proportional to $B$ but also depends on the orientation: it is a maximum when the plane of the slice is at right angles to the field and zero when the field lies in the plane of the slice. So (1) rotate the probe until the reading is largest, and (2) calibrate 校准 it in a known field, since $V_{\text{H}} \propto B$ at fixed current.

    Worked example. A Hall probe gives a maximum reading of $24\ \text{mV}$ in a uniform field of $32\ \text{mT}$. In a second field, with the probe again turned for a maximum, the reading is $15\ \text{mV}$. Find the second flux density.

    $V_{\text{H}} \propto B$ (same probe, same current): $B = 32 \times 15/24 = 20\ \text{mT}$. If the probe had been left at some other angle the reading would be smaller and $B$ would be underestimated, which is why "rotate for a maximum" is part of the method.

    Velocity selector

    A velocity selector 速度选择器 uses crossed electric and magnetic fields to let through only one speed. With the electric force $qE$ and magnetic force $qvB$ set to oppose each other, the net force is zero only when

    $$qE = qvB \quad\Rightarrow\quad v = \frac{E}{B}.$$

    Particles at speed $E/B$ go straight through; faster or slower ones are deflected.

    Deriving and explaining the selector. The magnetic force on a positive ion moving through the crossed fields is $BQv$, at right angles to its motion; the electric field is applied so that the electric force $QE$ is in the opposite direction (the plates must be arranged so that the field points against the magnetic force). For the ion to pass straight through, $QE = BQv$, so $v = E/B$, independent of the charge and the mass. A faster ion has a larger magnetic force and bends towards the magnetic-force side; a slower one is pushed the other way by the unchanged electric force. Asked "explain how an electric field can make the particle reach Z", say which direction the electric force must have, that it must equal the magnetic force in size, and give $E = Bv$. This is velocity selection 速度选择.

    ไทย

    ประจุ $Q$ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว velocity $v$ ผ่านสนามจะ受到的力

    $$F = B Q v \sin\theta,$$

    โดยที่ $\theta$ เป็นมุมระหว่าง $v$ และ $B$. ใช้กฎมือซ้ายเช่นเดียวกัน (นิ้วกลางคือการเคลื่อนที่ของ ประจุบวก — กลับทิศทางสำหรับประจุลบ). แรงจะมีค่ามากที่สุดเมื่อ $v$ ตั้งฉากกับ $B$ และเป็นศูนย์เมื่อ $v$ ขนานกับ $B$.

    **สองสถานการณ์ที่ไม่มีแรง.**อนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็กจะไม่ได้รับแรงเมื่อมัน นิ่งอยู่ (ไม่มี $v$) หรือเมื่อมันเคลื่อนที่ ขนานหรือทวนทาน กับสนาม ($\sin\theta = 0$). เปรียบเทียบกับสนามไฟฟ้าซึ่งดันประจุนิ่งได้หนักเท่ากัน: ความแตกต่างนี้คือหัวใจสำคัญของเครื่องเลือกความเร็วด้านล่าง

    การเคลื่อนที่วงกลมในสนามสม่ำเสมอ

    ประจุที่เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับ สนามสม่ำเสมอ จะได้รับแรงในแนวตั้งฉากกับทั้ง $v$ และ $B$ แรงนี้ไม่ทำ งาน (เนื่องจากตั้งฉากกับการเคลื่อนที่เสมอ) ดังนั้น พลังงานจลน์และความเร็วจึงคงที่ — อนุภาคจะเคลื่อนที่ตาม วงกลม ให้สมการแรงแม่เหล็กเท่ากับ แรงเข้าศูนย์กลาง:

    $$B Q v = \frac{m v^{2}}{r}, \qquad r = \frac{m v}{B Q}.$$

    ตัวอย่างคำอธิบาย. โปรตอน (มวล $1.7 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, ประจุ $1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$) เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ ในแนวตั้งฉากกับ สนาม $0.50\ \text{T}$ จงหารัศมีของเส้นทางวงกลม

    $$r = \frac{mv}{BQ} = \frac{(1.7 \times 10^{-27})(2.0 \times 10^{6})}{(0.50)(1.6 \times 10^{-19})} \approx 0.043\ \text{m}.$$

    ดังนั้น รัศมีจึงขึ้นอยู่กับ โมเมนตัม $mv$ ระยะเวลาหนึ่งรอบคือ

    $$T = \frac{2\pi m}{B Q},$$

    ซึ่ง ไม่ ขึ้นอยู่กับความเร็ว — อนุภาคที่เร็วกว่าจะเคลื่อนที่ตามวงกลมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นแต่ใช้เวลานานเท่าเดิมต่อหนึ่งรอบ หาก $v$ มีองค์ประกอบในแนว $B$ ด้วย องค์ประกอบนั้นจะไม่เปลี่ยนแปลง และเส้นทางจะเป็น เกลียว

    ประจุบวกในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่พุ่งเข้าสู่หน้ากระดาษจะเคลื่อนที่ตามเส้นทางวงกลม โดยแรงแม่เหล็กชี้เข้าหาจุดกึ่งกลางเสมอ
    เส้นทางวงกลมของอนุภาคที่มีประจุในสนามแม่เหล็ก

    "อธิบายทำไมเส้นทางถึงเป็นวงกลม." แรงแม่เหล็กตั้งฉากกับความเร็วเสมอ จึงเปลี่ยนทิศทางของการเคลื่อนที่แต่ไม่เปลี่ยนความเร็ว และขนาดของแรง $BQv$ เป็น ค่าคงที่ เนื่องจาก $B$, $Q$ และ $v$ เป็นค่าคงที่ แรงที่มีขนาดคงที่และตั้งฉากกับความเร็วอยู่ตลอด คือ แรงเข้าศูนย์กลาง พอดี ดังนั้นเส้นทางจึงเป็นวงกลม ตอบให้ครบสามประเด็น: ตั้งฉาก, ขนาดคงที่, ความเร็วไม่เปลี่ยนแปลง

    ตัวอย่างคำอธิบาย. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $1.7 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ เข้าสู่สนามสม่ำเสมอที่มีความหนาแน่นฟลักซ์ $4.8\ \text{mT}$ ในแนวตั้งฉาก จงหารัศมีของเส้นทาง它们的 If the positrons are then replaced by positrons (same mass, charge $+e$) moving at $3.4 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ along the same initial line: describe how the path changes.

    $$r = \frac{mv}{BQ} = \frac{(9.11 \times 10^{-31})(1.7 \times 10^{7})}{(4.8 \times 10^{-3})(1.60 \times 10^{-19})} = 2.0 \times 10^{-2}\ \text{m}.$$

    โพซิตรอนจะถูกเบี่ยงเบนไปในทาง ตรงกันข้าม (เพราะเป็นประจุบวก ดังนั้นใช้กฎของเฟลมิ่งโดยนิ้วสองชี้ไปตามการเคลื่อนที่จะได้แรงในทิศทางตรงกันข้าม) และเนื่องจาก $r \propto v$ รัศมีของพวกมันจึงเป็น สองเท่า ของเดิม, $4.0\ \text{cm}$. ระยะเวลาหนึ่งรอบเหมือนกัน ($T = 2\pi m/BQ$ ไม่มี $v$在里面): พวกมันวนตามวงกลมที่ใหญ่ขึ้นด้วยความเร็วเป็นสองเท่า

    ผลฮอลล์

    แผ่นตัวนำที่ไหลผ่านกระแส $I$ ใน สนาม $B$ ที่ตั้งฉากกับกระแส จะเกิดแรงดันไฟฟ้าระหว่างหน้าทั้งสองข้าง — ซึ่งเรียกว่า แรงดันฮอลล์ $V_{\text{H}}$ (ผลฮอลล์) .

    ประจุที่เคลื่อนที่รู้สึกถึงแรงแม่เหล็ก $BQv_{\text{d}}$ ($v_{\text{d}}$ คือ ความเร็วลอย), ทำให้พวกมันสะสมที่หน้าด้านหนึ่ง ก่อให้เกิด สนามไฟฟ้า $E$ ที่ต้านทานการสะสมเพิ่มเติม เมื่อถึงสภาวะเสถียร $eE = Bev_{\text{d}}$, ดังนั้น $E = B v_{\text{d}}$. เมื่อแทนค่า $V_{\text{H}} = E w$ และ $I = n e v_{\text{d}} w t$:

    $$V_{\text{H}} = \frac{B I}{n t q},$$

    โดยที่ $q$ คือประจุของตัวพา โพรบฮอลล์ ใช้หลักการนี้เพื่อวัด $B$: ผ่านกระแสที่กำหนดให้ผ่านแผ่น เซมิคอนดักเตอร์ บางๆ แล้วอ่านค่า $V_{\text{H}}$ (จะมีค่ามากที่สุดเมื่อแผ่นตั้งฉากกับ $B$).

    แผ่นตัวนำที่ไหลผ่านกระแสในสนามแม่เหล็กที่พุ่งเข้าสู่หน้ากระดาษ: ประจุสะสมที่หน้าตรงข้ามกัน เกิดแรงดันฮอลล์ระหว่างหน้าทั้งสอง
    ผลฮอลล์

    การหาค่า $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$ (ข้อสอบต้องการให้แสดงวิธีทำอย่างละเอียด)取一个宽度为 $d$ 的切片,霍尔电压出现在这个宽度上,厚度为 $t$ 沿 $B$ 方向,所以电流通过的横截面积为 $A = dt$。 (1) ในสภาวะเสถียร แรงไฟฟ้าบนตัวพาลดแรงแม่เหล็ก: $qE = Bqv$, ดังนั้น $E = Bv$. (2) สนามฮอลล์มีความสม่ำเสมอตามความกว้าง ดังนั้น $V_{\text{H}} = Ed = Bvd$. (3) กระแสไฟฟ้าคือ $I = nAvq = n\,dt\,vq$, ดังนั้น $v = I/(n\,dt\,q)$. แทนค่า: $V_{\text{H}} = Bd \cdot I/(n\,dt\,q) = BI/(ntq)$. ข้อสังเกตสองประการ: แรงดันปรากฏระหว่างหน้า ตั้งฉากกับแรงแม่เหล็ก ไม่ใช่ที่ปลายที่กระแสเข้าไป; และมีค่า มากกว่าในเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งมีจำนวนความหนาแน่น $n$ น้อยกว่าโลหะหลายล้านเท่า นี่คือเหตุผลที่โพรบใช้แผ่นเซมิคอนดักเตอร์

    การใช้โพรบฮอลล์. ค่าที่อ่านได้แปรผันตรงกับ $B$ แต่ยังขึ้นอยู่กับ การวางแนว: จะมีค่าสูงสุดเมื่อระนาบของแผ่นตั้งฉากกับสนาม และมีค่าศูนย์เมื่อสนามอยู่ในระนาบของแผ่น ดังนั้น (1) หมุนโพรบจนกว่าค่าที่อ่านจะได้มากที่สุด, และ (2) ปรับสเกล它在已知磁场中, เนื่องจาก $V_{\text{H}} \propto B$ ที่กระแสคงที่

    ตัวอย่างคำอธิบาย. โพรบฮอลล์อ่านค่าสูงสุดได้ $24\ \text{mV}$ ในสนามสม่ำเสมอขนาด $32\ \text{mT}$. ในสนามที่สอง โดยหมุนโพรบเพื่อให้ได้ค่าสูงสุดอีกครั้ง การอ่านได้ค่า $15\ \text{mV}$. จงหาความหนาแน่นฟลักซ์ของสนามที่สอง

    $V_{\text{H}} \propto B$ (cùng đầu dò, cùng dòng điện): $B = 32 \times 15/24 = 20\ \text{mT}$. Nếu đầu dò được để ở góc khác thì số đo sẽ nhỏ hơn và $B$ sẽ bị đánh giá thấp, đó là lý do tại sao "xoay để đạt cực đại" là một phần của phương pháp.

    ตัวเลือกความเร็ว

    Một bộ chọn vận tốc sử dụng các trường điện từ vuông góc để chỉ cho phép một tốc độ đi qua. Với lực điện $qE$ và lực từ $qvB$ được thiết lập để chống lại nhau, tổng lực bằng không chỉ khi

    $$qE = qvB \quad\Rightarrow\quad v = \frac{E}{B}.$$

    อนุภาคที่มีความเร็ว $E/B$ จะเคลื่อนที่ตรงผ่าน; ส่วนที่เร็วหรือช้ากว่าจะถูกเบี่ยงเบน

    อนุภาคที่มีประจุผ่านสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตัดกัน; เฉพาะ那些具有 v = E/B 的粒子才能直线通过狭缝,而更快或更慢的粒子则被偏转
    ตัวเลือกความเร็ว

    การหาและอธิบายตัวเลือก แรงแม่เหล็กต่อไอออนบวกที่เคลื่อนที่ผ่านสนามไขว้กันคือ $BQv$ ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของมัน; สนามไฟฟ้าถูกจัดให้แรงไฟฟ้า $QE$ อยู่ในทิศทาง ตรงข้าม (แผ่นต้องจัดตั้ง такให้สนามชี้ไป oppose แรงแม่เหล็ก) เพื่อให้ไอออนผ่านตรงไป $QE = BQv$, ดังนั้น $v = E/B$, โดยไม่ขึ้นกับประจุและมวล ไอออนที่มีความเร็วมากกว่าจะมีแรงแม่เหล็กมากและโค้งเข้าหาฝั่งแรงแม่เหล็ก; ไอออนความเร็วต่ำกว่าจะถูกดันไปอีกฝั่งด้วยแรงไฟฟ้าที่ไม่เปลี่ยน เมื่อถามว่า "อธิบายว่าสนามไฟฟ้าทำให้อนุภาคถึง Z ได้อย่างไร" ให้ระบุทิศทางของแรงไฟฟ้าที่ต้องมี, ว่ามันต้องมีขนาดเท่ากับแรงแม่เหล็ก, และให้ $E = Bv$. นี่คือ การเลือกความเร็ว.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Force on a moving charge · ⁨แรงแบบเคลื่อนที่ต่อประจุที่เคลื่อนที่⁩

    F = BQv

    The magnetic force on a charge is proportional to its speed (for a fixed field and charge). · ⁨แรงแม่เหล็กต่อประจุ แปรผันตรงกับความเร็ว ของมัน (สำหรับสนามและประจุที่กำหนด)⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    velocity/vəˈlɒsɪti/ ความเร็ว
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ สนามไฟฟ้า
    velocity selector/vəˈlɒsɪti sɪˈlektə/ ตัวเลือกความเร็ว
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    centripetal force/senˈtrɪpɪtl fɔːs/ แรงเข้าสู่ศูนย์กลาง
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    helix/ˈhiːlɪks/ เฮล็กซ์ (helix)
    positrons/ˈpɒzɪtrɒnz/ โพซิตรอน
    Hall effect/hɔːl ɪˈfekt/ เอฟเฟกต์霍尔
    Hall voltage/hɔːl ˈvəʊltɪdʒ/ แรงดัน霍尔 (email: Hall voltage)
    drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ ความเร็วลอยตัว
    Hall probe/hɔːl prəʊb/ โพรบ霍尔 (email: Hall probe)
    semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ เซมิคอนดักเตอร์
    calibrate/ˈkælɪbreɪt/ ปรับเทียบ
    velocity selection/vəˈlɒsɪti sɪˈlekʃn/ การเลือกความเร็ว
    20.4

    Force between parallel currents · ⁨แรงระหว่างกระแสขนาน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. sketch magnetic field patterns due to the currents in a long straight wire, a flat circular coil and a long solenoid
    2. understand that the magnetic field due to the current in a solenoid is increased by a ferrous core
    3. explain the origin of the forces between current-carrying conductors and determine the direction of the forces
    ไทย
    1. วาดแผนภาพสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าใน ลวดตรงยาว (long straight wire), ขดลวดวงกลมแบน (flat circular coil) และ โซเลนอยด์ยาว (solenoid)
    2. เข้าใจว่าสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในโซเลนอยด์จะเพิ่มขึ้นเมื่อใส่ แกนเหล็ก (ferrous core)
    3. อธิบายต้นกำเนิดของแรงระหว่าง สายนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (current-carrying conductors) และกำหนดทิศทางของแรงเหล่านี้

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Two long parallel wires each sit in the other's magnetic field. Using Fleming's left-hand rule: parallel currents (same direction) attract; antiparallel currents (opposite directions) repel. This is the basis of the SI definition of the ampere.

    Explaining the force (a standard three-marker). (1) The current in P produces a magnetic field around it (circles centred on P). (2) At Q this field is at right angles to the current in Q, so Q, a current-carrying conductor in a magnetic field, feels a force $BIL$. (3) Fleming's left-hand rule gives its direction: towards P for currents in the same direction, away for opposite currents. By Newton's third law the force on P is equal and opposite, so both wires attract (or both repel) with the same force. Doubling the current in one wire doubles the force on both: the force on Q rises because $I_{\text{Q}}$ has doubled, the force on P because the field it sits in has doubled.

    ไทย

    ลวดขนานยาวสองเส้นแต่ละเส้นอยู่ในสนามแม่เหล็กของอีกเส้นหนึ่ง ใช้กฎมือซ้ายของเฟมिंग: กระแสขนาน (ทิศทางเดียวกัน ดึงดูด; กระแสต้านขนาน (ทิศทางตรงกันข้าม ผลักกัน. นี่คือพื้นฐานของการนิยามแอมแปร์ในระบบ SI.

    ลวดขนานยาวสองเส้น P และ Q พกกระแสในทิศทางเดียวกัน: สนามของ P ที่ตำแหน่งของ Q เข้าไปในหน้ากระดาษ, และโดยกฎมือซ้ายของเฟมिंग แรงที่กระทำต่อ Q เข้าหา P; แรงที่กระทำต่อ P เข้าหา Q เท่ากัน ดังนั้นลวดจึงดึงดูดกัน
    กระแสขนานดึงดูดกัน: แต่ละลวดอยู่ในสนามของอีกเส้นหนึ่ง, และกฎมือซ้ายของเฟมิงให้แรงเข้าหาอีกเส้น

    การอธิบายแรง (ข้อสอบมาตรฐาน 3 คะแนน) (1) กระแสใน P สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวมัน (วงกลมที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ P) (2) ที่ Q สนามนี้ตั้งฉากกับกระแสใน Q ดังนั้น Q ซึ่งเป็นตัวนำที่มีกระแสไหลผ่านในสนามแม่เหล็ก จึงรู้สึกถึงแรง $BIL$ (3) กฎมือซ้ายของเฟมิงบอกทิศทาง: เข้าหา P สำหรับกระแสทิศทางเดียวกัน, ออกห่างสำหรับกระแสทิศทางตรงกันข้าม ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงที่กระทำต่อ P มีขนาดเท่ากันและทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นลวดทั้งสองจึงดึงดูดกัน (หรือผลักกัน) ด้วยแรงเท่ากัน การเพิ่มกระแสเป็นสองเท่าใน หนึ่ง ลวด จะเพิ่มแรงเป็นสองเท่าใน ทั้งสอง: แรงที่กระทำต่อ Q เพิ่มขึ้นเพราะ $I_{\text{Q}}$ เพิ่มเป็นสองเท่า, แรงที่กระทำต่อ P เพราะสนามที่มันอยู่ในนั้นเพิ่มเป็นสองเท่า

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    20.5

    Electromagnetic induction · ⁨การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. define magnetic flux as the product of the magnetic flux density and the cross-sectional area perpendicular to the direction of the magnetic flux density
    2. recall and use $\Phi = BA$
    3. understand and use the concept of magnetic flux linkage
    4. understand and explain experiments that demonstrate: • that a changing magnetic flux can induce an e.m.f. in a circuit • that the induced e.m.f. is in such a direction as to oppose the change producing it • the factors affecting the magnitude of the induced e.m.f.
    5. recall and use Faraday's and Lenz's laws of electromagnetic induction
    ไทย
    1. นิยาม ฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux) sebagaiผลคูณของความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กและพื้นที่หน้าตัดที่ตั้งฉากกับทิศทางของความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก
    2. จำและใช้ $\Phi = BA$
    3. เข้าใจและใช้แนวคิด关于 การเชื่อมโยงฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux linkage)
    4. เข้าใจและอธิบายการทดลองที่พิสูจน์: • ว่า ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง (changing magnetic flux) สามารถเหนี่ยวนำ e.m.f. ในวงจรได้ • ว่า e.m.f. ที่เหนี่ยวนำ (induced e.m.f.) มีทิศทางที่ต้านต่อการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้มันเกิดขึ้น • ปัจจัยที่มีผลต่อขนาดของ e.m.f. ที่เหนี่ยวนำ
    5. จำและใช้ กฎของฟาราเดย์และเลนซ์ (Faraday's and Lenz's laws) เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    The transformer: turns ratio
    Electromagnetic induction

    Magnetic flux

    The magnetic flux 磁通量 $\Phi$ through a flat area $A$ at right angles to $B$ is

    $$\Phi = B A.$$

    If the area's normal is at angle $\theta$ to $B$, use $\Phi = B A \cos\theta$. Unit: weber 韦伯, $\text{Wb} = \text{T m}^{2}$. For a coil 线圈 of $N$ turns, the flux linkage 磁链 is $N\Phi = N B A$.

    The two-mark definitions. Magnetic flux is the product of the magnetic flux density and the area (of the circuit) perpendicular to the field. Flux linkage is the product of the flux and the number of turns of the coil, $N\Phi$, in weber-turns. Say "perpendicular" (or "normal to the field"): $\Phi = BA$ is only true for the component of the area at right angles to $B$.

    Worked example. A small coil of 64 turns and cross-sectional area $0.71\ \text{cm}^{2}$ is placed inside a long solenoid, on its axis, where the flux density is $2.5\ \text{mT}$. Find the flux linkage of the coil.

    The flux through the coil uses the coil's own area, not the solenoid's: $\Phi = BA = (2.5 \times 10^{-3})(0.71 \times 10^{-4}) = 1.8 \times 10^{-7}\ \text{Wb}$, so the flux linkage is $N\Phi = 64 \times 1.8 \times 10^{-7} = 1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$. When the solenoid's current changes, the e.m.f. induced in the small coil is the rate of change of this linkage.

    Faraday's and Lenz's laws

    When the flux linkage through a circuit changes, an electromotive force 电动势 (e.m.f.) is induced — this is electromagnetic induction 电磁感应.

    Faraday's law 法拉第定律: the induced e.m.f. equals the rate of change of flux linkage:

    $$|\varepsilon| = N\frac{d\Phi}{dt}.$$

    Worked example. A coil of $200$ turns and area $0.010\ \text{m}^{2}$ sits with its plane at right angles to a $0.50\ \text{T}$ field. The field falls steadily to zero in $0.20\ \text{s}$. Find the average induced e.m.f.

    The flux linkage changes from $N\Phi = NBA = 200 \times 0.50 \times 0.010 = 1.0\ \text{Wb}$ to zero, so

    $$|\varepsilon| = \frac{\Delta(N\Phi)}{\Delta t} = \frac{1.0}{0.20} = 5.0\ \text{V}.$$

    Lenz's law 楞次定律: the induced e.m.f. acts to oppose the change that makes it. This is conservation of energy 能量守恒 — if it reinforced the change, energy would come from nothing. Combined:

    $$\varepsilon = -\frac{d(N\Phi)}{dt}.$$

    What changes the flux?

    • changing $B$ (moving a magnet near a coil),
    • changing area $A$ (a rod sliding along rails),
    • changing orientation (a coil turning in a field — the a.c. generator, next topic).

    Reading an e.m.f. off a flux graph. The induced e.m.f. is the gradient of the flux-linkage graph (with a minus sign for Lenz). A steadily rising flux gives a constant e.m.f.; a constant flux gives zero e.m.f. however large the flux is; a faster fall gives a larger e.m.f. of the opposite sign. "Sketch the variation with time of the e.m.f." is answered by differentiating the flux graph by eye, section by section.

    Worked example. The 64-turn coil above sits in a solenoid whose flux density rises uniformly from $0$ to $2.5\ \text{mT}$ in $40\ \text{ms}$ and is then held steady. Find the e.m.f. induced in the coil during the rise, and afterwards.

    During the rise the flux linkage grows steadily to $1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$: $\varepsilon = \Delta(N\Phi)/\Delta t = 1.1 \times 10^{-5}/0.040 = 2.8 \times 10^{-4}\ \text{V}$ ($0.28\ \text{mV}$), constant while the rise lasts. Afterwards the flux linkage is constant, so the e.m.f. is zero, even though the coil is still in a strong field: it is the change that induces.

    Worked example (flux cutting). An aircraft with a wingspan 翼展 of $60\ \text{m}$ flies horizontally at $250\ \text{m s}^{-1}$ where the vertical component of the Earth's field is $45\ \mu\text{T}$. Find the e.m.f. between the wingtips.

    In time $\Delta t$ the wing sweeps out an area $L v \Delta t$, cutting flux $B L v \Delta t$, so $\varepsilon = BLv = (45 \times 10^{-6})(60)(250) = 0.68\ \text{V}$. Only the component of $B$ perpendicular to the swept area counts (here the vertical one). There is a p.d. between the wingtips but no current, because there is no complete circuit; Fleming's rules give which tip is positive.

    Demonstrations

    • moving a bar magnet into a coil deflects a galvanometer 检流计; the deflection reverses when the magnet is pulled out (Lenz's law), and is larger for faster motion (Faraday's law).
    • a copper disc swinging into a field is quickly slowed — eddy currents 涡流 are induced that oppose the motion.

    Electromagnetic braking, explained with Lenz's law. A vehicle's aluminium disc rotates between the poles of an electromagnet. The disc cuts the field lines, so an e.m.f. is induced in it; the disc is a conductor, so eddy currents flow; by Lenz's law these currents produce forces that oppose the motion of the disc, slowing the vehicle. The kinetic energy is converted to thermal energy in the disc. The braking is stronger at high speed (a larger rate of flux cutting, so larger currents) and fades as the vehicle slows; it cannot hold a stationary vehicle, because no motion means no induced current.

    A magnet oscillating in a coil. A bar magnet on a spring oscillates in and out of a coil connected to a resistor. The changing flux linkage induces an e.m.f.; with the circuit complete a current flows and, by Lenz's law, the coil's field opposes the magnet's motion, so the oscillation is damped: energy leaves the oscillation as heat in the resistor and the amplitude decays. Open the switch and the e.m.f. is still induced but no current flows, so the coil no longer damps the motion.

    What makes the induced e.m.f. larger

    From $\varepsilon = N\,d\Phi/dt$ with $\Phi = BA$: more turns $N$, a stronger $B$, a larger area $A$, or a faster change — each gives a larger induced e.m.f.

    Finding the direction with Lenz's law. Push the N pole of a magnet towards a coil and the induced current makes the near face of the coil a north pole, to repel the approaching magnet; pull it away and the near face becomes a south pole, to attract it. In each case the person moving the magnet does work against that force, and that work is the source of the electrical energy: Lenz's law is conservation of energy in disguise. Two sentences to learn: the induced e.m.f. acts in such a direction as to produce effects that oppose the change producing it (Lenz), and the induced e.m.f. is proportional to the rate of change of flux linkage (Faraday).

    ไทย
    หม้อแปลง: อัตราจำนวนขดลวด
    การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

    ฟลักซ์แม่เหล็ก

    ฟลักซ์แม่เหล็ก $\Phi$ ผ่านพื้นที่แบน $A$ ที่ตั้งฉากกับ $B$ คือ

    $$\Phi = B A.$$

    หากแนวตั้งฉากของพื้นที่ทำมุม $\theta$ กับ $B$, ใช้ $\Phi = B A \cos\theta$. หน่วย: เวเบอร์, $\text{Wb} = \text{T m}^{2}$. สำหรับ ขดลวด จำนวน $N$ ขด, ฟลักซ์ลิงก์ คือ $N\Phi = N B A$.

    นิยาม 2 คะแนน ฟลักซ์แม่เหล็กคือผลคูณของความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กและพื้นที่ (ของวงจร) ที่ตั้งฉากกับสนาม ฟลักซ์ลิงก์คือผลคูณของฟลักซ์และจำนวนขดของขดลวด, $N\Phi$, ในหน่วยเวเบอร์-ขด. บอกว่า "ตั้งฉาก" (หรือ "แนวตั้งฉากกับสนาม"): $\Phi = BA$ เป็นจริงก็ต่อเมื่อเป็นองค์ประกอบของพื้นที่ที่ตั้งฉากกับ $B$ เท่านั้น.

    ตัวอย่างฝึกหัด ขดลวดเล็กจำนวน 64 ขดและมีพื้นที่หน้าตัด $0.71\ \text{cm}^{2}$ วางอยู่ภายในโซเลนอยด์ยาว บนแกนนอน ซึ่งมีความหนาแน่นฟลักซ์ $2.5\ \text{mT}$. หาฟลักซ์ลิงก์ของขดลวด

    ฟลักซ์ผ่านขดลวดใช้ พื้นที่ของขดลวดเอง ไม่ใช่ของโซเลนอยด์: $\Phi = BA = (2.5 \times 10^{-3})(0.71 \times 10^{-4}) = 1.8 \times 10^{-7}\ \text{Wb}$, ดังนั้นฟลักซ์ลิงก์คือ $N\Phi = 64 \times 1.8 \times 10^{-7} = 1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$. เมื่อกระแสของโซเลนอยด์เปลี่ยน, e.m.f. ที่เหนี่ยวนำในขดลวดเล็กคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของลิงก์นี้

    กฎของฟาราเดย์และเลนซ์

    เมื่อฟลักซ์ลิงก์ผ่านวงจร เปลี่ยนไป, แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (e.m.f.) จะถูกเหนี่ยวนำ — นี่คือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า.

    กฎของฟาราเดย์: e.m.f. ที่เหนี่ยวนำเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ลิงก์:

    $$|\varepsilon| = N\frac{d\Phi}{dt}.$$

    ตัวอย่างฝึกหัด ขดลวด $200$ ขด และมีพื้นที่ $0.010\ \text{m}^{2}$ วางวางระนาบตั้งฉากกับสนาม $0.50\ \text{T}$. สนามลดลงอย่างต่อเนื่องจนเป็นศูนย์ใน $0.20\ \text{s}$. หา e.m.f. ที่เหนี่ยวนำเฉลี่ย

    ฟลักซ์ลิงก์เปลี่ยนจาก $N\Phi = NBA = 200 \times 0.50 \times 0.010 = 1.0\ \text{Wb}$ เป็นศูนย์, ดังนั้น

    $$|\varepsilon| = \frac{\Delta(N\Phi)}{\Delta t} = \frac{1.0}{0.20} = 5.0\ \text{V}.$$

    กฎของเลนซ์: e.m.f. ที่เหนี่ยวนำกระทำเพื่อ ต่อต้านการเปลี่ยนแปลง ที่เกิดขึ้น与之. นี่คือ การอนุรักษ์พลังงาน — หากมันเสริมการเปลี่ยนแปลงนั้น พลังงานจะมาจากที่ว่างเปล่า. รวมกัน:

    $$\varepsilon = -\frac{d(N\Phi)}{dt}.$$

    อะไรเปลี่ยนฟลักซ์?

    • เปลี่ยน $B$ (เคลื่อนย้ายแม่เหล็กใกล้ขดลวด),
    • เปลี่ยนพื้นที่ $A$ (แท่งเลื่อนตามราง),
    • เปลี่ยน orientations (ขดลวดหมุนในสนาม — เครื่องกำเนิดไฟฟ้า a.c., หัวข้อถัดไป).
    กราฟสองกราฟเทียบกับเวลา: ความหนาแน่นฟลักซ์ผ่านขดลวดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง, คงที่, แล้วลดลงอย่างรวดเร็วเป็นศูนย์; ด้านล่าง e.m.f. ที่เหนี่ยวนำเป็นค่าลบคงที่ขณะที่ฟลักซ์เพิ่มขึ้น, ศูนย์ขณะที่คงที่, และค่าบวกที่ใหญ่กว่าขณะที่ลดลง
    e.m.f. ที่เหนี่ยวนำคือลบของความชันของกราฟฟลักซ์ลิงก์: คงที่ขณะที่ฟลักซ์เปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง, ศูนย์ขณะที่คงที่, และใหญ่ขึ้นและกลับด้านเมื่อฟลักซ์ลดลงเร็วกว่า

    อ่านค่า e.m.f. จากกราฟฟลักซ์ e.m.f. ที่เหนี่ยวนำคือ ความชัน ของกราฟฟลักซ์ลิงก์ (พร้อมเครื่องหมายลบสำหรับเลนซ์) ฟลักซ์ที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องให้ e.m.f. คงที่; ฟลักซ์คงที่ให้ ศูนย์ e.m.f. ไม่ว่าฟลักซ์จะใหญ่แค่ไหน; การลดลงที่เร็วขึ้นให้ e.m.f. ที่มีขนาดใหญ่กว่าแต่มีสัญญาณตรงข้าม "วาดกราฟการเปลี่ยนแปลงของ e.m.f. เทียบกับเวลา" ตอบได้โดยการหาอนุพันธ์กราฟฟลักซ์ด้วยสายตาทีละส่วน

    ตัวอย่างฝึกหัด ขดลวด 64 ขดข้างต้นวางอยู่ในโซเลนอยด์ whose flux density rises uniformly from $0$ to $2.5\ \text{mT}$ in $40\ \text{ms}$ and is then held steady. Find the e.m.f. induced in the coil during the rise, and afterwards.

    ระหว่างที่เพิ่มขึ้น การเชื่อมโยงฟลักซ์จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องถึง $1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$: $\varepsilon = \Delta(N\Phi)/\Delta t = 1.1 \times 10^{-5}/0.040 = 2.8 \times 10^{-4}\ \text{V}$ ($0.28\ \text{mV}$) โดยคงที่จนกว่าการเพิ่มขึ้นจะสิ้นสุด หลังจากนั้น การเชื่อมโยงฟลักซ์จะคงที่ ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเป็น ศูนย์ แม้ว่าจะยังอยู่ในสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งอยู่ก็ตาม เพราะสิ่งที่เหนี่ยวนำนั้นคือ การเปลี่ยนแปลง

    ตัวอย่างการคำนวณ (การตัดฟลักซ์). เครื่องบินที่มี ระยะปีก $60\ \text{m}$ บินในแนวราบด้วยความเร็ว $250\ \text{m s}^{-1}$ ที่ซึ่งองค์ประกอบแนวตั้งของสนามโลกมีค่า $45\ \mu\text{T}$. หาแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำระหว่างปลายปีกทั้งสองข้าง.

    ในช่วงเวลา $\Delta t$ ปีกจะกวาดพื้นที่ $L v \Delta t$ ตัดฟลักซ์ $B L v \Delta t$ ดังนั้น $\varepsilon = BLv = (45 \times 10^{-6})(60)(250) = 0.68\ \text{V}$. มีเพียงองค์ประกอบของ $B$ ที่ ตั้งฉาก กับพื้นที่ที่ถูกกวาดเท่านั้นที่สำคัญ (ในที่นี้คือองค์ประกอบแนวตั้ง) จะมีแรงต่างศักย์ระหว่างปลายปีกแต่ไม่มีกระแสไฟ เนื่องจากไม่มีวงจรปิด; กฎของเฟลมิ่งบอกได้ว่าปลายใดเป็นขั้วบวก

    การสาธิต

    • การนำแม่เหล็กแท่งเข้าไปในคอยล์จะทำให้ กัลวาโนมิเตอร์ บิดตัว; ทิศทางการบิดตัวจะกลับเมื่อดึงแม่เหล็กออก (กฎเลนซ์), และการบิดตัวจะมากขึ้นสำหรับการเคลื่อนที่ที่เร็วขึ้น (กฎฟาราเดย์).
    แม่เหล็กแท่งถูกดันเข้าไปในคอยล์ที่เชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์ที่มีความไวสูง ซึ่งเกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ทำให้เข็มบดตัว
    การสาธิตการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
    • จานทองแดงที่แกว่งเข้าสู่สนามจะถูกชะลอลงอย่างรวดเร็ว — เกิด กระแส渦流 (eddy currents) ที่ต้านทานการเคลื่อนที่
    แผ่นโลหะแกว่งระหว่างขั้วแม่เหล็กและถูกชะลอลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากเกิดกระแส涡流ภายในที่ต้านทานการเคลื่อนที่
    การหน่วงด้วยกระแส涡流

    เบรกแม่เหล็กไฟฟ้า อธิบายด้วยกฎเลนซ์. จานอะลูมิเนียมของยานยนต์หมุนอยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้า. จานนั้น ตัด เส้นสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในจาน; จานเป็นตัวนำ จึงมี กระแส涡流 ไหล; ตามกฎเลนซ์ กระแสเหล่านี้สร้างแรงที่ ต้านทานการเคลื่อนที่ ของจาน ทำให้ยานยนต์ช้าลง. พลังงานจลน์ถูกแปลงเป็น พลังงานความร้อน ในจาน. การเบรกจะแรงขึ้นที่ความเร็วสูง (อัตราการตัดฟลักซ์สูงขึ้น ส่งผลให้กระแสไหลมากขึ้น) และจะลดลงเมื่อยานยนต์ช้าลง; ไม่สามารถยึดยานยนต์ให้อยู่กับที่ได้ เพราะไม่มีการเคลื่อนที่จึงไม่มีกระแสเหนี่ยวนำ

    แม่เหล็กสั่นอยู่ในคอยล์. แม่เหล็กแท่งติดสปริงสั่นเข้าออกในคอยล์ที่เชื่อมต่อกับตัวต้านทาน. การเปลี่ยนแปลงของการเชื่อมโยงฟลักซ์ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ; เมื่อวงจรสมบูรณ์จะมีกระแสไหล และตามกฎเลนซ์ สนามของคอยล์จะต้านทานการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก ทำให้การสั่น ถูกหน่วง: พลังงานออกจากระบบสั่นเป็นความร้อนในตัวต้านทาน และแอมพลิจูดจะลดลง. เปิดสวิตช์แล้ว แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำยังคงเกิดขึ้นแต่ไม่มีกระแสไหล ดังนั้นคอยล์จึงไม่หน่วงการเคลื่อนที่อีกต่อไป

    สิ่งที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีขนาดมากขึ้น

    จาก $\varepsilon = N\,d\Phi/dt$ กับ $\Phi = BA$: จำนวนรอบที่มากขึ้น $N$, สนามที่แข็งแรงขึ้น $B$, พื้นที่ที่ใหญ่ขึ้น $A$, หรือการเปลี่ยนแปลงที่เร็วขึ้น — ทุกอย่างนี้จะทำให้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีขนาดมากขึ้น

    การหาทิศทางด้วยกฎเลนซ์. ดันขั้ว N ของแม่เหล็กเข้าใกล้คอยล์ กระแสเหนี่ยวนำจะทำให้หน้าด้านใกล้ของคอยล์เป็นขั้ว เหนือ เพื่อผลักแม่เหล็กที่กำลังเข้ามา; ดึงออก หน้าด้านใกล้จะเป็นขั้ว ใต้ เพื่อดึงดูดมัน. ในแต่ละกรณี ผู้ที่เคลื่อนย้ายแม่เหล็กต้องทำงานเพื่อเอาชนะแรงนั้น และงาน tersebutคือแหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้า: กฎเลนซ์คือการอนุรักษ์พลังงานในรูปแบบแฝง. ประโยคสองประโยคที่ต้องจดจำ: แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะกระทำในทิศทางที่ทำให้เกิดผลที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น (เลนซ์), และ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำแปรผันตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของการเชื่อมโยงฟลักซ์ (ฟาราเดย์).

