โรงเรียนฝางวิทยายน • กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 📑 ใบงานที่ 02 (หน้า 1/2)

ใบกิจกรรมการทดลองฟิสิกส์ & รายงาน CER (A4 Compact)

หน่วยการเรียนรู้: คลื่นเสียง • เรื่อง ความเข้มเสียง ($I$) และระดับความเข้มเสียง ($\beta$) (ว30102 ม.5, 50 นาที)

ชื่อ-นามสกุล:

ชั้น:

เลขที่:

💡 สาระสำคัญและหน่วยมาตรฐาน: แหล่งกำเนิดเสียงส่งกำลัง $P$ แผ่เป็นหน้าคลื่นทรงกลม 3 มิติ $A = 4\pi r^2$ ทำให้ความเข้มเสียงแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ($I = \frac{P}{4\pi r^2} \propto \frac{1}{r^2}$) และระดับเสียงคำนวณจากสเกลลอการิทึม $\beta = 10\log_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)$
🔍 ข้อควรระวังเรื่องหน่วย SI: กำลังเสียง $P$ หน่วยคือ วัตต์ ($\text{W}$) โดย $1\text{ mW} = 10^{-3}\text{ W}$ • พื้นที่ $A$ หน่วยคือ $\text{m}^2$ ➔ ความเข้มเสียง $I = P/A$ จึงมีหน่วยเป็น $\text{W/m}^2$ เสมอ

ตอนที่ 1 การทำนายและการสร้างแบบจำลองทางกายภาพ (Predict & Physical Modeling) ⏱️ 10 นาที

สถานการณ์กระตุ้นคิด: คุณครูเปิดลำโพงด้วยกำลังเสียง $P$ คงที่ หากนักเรียนยืนที่ระยะ $1.0\text{ m}$ แล้วเดินถอยหลังออกไปที่ $2.0\text{ m}$ (ระยะทางเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า):

1.1 ทำนายความเข้มเสียง ($I$):

ลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง ($50\%$)
ลดลงเหลือ $1/4$ ($25\%$)
อื่นๆ:

1.2 ทำนายระดับเสียงเดซิเบล ($\beta$):

คาดว่าระดับเสียงจะลดลงไปประมาณ:
$\text{dB}$ (คิดว่าจะลดลงกี่ dB)

🎨 1.3 แบบจำลองความคิด: วาดหน้าคลื่นทรงกลม 2 วง (1m ไมค์ A & 2m ไมค์ B) และจุดแสดงการเจือจางพลังงาน

✍️ วาดหน้าคลื่น ตำแหน่งไมค์ A (1m), B (2m) และจุดแสดงความหนาแน่นพลังงาน

📝 สมมติฐานจากภาพวาด (Hypothesis): เมื่อระยะทางเพิ่ม 2 เท่า ($1\text{m} \to 2\text{m}$) ผิวทรงกลมขยายกว้างขึ้นประมาณ เท่า ส่งผลให้ความเข้มเสียง ($I$) ลดลงเหลือ เท่าของเดิม

💡 แนวคำตอบสำหรับครู (ข้อ 1.3): หน้าคลื่นแผ่เป็นทรงกลม $A = 4\pi r^2$ เมื่อ $r$ เพิ่ม 2 เท่า พื้นที่ขยายเป็น $2^2 = 4$ เท่า พลังงานเสียงจึงเจือจางลงเหลือ $1/4$ ($25\%$)

ตอนที่ 2 การทดลองเก็บข้อมูลเชิงปริมาณจากแบบจำลองฟิสิกส์ 3 มิติ (Simulation Data)

⏱️ 12 นาที

เปิดแบบจำลอง 3 มิติ (phy3dsim.pages.dev/intensity) กำลังเสียง $P = 1.00 \times 10^{-3}\text{ W}$ ($1.00\text{ mW}$) แล้ววัดค่าและคำนวณพื้นที่ผิวทรงกลม:

ตำแหน่งการวัด	ระยะทาง $r\text{ (m)}$	พื้นที่ทรงกลม $A = 4\pi r^2\text{ (m}^2\text{)}$	ความเข้มเสียง $I\text{ (W/m}^2\text{)}$	ระดับเสียง $\beta\text{ (dB)}$
ไมค์ A (จุดใกล้/อ้างอิง)	1.00
ไมค์ B (ระยะเพิ่ม 2 เท่า)	2.00
ไมค์ B (ระยะเพิ่ม 5 เท่า)	5.00

🔍 สังเกตและคำนวณ: ในการคำนวณ $I = \frac{P}{A}$ ให้ใช้ $P = 1.00 \times 10^{-3}\text{ W}$ • เมื่อระยะทาง $r$ เพิ่มจาก $1.0\text{ m}$ เป็น $2.0\text{ m}$ ($2$ เท่า) พื้นที่ $A$ ขยายตัวขึ้นเป็น เท่า ทำให้ความเข้มเสียง $I$ ลดลงอย่างรวดเร็ว

เฉลยตาราง: ที่ 1.00m ($A \approx 12.57, I = 7.96\times 10^{-5}, \beta = 79.0$) • ที่ 2.00m ($A \approx 50.27, I = 1.99\times 10^{-5}, \beta = 73.0$) • ที่ 5.00m ($A \approx 314.16, I = 3.18\times 10^{-6}, \beta = 65.0$)

ตอนที่ 3 การวิเคราะห์ข้อมูลและการค้นพบกฎฟิสิกส์ (Data Analysis & Discovery)

