การสร้างแบบจำลองการทดลองทางฟิสิกส์และเคมี

Yenka Science เป็นโปรแกรมที่พัฒนามาจากโปรแกรม Crocodile Physics & Chemistry มีจุดประสงค์ เพื่อจำลองการทดลองเสมือนจริง โดยมีอุปกรณ์ต่างๆที่จำเป็นในการสร้างการทดลองอย่างครบถ้วน ทั้งในวิชาเคมี ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ คอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีสารสนเทศ ทำให้ครูและนักเรียนสามารถทำการทดลองได้อย่างอิสระและกว้างไกล มองเห็นผลชัดเจน เกิดความคิดสร้างสรรค์เพื่อพัฒนาการเรียนรู้บทความนี้นำเสนอแบบจำลอง 2 แบบ คือ แบบจำลองอัตราเร็วของเสียง (speed of sound) และแบบจำลองการกลั่นลำดับส่วน (fractional distillation)

แบบจำลองอัตราเร็วของเสียง (Speed of sound)
อัตราเร็วของเสียง คือระยะทางที่เสียงเดินทางไปในตัวกลางใดๆได้ในหนึ่งหน่วยเวลา อัตราเร็วที่เสียงเดินทางได้นั้นอาจมีค่ามากขึ้นหรือน้อยลง ขึ้นอยู่กับชนิดและอุณหภูมิของตัวกลางเป็นหลัก
เนื่องจากการเดินทางของเสียงอาศัยการสั่นของโมเลกุลของตัวกลาง ดังนั้นเสียงจะเดินทางได้เร็วขึ้นหากตัวกลางมีความหนาแน่นมาก ดังนั้นเสียงจึงเดินทางในของแข็งได้เร็วกว่าในของเหลว แต่เดินทางไม่ได้ในอวกาศ เพราะอวกาศเป็นสูญญากาศ จึงไม่มีโมเลกุลของตัวกลางอยู่ ในแบบจำลองของ Yenka Science (Physics) ครูนักเรียนสามารถทดลองหาอัตราเร็วของเสียง และลักษณะของคลื่นเสียงในตัวกลางต่างๆได้ ดังนี้

ภาพที่ 1 เสียงไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศ (vacuum)

   ภาพที่ 2 กำหนดตัวกลางเป็นอากาศที่ 0 องศาเซลเซียส (Air 0 degC) อัตราความเร็วของเสียงเพิ่มขึ้นเป็น 331.4 เมตร/วินาที

ภาพที่ 3 เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้นเป็น 30 องศาเซลเซียส (Air 30 degC) อัตราความเร็วของเสียงจะเพิ่มขึ้นเป็น 349.7 เมตร/วินาที

ภาพที่ 4 กำหนดตัวกลางให้เป็นน้ำ (water) อัตราความเร็วของเสียงเพิ่มขึ้นเป็น 1,500 เมตร/วินาที (1.5 km/s)

ภาพที่ 5 กำหนดตัวกลางให้เป็นไม้ (wood) อัตราความเร็วของเสียงเพิ่มขึ้นเป็น 3,314 เมตร/วินาที (3.314 km/s)

แบบจำลองการกลั่นลำดับส่วน (fractional distillation)
เป็นการแยกสารผสมออกจากกันให้อยู่ ในรูปขององค์ประกอบย่อยแต่ละตัว เช่น การแยกสารประกอบทางเคมี โดยใช้ความแตกต่างของจุดเดือด ด้วยการให้ความร้อนกับสารประกอบนั้น ซึ่งสารประกอบแต่ละตัวจะถูกแยกออกมาที่อุณหภูมิแตกต่างกัน
เริ่มต้นด้วยการนำอุปกรณ์ต่างๆมาประกอบเป็นชุดกลั่น ซึ่งประกอบด้วย Round-bottomed flask, Beaker, Condenser, Electric heater

     

ภาพที่ 1 ชุดกลั่นลำดับส่วน

ภาพที่ 2 นำน้ำ (water) 50 มิลิลิตร (cm³) มาใส่ลงใน Round-bottomed flask

ภาพที่ 3 นำเอทานอล (ethanol) 50 มิลิลิตร (cm³) มาใส่ลงใน Round-bottomed flask จะได้สารประกอบทางเคมี 100 มิลิลิตร

ภาพที่ 4 เริ่มต้นกลั่นลำดับส่วน โดยปรับอุณหภูมิไปที่ 90 องศาเซลเซียส (เอทานอลมีจุดเดือดที่ 78 องศาเซลเซียส ส่วนน้ำมีจุดเดือดที่ 100 องศาเซลเซียส) ทำให้ปริมาณของเอทานอลใน Round-bottomed flask เริ่มลดลง (เอทานอลบางส่วนเริ่มระเหยและถูกควบแน่นไปเก็บไว้ใน beaker) และเมื่อเวลาผ่านไป ปริมาณของเอทานอลใน beaker เพิ่มขึ้นเป็น 17.989 มิลิลิตร โดยมีน้ำผสมอยู่ 1.555 มิลิลิตร

ภาพที่ 5 เมื่อแยกเอทานอลออกจากน้ำหมดแล้ว ลดอุณหภูมิลงเป็น 25 องศาเซลเซียส จะเห็นว่าปริมาณของเอทานอลใน beaker เท่ากับ 39.065 มิลิลิตร มีน้ำผสมอยู่ 5.21 มิลิลิตร ซึ่งสามารถแยกออกได้โดยการทำการกลั่นลำดับส่วนอีกครั้งหนึ่ง

ภาพที่ 6 ชุดกลั่นลำดับส่วนที่ใช้ในห้องปฏิบัติการเคมีทั่วไป

…….การเรียนวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยการการทดลอง การสังเกตและจดจำ วิเคราะห์หาเหตุผล ซึ่งการทดลองทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะทางเคมีฟิสิกส์ในโรงเรียนระดับมัธยมส่วนใหญ่นั้น ทำได้ยากเพราะขาดแคลนอุปกรณ์ เครื่องมือต่างๆ การจัดหาอุปกรณ์การทดลองต้องใช้เงินงบประมาณที่สูง การนำเทคโนโลยีสารสนเทศมาช่วยสร้างโปรแกรมและออกแบบจำลองการทดลองต่างๆ จึงมีความจำเป็นมากในยุคปัจจุบัน โปรแกรม Yenka Science เป็นทางเลือกหนึ่งสำหรับใช้เป็นเครื่องมือช่วยสอนปฏิบัติการเคมีและฟิสิกส์ สำหรับนักเรียนในระดับมัธยมศึกษา เพื่อให้ได้ผลสัมฤทธิ์ทางการเรียนสูงสุด

เอกสารอ้างอิง
» คู่มือการใช้โปรแกรม Yenka Science(Physics) บริษัท เอเชี่ยน ไอ.ที. จำกัด
» คู่มือการใช้โปรแกรม Yenka Science(Chemistry) บริษัท เอเชี่ยน ไอ.ที. จำกัด
» http://www.yenka.com/science/