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Electromagnetic induction · ⁨การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า⁩

    Move the magnet through the coil — a current is induced only while the field is changing. Faster gives more current; flip the magnet to reverse it. · ⁨เคลื่อนย้ายแม่เหล็กผ่านคอยล์ — จะเกิดกระแสเหนี่ยวนำเฉพาะขณะที่สนามกำลังเปลี่ยนแปลง เคลื่อนไหวเร็วขึ้นจะได้กระแสมากขึ้น; กลับด้านแม่เหล็กเพื่อเปลี่ยนทิศทาง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    current/ˈkʌrənt/ 电流的属性
    electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ แม่เหล็กไฟฟ้า
    transformer/trænsˈfɔːmə/ หม้อแปลง
    ferrous/ˈferəs/ เหล็กกล้า
    magnetised/ˈmæɡnɪtaɪzd/ แม่เหล็ก
    couple/ˈkʌpl/ คู่มุม
    uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ สนามสม่ำเสมอ
    magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก
    magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ ฟลักซ์แม่เหล็ก
    tesla/ˈteslə/ เทสลา
    Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ กฎมือซ้ายของเฟมิ่ง
    electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
    weber/ˈveɪbə/ เวเบอร์
    flux linkage/flʌks ˈlɪŋkɪdʒ/ ฟลักซ์ลิงก์
    Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ กฎของเลนซ์
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ แรงขับเคลื่อนไฟฟ้า
    Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ กฎของ فارาเดย์
    conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
    wingspan/ˈwɪŋspæn/ ปีกกว้าง
    galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ กาลวานอมิเตอร์
    eddy currents/ˈedi ˈkʌrənts/ กระแส渦流
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    20.5

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    magnetic field a region in which a force acts on a moving charge, a current-carrying conductor or a magnetic material
    magnetic flux density the force per unit current per unit length on a straight conductor placed at right angles to the field
    tesla the flux density producing a force of 1 N on 1 m of conductor carrying 1 A at right angles to the field
    magnetic flux the product of the flux density and the area perpendicular to the field, $\Phi = BA$
    flux linkage the product of the flux through a coil and its number of turns, $N\Phi$
    weber one tesla metre squared
    Faraday's law the induced e.m.f. is proportional to the rate of change of flux linkage
    Lenz's law the induced e.m.f. acts in such a direction as to produce effects that oppose the change producing it
    Hall voltage the p.d. that develops across a current-carrying slice in a magnetic field, $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    สนามแม่เหล็ก พื้นที่ที่มีแรงกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่ ตัวนำที่มีกระแสไหล หรือวัสดุแม่เหล็ก
    ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก แรงต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยความยาวบนตัวนำตรงที่ตั้งฉากกับสนาม
    เทสลา ความหนาแน่นฟลักซ์ที่ทำให้เกิดแรง 1 นิวตัน บนตัวนำยาว 1 เมตร ที่ไหลกระแส 1 แอมแปร์ ตั้งฉากกับสนาม
    ฟลักซ์แม่เหล็ก ผลคูณของความหนาแน่นฟลักซ์กับพื้นที่ตั้งฉากกับสนาม, $\Phi = BA$
    การเชื่อมโยงฟลักซ์ ผลคูณของฟลักซ์ผ่านคอยล์กับจำนวนรอบของคอยล์, $N\Phi$
    เวย์เบอร์ เทสลาตารางเมตรหนึ่ง
    กฎฟาราเดย์ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำแปรผันตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของการเชื่อมโยงฟลักซ์
    กฎเลนซ์ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะกระทำในทิศทางที่ทำให้เกิดผลที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น
    แรงดันฮอลล์ แรงต่างศักย์ที่เกิดขึ้นข้ามแผ่นบางที่มีกระแสไหลในสนามแม่เหล็ก, $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$
    20.5

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Force on a current $F = BIL\sin\theta$; on a moving charge $F = BQv\sin\theta$; direction from Fleming's left-hand rule with the second finger along the conventional current (reverse it for an electron).
    • A charge moving at right angles to $B$ moves in a circle: $BQv = mv^{2}/r$, so $r = mv/(BQ)$ and $T = 2\pi m/(BQ)$, independent of speed. A component of $v$ along $B$ is unchanged: a helix.
    • Crossed fields: $v = E/B$ passes undeflected. Hall probe: $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$, largest with the slice at right angles to $B$; semiconductor because $n$ is small.
    • Induction: e.m.f. $=$ rate of change of flux linkage $N\Phi$ (Faraday); its direction opposes the change (Lenz). On a flux–time graph the e.m.f. is the gradient: constant change gives a constant e.m.f., no change gives zero.
    • Flux cutting: $\varepsilon = BLv$ for a conductor of length $L$ moving at $v$ at right angles to $B$ (area swept per second times $B$).
    • Definitions carry the words "per unit current per unit length", "at right angles", "area perpendicular to the field" and "rate of change of flux linkage": each is a mark.

    Common mistakes

    • Leaving "at right angles to the field" out of the definition of flux density, or defining the tesla without the 1 N, 1 m, 1 A.
    • Using the right hand for the force on a current (the left-hand rule), or pointing the second finger along the electron's motion instead of the conventional current.
    • Saying a stationary charge feels a magnetic force, or that a charge moving along the field lines does.
    • Explaining circular motion without saying the force is perpendicular to the velocity and constant in size; or claiming the magnetic force changes the speed.
    • Using the solenoid's area instead of the small coil's when finding its flux linkage.
    • Saying "a large flux induces an e.m.f.": only a changing flux linkage does. A coil at rest in a steady field has no e.m.f.
    • Quoting Lenz's law as "the current opposes the magnet" without "the change producing it", or Faraday's law without "rate of change" or without "flux linkage".
    • Drawing straight-wire field lines as evenly spaced circles or without arrows; drawing a solenoid's field lines crossing inside it.
    • Forgetting that doubling the current in one of two parallel wires doubles the force on both (Newton's third law).
    ไทย
    • แรงกระทำต่อกระแส $F = BIL\sin\theta$; ต่อประจุที่เคลื่อนที่ $F = BQv\sin\theta$; ทิศทางกำหนดโดย กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง โดยใช้นิ้วชี้ไปตาม กระแสปกติ (กลับด้านสำหรับอิเล็กตรอน).
    • ประจุที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับ $B$ จะเคลื่อนที่เป็นวงกลม: $BQv = mv^{2}/r$, ดังนั้น $r = mv/(BQ)$ และ $T = 2\pi m/(BQ)$, ไม่ขึ้นอยู่กับความเร็ว. องค์ประกอบของ $v$ ตาม $B$ จะไม่เปลี่ยนแปลง: เป็นเกลียว
    • สนามตัดกัน: $v = E/B$ ผ่านโดยไม่เบี่ยงเบน. ฮอลล์โพรบ: $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$, มากที่สุดเมื่อแผ่นบางตั้งฉากกับ $B$; เป็นสารกึ่งตัวนำเพราะ $n$ มีค่าน้อย
    • การเหนี่ยวนำ: แรงดันไฟฟ้า $=$ อัตราการเปลี่ยนแปลงของ การเชื่อมโยงฟลักซ์ $N\Phi$ (ฟาราเดย์); ทิศทางของมันต้านทานการเปลี่ยนแปลง (เลนซ์). บนกราฟฟลักซ์-เวลา แรงดันไฟฟ้าคือความชัน: การเปลี่ยนแปลงที่คงที่ให้แรงดันไฟฟ้าคงที่, ไม่มีการเปลี่ยนแปลงให้ค่าเป็นศูนย์
    • การตัดฟลักซ์: $\varepsilon = BLv$ สำหรับตัวนำยาว $L$ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $v$ ตั้งฉากกับ $B$ (พื้นที่ที่กวาดต่อวินาที คูณกับ $B$).
    • คำนิยามมีคำว่า "ต่อหน่วยกระแสต่อหน่วยความยาว", "ตั้งฉาก", "พื้นที่ตั้งฉากกับสนาม" และ "อัตราการเปลี่ยนแปลงของการเชื่อมโยงฟลักซ์": แต่ละคำคือคะแนน

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การละ "ตั้งฉากกับสนาม" ออกจากคำนิยามของความหนาแน่นฟลักซ์, หรือการนิยามเทสลาโดยไม่ระบุ 1 นิวตัน, 1 เมตร, 1 แอมแปร์
    • การใช้มือขวาสำหรับแรงกระทำต่อกระแส (กฎมือซ้าย), หรือการชี้ นิ้วชี้ ไปตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแทนกระแสปกติ
    • การอ้างว่าประจุที่หยุดนิ่งได้รับแรงแม่เหล็ก หรือประจุที่เคลื่อนที่ตามเส้นสนามแม่เหล็กได้รับแรง
    • การอธิบายการเคลื่อนที่วงกลมโดยไม่ระบุว่าแรงตั้งฉากกับความเร็วและมีขนาดคงที่; หรือการอ้างว่าแรงแม่เหล็กทำให้ความเร็วเปลี่ยนไป
    • การใช้พื้นที่ของโซเลนอยด์แทนพื้นที่ของขดลวดเล็กเมื่อหาค่าฟลักซ์ลิงก์
    • การอ้างว่า "ฟลักซ์มากทำให้เกิด e.m.f.": ต้องเป็น ฟลักซ์ที่เปลี่ยนแปลง เท่านั้นที่สร้าง e.m.f. ขดลวดที่อยู่นิ่งในสนามแม่เหล็กคงที่ไม่มี e.m.f.
    • การอ้างกฎของเลนส์ว่า "กระแสไฟจะต้านทานแม่เหล็ก" โดยขาดคำว่า "การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น", หรือกฎของฟาราเดย์โดยขาดคำว่า "อัตราการเปลี่ยนแปลง" หรือขาดคำว่า "ฟลักซ์ลิงก์"
    • การวาดเส้นสนามของสายตรงเป็นวงกลมที่ห่างเท่ากันหรือไร้ลูกศร; การวาดเส้นสนามของโซเลนอยด์ให้ตัดกันภายในตัวมันเอง
    • การลืม rằngหากเพิ่มกระแสไฟฟ้าเป็นสองเท่าในสายขนานเส้นหนึ่ง แรงที่กระทำต่อทั้งสองเส้นจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (กฎข้อที่สามของนิวตัน)
  • 21

    Alternating currents · ⁨กระแสสลับ⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    21.1

    Alternating current basics · ⁨หลักการของกระแสสลับ⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand and use the terms period, frequency and peak value as applied to an alternating current or voltage
    2. use equations of the form $x = x_0 \sin \omega t$ representing a sinusoidally alternating current or voltage
    3. recall and use the fact that the mean power in a resistive load is half the maximum power for a sinusoidal alternating current
    4. distinguish between root-mean-square (r.m.s.) and peak values and recall and use $I_{\text{r.m.s.}} = I_0 / \sqrt{2}$ and $V_{\text{r.m.s.}} = V_0 / \sqrt{2}$ for a sinusoidal alternating current
    ไทย
    1. เข้าใจและใช้พจน์ รอบ (period), ความถี่ (frequency) และ ค่าสูงสุด (peak value) กับ กระแสสลับ (alternating current) หรือแรงดันไฟฟ้า
    2. ใช้สมการรูปแบบ $x = x_0 \sin \omega t$ ที่แสดงถึงกระแสสลับหรือแรงดันไฟฟ้าแบบไซน์ (sinusoidal alternating current or voltage)
    3. จำและใช้ข้อเท็จจริงว่า กำลังไฟเฉลี่ย (mean power) ในโหลดตัวต้านทานเป็นครึ่งหนึ่งของกำลังไฟสูงสุดสำหรับกระแสสลับแบบไซน์
    4. แยกแยะระหว่าง ค่า-root-mean-square (r.m.s.) และ ค่าสูงสุด (peak values) และจำและใช้ $I_{\text{r.m.s.}} = I_0 / \sqrt{2}$ และ $V_{\text{r.m.s.}} = V_0 / \sqrt{2}$ สำหรับกระแสสลับแบบไซน์

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    An alternating current 交流电 (a.c.) keeps reversing direction. Mains supply is sinusoidal a.c.: $I$ or $V$ follows a sine wave in time:

    $$I = I_{0} \sin (\omega t), \qquad V = V_{0} \sin (\omega t).$$

    (For a purely resistive load the voltage 电压 and current 电流 are in phase, which is the case in this syllabus.)

    Key terms

    • period 周期 $T$ — the time for one full cycle. Unit: s.
    • frequency 频率 $f$ — cycles per second; $f = 1/T$. Mains is often $50\ \text{Hz}$ or $60\ \text{Hz}$.
    • angular frequency 角频率 $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$.
    • peak value 峰值 $I_{0}$ or $V_{0}$ — the largest value in a cycle (also called the amplitude).
    • peak-to-peak value 峰峰值 $2 I_{0}$ — from $+I_{0}$ to $-I_{0}$. Useful when reading an oscilloscope.

    The two-mark definitions. The frequency of an alternating current is the number of complete cycles per unit time (say "per second" or "per unit time", and "complete cycles" or "oscillations"). The period is the time for one complete cycle, and the peak value is the maximum value of the current or voltage during a cycle. Note that the mean value of a sinusoidal current over a cycle is zero, which is exactly why the r.m.s. value is needed to describe it.

    Reading the equation. In $V = V_{0} \sin(\omega t)$ the number in front is the peak value and the number multiplying $t$ is $\omega = 2\pi f$; the angle $\omega t$ is in radians 弧度, so set the calculator to radians before evaluating. A supply written with $\cos$ instead of $\sin$ is the same wave starting at its peak rather than at zero.

    Worked example. The output of a supply is $V = 320 \sin(100\pi t)$ (volts, seconds). Find the peak value, the frequency, the period and the r.m.s. value, and the first time after $t = 0$ at which $V = 160\ \text{V}$.

    Peak $V_{0} = 320\ \text{V}$. $\omega = 100\pi\ \text{rad s}^{-1}$, so $f = \omega/2\pi = 50\ \text{Hz}$ and $T = 1/f = 0.020\ \text{s}$. $V_{\text{r.m.s.}} = 320/\sqrt{2} = 226\ \text{V}$. For $V = 160\ \text{V}$: $\sin(100\pi t) = 0.5$, so $100\pi t = \pi/6$ and $t = 1/600 = 1.7 \times 10^{-3}\ \text{s}$. (For $V = 18\cos(40\pi t)$ the same reading gives $V_{0} = 18\ \text{V}$, $f = 20\ \text{Hz}$, $T = 50\ \text{ms}$, and a sketch that starts at $+18\ \text{V}$.)

    Reading a CRO trace

    Same as for any wave (Topic 7), using a cathode-ray oscilloscope 示波器:

    • horizontal divisions × time-base 时基 → period $T$, so $f = 1/T$.
    • vertical divisions × $y$-gain → peak voltage $V_{0}$ (measure centre to peak, or peak-to-peak then halve).
    ไทย
    สถานีไฟฟ้าแรงสูงพร้อมหม้อแปลง
    หม้อแปลงในสถานีแปลงไฟฟ้าช่วยเพิ่มหรือลดแรงดันสลับ

    กระแสสลับ (a.c.) จะกลับทิศทางตลอดเวลา การจ่ายไฟจากสายส่งหลักเป็น a.c. แบบไซน์: $I$ หรือ $V$ มีรูปแบบเป็นคลื่นไซน์ตามเวลา:

    $$I = I_{0} \sin (\omega t), \qquad V = V_{0} \sin (\omega t).$$

    (สำหรับโหลดแบบต้านทานบริสุทธิ์ แรงดัน และ กระแส จะมีเฟสเดียวกัน ซึ่งเป็นกรณีตามหลักสูตรนี้)

    กราฟสองแบบระหว่างกระแส-เวลา: เส้นแนวนอนคงที่สำหรับกระแสตรง, และคลื่นไซน์ของกระแสสูงสุด I0 และรอบ T สำหรับกระแสสลับ
    การเปรียบเทียบกระแสตรงที่คงที่กับกระแสสลับแบบไซน์ที่มีค่าสูงสุด $I_0$ และคาบ $T$

    คำศัพท์สำคัญ

    • คาบ $T$ — เวลาที่ใช้สำหรับการครบหนึ่งรอบเต็ม หน่วย: วินาที (s)
    • ความถี่ $f$ — จำนวนรอบต่อนาที; $f = 1/T$. การจ่ายไฟจากสายส่งหลักมักจะเป็น $50\ \text{Hz}$ หรือ $60\ \text{Hz}$
    • ความถี่เชิงมุม $\omega = 2\pi f = 2\pi/T$
    • ค่าสูงสุด $I_{0}$ หรือ $V_{0}$ — ค่าที่ใหญ่ที่สุดในหนึ่งรอบ (เรียกว่า ความสูงด้วย)
    • giá trị đỉnh-đỉnh $2 I_{0}$ — từ $+I_{0}$ đến $-I_{0}$. Hữu ích khi đọc máy hiện thị sóng.

    นิยามที่ 2 คะแนน. ความถี่ของกระแสสลับคือจำนวนรอบเต็มต่อหน่วยเวลา (พูดว่า "ต่อนาที" หรือ "ต่อหน่วยเวลา" และ "รอบเต็ม" หรือ "การสั่น") คาบคือเวลาสำหรับการครบหนึ่งรอบเต็ม, และ ค่าสูงสุดคือค่าสูงสุดของกระแสหรือแรงดันในช่วงหนึ่งรอบ หมายเหตุว่า ค่าเฉลี่ย ของกระแสแบบไซน์ตลอดหนึ่งรอบเป็น ศูนย์, ซึ่งนี่คือเหตุผลที่จำเป็นต้องใช้ค่า r.m.s. เพื่ออธิบายมัน

    Đọc phương trình. Trong $V = V_{0} \sin(\omega t)$, số đứng trước là giá trị đỉnh và số nhân với $t$ là $\omega = 2\pi f$; góc $\omega t$ tính bằng radian, vì vậy hãy đặt máy tính ở chế độ radian trước khi tính toán. Một nguồn điện viết với $\cos$ thay vì $\sin$ là cùng một sóng bắt đầu từ đỉnh thay vì từ không.

    **ตัวอย่างวิธีทำ.**เอาต์พุตของการจ่ายไฟคือ $V = 320 \sin(100\pi t)$ (โวลต์, วินาที) หา ค่าสูงสุด, ความถี่, คาบ และค่า r.m.s.,以及我第一次ใน $t = 0$之后 $V = 160\ \text{V}$发生的时间。

    ค่าสูงสุด $V_{0} = 320\ \text{V}$. $\omega = 100\pi\ \text{rad s}^{-1}$, ดังนั้น $f = \omega/2\pi = 50\ \text{Hz}$ และ $T = 1/f = 0.020\ \text{s}$. $V_{\text{r.m.s.}} = 320/\sqrt{2} = 226\ \text{V}$. สำหรับ $V = 160\ \text{V}$: $\sin(100\pi t) = 0.5$, ดังนั้น $100\pi t = \pi/6$ และ $t = 1/600 = 1.7 \times 10^{-3}\ \text{s}$. (สำหรับ $V = 18\cos(40\pi t)$ การอ่านค่าเดียวกันจะได้ $V_{0} = 18\ \text{V}$, $f = 20\ \text{Hz}$, $T = 50\ \text{ms}$, และภาพร่างที่เริ่มต้นที่ $+18\ \text{V}$)

    การอ่านเทรสจากเครื่องวัดสัญญาณไฟฟ้า

    เหมือนกับการอ่านคลื่นใดๆ (หัวข้อ 7), โดยใช้ ออสซิลโลสโคปrorsay: cathode-ray oscilloscope:

    • จำนวนช่องแนวนอน × ฐานเวลา → คาบ $T$, ดังนั้น $f = 1/T$
    • จำนวนช่องแนวตั้ง × $y$-เกน → แรงดันสูงสุด $V_{0}$ (วัดจากกึ่งกลางไปยังยอด, หรือวัดสูงสุดถึงสูงสุดแล้วหารสอง)
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Alternating current · ⁨กระแสไฟฟ้าสลับ⁩

    I = a sin(bt)

    AC is a sine wave — amplitude is the peak, b sets the frequency. · ⁨AC เป็นคลื่น ไซน์ — แอมพลิจูดคือจุดสูงสุด, b กำหนดความถี่⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    cathode-ray oscilloscope/ˈkæθəʊd reɪ ɒˈsɪləskəʊp/ ออสซิลโลสโคปรังสีแคโทด
    time-base/taɪm beɪs/ ฐานเวลา
    21.1

    Power delivered to a resistor · ⁨กำลังไฟที่ส่งให้กับตัวต้านทาน⁩

    English

    For a resistive load $R$, the instant power 功率 is $P(t) = I(t)^{2} R$. With $I = I_{0}\sin(\omega t)$:

    $$P(t) = I_{0}^{2} R \sin^{2}(\omega t).$$

    This is always positive, with peak $I_{0}^{2} R$ and minimum zero, oscillating at twice the frequency of $I$. The mean of $\sin^{2}(\omega t)$ over a cycle is $\tfrac{1}{2}$, so the average power is

    $$\langle P \rangle = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R = \tfrac{1}{2} P_{\text{peak}}.$$

    Average a.c. power in a resistor is half the peak power.

    "Show by calculation that the mean power is half the peak power." A supply of peak value $12\ \text{V}$ drives a $680\ \Omega$ resistor. Peak power: $P_{0} = V_{0}^{2}/R = 12^{2}/680 = 0.212\ \text{W}$, the instantaneous power at the moment the voltage is at its peak. Mean power: use the r.m.s. value, $V_{\text{r.m.s.}} = 12/\sqrt{2} = 8.49\ \text{V}$, so $\langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 8.49^{2}/680 = 0.106\ \text{W}$, exactly half. The two calculations must be shown separately; writing "$\tfrac{1}{2}$ of $0.212$" scores nothing, because that is the thing being shown. The $\tfrac{1}{2}$ is $(1/\sqrt{2})^{2}$: squaring the r.m.s. factor.

    ไทย

    สำหรับโหลดแบบต้านทาน $R$, กำลัง ทันทีคือ $P(t) = I(t)^{2} R$. เมื่อมี $I = I_{0}\sin(\omega t)$:

    กำลังในตัวต้านทานมีการผันแปร; ค่าเฉลี่ยของมันคือครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด
    กำลังในตัวต้านทานมีการผันแปร; ค่าเฉลี่ยของมันคือครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด
    $$P(t) = I_{0}^{2} R \sin^{2}(\omega t).$$

    สิ่งนี้จะเป็นบวกเสมอ โดยมีค่าสูงสุด $I_{0}^{2} R$ และค่าต่ำสุดเป็นศูนย์, สั่นที่ความถี่สองเท่าของ $I$. ค่าเฉลี่ยของ $\sin^{2}(\omega t)$ ตลอดหนึ่งรอบคือ $\tfrac{1}{2}$, ดังนั้น กำลังเฉลี่ย คือ

    $$\langle P \rangle = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R = \tfrac{1}{2} P_{\text{peak}}.$$

    กำลังสลับเฉลี่ยในตัวต้านทานคือ ครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด

    "แสดงด้วยการคำนวณว่ากำลังเฉลี่ยเป็นครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด" การจ่ายไฟที่มีค่าสูงสุด $12\ \text{V}$ ขับเคลื่อนตัวต้านทาน $680\ \Omega$. กำลังสูงสุด: $P_{0} = V_{0}^{2}/R = 12^{2}/680 = 0.212\ \text{W}$, ซึ่งเป็นกำลังทันทีในขณะที่แรงดันอยู่ที่จุดสูงสุด. กำลังเฉลี่ย: ใช้ค่า r.m.s., $V_{\text{r.m.s.}} = 12/\sqrt{2} = 8.49\ \text{V}$, ดังนั้น $\langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 8.49^{2}/680 = 0.106\ \text{W}$, พอดีครึ่งหนึ่ง. การคำนวณทั้งสองต้องแสดงแยกกัน; การเขียนว่า "$\tfrac{1}{2}$ ของ $0.212$" ไม่ได้คะแนน, เพราะนั่นคือสิ่งที่ต้องการพิสูจน์. การ $\tfrac{1}{2}$ คือ $(1/\sqrt{2})^{2}$: การยกกำลังสองของปัจจัย r.m.s.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    21.1

    Root-mean-square (r.m.s.) values · ⁨ค่า root-mean-square (r.m.s.)⁩

    English

    The r.m.s. current $I_{\text{r.m.s.}}$ is the steady direct current that would give the same average power in the same resistance 电阻 $R$. From $\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$:

    $$I_{\text{r.m.s.}} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}}, \qquad V_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}.$$

    Worked example. An a.c. supply has a peak voltage of $12\ \text{V}$. Find its r.m.s. voltage.

    $$V_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}} = \frac{12}{\sqrt{2}} \approx 8.5\ \text{V}.$$

    The $\sqrt{2}$ comes from the name root-mean-square 均方根: $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle I^{2} \rangle}$ and $\langle \sin^{2}\rangle = \tfrac{1}{2}$. (Only the sinusoidal case is needed.)

    The two-mark definition. The r.m.s. value of an alternating current is the value of the direct (steady) current that would dissipate the same (mean) power in the same resistor. "By reference to the heating effect" means exactly this sentence: same resistor, same power (or same heating), direct current. A definition that only says "$I_{0}/\sqrt{2}$" scores nothing, because that formula is true only for a sine wave.

    Worked example (non-sinusoidal). A current through a resistor is $+2.0\ \text{A}$ for the first half of each cycle and $-1.0\ \text{A}$ for the second half, a square wave 方波. Find its r.m.s. value and the mean power in a $10\ \Omega$ resistor.

    Square the current: $4.0\ \text{A}^{2}$ for half the time and $1.0\ \text{A}^{2}$ for the other half, so the mean square is $(4.0 + 1.0)/2 = 2.5\ \text{A}^{2}$ and $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.5} = 1.6\ \text{A}$. Mean power $= I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = 2.5 \times 10 = 25\ \text{W}$. The sign of the current does not matter to the heating (it is squared away), and $I_{0}/\sqrt{2}$ would have given the wrong answer, $1.4\ \text{A}$: that shortcut is for sine waves only.

    Why r.m.s. matters

    Quoted a.c. values are r.m.s. values. "$230\ \text{V}$ mains" means $V_{\text{r.m.s.}} = 230\ \text{V}$, with peak $V_{0} = 230\sqrt{2} \approx 325\ \text{V}$. Components must be rated for the peak, not the r.m.s. Average power then takes the d.c. form:

    $$\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = V_{\text{r.m.s.}}^{2} / R = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}}.$$

    Worked example. A heater of resistance $50\ \Omega$ is connected to the $230\ \text{V}$ r.m.s. mains. Find the r.m.s. current and the average power dissipated.

    $$I_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{\text{r.m.s.}}}{R} = \frac{230}{50} = 4.6\ \text{A}, \qquad \langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}} = 230 \times 4.6 \approx 1.1 \times 10^{3}\ \text{W}.$$

    Worked example. A sinusoidal supply of r.m.s. value $4.2\ \text{V}$ and frequency $50\ \text{kHz}$ is connected across a $150\ \Omega$ resistor. Find the peak current, the mean power, and write down an equation for the current.

    $V_{0} = 4.2\sqrt{2} = 5.9\ \text{V}$, so $I_{0} = V_{0}/R = 5.9/150 = 0.040\ \text{A}$ (or $I_{\text{r.m.s.}} = 4.2/150 = 0.028\ \text{A}$ and then $\times\sqrt{2}$). Mean power $= V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 4.2^{2}/150 = 0.12\ \text{W}$. With $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 5.0 \times 10^{4} = 3.1 \times 10^{5}\ \text{rad s}^{-1}$: $I = 0.040 \sin(3.1 \times 10^{5} t)$ (amps, seconds). Keep the two families apart: peak values go into the equation and into component ratings; r.m.s. values go into power.

    ไทย

    กระแส r.m.s. $I_{\text{r.m.s.}}$ คือ กระแสตรงคงที่ ที่จะให้กำลังเฉลี่ยเท่ากันใน ความต้านทาน เดียวกัน $R$. จาก $\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$:

    $$I_{\text{r.m.s.}} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}}, \qquad V_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}}.$$
    แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับรูปไซน์ที่มีค่าสูงสุด V0, มีเส้นประแนวนอนที่ V0 หารด้วยราก 2 เพื่อแสดงค่า r.m.s. — ระดับกระแสตรงที่ให้ความร้อนเฉลี่ยเท่ากัน
    ค่า r.m.s. คือระดับ d.c. ที่คงที่ ($V_0/\sqrt{2}$) ที่ส่งกำลังเฉลี่ยเท่ากับ a.c.

    ตัวอย่างวิธีทำ. การจ่ายไฟ a.c. มีแรงดันสูงสุด $12\ \text{V}$ หาแรงดัน r.m.s. ของมัน

    $$V_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{0}}{\sqrt{2}} = \frac{12}{\sqrt{2}} \approx 8.5\ \text{V}.$$

    $\sqrt{2}$ มาจากชื่อ root-mean-square: $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle I^{2} \rangle}$ และ $\langle \sin^{2}\rangle = \tfrac{1}{2}$. (ต้องใช้เฉพาะกรณีแบบไซน์)

    นิยามสำหรับ 2 คะแนน. ค่า r.m.s. ของกระแสสลับ คือ ค่าของกระแสตรง (กระแสคงที่) ที่จะทำให้เกิดกำลังความร้อนเท่ากันในตัวต้านทานเดียวกัน. "การอ้างอิงถึงผลของการทำความร้อน" หมายถึงประโยคนี้เป๊ะๆ: ตัวต้านทานเดียวกัน, กำลังเท่ากัน (หรือความร้อนเท่ากัน), กระแสตรง. นิยามที่บอกแค่ว่า "$I_{0}/\sqrt{2}$" จะไม่มีคะแนนเลย เพราะสูตรนั้นเป็นจริงเฉพาะคลื่นไซน์เท่านั้น.

    กราฟสองเส้น: กระแสคลื่นสี่เหลี่ยมที่เป็นบวก 2 แอมป์ครึ่งหนึ่งและลบ 1 แอมป์อีกครึ่งหนึ่ง, และกำลังสองของมันคือ 4 และ 1, โดยมีค่าเฉลี่ยกำลังสองอยู่ที่ 2.5 ชี้ไว้; รากของค่าเฉลี่ยกำลังสองคือ 1.6 แอมป์
    ราก-เฉลี่ย-กำลังสอง, อ่านตามตัวอักษร: ยกกำลังสองกระแส, หาค่าเฉลี่ยของกำลังสองตลอดรอบ, แล้วถอดรากที่สอง. สำหรับกระแสที่ไม่ใช่รูปทรงคลื่นไซน์ นี่คือวิธีเดียว; $I_0/\sqrt{2}$ ใช้ได้กับคลื่นไซน์เท่านั้น

    ตัวอย่างวิธีทำ (ไม่ใช่วิธีกำหนดรูปแบบคลื่นไซน์). กระแสไหลผ่านตัวต้านทานมีค่า $+2.0\ \text{A}$ ในครึ่งแรกของแต่ละรอบ และ $-1.0\ \text{A}$ ในครึ่งหลัง, ซึ่งเป็น คลื่นสี่เหลี่ยม. จงหาค่า r.m.s. และกำลังเฉลี่ยในตัวต้านทานขนาด $10\ \Omega$

    ยกกำลังสองกระแส: $4.0\ \text{A}^{2}$ เป็นเวลาครึ่งหนึ่ง และ $1.0\ \text{A}^{2}$ เป็นเวลาอีกครึ่งหนึ่ง, ดังนั้นค่าเฉลี่ยกำลังสองคือ $(4.0 + 1.0)/2 = 2.5\ \text{A}^{2}$ และ $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.5} = 1.6\ \text{A}$. กำลังเฉลี่ย $= I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = 2.5 \times 10 = 25\ \text{W}$. สัญญาณของกระแสไม่สำคัญต่อการทำความร้อน (เพราะถูกยกกำลังสองไปหมดแล้ว), และ $I_{0}/\sqrt{2}$ จะให้คำตอบผิด, $1.4\ \text{A}$: ทางลัดนี้ใช้ได้เฉพาะคลื่นไซน์เท่านั้น.

    ทำไมต้อง r.m.s.

    ค่า a.c. ที่ระบุมาคือค่า r.m.s. "$230\ \text{V}$ ไฟฟ้าจาก电网" หมายความว่า $V_{\text{r.m.s.}} = 230\ \text{V}$, ซึ่งค่าสูงสุดจะอยู่ที่ $V_{0} = 230\sqrt{2} \approx 325\ \text{V}$. ส่วนประกอบต้องทนต่อค่าสูงสุด ไม่ใช่ค่า r.m.s. กำลังเฉลี่ยจึงใช้รูปแบบ d.c. ดังนี้:

    $$\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = V_{\text{r.m.s.}}^{2} / R = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. เครื่องทำความร้อนมีความต้านทาน $50\ \Omega$ เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ mains r.m.s. ขนาด $230\ \text{V}$. จงหากระแส r.m.s. และกำลังเฉลี่ยที่สูญเสีย

    $$I_{\text{r.m.s.}} = \frac{V_{\text{r.m.s.}}}{R} = \frac{230}{50} = 4.6\ \text{A}, \qquad \langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}} = 230 \times 4.6 \approx 1.1 \times 10^{3}\ \text{W}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. แหล่งจ่ายรูปทรงคลื่นไซน์ที่มีค่า r.m.s. เท่ากับ $4.2\ \text{V}$ และความถี่ $50\ \text{kHz}$ เชื่อมต่อข้ามตัวต้านทานขนาด $150\ \Omega$. จงหากระแสสูงสุด, กำลังเฉลี่ย, และเขียนสมการสำหรับกระแส

    $V_{0} = 4.2\sqrt{2} = 5.9\ \text{V}$, ดังนั้น $I_{0} = V_{0}/R = 5.9/150 = 0.040\ \text{A}$ (หรือ $I_{\text{r.m.s.}} = 4.2/150 = 0.028\ \text{A}$ แล้วตามด้วย $\times\sqrt{2}$). กำลังเฉลี่ย $= V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 4.2^{2}/150 = 0.12\ \text{W}$. เมื่อใช้ $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 5.0 \times 10^{4} = 3.1 \times 10^{5}\ \text{rad s}^{-1}$: จะได้ $I = 0.040 \sin(3.1 \times 10^{5} t)$ (แอมป์, วินาที). Keep the two families apart: ค่าสูงสุดนำไปใส่ในสมการและในการกำหนดคุณสมบัติของส่วนประกอบ; ค่า r.m.s. นำไปใช้คำนวณกำลัง

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    root-mean-square/ruːt miːn skweə/ รากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย
    square wave/skweə weɪv/ คลื่นสี่เหลี่ยม
    21.2

    Rectification · ⁨การเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรง (Rectification)⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. distinguish graphically between half-wave and full-wave rectification
    2. explain the use of a single diode for the half-wave rectification of an alternating current
    3. explain the use of four diodes (bridge rectifier) for the full-wave rectification of an alternating current
    4. analyse the effect of a single capacitor in smoothing, including the effect of the values of capacitance and the load resistance
    ไทย
    1. แยกแยะระหว่าง การเปลี่ยนรูปครึ่งคลื่น (half-wave) และ การเปลี่ยนรูปเต็มคลื่น (full-wave rectification) แบบกราฟ
    2. อธิบายการใช้ไดโอดเดียวสำหรับการเปลี่ยนรูปครึ่งคลื่นของกระแสสลับ
    3. อธิบายการใช้ไดโอดสี่ตัว (บริดจ์เรกติฟายเออร์, bridge rectifier) สำหรับการเปลี่ยนรูปเต็มคลื่นของกระแสสลับ
    4. วิเคราะห์ผลกระทบของตัวเก็บประจุเดียวในการทำให้เรียบ (smoothing) รวมถึงผลกระทบของค่าความจุและ ความต้านทานโหลด (load resistance)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Rectification 整流 turns an alternating voltage into a one-direction (d.c.-like) voltage, using diodes 二极管 (which conduct in only one direction).

    "State what is meant by rectification." The conversion of an alternating current (or voltage) into a direct current (or voltage): one that flows in one direction only, however much it varies. A diode conducts only when it is forward-biased 正向偏置, that is, when its anode (the flat end of the symbol's triangle) is more positive than its cathode (the bar); otherwise it is reverse-biased and behaves like an open switch. Treat it as ideal: zero resistance one way, infinite the other.

    Half-wave rectification

    A single diode in series with the load passes only the positive half of each cycle; in the negative half the diode is reverse-biased 反向偏置 and no current flows. This is half-wave rectification 半波整流.

    Output: positive half-waves with flat zero gaps. The mean output is $V_{0}/\pi \approx 0.32 V_{0}$. Drawback: half the input is wasted and the output is very uneven.

    Completing the circuit. "Complete the diagram to produce half-wave rectification" needs one diode in series between the supply and the load, with the triangle pointing the way the output current must flow, and $V_{\text{OUT}}$ taken across the load. If a capacitor is to smooth the output it goes across the load (in parallel); a capacitor in series would block the d.c. altogether.

    Full-wave rectification (bridge rectifier)

    A bridge rectifier 桥式整流器 uses four diodes arranged so the current through the load always flows the same way, whichever a.c. terminal is positive — full-wave rectification 全波整流. On each half-cycle a different pair of diodes conducts, but the load always sees the same direction.

    Explaining the bridge (the standard four-marker). When terminal P is positive, current leaves P, passes through the diode pointing away from P to the top of the load, flows down through the load and returns to Q through the diode pointing towards Q; the other two diodes are reverse-biased and carry nothing. When Q is positive the other pair conducts, but they are arranged so that the current still enters the load at the top: the load current is in the same direction in both half-cycles. Name the diodes in each half-cycle and say which end of the load is positive.

    Completing a bridge. Given a bridge with diodes missing, remember the rule for every diode: conventional current flows through it in the direction of the triangle. Both diodes joined to the positive output terminal must point towards it; both joined to the negative output terminal must point away from it. A bridge with a diode the wrong way round either short-circuits the supply on one half-cycle or passes nothing.

    Output: a continuous run of positive half-waves (no gaps), at twice the input frequency. The mean output is $2V_{0}/\pi \approx 0.64 V_{0}$ — double the half-wave value. It uses all the input and is smoother and easier to filter.

    Drawing the diagrams

    • half-wave: a.c. source — single diode — load $R$, in series.
    • full-wave bridge: four diodes as the arms of a "diamond"; the a.c. input goes to one pair of opposite corners, the load $R$ across the other pair. The diode directions make the load terminals keep the same polarity for either input polarity.

    "State the difference between half-wave and full-wave rectification." In half-wave rectification only one half of each input cycle appears at the output and the other half is blocked (the output is zero for half the time); in full-wave rectification both halves appear, one of them inverted, so there are no gaps and the output has twice the input frequency. A sketch should show, for half-wave, positive humps separated by flat zero sections of equal length; for full-wave, positive humps joined at the zero line.