⏱️ 10 นาที

นำข้อมูลจากตารางตอนที่ 2 มาคำนวณเปรียบเทียบระหว่าง ระยะ $1.00\text{ m}$ (ไมค์ A) กับ ระยะ $2.00\text{ m}$ (ไมค์ B):

3.1 อัตราส่วนความเข้มเสียง ($I_1 / I_2$):

$$\frac{I_1}{I_2} = \frac{\text{ค่า } I \text{ ที่ } 1\text{m}}{\text{ค่า } I \text{ ที่ } 2\text{m}} = \text{....................}$$

สรุป: เมื่อระยะทางเพิ่ม 2 เท่า ความเข้มเสียงลดลงเหลือ $1/$ เท่า สอดคล้องกับกฎ $I \propto 1/r^2$

เฉลย: $\frac{7.96 \times 10^{-5}}{1.99 \times 10^{-5}} \approx 4.00$ เท่า ➔ ความเข้มเสียงลดเหลือ $1/4$ ($25\%$)

3.2 ผลต่างระดับเสียง ($\Delta\beta = \beta_2 - \beta_1$):

$$\Delta\beta = \beta_{2\text{m}} - \beta_{1\text{m}} = \text{.................... dB}$$

สรุป: เมื่อระยะทางเพิ่ม 2 เท่า ระดับเสียงลดลง dB (เป็นไปตามสเกล Logarithm)

เฉลย: $73.0\text{ dB} - 79.0\text{ dB} = -6.0\text{ dB}$ (ระดับเสียงลดลง $6.0\text{ dB}$ เมื่อระยะเพิ่ม $2$ เท่า)

ตอนที่ 4 ภารกิจสถาปนิกเสียงและการสร้างข้อโต้แย้ง (CER Scientific Argumentation)

⏱️ 13 นาที

🏢 ภารกิจจริง: คณะกรรมการจัดงานโรงเรียนมีจุดตั้งโต๊ะประชาสัมพันธ์ 2 จุด คือ จุด A (ห่างลำโพง 2 เมตร) และ จุด B (ห่างลำโพง 5 เมตร) ท่านจะเลือกจัดโต๊ะ ณ ตำแหน่งใดเพื่อให้เกิดความปลอดภัยต่อการได้ยินของนักเรียนที่ต้องเฝ้าโต๊ะตลอดวัน ($< 70\text{ dB}$)?

📢 4.1 ข้อกล่าวอ้าง (Claim):

แนวคำตอบ Claim: ข้าพเจ้าเลือกจัดตั้งโต๊ะประชาสัมพันธ์ ณ จุด B (ระยะ 5.0 เมตร) เพราะระดับเสียงลดลงมาอยู่ที่ $65.0\text{ dB}$ ซึ่งปลอดภัยต่อการได้ยิน ($< 70\text{ dB}$)

📊 4.2 หลักฐานเชิงประจักษ์ (Evidence):

แนวคำตอบ Evidence: จุด A ($2\text{m}$) วัดได้ $73.0\text{ dB}, 1.99 \times 10^{-5}\text{ W/m}^2$ ขณะที่จุด B ($5\text{m}$) ลดลงเหลือ $65.0\text{ dB}, 3.18 \times 10^{-6}\text{ W/m}^2$ ซึ่งลดลงถึง $8.0\text{ dB}$

🧠 4.3 เหตุผลทางวิทยาศาสตร์ (Reasoning):

แนวคำตอบ Reasoning: เมื่อคลื่นเสียงแผ่เป็นทรงกลม พลังงานกระจายบนพื้นที่ $A = 4\pi r^2$ จุด B อยู่ห่าง 5m พื้นที่รับเสียงกว้างกว่ามาก ความเข้มเสียงจึงเจือจางลง ทำให้ระดับเสียงต่ำกว่า $70\text{ dB}$ ตามเกณฑ์มาตรฐานความปลอดภัย

ตอนที่ 5 บัตรสะท้อนคิดออกจากชั้นเรียน (Exit Ticket) – ปฏิบัติเดี่ยว

⏱️ 5 นาที (4 คะแนน)

1. ถ้าระยะทางเพิ่มขึ้นเป็น 3 เท่า ($1\text{m} \to 3\text{m}$) ความเข้มเสียง ($I$) จะลดลงเหลือเท่าใด?

ตอบ: ลดลงเหลือ เท่าของเดิม

เฉลย: ลดลงเหลือ $1/3^2 = 1/9$ (ประมาณ $11.1\%$)

2. เพื่อนกล่าวว่า "ถ้าความเข้มเสียงลดลง 4 เท่า เสียงจะลดลง 4 dB" ถูกหรือผิด เพราะเหตุใด?

ตอบ: [ ] ถูก [ ] ผิด เพราะ:

เฉลย: ผิด เพราะเป็นสเกล Logarithm $\Delta\beta = 10\log_{10}(1/4) \approx -6.02\text{ dB}$

💬 การสะท้อนคิดของตนเอง:

คะแนนรวม: ..... / 10 คะแนน • ลงชื่อครูผู้ตรวจ: ................................

ชุดนวัตกรรมการเรียนรู้ฟิสิกส์ 5E เรื่อง คลื่นเสียงและความเข้มเสียง • พัฒนาโดย ครูณัฐสิทธิ์ เวชกามา • โรงเรียนฝางวิทยายน