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 (Core Physics & SI Units): 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:
$\text{dB}$ (คิดว่าลดลงกี่ dB เพราะเหตุใด)

🎨 1.3 แบบจำลองความคิดเชิงสืบเสาะ: ทำไมเสียงจึงเบาลงเมื่อเราถอยห่างออกมา?

🔬 คำถามท้าทายความคิด (Inquiry Challenge):

จากคำทำนายในข้อ 1.1 จงวาดภาพจำลองเพื่ออธิบาย "กลไกทางกายภาพ" ว่าเมื่อลำโพงส่งพลังงานเสียงรอบทิศทางในอากาศ ทำไมคนที่ยืนห่าง 2.0 m จึงได้รับความเข้มเสียง ($I$) น้อยกว่าคนที่ยืน 1.0 m:

1 วาดหน้าคลื่นที่แผ่ออกไป: จุดสีแดง 🔴 แทนลำโพง $S$ ตรงกลาง แล้ววาดหน้าคลื่นเสียงทรงกลม 2 วงที่ระยะ 1.0 m และ 2.0 m

2 แสดงการเจือจางพลังงาน: ใช้ปากกาจุดหรือแรเงาแสดงความหนาแน่นของพลังงานเสียงต่อพื้นที่ผิว (จุดไหนหนาแน่น / จุดไหนเจือจาง)

✍️ ใช้เมาส์หรือระบบสัมผัสวาดหน้าคลื่นและตำแหน่งไมค์ A (1m), B (2m) ลงบนกระดาน

🎯 พื้นที่วาดแบบจำลองหน้าคลื่น (Top-View): วาดหน้าคลื่น ตำแหน่งไมค์ A (1m) & B (2m) และแรเงาความหนาแน่นพลังงาน

📝 สร้างสมมติฐานจากแบบจำลองความคิด (My Hypothesis):

จากภาพวาด ฉันคิดว่า เมื่อระยะทางเพิ่มเป็น 2 เท่า ($1\text{m} \to 2\text{m}$) พลังงานเสียงจะกระจายตัวครอบคลุมพื้นที่ผิวที่กว้างขึ้นประมาณ เท่า ส่งผลให้ความเข้มเสียงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ ($I = P/A$) ลดลงเหลือ เท่าของเดิม

💡 แนวคำตอบและแบบจำลองเฉลยสำหรับครู (ข้อ 1.3):

คำอธิบายเชิงกลไก (Mechanism Explanation):

1. คลื่นเสียงแผ่ออกจากลำโพง $S$ ในอากาศ 3 มิติทุกทิศทางเป็น หน้าคลื่นทรงกลม (Spherical Wavefront)

2. เมื่อรัศมี $r$ เพิ่มขึ้น 2 เท่า พื้นที่ผิวทรงกลม $A = 4\pi r^2$ จะขยายตัวกว้างขึ้นเป็น $2^2 = \mathbf{4}$ เท่า

3. พลังงานเสียง $P$ ก้อนเดียวกันจึงกระจายเฉลี่ยไปบนพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้น 4 เท่า ทำให้ความเข้มเสียงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ $I = \frac{P}{A}$ เจือจางลงเหลือเพียง $\mathbf{1/4}$ (หรือ $25\%$) ของตำแหน่งเดิม

🎯 เฉลยสมมติฐาน: พื้นที่กว้างขึ้น 4 เท่า ➔ ความเข้มเสียงลดลงเหลือ 1/4 (หรือ 0.25) เท่า

ตอนที่ 2 การทดลองเก็บข้อมูลเชิงปริมาณจากแบบจำลองฟิสิกส์ 3 มิติ (Simulation Data)

⏱️ 12 นาที

เปิดแบบจำลอง 3 มิติ (phy3dsim.pages.dev/intensity) ตั้งค่ากำลังเสียงแหล่งกำเนิด $P = 1.00 \times 10^{-3}\text{ W}$ ($1.00\text{ mW}$) 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 $P = 1.00 \times 10^{-3}\text{ W}$ เพื่อให้ได้หน่วย $\text{W/m}^2$ ที่ถูกต้องตรงกับแบบจำลอง • เมื่อระยะทาง $r$ เพิ่มจาก $1.0\text{ m}$ เป็น $2.0\text{ m}$ ($2$ เท่า) พื้นที่ $A$ ขยายตัวขึ้นเป็น เท่า ทำให้ความเข้มเสียง $I$ มีค่าลดลงอย่างรวดเร็ว