    ไทย
    สัญญาณบนหน้าจอออสซิลโลสโคป
    ออสซิลโลสโคปแสดงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าตามเวลา

    การเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรง (Rectification) เปลี่ยนแรงดันสลับให้เป็นแรงดันทิศทางเดียว (คล้าย d.c.) โดยใช้ ไดโอด (ซึ่งนำกระแสได้เพียงทิศทางเดียว)

    "ระบุความหมายของการเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรง (Rectification)." การแปลงกระแสสลับ (หรือแรงดันสลับ) ให้เป็นกระแสตรง (หรือแรงดันตรง):即.current that flows in one direction only, however much it varies. A diode conducts only when it is forward-biased, that is, when its anode (the flat end of the symbol's triangle) is more positive than its cathode (the bar); otherwise it is reverse-biased and behaves like an open switch. Treat it as ideal: zero resistance one way, infinite the other.

    การเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสแบบครึ่งรอบ (Half-wave rectification)

    ไดโอดหนึ่งตัว เชื่อมอนุกรมกับโหลดจะส่งผ่านเพียงครึ่งบวกของแต่ละรอบ; ในครึ่งลบ ไดโอดจะเป็น reverse-biased และไม่มีการไหลของกระแส. นี่คือ half-wave rectification

    เอาต์พุต: คลื่นบวกครึ่งรอบพร้อมช่องว่างศูนย์ราบเรียบ. ค่าเฉลี่ยเอาต์พุตคือ $V_{0}/\pi \approx 0.32 V_{0}$. ข้อเสีย: ข้อมูลเข้าครึ่งหนึ่งถูกทิ้งไปและเอาต์พุตไม่สม่ำเสมอมาก

    กราฟสองเส้น: แรงดัน-เวลา: อินพุตคือคลื่นไซน์เต็ม; เอาต์พุตเก็บเฉพาะครึ่งบวกพร้อมช่องว่างราบเรียบเมื่อครึ่งลบถูกตัด
    在半波整流中,单个二极管只通过正半周期
    วงจร half-wave rectifier: แหล่งจ่าย a.c., ไดโอดแบบอนุกรม, และตัวต้านทานโหลดที่วัดเอาต์พุต, พร้อมตัวเก็บประจุ smoothing画的ขนานกับโหลด
    Half-wave rectifier ที่ข้อสอบขอให้วาด: แหล่งจ่าย, ไดโอด, โหลดแบบอนุกรม, เอาต์พุตข้ามโหลด; ตัวเก็บประจุ smoothing, ถ้าต้องการ, จะวางขนานกับโหลด ไม่เคยวางแบบอนุกรม

    การเติมเต็มวงจร. "เติมเต็มแผนภาพเพื่อสร้าง half-wave rectification" ต้องใช้ไดโอดหนึ่งตัวใน แบบอนุกรม ระหว่างแหล่งจ่ายและโหลด, โดยสามเหลี่ยมชี้ไปในทิศทางการไหลของกระแสเอาต์พุต, และ $V_{\text{OUT}}$ วัดข้าม โหลด. หากต้องการใช้ตัวเก็บประจุเพื่อทำให้เอาต์พุตเรียบขึ้น จะวาง ข้ามโหลด (ขนาน); ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมจะขัดขวางกระแส d.c. ทั้งหมด

    การเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสแบบเต็มรอบ (Full-wave rectification) (Bridge rectifier)

    Bridge rectifier ใช้ ไดโอดสี่ตัว จัดเรียงเพื่อให้กระแสไหลผ่านโหลดในทิศทางเดิมเสมอ ไม่ว่าขั้ว a.c. ขาไหนจะเป็นบวก — full-wave rectification. ในแต่ละครึ่งรอบ会有不同的两个二极管导通, แต่โหลดจะเห็นทิศทางเดียวกันเสมอ

    Four diodes arranged in a diamond between the a.c. input terminals P and Q and the load R; diodes 1 and 2 conduct on one half-cycle, 3 and 4 on the other, so the d.c. output keeps the same polarity
    A four-diode bridge sends the load current the same way whichever a.c. terminal is positive

    อธิบาย Bridge (มาตรฐาน 4 คะแนน). เมื่อขั้ว P เป็นบวก, กระแสออกจาก P, ผ่านไดโอดที่ชี้ห่างจาก P ไปยัง ด้านบน ของโหลด, ไหล ลง ผ่านโหลด และกลับไปยัง Q ผ่านไดโอดที่ชี้เข้าหา Q; ไดโอดอีกสองตัวจะเป็น reverse-biased และไม่มีการไหลของกระแส. เมื่อ Q เป็นบวก, คู่ที่เหลือจะ导通, แต่จัดวาง έτσιว่ากระแสยังคงเข้าสู่โหลดจากด้านบน: กระแสโหลดอยู่ใน ทิศทางเดียวกัน ทั้งสองครึ่งรอบ. ระบุชื่อไดโอดในแต่ละครึ่งรอบและบอกว่าด้านใดของโหลดเป็นบวก

    การต่อวงจรบริดจ์ไดโอด เมื่อมีไดโอดขาดหายไป ให้จำกฎของไดโอดทุกตัว: กระแสไฟแบบคอนเวนชันจะไหลผ่านไดโอดไปในทิศทางเดียวกับสามเหลี่ยม ไดโอดทั้งสองที่ต่อกับขั้ว บวก ของเอาต์พุตต้องชี้เข้าหาขั้วนั้น; ไดโอดทั้งสองที่ต่อกับขั้ว ลบ ของเอาต์พุตต้องชี้ออกจากขั้วนั้น หากไดโอดในบริดจ์ติดกลับด้าน จะทำให้แหล่งจ่ายไฟฟ้าลัดวงจรในช่วงครึ่งรอบหนึ่ง หรือไม่มีการส่งกระแสเลย

    เอาต์พุต: เป็นชุดของครึ่งคลื่นบวกต่อเนื่อง (ไม่มีช่วงว่าง) ที่ความถี่เป็น สองเท่าของความถี่อินพุต ค่าเฉลี่ยของเอาต์พุตคือ $2V_{0}/\pi \approx 0.64 V_{0}$ — เป็นสองเท่าของค่าครึ่งคลื่น ใช้พลังงานอินพุตทั้งหมดและมีความเรียบกว่า ทำให้กรองสัญญาณได้ง่ายขึ้น

    กราฟแรงดัน-เวลาสองชุด: อินพุตเป็นคลื่นไซน์เต็ม; เอาต์พุตเป็นชุดของลูกศรบวกต่อเนื่องไม่มีช่วงว่าง ที่ความถี่เป็นสองเท่าของอินพุต
    ในการปรับกระแสสลับให้เป็นกระแสตรงแบบเต็มคลื่น ทุกครึ่งรอบจะถูกใช้ ทำให้เกิดชุดของลูกศรบวกต่อเนื่อง

    การวาดแผนภาพ

    • ครึ่งคลื่น: แหล่งจ่าย a.c. — ไดโอดตัวเดียว —โหลด $R$, ต่ออนุกรมกัน
    • บริดจ์เต็มคลื่น: ไดโอดสี่ตัวเป็นแขนของรูป "เพชร"; อินพุต a.c. เข้าคู่มุมตรงข้ามหนึ่งคู่ โหลด $R$ เชื่อมข้ามคู่มุมตรงข้ามอีกคู่ ทิศทางของไดโอดทำให้ขั้วโหลดคงความเป็นขั้วเดียวกันไม่ว่า极性อินพุตจะเป็นอย่างไร

    "ระบุความแตกต่างระหว่าง HALF-WAVE และ FULL-WAVE RECTIFICATION" ในการปรับกระแสแบบ HALF-WAVE มีเพียง ครึ่งหนึ่งของ รอบอินพุตแต่ละรอบที่ปรากฏที่เอาต์พุต และอีกครึ่งถูกกั้น (เอาต์พุตเป็นศูนย์ครึ่งหนึ่งของเวลา); ใน HALF-WAVE RECTIFICATION ทั้งสองครึ่ง ปรากฏ出来 โดยครึ่งหนึ่งกลับด้าน ดังนั้นจึงไม่มีช่วงว่าง และเอาต์พุตมีความถี่เป็นสองเท่าของอินพุต ภาพร่างควรแสดง สำหรับ HALF-WAVE เป็นลูกศรบวกแยกด้วยส่วนที่เป็นศูนย์ราบยาวเท่ากัน; สำหรับ FULL-WAVE เป็นลูกศรบวกเชื่อมต่อกันที่เส้นศูนย์

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Rectifier and smoothing route · ⁨เส้นทางไดโอดและลดคลื่นรบกวน⁩

    Watch alternating input become a smoother direct output. · ⁨สังเกตกระแสสลับเข้า就变成了เรียบขึ้นเป็นกระแสตรงออก⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ กระแสสลับ
    current/ˈkʌrənt/ 电流的属性
    voltage/ˈvəʊltɪdʒ/ แรงดันไฟฟ้า
    load/ləʊd/ น้ำหนัก
    period/ˈpɪərɪəd/ รอบ
    frequency/ˈfriːkwənsi/ ความถี่
    angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ ความถี่เชิงมุม
    peak value/piːk ˈvæljuː/ ค่าสูงสุด
    peak-to-peak value/piːk tə piːk ˈvæljuː/ ค่าสูงสุดถึงต่ำสุด
    radians/ˈreɪdɪənz/ เรเดียน
    resistance/rɪˈzɪstəns/ ความต้านทาน
    rectification/ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ การปรับรูปคลื่น
    diode/ˈdaɪəʊd/ ไดโอด
    forward-biased/ˈfɔːwəd ˈbaɪəst/ ไบয়াส์ด้านหน้า
    reverse-biased/rɪˈvɜːs ˈbaɪəst/ ไบয়াส์ด้านหลัง
    half-wave rectification/hɑːf weɪv ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ การเปลี่ยนรูปคลื่นครึ่ง
    smoothing/ˈsmuːðɪŋ/ การลดคลื่นรบกวน
    full-wave rectification/fʊl weɪv ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ การเปลี่ยนรูปคลื่นเต็ม
    bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ เรกติไฟเออร์แบบสะพาน
    21.2

    Smoothing with a capacitor · ⁨การปรับความเรียบด้วยตัวเก็บประจุ⁩

    English

    A rectifier's output is still bumpy. To smooth it, put a capacitor 电容器 $C$ in parallel with the load $R$.

    How it works

    • on the rising part of each pulse, the capacitor charges up to near the peak.
    • on the falling part (and any gap), the diodes are reverse-biased, so the capacitor discharges through the load, keeping current flowing. The voltage falls with time constant 时间常数 $RC$ (Topic 19).
    • at the next peak, the capacitor charges again, and the cycle repeats.

    The output now sits near the peak with small dips. The size of the dips is the ripple 纹波 (this whole step is called smoothing 平滑).

    Worked example. A half-wave rectifier fed from a $50\ \text{Hz}$ supply has a $470\ \mu\text{F}$ capacitor across its $1.2\ \text{k}\Omega$ load 负载. Estimate the fractional fall in the output between peaks, and say how it changes with a bridge rectifier.

    The peaks are $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$ apart (half-wave: one peak per cycle). The time constant is $RC = (1.2 \times 10^{3})(470 \times 10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$. Between peaks the capacitor discharges to $V_{0} e^{-t/RC} = V_{0} e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_{0}$, a fall of about $3.5\%$. With full-wave rectification the peaks are $10\ \text{ms}$ apart, so the fall is only $1.8\%$; doubling the capacitance would halve it again. Because $t \ll RC$ the fall is approximately $V_{0}\, t/(RC)$: the ripple is proportional to the time between peaks and inversely proportional to both $R$ and $C$. (A network of capacitors across the output combines by the rules of Topic 19 before it is used here.)

    What reduces the ripple

    • larger $C$ → more stored charge → smaller dip between peaks → smaller ripple.
    • larger $R$ → smaller load current → slower discharge → smaller ripple.
    • higher rectified frequency (full-wave is twice the input) → less time to discharge between peaks → smaller ripple.

    In short, a large $RC$ compared with the time between peaks gives a smoother output.

    Sketching the smoothed output. Draw the unsmoothed humps faintly first. The smoothed curve touches each peak, then falls along a gentle curve (steepest just after the peak) until the next hump rises to meet it, where it turns sharply upwards and follows the hump to the peak. It never falls to zero, and it never rises above the peak. For half-wave rectification the decay has to last through the missing half-cycle as well, so the ripple is about twice that of full-wave for the same $RC$. If the question changes $C$ or $R$, redraw on the same axes: a larger $RC$ hugs the peak line more closely; a smaller $RC$ sags further.

    Purpose in summary

    The smoothing capacitor reduces the ripple, giving a steadier d.c. voltage suitable for sensitive electronics.

    ไทย

    เอาต์พุตของเรกติฟายเออร์ยังคงมีลักษณะเป็นคลื่นกระตุก เพื่อปรับให้เรียบ ให้ใส่ ตัวเก็บประจุ $C$ ขนานกับโหลด $R$

    หลักการทำงาน

    • ในช่วง ** rising part** ของแต่ละพัลส์ ตัวเก็บประจุจะชาร์จจนใกล้ถึงจุดสูงสุด
    • ในช่วง falling part (และช่วงว่าง) ไดโอดจะ reverse-biased ทำให้ตัวเก็บประจุ คายประจุผ่านโหลด รักษากระแสไหลอยู่ แรงดันจะลดลงตาม time constant $RC$ (หัวข้อ 19)
    • ที่จุดสูงสุดถัดไป ตัวเก็บประจุจะชาร์จอีกครั้ง และวงจรจะซ้ำเดิม

    เอาต์พุตตอนนี้จะอยู่ที่ระดับใกล้จุดสูงสุดพร้อมกับการลดลงเล็กน้อย ขนาดของการลดลงนี้เรียกว่า ripple (ขั้นตอนทั้งหมดนี้เรียกว่า smoothing)

    กราฟแรงดัน-เวลาแสดงเอาต์พุตที่ปรับเรียบแล้ว (เส้นทึบ) อยู่ใกล้จุดยอดพร้อม ripple เล็ก เหนือลูกศรเต็มคลื่นที่ไม่ได้ปรับเรียบ (เส้นประ)
    ตัวเก็บประจุที่ต่อข้ามโหลดช่วยปรับเอาต์พุตที่ปรับกระแสแล้วให้เรียบ เหลือไว้เพียง ripple เล็กน้อย
    ผลลัพธ์การแปลงคลื่นเต็ม-cycle ด้วยเส้นโค้งการลดrippleสามเส้นบนแกนเดียวกัน: RC เดิม, ความจุที่มากขึ้นทำให้rippleน้อยลง, และความต้านทานโหลดที่น้อยลงทำให้rippleมากขึ้น, อยู่เหนือยอดคลื่นสีเทาที่ไม่มีการลดripple
    แหล่งจ่ายที่ปรับกระแสเดียวกันแต่ปรับด้วย time constant ต่างกัน: ค่า $RC$ ที่มากกว่า (ความจุมากกว่า หรือความต้านทานโหลดมากกว่า) ลดลงน้อยลงระหว่างจุดยอด ทำให้ ripple เล็กกว่า

    ตัวอย่างฝึกหัด เรกติฟายเออร์ HALF-WAVE ที่ได้รับจากแหล่งจ่าย $50\ \text{Hz}$ มีตัวเก็บประจุ $470\ \mu\text{F}$ ต่อข้ามโหลด $1.2\ \text{k}\Omega$ โหลด它的 Estimate fractional fall in output between peaks และบอกว่าจะเปลี่ยนอย่างไรเมื่อใช้บริดจ์เรกติฟายเออร์

    จุดยอดห่างกัน $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$ (half-wave: จุดยอดหนึ่งต่อรอบ) Time constant คือ $RC = (1.2 \times 10^{3})(470 \times 10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$ ระหว่างจุดยอด ตัวเก็บประจุคายประจุเหลือ $V_{0} e^{-t/RC} = V_{0} e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_{0}$ ซึ่งลดลงประมาณ $3.5\%$ ในการปรับกระแสแบบ full-wave จุดยอดห่างกัน $10\ \text{ms}$ ดังนั้นการลดลงจึงเป็นเพียง $1.8\%$; การเพิ่มค่าความจุเป็นสองเท่าจะทำให้การลดลง减半อีกครั้ง เนื่องจาก $t \ll RC$ การลดลงจึงประมาณ equals $V_{0}\, t/(RC)$: ripple แปรผันตรงกับช่วงเวลาระหว่างจุดยอดและแปรผกผันกับทั้ง $R$ และ $C$. (เครือข่ายของตัวเก็บประจุที่ต่อข้ามเอาต์พุตจะรวมกันโดยกฎของหัวข้อ 19 ก่อนที่จะนำไปใช้ที่นี่)

    สิ่งที่ลด涟漪

    • ค่า $C$ ที่ใหญ่ขึ้น → ประจุที่จัดเก็บมากขึ้น → ช่วงลดลงระหว่างจุดยอดเล็กลง → ripple เล็กกว่า
    • ค่า $R$ ที่ใหญ่ขึ้น → กระแสโหลดน้อยลง → การคายประจุช้าลง → ripple เล็กกว่า
    • ความถี่หลังการปรับกระแสที่สูงขึ้น (full-wave เป็นสองเท่าของอินพุต) → เวลาในการคายประจุระหว่างจุดยอดน้อยลง → ripple เล็กกว่า

    โดยสรุป ค่า $RC$ ที่ใหญ่เมื่อเทียบกับช่วงเวลาระหว่างจุดยอดจะให้เอาต์พุตที่เรียบกว่า

    การวาดภาพเอาต์พุตที่ปรับเรียบแล้ว วาดลูกศรที่ไม่ได้ปรับเรียบก่อนอย่างเบามือ เส้นที่ปรับเรียบ สัมผัสกับจุดยอดแต่ละจุด แล้วลดลงตามเส้นโค้งที่นุ่มนวล (ชันที่สุดทันทีหลังจากจุดยอด) จนกว่าลูกศรถัดไปจะขึ้นมาพบกัน ที่จุดนั้นจะหักมุมขึ้นอย่างรวดเร็วและ-following ลูกศรไปยังจุดยอด มันไม่เคยลดลงเป็นศูนย์และไม่เคยสูงกว่าจุดยอด สำหรับ HALF-WAVE RECTIFICATION การลดลงต้องดำเนินต่อไปตลอดครึ่งรอบที่หายไปเช่นกัน ดังนั้น ripple จึงประมาณเท่ากับสองเท่าของ FULL-WAVE สำหรับค่า $RC$ เดียวกัน หากโจทย์เปลี่ยน $C$ หรือ $R$ ให้วาดใหม่บนแกนเดียวกัน: ค่า $RC$ ที่ใหญ่กว่าจะแนบชิดกับเส้นจุดยอดมากขึ้น; ค่า $RC$ ที่เล็กกว่าจะลดลงลึกกว่า

    สรุปวัตถุประสงค์

    ตัวเก็บประจุปรับความเรียบช่วยลด涟漪 ให้แรงดัน DC ที่เสถียรเหมาะสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    capacitor/kəˈpæsɪtə/ ตัวเก็บประจุ
    time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่เวลา
    ripple/ˈrɪpl/ คลื่น涟漪 (email: ripple)
    21.2

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    alternating current a current that reverses its direction periodically (varies sinusoidally with time about zero)
    period the time for one complete cycle
    frequency the number of complete cycles per unit time
    peak value the maximum value of the current or voltage in a cycle
    r.m.s. value the value of the direct (steady) current that would dissipate the same power in the same resistor
    rectification the conversion of an alternating current into a direct (one-direction) current
    half-wave rectification only one half of each cycle is passed to the output; the other half is blocked
    full-wave rectification both halves of each cycle appear at the output in the same direction
    smoothing using a capacitor across the load to reduce the variation (ripple) of a rectified output
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    กระแสสลับ กระแสที่เปลี่ยนทิศทางเป็นระยะ (แปรผันตามฟังก์ชันไซน์相对于เวลาเป็นศูนย์)
    ระยะเวลา เวลาสำหรับการครบหนึ่งรอบเต็ม
    ความถี่ จำนวนรอบเต็มต่อหน่วยเวลา
    ค่าสูงสุด ค่าสูงสุดของกระแสหรือแรงดันในรอบหนึ่ง
    ค่า r.m.s. ค่าของกระแสตรง (คงที่) ที่จะ dissipate กำลังไฟเท่ากันในตัวต้านทานเดียวกัน
    การปรับกระแส การแปลงกระแสสลับให้เป็นกระแสตรง (ทิศทางเดียว)
    การปรับคลื่นแบบครึ่งรอบ ผ่านเพียงครึ่งหนึ่งของแต่ละรอบไปยังเอาต์พุต; อีกครึ่งถูกกันไว้
    การปรับคลื่นแบบเต็มรอบ ทั้งสองส่วนของแต่ละรอบปรากฏที่เอาต์พุตในทิศทางเดียวกัน
    การทำให้เรียบ ใช้ตัวเก็บประจุ Across (ข้าม) โหลดเพื่อลดการเปลี่ยนแปลง (Ripple) ของสัญญาณ调整后
    21.2

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • $V = V_{0} \sin\omega t$ with $\omega = 2\pi f$ in radians per second: read $V_{0}$ and $\omega$ straight off the equation; radian mode for any time calculation.
    • $I_{\text{r.m.s.}} = I_{0}/\sqrt{2}$ and $V_{\text{r.m.s.}} = V_{0}/\sqrt{2}$ for a sine wave only; otherwise square, average, root. Quoted mains values are r.m.s.; components are rated for the peak.
    • Mean power in a resistor is $I_{\text{r.m.s.}}^{2}R = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$, half the peak power; the mean current is zero, the mean power is not.
    • One diode in series gives half-wave rectification; a four-diode bridge gives full-wave, with the load current always in the same direction and the output at twice the input frequency.
    • Smoothing: capacitor across the load; ripple falls with a larger $C$, a larger $R$ (smaller load current) and a higher rectified frequency, because the decay between peaks is $V_{0}e^{-t/RC}$.
    • Sketches are marked on shape: humps that touch the peak line, a decay that never reaches zero, flat zero gaps for half-wave, none for full-wave.

    Common mistakes

    • Using the peak value in a power calculation, or the r.m.s. value as the amplitude in $V = V_{0}\sin\omega t$.
    • Writing $\omega = f$ or $\omega = 2\pi/f$; it is $2\pi f = 2\pi/T$.
    • Defining the r.m.s. value as "the peak divided by $\sqrt{2}$", or leaving out "same power" and "same resistor".
    • Applying $I_{0}/\sqrt{2}$ to a square or triangular wave.
    • Drawing a diode backwards, or a bridge in which two diodes joined to the same output terminal point opposite ways.
    • Putting the smoothing capacitor in series with the load.
    • A smoothed output sketched falling to zero between peaks, or rising above the peak.
    • Saying a larger load resistance gives a larger ripple; a larger $R$ means a smaller current, a slower discharge and a smaller ripple.
    • Stating that full-wave rectification gives a steady d.c.; without a capacitor it is a series of humps with a large ripple.
    ไทย
    • $V = V_{0} \sin\omega t$ พร้อม $\omega = 2\pi f$ ในหน่วยเรเดียนต่อวินาที: อ่านค่า $V_{0}$ และ $\omega$ ได้โดยตรงจากสมการ; ใช้โหมดเรเดียนสำหรับการคำนวณเวลาใดๆ
    • $I_{\text{r.m.s.}} = I_{0}/\sqrt{2}$ และ $V_{\text{r.m.s.}} = V_{0}/\sqrt{2}$ ใช้สำหรับ คลื่นไซน์เท่านั้น; ถ้าไม่ใช่ ให้ใช้สี่เหลี่ยม, ค่าเฉลี่ย, หรือรากที่สอง ค่ากระแสไฟฟ้าที่ระบุไว้คือ r.m.s.; ส่วนประกอบถูกกำหนดให้รองรับค่าสูงสุด (Peak)
    • กำลังเฉลี่ยในตัวต้านทานคือ $I_{\text{r.m.s.}}^{2}R = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$, ครึ่งหนึ่งของกำลังสูงสุด; กระแสเฉลี่ยเป็นศูนย์, แต่กำลังเฉลี่ยไม่เป็นศูนย์
    • ไดโอดหนึ่งตัวต่ออนุกรมให้ Adjust Half-wave; ขาสะพานไดโอดสี่ตัวให้ Full-wave, โดยกระแสโหลดมีทิศทางเสมอในทิศทางเดียวและเอาต์พุตมีความถี่เป็นสองเท่าของความถี่อินพุต
    • การทำให้เรียบ: ตัวเก็บประจุ Across โหลด; Ripple จะลดลงเมื่อ $C$ ใหญ่ขึ้น, $R$ ใหญ่ขึ้น (กระแสโหลดน้อยลง) และความถี่调整后สูงขึ้น เนื่องจากช่วงสลายตัวระหว่างจุดยอดคือ $V_{0}e^{-t/RC}$
    • วาดรูปแสดงลักษณะ: คลื่นที่แตะเส้น Peak, ช่วงสลายที่ไม่เคย降至ศูนย์, ช่องว่างศูนย์ราบสำหรับ Half-wave, ไม่มีสำหรับ Full-wave

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • ใช้ค่า Peak ในการคำนวณกำลัง, หรือใช้ค่า r.m.s. เป็น Amplitude ใน $V = V_{0}\sin\omega t$
    • เขียน $\omega = f$ หรือ $\omega = 2\pi/f$; มันคือ $2\pi f = 2\pi/T$
    • นิยามค่า r.m.s. ว่า "ค่า Peak หารด้วย $\sqrt{2}$", หรือละคำ "Same power" และ "Same resistor" ออกไป
    • นำ $I_{0}/\sqrt{2}$ ไปใช้กับคลื่นสี่เหลี่ยมหรือคลื่นสามเหลี่ยม
    • วาดไดโอดกลับด้าน, หรือขาสะพานที่มีไดโอดสองตัวเชื่อมเข้ากับขั้วเอาต์พุตเดียวกันแต่ชี้เข้าหาทางตรงกันข้าม
    • วางตัวเก็บประจุ Adjustment อนุกรมกับโหลด
    • วาดสัญญาณ调整后 ที่ลดลงสู่ศูนย์ระหว่างจุดยอด, หรือเพิ่มขึ้นเหนือค่า Peak
    • บอกว่าตัวต้านทานโหลดที่ใหญ่กว่าจะทำให้เกิด Ripple มากขึ้น; การที่ $R$ ใหญ่ขึ้นหมายถึงกระแสที่น้อยลง, การคายประจุที่ช้าลง และ Ripple ที่เล็กลง
    • บอกว่า Adjust Full-wave ให้กระแส DC ที่คงที่; โดยไม่มีตัวเก็บประจุจะเป็นชุดของคลื่นที่ม้วนขึ้นพร้อมrippleขนาดใหญ่
  • 22

    Quantum physics · ⁨ฟิสิกส์ควอนตัม⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    22.1

    Photons: the particle nature of light · ⁨โฟตอน: ธรรมชาติแบบอนุภาคของแสง⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that electromagnetic radiation has a particulate nature
    2. understand that a photon is a quantum of electromagnetic energy
    3. recall and use $E = hf$
    4. use the electronvolt (eV) as a unit of energy
    5. understand that a photon has momentum and that the momentum is given by $p = E/c$
    ไทย
    1. เข้าใจว่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic radiation) มี ธรรมชาติเป็นอนุภาค (particulate nature)
    2. เข้าใจว่า โฟตอน (photon) เป็น ควอนตัม (quantum) ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า
    3. จำและใช้ $E = hf$
    4. ใช้ อิเล็กตรอนโวลต์ (electronvolt, eV) เป็นหน่วยของพลังงาน
    5. เข้าใจว่าโฟตอนมี โมเมนตัม (momentum) และโมเมนตัมถูกกำหนดโดย $p = E/c$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Electromagnetic radiation behaves like particles as well as like a wave. The particles of EM radiation are photons 光子 — small packets ("quanta" 量子) of EM energy that travel at the speed of light.

    "State what is meant by a photon" (two marks). A photon is a quantum (a discrete packet) of energy of electromagnetic radiation. Both halves score: quantum or packet (or "discrete amount"), and of electromagnetic radiation (or "of light"). "A particle of light" alone is not enough. That radiation comes in such packets is what the syllabus calls its particulate nature 粒子性: energy is delivered in lumps of $hf$, never in smaller pieces.

    Energy of a photon

    A photon of frequency 频率 $f$ has energy

    $$E = h f,$$

    where $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$ is the Planck constant 普朗克常量. Using $c = f\lambda$:

    $$E = \frac{h c}{\lambda}.$$

    Worked example. Find the energy of a photon of green light of wavelength $500\ \text{nm}$. ($h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$, $c = 3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$.)

    $$E = \frac{hc}{\lambda} = \frac{(6.63 \times 10^{-34})(3.0 \times 10^{8})}{500 \times 10^{-9}} \approx 4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}\ (\approx 2.5\ \text{eV}).$$

    Higher-frequency (shorter-wavelength 波长) photons carry more energy: one $\gamma$-ray photon carries far more than one radio photon.

    The electronvolt

    The electronvolt 电子伏特 (eV) is a handy energy unit on the atomic scale:

    $$1\ \text{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}.$$

    It is the kinetic energy 动能 an electron 电子 gains moving through a potential difference 电势差 of 1 V. For example, a visible photon ($\lambda \approx 500\ \text{nm}$) has energy $\approx 2.5\ \text{eV}$. To go eV → J multiply by $1.60 \times 10^{-19}$; J → eV divide.

    Using the electronvolt. Photon energies, work functions and energy levels are all a few eV, so the exam quotes them that way and expects you to move between units without fuss: a $2.0\ \text{eV}$ work function is $2.0 \times 1.60 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\ \text{J}$; a photon of $4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}$ is $2.5\ \text{eV}$. A useful shortcut for wavelengths: $hc = 1.99 \times 10^{-25}\ \text{J m} = 1240\ \text{eV nm}$, so a $2.0\ \text{eV}$ photon has $\lambda = 1240/2.0 = 620\ \text{nm}$ (red) and a $400\ \text{nm}$ photon carries $3.1\ \text{eV}$.

    Momentum of a photon

    A photon also carries momentum 动量:

    $$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}.$$

    It has zero rest mass but a non-zero momentum $E/c$. Radiation pressure (photons pushing on a surface) follows from this.

    "Show that $p = h/\lambda$." Start from the two photon relations: $E = hf$ and $p = E/c$. Then $p = hf/c$, and since $c = f\lambda$, $f/c = 1/\lambda$, so $p = h/\lambda$. Give both starting equations and the wave equation; the mark is for the chain, not the result.

    Worked example. A photon in free space has momentum $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Show that it is a photon of red light.

    $\lambda = h/p = 6.63 \times 10^{-34}/9.5 \times 10^{-28} = 7.0 \times 10^{-7}\ \text{m} = 700\ \text{nm}$, which lies at the red end of the visible spectrum ($400$–$700\ \text{nm}$). The energy is $pc = 2.9 \times 10^{-19}\ \text{J} = 1.8\ \text{eV}$.

    Radiation pressure 辐射压. A beam of intensity $I$ (power per unit area) falling on area $A$ delivers $IA/(hf)$ photons per second, each with momentum $h/\lambda$. Force is the rate of change of momentum. On a mirror each photon bounces back, so its momentum changes by $2p$ and the force is $F = 2IA/c$ (pressure $2I/c$); on a black surface each photon is absorbed, the change is $p$, and the pressure is $I/c$. Two things follow, and both are examined: the pressure depends on the intensity, not on the colour, because blue light of the same intensity has fewer photons per second but each carries proportionally more momentum; and even sunlight ($I \approx 1\ \text{kW m}^{-2}$) exerts only a few micropascals.

    Worked example. Red light of intensity $160\ \text{W m}^{-2}$ falls normally on a plane mirror; each photon has momentum $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Find the number of photons hitting $1.0\ \text{m}^{2}$ of the mirror per second, and the pressure on it.

    Photon energy $E = pc = (9.5 \times 10^{-28})(3.00 \times 10^{8}) = 2.85 \times 10^{-19}\ \text{J}$. Photons per second on $1.0\ \text{m}^{2}$: $160/2.85 \times 10^{-19} = 5.6 \times 10^{20}\ \text{s}^{-1}$. Each is reflected, so the force is $F = 5.6 \times 10^{20} \times 2 \times 9.5 \times 10^{-28} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{N}$ on $1.0\ \text{m}^{2}$: a pressure of $1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$ (check: $2I/c = 320/3.00 \times 10^{8} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$). Replace the beam with blue light of the same intensity and the pressure is unchanged.

    Worked example. A laser emits $2.0\ \text{mW}$ of light of wavelength $650\ \text{nm}$. Find the number of photons it emits per second, and the force on a surface that absorbs the beam completely.

    $E = hc/\lambda = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(650 \times 10^{-9}) = 3.06 \times 10^{-19}\ \text{J}$, so the rate is $P/E = 2.0 \times 10^{-3}/3.06 \times 10^{-19} = 6.5 \times 10^{15}\ \text{s}^{-1}$. The force is the momentum delivered per second: $F = P/c = 2.0 \times 10^{-3}/3.00 \times 10^{8} = 6.7 \times 10^{-12}\ \text{N}$ (or $6.5 \times 10^{15} \times h/\lambda$, the same thing).

    ไทย

    รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า behaving เปรียบเสมือน อนุภาค.enable เปรียบเสมือนคลื่น อนุภาคของรังสี EM คือ โฟตอน — แพ็คเก็ตเล็กๆ ("ควอนตัม") ของพลังงาน EM ที่เดินทางด้วยความเร็วแสง

    "บอกความหมายของโฟตอน" (2 คะแนน). โฟตอนคือควอนตัม (แพ็คเก็ตที่เป็นเอกเทศ) ของพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า. ทั้งสองส่วนได้คะแนน: ควอนตัมหรือแพ็คเก็ต (หรือ "ปริมาณเอกเทศ"), และ ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (หรือ "ของแสง") "อนุภาคของแสง" เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ สิ่งที่หลักสูตรเรียกว่า nature แบบอนุภาค: พลังงานถูกส่งในรูปแบบก้อนของ $hf$, ไม่เคยเป็นชิ้นส่วนที่เล็กกว่า

    โฟตอนคือแพ็คเก็ตของพลังงาน EM, มีพลังงาน E = h f
    โฟตอนคือแพ็คเก็ตของพลังงาน, E = hf

    พลังงานของโฟตอน

    โฟตอนที่มี ความถี่ $f$ มีพลังงาน

    $$E = h f,$$

    โดยที่ $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$ คือ ค่าคงที่ของพลังค์ ใช้ $c = f\lambda$:

    $$E = \frac{h c}{\lambda}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. หาพลังงานของโฟตอนแสงสีเขียวที่มีความยาวคลื่น $500\ \text{nm}$. ($h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$, $c = 3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$.)

    $$E = \frac{hc}{\lambda} = \frac{(6.63 \times 10^{-34})(3.0 \times 10^{8})}{500 \times 10^{-9}} \approx 4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}\ (\approx 2.5\ \text{eV}).$$

    โฟตอนที่มีความถี่สูงกว่า (ความยาวคลื่นสั้นกว่า) พกพาพลังงานมากกว่า: โฟตอนรังสี $\gamma$ หนึ่งตัวมีพลังงานมากกว่าโฟตอนวิทยุหนึ่งตัวมาก

    อิเล็กตรอนโวลต์

    อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) เป็นหน่วยพลังงานที่สะดวกบนระดับอะตอม:

    $$1\ \text{eV} = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}.$$

    นี่คือ พลังงานจลน์ ที่ อิเล็กตรอน ได้รับเมื่อเคลื่อนที่ผ่าน ความต่างศักย์ 1 V ตัวอย่างเช่น โฟตอนแสงที่มองเห็นได้ ($\lambda \approx 500\ \text{nm}$) มีพลังงาน $\approx 2.5\ \text{eV}$. ในการแปลง eV → J คูณด้วย $1.60 \times 10^{-19}$; J → eV หารด้วย

    การใช้อิเล็กตรอนโวลต์. พลังงานโฟตอน ฟังก์ชันงาน และระดับพลังงานทั้งหมดมีค่าประมาณหลาย eV ดังนั้นข้อสอบจึงระบุค่าเหล่านี้เป็น eV และคาดหวังให้คุณเปลี่ยนหน่วยระหว่างกันได้อย่างคล่องแคล่ว: ฟังก์ชันงาน $2.0\ \text{eV}$ เท่ากับ $2.0 \times 1.60 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\ \text{J}$; โฟตอนที่มี $4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}$ มีพลังงาน $2.5\ \text{eV}$. วิธีลัดที่มีประโยชน์สำหรับความยาวคลื่น: $hc = 1.99 \times 10^{-25}\ \text{J m} = 1240\ \text{eV nm}$, ดังนั้นโฟตอนความยาวคลื่น $2.0\ \text{eV}$ จึงมีพลังงาน $\lambda = 1240/2.0 = 620\ \text{nm}$ (แสงสีแดง) และโฟตอนความยาวคลื่น $400\ \text{nm}$ พกพาพลังงาน $3.1\ \text{eV}$.

    โมเมนตัมของโฟตอน

    โฟตอนยังพกพา โมเมนตัม ด้วย:

    $$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}.$$

    มันมีมวลหยุด/rest mass เป็นศูนย์แต่มีโมเมนตัมที่ไม่เป็นศูนย์ $E/c$. ความดันรังสี (โฟตอนชนกับพื้นผิว) เกิดขึ้นจากสิ่งนี้

    "แสดงว่า $p = h/\lambda$." เริ่มจากความสัมพันธ์สองอย่างของโฟตอน: $E = hf$ และ $p = E/c$. จากนั้น $p = hf/c$, และเนื่องจาก $c = f\lambda$, $f/c = 1/\lambda$, ดังนั้น $p = h/\lambda$. ให้ทั้งสองสมการเริ่มต้นและสมการคลื่น; คะแนนอยู่ที่ chain, ไม่ใช่ผลลัพธ์

    ตัวอย่างวิธีทำ. โฟตอนในสุญญากาศมีโมเมนตัม $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. แสดงว่าเป็นโฟตอนของแสงสีแดง

    $\lambda = h/p = 6.63 \times 10^{-34}/9.5 \times 10^{-28} = 7.0 \times 10^{-7}\ \text{m} = 700\ \text{nm}$, ซึ่งอยู่ที่ปลายสีแดงของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ($400$–$700\ \text{nm}$). พลังงานคือ $pc = 2.9 \times 10^{-19}\ \text{J} = 1.8\ \text{eV}$

    สองแผง: โฟตอนชนกระจกแล้วออกด้วยโมเมนตัมที่กลับด้าน, ดังนั้นแต่ละตัวจึงถ่ายโอนโมเมนตัมสองเท่าและความดันคือ 2I over c; โฟตอนชนพื้นสีดำจะถูกดูดกลืนและถ่ายโอนโมเมนตัมครั้งเดียว, ดังนั้นความดันคือ I over c
    ความดันรังสี: แรงเท่ากับจำนวนโฟตอนที่มาถึงต่อวินาทีคูณกับการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของแต่ละตัว; กระจกเพิ่มการเปลี่ยนแปลงสองเท่า, ตัวดูดกลืนไม่เพิ่ม

    ความดันรังสี. รังสีที่มีความเข้ม $I$ (กำลังไฟต่อหน่วยพื้นที่) ชนกับพื้นที่ $A$ จะส่งโฟตอนจำนวน $IA/(hf)$ ต่อวินาที โดยแต่ละตัวมีโมเมนตัม $h/\lambda$. แรงคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัม. บน กระจก โฟตอนแต่ละตัวจะสะท้อนกลับ ทำให้โมเมนตัมเปลี่ยนแปลงไป $2p$ และแรงคือ $F = 2IA/c$ (ความดัน $2I/c$); บน พื้นผิวดำ โฟตอนแต่ละตัวจะถูกดูดกลืน การเปลี่ยนแปลงคือ $p$ และความดันคือ $I/c$. ผลลัพธ์สองอย่างเกิดขึ้นและทั้งสองถูกทดสอบ: ความดันขึ้นอยู่กับ ความเข้ม ไม่ใช่สี เพราะแสงสีฟ้าที่มีความเข้มเท่ากันจะมีจำนวนโฟตอนต่อวินาทีน้อยกว่าแต่แต่ละตัวมีโมเมนตัมสัดส่วนที่มากกว่า; และแม้แต่แสงอาทิตย์ ($I \approx 1\ \text{kW m}^{-2}$) ก็สร้างความดันเพียงไม่กี่ไมโครปาสคาลเท่านั้น

    ตัวอย่างวิธีทำ. แสงสีแดงที่มีความเข้ม $160\ \text{W m}^{-2}$ ส่องตั้งฉากกับกระจกเรียบ โฟตอนแต่ละตัวมีโมเมนตัม $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. จงหาจำนวนโฟตอนชน $1.0\ \text{m}^{2}$ ของกระจกต่อวินาที และความดันบนกระจกนั้น

    พลังงานโฟตอน $E = pc = (9.5 \times 10^{-28})(3.00 \times 10^{8}) = 2.85 \times 10^{-19}\ \text{J}$. โฟตอนต่อวินาทีบน $1.0\ \text{m}^{2}$: $160/2.85 \times 10^{-19} = 5.6 \times 10^{20}\ \text{s}^{-1}$. แต่ละตัวถูกสะท้อน ดังนั้นแรงคือ $F = 5.6 \times 10^{20} \times 2 \times 9.5 \times 10^{-28} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{N}$ บน $1.0\ \text{m}^{2}$: คือความดัน $1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$ (ตรวจสอบ: $2I/c = 320/3.00 \times 10^{8} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$). เปลี่ยนลำแสงด้วยแสงสีฟ้าที่มีความเข้มเท่าเดิม แล้วความดันจะ ไม่เปลี่ยนแปลง.

