ตอน A. บทนำ

มนุษย์อาศัยกระบวนการที่เกิดขึ้นต่อเนื่องแบบเป็นคาบในการสร้างเครื่องมือจับเวลา ก่อนที่เราจะมีนาฬิกาอะตอมในยุคปัจจุบัน มนุษย์ได้อาศัยวิธีต่าง ๆ ในการจับเวลา อาทิ นาฬิกาแดด นาฬิกาลูกตุ้ม และนาฬิกาน้ำ

นาฬิกาน้ำอาศัยการควบคุมการไหลของน้ำในการจับเวลา ในการทดลองนี้ นักเรียนจะได้ศึกษาหลักการทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมการไหลของน้ำ และนำไปประยุกต์ใช้ในการสร้างนาฬิกาน้ำ

ตอน B. อุปกรณ์การทดลอง

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดองมีดังนี้:

1. ถัง A (ถังล่างพร้อมวาล์วและจุกปิดรูสองอัน)

2. ถัง B (ถังบนใช้สำหรับเป็นระบบจ่ายน้ำและจุกปิดรูหนึ่งอัน)

3. ฐานรอง

4. ภาชนะรองรับน้ำ

5. น้ำสองขวด ขวดละ 2 ลิตร (ไม่แสดงในรูปภาพ)

6. ปั๊มกาลักน้ำ

7. นาฬิกาจับเวลา

8. บีกเกอร์

9. ไม้บรรทัด

10. ระดับน้ำ (อุปกรณ์เช็คระดับผิวหน้าให้ตรง/เครื่องวัดระดับน้ำ)

11. ฐานรองที่สามารถปรับระดับได้

12. ผ้าสำหรับเช็ดน้ำ (ไม่แสดงในรูปภาพ)

*ผ้าผืนนี้เป็นของที่ระลึก นักเรียนสามารถหยิบกลับไปได้หลังจากสอบเสร็จ

None

การปรับระดับขาตั้งของฐานรอง

ที่ใต้ฐานรองจะมีชุดขาตั้งซึ่งประกอบด้วยแป้นเกลียวหมุนอยู่ 4 ตัว ที่ปรับระดับได้ นักเรียนสามารถปรับความสูงของแป้นแต่ละตัวได้ โดยการหมุนแป้น

None

การใช้ปั๊มกาลักน้ำ

หากมีน้ำขังอยู่ในภาชนะรองรับน้ำปริมาณมาก นักเรียนสามารถใช้ปั๊มกาลักน้ำสูบน้ำช่วยระบายน้ำออกได้ โดยให้จุ่มท่อส่วนที่เป็นท่อตรงแข็งลงในน้ำขัง และหย่อนสายยางพลาสติกอ่อนอีกด้านลงในขวดน้ำ จากนั้นให้ออกแรงบีบที่มือจับสีแดงเพื่อปั๊มน้ำให้ไหลถ่ายเทลงไปในถังเก็บน้ำ

หมายเหตุ:

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าฐานรองและถังอยู่ในแนวระดับก่อนเริ่มทำการวัดใด ๆ เพื่อที่จะสามารถวัดความสูงได้อย่างถูกต้อง

เทน้ำออกจากภาชนะรองรับน้ำอย่างสม่ำเสมอ เพื่อป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ลอยขึ้น

เช็ดมือให้แห้งก่อนเขียนลงบนกระดาษคำตอบหรือก่อนไปทำการทดลองอื่น ๆ

แจ้งผู้ควบคุมการทดลองทันที หากเกิดการรั่วซึม อุปกรณ์ทำงานผิดปกติ หรือจุกปิดรูสูญหาย

ตอน C. การทดลอง

การไหลออกของน้ำผ่านวาล์ว

1. วางฐานรองรับแบบปรับระดับได้ลงในภาชนะรองรับน้ำ

2. ปรับฐานรองรับให้ได้ระดับ (horizontally) โดยหมุนขาปรับระดับแบบสกรู

3. วางแท่นรองถังบนฐานรองรับแบบปรับระดับได้

4. วางถัง A บนแท่นรองถัง

ถัง A มีช่องทางน้ำออก 3 ช่อง ได้แก่

รูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 mm จำนวน 1 รู

รูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 mm จำนวน 1 รู

วาล์วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 mm จำนวน 1 วาล์ว

สำหรับการทดลองในตอน A ให้น้ำไหลผ่านวาล์วเท่านั้น

A1  ^0.50 วัดขนาดภายในของ ถัง A โดยวัดความกว้าง ความยาว และระยะห่างระหว่างขีดบอกระดับความสูงบนถัง กำหนดให้ขีดบอกระดับเริ่มนับจากตำแหน่งกึ่งกลางของวาล์วและรูต่าง ๆ