เฉลยตารางตอนที่ 2 (ค่ามาตรฐานในแบบจำลอง $P = 1.00 \times 10^{-3}\text{ W}$):
• ที่ $r = 1.00\text{ m}$: $A_1 = 4\pi(1)^2 \approx 12.57\text{ m}^2$, $I_1 = 7.96 \times 10^{-5}\text{ W/m}^2$, $\beta_1 = 79.0\text{ dB}$
• ที่ $r = 2.00\text{ m}$: $A_2 = 4\pi(2)^2 \approx 50.27\text{ m}^2$ (เพิ่มขึ้น $4$ เท่า), $I_2 = 1.99 \times 10^{-5}\text{ W/m}^2$ (ลดลง $4$ เท่า หรือเหลือ $25\%$), $\beta_2 = 73.0\text{ dB}$ (ลดลง $-6.0\text{ dB}$)
• ที่ $r = 5.00\text{ m}$: $A_5 = 4\pi(5)^2 \approx 314.16\text{ m}^2$ (เพิ่มขึ้น $25$ เท่า), $I_5 = 3.18 \times 10^{-6}\text{ W/m}^2$ (ลดลง $25$ เท่า หรือเหลือ $4\%$), $\beta_5 = 65.0\text{ dB}$ (ลดลง $-14.0\text{ dB}$)

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 ซึ่งสอดคล้องกับกฎ $I \propto 1/r^2$

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

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 (สังเกตว่าเป็นไปตามสมมติฐานเดิมหรือไม่)

เฉลย: $73.0\text{ dB} - 79.0\text{ dB} = -6.0\text{ dB}$ (ระดับเสียงเดซิเบลลดลง $6.0\text{ dB}$ ทุกครั้งที่ระยะทางเพิ่ม $2$ 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):

ระบุตำแหน่งที่เลือก (จุด A หรือ B) และผลของระดับเสียงอย่างชัดเจน:

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

📊 4.2 หลักฐานเชิงประจักษ์ (Evidence):

อ้างอิงตัวเลขจากการจำลอง 3 มิติ ($r, I, \beta$) ที่เปรียบเทียบระหว่างจุด A กับ B:

แนวคำตอบ Evidence: จากการทดลอง จุด A ($r = 2.0\text{ m}$) วัดระดับเสียงได้ $73.0\text{ dB}$ ความเข้มเสียง $1.99 \times 10^{-5}\text{ W/m}^2$ ขณะที่จุด B ($r = 5.0\text{ m}$) ระดับเสียงลดลงเหลือ $65.0\text{ dB}$ ความเข้มเสียงลดเหลือ $3.18 \times 10^{-6}\text{ W/m}^2$ ซึ่งลดลงถึง $8.0\text{ dB}$

🧠 4.3 เหตุผลทางวิทยาศาสตร์ (Reasoning):

อธิบายด้วยหลักฟิสิกส์ ($I = P/4\pi r^2$, สเกลลอการิทึม และเกณฑ์ความปลอดภัยของเสียง):

แนวคำตอบ Reasoning: เมื่อคลื่นเสียงแผ่ออกจากลำโพง พลังงานเสียงจะกระจายตัวบนพื้นที่ผิวทรงกลม $A = 4\pi r^2$ ตามกฎกำลังสองผกผัน จุด B อยู่ห่างออกไป 5 เมตร ทำให้พื้นที่รับเสียงกว้างขึ้นกว่าเดิม ความเข้มเสียงจึงเจือจางลง ทำให้ระดับเสียงลดลงต่ำกว่า $70\text{ dB}$ ซึ่งเป็นเกณฑ์มาตรฐานความปลอดภัยขององค์การอนามัยโลก (WHO)

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 เพราะระดับเสียงเป็นสเกล Logarithm $\Delta\beta = 10\log_{10}(1/4) \approx -6.02\text{ dB}$ ไม่ใช่ 4 dB

💬 การสะท้อนคิดของตนเอง (1 สิ่งที่เข้าใจแจ่มแจ้งในวันนี้):

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

ชุดนวัตกรรมการเรียนรู้ฟิสิกส์ 5E เรื่อง คลื่นเสียงและความเข้มเสียง • พัฒนาโดย ครูณัฐสิทธิ์ เวชกามา • โรงเรียนฝางวิทยายน