    ตัวอย่างวิธีทำ. เลเซอร์ปล่อยแสงกำลัง $2.0\ \text{mW}$ ที่มีคลื่นยาว $650\ \text{nm}$. จงหาจำนวนโฟตอนที่ปล่อยต่อวินาที และแรงบนพื้นผิวที่ดูดกลืนลำแสงนั้นทั้งหมด

    $E = hc/\lambda = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(650 \times 10^{-9}) = 3.06 \times 10^{-19}\ \text{J}$, ดังนั้นอัตราคือ $P/E = 2.0 \times 10^{-3}/3.06 \times 10^{-19} = 6.5 \times 10^{15}\ \text{s}^{-1}$. แรงคือโมเมนตัมที่ส่งมอบต่อวินาที: $F = P/c = 2.0 \times 10^{-3}/3.00 \times 10^{8} = 6.7 \times 10^{-12}\ \text{N}$ (หรือ $6.5 \times 10^{15} \times h/\lambda$, สิ่งเดียวกัน)

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Energy of a photon · ⁨พลังงานของโฟตอน⁩

    E = h·f

    Photon energy is proportional to frequency — the gradient is Planck's constant h. · ⁨พลังงานของโฟตอน แปรผันตรงกับ ความถี่ — ความชันคือค่าคงที่ของแพลงก์ h⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    photon/ˈfəʊtɒn/ โฟตอน
    quanta/ˈkwɒntə/ ควอนตัม
    discrete/dɪˈskriːt/ แบบไม่ต่อเนื่อง
    particulate nature/pəˈtɪkjʊleɪt ˈneɪtʃə/ ธรรมชาติแบบอนุภาค
    Radiation pressure/ˌreɪdɪˈeɪʃn ˈpreʃə/ แรงดันรังสี
    photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
    photoelectron/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอนโฟโต
    22.2

    Photoelectric effect · ⁨ผล_photoelectric⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that photoelectrons may be emitted from a metal surface when it is illuminated by electromagnetic radiation
    2. understand and use the terms threshold frequency and threshold wavelength
    3. explain photoelectric emission in terms of photon energy and work function energy
    4. recall and use $hf = \Phi + \frac{1}{2}m{v_{\text{max}}}^2$
    5. explain why the maximum kinetic energy of photoelectrons is independent of intensity, whereas the photoelectric current is proportional to intensity
    ไทย
    1. เข้าใจว่า อิเล็กตรอนจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก อาจถูกปล่อยออกจากพื้นผิวโลหะเมื่อได้รับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
    2. เข้าใจและใช้ศัพท์ ความถี่ ngưỡng และ ความยาวคลื่น ngưỡng
    3. อธิบาย การปล่อยอิเล็กตรอนจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในเชิงพลังงานของโฟตอนและ พลังงานงานออก
    4. จำและใช้ $hf = \Phi + \frac{1}{2}m{v_{\text{max}}}^2$
    5. อธิบายว่าทำไม พลังงานจลน์สูงสุด ของอิเล็กตรอนจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกจึงไม่ขึ้นอยู่กับความเข้ม ในขณะที่กระแสไฟฟ้าวงจรโฟโตอิเล็กทริกแปรผันตรงกับความเข้ม

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    The photoelectric effect, photon by photon

    When EM radiation of high enough frequency hits a metal, electrons are emitted. These are photoelectrons 光电子, and the effect is the photoelectric effect 光电效应.

    "State what is meant by the photoelectric effect." The emission of electrons from (the surface of) a metal when electromagnetic radiation of high enough frequency is incident on it. Two marks: emission of electrons and from a metal surface illuminated by electromagnetic radiation (or "when light is shone on it"). It is the syllabus's evidence for the particulate nature of radiation, because a wave could not explain what follows.

    Threshold frequency and work function

    Each metal has a lowest photon frequency, the threshold frequency 极限频率 $f_{0}$, below which no electrons come out, however bright the light. The work function 逸出功 $\Phi$ is the least energy needed to free an electron from the surface:

    $$\Phi = h f_{0}.$$

    Different metals have different work functions (about $2$–$5\ \text{eV}$).

    The two-mark definitions. The work function energy of a metal is the minimum energy needed to remove an electron from the surface of the metal. Both "minimum" and "from the surface" carry marks: an electron deeper in the metal needs more, which is why the equation gives a maximum kinetic energy. The threshold frequency is the minimum frequency of radiation for which photoelectrons are emitted, and the threshold wavelength 极限波长 $\lambda_{0} = c/f_{0} = hc/\Phi$ is the corresponding maximum wavelength: longer wavelengths do nothing.

    Worked example. Light of wavelength $400\ \text{nm}$ falls on four metals whose work functions are: caesium $2.1\ \text{eV}$, sodium $2.3\ \text{eV}$, zinc $4.3\ \text{eV}$, platinum $5.6\ \text{eV}$. Which emit photoelectrons, and with what maximum kinetic energy?

    The photon energy is $hc/\lambda = 1240/400 = 3.1\ \text{eV}$. Emission needs $hf \geq \Phi$, so caesium ($3.1 - 2.1 = 1.0\ \text{eV}$) and sodium ($0.8\ \text{eV}$) emit; zinc and platinum do not, however intense the light. To make zinc emit, the wavelength must fall below $\lambda_{0} = 1240/4.3 = 290\ \text{nm}$, in the ultraviolet, which is why the electroscope demonstration needs a UV lamp on zinc.

    Worked example. A polished magnesium sheet in a vacuum emits electrons only when the ultraviolet frequency is at least $8.8 \times 10^{14}\ \text{Hz}$. It is illuminated at $1.2 \times 10^{15}\ \text{Hz}$. Find the work function and the maximum speed of the photoelectrons.

    $\Phi = hf_{0} = (6.63 \times 10^{-34})(8.8 \times 10^{14}) = 5.8 \times 10^{-19}\ \text{J}$ ($3.6\ \text{eV}$). Then $\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}) = (6.63 \times 10^{-34})(1.2 \times 10^{15} - 8.8 \times 10^{14}) = 2.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$, so $v_{\text{max}} = \sqrt{2 \times 2.1 \times 10^{-19}/9.11 \times 10^{-31}} = 6.8 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$. Subtract the frequencies before multiplying by $h$; rounding $hf$ and $\Phi$ separately loses a significant figure in the small difference.

    Einstein's photoelectric equation

    One photon gives all its energy to one electron. If the photon energy $hf$ is more than the work function, the electron escapes with kinetic energy up to a maximum:

    $$h f = \Phi + \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2}, \qquad\text{so}\qquad \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}).$$

    Worked example. A metal has a work function of $2.0\ \text{eV}$. Light made of photons of energy $3.5\ \text{eV}$ shines on it. Find the maximum kinetic energy of the photoelectrons.

    $$\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = hf - \Phi = 3.5 - 2.0 = 1.5\ \text{eV}\ (= 2.4 \times 10^{-19}\ \text{J}).$$

    So the maximum KE of photoelectrons depends linearly on frequency, not on brightness.

    Reading the graph. Write the equation as $E_{\text{K,max}} = hf - \Phi$: a straight line of gradient $h$, intercept $-\Phi$ on the energy axis and $f_{0} = \Phi/h$ on the frequency axis. So a graph for two metals shows two parallel lines (same gradient $h$ for every metal), the metal with the larger work function cutting the frequency axis further to the right; the intensity of the light moves neither line. This is how the Planck constant is measured, and "sketch the line for metal Y" is marked on exactly those two features.

    Measuring the maximum kinetic energy. In a photocell the photoelectrons cross a vacuum to a collector and the current is a count of electrons per second. Make the collector negative and the electrons must climb a potential hill; raise the reverse p.d. until the current just reaches zero, the stopping potential 遏止电势 $V_{\text{s}}$, and then $eV_{\text{s}} = E_{\text{K,max}}$. Two results, both examined: at fixed frequency, doubling the intensity doubles the current at low reverse p.d. but leaves $V_{\text{s}}$ unchanged; raising the frequency raises $V_{\text{s}}$ but, at fixed intensity, does not raise the current.

    Why the wave model fails

    A wave model predicts that brightness should set the electrons' kinetic energy, and that emission should happen at any frequency given enough time. But experiments show:

    • no emission below the threshold frequency, however bright.
    • immediate emission at or above the threshold, even when dim.
    • maximum KE depends on frequency, not brightness.
    • the number of photoelectrons (the current) depends on brightness.

    The photon model explains this: light arrives as photons each of energy $hf$. One photon–electron interaction either has enough energy to free the electron ($hf \geq \Phi$) or it does not.

    Why max KE is fixed but current grows with brightness

    A brighter beam of the same frequency has more photons per second, but each still carries $hf$. So the maximum KE of any electron is $hf - \Phi$ (set by $f$ only), while the rate of emission (the current) grows with the number of photons, i.e. with brightness. Doubling the brightness doubles the current but does not change the maximum KE.

    Writing the explanation (a standard three-marker). (1) Each photon interacts with, and gives all its energy to, one electron. (2) The photon energy $hf$ depends only on the frequency, so the maximum energy an electron can leave with, $hf - \Phi$, is fixed by the frequency. (3) Increasing the intensity at the same frequency increases the number of photons per second, so more electrons are emitted per second (a larger current), but each still receives the same energy. A wave, by contrast, would spread its energy over the surface, so a brighter wave should have given faster electrons and a dim one should have needed a delay to accumulate energy; neither happens.

    ไทย
    效应โฟโตอิเล็กทริก, โฟตอนต่อโฟตอน
    สนามเซลล์แสงอาทิตย์
    เซลล์แสงอาทิตย์ใช้效应โฟโตอิเล็กทริกเพื่อแปลงแสงเป็นไฟฟ้า.

    เมื่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงพอกระทบโลหะ จะเกิด การปล่อยอิเล็กตรอน出来. เหล่านี้คือ โฟโตอิเล็กตรอน และปรากฏการณ์นี้เรียกว่า 效应โฟโตอิเล็กทริก.

    "อธิบายความหมายของ效应โฟโตอิเล็กทริก." การปล่อยอิเล็กตรอนจาก (พื้นผิวของ) โลหะเมื่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงพอตกกระทบ คะแนนสองข้อ: การปล่อยอิเล็กตรอน และ จากพื้นผิวโลหะที่ถูกส่องด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (หรือ "เมื่อส่องแสงลงบนมัน"). นี่คือหลักฐานในหลักสูตรว่ารังสีมีลักษณะเป็นอนุภาค เพราะคลื่นไม่สามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปได้.

    โฟตอนที่มีพลังงาน hf ชนพื้นผิวโลหะและฉีกอิเล็กตรอนหนึ่งตัวออก; พลังงานของโฟตอนแบ่งออกเป็นฟังก์ชันงาน (เพื่อปลดล็อกอิเล็กตรอน) บวกกับพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอน
    โฟตอนหนึ่งตัวให้พลังงาน $hf$ แก่electrons หนึ่งตัว: ส่วนหนึ่งปลดล็อกมัน (ฟังก์ชันงาน $\Phi$), ส่วนที่เหลือคือพลังงานจลน์ของelectrons
    เครื่องวัดประจุไฟฟ้าใบทองสองเครื่องที่มีแผ่นสังกะสีประจุลบ: เครื่องแรกใบทองยังคงเบี่ยงเบน; เครื่องที่สอง แสงยูวีที่ส่องลงบนแผ่นทำให้ใบทองตกลงมาเนื่องจากสูญเสียประจุ
    แผ่นสังกะสีที่มีประจุสูญเสียประจุ — ใบทองตกลงมา — เมื่อแสงยูวีส่องลงบนมัน

    ความถี่ขีดจำกัดและฟังก์ชันงาน

    โลหะแต่ละชนิดมีความถี่โฟตอนต่ำสุดที่เรียกว่า ความถี่ขีดจำกัด $f_{0}$, ต่ำกว่านี้ ไม่มีelectrons ใดออกมา ไม่ว่าแสงจะสว่างแค่ไหน ฟังก์ชันงาน $\Phi$ คือ พลังงานขั้นต่ำ ที่จำเป็นในการปลดล็อกelectrons ออกจากพื้นผิว:

    $$\Phi = h f_{0}.$$

    โลหะต่างกันมีฟังก์ชันงานต่างกัน (ประมาณ $2$–$5\ \text{eV}$).

    นิยามคะแนนสองข้อ. พลังงานฟังก์ชันงานของโลหะคือพลังงานขั้นต่ำที่ต้องการในการดึงelectrons ออกจากพื้นผิวของโลหะ. คำว่า "minimum" (ขั้นต่ำ) และ "from the surface" (จากพื้นผิว) ล้วนได้คะแนน: electron ที่อยู่ลึกภายในโลหะต้องใช้พลังงานมากกว่า นั่นจึงเป็นเหตุผลที่สมการให้ค่า maximum (สูงสุด) ของพลังงานจลน์. ความถี่ขีดจำกัดคือความถี่ต่ำสุดของรังสีที่จะเกิดelectrons出来 และ ความยาวคลื่นขีดจำกัด $\lambda_{0} = c/f_{0} = hc/\Phi$ คือ ความยาวคลื่นสูงสุด ที่สอดคล้องกัน: ความยาวคลื่นที่ยาวกว่านี้จะไม่เกิดผลอะไรเลย.

    ตัวอย่างวิธีทำ. แสงที่มีความยาวคลื่น $400\ \text{nm}$ ส่องลงบนโลหะสี่ชนิดที่มีฟังก์ชันงานดังนี้: ซีเซียม $2.1\ \text{eV}$, โซเดียม $2.3\ \text{eV}$, สังกะสี $4.3\ \text{eV}$, พลัตตินัม $5.6\ \text{eV}$. ชนิดไหนจะ放出electrons出来 และมีพลังงานจลน์สูงสุดเท่าใด?

    พลังงานโฟตอนคือ $hc/\lambda = 1240/400 = 3.1\ \text{eV}$. การปล่อยelectrons ต้องใช้ $hf \geq \Phi$, ดังนั้น ซีเซียม ($3.1 - 2.1 = 1.0\ \text{eV}$) และ โซเดียม ($0.8\ \text{eV}$) จะ放出electrons出来; สังกะสีและพลัตตินัมจะไม่放出electrons出来 ไม่ว่าแสงจะเข้มแค่ไหน เพื่อให้สังกะสี放出electrons出来 ความยาวคลื่นต้องสั้นกว่า $\lambda_{0} = 1240/4.3 = 290\ \text{nm}$, ซึ่งอยู่ในย่านยูวี, นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการสาธิตด้วยเครื่องวัดประจุไฟฟ้าต้องใช้หลอดไฟยูวีกับสังกะสี

    ตัวอย่างวิธีทำ. แผ่นแมกนีเซียมขัดเงาในสุญญากาศจะ放出electrons出来 เฉพาะเมื่อความถี่ยูวีอย่างน้อย $8.8 \times 10^{14}\ \text{Hz}$. มันถูกส่องด้วยแสงที่ $1.2 \times 10^{15}\ \text{Hz}$. จงหาฟังก์ชันงานและความเร็วสูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน

    $\Phi = hf_{0} = (6.63 \times 10^{-34})(8.8 \times 10^{14}) = 5.8 \times 10^{-19}\ \text{J}$ ($3.6\ \text{eV}$). จากนั้น $\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}) = (6.63 \times 10^{-34})(1.2 \times 10^{15} - 8.8 \times 10^{14}) = 2.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$, ดังนั้น $v_{\text{max}} = \sqrt{2 \times 2.1 \times 10^{-19}/9.11 \times 10^{-31}} = 6.8 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$. ลบความถี่ ก่อน คูณด้วย $h$; การปัดเศษ $hf$ และ $\Phi$ แยกกันจะทำให้เสีย significant figure ในผลต่างที่น้อย

    สมการ效应โฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์

    โฟตอนหนึ่งตัวให้พลังงานทั้งหมดแก่electrons หนึ่งตัว. หากพลังงานโฟตอน $hf$ มากกว่าฟังก์ชันงาน, electron จะหลุดออกมาพร้อมพลังงานจลน์สูงสุดถึงระดับหนึ่ง:

    $$h f = \Phi + \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2}, \qquad\text{so}\qquad \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}).$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. โลหะหนึ่งมีฟังก์ชันงาน $2.0\ \text{eV}$. แสงที่ทำจากโฟตอนที่มีพลังงาน $3.5\ \text{eV}$ ส่องลงบนมัน. จงหาพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน

    $$\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = hf - \Phi = 3.5 - 2.0 = 1.5\ \text{eV}\ (= 2.4 \times 10^{-19}\ \text{J}).$$

    ดังนั้นพลังงานจลน์สูงสุดของelectrons出来ขึ้นกับ ความถี่แบบเส้นตรง, ไม่ใช่ความสว่าง.

    กราฟแสดงพลังงานจลน์สูงสุดของelectrons出来 เทียบกับความถี่ของรังสีตกกระทบ: เป็นเส้นตรงตัดแกนความถี่ที่ความถี่ขีดจำกัด f0 และสูงขึ้นสำหรับความถี่ที่สูงกว่า
    พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนโฟโตมีค่าเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความถี่ และลดลงเป็นศูนย์ที่ความถี่ขีดจำกัด $f_0$

    กราฟพลังงานจลน์สูงสุดเทียบกับความถี่สำหรับโลหะสองชนิด X และ Y: เส้นตรงขนานกันที่มีความชัน h โดยโลหะ X ที่มีฟังก์ชันงานน้อยกว่าจะตัดแกนความถี่ที่ความถี่ขีดจำกัดต่ำกว่า; เมื่อต่อเส้นทั้งสองย้อนกลับจะตัดแกนพลังงานที่ลบด้วยฟังก์ชันงานของโลหะแต่ละชนิด *กราฟโลหะสองชนิดบนแผนภาพเดียวกัน: เส้นขนาน (มีความชันเท่ากับค่าคงที่ของพลังค์สำหรับทั้งสอง) โดยแต่ละเส้นตัดแกนความถี่ที่ความถี่ขีดจำกัดของตนเองและตัดแกนพลังงานที่ลบด้วยฟังก์ชันงานของตนเอง

    การอ่านกราฟ. เขียนสมการในรูป $E_{\text{K,max}} = hf - \Phi$: เป็นเส้นตรงที่มีความชัน $h$, ตัดแกนพลังงานที่ $-\Phi$ และตัดแกนความถี่ที่ $f_{0} = \Phi/h$ ดังนั้นกราฟสำหรับโลหะสองชนิดจึงแสดง เส้นขนาน (มีความชัน $h$ เดียวกันสำหรับทุกโลหะ) โดยโลหะที่มีฟังก์ชันงานมากกว่าจะตัดแกนความถี่ไปทางขวามากขึ้น; ความเข้มของแสงไม่ทำให้เส้นใดเคลื่อนที่ นี่คือวิธีการวัดค่าคงที่ของพลังค์ และการสั่ง "วาดเส้นสำหรับโลหะ Y" จะให้คะแนนเฉพาะเมื่อระบุคุณสมบัติทั้งสองนี้เท่านั้น

    วงจรเซลล์โฟโต:รังสีตกกระทบแผ่นปล่อยอิเล็กตรอนภายในหลอดสุญญากาศ อิเล็กตรอนโฟโตเคลื่อนที่ไปยังตัวเก็บประจุ และมีแรงดันไฟฟ้ากลับด้านแปรผันพร้อมมัลติมิเตอร์เพื่อวัดกระแส; ที่แรงดันหยุดกระแสจะเป็นศูนย์ *การสำรวจผล: กระแสวัดอัตราการปล่อยอิเล็กตรอน และแรงดันไฟฟ้ากลับด้านที่ยับยั้งอิเล็กตรอนที่เร็วที่สุดได้พอดี จะวัดพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนเหล่านั้น

    การวัดพลังงานจลน์สูงสุด. ในเซลล์โฟโต อิเล็กตรอนโฟโตจะข้ามสุญญากาศไปยังตัวเก็บประจุและ กระแส คือจำนวนนับของอิเล็กตรอนต่อวินาที ทำให้ตัวเก็บประจุมี ประจุลบ และอิเล็กตรอนต้องปีนขึ้นหุบเขาแห่งศักย์ไฟฟ้า; เพิ่มแรงดันไฟฟ้ากลับด้านจนกระแสลดลงเหลือศูนย์พอดี นั่นคือ แรงดันหยุด $V_{\text{s}}$ และจากนั้น $eV_{\text{s}} = E_{\text{K,max}}$. ผลลัพธ์สองอย่างที่ถูกตรวจสอบ: ที่ความถี่คงที่ การเพิ่มความเข้มเป็นสองเท่าจะทำให้กระแสเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าที่แรงดันกลับด้านต่ำ แต่ไม่ทำให้ $V_{\text{s}}$ เปลี่ยนแปลง; การเพิ่มความถี่จะทำให้ $V_{\text{s}}$ เพิ่มขึ้น แต่ที่ความเข้มคงที่จะไม่ทำให้กระแสเพิ่มขึ้น

    ทำไมแบบคลื่นถึงล้มเหลว

    แบบคลื่นทำนายว่าความสว่างควรกำหนดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน และการปล่อยอิเล็กตรอนควรเกิดขึ้นได้ทุกความถี่หากใช้เวลาเพียงพอ แต่ผลการทดลองแสดงให้เห็น:

    • ไม่มีการปล่อยอิเล็กตรอนต่ำกว่าความถี่ขีดจำกัด ไม่ว่าความสว่างจะมากเพียงใด
    • มีการปล่อยอิเล็กตรอนทันที ที่หรือเหนือความถี่ขีดจำกัด แม้ความสว่างจะน้อย
    • พลังงานจลน์สูงสุดขึ้นอยู่กับความถี่ ไม่ใช่ความสว่าง
    • จำนวนอิเล็กตรอนโฟโต (กระแส) ขึ้นอยู่กับความสว่าง

    แบบฟoton อธิบายสิ่งนี้ได้: แสงเดินทางมาเป็นฟoton แต่ละตัวมีพลังงาน $hf$. การกระทำระหว่างฟoton กับอิเล็กตรอนหนึ่งครั้งจะมีพลังงานเพียงพอที่จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกหรือไม่ ($hf \geq \Phi$) หรือไม่มีเลย

    ทำไมพลังงานจลน์สูงสุดถึงคงที่แต่กระแสเพิ่มขึ้นกับความสว่าง

    ลำแสงที่มีความสว่างมากขึ้นแต่เป็น ความถี่เดียวกัน จะมี ฟoton จำนวนมากต่อวินาที แต่แต่ละตัวยังคงพกพา $hf$ อยู่ ดังนั้นพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนใดๆ จึงเป็น $hf - \Phi$ (กำหนดโดย $f$ เท่านั้น) ในขณะที่อัตราการปล่อย (กระแส) เพิ่มขึ้นตามจำนวนฟoton นั่นคือความสว่าง การเพิ่มความสว่างเป็นสองเท่าจะทำให้กระแสเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าแต่ไม่เปลี่ยนพลังงานจลน์สูงสุด

    การเขียนคำอธิบาย (มาตรฐาน 3 คะแนน). (1) ฟoton แต่ละตัวกระทำกับ อิเล็กตรอนหนึ่งตัว และถ่ายโอนพลังงานทั้งหมดให้กับมัน (2) พลังงานของฟoton $hf$ ขึ้นอยู่กับ ความถี่ เท่านั้น ดังนั้นพลังงานสูงสุดที่อิเล็กตรอนสามารถ離開ไปได้ $hf - \Phi$ จึงถูกกำหนดด้วยความถี่ (3) การเพิ่ม ความเข้ม ที่ความถี่เดียวกัน会增加 จำนวนฟoton ต่อวินาที sehingga มีอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาต่อวินาทีมากขึ้น (กระแสใหญ่ขึ้น) แต่แต่ละตัวยังได้รับพลังงานเท่าเดิม ในทางตรงกันข้าม คลื่นจะกระจายพลังงานบนพื้นผิว ดังนั้นคลื่นที่สว่างกว่าควรให้อิเล็กตรอนที่เร็วขึ้นและคลื่นที่มืดกว่าควรรอสะสมพลังงาน; สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้น

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    The photoelectric effect · ⁨ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก⁩

    KEmax = h·f − φ

    Max KE is a straight line in frequency, with intercept −φ (the work function). · ⁨Kinetic Energy สูงสุดเป็นเส้นตรงเมื่อเทียบกับความถี่ โดยมีจุดตัดแกน y ที่ −φ (Work function)⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    frequency/ˈfriːkwənsi/ ความถี่
    Planck constant/plæŋk ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่เพลังก์
    electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
    potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ ต่างศักย์
    22.3

    Wave–particle duality · ⁨ทวิภาคيةคลื่น-อนุภาค⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that the photoelectric effect provides evidence for a particulate nature of electromagnetic radiation while phenomena such as interference and diffraction provide evidence for a wave nature
    2. describe and interpret qualitatively the evidence provided by electron diffraction for the wave nature of particles
    3. understand the de Broglie wavelength as the wavelength associated with a moving particle
    4. recall and use $\lambda = h/p$
    ไทย
    1. เข้าใจว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นหลักฐานของ ธรรมชาติแบบอนุภาค ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะที่ปรากฏการณ์เช่น การแทรกสอด และ การเลี้ยวเบน เป็นหลักฐานของ ธรรมชาติแบบคลื่น
    2. อธิบายและตีความในเชิงคุณภาพซึ่งหลักฐานที่ การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน ให้เห็นถึงธรรมชาติแบบคลื่นของอนุภาค
    3. เข้าใจ ความยาวคลื่นเด บรอยล์ ในฐานะความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่เคลื่อนที่
    4. จำและใช้ $\lambda = h/p$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    The photoelectric effect is strong evidence for the particle nature of light. But interference 干涉 (Young's double slit, the diffraction grating 衍射光栅) and diffraction 衍射 show its wave nature. So light has both wave and particle sides — this is wave–particle duality 波粒二象性.

    "Describe what is meant by wave–particle duality" (two marks). Electromagnetic radiation (and matter) can exhibit both wave properties, such as interference and diffraction, and particle properties, such as the photoelectric effect (or, for matter, discrete collisions). Asked for one piece of evidence for each nature of radiation, give: particulate, the photoelectric effect (the threshold frequency and the immediate emission); wave, diffraction or interference (Young's slits, a diffraction grating). For matter, the wave evidence is electron diffraction.

    De Broglie hypothesis

    If a wave can act like particles, perhaps particles can act like waves. De Broglie proposed that any moving particle has a de Broglie wavelength 德布罗意波长:

    $$\lambda = \frac{h}{p},$$

    where $p = mv$. Example: an electron at $v = 4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ has $p = 4.46 \times 10^{-23}\ \text{kg m s}^{-1}$, so $\lambda = 1.49 \times 10^{-11}\ \text{m} \approx 0.015\ \text{nm}$ — close to atomic spacings.

    "State what is meant by the de Broglie wavelength." The wavelength associated with a moving particle, or the wavelength of the wave associated with a particle of momentum $p$, given by $\lambda = h/p$ where $h$ is the Planck constant. In "state the formula and the meaning of any other symbol", name $h$ as the Planck constant and $p$ as the momentum of the particle. The wavelength is small because $h$ is small: a $0.10\ \text{kg}$ ball at $10\ \text{m s}^{-1}$ has $\lambda = 6.6 \times 10^{-34}\ \text{m}$, far below any slit or lattice spacing, which is why everyday objects show no diffraction.

    Electron diffraction

    When electrons are fired at a crystal lattice 晶格 (e.g. thin graphite), they make a diffraction pattern of bright rings on a screen — exactly what waves of wavelength $\lambda = h/p$ would do. This is direct evidence for the wave nature of particles (electron diffraction 电子衍射): only waves diffract, yet electrons do.

    A faster electron has more momentum, so a shorter de Broglie wavelength, which diffracts less — the rings move closer together. Slowing the electrons spreads the rings apart. To calculate: $p = \sqrt{2 m E_{\text{K}}}$, and for an electron accelerated through p.d. $V$, $E_{\text{K}} = eV$, so $\lambda = h/\sqrt{2m_{e} e V}$.

    Worked example. An electron is accelerated from rest through a p.d. of $2500\ \text{V}$. Find its de Broglie wavelength. ($m_{e} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$.)

    Its kinetic energy is $E_{\text{K}} = eV$, so $\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2 m_{e} e V}}$:

    $$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34}}{\sqrt{2(9.11 \times 10^{-31})(1.6 \times 10^{-19})(2500)}} \approx 2.5 \times 10^{-11}\ \text{m}.$$

    This is close to the spacing between atoms in a crystal, which is why the electrons diffract off the graphite.

    Deriving $\lambda$ for an accelerated electron. An electron of mass $m$ and charge $q$ accelerated from rest through a p.d. $V$ gains kinetic energy $qV = \tfrac{1}{2}mv^{2}$, so $v = \sqrt{2qV/m}$ and $p = mv = \sqrt{2mqV}$; hence $\lambda = h/\sqrt{2mqV}$. Two consequences the exam asks for: increasing $V$ increases the momentum and shortens the wavelength, so the diffraction rings shrink towards the centre; halving the wavelength needs four times the p.d.

    Describing electron diffraction (four marks). (1) Electrons from a heated filament are accelerated through a high p.d. into a beam. (2) The beam meets a thin polycrystalline 多晶的 graphite film; the regular spacing of the carbon atoms, about $10^{-10}\ \text{m}$, acts as a diffraction grating. (3) On a fluorescent screen the electrons produce a bright central spot surrounded by concentric rings. (4) Rings are a diffraction pattern, and diffraction is a wave property, so the electrons are behaving as waves; the ring radii match a wavelength $h/p$, which confirms de Broglie's relation. Sketch the pattern as rings, not spots or a fringe pattern. A faster beam gives rings of smaller radius.

    ไทย

    ปรากฏการณ์โฟโตอิเลคทริกเป็นหลักฐานอันแข็งแกร่งของธรรมชาติแบบ อนุภาค ของแสง แต่ การแทรกสอด (ช่องคู่ของ Young, ตะแกรงเบี่ยงเบน) และ การเบี่ยงเบน แสดงถึงธรรมชาติแบบ คลื่น ของมัน ดังนั้นแสงจึงมีทั้งด้านคลื่นและด้านอนุภาค — นี่คือ ทวิภาคีคลื่น-อนุภาค

    "อธิบายความหมายของทวิภาคีคลื่น-อนุภาค (2 คะแนน). รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (และสสาร) สามารถแสดงคุณสมบัติทั้งแบบคลื่น เช่น การแทรกสอดและการเบี่ยงเบน และแบบอนุภาค เช่น ปรากฏการณ์โฟโตอิเลคทริก (หรือสำหรับการเกิดปฏิกิริยาแบบแยกส่วน สำหรับสสาร). เมื่อถามหา หลักฐานหนึ่งชิ้น สำหรับธรรมชาติแต่ละประการของรังสี ให้ตอบ: ลักษณะอนุภาค, ปรากฏการณ์โฟโตอิเลคทริก (ความถี่ขีดจำกัดและการปล่อยอิเล็กตรอนทันที); ลักษณะคลื่น, การเบี่ยงเบนหรือการแทรกสอด (ช่องคู่ของ Young, ตะแกรงเบี่ยงเบน). สำหรับ สสาร, หลักฐานแบบคลื่นคือการเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอน

    สมมติฐานเดอบรอยล์

    หากคลื่นสามารถ behaving เหมือนอนุภาค อาจเป็นไปได้ว่าอนุภาคก็ behaving เหมือนคลื่น เดอบรอยล์เสนอว่าอนุภาคเคลื่อนที่ใดๆ มี ความยาวคลื่นเดอบรอยล์:

    $$\lambda = \frac{h}{p},$$

    โดยที่ $p = mv$. ตัวอย่าง: อิเล็กตรอนที่ $v = 4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ มี $p = 4.46 \times 10^{-23}\ \text{kg m s}^{-1}$, ดังนั้น $\lambda = 1.49 \times 10^{-11}\ \text{m} \approx 0.015\ \text{nm}$ — ใกล้เคียงกับระยะห่างระหว่างอะตอม

    "ระบุความหมายของความยาวคลื่นเดอบรอยล์. ความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่เคลื่อนที่, หรือ ความยาวคลื่นของคลื่นที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่มีโมเมนตัม $p$, กำหนดโดย $\lambda = h/p$ โดยที่ $h$ คือค่าคงที่ของพลังค์. ใน "ระบุสูตรและความหมายของสัญลักษณ์อื่นๆ" ให้ตั้งชื่อ $h$ ว่าค่าคงที่ของพลังค์และ $p$ ว่าโมเมนตัมของอนุภาค. ความยาวคลื่นมีขนาดเล็กเพราะ $h$ มีค่าน้อย: ลูกบอล $0.10\ \text{kg}$ ที่ $10\ \text{m s}^{-1}$ มี $\lambda = 6.6 \times 10^{-34}\ \text{m}$, ต่ำกว่าช่องหรือระยะห่างของโครงผลึกอย่างมาก ซึ่งนี่คือเหตุผลว่าทำไมวัตถุในชีวิตประจำวันจึงไม่แสดงการเบี่ยงเบน

    การเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอน

    เมื่ออิเล็กตรอนถูกยิงเข้าหา โครงผลึก (เช่น แกรไฟต์บาง) จะเกิด ลวดลายการรบกวน ของวงแหวนสว่างบนจอ — ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่คลื่นความยาว $\lambda = h/p$ จะทำ พยานยืนยันโดยตรงของ ธรรมชาติแบบคลื่นของอนุภาค (การรบกวนของอิเล็กตรอน): เฉพาะคลื่นเท่านั้นที่เกิดการรบกวน แต่อิเล็กตรอนก็ทำได้

    อิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงกว่าจะมีโมเมนตัมมากขึ้น จึงมีความยาวคลื่น de Broglie ที่ สั้นลง และการรบกวนน้อยลง — วงแหวนจะเคลื่อนที่เข้าหา กันมากขึ้น การลดความเร็วอิเล็กตรอนจะทำให้วงแหวนกระจายออกจากกันมากขึ้น ในการคำนวณ: $p = \sqrt{2 m E_{\text{K}}}$, และสำหรับอิเล็กตรอนที่เร่งด้วย p.d. $V$, $E_{\text{K}} = eV$, ดังนั้น $\lambda = h/\sqrt{2m_{e} e V}$

    ลำแสงอิเล็กตรอนจากปืนอิเล็กตรอนผ่านฟิล์มแกรไฟต์บางและสร้างวงแหวนสว่างซ้อนกันพร้อมจุดสว่างตรงกลางบนจอฟอสเฟอร์สกรีน
    อิเล็กตรอนที่ถูกยิงเข้าหาแกรไฟต์สร้างลวดลายการรบกวนแบบวงแหวน — เฉพาะคลื่นเท่านั้นที่รบกวนได้ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึง behaving เป็นคลื่น

    ตัวอย่างวิธีทำ. อิเล็กตรอนถูกเร่งจากสถานะหยุดนิ่งด้วย p.d. $2500\ \text{V}$. หาความยาวคลื่น de Broglie ของมัน ($m_{e} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$.)

    พลังงานจลน์ของมันคือ $E_{\text{K}} = eV$, ดังนั้น $\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2 m_{e} e V}}$:

    $$\lambda = \frac{6.63 \times 10^{-34}}{\sqrt{2(9.11 \times 10^{-31})(1.6 \times 10^{-19})(2500)}} \approx 2.5 \times 10^{-11}\ \text{m}.$$

    ค่านี้ใกล้เคียงกับระยะห่างระหว่างอะตอมในผลึก这正是为什么电子会从石墨上发生衍射。

    การหา $\lambda$ สำหรับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่ง. อิเล็กตรอนที่มีมวล $m$ และประจุ $q$ ถูกเร่งจากสถานะหยุดนิ่งด้วย p.d. $V$ ได้รับพลังงานจลน์ $qV = \tfrac{1}{2}mv^{2}$, ดังนั้น $v = \sqrt{2qV/m}$ และ $p = mv = \sqrt{2mqV}$; ดังนั้น $\lambda = h/\sqrt{2mqV}$. ผลลัพธ์สองประการที่ข้อสอบถามถึง: การเพิ่ม $V$ ทำให้โมเมนตัมเพิ่มขึ้นและ ทำให้ความยาวคลื่นสั้นลง, sehingga ลวดลายการรบกวนหดตัวเข้าหาศูนย์กลาง; การลดความยาวคลื่นลงครึ่งหนึ่งต้องใช้ p.d. สี่เท่า

    การอธิบายการรบกวนของอิเล็กตรอน (สี่คะแนน). (1) อิเล็กตรอนจากไส้หลอดร้อนถูกเร่งด้วย p.d. สูงเป็นลำแสง (2) ลำแสงชนกับฟิล์มแกรไฟต์แบบ โพลีคริสตัลไลน์; ระยะห่างที่เป็นระเบียบของอะตอมคาร์บอน ประมาณ $10^{-10}\ \text{m}$, ทำหน้าที่เป็นเกรตติ้งการรบกวน (3) บนจอฟอสเฟอร์สกรีน อิเล็กตรอนสร้างจุดสว่างตรงกลางล้อมรอบด้วย วงแหวนซ้อนกัน (4) วงแหวนคือลวดลายการรบกวน และการรบกวนเป็นคุณสมบัติของคลื่น ดังนั้นอิเล็กตรอนจึง behaving เป็นคลื่น;รัศมีของวงแหวนสอดคล้องกับความยาวคลื่น $h/p$, ซึ่งยืนยันความสัมพันธ์ของ de Broglie วาดภาพลวดลายเป็นวงแหวน ไม่ใช่จุดหรือลวดลายแถบ แสงที่เร็วขึ้นจะให้วงแหวนที่มีรัศมี เล็กลง

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    The de Broglie wavelength · ⁨ความยาวคลื่น de Broglie⁩

    λ = h/p

    A particle's wavelength is inversely proportional to its momentum — faster, heavier particles have shorter waves. · ⁨ความยาวคลื่นของอนุภาค แปรผกผันกับโมเมนตum ของมัน — อนุภาคที่เร็วขึ้นหรือหนักขึ้นจะมีคลื่นสั้นลง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射
    electron diffraction/ɪˈlektrɒn dɪˈfrækʃn/ การเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอน
    de Broglie wavelength/də ˈbrəʊli ˈweɪvleŋθ/ ความยาวคลื่นเด บรอยล์
    crystal lattice/ˈkrɪstl ˈlætɪs/ ตาข่ายคริสตัล
    polycrystalline/ˌpɒlɪˈkrɪstəlaɪn/ หลายผลึก
    ground state/ɡraʊnd steɪt/ สถานะพื้น
    excited state/ekˈsaɪtɪd steɪt/ สถานะกระตุ้น
    22.4

    Energy levels in atoms · ⁨ระดับพลังงานในอะตอม⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that there are discrete electron energy levels in isolated atoms (e.g. atomic hydrogen)
    2. understand the appearance and formation of emission and absorption line spectra
    3. recall and use $hf = E_1 - E_2$
    ไทย
    1. เข้าใจว่ามี ระดับพลังงานอิเล็กตรอนที่เป็นเอกเทศ ในอะตอมอิสระ (เช่น ไฮโดรเจนอะตอม)
    2. เข้าใจลักษณะและการเกิดของ สเปกตรัมเส้นจากการเปล่งแสง และ สเปกตรัมเส้นจากการดูดกลืนแสง
    3. จำและใช้ $hf = E_1 - E_2$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    In an isolated atom, electrons can only sit at certain discrete 分立 energy levels 能级 — never in between. The lowest is the ground state 基态; the others are excited states 激发态.

