นับตั้งแต่ได้มีการค้นพบ “กฎของแรงโน้มถ่วง และการเคลื่อนที่” การทดลองที่ว่าด้วย “การเคลื่อนที่ของพลังงาน” ได้กลายเป็นบทเรียนสำคัญของ “การศึกษาวิชาวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์พื้นฐาน”
ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.มนต์อมร ปรีชารัตน์ อาจารย์ประจำสถาบันนวัตกรรมการเรียนรู้ มหาวิทยาลัยมหิดล ในฐานะเจ้าของผลงานอนุสิทธิบัตร นวัตกรรมสื่อการเรียนรู้ “ชุดทดลองกฏการอนุรักษ์พลังงาน” คือหนึ่งในความภาคภูมิใจของมหาวิทยาลัยมหิดล ในฐานะ “ปัญญาของแผ่นดิน” ผู้ประดิษฐ์สื่อการเรียนรู้ขึ้นด้วยวัสดุอย่างง่ายเพื่อใช้ประกอบชั้นเรียนวิชาฟิสิกส์พื้นฐาน
ผลงานดังกล่าวได้ทำให้ผู้เรียนวิชาฟิสิกส์ ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ อันเป็นต้นทุนสำคัญในการพัฒนาชาติสามารถก้าวข้ามผ่านอุปสรรคในการทำความเข้าใจหลักการฟิสิกส์ขั้นพื้นฐาน สู่การต่อยอดสร้างสรรค์นวัตกรรมล้ำสมัยได้ในอนาคต
นวัตกรรมสื่อการเรียนรู้ “ชุดทดลองกฎการอนุรักษ์พลังงาน” จะช่วยให้ผู้เรียนเข้าใจว่าพลังงานไม่มีการสูญหาย เพียงแต่แปรเปลี่ยนรูปไปเท่านั้น โดยเป็นการชี้ให้เห็นว่า “พลังงานศักย์โน้มถ่วง” (Gravitational potential energy) หรือพลังงานในวัตถุในที่สูง แปรเปลี่ยนเป็น “พลังงานจลน์” (Kinetic energy) หรือพลังงานที่เกิดขึ้นกับวัตถุขณะเคลื่อนที่ได้อย่างไร
เดิมการทดลองเกี่ยวกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน ใช้การปล่อยถุงทรายให้หล่นตามแรงโน้มถ่วงของโลก และมีเครื่องเคาะสัญญาณที่เป็นเข็ม ทำให้เกิดเป็นจุดที่กระดาษรายงานผล สำหรับนำไปวัดระยะทาง และความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ
แต่อีกหลายอุปสรรคสำคัญที่พบเกิดจากในการทดลองแบบเดิม วัตถุตกสู่พื้นเร็วเกินไป และเกิดความฝืดระหว่างเข็มกับกระดาษ ทำให้สิ่งที่ได้ไม่เป็น “จุด” แต่เป็น “ขีด” แทน การวัดระยะที่แน่นอนจึงทำได้ยาก เนื่องจากต้องวัดระยะห่างระหว่างจุด 2 จุดเพื่อนำค่าที่ได้ไปคำนวณและพล็อตกราฟ ทำให้ผลการทดลองที่ได้ไม่แม่นยำ
ผู้วิจัยจึงได้หาทางออกโดยใช้การเคลื่อนที่ของวัตถุบนพื้นเอียงแทน เพื่อไม่ให้วัตถุตกถึงพื้นเร็วเกินไปด้วยระบบ “Photogate Sensor” ที่ใช้ในการตรวจจับการเคลื่อนที่ของวัตถุแทน สำหรับคำนวณหาความเร็วของวัตถุ ซึ่งเป็น “พลังงานจลน์” ออกมา ให้ผู้เรียนนำค่าที่ได้ไปคำนวณและพล็อตกราฟ จะได้เห็นว่าจริงๆ แล้วพลังงานไม่ได้สูญหายเพียงแต่มีการเปลี่ยนแปลงจาก “พลังงานศักย์” ไปสู่ “พลังงานจลน์” เท่านั้น
โดยได้นำ “ไม้อัด” มาขึ้นรูปพื้นเอียงซึ่งสามารถปรับองศาได้ และสะดวกต่อการเก็บ รวมทั้งเพื่อการเรียนรู้ด้วยว่า หากปล่อยวัตถุลงมาจากความสูงที่ไม่เท่ากัน จะทำให้เกิด “พลังงานศักย์โน้มถ่วง” ที่ไม่เท่ากัน และจะทำให้ “พลังงานจลน์” ไม่เท่ากันไปด้วย
ซึ่งวัตถุที่ใช้ในการเคลื่อนที่เป็น “รถอะคริลิกติดล้อใส่ลูกปืน” เพื่อให้เกิดความฝืดน้อยที่สุด โดยที่ตัวพื้นเอียงปิดผิวหน้าด้วย “แผ่นอะคริลิกเซาะร่อง” ที่จะช่วยให้รถลื่นไหลและข้างใต้พื้นเอียงได้ติด “Photogate Sensor” เอาไว้จำนวน 5 จุด เพื่อเวลารถเคลื่อนผ่าน “Photogate Sensor” จะได้แสดงค่าผ่านโปรแกรมออกมาเป็นตัวเลขดิจิทัล ซึ่งสะดวกต่อการนำไปคำนวณหาความเร็วในการเคลื่อนที่ของวัตถุ หรือดูค่า “พลังงานจลน์” และ “พลังงานศักย์โน้มถ่วง” เพื่อเปรียบเทียบกันได้ต่อไป
นวัตกรรมสื่อการเรียนรู้ “ชุดทดลองกฎการอนุรักษ์พลังงาน” นอกจากได้รับการจดอนุสิทธิบัตรแล้ว ที่ผ่านมายังได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ โดยผู้วิจัยหวังเป็นส่วนหนึ่งที่จะช่วยทำให้เยาวชนไทยได้เรียนรู้และเข้าใจพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์ เพื่อที่จะได้นำไปประยุกต์ใช้ในการดำเนินชีวิต ตลอดจนต่อยอดสู่การสร้างสรรค์นวัตกรรมที่จะนำไปใช้ประโยชน์ในวงกว้างได้ต่อไปในอนาคต
ติดตามข่าวสารที่น่าสนใจจากมหาวิทยาลัยมหิดลได้ที่ www.mahidol.ac.th
สัมภาษณ์ และเขียนข่าวโดย ฐิติรัตน์ เดชพรหม นักประชาสัมพันธ์ (ชำนาญการ)
งานสื่อสารองค์กร กองบริหารงานทั่วไป สำนักงานอธิการบดี มหาวิทยาลัยมหิดล โทร. 0-2849-6210