A2  ^1.00 เติมน้ำลงใน ถัง A ให้มีระดับน้ำสูง 5.0 cm เปิดวาล์วให้สุด แล้วจับเวลาที่ระดับน้ำลดลงจาก 5.0 cm เหลือ 4.0 cm พร้อมระบุความคลาดเคลื่อนของเวลาด้วย ให้ใช้ขีดบอกระดับที่ถังบอกความสูง

A3  ^1.50 ทำการวัดซ้ำตามข้อ A.2 โดยใช้ระดับน้ำที่ความสูงเริ่มต้นแตกต่างกันอย่างน้อย 4 ระดับ และระดับน้ำต้องสูงกว่า 3 cm ขึ้นไป เนื่องจากที่ระดับความสูงเริ่มต้นต่ำ ๆ เช่น 1 ถึง 3 cm จะใช้เวลาในการทดลองนานเกินไป

สำหรับการวัดแต่ละครั้ง ให้บันทึกข้อมูลการทดลองและเวลาเฉลี่ยที่ใช้ในการทำให้ระดับน้ำจากแต่ละความสูงลดลง 1.0 cm

A4  ^1.00 จงหาอัตราเร็วเฉลี่ย $v_v$ ที่น้ำไหลออกจนระดับน้ำลดลง 1 cm จากความสูงเริ่มต้นในแต่ละครั้ง

หมายเหตุ: คุณสามารถใช้เครื่องคิดเลขที่จัดเตรียมไว้

A5  ^1.00 กำหนดให้อัตราเร็วเฉลี่ยมีสมการเป็น

$$v_v = C_1 h^x$$
จงวาดกราฟที่เหมาะสมเพื่อหาเลขชี้กำลัง $x$

ระบุเลขชี้กำลัง $x$ ที่นักเรียนได้จากกราฟ

โปรดทราบว่าควรใช้ค่ากลางระหว่างความสูงเริ่มต้นและความสูงสุดท้ายเพื่อหาค่าเลขชี้กำลัง $x$

การไหลออกของน้ำผ่านรู

ในขั้นตอนนี้ ให้ใช้รูที่มีขนาดเล็กกว่าบนถัง A ซึ่งเป็น รูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 mm และปิดวาล์ว

B1  ^1.50 สำหรับความสูงเริ่มต้นของน้ำ $h$ อย่างน้อย 5 ระดับที่แตกต่างกัน ให้ทำการวัดเวลาที่ระดับน้ำลดลงไป 1.0 cm

B2  ^0.50 จงคำนวณหาอัตราเร็วเฉลี่ย $v_h$ ของน้ำที่ไหลออกจากรู สำหรับแต่ละค่าระดับความสูงเริ่มต้นของน้ำ

ให้ใช้วิธีการเดียวกันกับในข้อ A.4

B3  ^1.00 เปรียบเทียบอัตราเร็วเฉลี่ยของการไหลผ่านวาล์ว $v_v$ เทียบกับกรณีที่ผ่านรู $v_h$

สมมติว่า $v_v = C_2 v_h$

จงหาค่าของ $C_2$

ประดิษฐ์นาฬิกาน้ำ

การประดิษฐ์นาฬิกาน้ำโดยใช้ ถัง A และ B

จัดวางตำแหน่งถังน้ำโดย:

วางถัง A (ซึ่งมีวาล์ว) อยู่ด้านล่าง

วางถัง B (ซึ่งมีรูเจาะขนาด 5 mm) อยู่ด้านบน

ถัง B ทำหน้าที่จ่ายน้ำลงสู่ถัง A

โดย ถัง A จะระบายน้ำออกผ่านทางวาล์วซึ่งเปิดจนสุด

เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างดี (Stable) น้ำที่จ่ายมาจากถัง B จะต้องควบคุมให้ถัง A มีน้ำเต็มหรือไหลล้นอยู่ตลอดเวลา

C1  ^1.00 กำหนดให้ $h_c$ คือความสูงของน้ำที่น้อยที่สุด (วัดจากจุดศูนย์กลางของรูระบายในถัง B) ที่ยังสามารถทำให้ถัง A มีน้ำเต็มหรือไหลล้นอยู่ตลอดเวลา

จงออกแบบการทดลองด้วยตนเองและลงมือทดลอง จากนั้นให้บันทึกข้อมูลผลการทดลอง และประมาณค่า $h_c$ จากผลการทดลองที่ได้

C2  ^1.00 ในการทำงานของนาฬิกาน้ำ จะต้องมีการเติมน้ำในถัง B เป็นระยะ ๆ

จงออกแบบการทดลองด้วยตนเอง โดยให้วาดภาพรูปจำลองการจัดอุปกรณ์การทดลอง พร้อมทั้งเขียนอธิบายว่านักเรียนได้ทำการวัดค่าตัวแปรอะไรบ้าง

จงหาช่วงเวลาที่นานที่สุดในการเติมน้ำแต่ละครั้งจากการทดลอง เพื่อให้นาฬิกาน้ำสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องไม่หยุดชะงัก