    By convention, energies are written negative, with $E = 0$ for an electron just free of the atom. For hydrogen the ground state is $E_{1} = -13.6\ \text{eV}$; higher states approach zero.

    Emission spectrum

    When an electron drops from a higher level $E_{2}$ to a lower level $E_{1}$, it emits one photon of energy

    $$h f = E_{2} - E_{1}.$$

    (Both energies are negative; their difference is positive.) Because the levels are discrete, only certain photon energies — and so certain wavelengths — come out. The emission spectrum 发射光谱 is a set of sharp bright lines on a dark background, one line per transition 跃迁. The pattern is a "fingerprint" of the element.

    Explaining a line spectrum (the standard four-marker). (1) The electrons in an isolated atom can only occupy discrete energy levels. (2) An electron in an excited state falls to a lower level and the energy it loses is emitted as one photon. (3) The photon energy equals the difference between the two levels, $hf = E_{2} - E_{1}$, so only certain frequencies (wavelengths) are emitted. (4) Each possible transition gives one line; the same set of levels gives the same lines every time, which is why a spectrum identifies the element. Asked to match lines to transitions: the largest energy gap gives the line of highest frequency and shortest wavelength.

    Absorption spectrum

    When white light passes through a cool gas, photons whose energy exactly matches an upward transition are absorbed. The light then shows dark lines on a bright background — the absorption spectrum 吸收光谱. The dark lines sit at the same wavelengths as the emission lines of the same gas.

    Explaining the dark lines. Photons whose energy equals the difference between two levels are absorbed, raising an electron to the higher level; the excited electron soon falls back and re-emits a photon of the same energy, but in a random direction, so almost none of that light continues along the original path. The rest of the white light, whose photons match no gap, passes through unchanged. Hence dark lines at exactly the wavelengths the same gas would emit: the Sun's spectrum shows the absorption lines of the cooler gases in its outer layers.

    Calculations

    For a transition between two known levels:

    $$hf = E_{2} - E_{1}, \qquad \lambda = \frac{hc}{E_{2} - E_{1}}.$$

    Work in consistent units — convert eV to joules (× $1.60 \times 10^{-19}$) before finding $\lambda$ in metres, or use $hc \approx 1240\ \text{eV nm}$ for a quick estimate.

    Worked example. The lowest four energy levels of hydrogen are $-13.6$, $-3.40$, $-1.51$ and $-0.85\ \text{eV}$. Find the wavelengths of the three lines produced by transitions to the ground state, and the number of lines these four levels can produce altogether.

    Transition $2 \to 1$: $\Delta E = 13.6 - 3.40 = 10.2\ \text{eV}$, so $\lambda = 1240/10.2 = 122\ \text{nm}$. $3 \to 1$: $12.09\ \text{eV}$, $\lambda = 103\ \text{nm}$. $4 \to 1$: $12.75\ \text{eV}$, $\lambda = 97.3\ \text{nm}$: all ultraviolet, the largest jump giving the shortest wavelength. Four levels allow $4 \to 3$, $4 \to 2$, $4 \to 1$, $3 \to 2$, $3 \to 1$ and $2 \to 1$: six lines. The visible red line of hydrogen is $3 \to 2$: $1.89\ \text{eV}$, $656\ \text{nm}$. (Working in joules: $10.2\ \text{eV} = 1.63 \times 10^{-18}\ \text{J}$, $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/1.63 \times 10^{-18} = 1.22 \times 10^{-7}\ \text{m}$.)

    Worked example. A laser emits red light of wavelength $650\ \text{nm}$ when electrons drop from one level to another. Find the energy gap between the two levels.

    $\Delta E = hc/\lambda = 1240/650 = 1.91\ \text{eV} = 3.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$. The gap, not either level, fixes the colour: two atoms with different levels but the same gap emit the same line.

    Worked example (annihilation). An electron and a positron, each moving slowly, meet and annihilate 湮灭, producing two identical photons. Find the wavelength of each photon. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)

    The rest energy of each particle is $E = mc^{2} = (9.11 \times 10^{-31})(3.00 \times 10^{8})^{2} = 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ ($0.51\ \text{MeV}$), and momentum conservation shares the energy between two photons moving in opposite directions, so each carries $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$: $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/8.2 \times 10^{-14} = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, a gamma ray. (Any kinetic energy the pair had is added to the photon energies.)

    ไทย

    ในอะตอมอิสระ อิเล็กตรอนสามารถอยู่ได้เฉพาะที่ ระดับพลังงาน ที่ ไม่ต่อเนื่อง เท่านั้น — ไม่อยู่ในช่วงระหว่างเลย ระดับต่ำสุดคือ สถานะพื้นฐาน; ระดับอื่นๆ คือ สถานะกระตุ้น

    ตามธรรมเนียม พลังงานจะถูกเขียนด้วยเครื่องหมาย ลบ, โดย $E = 0$ สำหรับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมได้อย่างอิสระ สำหรับไฮโดรเจน สถานะพื้นฐานคือ $E_{1} = -13.6\ \text{eV}$; ระดับที่สูงขึ้นจะเข้าใกล้ศูนย์

    แผนภูมิระดับพลังงานของไฮโดรเจน: เส้นแนวนอนที่ระดับพลังงานลบที่ไม่ต่อเนื่องตั้งแต่สถานะพื้นฐานที่ −13.6 eV ไปจนถึงศูนย์ที่ n=อนันต์ พร้อมลูกศรชี้ลงแสดงการเปลี่ยนสถานะการปล่อยแสง
    ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในไฮโดรเจนเป็นแบบไม่ต่อเนื่องและเป็นลบ โดยสถานะพื้นฐานอยู่ที่ $-13.6\ \text{eV}$

    สเปกตรัมการปล่อยแสง

    เมื่ออิเล็กตรอนตกลงจากระดับสูง $E_{2}$ ไปยังระดับต่ำ $E_{1}$, มันจะปล่อยโฟตอนหนึ่งตัวที่มีพลังงาน

    $$h f = E_{2} - E_{1}.$$

    (พลังงานทั้งสองเป็นลบ; ผลต่างของ它们是บวก) เนื่องจากระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง จึงมีเพียงพลังงานโฟตอนบางชนิด — และดังนั้นความยาวคลื่นบางชนิดเท่านั้นที่ออกมา สเปกตรัมการปล่อยแสง คือชุดของ เส้นสว่างคมชัด บนพื้นหลังมืด有一条线对应一个转变. ลวดลายนี้เป็น "ลายนิ้วมือ" ของธาตุ

    การอธิบายสเปกตรัมเส้น (ตัวบ่งชี้มาตรฐานสี่). (1) อิเล็กตรอนในอะตอมอิสระสามารถครอบครองได้เฉพาะ ระดับพลังงาน ที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้น (2) อิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นตกลงไปยังระดับต่ำกว่าและพลังงานที่สูญเสียจะถูกปล่อยออกมาเป็น โฟตอนหนึ่งตัว (3) พลังงานโฟตอนเท่ากับ ผลต่าง ระหว่างสองระดับ, $hf = E_{2} - E_{1}$, ดังนั้นจึงมีเพียงความถี่ (ความยาวคลื่น) บางชนิดที่ถูกปล่อยออกมา (4) การเปลี่ยนสถานะที่เป็นไปได้แต่ละครั้งให้ เส้น; ชุดระดับเดียวกันให้เส้นเหมือนกันทุกครั้ง ซึ่งเป็นเหตุผลที่สเปกตรัมระบุธาตุ เมื่อถูกถามให้จับคู่เส้นกับการเปลี่ยนสถานะ: ช่องว่างพลังงานที่ใหญ่ที่สุด ให้เส้นที่มีความถี่ สูงสุด และความยาวคลื่น สั้นที่สุด

    สเปกตรัมการปล่อยแสงของไฮโดรเจน: เส้นสีคมชัดไม่กี่เส้น (ม่วง น้ำเงิน ฟ้าแดง) บนพื้นหลังสีดำ วาดเทียบกับความยาวคลื่น *สเปกตรัมการปล่อยแสงของไฮโดรเจนคือชุดของเส้นสว่างคมชัดบนพื้นหลังมืด

    ตารางสารเคมีที่กล่องของแต่ละธาตุถูกแทนที่ด้วยภาพถ่ายสเปกตรัมการปล่อยแสงจริงของมัน -- ทุกอันเป็นชุดเส้นสว่างสีที่แตกต่างกันบนพื้นหลังดำ *สเปกตรัมการปล่อยแสงจริงของธาตุ: แต่ละอันเป็นชุดเส้นสว่างที่เป็นเอกลักษณ์ -- ลายนิ้วมือของธาตุนั้น

    สเปกตรัมการดูดกลืนแสง

    เมื่อแสงสีขาวผ่านแก๊สเย็น โฟตอนwhose energy exactly matches an upward transition are absorbed. Then the light shows dark lines on a bright background — the absorption spectrum. The dark lines sit at the same wavelengths as the emission lines of the same gas.

    การอธิบายเส้นมืด. โฟตอน whose energy equals the difference between two levels are absorbed, elevating an electron to the higher level; the excited electron soon falls back and re-emits a photon of the same energy, but in a random direction, so almost none of that light continues along the original path. The rest of the white light, whose photons match no gap, passes through unchanged. Hence dark lines at exactly the wavelengths the same gas would emit: the Sun's spectrum shows the absorption lines of the cooler gases in its outer layers.

    สเปกตรัมของดวงอาทิตย์: แถบรุ้งสีต่อเนื่องที่ตัดด้วยเส้นดูดกลืนแนวตั้งหลายเส้น วาดเทียบกับความยาวคลื่น
    เส้นดูดกลืนสีเข้มในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์บ่งบอกถึงคลื่นความยาวที่ถูกดูดกลืนโดยแก๊สที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า

    การคำนวณ

    สำหรับการเปลี่ยนผ่านระหว่างสองระดับพลังงานที่ทราบค่า:

    $$hf = E_{2} - E_{1}, \qquad \lambda = \frac{hc}{E_{2} - E_{1}}.$$

    ทำงานด้วยหน่วยให้สอดคล้องกัน — แปลง eV เป็นจูล (× $1.60 \times 10^{-19}$) ก่อนหาค่า $\lambda$ ในหน่วยเมตร หรือใช้ $hc \approx 1240\ \text{eV nm}$ เพื่อประมาณค่าอย่างรวดเร็ว

    สี่ระดับพลังงานของไฮโดรเจนพร้อมการเปลี่ยนผ่านสามครั้งสู่สถานะพื้นวาดเป็นลูกศร จับคู่กับเส้นการปล่อยแสงสามเส้นบนแถบมืดที่ 97, 103 และ 122 nm; การกระโดดพลังงานที่ใหญ่ที่สุดให้คลื่นความยาวสั้นที่สุด
    จากระดับสู่เส้น: การเปลี่ยนผ่านลงสู่สถานะพื้นแต่ละครั้งสร้างเส้นหนึ่งเส้น และการกระโดดที่ใหญ่ที่สุดจะอยู่ห่างออกไปทางปลายคลื่นความยาวสั้น

    ตัวอย่างวิธีทำ สี่ระดับพลังงานต่ำสุดของไฮโดรเจนคือ $-13.6$, $-3.40$, $-1.51$ และ $-0.85\ \text{eV}$. หาความยาวคลื่นของเส้นทั้งสามที่เกิดจากการเปลี่ยนผ่านสู่สถานะพื้น และจำนวนเส้นทั้งหมดที่สี่ระดับนี้สามารถสร้างได้

    การเปลี่ยนผ่าน $2 \to 1$: $\Delta E = 13.6 - 3.40 = 10.2\ \text{eV}$, ดังนั้น $\lambda = 1240/10.2 = 122\ \text{nm}$. $3 \to 1$: $12.09\ \text{eV}$, $\lambda = 103\ \text{nm}$. $4 \to 1$: $12.75\ \text{eV}$, $\lambda = 97.3\ \text{nm}$: ทั้งหมดเป็นรังสีอัลตราไวโอเลต, การกระโดดที่ใหญ่ที่สุดให้คลื่นความยาวสั้นที่สุด. สี่ระดับอนุญาตให้ $4 \to 3$, $4 \to 2$, $4 \to 1$, $3 \to 2$, $3 \to 1$ และ $2 \to 1$: หก เส้น. เส้นสีแดงที่มองเห็นได้ในไฮโดรเจนคือ $3 \to 2$: $1.89\ \text{eV}$, $656\ \text{nm}$. (การทำงานด้วยหน่วยจูล: $10.2\ \text{eV} = 1.63 \times 10^{-18}\ \text{J}$, $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/1.63 \times 10^{-18} = 1.22 \times 10^{-7}\ \text{m}$.)

    ตัวอย่างวิธีทำ เลเซอร์ปล่อยแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่น $650\ \text{nm}$ เมื่ออิเล็กตรอนตกลงจากหนึ่งระดับไปยังอีกระดับหนึ่ง. หาช่องว่างพลังงานระหว่างสองระดับนั้น

    $\Delta E = hc/\lambda = 1240/650 = 1.91\ \text{eV} = 3.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$. ช่องว่างพลังงาน ไม่ใช่ระดับใดระดับหนึ่งที่กำหนดสี: อะตอมสองตัวมีระดับพลังงานต่างกันแต่มีช่องว่างเท่ากันจะปล่อยเส้นเดียวกัน

    ตัวอย่างวิธีทำ (การทำลายล้าง) อิเล็กตรอนและโพซิตรอนซึ่งเคลื่อนที่ช้าพบกันและ ทำลายล้างกัน เกิดโฟตอนสองตัวที่เหมือนกันทุกประการ. หาความยาวคลื่นของแต่ละโฟตอน. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)

    พลังงานนิ่งของอนุภาคแต่ละตัวคือ $E = mc^{2} = (9.11 \times 10^{-31})(3.00 \times 10^{8})^{2} = 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ ($0.51\ \text{MeV}$), และการอนุรักษ์โมเมนตัมแบ่งพลังงานระหว่างโฟตอนสองตัวที่เคลื่อนที่สวนทางกัน ดังนั้นแต่ละตัวจึงพกพา $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$: $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/8.2 \times 10^{-14} = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, รังสีแกมมา. (พลังงานจลน์ใดๆ ที่คู่ดังกล่าวมีจะถูกเพิ่มเข้ากับพลังงานของโฟตอน)

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Make an element's spectral lines · ⁨สร้างสเปกตรัมเชิงเส้นของธาตุ⁩

    An electron dropping between fixed energy levels emits a photon of exactly the gap's energy — a fixed wavelength and colour. Each jump is one line of the element's barcode. · ⁨อิเล็กตรอนที่ตกลงระหว่างระดับพลังงานที่กำหนดจะปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับช่องว่างนั้นพอดี — ความยาวคลื่นและสีที่แน่นอน Each jump คือ one line of element's barcode⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ ความยาวคลื่น
    electronvolt/ɪˈlektrɒnvəʊlt/ อิเล็กตรอนโวลต์
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    energy level/ˈenədʒi ˈlevl/ ระดับพลังงาน
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    transition/trænˈsɪʃn/ transition
    emission spectrum/ɪˈmɪʃn ˈspektrəm/ สเปกตรัมการแผ่รังสี
    absorption spectrum/əbˈsɔːpʃn ˈspektrəm/ สเปกตรัมการดูดกลืนแสง
    annihilate/əˈnaɪəleɪt/ การทำลายล้างกันและกัน
    22.4

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    photon a quantum (discrete packet) of energy of electromagnetic radiation
    electronvolt the energy gained by an electron accelerated through a potential difference of one volt; $1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}$
    photoelectric effect the emission of electrons from a metal surface when electromagnetic radiation of high enough frequency is incident on it
    work function energy the minimum energy needed to remove an electron from the surface of the metal
    threshold frequency the minimum frequency of radiation that causes photoelectric emission from a metal
    threshold wavelength the maximum wavelength of radiation that causes photoelectric emission, $\lambda_{0} = hc/\Phi$
    wave–particle duality radiation and matter show both wave properties (diffraction, interference) and particle properties (photoelectric effect, discrete collisions)
    de Broglie wavelength the wavelength associated with a moving particle, $\lambda = h/p$
    energy level one of the discrete energies an electron in an isolated atom may have
    emission line spectrum a set of bright lines of definite wavelengths, each from a transition between two energy levels
    absorption line spectrum dark lines on a continuous spectrum at the wavelengths absorbed by transitions to higher levels
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    โฟตอน ควอนตัม (แพ็กเก็ตพลังงานแบบไม่ต่อเนื่อง) ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
    อิเล็กตรอนโวลต์ พลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับเมื่อถูกเร่งผ่านต่างศักย์หนึ่งโวลต์; $1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}$
    เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก การปล่อยอิเล็กตรอนออกจากผิวโลหะเมื่อมีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงพอตกกระทบ
    ฟังก์ชันงาน (work function energy) พลังงานขั้นต่ำที่ต้องการเพื่อดึงอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวโลหะ
    ความถี่ Threshold (threshold frequency) ความถี่ต่ำสุดของรังสีที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกจากโลหะ
    ความยาวคลื่นขีดจำกัด ความยาวคลื่นสูงสุดของรังสีที่ทำให้เกิดการปล่อยโฟโตอิเล็กทริก, $\lambda_{0} = hc/\Phi$
    ธรรมชาติแบบคลื่น-อนุภาค รังสีและสสารแสดงทั้งคุณสมบัติคลื่น (การเลี้ยวเบน, การแทรกสอด) และคุณสมบัติอนุภาค (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก, การชนแบบไม่ต่อเนื่อง)
    ความยาวคลื่นเดบริogli ความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่เคลื่อนที่, $\lambda = h/p$
    ระดับพลังงาน พลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง某一个的一个 electron in an isolated atom may have
    สเปกตรัมเส้นการปล่อยแสง ชุดของเส้นสว่างที่มีความยาวคลื่นแน่นอน แต่ละเส้นเกิดจากการเปลี่ยนผ่านระหว่างสองระดับพลังงาน
    สเปกตรัมเส้นดูดกลืนแสง เส้นมืดบนสเปกตรัมต่อเนื่องที่ความยาวคลื่นที่ถูกดูดกลืนจากการเปลี่ยนผ่านสู่ระดับที่สูงขึ้น
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    work function/wɜːk ˈfʌŋkʃn/ work function
    threshold frequency/ˈθreʃəʊld ˈfriːkwənsi/ threshold frequency
    threshold wavelength/ˈθreʃəʊld ˈweɪvleŋθ/ threshold wavelength
    stopping potential/ˈstɒpɪŋ pəˈtenʃl/ ศักย์หยุดยั้ง
    wave–particle duality/weɪv ˈpɑːtɪkl djuːˈælɪti/ ทวิลักษณ์คลื่น-อนุภาค
    interference/ˌɪntəˈfɪərəns/ การแทรกแซง
    diffraction grating/dɪˈfrækʃn ˈɡreɪtɪŋ/ เกรตติ้งเลี้ยวเบน
    22.4

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • Photon: $E = hf = hc/\lambda$, $p = E/c = h/\lambda$. Use $hc = 1240\ \text{eV nm}$ to move between wavelength and energy in eV, then convert to joules only if the answer demands it.
    • Photoelectric equation $hf = \Phi + \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2}$: maximum energy, one photon to one electron; the graph of $E_{\text{K,max}}$ against $f$ has gradient $h$ and intercepts $f_{0}$ and $-\Phi$.
    • Intensity changes the number of photons per second (the current); frequency changes the energy of each (the maximum kinetic energy). Keep those two sentences apart and every explanation writes itself.
    • Evidence: photoelectric effect for particles, diffraction and interference for waves; electron diffraction for the wave nature of matter, with $\lambda = h/p = h/\sqrt{2mqV}$.
    • Line spectra: discrete levels, one photon per transition, $hf = E_{2} - E_{1}$; the biggest gap gives the shortest wavelength; absorption lines sit where emission lines would, because the absorbed light is re-emitted in all directions.
    • Radiation pressure: force $=$ photons per second $\times$ momentum change per photon; $2p$ for a mirror, $p$ for an absorber; pressure depends on intensity, not colour.

    Common mistakes

    • Defining a photon as "a particle of light" without "quantum/packet of energy", or the work function without "minimum" and "from the surface".
    • Saying brighter light gives faster photoelectrons, or that below the threshold frequency emission happens eventually.
    • Mixing eV and joules in one equation; forgetting to subtract the work function; using $\tfrac{1}{2}mv^{2}$ with the maximum kinetic energy in eV.
    • Writing the de Broglie wavelength for an accelerated electron as $h/(mv)$ with $v$ guessed, instead of $h/\sqrt{2mqV}$.
    • Describing electron diffraction as bright fringes or spots; the pattern is concentric rings, and a higher p.d. makes them smaller.
    • Getting the direction of a transition wrong: emission is a fall to a lower level, absorption a rise; the photon energy is the difference, never the energy of one level.
    • Claiming the largest energy gap gives the longest wavelength.
    • Forgetting that a reflected photon changes momentum by $2p$, or that the pressure of blue light of the same intensity is the same as red.
    ไทย
    • โฟตอน: $E = hf = hc/\lambda$, $p = E/c = h/\lambda$. ใช้ $hc = 1240\ \text{eV nm}$ เพื่อแลกเปลี่ยนระหว่างความยาวคลื่นและพลังงานใน eV, แล้วแปลงเป็นจูลก็ต่อเมื่อคำตอบต้องการเท่านั้น
    • สมการโฟโตอิเล็กทริก $hf = \Phi + \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2}$: พลังงานสูงสุด, โฟตอนหนึ่งต่ออิเล็กตรอนหนึ่ง; กราฟของ $E_{\text{K,max}}$ เทียบกับ $f$ มีความชัน $h$ และตัดแกนที่ $f_{0}$ และ $-\Phi$.
    • ความเข้มเปลี่ยนแปลง จำนวน โฟตอนต่อวินาที (กระแส); ความถี่เปลี่ยนแปลง พลังงาน ของแต่ละตัว (พลังงานจลน์สูงสุด). รักษาประโยคทั้งสองแยกออกจากกัน และคำอธิบายทุกอย่างก็จะเขียนตัวเอง
    • หลักฐาน: เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกสำหรับอนุภาค, การเลี้ยวเบนและการแทรกสอดสำหรับคลื่น; การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนสำหรับธรรมชาติคลื่นของสสาร, กับ $\lambda = h/p = h/\sqrt{2mqV}$.
    • สเปกตรัมเส้น: ระดับที่ไม่ต่อเนื่อง, โฟตอนหนึ่งต่อการเปลี่ยนผ่าน, $hf = E_{2} - E_{1}$; ช่องว่างที่ใหญ่ที่สุดให้คลื่นความยาวสั้นที่สุด; เส้นดูดกลืนอยู่ในตำแหน่งที่เส้นปล่อยแสงจะอยู่ เพราะแสงที่ถูกดูดกลืนจะถูกปล่อยออกใหม่ในทุกทิศทาง
    • แรงดันรังสี: แรง $=$ โฟตอนต่อวินาที $\times$ การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมต่อโฟตอน; $2p$ สำหรับกระจก, $p$ สำหรับตัวดูด; แรงดันขึ้นอยู่กับความเข้ม ไม่ใช่สี

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • การนิยามโฟตอนว่าเป็น "อนุภาคของแสง" โดยไม่มี "ควอนตัม/แพ็กเก็ตพลังงาน", หรือฟังก์ชันงานโดยไม่ระบุ "ขั้นต่ำ" และ "จากผิว"
    • การบอกว่าแสงที่สว่างกว่าทำให้โฟโตอิเล็กตรอนเร็วขึ้น, หรือว่าต่ำกว่าความถี่ขีดจำกัดการปล่อยแสงจะเกิดขึ้นในภายหลัง
    • การผสม eV และจูลในสมการเดียวกัน; ลืมที่จะลบฟังก์ชันงาน; การใช้ $\tfrac{1}{2}mv^{2}$ กับพลังงานจลน์สูงสุดใน eV
    • การเขียนความยาวคลื่นเดบริogliสำหรับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งเป็น $h/(mv)$ dengan $v$ Guess, แทนที่จะเป็น $h/\sqrt{2mqV}$.
    • การอธิบายการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนเป็นแถบสว่างหรือจุด; ลวดลายเป็นวงแหวนซ้อนกัน, และ p.d. สูงขึ้นทำให้มันเล็กลง
    • การกำหนดทิศทางการเปลี่ยนผ่านผิด: การปล่อยแสงคือการตกลงสู่ระดับที่ต่ำกว่า, การดูดกลืนคือการเพิ่มขึ้น; พลังงานโฟตอนคือผลต่าง, ไม่เคยเป็นพลังงานของระดับใดระดับหนึ่ง
    • การอ้างว่าช่องว่างพลังงานที่ใหญ่ที่สุดให้คลื่นความยาวที่ยาวที่สุด
    • การลืมว่าโฟตอนที่สะท้อนมีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม $2p$, หรือว่าแรงดันของแสงสีฟ้าที่มีความเข้มเท่ากันเท่ากับแสงสีแดง
  • 23

    Nuclear physics · ⁨ฟิสิกส์นิวเคลียร์⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    23.1

    Mass-energy equivalence · ⁨ความเทียบเท่ามวล-พลังงาน⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand the equivalence between energy and mass as represented by $E = mc^2$ and recall and use this equation
    2. represent simple nuclear reactions by nuclear equations of the form $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
    3. define and use the terms mass defect and binding energy
    4. sketch the variation of binding energy per nucleon with nucleon number
    5. explain what is meant by nuclear fusion and nuclear fission
    6. explain the relevance of binding energy per nucleon to nuclear reactions, including nuclear fusion and nuclear fission
    7. calculate the energy released in nuclear reactions using $E = c^2 \Delta m$
    ไทย
    1. เข้าใจถึงความ เทียบเท่าระหว่างพลังงานและมวล ซึ่งแสดงด้วย $E = mc^2$ และจำ并使用สมการนี้
    2. แสดง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ แบบง่ายโดยใช้ สมการนิวเคลียร์ รูปแบบ $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
    3. นิยามและใช้ศัพท์ ความบกพร่องของมวล และ พลังงานยึดเหนี่ยว
    4. วาดกราฟแสดงความแปรปรวนของ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อ นิวคลีออน กับ จำนวนนิวคลีออน
    5. อธิบายความหมายของ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน
    6. อธิบายความสำคัญของพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนที่มีต่อปฏิกิริยานิวเคลียร์ รวมถึงฟิวชันและฟิชชัน
    7. คำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยานิวเคลียร์โดยใช้ $E = c^2 \Delta m$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English

    Einstein's special relativity gives the famous link (mass-energy equivalence 质能等价):

    $$E = m c^{2},$$

    where $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. A mass $m$ matches an energy 能量 $E$ — the two can change into each other. For a mass change $\Delta m$:

    Worked example. The star Sirius loses mass through nuclear fusion at $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. Find the power it radiates.

    Every kilogram that disappears leaves as energy: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. This is the star's luminosity 光度 (Topic 25); the Sun's is $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, so it loses about $4$ million tonnes a second. The same idea in reverse: a power station producing $1\ \text{GW}$ for a year converts $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$ of mass, which is why the fuel weighs almost the same afterwards.

    $$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$

    In nuclear physics the masses are tiny but $c^{2}$ is huge, so a small mass change means a large energy. A mass change of $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) matches $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. This gives a conversion you will use again and again:

    $$1\ \text{u} \ \longleftrightarrow\ 931\ \text{MeV}.$$
    ไทย

    ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ให้ความเชื่อมโยงที่มีชื่อเสียง (ความเทียบเท่ามวล-พลังงาน):

    มวลและพลังงานสามารถเปลี่ยนเป็นกันได้, E = m c squared
    มวลและพลังงานเทียบเท่ากันได้และสามารถแปลงเป็นกันและกัน
    $$E = m c^{2},$$

    โดยที่ $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. มวล $m$ สอดคล้องกับ พลังงาน $E$ — ทั้งสองสามารถแปลงเป็นกันและกัน สำหรับการเปลี่ยนแปลงมวล $\Delta m$:

    ตัวอย่างทำโจทย์. ดาวซิริอุสสูญเสียมวลจากการหลอมนิวเคลียสที่ $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. จงหากำลังไฟฟ้าที่ดาวนี้แผ่รังสีออกมา

    ทุกกิโลกรัมที่หายไปจะกลายเป็นพลังงาน: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. นี่คือ ความสว่างของดาว (luminosity) (หัวข้อ 25); ของดวงอาทิตย์คือ $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, ดังนั้นมันจึงสูญเสียประมาณ $4$ ล้านตันต่อวินาที. แนวคิดเดียวกันในทางกลับกัน: โรงไฟฟ้าย่อยสลายผลิต $1\ \text{GW}$ เป็นเวลาหนึ่งปี จะเปลี่ยนมวล $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$, ซึ่งนั่นคือเหตุผลว่าทำไมเชื้อเพลิงถึงมีน้ำหนักเกือบเท่าเดิม afterwards.

    $$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$

    ในฟิสิกส์นิวเคลียส มวลมีขนาดเล็กแต่ $c^{2}$ มีค่ามหาศาล, ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงมวลเพียงเล็กน้อยจึงหมายถึงพลังงานจำนวนมาก การเปลี่ยนแปลงมวล $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) สอดคล้องกับ $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. สิ่งนี้ให้ค่าการแปลงที่คุณจะใช้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า:

    $$1\ \text{u} \ \longleftrightarrow\ 931\ \text{MeV}.$$
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ ความส่องสว่าง
    nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ ปฏิกิริยานิวเคลียร์
    23.1

    Nuclear reactions · ⁨ปฏิกิริยานิวเคลียร์⁩

    English

    A nuclear reaction 核反应 is written like

    $$^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H},$$

    with nucleon number 核子数 conserved (top numbers: $14 + 4 = 17 + 1$) and charge conserved (bottom numbers: $7 + 2 = 8 + 1$) — this is conservation of charge 电荷守恒. Use these to fill in an unknown: identify the species, then balance the top and bottom numbers.

    The decay equations. Alpha decay removes $^{4}_{2}\text{He}$, so $A$ falls by 4 and $Z$ by 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. Beta-minus decay turns a neutron into a proton, emitting an electron and an antineutrino: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ unchanged, $Z$ up by 1). Beta-plus decay turns a proton into a neutron, emitting a positron 正电子 and a neutrino 中微子: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ down by 1). Gamma emission changes neither number. In a chain of decays just keep the books: a nucleus W that emits $\beta^{-}$, then $\alpha$, then $\beta^{-}$ ends with $A - 4$ and $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, an isotope of W. Check both lines of every equation you complete, and remember the neutrino: the mark scheme includes it.

    ไทย

    ปฏิกิริยานิวเคลียร์ เขียนได้ดังนี้

    $$^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H},$$

    โดยมี เลขนิวคลีออน (nucleon number) คงที่ (ตัวเลขด้านบน: $14 + 4 = 17 + 1$) และมีประจุคงที่ (ตัวเลขด้านล่าง: $7 + 2 = 8 + 1$) — นี่คือ กฎการอนุรักษ์ประจุ. ใช้สิ่งเหล่านี้ในการเติมช่องว่างที่ไม่ทราบค่า: ระบุชนิดอนุภาค แล้วปรับสมดุลตัวเลขด้านบนและด้านล่าง

    สมการการสลายตัว. การสลายตัวอัลฟาจะกำจัด $^{4}_{2}\text{He}$, ดังนั้น $A$ ลดลง 4 และ $Z$ ลดลง 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. การสลายตัวเบตาลบ (beta-minus) เปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอน ปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวทริโน: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ ไม่เปลี่ยนแปลง, $Z$ เพิ่มขึ้น 1). การสลายตัวเบตาบวก (beta-plus) เปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอน ปล่อย โพซิตรอน และ นิวทริโน: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ ลดลง 1). การแผ่รังสีแกมมาไม่เปลี่ยนจำนวนใด ๆ. ในลำดับของการสลายตัว ให้บันทึกไว้เท่านั้น: นิวเคลียส W ที่ปล่อย $\beta^{-}$, จากนั้น $\alpha$, แล้ว $\beta^{-}$ จะสิ้นสุดที่ $A - 4$ และ $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, ซึ่งเป็น ไอโซโทปของ W. ตรวจสอบทั้งสองบรรทัดของสมการที่คุณทำเสร็จทุกครั้ง, และจำไว้ว่าต้องมีนิวทริโน: แผนการให้คะแนนจะรวมมันด้วย

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ เลขนิวคลีออน
    conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ การอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า
    23.1

    Mass defect and binding energy · ⁨ความด้อยมวลและพลังงานยึดเหนี่ยว⁩

    English

    The mass of a nucleus 原子核 is less than the total mass of its separate protons 质子 and neutrons 中子. The difference is the mass defect 质量亏损 $\Delta m$:

    $$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$

    By $E = mc^{2}$, this "missing" mass was released as energy when the nucleus formed. To pull the nucleus fully apart you must put that energy back — the binding energy 结合能 $B$:

    $$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$

    Worked example. A helium-4 nucleus has a mass defect of $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. Find its binding energy. ($1\ \text{u}$ corresponds to $931\ \text{MeV}$.)

    $$B = \Delta m \cdot c^{2} = 0.0304 \times 931 \approx 28\ \text{MeV}.$$

    A more tightly bound nucleus has a larger mass defect and larger binding energy. The binding energy per nucleon 比结合能 is $B/A$ (usually in MeV per nucleon) — a measure of how tightly each nucleon is held, useful for comparing nuclides.

    The two-mark definitions. The mass defect of a nucleus is the difference between the total mass of its separate nucleons and the mass of the nucleus. The binding energy is the minimum energy required to separate the nucleus into its individual nucleons (equivalently, the energy released when the nucleus is formed from separate nucleons). Say "separate nucleons" or "individual protons and neutrons"; "the energy holding the nucleus together" scores nothing. Binding energy is released, not stored: the nucleus has less energy than its parts.

    Worked example. The masses are: proton $1.007\,276\ \text{u}$, neutron $1.008\,665\ \text{u}$, polonium-212 nucleus $211.945\,4\ \text{u}$. Find the mass defect and the binding energy per nucleon of $^{212}_{84}\text{Po}$.

    $Z = 84$ protons and $N = 212 - 84 = 128$ neutrons: total $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. Mass defect $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. Binding energy $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, so per nucleon $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, on the falling part of the curve. Keep every decimal place until the subtraction: the defect is a small difference of two large numbers.

    Binding energy per nucleon vs nucleon number

    A graph of $B/A$ against $A$ has a typical shape:

    • for light nuclei ($A < 20$), $B/A$ rises quickly (with a spike at the very stable $^{4}_{2}\text{He}$).
    • around $A \sim 56$ (iron), $B/A$ reaches its maximum of about $8.8\ \text{MeV}$. Iron-56 is the most stable nucleus.
    • for heavy nuclei ($A > 100$), $B/A$ falls slowly, to about $7.5\ \text{MeV}$ for uranium.

    So the curve is dome-shaped, rising to iron then falling.

    Sketching the curve. The exam gives blank axes ($A$ from 1 to 250, $B/A$ up to about $9\ \text{MeV}$) and marks: a steep rise from near zero at $A = 1$, a maximum near $A = 56$ at about $8.8\ \text{MeV}$, then a slow, gentle fall to about $7.5\ \text{MeV}$ at $A = 238$. Do not start the curve at the origin exactly (hydrogen-1 has no binding energy but is a single point), do not make the fall as steep as the rise, and do not let the curve reach zero on the right. Asked to mark a nucleus that undergoes alpha decay, put X on the far right, $A > 200$; a nucleus that undergoes fusion goes at the far left, $A < 10$; both are at low $B/A$, moving up the curve when they react.

    ไทย

    มวลของ นิวเคลียส มีค่าน้อยกว่าผลรวมมวลของ โปรตอน และ นิวตรอน แยกต่างหาก. ส่วนต่างนี้เรียกว่า ความด้อยมวล (mass defect) $\Delta m$:

    $$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$

    ตาม $E = mc^{2}$, “มวลที่หายไป” นี้ được phát ra dưới dạng năng lượng khi hạt nhân hình thành. Чтобы tách hoàn toàn hạt nhân ra, bạn phải cung cấp lại năng lượng đó — đây là năng lượng liên kết (binding energy) $B$:

    $$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$

    Protons và neutrons riêng lẻ có tổng khối lượng Z m_p + N m_n; khi chúng tập hợp thành hạt nhân thì hạt nhân có khối lượng ít hơn (độ hụt khối), và phần khối lượng bị mất này được giải phóng dưới dạng năng lượng liên kết B *Hạt nhân được tạo thành có khối lượng ít hơn các nucleons riêng lẻ; phần khối lượng bị mất được giải phóng dưới dạng năng lượng liên kết

    ตัวอย่างทำโจทย์. นิวเคลียสเฮเลียม-4 มีความด้อยมวล $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. จงหาพลังงานยึดเหนี่ยวของมัน. ($1\ \text{u}$ สอดคล้องกับ $931\ \text{MeV}$.)

    $$B = \Delta m \cdot c^{2} = 0.0304 \times 931 \approx 28\ \text{MeV}.$$

    นิวเคลียสที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงกว่าจะมีความด้อยมวลและพลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงขึ้น พลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออน คือ $B/A$ (มักอยู่ในหน่วย MeV ต่อหนึ่งนิวคลีออน) — เป็นตัวชี้วัดว่าแต่ละนิวคลีออนถูกยึดติดกันแน่นแค่ไหน, มีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบนิวคลีได์ต่างๆ

    นิยามแบบ 2 คะแนน. ความด้อยมวลของนิวเคลียสคือส่วนต่างระหว่างผลรวมมวลของนิวคลีออนแยกต่างหากกับมวลของนิวเคลียส. พลังงานยึดเหนี่ยวคือพลังงานขั้นต่ำที่ต้องการเพื่อแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนรายบุคคล (หรือเทียบเท่ากัน, พลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสถูกสร้างจากนิวคลีออนแยกต่างหาก). ต้องพูดว่า "นิวคลีออนแยกต่างหาก" หรือ "โปรตอนและนิวตรอนรายบุคคล"; คำว่า "พลังงานที่ยึดนิวเคลียสเข้าด้วยกัน" จะไม่ได้คะแนน. พลังงานยึดเหนี่ยวคือ ถูกปล่อยออกมา, ไม่ใช่ถูกเก็บไว้: นิวเคลียสมี พลังงานน้อยกว่า ส่วนประกอบของมัน

    ตัวอย่างทำโจทย์. มวลคือ: โปรตอน $1.007\,276\ \text{u}$, นิวตรอน $1.008\,665\ \text{u}$, นิวเคลียสโพลโอนিয়ัม-212 $211.945\,4\ \text{u}$. จงหาความด้อยมวลและพลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออนของ $^{212}_{84}\text{Po}$.

    $Z = 84$ โปรตอนและ $N = 212 - 84 = 128$ นิวตรอน: ผลรวม $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. ความด้อยมวล $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. พลังงานยึดเหนี่ยว $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, ดังนั้นต่อหนึ่งนิวคลีออน $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, อยู่บนส่วนลดลงของกราฟ. รักษาทศนิยมทุกตำแหน่งจนถึงการลบ: ความด้อยมวลเป็นผลต่างเล็กน้อยของสองจำนวนที่มีขนาดใหญ่

    พลังงานยึดเหนี่ยวต่อหนึ่งนิวคลีออนเทียบกับเลขนิวคลีออน

    กราฟของ $B/A$ เทียบกับ $A$ จะมีรูปร่างทั่วไปดังนี้:

    • สำหรับนิวเคลียสเบา ($A < 20$), $B/A$เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (พร้อมกับการพุ่งสูงที่เสถียรมาก $^{4}_{2}\text{He}$).
    • ประมาณ $A \sim 56$ (เหล็ก), $B/A$เข้าสู่ ค่าสูงสุด ประมาณ $8.8\ \text{MeV}$. เหล็ก-56 เป็นนิวเคลียสที่เสถียรที่สุด
    • สำหรับนิวเคลียสหนัก ($A > 100$), $B/A$ลดลงอย่างช้าๆ, ไปจนถึงประมาณ $7.5\ \text{MeV}$สำหรับยูเรเนียม

    ดังนั้นกราฟมีรูปทรงโดม, เพิ่มสูงขึ้นสู่เหล็กแล้วค่อยๆ ลดลง

    วาดกราฟ. การสอบจะให้แกนว่าง ($A$ จาก 1 ถึง 250, $B/A$ สูงถึงประมาณ $9\ \text{MeV}$) และเครื่องหมาย: การเพิ่มขึ้นชันจากใกล้ศูนย์ที่ $A = 1$, ค่าสูงสุดNear $A = 56$ที่ประมาณ $8.8\ \text{MeV}$, จากนั้น การลดลงช้าและนุ่มนวลไปประมาณ $7.5\ \text{MeV}$ที่ $A = 238$. อย่าเริ่มกราฟที่จุดกำเนิดโดยตรง (ไฮโดรเจน-1 ไม่มีพลังงานยึดเหนี่ยวแต่เป็นจุดเดียว), อย่าทำให้การลดลงชันเท่ากับการเพิ่มขึ้น, และอย่าปล่อยให้กราฟ触及ศูนย์ทางขวา. ถูกถามให้ระบุนิวเคลียสที่ undergoes alpha decay, วาง X ทางด้านขวาสุด, $A > 200$; นิวเคลียสที่ undergoes fusion ไปอยู่ทางซ้ายสุด, $A < 10$; ทั้งคู่อยู่ที่ $B/A$ ต่ำ, เคลื่อนที่ขึ้นตามกราฟเมื่อเกิดปฏิกิริยา

    A graph of binding energy per nucleon in MeV against nucleon number: rising steeply for light nuclei to a peak of about 8.8 MeV near A = 56, then falling slowly for heavy nuclei, with arrows showing that fusion of light nuclei and fission of heavy nuclei both move towards the peak
    Binding energy per nucleon peaks near iron ($A \approx 56$); lighter and heavier nuclei are less tightly bound
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Mass defect energy lab · ⁨ห้องปฏิบัติการพลังงานมวลเสีย⁩

    E = delta m c^2

    Change mass defect and see binding energy rise with E = mc^2. · ⁨เปลี่ยนมวลเสียเพื่อดูพลังงานยึดเหนี่ยวเพิ่มขึ้นตาม E = mc^2.⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    mass-energy equivalence/mæs ˈenədʒi ɪˈkwɪvələns/ สมมูลมวล-พลังงาน
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ การหลอมรวมนิวเคลียร์
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ นิวตรอน
    proton/ˈprəʊtɒn/ โปรตอน
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ นิวเคลียส
    mass defect/mæs ˈdiːfekt/ มวลเสีย
    binding energy/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi/ พลังงานยึดเหนี่ยว
    binding energy per nucleon/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi pɜː ˈnjuːklɪən/ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีโอออน
    nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ การแตกตัวของนิวเคลียร์
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ สถิตไฟฟ้า
    strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ แรงนิวเคลียร์แรง
    23.1

    Nuclear fusion and fission · ⁨การหลอมรวมและแตกตัวของนิวเคลียส⁩

    English

    Energy is released when nuclei move towards the iron peak — by joining light nuclei or splitting heavy ones.

    Nuclear fusion

    Nuclear fusion 核聚变 joins two light nuclei into one heavier nucleus:

    $$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

    The product has greater binding energy per nucleon than the reactants, so energy is released. Fusion powers stars. It needs very high temperatures (millions of kelvin) so the nuclei have enough kinetic energy 动能 to beat their electrostatic 静电 repulsion and get close enough for the strong nuclear force 强核力 to take over.

    Nuclear fission

    Nuclear fission 核裂变 splits a heavy nucleus into two lighter ones:

    $$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

    The products have higher binding energy per nucleon than $^{235}$U, so energy is released. The extra neutrons can cause more fissions — a chain reaction 链式反应 in a large enough mass of fuel (the critical mass 临界质量). This is the basis of nuclear power and weapons.

    "Describe the differences between fission and fusion." Fission: a heavy nucleus (large $A$) splits into two lighter nuclei of roughly similar mass, usually after absorbing a neutron, releasing further neutrons. Fusion: two light nuclei (small $A$) join to form one heavier nucleus; it needs very high temperature and pressure to overcome the electrostatic repulsion between the nuclei. Both release energy, but per kilogram of fuel fusion releases more.

    "Explain, with reference to the curve, why energy is released." In both processes the products lie higher on the binding-energy-per-nucleon curve than the reactants: each nucleon ends up more tightly bound, so the total binding energy increases. The extra binding energy is released (as the kinetic energy of the products and as photons), and the total mass of the products is less than that of the reactants by $\Delta E/c^{2}$. A nucleus near the peak (iron) can release energy by neither process, which is why the stars' fusion stops at iron.

    Calculating the energy released

    1. find the total mass of the reactants.
    2. find the total mass of the products.
    3. mass change $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (positive when energy is released).
    4. energy released $\Delta E = c^{2} \Delta m$.

    In kg this gives joules; in atomic mass units use $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$.

    Worked example. In a nuclear reaction the total mass decreases by $0.020\ \text{u}$. Find the energy released.

    $$\Delta E = \Delta m\ (\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 19\ \text{MeV}.$$

    Worked example (fusion). The mass defect of deuterium $^{2}_{1}\text{H}$ is $0.002\,388\ \text{u}$ and that of helium-4 is $0.030\,377\ \text{u}$. Find the energy released when two deuterium nuclei fuse to form one helium-4 nucleus.

    Energy released $=$ (binding energy of the products) $-$ (binding energy of the reactants) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). Mass defects can be used directly like this because the number of nucleons is the same on both sides; the difference in the defects is the mass converted. Per kilogram of deuterium this is $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$, about a million times a chemical fuel.

    Worked example (fission). $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. Masses: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. Find the energy released.

    Reactants: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. Products: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, so $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ per fission. Count the three neutrons on the right and the one on the left: forgetting one changes the answer by a whole nucleon mass.

    Worked example (alpha decay and momentum). A stationary $^{238}_{92}\text{U}$ nucleus decays to $^{234}_{90}\text{Th}$ by emitting an $\alpha$-particle; the total kinetic energy released is $4.27\ \text{MeV}$. Find the kinetic energy of the $\alpha$-particle.

    Momentum is conserved and the parent was at rest, so the $\alpha$ and the thorium nucleus have equal and opposite momenta $p$. With $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, the energies are in the inverse ratio of the masses: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. So $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ and the thorium recoil 反冲 takes only $0.07\ \text{MeV}$. The $\alpha$-particles from a given decay are all emitted with this one energy, which is the sign that the energy is shared between just two bodies.

    Worked example (a radioactive power source). A space probe is powered by $0.874\ \text{kg}$ of plutonium-238, half-life $87.7$ years, each decay releasing $5.59\ \text{MeV}$. Find the power available at launch.

    Number of nuclei: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. Decay constant: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. Activity: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. Power $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, falling to half after $87.7$ years. A nuclide with a shorter half-life would give more power per kilogram but would not last the mission; polonium-210 ($138$ days) would be far more powerful at first and useless within two years.

    ไทย
    หอคอยระบายความร้อนของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์
    โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ปล่อยพลังงานผ่านกระบวนการแตกตัวของนิวเคลียส

    พลังงานถูก ปลดปล่อย เมื่อนิวเคลียสเคลื่อนที่เข้าหาจุดสูงสุดของเหล็ก — ทั้งโดยการรวมกันของนิวเคลียสเบาหรือการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก

    สองวิธีในการปลดปล่อยพลังงานนิวเคลียร์: การหลอมรวมจะเชื่อมนิวเคลียสเบาสองตัวเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว; การแตกตัวจะแบ่งนิวเคลียสหนักหนึ่งตัวออกเป็นนิวเคลียสเบาสองตัว
    การหลอมรวมเชื่อมนิวเคลียสเบา; การแตกตัวแบ่งนิวเคลียสหนัก — ทั้งสองกระบวนการปล่อยพลังงานด้วยการเคลื่อนที่เข้าหาจุดสูงสุดของเหล็ก

    การหลอมรวมนิวเคลียส

    การหลอมรวมนิวเคลียส เชื่อมนิวเคลียสเบาสองตัวเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว:

    $$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

    ผลิตภัณฑ์มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนมากกว่าสารตั้งต้น ดังนั้นจึงมีการปล่อยพลังงาน出来 การหลอมรวมเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานของดวงดาว ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก (หลายล้านเคลวิน) เพื่อให้นิวเคลียสมี พลังงานจลน์ เพียงพอที่จะเอาชนะแรงผลัก อิเล็กโทรสแตติก และเข้ามาใกล้กันเพียงพอสำหรับ แรงนิวเคลียสที่เข้มแข็ง จะเข้าไปทำงานแทน

    การแตกตัวของนิวเคลียส

    การแตกตัวของนิวเคลียส แบ่งนิวเคลียสหนักออกเป็นนิวเคลียสเบาสองตัว:

    $$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

    ผลิตภัณฑ์มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนสูงกว่า $^{235}$U ดังนั้นจึงมีการปล่อยพลังงาน นิวตรอนส่วนเกินสามารถก่อให้เกิดการแตกตัวเพิ่มเติมได้ — เกิดเป็น ปฏิกิริยาลูกโซ่ ในมวลเชื้อเพลิงที่มีขนาดใหญ่พอ (มวลวิกฤต) นี่คือพื้นฐานของการผลิตพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธ

    "อธิบายความแตกต่างระหว่างการแตกตัวและการหลอมรวม." การแตกตัว: นิวเคลียส หนัก (ค่า $A$ ใหญ่) แตกออกเป็นนิวเคลียส เบากว่า สองตัวที่มีมวลใกล้เคียงกัน โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นหลังจากดูดกลืนนิวตรอนแล้ว ปล่อยนิวตรอนเพิ่มออกมา การหลอมรวม: นิวเคลียส เบา สองตัว (ค่า $A$ เล็ก) รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสหนักหนึ่งตัว ต้องใช้อุณหภูมิและความดันสูงมากเพื่อเอาชนะแรงผลักอิเล็กโทรสแตติกระหว่างนิวเคลียส ทั้งสองกระบวนการปล่อยพลังงาน แต่ต่อ كيلোগラムของเชื้อเพลิง การหลอมรวมจะปล่อยพลังงานได้มากกว่า

    "อธิบายโดยอ้างอิงจากกราฟ ว่าทำไมถึงมีการปล่อยพลังงานออกมา" ในทั้งสองกระบวนการ ผลิตภัณฑ์จะอยู่ สูงกว่า บนกราฟพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนเมื่อเทียบกับสารตั้งต้น: นิวคลีออนแต่ละตัวจะอยู่ในสภาพที่ผูกพันแน่นขึ้น ดังนั้นพลังงานยึดเหนี่ยวรวมจึง เพิ่มขึ้น พลังงานยึดเหนี่ยวส่วนเกินนี้จะถูกปล่อยออกมา (ในรูปของพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์และโฟตอน) และมวลรวมของผลิตภัณฑ์จะ น้อยกว่า มวลรวมของสารตั้งต้นไป $\Delta E/c^{2}$ นิวเคลียสที่อยู่ใกล้จุดสูงสุด (เหล็ก) ไม่สามารถปล่อยพลังงานได้ด้วยกระบวนการใดกระบวนการหนึ่ง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมการหลอมรวมในดวงดาวจึงหยุดอยู่ที่เหล็ก

    ต้นไม้แตกแขนงซึ่งนิวเคลียสยูเรเนียม-235 หนึ่งตัวถูกนิวตรอนทำให้แตกตัวกลายเป็นเศษจากการแตกตัวบวกกับนิวตรอน ซึ่งแต่ละตัวจะไปทำให้นิวเคลียสยูเรเนียม-235 ตัวอื่นๆ แตกตัวต่อไป ทำให้จำนวนการแตกตัวเพิ่มขึ้นคูณด้วยทุกGeneration
    ในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่ควบคุมการแตกตัวของยูเรเนียม-235 แต่ละครั้งจะปล่อยนิวตรอนที่ทำให้เกิดการแตกตัวเพิ่มเติม

    การคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมา

    1. หาผลรวมมวลของสารตั้งต้น
    2. หาผลรวมมวลของผลิตภัณฑ์
    3. การเปลี่ยนแปลงมวล $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (เป็นบวกเมื่อมีการปล่อยพลังงาน)
    4. พลังงานที่ปล่อยออกมา $\Delta E = c^{2} \Delta m$

    หากใช้หน่วยกิโลกรัมจะได้หน่วยจูล; หากใช้หน่วยมวลอะตอมให้ใช้ $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$

    ตัวอย่างฝึกฝน. ในการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ มวลลดลงทั้งหมด $0.020\ \text{u}$ จงหาพลังงานที่ปล่อยออกมา

    $$\Delta E = \Delta m\ (\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 19\ \text{MeV}.$$

    ตัวอย่างฝึกฝน (การหลอมรวม). ความผิดปกติของมวลของดีิวเทอเรียม $^{2}_{1}\text{H}$ คือ $0.002\,388\ \text{u}$ และความผิดปกติของมวลของเฮเลียม-4 คือ $0.030\,377\ \text{u}$ จงหาพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อดีิวเทอเรียนิวเคลียสสองตัวหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสเฮเลียม-4 หนึ่งตัว

    พลังงานที่ปล่อยออกมา $=$ (พลังงานยึดเหนี่ยวของผลิตภัณฑ์) $-$ (พลังงานยึดเหนี่ยวของสารตั้งต้น) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). สามารถนำความผิดปกติของมวลมาใช้โดยตรงแบบนี้ได้เนื่องจากจำนวนนิวคลีออนเท่ากันทั้งสองฝั่ง; ส่วนต่างของความผิดปกติคือมวลที่ถูกแปลงไป ต่อكيلोगرامของดีิวเทอเรียมนั้นเท่ากับ $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$ ซึ่งประมาณหนึ่งล้านเท่าของเชื้อเพลิงเคมี

    ตัวอย่างฝึกฝน (การแตกตัว). $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. มวล: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. จงหาพลังงานที่ปล่อยออกมา

    สารตั้งต้น: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. ผลิตภัณฑ์: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, ดังนั้น $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ ต่อ一次การแตกตัว. นับนิวตรอนสามตัวทางขวาและหนึ่งตัวทางซ้าย: การลืมหนึ่งตัวจะทำให้คำตอบผิดไปทั้งมวลของนิวคลีออนหนึ่งตัว

    การสลายตัวอัลฟาของนิวเคลียสยูเรเนียม-238 ที่นิ่งอยู่: หลังจากนั้นนิวเคลียสทอร์เรียม-234 และอนุภาคอัลฟาจะเคลื่อนที่ออกจากกันด้วยโมเมนตัมที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้อนุภาคอัลฟาที่มีมวลเบากว่ามากรับพลังงานจลน์เกือบทั้งหมด
    การสลายตัวอัลฟาจากสถานะนิ่ง: โมเมนตัมมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้อนุภาคอัลฟาที่มีมวลเบาพาพลังงานที่ปล่อยออกมาประมาณ 98% และนิวเคลียสหนักแทบไม่มีการดีดกลับ

    ตัวอย่างฝึกฝน (การสลายตัวอัลฟาและโมเมนตัม). นิวเคลียส $^{238}_{92}\text{U}$ ที่นิ่งอยู่สลายตัวเป็น $^{234}_{90}\text{Th}$ โดยการปล่อยอนุภาค $\alpha$-particle; พลังงานจลน์รวมที่ปล่อยออกมาคือ $4.27\ \text{MeV}$. จงหาพลังงานจลน์ของ $\alpha$-particle

    โมเมนตัมคงที่และสารตั้งต้นอยู่นิ่งอยู่ ดังนั้น $\alpha$ และนิวเคลียสทอร์เรียมจึงมีโมเมนตัม เท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน $p$. ด้วย $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, พลังงานจะเป็นอัตราส่วนผกผันกับมวล: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. ดังนั้น $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ และการดีดกลับของทอร์เรียมจะใช้เวลาเพียง $0.07\ \text{MeV}$. อนุภาค $\alpha$-particles จากการสลายตัวหนึ่งครั้งจะถูกปล่อยออกมาด้วยพลังงานนี้เพียงค่าเดียว ซึ่งเป็นสัญญาณว่าพลังงานถูกแบ่งปันระหว่างวัตถุเพียงสองตัวเท่านั้น

    ตัวอย่างฝึกฝน (แหล่งกำเนิดพลังงานกัมมันตรังสี). ยานสำรวจอวกาศใช้พลังจาก $0.874\ \text{kg}$ ของพลูโตเนียม-238 ที่มีครึ่งชีวิต $87.7$ ปี การสลายตัวแต่ละครั้งปล่อย $5.59\ \text{MeV}$. จงหากำลังไฟที่ใช้ได้ในช่วงเวลาเริ่มต้น

    จำนวนนิวเคลียส: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. ค่าคงที่การสลาย: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. กิจกรรม: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. กำลัง $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, ลดลงเหลือครึ่งหนึ่งหลังจาก $87.7$ ปี ไนคลีดที่มีอายุขัยครึ่งหนึ่ง สั้นกว่า จะให้กำลังต่อกิโลกรัมมากกว่า แต่จะไม่เพียงพอสำหรับภารกิจ โพลonium-210 ($138$ วัน) จะมีพลังมหาศาลในเริ่มต้นแต่จะไร้ประโยชน์ภายในสองปี

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Nuclear fission chain reaction · ⁨ปฏิกิริยาลูกโซ่การฟิชชันนิวเคลียร์⁩

    A neutron splits a heavy nucleus, releasing energy and more neutrons — which split more nuclei. · ⁨นิวตรอนทำให้นิวเคลียสหนักแตก释放出พลังงานและนิวตรอนเพิ่มเติม — ซึ่งนิวตรอนเหล่านั้นก็ทำให้ nuclides อื่นๆ แตกออกอีก⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ ปฏิกิริยาลูกโซ่
    critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ มวลวิกฤต
    23.2

    Radioactive decay · ⁨การสลายตัวทางรังสี⁩

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that fluctuations in count rate provide evidence for the random nature of radioactive decay
    2. understand that radioactive decay is both spontaneous and random
    3. define activity and decay constant, and recall and use $A = \lambda N$
    4. define half-life
    5. use $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
    6. understand the exponential nature of radioactive decay, and sketch and use the relationship $x = x_0 e^{-\lambda t}$, where $x$ could represent activity, number of undecayed nuclei or received count rate
    ไทย
    1. เข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงของอัตราการนับเป็นหลักฐานของ ธรรมชาติแบบสุ่ม ของ การสลายตัวทางรังสี
    2. เข้าใจว่าการสลายตัวทางรังสีเป็นทั้ง ** serviço** และ สุ่ม
    3. นิยาม กิจกรรม และ ค่าคงที่การสลายตัว และจำและใช้ $A = \lambda N$
    4. นิยาม ครึ่งชีวิต
    5. ใช้ $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
    6. เข้าใจถึง ลักษณะเอ็กซ์โพเนนเชียล ของการสลายตัวทางรังสี และวาดกราฟและใช้ความสัมพันธ์ $x = x_0 e^{-\lambda t}$ โดยที่ $x$ อาจแทนกิจกรรม จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายตัว หรืออัตราการนับที่ได้รับ

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    English
    Radioactive decay & half-life

    Random and spontaneous

    Radioactive decay is:

    • spontaneous 自发 — it happens with no outside trigger, and the rate is not changed by temperature, pressure or chemical state; and
    • random 随机 — you cannot predict when a given nucleus will decay, only the probability that it decays in a time.

    Evidence for randomness: the count rate fluctuates. A Geiger counter 盖革计数器 next to a source clicks at uneven intervals — never a steady stream — although the long-run mean rate is well-defined.

    The two-mark definitions. Radioactive decay is the spontaneous and random emission of a particle ($\alpha$ or $\beta$) or a photon ($\gamma$) from an unstable nucleus. Spontaneous means the decay is not affected by external factors: temperature, pressure, chemical state, or the presence of other nuclei. Random means it is impossible to predict which nucleus will decay next, or when a given nucleus will decay; only a probability can be given. Evidence for randomness: the count rate fluctuates from one interval to the next, even for a source whose activity is not changing over the experiment.

    Activity and decay constant

    For $N$ undecayed nuclei of a radionuclide 放射性核素, the rate of decay is

    $$A = \lambda N.$$
    • $A$ is the activity 活度 — decays per unit time. Unit: becquerel 贝克勒尔 (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
    • $\lambda$ is the decay constant 衰变常数 — the probability per unit time that a nucleus decays. Unit: $\text{s}^{-1}$.

    $\lambda$ is fixed for a nuclide; a larger sample (larger $N$) has proportionally larger activity.

    The one-mark definitions. Activity is the number of decays (of nuclei) per unit time, or the rate of decay. The decay constant is the probability per unit time that a (given) nucleus will decay. Not "the rate of decay": that is the activity. Note the units are the same, $\text{s}^{-1}$, but $A$ counts events and $\lambda$ is a probability per second.

    Worked example. Fluorine-18 has a half-life of $110$ minutes. Show that its decay constant is $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$, and find the activity of $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ of fluorine-18.

    $\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. The number of nuclei is the mass divided by the mass of one nucleus: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. So $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. A tiny mass gives a huge activity because the half-life is short; the same mass of uranium-238 (half-life $4.5 \times 10^{9}$ years) would give about $10^{-5}\ \text{Bq}$.

    Exponential decay

    Since $\lambda$ is the fractional decay rate, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, whose solution is an exponential decay 指数衰减:

    $$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$

    Because $A = \lambda N$, the activity (and any count rate 计数率 proportional to it) decays the same way:

    $$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$

    Why exponential? For each nucleus, $\lambda$ is a fixed probability per unit time, independent of the others and of the nucleus's age. So the same fraction decays in each time interval, which gives exponential decay.

    Writing the explanation (three marks). (1) The decay constant is the probability per unit time of decay and is the same for every nucleus of the nuclide, whatever its age. (2) So the rate of decay, the activity, is proportional to the number of undecayed nuclei present: $A = \lambda N$. (3) A rate of change proportional to the quantity itself gives an exponential change; equivalently, the same fraction of the remaining nuclei decays in every equal time interval, so the number never reaches zero but halves in every half-life.

    Half-life

    The half-life 半衰期 $t_{1/2}$ is the time for the number of undecayed nuclei (or the activity, or the count rate) to fall to half. From $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ with $N = N_{0}/2$:

    $$\ln 2 = \lambda t_{1/2}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \approx \frac{0.693}{t_{1/2}}.$$

    Worked example. A radioactive isotope has a half-life of $6.0$ hours. Find its decay constant.

    Convert the half-life to seconds: $6.0\ \text{h} = 21\,600\ \text{s}$. Then

    $$\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{21\,600} \approx 3.2 \times 10^{-5}\ \text{s}^{-1}.$$

    A larger decay constant means a shorter half-life. After $n$ half-lives the surviving fraction is $(1/2)^{n}$; after 5 half-lives only about 3% remains.

    The definition of half-life. The time taken for the number of undecayed nuclei (or the activity) of a sample to fall to half its initial value. "Half the atoms decay" is accepted; "half the sample disappears" is not, since the decayed nuclei are still there as the daughter product.

    Reading a two-isotope graph. When X decays to a stable Y, $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. The half-life is the time at which the curves cross ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), or the time for $N_{\text{X}}$ to halve. If the graph gives the initial number $N_{0}$ and the initial mass $m$, the nucleon number follows from $m = N_{0} A u$: for $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ and $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.

    Worked example. A sample of a single radioactive isotope has an activity of $180\ \text{Bq}$ at $t = 0$ and $45\ \text{Bq}$ at $t = 8.4$ minutes. Find the half-life and the decay constant, and the activity after a further $8.4$ minutes.

    $45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: two half-lives in $8.4$ minutes, so $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ and $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. After another two half-lives the activity is $45/4 = 11\ \text{Bq}$. When the ratio is not a neat power of two, use $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: for the activity to fall from $180$ to $50\ \text{Bq}$ takes $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. Always convert the half-life to seconds before finding $\lambda$ if the activity is in becquerels.

    Finding $\lambda$ from data

    Given $A_{0}$ and $A$ at time $t$:

    $$\lambda = \frac{1}{t} \ln\frac{A_{0}}{A}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}.$$

    Taking logs of $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ gives $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, so a plot of $\ln A$ against $t$ is a straight line with gradient $-\lambda$. Use this with several data points.

    Count rate is not activity. A detector records only the radiation that reaches it and is absorbed in it: a fraction set by the solid angle it covers, by absorption in the air and in the source itself, and by its efficiency. So the measured count rate is smaller than the activity, but proportional to it, and the half-life obtained from a count-rate graph is correct. Subtract the background radiation 本底辐射 (measured with the source removed) from every reading before taking ratios or logarithms; an unsubtracted background makes the curve flatten and the half-life appear too long.

    Tracers in medicine. Fluorine-18 and oxygen-15 are $\beta^{+}$ emitters used as tracers 示踪剂 in PET scanning (Topic 24): the positron annihilates with an electron, giving two gamma photons that leave in opposite directions and reveal where the tracer is. A short half-life ($110$ minutes, $2$ minutes) is chosen so that the activity falls quickly after the scan and the dose to the patient stays small, at the price of having to make the isotope close to the hospital and use it at once.

    ไทย
    การสลายตัวทางรังสี & อายุขัยครึ่งหนึ่ง

    สุ่มและเกิดขึ้นเอง

    การสลายตัวทางรังสีเป็น:

    • เกิดขึ้นเอง — เกิดขึ้นโดยไม่มีการกระตุ้นจากภายนอก และอัตราไม่เปลี่ยนแปลงโดยอุณหภูมิ ความดัน หรือสถานะทางเคมี; และ
    • สุ่ม — คุณไม่สามารถทำนายได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายตัวเมื่อไหร่ สามารถทำได้เพียงบอกความน่าจะเป็นที่จะสลายตัวในช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น

    หลักฐานของความสุ่ม: อัตราการนับ มีความผันผวน เครื่องตรวจจับ Geiger ข้างแหล่งกำเนิดจะส่งเสียงคลิกด้วยระยะห่างที่ไม่สม่ำเสมอ — ไม่ใช่กระแสที่ต่อเนื่องกันเสมอไป — แม้ว่าจะมีค่าเฉลี่ยในระยะยาวที่กำหนดไว้ชัดเจนก็ตาม

    กราฟแท่งแสดงการนับที่บันทึกได้ในช่วงเวลาสิบวินาทีติดต่อกันสามสิบช่วงจากแหล่งกำเนิดที่ยาวนาน: แท่งแต่ละแท่งมีความผันผวนแบบสุ่มจากช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่งรอบๆ เส้นค่าเฉลี่ยประจุเส้นประที่คงที่
    จำนวนการนับในช่วงเวลาเท่ากันจากแหล่งกำเนิดเดียวกันไม่เคยเหมือนกันสองครั้ง: ความผันผวนนี้คือหลักฐานว่ากระบวนการสลายตัวเป็นแบบสุ่ม ในขณะที่ค่าเฉลี่ยที่คงที่แสดงความน่าจะเป็นที่คงที่

    นิยามสำหรับสองคะแนน. การสลายตัวทางรังสีคือการปล่อยอนุภาค ($\alpha$ หรือ $\beta$) หรือโฟตอน ($\gamma$) จากนิวเคลียสที่ไม่เสถียรอย่างเกิดขึ้นเองและสุ่ม. เกิดขึ้นเอง หมายความว่า ไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอก: อุณหภูมิ ความดัน สถานะทางเคมี หรือการมีอยู่ของนิวเคลียสอื่น สุ่ม หมายความว่า ไม่สามารถทำนายได้ว่า นิวเคลียสใดจะสลายตัวต่อไป หรือ เมื่อไหร่ นิวเคลียสที่กำหนดจะสลายตัว; สามารถระบุได้เพียงความน่าจะเป็นเท่านั้น หลักฐานของความสุ่ม: อัตราการนับมีความผันผวน จากช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่ง แม้但是对于แหล่งกำเนิดwhoseกิจกรรมไม่เปลี่ยนตลอดการทดลอง

    แหล่งกำเนิดทางรังสีภายในห้องไอน้ำ มีเส้นทางอนุภาคเบต้าสีขาวบางๆ จำนวนมากกระจายออกจากแหล่งกำเนิดไปทั่วไอหมอกสีดำ
    แต่ละอนุภาคเบต้าจากแหล่งกำเนิดทิ้งร่องบางๆ ในห้องไอน้ำ -- เป็นหลักฐานโดยตรงของการสลายตัวที่เป็นอิสระและสุ่ม

    กิจกรรมและค่าคงที่การสลาย

    สำหรับ $N$ นิวเคลียสที่ยังไม่สลายของ เรดิโอไนคลีด, อัตราการสลายคือ

    $$A = \lambda N.$$
    • $A$ คือ กิจกรรม — จำนวนการสลายต่อหน่วยเวลา หน่วย: เบคเคอเรล (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
    • $\lambda$ คือ ค่าคงที่การสลาย — ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่นิวเคลียสจะสลาย หน่วย: $\text{s}^{-1}$.

    $\lambda$ เป็นค่าคงที่สำหรับนิวไคลด์; ตัวอย่างที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ($N$ มากขึ้น) จะมี Activity สูงขึ้นตามสัดส่วน

    นิยามสำหรับหนึ่งคะแนน. กิจกรรมคือจำนวนการสลาย (ของนิวเคลียส) ต่อหน่วยเวลา หรืออัตราการสลาย ค่าคงที่การสลายคือความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่ (นิวเคลียสที่กำหนด) จะสลายตัว ไม่ใช่ "อัตราการสลาย": นั่นคือกิจกรรม ระวังหน่วยอาจดูคล้ายกัน $\text{s}^{-1}$ แต่ $A$ นับเหตุการณ์และ $\lambda$ เป็นความน่าจะเป็นต่อวินาที

    ตัวอย่างวิธีทำ. ฟลูออรีน-18 มีอายุขัยครึ่งหนึ่ง $110$ นาที แสดงให้เห็นว่าค่าคงที่การสลายของมันคือ $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$ และหาค่ากิจกรรมของ $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ ของฟลูออรีน-18

    $\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. จำนวนนิวเคลียสคือมวลหารด้วยมวลของนิวเคลียสหนึ่งตัว: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. ดังนั้น $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. มวลน้อยมากๆ ให้กิจกรรมมหาศาลเพราะอายุขัยครึ่งหนึ่งสั้น; มวลเท่ากันของยูเรเนียม-238 (อายุขัยครึ่งหนึ่ง $4.5 \times 10^{9}$ ปี) จะให้ประมาณ $10^{-5}\ \text{Bq}$

    การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล

    เนื่องจาก $\lambda$ เป็นอัตราการสลายเชิงเศษส่วน, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, ซึ่งมีคำตอบเป็นการ สลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล:

    $$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$

    เนื่องจาก $A = \lambda N$, กิจกรรม (และอัตราการนับใดๆ ที่แปรผันตรงกับมัน) ก็สลายตัวในรูปแบบเดียวกัน:

    $$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$

    ทำไมถึงเป็นเอกซ์โพเนนเชียล? สำหรับนิวเคลียสแต่ละตัว, $\lambda$ เป็นความน่าจะเป็นคงที่ต่อหน่วยเวลา ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับตัวอื่นและไม่ขึ้นอยู่กับอายุของนิวเคลียสนั้น ดังนั้นจึงมี สัดส่วน เดียวกันที่สลายตัวในแต่ละช่วงเวลา ซึ่งนำไปสู่การสลายแบบเอกซ์โพเนนเชียล

    การเขียนคำอธิบาย (สามคะแนน). (1) ค่าคงที่การสลายคือ ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลา ของการสลายและเป็น ค่าเดียวกันสำหรับทุกนิวเคลียส ของไนคลีดนั้น ไม่ว่าจะมีอายุเท่าไหร่ (2) ดังนั้นอัตราการสลาย即กิจกรรม จึง แปรผันตรงกับจำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย ที่มีอยู่: $A = \lambda N$. (3) อัตราการเปลี่ยนแปลงที่แปรผันตรงกับปริมาณตัวเองจะให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบ เอกซ์โพเนนเชียล; หรือเทียบเท่ากันได้คือ สัดส่วนเดียวกัน ของนิวเคลียสที่เหลืออยู่สลายตัวในทุกช่วงเวลาเท่ากัน ดังนั้นจำนวนจึงไม่เคยเป็นศูนย์แต่จะลดลงเหลือครึ่งหนึ่งในทุกอายุขัยครึ่งหนึ่ง

    อายุขัยครึ่งหนึ่ง

    อายุขัยครึ่งหนึ่ง $t_{1/2}$ คือเวลาที่ใช้เพื่อให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย (หรือกิจกรรม หรืออัตราการนับ) ลดลงเหลือ ครึ่งหนึ่ง จาก $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ ด้วย $N = N_{0}/2$:

    $$\ln 2 = \lambda t_{1/2}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \approx \frac{0.693}{t_{1/2}}.$$

    ตัวอย่างวิธีทำ. ไอโซโทปทางรังสีชนิดหนึ่งมีอายุขัยครึ่งหนึ่ง $6.0$ ชั่วโมง หาค่าคงที่การสลายของมัน

    แปลงอายุขัยครึ่งหนึ่งเป็นวินาที: $6.0\ \text{h} = 21\,600\ \text{s}$. จากนั้น

    $$\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{21\,600} \approx 3.2 \times 10^{-5}\ \text{s}^{-1}.$$

    ค่าคงที่การสลายตัวที่ใหญ่กว่าจะมีความยาวครึ่งชีวิตสั้นกว่า หลังจาก $n$ ความยาวครึ่งชีวิต ส่วนที่เหลืออยู่คือ $(1/2)^{n}$; หลังจาก 5 ความยาวครึ่งชีวิต จะเหลืออยู่เพียงประมาณ 3% เท่านั้น

    นิยามของอายุขัยครึ่งหนึ่ง. เวลาที่ใช้ให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย (หรือกิจกรรม) ของตัวอย่างลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าเริ่มต้น "อะตอมครึ่งหนึ่งสลายตัว" ถือรับได้; "ตัวอย่างครึ่งหนึ่งหายไป

    กราฟสองเส้นเทียบกับเวลา: จำนวนนิวเคลียสของไอโซโทป X ลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลจาก N0 ในขณะที่จำนวนนิวเคลียสของลูกสาว Y ที่เสถียรเพิ่มขึ้นจากศูนย์; กราฟทั้งสองตัดกันที่ความยาวครึ่งชีวิตหนึ่ง ซึ่งแต่ละเส้นจะมีค่าเป็น N0 หารด้วย 2 และรวมกันเสมอจะได้ N0
    แม่สลายตัวกลายเป็นลูกที่เสถียร: X เสียอะไร, Y ได้อะไร, ทำให้กราฟตัดกันหลังจากครึ่งชีวิตหนึ่งรอบ และสามารถอ่านค่าครึ่งชีวิตได้จากจุดตัด

    การอ่านกราฟไอโซโทปสองชนิด เมื่อ X สลายตัวเป็น Y ที่เสถียร $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. ครึ่งชีวิตคือเวลาที่กราฟ ตัดกัน ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), หรือเวลาที่ทำให้ $N_{\text{X}}$ ลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง. ถ้ากราฟให้จำนวนเริ่มต้น $N_{0}$ และมวลเริ่มต้น $m$, จำนวนนิวคลีออนหาได้จาก $m = N_{0} A u$: สำหรับ $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ และ $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.

    ตัวอย่างวิธีทำ ตัวอย่างของไอโซโทปกัมมันตรังสีชนิดเดียวมีค่ากิจกรรม $180\ \text{Bq}$ ที่ $t = 0$ และมีค่า $45\ \text{Bq}$ ที่ $t = 8.4$ นาที. จงหาครึ่งชีวิตและค่าคงที่การสลายตัว, และกิจกรรมหลังผ่านไปอีก $8.4$ นาที.

    $45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: ระยะเวลา 2 ความยาวครึ่งชีวิตใน $8.4$ นาที ดังนั้น $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ และ $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. หลังจากผ่านอีก 2 ความยาวครึ่งชีวิต กิจกรรมจะเหลือ $45/4 = 11\ \text{Bq}$. เมื่ออัตราส่วนไม่ใช่เลขยกกำลังของสองที่สมบูรณ์ ให้ใช้ $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: เพื่อให้อัตราการสลายตัวลดลงจาก $180$ เป็น $50\ \text{Bq}$ ใช้เวลา $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. ต้องแปลงความยาวครึ่งชีวิตเป็น วินาที เสมอก่อนหา $\lambda$ หากกิจกรรมวัดเป็นเบคเคอเรล

    กราฟการสลายตัวของกัมมันตรังสี: จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายเทียบกับเวลา เป็นกราฟเอกซ์โพเนนเชียลที่ลดลงโดยจำนวนจะลดเหลือครึ่งหนึ่งในแต่ละครึ่งชีวิตต่อเนื่องกัน, จาก  ไปยัง  ไปยัง  ไปยัง
    จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายลดลงเหลือครึ่งหนึ่งในแต่ละครึ่งชีวิต

    การหาค่า $\lambda$ จากข้อมูล

    กำหนดให้ $A_{0}$ และ $A$ ที่เวลา $t$:

    $$\lambda = \frac{1}{t} \ln\frac{A_{0}}{A}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}.$$

    การนำลอการิทึมของ $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ จะได้ $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, ดังนั้นกราฟของ $\ln A$ เทียบกับ $t$ จะเป็นเส้นตรงที่มีความชัน $-\lambda$. ใช้สิ่งนี้ร่วมกับข้อมูลหลายจุด.

    อัตราการนับไม่เท่ากับกิจกรรม เครื่องตรวจจับบันทึกเฉพาะรังสีที่เข้าถึงและถูกดูดซับในเครื่อง: เป็นสัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับมุมทึบที่เครื่องครอบคลุม, การดูดกลืนในอากาศและในตัวแหล่งกำเนิดเอง,以及ประสิทธิภาพของเครื่อง. ดังนั้นอัตราการนับที่วัดได้จึง น้อยกว่า กิจกรรม, แต่ แปรผันตรงกับ กิจกรรม, และครึ่งชีวิตที่ได้จากกราฟอัตราการนับนั้นถูกต้อง. ให้ลบ รังสีพื้นหลัง (วัดเมื่อไม่มีแหล่งกำเนิด) ออกจากทุกค่าที่วัดก่อนนำ ratios หรือลอการิทึม; การไม่ลบรังสีพื้นหลังจะทำให้กราฟแบนราบลงและทำให้ครึ่งชีวิตดูยาวนานเกินไป.

    สารติดตามในทางการแพทย์ ฟลูออรีน-18 และออกซิเจน-15 เป็นตัวปล่อย $\beta^{+}$ ที่ใช้เป็น สารติดตาม ในการสแกน PET (หัวข้อ 24): positron จะเกิดปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน (annihilation), เกิดโฟตอน гамมา 2 ตัวที่พุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อบอกตำแหน่งของสารติดตาม. เลือกใช้ ครึ่งชีวิตสั้น ($110$ นาที, $2$ นาที) เพื่อให้กิจกรรมลดลงอย่างรวดเร็วหลังการสแกนและปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยได้รับน้อยลง โดยแลกมาด้วยการต้องผลิตไอโซโทปใกล้โรงพยาบาลและใช้งานทันที.

    กราฟลอการิทึมธรรมชาติของกิจกรรมเทียบกับเวลา: ข้อมูลอยู่ในรูปเส้นตรงที่ลดลงด้วยความชันลบ lambda, ยืนยันการสลายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลและให้ค่าคงที่การสลายตัว
    กราฟของ $\ln A$ เทียบกับเวลาจะเป็นเส้นตรงที่มีความชัน $-\lambda$
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Decay equations (α, β, γ) · ⁨สมการการสลาย (α, β, γ)⁩

    Choose a decay type; the daughter nuclide is fixed so the nucleon number A and the proton number Z both balance. · ⁨เลือกชนิดการสลาย; นิวไคลด์ลูกจะแน่นอนดังนั้นจำนวนนิวคลีออน A และจำนวนโปรตอน Z จะสมดุลกันทั้งสองด้าน⁩

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Half-life — watch the nuclei decay · ⁨ครึ่งชีวิต — สังเกตการสลายตัวของนิวเคลียส⁩

    Each nucleus has a fixed chance of decaying, at random. Move time forward: about half the remaining nuclei decay every half-life — so the count halves, then halves again. · ⁨นิวเคลียสแต่ละตัวมีโอกาสสลายตัวที่คงที่และสุ่ม เมื่อเวลาผ่านไป ประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสที่เหลืออยู่จะสลายตัวในแต่ละครึ่งชีวิต — ทำให้การนับลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง แล้วลดลงอีกครึ่งหนึ่ง⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    positron/ˈpɒzɪtrɒn/ โพซิตรอน
    neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ นิวทริโน
    activity/ækˈtɪvɪti/ กิจกรรม (activity)
    count rate/kaʊnt reɪt/ อัตรานับ
    Geiger counter/ˈɡaɪɡə ˈkaʊntə/ เกจไกเกอร์
    radionuclide/ˌreɪdiəʊˈnjuːklaɪd/ 放射性核素 (email: radionuclide)
    becquerel/ˈbekwərəl/ เบคเคอเรล
    exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ การลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล
    background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ รังสีพื้นหลัง
    tracers/ˈtreɪsəz/ สารติดตาม
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    23.2

    Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

    English

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    mass defect the difference between the total mass of the separate nucleons and the mass of the nucleus
    binding energy the minimum energy needed to separate a nucleus into its individual nucleons (the energy released when it forms from them)
    nuclear fusion two light nuclei combine to form a single heavier nucleus
    nuclear fission a heavy nucleus splits into two lighter nuclei of similar mass (usually after absorbing a neutron)
    radioactive decay the spontaneous and random emission of α, β or γ radiation from an unstable nucleus
    spontaneous not affected by external factors such as temperature, pressure or chemical state
    random it cannot be predicted which nucleus will decay, or when a given nucleus will decay
    activity the number of nuclei decaying per unit time
    decay constant the probability per unit time that a nucleus decays
    half-life the time for the number of undecayed nuclei (or the activity) to fall to half its initial value
    ไทย

    คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

    พจน์ นิยาม
    มวลเสีย (mass defect) ความแตกต่างระหว่างผลรวมมวลของนิวคลีออนแยกต่างหากกับมวลของนิวเคลียส
    พลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) พลังงานขั้นต่ำที่ต้องการในการแยกนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนเดี่ยวๆ (พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเมื่อมันเกิดขึ้นจากนิวคลีออนเหล่านั้น)
    นิวเคลียร์ฟิวชัน นิวเคลียสเบาสองตัวรวมกันเป็นนิวเคลียสหนักตัวเดียว
    นิวเคลียร์ฟิชชัน นิวเคลียสหนักแตกออกเป็นนิวเคลียสเบากว่าสองตัวที่มีมวลใกล้เคียงกัน (มัก发生后จากการดูดกลืนนิวตรอน)
    การสลายตัวของกัมมันตรังสี การแผ่รังสี α, β หรือ γ แบบสุ่มและเป็นไปตามธรรมชาติออกจากนิวเคลียสที่ไม่เสถียร
    ตามธรรมชาติ (spontaneous) ไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอกเช่น อุณหภูมิ ความดัน หรือสถานะทางเคมี
    สุ่ม (random) ไม่สามารถทำนายได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายตัว, หรือเมื่อไหร่นิวเคลียสที่กำหนดจะสลายตัว
    กิจกรรม (activity) จำนวนนิวเคลียสที่สลายตัวต่อหน่วยเวลา
    ค่าคงที่การสลายตัว (decay constant) ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่นิวเคลียสจะสลายตัว
    ครึ่งชีวิต (half-life) เวลาที่ใช้เพื่อให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลายตัว (หรือกิจกรรม) ลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของค่าเริ่มต้น
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    half-life/hɑːf laɪf/ ครึ่งอายุ (half-life)
    decay constant/dɪˈkeɪ ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่การสลาย (decay constant)
    random/ˈrændəm/ สุ่ม (random)
    spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ เกิดขึ้นเอง
    23.2

    Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

    English
    • $E = mc^{2}$ with $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: work in u and MeV for reactions, then convert to joules only if asked ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
    • Energy released $=$ (total mass before $-$ total mass after) $\times c^{2}$, or (binding energy after $-$ binding energy before). Mass defects can be subtracted directly when the nucleon count is unchanged.
    • The curve: steep rise, peak $8.8\ \text{MeV}$ near $A = 56$, gentle fall. Products higher on the curve means energy released; fusion on the left, fission (and α-decay) on the right.
    • Balance every equation twice: nucleon numbers along the top, proton numbers along the bottom; β decays carry a neutrino or antineutrino.
    • $A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ with $t_{1/2}$ in seconds; $N$ from mass: $N = m/(A u)$. Ratios of $1/2$, $1/4$, $1/8$ mean whole half-lives; otherwise $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
    • Explanations are marked on the words: constant probability, rate proportional to number, same fraction per interval; fluctuating count rate for randomness; unaffected by external conditions for spontaneous.

    Common mistakes

    • Defining binding energy as "the energy holding the nucleus together" or "the energy stored in the nucleus"; it is the energy to separate the nucleons.
    • Subtracting masses the wrong way round and reporting a negative energy release, or forgetting the neutron(s) on one side of a fission equation.
    • Drawing the binding-energy curve falling as steeply as it rises, or reaching zero at large $A$.
    • Using a half-life in minutes or years with an activity in becquerels; convert to seconds first.
    • Confusing the decay constant (a probability per second) with the activity (decays per second).
    • Saying "half the sample disappears" for a half-life, or that after two half-lives nothing is left.
    • Giving "random" as "it happens at any time" without "cannot predict which nucleus or when", or "spontaneous" without "unaffected by external factors".
    • Treating the count rate as the activity, or forgetting to subtract background.
    • Assuming the α-particle and the recoil nucleus share the energy equally; they share the momentum equally.
    ไทย
    • $E = mc^{2}$ กับ $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: ทำงานด้วยหน่วย u และ MeV สำหรับปฏิกิริยา, แล้วแปลงเป็นจูลก็ต่อเมื่อถูกถาม ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
    • พลังงานที่ปลดปล่อย $=$ (มวลรวมก่อน $-$ มวลรวมหลัง) $\times c^{2}$, หรือ (พลังงานยึดเหนี่ยวหลัง $-$ พลังงานยึดเหนี่ยวก่อน). มวลเสียสามารถลบกันได้โดยตรงเมื่อจำนวนนิวคลีออนไม่เปลี่ยนแปลง.
    • กราฟ: ลดลงอย่างรุนแรง, จุดยอด $8.8\ \text{MeV}$ ใกล้กับ $A = 56$, ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป. ผลิตภัณฑ์ที่อยู่สูงบนกราฟหมายความว่ามีการปลดปล่อยพลังงาน; ฟิวชันอยู่ทางซ้าย, ฟิชชัน (และการสลายตัว α) อยู่ทางขวา.
    • สมดุลสมการทุกสมการสองครั้ง: จำนวนนิวคลีออนอยู่ด้านบน จำนวนโปรตอนอยู่ด้านล่าง; การสลายตัว β จะนำนิวตรินోหรือแอนตินิวตรินோมาด้วย
    • $A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ กับ $t_{1/2}$ ใน วินาที; $N$ จากมวล: $N = m/(A u)$. Ratios ของ $1/2$, $1/4$, $1/8$ หมายความว่าผ่านครึ่งชีวิตเต็มรอบ; มิฉะนั้นใช้ $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
    • คำอธิบายจะถูกเน้นคำสำคัญ: ความน่าจะเป็นคงที่, อัตราแปรผันตรงกับจำนวน, สัดส่วนเดียวกันในช่วงเวลา; อัตราการนับที่ fluctuating เพื่อแสดงความสุ่ม; ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาวะภายนอกสำหรับคำว่า spontaneous.

    ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

    • นิยามพลังงานยึดเหนี่ยวว่าเป็น "พลังงานที่ยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกัน" หรือ "พลังงานที่เก็บไว้ในนิวเคลียส"; มันคือพลังงานที่ใช้ในการ แยก นิวคลีออนออกจากกัน.
    • การลบมวลผิดด้านและรายงานค่าพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเป็นลบ, หรือลืมนิวตรอน(s) ด้านหนึ่งของสมการฟิชชัน.
    • การวาดกราฟพลังงานยึดเหนี่ยวให้ลดลงรุนแรงเท่ากับที่มันเพิ่มขึ้น, หรือแตะศูนย์ที่ $A$ ขนาดใหญ่.
    • การใช้ครึ่งชีวิตเป็นนาทีหรือปีพร้อมกับกิจกรรมในหน่วยเบคเคอเรล; ต้องแปลงเป็นวินาทีก่อน.
    • สับสนระหว่างค่าคงที่การสลายตัว (ความน่าจะเป็นต่อวินาที) กับกิจกรรม (การสลายตัวต่อวินาที).
    • การบอกว่า "ครึ่งหนึ่งของตัวอย่างหายไป" สำหรับครึ่งชีวิต, หรือบอกว่าหลังจากสองครึ่งชีวิตจะไม่เหลืออะไรเลย.
    • การให้คำตอบว่า "สุ่ม" ว่า "เกิดขึ้นได้ทุกเมื่อ" โดยไม่ระบุ "ไม่สามารถทำนายได้ว่านิวเคลียสใดจะสลายตัวหรือเมื่อไหร่" หรือการให้คำตอบว่า "แบบ spontaneous" โดยไม่ระบุ "ไม่ได้รับอิทธิพลจากปัจจัยภายนอก"
    • การ treating count rate เป็น activity หรือการลืมลบ background
    • การสมมติว่าอนุภาค α และนิวเคลียสที่ recoiled แบ่งพลังงานเท่ากัน; พวกเขาแบ่ง momentum เท่ากัน
    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    recoil/rɪˈkɔɪl/ การดีดกลับ
  • 24

    Medical physics · ⁨ฟิสิกส์การแพทย์⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    24.1

    Ultrasound

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a piezo-electric crystal changes shape when a p.d. is applied across it and that the crystal generates an e.m.f. when its shape changes
    2. understand how ultrasound waves are generated and detected by a piezoelectric transducer
    3. understand how the reflection of pulses of ultrasound at boundaries between tissues can be used to obtain diagnostic information about internal structures
    4. define the specific acoustic impedance of a medium as $Z = \rho c$, where $c$ is the speed of sound in the medium
    5. use $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ for the intensity reflection coefficient of a boundary between two media
    6. recall and use $I = I_0 e^{-\mu x}$ for the attenuation of ultrasound in matter
    ไทย
    1. เข้าใจว่า คริสตัลacebook-electric เปลี่ยนรูปทรงเมื่อมี p.d.施加 across และคริสตัลจะสร้าง e.m.f. เมื่อรูปทรงเปลี่ยนไป
    2. เข้าใจวิธีที่คลื่น อัลตราซาวด์ ถูกสร้างและตรวจจับโดย ทรานส์ดิวเซอร์acebook-electric
    3. เข้าใจว่า การสะท้อน ของพัลส์อัลตราซาวด์ที่ขอบเขตระหว่างเนื้อเยื่อสามารถนำไปใช้ในการรับข้อมูลวินิจฉัยเกี่ยวกับโครงสร้างภายในได้อย่างไร
    4. นิยาม ความต้านทานเสียงเฉพาะ ของตัวกลางว่า $Z = \rho c$, โดยที่ $c$ คือความเร็วของเสียงในตัวกลางนั้น
    5. ใช้ $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ สำหรับ สัมประสิทธิ์การสะท้อนของความเข้ม ของขอบเขตระหว่างสองสื่อ
    6. จำและใช้ $I = I_0 e^{-\mu x}$ สำหรับการ ลดทอน ของอัลตราซาวด์ในสสาร

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Piezo-electric effect

    A piezo-electric 压电 crystal changes shape a little when a p.d. is put across it, and the reverse: it makes an electromotive force 电动势 (e.m.f.) across itself when its shape is changed. Quartz and PZT are common examples. Two linked effects:

    Applying a p.d. changes the crystal's shape; squeezing the crystal makes an e.m.f.
    Applying a p.d. deforms the crystal; squeezing it makes a p.d.
    • apply a p.d. → the crystal changes shape (used to make vibrations).
    • change the shape (a wave squeezes it) → an e.m.f. appears (used to detect vibrations).

    Piezo-electric transducer

    A transducer 换能器 uses this effect to both make and detect ultrasound 超声波.

    • an alternating p.d. (a few MHz) makes the crystal vibrate at the same frequency, sending out longitudinal 纵波 waves above $20\ \text{kHz}$ ($1$–$10\ \text{MHz}$ for medical imaging).
    • the same crystal then detects: returning ultrasound makes it vibrate and produce an e.m.f.

    Generating ultrasound (three marks). (1) An alternating p.d. is applied across the crystal. (2) The crystal changes shape, expanding and contracting at the frequency of the p.d., so it vibrates. (3) The p.d. is chosen at the crystal's resonant frequency, so the vibration is large and the crystal's faces push on the tissue, sending out a longitudinal wave of that frequency. Detecting ultrasound (two marks). The returning wave's pressure variations change the shape of the crystal; a changing shape generates an e.m.f. across it, alternating at the frequency of the wave, which is amplified and recorded. The same crystal is used for both, switched between transmitting and receiving.

    So one transducer is both emitter and detector, switching between sending and listening.

    A cut-away of an ultrasound transducer: a coaxial cable feeding a piezo-electric crystal with electrodes, backing material behind it, a plastic cover and lens in front, all inside an earthed metal case
    A piezo-electric transducer both sends and detects ultrasound using a vibrating crystal

    Pulse-echo imaging

    To see inside the body (pulse-echo 脉冲回波 imaging):

    1. the transducer sends a short pulse into the body.
    2. at each tissue boundary, part of the pulse is reflected and part goes on.
    3. the transducer detects each reflected pulse.
    4. the time delay gives the depth: $d = c t / 2$ (there and back). The echo's amplitude gives the strength of the reflection.

    Worked example. An ultrasound pulse returns to the transducer $60\ \mu\text{s}$ after it was sent. The speed of sound in the tissue is $1500\ \text{m s}^{-1}$. Find the depth of the reflecting boundary.

    The pulse travels there and back, so $d = \dfrac{ct}{2}$:

    $$d = \frac{1500 \times 60 \times 10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m}\ (= 4.5\ \text{cm}).$$
    1. sweeping across the body builds a 2-D image.
    An ultrasound machine screen showing a fan-shaped grey scan of a 20-week fetus in profile
    A real ultrasound image — the fan shape comes from the transducer sweeping across the body. Every bright speck is an echo from a boundary between tissues, and its depth was worked out from the echo's time delay, exactly as in the worked example above

    A coupling gel 耦合剂 is put between the transducer and the skin to push out the air; without it almost all the ultrasound would reflect at the skin–air boundary and never enter the body.

    An A-scan trace on an oscilloscope: a large transmitted pulse, then smaller echo pulses from the fat–muscle boundary and the muscle–bone boundary at later times
    An A-scan shows the transmitted pulse and the echoes from each tissue boundary

    "Outline the use of ultrasound to obtain diagnostic information" (four marks). (1) A pulse of ultrasound is sent into the body by the transducer, which is coupled to the skin with gel. (2) At each boundary between tissues part of the pulse is reflected; the reflected pulse returns to the transducer and is detected. (3) The time delay between emission and echo, with the speed of sound, gives the depth of the boundary ($d = ct/2$). (4) The intensity of the echo, set by the change in acoustic impedance at the boundary, shows what kind of boundary it is. Sweeping the transducer, or using an array, builds up an image.

    Why pulses, and why megahertz. The transducer sends a short pulse and then listens: the echo from every boundary must arrive before the next pulse leaves, otherwise echoes from different pulses could not be told apart, and the crystal cannot transmit and receive at the same moment. The frequency is a compromise: a higher frequency means a shorter wavelength and so finer detail (resolution 分辨率), but it is attenuated more strongly, so a deep organ needs a lower frequency than a shallow one. Typical medical scanning uses $1$–$15\ \text{MHz}$, wavelengths of a fraction of a millimetre in tissue.

    Specific acoustic impedance

    The specific acoustic impedance 声阻抗 of a medium is

    $$Z = \rho c,$$

    where $\rho$ is the density 密度 and $c$ the speed of sound. Unit: $\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Bone has large $Z$; air has small $Z$; soft tissue is in between.

    Worked example. Find the specific acoustic impedance of soft tissue. (Density $1060\ \text{kg m}^{-3}$, speed of sound $1540\ \text{m s}^{-1}$.)

    $$Z = \rho c = 1060 \times 1540 \approx 1.6 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}.$$

    The definition (two marks). The specific acoustic impedance of a medium is the product of its density and the speed of sound in it. Both quantities must be named; "how hard sound finds it to pass" scores nothing. Because $Z$ combines density and speed, two media with very different densities can still have similar $Z$ (water and soft tissue), and it is $Z$, not density alone, that decides how much sound reflects.

    Reflection at a boundary

    At a boundary between media of impedance $Z_{1}$ and $Z_{2}$, the intensity reflection coefficient 强度反射系数 (fraction reflected) is

    $$\frac{I_{\text{R}}}{I_{0}} = \left(\frac{Z_{1} - Z_{2}}{Z_{1} + Z_{2}}\right)^{2}.$$
    • very different impedances: almost all is reflected (skin/air — hence the gel).
    • very similar impedances: almost nothing is reflected, so the boundary cannot be seen.
    • best for imaging: different enough to give an echo, but not so different that nothing passes on.
    At a boundary between media of acoustic impedance Z1 and Z2, the incident pulse splits into a reflected part and a transmitted part; the bigger the impedance difference, the bigger the reflected echo
    At a boundary, part of the pulse reflects and part transmits — a bigger impedance difference gives a bigger echo

    Worked example (why gel). Air: density $1.29\ \text{kg m}^{-3}$, speed of sound $343\ \text{m s}^{-1}$. Gel: $Z = 1.50 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Soft tissue: $Z = 1.63 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Find the intensity reflection coefficient at an air–tissue boundary and at a gel–tissue boundary.

    $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Air–tissue: $\left(\dfrac{442 - 1.63 \times 10^{6}}{442 + 1.63 \times 10^{6}}\right)^{2} = 0.9989$: $99.9\%$ of the intensity reflects and only $0.1\%$ enters the body. Gel–tissue: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^{2} = 0.0017$: only $0.2\%$ reflects. So the gel, whose impedance is close to that of skin, replaces the air layer that would otherwise reflect nearly everything, and almost all of the pulse enters the body (and the echoes can get back out again by the same route).

    Worked example. Water: density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, speed $1480\ \text{m s}^{-1}$. Glass: density $2500\ \text{kg m}^{-3}$, speed $5600\ \text{m s}^{-1}$. What fraction of the intensity is reflected at a water–glass boundary?

    $Z_{\text{water}} = 1.48 \times 10^{6}$, $Z_{\text{glass}} = 1.40 \times 10^{7}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Coefficient $= \left(\dfrac{1.48 - 14.0}{1.48 + 14.0}\right)^{2} = 0.65$: two-thirds reflected, one-third transmitted. Working in units of $10^{6}$ keeps the arithmetic clean, since the ratio is what matters. A steel implant in tissue ($Z_{\text{steel}} = 4.7 \times 10^{7}$) gives $0.87$: nearly all the pulse reflects from its surface, so nothing behind it can be imaged, but the implant itself shows up very brightly.

    Attenuation

    As ultrasound goes through tissue, its intensity falls with distance:

    $$I = I_{0} e^{-\mu x},$$

    where $\mu$ is the attenuation coefficient 衰减系数 (unit $\text{m}^{-1}$). The same form applies to X-rays.

    A graph of intensity against thickness: both curves fall exponentially, but soft tissue with a small attenuation coefficient falls slowly while bone with a large coefficient falls off fast
    Intensity falls exponentially with thickness; a larger attenuation coefficient (bone) falls off faster
    The intensity budget of one echo: the pulse is attenuated on its way to a boundary, a fraction alpha of what arrives is reflected, and the echo is attenuated again on the way back, so the received intensity is alpha times I0 times e to the minus 2 mu x
    One echo, three factors: attenuation in, reflection, attenuation out. The tissue is crossed twice, so the exponent doubles

    Worked example (an echo's intensity). A pulse of intensity $I_{0}$ passes through $4.0\ \text{cm}$ of tissue with attenuation coefficient $0.50\ \text{cm}^{-1}$ to a boundary whose intensity reflection coefficient is $0.010$. Find the intensity of the echo returning to the transducer, as a fraction of $I_{0}$.

    To the boundary: $e^{-\mu x} = e^{-0.50 \times 4.0} = 0.135$. Reflected: $\times 0.010$. Back through the same $4.0\ \text{cm}$: $\times 0.135$ again. Echo: $I/I_{0} = 0.135 \times 0.010 \times 0.135 = 1.8 \times 10^{-4}$, about $0.02\%$. Two things the examiner checks: the tissue is crossed twice, and the reflection coefficient multiplies the intensity at the boundary, not $I_{0}$. This is why echoes from deep boundaries are amplified more than shallow ones before display.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Ultrasound scan route · ⁨เส้นทางตรวจด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง⁩

    Follow a pulse from transducer to echo image. · ⁨ติดตามพัลส์จากทรานส์ดูเซอร์ไปยังภาพสะท้อน⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ อัลตราโซนิก
    piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ acebook-electric
    electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ แรงขับเคลื่อนไฟฟ้า
    transducer/trænsˈdjuːsə/ ทรานสดิวเซอร์
    longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ ตามยาว
    pulse-echo/pʌls ˈekəʊ/ พัลส์-เอคโก
    coupling gel/ˈkʌplɪŋ dʒel/ เจลเชื่อมต่อ
    resolution/ˌrezəˈluːʃn/ ความละเอียด
    specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ ความต้านทานเสียงจำเพาะ
    density/ˈdensɪti/ ความหนาแน่น
    intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ สัมประสิทธิ์การสะท้อนความเข้ม
    attenuation coefficient/əˌtenjuːˈeɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ สัมประสิทธิ์การลดทอน
    24.2

    X-rays

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. explain that X-rays are produced by electron bombardment of a metal target and calculate the minimum wavelength of X-rays produced from the accelerating p.d.
    2. understand the use of X-rays in imaging internal body structures, including an understanding of the term contrast in X-ray imaging
    3. recall and use $I = I_0 e^{-\mu x}$ for the attenuation of X-rays in matter
    4. understand that computed tomography (CT) scanning produces a 3D image of an internal structure by first combining multiple X-ray images taken in the same section from different angles to obtain a 2D image of the section, then repeating this process along an axis and combining 2D images of multiple sections
    ไทย
    1. อธิบายว่า รังสีเอ็กซ์ ถูกสร้างโดยการชนของอิเล็กตรอนกับเป้าหมายโลหะ และคำนวณ ความยาวคลื่นต่ำสุด ของรังสีเอ็กซ์ที่เกิดจาก p.d. เร่งความเร็ว
    2. เข้าใจการใช้รังสีเอ็กซ์ในการถ่ายภาพโครงสร้างภายในร่างกาย รวมถึงความเข้าใจศัพท์ ความต่าง ในการถ่ายภาพรังสีเอ็กซ์
    3. จำและใช้ $I = I_0 e^{-\mu x}$ สำหรับการลดทอนของรังสีเอ็กซ์ในสสาร
    4. เข้าใจว่า การสแกน CT (computed tomography) สร้างภาพ 3 มิติของโครงสร้างภายในโดยเริ่มจากการรวมภาพรังสีเอ็กซ์หลายภาพที่ถ่าย在同一 section จากมุมต่างๆ เพื่อได้ภาพ 2 มิติของ section นั้น จากนั้นทำกระบวนการนี้ซ้ำตามแกนและรวมภาพ 2 มิติของหลาย sections

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Production

    X-rays come from an X-ray tube X射线管:

    1. a heated cathode 阴极 emits electrons by thermionic emission 热电子发射.
    2. a high p.d. (tens to hundreds of kV) accelerates the electrons across a vacuum 真空 to a metal target 靶 (the anode 阳极, often tungsten 钨).
    3. the electrons hit the target and slow sharply. Most of their kinetic energy 动能 becomes heat; a small part is emitted as X-ray photons 光子 (Bremsstrahlung 轫致辐射, "braking radiation"). Some electrons knock out inner electrons of the metal atoms, and the refilling emits characteristic 特征 X-ray lines.
    A diagram of an X-ray tube: a heated metal filament (cathode) driven by a low voltage, a high voltage accelerating electrons across an evacuated tube to a metal anode with an angled tungsten target, and X-rays leaving the target
    In an X-ray tube electrons from the heated cathode are accelerated onto a metal target anode

    "Explain how X-rays are produced" (four marks). (1) Electrons are emitted from a heated filament (cathode) by thermionic emission. (2) They are accelerated through a high potential difference (tens of kV) across an evacuated tube towards a metal target (the anode). (3) They decelerate rapidly when they strike the target, and (4) the kinetic energy lost is emitted as X-ray photons (with most of it becoming heat in the target, which is why the anode is cooled or rotated).

    Controlling the beam. The intensity (energy per unit area per second) is set by the number of electrons hitting the target per second, so it is controlled by the filament current (a hotter filament emits more electrons); the hardness 硬度, meaning the penetrating power, is set by the photon energies, so it is controlled by the accelerating p.d.: a larger p.d. gives higher-energy, shorter-wavelength, more penetrating X-rays. A metal filter removes the softest X-rays, which would be absorbed in the patient's skin without reaching the detector.

    Worked example (heating of the target). In a tube run at $75\ \text{kV}$ the electron beam current is $30\ \text{mA}$ and $99\%$ of the electrons' energy becomes heat in a tungsten target of mass $15\ \text{g}$ (specific heat capacity $134\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$). Find the rate of temperature rise if no heat were lost.

    Power delivered $= IV = 0.030 \times 75\,000 = 2250\ \text{W}$; heating power $= 0.99 \times 2250 = 2230\ \text{W}$. Then $mc\,\Delta\theta/\Delta t = 2230$, so $\Delta\theta/\Delta t = 2230/(0.015 \times 134) = 1.1 \times 10^{3}\ \text{K s}^{-1}$. A target would melt within seconds, which is why exposures are short and anodes rotate to spread the heat.

    Minimum wavelength

    The most energy one X-ray photon can have is the full kinetic energy of one accelerated electron, lost in a single event. For accelerating p.d. $V$, the KE is $eV$, so

    $$h f_{\text{max}} = e V, \qquad \lambda_{\text{min}} = \frac{h c}{e V}.$$

    This is the short-wavelength cut-off. The continuous Bremsstrahlung spectrum tails off above $\lambda_{\text{min}}$, with sharp characteristic peaks set by the target metal.

    A graph of X-ray intensity against wavelength: a continuous curve starting abruptly at a minimum wavelength , rising to a broad maximum and tailing off, with a few sharp characteristic peaks superimposed
    A typical X-ray spectrum — a continuous Bremsstrahlung curve cut off at $\lambda_0$, with sharp characteristic peaks

    Worked example (minimum wavelength). Electrons are accelerated through $75\ \text{kV}$. Find the maximum photon energy and the minimum wavelength of the X-rays.

    Maximum energy $= eV = 75\ \text{keV} = 75\,000 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ (or $0.075\ \text{MeV}$). Then $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV) = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(1.2 \times 10^{-14}) = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{m}$. The maximum photon momentum is $p = E/c = 4.0 \times 10^{-23}\ \text{N s}$. Doubling the p.d. halves the minimum wavelength.

    Explaining the shape of the spectrum. The spectrum is continuous because each electron may lose any fraction of its energy in one or several decelerations, so photons of every energy up to the maximum are produced. It has a sharp cut-off at $\lambda_{\text{min}}$ because a photon cannot carry more energy than one electron has, $eV$, and that happens only when an electron loses all its energy in a single event. The peaks are characteristic of the target metal: an incoming electron knocks an inner electron out of a target atom, and an outer electron falls into the vacancy, emitting a photon whose energy is the difference between the two levels (Topic 22).

    Imaging with X-rays

    X-rays pass through the patient onto a detector. Tissues that attenuate 衰减 more (bone, high $Z$) cast a stronger shadow and look lighter; tissues that attenuate less (soft tissue, lung) look darker.

    The contrast 对比度 is the difference in attenuation between tissues. A contrast medium 造影剂 (e.g. a barium meal) can be given to make soft tissues stand out.

    A front-view chest X-ray showing white ribs, spine and the heart shadow against the dark grey of the air-filled lungs
    A real chest X-ray: dense bone absorbs more X-rays and looks white; the air-filled lungs let X-rays through and look dark

    Sharpness and contrast. Sharpness 清晰度 is how well defined the edges of structures are in the image: a small X-ray source (a small spot on the target), a stationary patient and a detector close to the patient all improve it. Contrast is the difference in degree of blackening (or brightness) between neighbouring regions of the image, produced by a difference in attenuation. The two are independent: an image can be sharp but have poor contrast, or the reverse.

    The same X-ray beam falling on equal thicknesses of soft tissue and bone: the soft tissue transmits over half the intensity and exposes the detector, while the bone transmits under a fifth, so the two regions of the image differ strongly
    Contrast is a difference in attenuation: bone attenuates about three times more strongly than soft tissue per centimetre, so equal thicknesses give very different exposures

    "Explain why X-ray images of internal structures have good contrast." Bone and soft tissue have very different attenuation coefficients, so equal thicknesses transmit very different intensities and the detector is exposed very differently behind each. Where two soft tissues have similar coefficients (the stomach and its surroundings), a contrast medium with a high attenuation coefficient, such as barium, is swallowed or injected to outline one of them. Using a lower p.d. (softer X-rays) also increases contrast, at the cost of a larger dose.

    Worked example. X-rays pass through $3.0\ \text{cm}$ of soft tissue ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) in one region of the body and $3.0\ \text{cm}$ of bone ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) in another. Compare the transmitted intensities.

    Soft tissue: $I/I_{0} = e^{-0.20 \times 3.0} = e^{-0.60} = 0.55$. Bone: $e^{-0.60 \times 3.0} = e^{-1.80} = 0.17$. The soft-tissue region receives more than three times the exposure of the bone region, so the bone appears white and the tissue dark. The ratio of exposures, $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, grows with thickness: contrast improves for thicker structures, but so does the total attenuation.

    Attenuation law

    $$I = I_{0} e^{-\mu x}.$$

    Higher-energy X-rays penetrate further (smaller $\mu$); bone has a much larger $\mu$ than soft tissue. To find the thickness for a given fraction, take logs: $x = \dfrac{1}{\mu} \ln\dfrac{I_{0}}{I}$. The half-value thickness 半值厚度 $x_{1/2} = \ln 2 / \mu$ halves the intensity (like half-life in decay).

    Worked example. X-rays pass through $3.0\ \text{cm}$ of tissue with attenuation coefficient $\mu = 40\ \text{m}^{-1}$. Find the fraction of the intensity that gets through.

    $$\frac{I}{I_{0}} = e^{-\mu x} = e^{-40 \times 0.030} = e^{-1.2} \approx 0.30.$$

    Worked example (percentage absorbed). X-rays pass through $2.8\ \text{cm}$ of a medium with attenuation coefficient $1.4\ \text{cm}^{-1}$. What percentage of the X-ray energy is absorbed?

    Transmitted fraction $e^{-1.4 \times 2.8} = e^{-3.92} = 0.020$, so $98\%$ is absorbed. The question asks for what is absorbed, not what gets through: read it twice. The half-value thickness here is $\ln 2/\mu = 0.50\ \text{cm}$, so $2.8\ \text{cm}$ is $5.6$ half-value thicknesses and $(1/2)^{5.6} = 0.02$ checks the answer.

    Worked example (two layers). A beam of intensity $I_{0}$ passes through $2.0\ \text{cm}$ of material P ($\mu = 0.35\ \text{cm}^{-1}$) and then $1.5\ \text{cm}$ of material Q ($\mu = 0.90\ \text{cm}^{-1}$). Find the transmitted intensity.

    The exponentials multiply: $I = I_{0}\, e^{-0.35 \times 2.0}\, e^{-0.90 \times 1.5} = I_{0}\, e^{-(0.70 + 1.35)} = I_{0}\, e^{-2.05} = 0.13\, I_{0}$. Add the exponents ($\mu_{1}x_{1} + \mu_{2}x_{2}$); never add the thicknesses or the coefficients. The order of the layers makes no difference to the total transmitted intensity.

    Computed tomography (CT)

    A computed tomography 计算机断层扫描 (CT) scan builds a 3-D image:

    1. the tube and detectors rotate around the patient, taking many images of one thin slice from different angles.
    2. a computer combines these into a 2-D cross-section of the slice.
    3. the patient is moved along, and the next slice is imaged.
    4. the slices are stacked into a 3-D image.

    CT shows far more than a single X-ray, because overlapping soft tissues are separated by the many-angle reconstruction.

    A CT-scan arrangement: a fan of X-ray beams passes through the patient's body to a curved array of X-ray detectors on the far side, and the tube and detectors rotate around the patient
    In a CT scan the X-ray tube and detectors rotate around the patient to image a slice from many angles

    "Explain how CT scanning produces a three-dimensional image" (five marks). (1) The X-ray tube (and a ring of detectors) rotates around the patient, so that (2) many X-ray images of one slice (section) are taken from different angles. (3) A computer combines them to produce a two-dimensional image of that slice. (4) The patient is moved and the process is repeated for successive slices. (5) The slices are combined to build a 3-D image, which can be rotated and viewed from any angle. Purpose: to image a section of the body without the overlapping of structures that a single X-ray suffers, revealing structures that would be hidden and their positions in depth. The price is a much larger dose than a single X-ray.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    X-ray production route · ⁨เส้นทางผลิตรังสีเอ็กซ์⁩

    Follow electrons from cathode to X-ray photons. · ⁨ติดตามอิเล็กตรอนจากแคโทดไปสู่โฟตอนรังสีเอ็กซ์⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    X-ray tube/eks reɪ tjuːb/ หลอดรังสีเอกซ์
    cathode/ˈkæθəʊd/ แคโทด
    thermionic emission/ˌθɜːmɪˈɒnɪk ɪˈmɪʃn/ การปล่อยอิเล็กตรอนจากความร้อน
    vacuum/ˈvækjuːm/ สุญญากาศ
    target/ˈtɑːɡɪt/ เป้าหมาย
    anode/ˈænəʊd/ แอนโอด
    tungsten/ˈtʌŋstn/ ทังสเตน
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
    photon/ˈfəʊtɒn/ โฟตอน
    Bremsstrahlung/ˈbremʃtrɑːlʊŋ/ เบรมสตราhlung
    characteristic/ˌkærɪktəˈrɪstɪk/ ลักษณะเฉพาะ
    hardness/ˈhɑːdnəs/ ความแข็ง (ของรังสีเอกซ์)
    attenuate/əˈtenjuːeɪt/ ลดทอน
    contrast/ˈkɒntræst/ ความแตกต่างของค่าสี
    contrast medium/ˈkɒntræst ˈmiːdɪəm/ สารทึบรังสี
    sharpness/ˈʃɑːpnəs/ ความคมชัด
    half-value thickness/hɑːf ˈvæljuː ˈθɪknəs/ ความหนาครึ่งค่า
    computed tomography/kəmˈpjuːtɪd təˈmɒɡrəfi/ ซีทีสแกน (Computed Tomography)
    24.3

    PET scanning

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that a tracer is a substance containing radioactive nuclei that can be introduced into the body and is then absorbed by the tissue being studied
    2. recall that a tracer that decays by $\beta^+$ decay is used in positron emission tomography (PET scanning)
    3. understand that annihilation occurs when a particle interacts with its antiparticle and that mass–energy and momentum are conserved in the process
    4. explain that, in PET scanning, positrons emitted by the decay of the tracer annihilate when they interact with electrons in the tissue, producing a pair of gamma-ray photons travelling in opposite directions
    5. calculate the energy of the gamma-ray photons emitted during the annihilation of an electron-positron pair
    6. understand that the gamma-ray photons from an annihilation event travel outside the body and can be detected, and an image of the tracer concentration in the tissue can be created by processing the arrival times of the gamma-ray photons
    ไทย
    1. เข้าใจว่า tracer คือสารที่มีนิวเคลียสทางรังสีที่สามารถใส่เข้าไปในร่างกายและจะถูกดูดซึมโดยเนื้อเยื่อที่กำลังศึกษา
    2. จำได้ว่า tracer ที่สลายตัวโดย $\beta^+$ decay ถูกใช้ใน positron emission tomography (PET scanning)
    3. เข้าใจว่า annihilation เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กับ antiparticle ของมันเอง และมวล–พลังงานและโมเมนตัมถูกอนุรักษ์ในกระบวนการนี้
    4. อธิบายว่าในการสแกน PET positrons ที่ปล่อยจากการสลายตัวของ tracer จะ annihilate เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนในเนื้อเยื่อ ทำให้เกิดคู่ของ gamma-ray photons ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม
    5. คำนวณพลังงานของ gamma-ray photons ที่ปล่อยออกมาduring annihilation ของ electron-positron pair
    6. เข้าใจว่า gamma-ray photons จากเหตุการณ์ annihilation เคลื่อนที่ออกจากภายนอกร่างกายและสามารถตรวจจับได้ และภาพของความเข้มข้นของ tracer ในเนื้อเยื่อสามารถสร้างขึ้นได้โดยประมวลผลเวลาของการมาถึงของ gamma-ray photons

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Tracer

    A tracer 示踪剂 is a substance with radioactive nuclei put into the body. It is taken up more by the tissue being studied (e.g. a tumour takes up more glucose-tagged tracer due to its high metabolism 代谢). Its decay is detected from outside.

    In positron emission tomography 正电子发射断层扫描 (PET), the tracer is a $\beta^{+}$ emitter — it gives out a positron 正电子. A common one is fluorine-18 on a glucose analogue (FDG).

    "Explain what is meant by a tracer and how it is used" (three marks). A tracer is a substance containing radioactive nuclei (for PET, a $\beta^{+}$ emitter such as fluorine-18) that is introduced into the body (injected or swallowed), usually bound to a molecule such as glucose, and is absorbed by the tissue being studied; the radiation it emits leaves the body and is detected, so its distribution shows where that tissue is active. The nuclide is chosen with a short half-life, so the activity is high during the scan and the patient's dose afterwards is small, but not so short that it decays before it reaches the tissue: fluorine-18 ($110$ minutes) and oxygen-15 ($2$ minutes, made and used on the spot) are typical.

    Annihilation

    When a particle meets its antiparticle 反粒子 they annihilate 湮灭: their mass turns into electromagnetic energy. In PET:

    • a positron travels a few mm before meeting an electron 电子.
    • they annihilate. Energy and momentum 动量 are conserved.
    • since the total momentum is about zero, two photons are produced going in opposite directions, each $511\ \text{keV}$ ($= m_{e} c^{2}$).
    In PET a positron and electron annihilate inside a detector ring, producing two 511 keV photons that fly off in opposite directions; the two simultaneous arrivals (a coincidence) fix the line the annihilation lay on
    PET: annihilation gives two 511 keV photons in opposite directions; a coincidence fixes the line

    Energy of the annihilation photons

    By energy conservation, the total photon energy equals the pair's rest energy 能量:

    $$2 h f = 2 m_{e} c^{2}, \qquad h f = m_{e} c^{2}.$$

    Each photon has $h f = m_{e} c^{2} \approx 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J} \approx 0.51\ \text{MeV}$, with $\lambda \approx 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$.

    Explaining the annihilation (four marks). (1) The positron emitted by the tracer travels a short distance and meets an electron in the tissue. (2) The pair annihilates: their mass is converted to energy, (3) emitted as two gamma-ray photons, since (4) momentum must be conserved: the pair had almost no momentum, so the two photons must travel in opposite directions with equal momenta. Each photon carries the rest energy of one particle, $0.51\ \text{MeV}$; a single photon could not conserve momentum.

    Worked example. Find the total energy released when a positron and an electron, each moving slowly, annihilate, and the wavelength of each photon.

    $E = 2m_{\text{e}}c^{2} = 2 \times 9.11 \times 10^{-31} \times (3.00 \times 10^{8})^{2} = 1.64 \times 10^{-13}\ \text{J}$ ($1.02\ \text{MeV}$), shared equally: $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ each. $\lambda = hc/E = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(8.2 \times 10^{-14}) = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, a gamma ray. If instead the electron and positron each move at $4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ in opposite directions, each has kinetic energy $\tfrac{1}{2}mv^{2} = 1.1 \times 10^{-15}\ \text{J}$, about $1\%$ of its rest energy, and the photons carry $8.3 \times 10^{-14}\ \text{J}$ each: the rest energy dominates, which is why the annihilation photons always have very nearly the same energy.

    Reconstructing the image

    The two photons leave the body in opposite directions and hit detector rings around the patient. Recording the two simultaneous arrivals (a "coincidence") fixes the line the annihilation happened on. Many coincidences from many angles let the computer build a 3-D map of the tracer — showing tissues with high metabolic activity. Comparing the two arrival times can refine the position along that line (time-of-flight PET).

    A coloured PET slice of the brain: a blue background with a ring of yellow and red marking where the glucose tracer collected most
    A finished PET image of the brain: warm colours (red, yellow) mark where the tracer collected -- the most active tissue
    A ring of gamma detectors around a patient: the two photons from an annihilation off centre reach opposite detectors A and B, one slightly later than the other; the pair fixes the line, and the arrival-time difference fixes the position along it
    Locating an annihilation: two photons detected together fix the line, and the difference in their arrival times fixes where on the line

    "Explain how the gamma photons are used to form an image" (four marks). (1) The two photons leave the body in opposite directions and are detected by the ring of detectors. (2) Two photons arriving at (almost) the same time are taken to come from one annihilation, which therefore lies on the line joining the two detectors. (3) The small difference in arrival times gives the position along that line ($d = c\,\Delta t/2$ from the midpoint; a $1\ \text{ns}$ difference is $15\ \text{cm}$, so the timing must be very precise). (4) A computer collects many such events and maps the concentration of tracer in the tissue, producing an image; a higher concentration means more active tissue, such as a tumour. Photons that arrive singly (their partner absorbed in the body) are rejected.

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    PET scan route · ⁨เส้นทางตรวจ PET⁩

    Follow positron emission to a ring of detected photons. · ⁨ติดตามการปล่อยโพซิตรอนไปยังวงแหวนของโฟตอนที่ถูกตรวจจับ⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    electron/ɪˈlektrɒn/ อิเล็กตรอน
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    momentum/məʊˈmentəm/ โมเมนตัม
    tracer/ˈtreɪsə/ ตัวติดตามกัมมันตรังสี
    metabolism/məˈtæbəlɪzəm/ การเผาผลาญ
    positron emission tomography/ˈpɒzɪtrɒn ɪˈmɪʃn təˈmɒɡrəfi/ PET สแกน (Positron Emission Tomography)
    positron/ˈpɒzɪtrɒn/ โพซิตรอน
    antiparticle/ˌæntɪˈpɑːtɪkl/ อนุภาคปฏิสสาร
    annihilate/əˈnaɪəleɪt/ การทำลายล้างกันและกัน
    24.3

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    piezo-electric effect a crystal changes shape when a p.d. is applied across it, and generates an e.m.f. when its shape is changed
    specific acoustic impedance the product of the density of a medium and the speed of sound in it, $Z = \rho c$
    intensity reflection coefficient the fraction of the incident intensity reflected at a boundary, $(Z_{1} - Z_{2})^{2}/(Z_{1} + Z_{2})^{2}$
    attenuation coefficient the constant $\mu$ in $I = I_{0}e^{-\mu x}$; the larger it is, the faster the intensity falls with thickness
    hardness (of X-rays) the penetrating power of the beam, set by the photon energies (the accelerating p.d.)
    contrast the difference in degree of blackening between neighbouring regions of an image
    sharpness how well defined the edges of structures are in an image
    CT scanning X-ray images of one section taken from many angles are combined by computer into a 2-D image of the slice; successive slices give a 3-D image
    tracer a substance containing radioactive nuclei that is introduced into the body and absorbed by the tissue under study
    annihilation a particle and its antiparticle interact and their mass is converted to energy (photons), with mass–energy and momentum conserved
    24.3

    Exam tips

    • Ultrasound: pulse in, echo back; depth $= ct/2$ (there and back); $Z = \rho c$; reflection coefficient from the two impedances; gel matches impedance to the skin. Attenuation is exponential and an echo crosses the tissue twice.
    • X-rays: production is heated filament, high p.d., sudden deceleration at the target; intensity by filament current, hardness by p.d.; $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$; $I = I_{0}e^{-\mu x}$ with exponents added for layers; contrast is a difference in $\mu$.
    • CT: many angles, one slice, computer, successive slices, 3-D. Say all five.
    • PET: $\beta^{+}$ tracer, annihilation with an electron, two $0.51\ \text{MeV}$ photons in opposite directions (momentum), coincidence gives the line, timing gives the position.
    • Know the three "explain" answers word for word: how the crystal generates and detects, how X-rays are produced, how the photons locate the tracer.
    • Write units with every impedance ($\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$) and coefficient ($\text{cm}^{-1}$ or $\text{m}^{-1}$), and convert $\text{cm}$ to $\text{m}$ only if $\mu$ is in $\text{m}^{-1}$.

    Common mistakes

    • Forgetting the factor of 2 in the depth of a reflecting boundary, or the second pass through the tissue in an echo's intensity.
    • Defining acoustic impedance as "the resistance to sound" instead of density times speed of sound.
    • Quoting the reflection coefficient for gel–skin as "zero"; it is small, and that is the point.
    • Saying the p.d. controls the intensity of the X-ray beam, or that the filament current controls the hardness; it is the other way round.
    • Explaining the minimum wavelength without saying that one electron gives all its kinetic energy to a single photon.
    • Adding thicknesses of different materials before applying $e^{-\mu x}$; add the products $\mu x$ instead.
    • Describing CT as "an X-ray from several angles" without the computer reconstruction, the slice, or the successive slices.
    • Giving one photon for annihilation, or two photons in the same direction; momentum conservation demands two in opposite directions.
    • Confusing the tracer's half-life reasoning: short so that the dose is small, but long enough to reach the tissue and be scanned.
  • 25

    Astronomy and cosmology · ⁨ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยา⁩

    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    25.1

    Luminosity and radiant flux intensity

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand the term luminosity as the total power of radiation emitted by a star
    2. recall and use the inverse square law for radiant flux intensity $F$ in terms of the luminosity $L$ of the source $F = L / (4\pi d^2)$
    3. understand that an object of known luminosity is called a standard candle
    4. understand the use of standard candles to determine distances to galaxies
    ไทย
    1. เข้าใจศัพท์ luminosity ในฐานะกำลังรวมของรังสีที่ดาวเปล่งออกมา
    2. จำและใช้ กฎกำลังสองผกผัน สำหรับ radiant flux intensity $F$ ใน terms of luminosity $L$ ของแหล่งกำเนิด $F = L / (4\pi d^2)$
    3. เข้าใจว่าวัตถุที่มี luminosity ที่ทราบค่าเรียกว่า standard candle
    4. เข้าใจการใช้ standard candles ในการกำหนดระยะทางไปยังกาแล็กซี

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    The luminosity 光度 $L$ of a star is the total power 功率 of radiation it gives out — the energy 能量 radiated per second in all directions. Unit: watt (W).

    The one-mark definition. The luminosity of a star is the total power of radiation emitted by the star (or the total energy emitted per unit time). It is a property of the star alone; how bright it looks from the Earth depends also on how far away it is. Asked for two reasons why some stars appear brighter than others, give exactly those two: a greater luminosity, and a smaller distance (the flux falls as $1/d^{2}$).

    At distance $d$, this power has spread over a sphere of area $4\pi d^{2}$. The radiant flux intensity 辐射通量密度 $F$ (power per unit area) at distance $d$ is

    $$F = \frac{L}{4\pi d^{2}}.$$

    Worked example. The Sun's luminosity is $L = 3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$. Find the radiant flux intensity at the Earth, a distance $d = 1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ away.

    $$F = \frac{L}{4\pi d^{2}} = \frac{3.8 \times 10^{26}}{4\pi (1.5 \times 10^{11})^{2}} \approx 1.4 \times 10^{3}\ \text{W m}^{-2}.$$

    Unit: $\text{W m}^{-2}$. This is the inverse-square law 平方反比定律 for flux: doubling the distance cuts the flux to a quarter. A telescope measures $F$; if $L$ is known, the distance follows:

    $$d = \sqrt{\frac{L}{4\pi F}}.$$
    Three large telescope domes silhouetted on a mountain ridge at dusk against a pink sky, with a huge orange full Moon rising directly behind them
    The four units of ESO's Very Large Telescope in Chile, used to measure the flux from distant stars
    A point source of power L emits light through square patches at distances d, 2d and 3d; the patch area grows as the square of the distance (A, 4A, 9A), so the flux per unit area falls as the square of the distance (F, F/4, F/9)
    The same power spreads over a larger area as distance grows, so flux falls as $1/d^{2}$
    Radiant flux intensity plotted against one over distance squared for a single star: the points lie on a straight line through the origin whose gradient is the luminosity divided by four pi
    Plot $F$ against $1/d^{2}$ and the inverse-square law becomes a straight line through the origin; its gradient is $L/4\pi$

    Reading the graph. A graph of $F$ against $1/d^{2}$ for one star is a straight line through the origin with gradient $L/4\pi$, so $L = 4\pi \times \text{gradient}$; a more luminous star gives a steeper line. A star whose galaxy is receding still obeys the inverse-square law, but the light we receive is redshifted, so the flux at each wavelength is shifted along the spectrum, and a detector sensitive to one band may see a different fraction of it.

    Worked example. The Sun has radius $6.96 \times 10^{8}\ \text{m}$ and surface temperature $5780\ \text{K}$. A space probe carrying a $2.0\ \text{m}^{2}$ solar panel is $4.5 \times 10^{10}\ \text{m}$ from the Sun's centre. Find the power falling on the panel when it faces the Sun.

    Luminosity: $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4} = 4\pi(5.67 \times 10^{-8})(6.96 \times 10^{8})^{2}(5780)^{4} = 3.85 \times 10^{26}\ \text{W}$. Flux at the probe: $F = L/(4\pi d^{2}) = 3.85 \times 10^{26}/[4\pi(4.5 \times 10^{10})^{2}] = 1.5 \times 10^{4}\ \text{W m}^{-2}$, eleven times the flux at the Earth. Power on the panel: $P = FA = 1.5 \times 10^{4} \times 2.0 = 3.0 \times 10^{4}\ \text{W}$. The flux is power per unit area perpendicular to the radiation; a tilted panel receives $FA\cos\theta$.

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ ความส่องสว่าง
    power/ˈpaʊə/ กำลัง
    energy/ˈenədʒi/ พลังงาน
    radiant flux intensity/ˈreɪdɪənt flʌks ɪnˈtensɪti/ ความเข้มของฟลักซ์รังสี
    inverse-square law/ɪnˈvɜːs skweə lɔː/ กฎกำลังสองผกผัน
    25.1

    Standard candles

    A standard candle 标准烛光 is an object whose luminosity is known from its type. Once you find one in a distant galaxy and measure the flux $F$ from it, you get its distance from $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$.

    Examples:

    • Cepheid variables 造父变星 (pulsating stars) — the pulsation period is tightly linked to the luminosity, so the period gives $L$.
    • Type Ia supernovae 超新星 — a white dwarf reaching a critical mass and exploding always has about the same peak luminosity.

    A standard candle gives $L$ without first knowing the distance, so it reaches galaxies far beyond parallax 视差.

    The definition. A standard candle is an object (a star or a supernova) of known luminosity. The luminosity is known because it is fixed by a property that can be measured from any distance: the pulsation period of a Cepheid variable, or the type of a supernova.

    Two calculation chains as flow charts: for the distance to a galaxy, identify a standard candle to get its luminosity, measure the flux at the Earth, then use the inverse-square law; for the radius of a star, get the temperature from the peak wavelength with Wien's law, the luminosity from the flux and distance, then the radius from the Stefan–Boltzmann law
    The two recipes of this topic: a distance from a standard candle, and a radius from a spectrum and a flux. Every calculation in the exam is one of them, or a step of one

    "Explain how a standard candle is used to determine the distance of a galaxy" (three marks). (1) A standard candle in the galaxy is identified (a Cepheid variable, whose period gives its luminosity, or a Type Ia supernova) so that its luminosity $L$ is known. (2) The radiant flux intensity $F$ of its light arriving at the Earth is measured. (3) The distance follows from the inverse-square law, $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$. The order matters: the luminosity comes from the candle's type, not from the distance, which is the thing being found.

    Worked example. A Type Ia supernova, luminosity $1.0 \times 10^{36}\ \text{W}$ at its peak, is observed with a peak flux of $2.0 \times 10^{-14}\ \text{W m}^{-2}$. How far away is its galaxy?

    $d = \sqrt{L/(4\pi F)} = \sqrt{1.0 \times 10^{36}/(4\pi \times 2.0 \times 10^{-14})} = 6.3 \times 10^{24}\ \text{m}$, about $670$ million light years 光年 ($1\ \text{ly} = 9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$). A Cepheid, with a luminosity of order $10^{30}\ \text{W}$, could not be seen at that distance; supernovae are the candles for the far Universe.

    A spiral galaxy seen at an angle, with a bright glowing core, dust lanes winding through its disc, and two small companion galaxies nearby, set against a star field
    The Andromeda Galaxy, our nearest large galaxy, about 2.5 million light-years away — Cepheids in it are standard candles
    A log-log graph of luminosity (in units of the Sun's luminosity) against pulsation period in days for Type I Cepheid variables: the points scatter about a clear rising straight line, so a longer period means a more luminous star
    For Cepheid variables the pulsation period sets the luminosity, making them standard candles
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Standard candle distance lab · ⁨ห้องปฏิบัติการระยะห่างของเทียนมาตรฐาน⁩

    brightness proportional to 1 / distance^2 · ⁨ความสว่างแปรผันตรงกับ 1 / ระยะทาง^2⁩

    Move distance and see why brightness falls quickly. · ⁨เปลี่ยนระยะทางเพื่อดูว่าทำไมความสว่างจึงลดลงอย่างรวดเร็ว⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    standard candle/ˈstændəd ˈkændl/ เทียนมาตรฐาน
    Cepheid variables/ˈsefiɪd ˈveərɪəblz/ ดาวแปรแสงเซฟีด
    Type Ia supernovae/taɪp wʌn ˈeɪ ˌsuːpəˈnəʊviː/ ซูเปอร์โนวาชนิด Ia
    parallax/ˈpærəlæks/ ความคลาดเคลื่อนจากมุมมอง
    light years/laɪt jɪəz/ ปีแสง
    supernovae/ˌsuːpəˈnəʊviː/ ซูเปอร์โนวา
    25.2

    Stellar surface temperature

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. recall and use Wien’s displacement law $\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$ to estimate the peak surface temperature of a star
    2. use the Stefan–Boltzmann law $L = 4\pi\sigma r^2 T^4$
    3. use Wien’s displacement law and the Stefan–Boltzmann law to estimate the radius of a star
    ไทย
    1. จำและใช้ Wien’s displacement law $\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$ เพื่อประมาณอุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดของดาว
    2. ใช้ Stefan–Boltzmann law $L = 4\pi\sigma r^2 T^4$
    3. ใช้กฎการเลื่อนของไวน์และกฎสเตฟาน-โบลต์ซมันน์เพื่อประมาณค่ารัศมีของดาว

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Wien's displacement law

    A hot body gives out a continuous (blackbody 黑体) spectrum with a peak at a wavelength 波长 $\lambda_{\text{max}}$ set by its temperature 温度. Wien's displacement law 维恩位移定律:

    $$\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}, \qquad b \approx 2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}.$$

    Worked example. A star's blackbody spectrum peaks at $\lambda_{\text{max}} = 500\ \text{nm}$. Find its surface temperature. ($b = 2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}$.)

    $$T = \frac{b}{\lambda_{\text{max}}} = \frac{2.90 \times 10^{-3}}{500 \times 10^{-9}} \approx 5800\ \text{K}.$$

    Hotter stars peak at shorter wavelengths: a cool red star ($\sim 3000\ \text{K}$) peaks in the infrared; the Sun ($\sim 5800\ \text{K}$) peaks near $500\ \text{nm}$; a hot blue-white star ($\sim 20{,}000\ \text{K}$) peaks in the ultraviolet. Measuring $\lambda_{\text{max}}$ gives the surface temperature.

    "State Wien's displacement law" (two marks). The wavelength at which the intensity of the radiation from a black body is a maximum is inversely proportional to its thermodynamic temperature: $\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$, or $\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}$ ($2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}$). Say "wavelength of maximum intensity", not just "the wavelength", and the temperature must be in kelvin. The law describes the peak of the continuous black-body curve, not the spectral lines.

    Three towering columns of brown and gold gas and dust rising against a blue-green nebula, tipped with bright young stars and scattered points of light
    The Pillars of Creation in the Eagle Nebula — clouds of gas and dust lit by hot, newly formed stars
    Black-body intensity-against-wavelength curves at 3000 K, 6000 K and 12000 K: a hotter body has a taller curve at every wavelength and its peak lies at a shorter wavelength, with the visible range shaded
    A hotter black body radiates more, and its peak wavelength shifts towards the blue (Wien's law)

    Stefan–Boltzmann law

    A star, treated as a blackbody sphere of radius $r$ and surface temperature $T$, has luminosity

    $$L = 4\pi \sigma r^{2} T^{4},$$

    where $\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\ \text{K}^{-4}$ is the Stefan–Boltzmann constant 斯特藩-玻尔兹曼常量 (the Stefan–Boltzmann law 斯特藩-玻尔兹曼定律). Two strong dependences:

    • $L \propto r^{2}$ — twice the radius, four times the luminosity (same $T$).
    • $L \propto T^{4}$ — twice the temperature, sixteen times the luminosity (same $r$).

    Worked example. A star has radius $r = 7.0 \times 10^{8}\ \text{m}$ and surface temperature $T = 5800\ \text{K}$. Find its luminosity. ($\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\ \text{K}^{-4}$.)

    $$L = 4\pi\sigma r^{2} T^{4} = 4\pi (5.67 \times 10^{-8})(7.0 \times 10^{8})^{2}(5800)^{4} \approx 3.9 \times 10^{26}\ \text{W}.$$

    Estimating a star's radius

    Combine the two laws:

    1. measure $\lambda_{\text{max}}$ → get $T$ from Wien's law.
    2. find $L$ (e.g. from flux $F$ and distance $d$: $L = 4\pi d^{2} F$).
    3. solve the Stefan–Boltzmann law for $r$: $r = \sqrt{L/(4\pi \sigma T^{4})}$.

    This is how astronomers estimate radii of stars they cannot see as a disc.

    Worked example (the radius of the Sun). The radiant flux intensity of sunlight at the Earth is $1370\ \text{W m}^{-2}$ at a distance of $1.50 \times 10^{11}\ \text{m}$, and the Sun's spectrum peaks at $500\ \text{nm}$. Estimate the radius of the Sun.

    Luminosity: $L = 4\pi d^{2}F = 4\pi(1.50 \times 10^{11})^{2}(1370) = 3.87 \times 10^{26}\ \text{W}$. Temperature: $T = b/\lambda_{\text{max}} = 2.90 \times 10^{-3}/(500 \times 10^{-9}) = 5800\ \text{K}$. Radius: $r = \sqrt{L/(4\pi\sigma T^{4})} = \sqrt{3.87 \times 10^{26}/[4\pi(5.67 \times 10^{-8})(5800)^{4}]} = 6.9 \times 10^{8}\ \text{m}$. Three steps, each a one-line formula; keep the full precision of $L$ and $T$ until the end, because $T$ is raised to the fourth power.

    Worked example. A star in a distant galaxy has a radiant flux intensity of $2.52 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}$ at the Earth, a distance of $4.16 \times 10^{17}\ \text{m}$ away, and a surface temperature of $9500\ \text{K}$. Find its radius.

    $L = 4\pi d^{2}F = 4\pi(4.16 \times 10^{17})^{2}(2.52 \times 10^{-8}) = 5.48 \times 10^{28}\ \text{W}$. Then $r = \sqrt{5.48 \times 10^{28}/[4\pi(5.67 \times 10^{-8})(9500)^{4}]} = 3.1 \times 10^{9}\ \text{m}$, about four times the Sun's radius. Check the sense: a star $140$ times as luminous as the Sun but only $1.6$ times as hot must be considerably bigger, since $L \propto r^{2}T^{4}$.

    Why $T^{4}$ matters so much. Two stars of the same radius at $3000\ \text{K}$ and $6000\ \text{K}$ differ in luminosity by $2^{4} = 16$ times; a small error in the temperature is a large error in the luminosity, which is why the peak wavelength must be read carefully and, for a receding galaxy, corrected for redshift (below).

    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    A star's luminosity and radius · ⁨ความสว่างและรัศมีของดาว⁩

    L ∝ r²

    For a given surface temperature, a star's luminosity grows with the SQUARE of its radius (Stefan's law). · ⁨สำหรับอุณหภูมิพื้นผิวที่กำหนด ความสว่างของดาวจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของรัศมี (กฎของสเตฟาน)⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    blackbody/ˈblækbɒdi/ วัตถุดำ
    wavelength/ˈweɪvleŋθ/ ความยาวคลื่น
    temperature/ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิ
    Wien's displacement law/viːnz dɪˈspleɪsmənt lɔː/ กฎการเคลื่อนที่ของไวน์
    Stefan–Boltzmann constant/ˈstefən ˈbɒltsmən ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่สเตฟาน-โบลตซ์แมน
    Stefan–Boltzmann law/ˈstefən ˈbɒltsmən lɔː/ กฎของสเตฟาน-โบลต์ซมาน
    Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
    25.3

    Redshift, Hubble's law and the Big Bang

    Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
    English
    1. understand that the lines in the emission and absorption spectra from distant objects show an increase in wavelength from their known values
    2. use $\Delta\lambda / \lambda \approx \Delta f / f \approx v / c$ for the redshift of electromagnetic radiation from a source moving relative to an observer
    3. explain why redshift leads to the idea that the Universe is expanding
    4. recall and use Hubble's law $v \approx H_0 d$ and explain how this leads to the Big Bang theory (candidates will only be required to use SI units)
    ไทย
    1. เข้าใจว่าเส้นในสเปกตรัมการแผ่รังสีและการดูดกลืนรังสีจากวัตถุไกลออกไปแสดงถึงการเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่นเมื่อเทียบกับค่าที่ทราบไว้
    2. ใช้ $\Delta\lambda / \lambda \approx \Delta f / f \approx v / c$ เพื่อคำนวณค่า การเลื่อนไปทางแดง ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กับผู้สังเกต
    3. อธิบายเหตุผลที่การเลื่อนไปทางแดงนำไปสู่แนวคิดที่ว่าเอกภพกำลังขยายตัว
    4. จำและใช้ กฎฮับเบิล $v \approx H_0 d$ และอธิบายว่าสิ่งนี้เชื่อมโยงไปยัง ทฤษฎีบิกแบง ได้อย่างไร (ผู้เข้าสอบจะได้รับการอนุญาตให้ใช้เฉพาะหน่วย SI เท่านั้น)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

    Cosmological redshift

    The spectral lines 谱线 of light from distant galaxies are seen at longer wavelengths than their known laboratory values — the whole spectrum is stretched towards the red. This is redshift 红移.

    Two spectra compared: for a near star the dark hydrogen absorption lines sit at their laboratory wavelengths; for a distant star the same pattern of lines is shifted towards the red (longer-wavelength) end
    The hydrogen absorption lines of a distant star are shifted to longer wavelengths — a redshift

    Reading it as a Doppler shift, the galaxy is moving away. For $v \ll c$:

    $$\frac{\Delta \lambda}{\lambda} \approx \frac{v}{c},$$

    where $\Delta\lambda = \lambda_{\text{observed}} - \lambda_{\text{emitted}}$ and $v$ is the speed of recession 退行. Example: light emitted at $4.62 \times 10^{-7}\ \text{m}$ but seen at $4.91 \times 10^{-7}\ \text{m}$ gives $\Delta\lambda = 0.29 \times 10^{-7}\ \text{m}$ and

    $$v \approx \frac{\Delta\lambda}{\lambda_{\text{em}}} c \approx 1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}.$$

    Why redshift means an expanding Universe

    Almost every distant galaxy is redshifted (a few near ones are blueshifted 蓝移 by local motion). So galaxies are, on average, moving apart — not just from us but from each other. The Universe is expanding, with the space between galaxies stretching. More distant galaxies are redshifted more.

    "State what is meant by redshift." The observed wavelength of the radiation (its spectral lines) from a source is longer than the wavelength emitted, because the source is moving away from the observer. It is the Doppler effect 多普勒效应 for light: the fractional change in wavelength equals the fractional change in frequency and, for $v \ll c$, the ratio $v/c$.

    Worked example. A hydrogen line measured in the laboratory at $656.3\ \text{nm}$ is observed in the light from a galaxy at $660.9\ \text{nm}$. Find the galaxy's speed of recession and, using $H_{0} = 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$, its distance.

    $\Delta\lambda = 660.9 - 656.3 = 4.6\ \text{nm}$, so $v = c\,\Delta\lambda/\lambda = (3.00 \times 10^{8})(4.6/656.3) = 2.1 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. Distance: $d = v/H_{0} = 2.1 \times 10^{6}/2.3 \times 10^{-18} = 9.1 \times 10^{23}\ \text{m}$ (about $100$ million light years). Divide by the emitted (laboratory) wavelength, and keep the nanometres consistent in the ratio.

    Worked example (the other way round). A galaxy in Corona Borealis recedes at $21\,400\ \text{km s}^{-1}$. At what wavelength is its $656.3\ \text{nm}$ hydrogen line observed?

    $\Delta\lambda = \lambda v/c = 656.3 \times (2.14 \times 10^{7}/3.00 \times 10^{8}) = 46.8\ \text{nm}$, so the line appears at $703\ \text{nm}$, moved from the red almost into the infrared. Every line and the whole continuous spectrum are stretched by the same factor $(1 + v/c) = 1.071$.

    The black-body spectrum of a receding galaxy compared with the spectrum it emits: the observed curve has the same shape but every wavelength is stretched by the same factor, so its peak sits at a longer wavelength
    A receding galaxy's continuous spectrum keeps its shape but slides to longer wavelengths. Wien's law applied to the observed peak gives a temperature that is too low

    A trap the exam sets. If the peak wavelength of a receding galaxy's spectrum is fed straight into Wien's law, the temperature comes out too low, because the observed $\lambda_{\text{max}}$ is longer than the emitted one. Correct the peak first: $\lambda_{\text{emitted}} = \lambda_{\text{observed}}/(1 + v/c)$. Asked to sketch the observed spectrum on the same axes as the emitted one, draw the same shape shifted to longer wavelengths, peak included.

    "Explain how redshift leads to the idea that the Universe is expanding" (three marks). (1) The spectral lines from (almost) all distant galaxies are shifted to longer wavelengths, so (2) by the Doppler effect the galaxies are moving away from us, and (3) the further away a galaxy is, the greater its redshift and so its speed: this is what would be seen from any galaxy if the space between all galaxies were expanding, so the Universe as a whole is expanding, not just moving away from the Earth.

    A deep black field scattered with thousands of faint coloured smudges, spirals and ellipses — each one a distant galaxy, photographed by the Hubble Space Telescope
    The Hubble Ultra Deep Field — almost every point of light is a whole galaxy, most of them redshifted and receding

    Hubble's law

    The link between recession speed $v$ and distance $d$ is Hubble's law 哈勃定律:

    $$v \approx H_{0} \cdot d,$$

    where $H_{0}$ is the Hubble constant 哈勃常数 ($\approx 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$). Always use SI units. Example: a galaxy receding at $1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ is at $d = v/H_{0} \approx 8.3 \times 10^{24}\ \text{m}$.

    "State Hubble's law" (two marks). The speed of recession of a galaxy is (directly) proportional to its distance from the Earth (the observer): $v = H_{0}d$, where $v$ is the recession speed, $d$ the distance and $H_{0}$ the Hubble constant. Identify every symbol when asked. The value of $H_{0}$ is quoted in the exam in SI units ($\text{s}^{-1}$), so $v$ must be in $\text{m s}^{-1}$ and $d$ in metres, never kilometres per second per megaparsec.

    Worked example. A star in a distant galaxy emits radiation whose intensity peaks at $4.62 \times 10^{-7}\ \text{m}$; the peak in the light received at the Earth is at $4.91 \times 10^{-7}\ \text{m}$. Find the star's surface temperature, the galaxy's recession speed, and its distance ($H_{0} = 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$).

    Temperature from the emitted peak: $T = 2.90 \times 10^{-3}/4.62 \times 10^{-7} = 6300\ \text{K}$. Speed: $v = c\,\Delta\lambda/\lambda = (3.00 \times 10^{8})(0.29/4.62) = 1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$, about $6\%$ of $c$. Distance: $d = v/H_{0} = 1.9 \times 10^{7}/2.3 \times 10^{-18} = 8.2 \times 10^{24}\ \text{m}$ (about $870$ million light years). Using the observed peak for the temperature would have given $5900\ \text{K}$, $400\ \text{K}$ too low.

    A graph of recession speed against distance for galaxies: the data lie on a straight line through the origin of gradient H0, showing that speed is proportional to distance
    Hubble's law: a galaxy's recession speed is proportional to its distance, $v = H_0 d$

    From Hubble's law to the Big Bang

    Hubble's law means the galaxies were once together. Running the expansion backwards, all distances shrink to zero at $t = -1/H_{0}$ — the Universe was once a tiny, hugely dense, hot point. This is the Big Bang 大爆炸. The age of the Universe (for steady expansion) is about

    $$T_{\text{age}} \approx \frac{1}{H_{0}} \approx 4.3 \times 10^{17}\ \text{s} \approx 14 \text{ billion years}.$$

    The expansion, the redshift of galaxies, the cosmic microwave background 宇宙微波背景, and the hydrogen/helium abundances are the main evidence for the Big Bang.

    "Explain how Hubble's law leads to the Big Bang theory" (three marks). (1) Galaxies are receding with speeds proportional to their distances, so (2) if time is run backwards, every galaxy, at whatever distance, arrives at the same point at the same time, $t = d/v = 1/H_{0}$ ago; (3) so the Universe must have begun as a single point of enormous density and temperature that has been expanding ever since. The age estimate: $1/H_{0} = 1/(2.3 \times 10^{-18}) = 4.3 \times 10^{17}\ \text{s}$, and dividing by $3.16 \times 10^{7}\ \text{s}$ per year gives $1.4 \times 10^{10}$ years. This assumes the expansion rate has not changed; it is an estimate, not a measurement.

    Distance ladder

    Astronomers combine methods, each calibrated by the one below:

    1. parallax — for nearby stars.
    2. standard candles (Cepheids, Type Ia supernovae) — for galaxies.
    3. Hubble's law ($d = v/H_{0}$, with $v$ from redshift) — for very distant galaxies.
    The cosmic distance ladder: parallax for nearby stars calibrates standard candles for galaxies, which calibrate Hubble's law for very distant galaxies, each rung reaching further
    The distance ladder: each method is calibrated by the one below and reaches further out
    Explore · ⁨สำรวจ⁩

    Hubble's law · ⁨กฎของฮับเบิล⁩

    v = H₀·d

    Recession speed is proportional to distance — the gradient is Hubble's constant. · ⁨ความเร็วถอยหลังแปรผันตรงกับระยะทาง — ความชันคือค่าคงที่ของฮับเบิล⁩

    Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
    English ไทย
    spectral lines/ˈspektrəl laɪnz/ เส้นสเปกตรัม
    redshift/ˈredʃɪft/ redshift (การ-shift ไปทางสีแดง)
    recession/rɪˈseʃn/ ภาวะเศรษฐกิจถดถอย
    blueshifted/ˈbluːʃɪftɪd/ SHIFT สีน้ำเงิน
    Doppler effect/ˈdɒplə ɪˈfekt/ ปรากฏการณ์ดอปพลาร์
    Hubble's law/ˈhʌblz lɔː/ กฎของฮับเบิล
    Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ ค่าคงที่ฮับเบิล
    Big Bang/bɪɡ bæŋ/ บิกแบง
    cosmic microwave background/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd/ พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล
    25.3

    Definitions the examiner accepts

    A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

    Term Definition
    luminosity the total power of radiation emitted by a star
    radiant flux intensity the power of radiation received per unit area (at right angles to the radiation), $F = L/(4\pi d^{2})$
    standard candle an object of known luminosity, from which a distance can be found by measuring the flux received
    Wien's displacement law the wavelength of maximum intensity of a black body is inversely proportional to its thermodynamic temperature, $\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}$
    Stefan–Boltzmann law the luminosity of a black body of radius $r$ is $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4}$
    redshift the increase in the observed wavelength of radiation from a source moving away from the observer
    Hubble's law the speed of recession of a galaxy is proportional to its distance from the observer, $v = H_{0}d$
    Hubble constant the constant of proportionality in Hubble's law, in $\text{s}^{-1}$; $1/H_{0}$ estimates the age of the Universe
    Big Bang theory the Universe began from a single point of very high density and temperature and has been expanding since
    25.3

    Exam tips

    • Two recipes: distance = candle's $L$, measured $F$, $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$; radius = $T$ from $\lambda_{\text{max}}$, $L$ from $F$ and $d$, $r$ from $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4}$. Write each step as its own formula.
    • $F$ is a flux (per square metre), $L$ a power; $L = 4\pi d^{2}F$ links them and $4\pi$ is part of both laws.
    • Wien: $\lambda_{\text{max}}$ in metres, $T$ in kelvin. Stefan–Boltzmann: $r^{2}$ and $T^{4}$; a $10\%$ error in $T$ is a $46\%$ error in $L$.
    • Redshift: $\Delta\lambda/\lambda_{\text{emitted}} = v/c$; then $d = v/H_{0}$ in SI units. Correct a receding galaxy's peak wavelength before using Wien's law.
    • The three "explain" answers (standard candle to distance, redshift to expansion, Hubble's law to the Big Bang) are marked point by point: three statements each, in order.
    • The age of the Universe is $1/H_{0}$, about $14$ billion years; state the assumption of a constant expansion rate.

    Common mistakes

    • Defining luminosity as brightness, or as power per unit area; that is the flux.
    • Finding a standard candle's luminosity from its distance, which is circular; the luminosity comes from its type.
    • Using degrees Celsius in Wien's or Stefan's law, or forgetting the fourth power.
    • Dividing $\Delta\lambda$ by the observed wavelength instead of the emitted one, or mixing nanometres and metres in one ratio.
    • Using $H_{0}$ with $v$ in $\text{km s}^{-1}$; convert to $\text{m s}^{-1}$.
    • Feeding a redshifted peak wavelength into Wien's law and reporting a temperature that is too low.
    • Stating Hubble's law without "proportional" or without saying what $v$ and $d$ are.
    • Explaining the Big Bang without the backward-in-time argument that all galaxies were together at $t = 1/H_{0}$ ago.

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP