คราวนี้ เรามาพูดถึงบทความที่ 2 จากบทความทั้งหมด 5 เรื่องเกี่ยวกับข้อจำกัดของการสอนเรื่องพลังงาน ซึ่งนำไปสู่ความสับสนของนักเรียน รวมทั้งแนวทางการแก้ไขหรือหลีกเลี่ยงข้อจำกัดเหล่านั้น
บทความที่ถูกพูดถึงในโพสนี้มีชื่อว่า “Energy and the Confused Student II: Systems” หลายท่านเห็นชื่อแล้วก็คงเดาได้ว่า บทความนี้เกี่ยวกับการกำหนด “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานในสถานการณ์ต่างๆ
ผู้เขียนบทความนี้ตั้งข้อสังเกตว่า การสอนเรื่องงานและพลังงานโดยทั่วไปมักไม่มีการระบุถึง “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานอย่างชัดเจน ทำให้นักเรียนหลายคนต้องคิดเอาเองว่า “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานคืออะไร และนักเรียนบางคนอาจเกิดความสับสนว่า งานหรือพลังงานที่เกิดขึ้นอยู่ภายในระบบเดียวกัน หรือเป็นการถ่ายโอนงานหรือพลังงานระหว่าง 2 ระบบ (หรือมากกว่านั้น) การกำหนด “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานที่ไม่เหมาะสมสามารถนำไปสู่ความไม่ลงรอยกันของแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง
เราลองพิจารณาโจทย์สถานการณ์นี้ครับ (หน้า 85)
True or False? An object is dragged across a tabletop at constant velocity by an applied force that is parallel to the surface. Because the object is in equilibrium, the friction force is equal in magnitude to the applied force. Therefore, the work done on the object by the friction force is equal in magnitude to that done by the applied force. The net work done on the object by all forces is zero.
จริงหรือไม่? วัตถุหนึ่งถูกลากไปบนพื้นโต๊ะด้วยความเร็วคงตัวโดยแรงหนึ่งที่กระทำวัตถุในทิศซึ่งขนานกับพื้นผิวของโต๊ะ เนื่องจากวัตถุอยู่ในสภาพสมดุล แรงเสียดทานจึงมีขนาดเท่ากับแรงที่กระทำวัตถุ ดังนั้น งานที่เกิดขึ้นกับแรงทั้งสอง (นั่นคือ แรงที่กระทำวัตถุ และ แรงเสียดทาน) จึงมีค่าเท่ากัน งานลัพธ์ที่เกิดขึ้นกับวัตถุโดยแรงทั้งสองจึงมีค่าเป็นศูนย์
เพื่อความชัดเจนและความสะดวกในการนำเสนอ ผมวาดภาพโจทย์สถานการณ์นี้ได้ดังนี้ครับ
เนื่องจากโจทย์สถานการณ์นี้ไม่มีการระบุ “ระบบ” อย่างชัดเจน ดังนั้น นักเรียนก็ต้องกำหนด “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานขึ้นเอง
สมมติว่า นักเรียนคนหนึ่งกำหนดให้วัตถุเป็น “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงาน นักเรียนคนนี้ก็จะเห็นว่า มี 2 งานที่เกิดขึ้นกับระบบนี้ นั่นคือ 1. งานเนื่องจากแรงที่กระทำต่อวัตถุ (สีแดง) และ 2. งานเนื่องจากแรงเสียดทาน (สีม่วง) ด้วยโจทย์สถานการณ์ระบุว่า วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว ดังนั้น แรงทั้งสองมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงกันข้าม และด้วยการกระจัดของวัตถุนี้มีค่าเท่ากัน ดังนั้น งานทั้งสองจึงมีค่าเท่ากัน แต่งานหนึ่งเป็นบวก (ได้งาน) อีกงานหนึ่งเป็นลบ (เสียงาน) ดังนั้น งานลัพธ์จึงมีค่าเป็นศูนย์
การกำหนดให้วัตถุเป็น “ระบบ” ข้างต้นดูเหมือนไม่มีอะไรผิดปกติ แต่ผลที่ได้ขัดแย้งกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน เนื่องจากเราทราบดีว่า การลากวัตถุไปบนพื้นโต๊ะทำให้วัตถุมีความเร็ว (พลังงานจลน์) นอกจากนี้ การลากวัตถุยังทำให้เกิดความร้อนขึ้นระหว่างผิวสัมผัส (พื้นโต๊ะและวัตถุ) นั่นหมายความว่า พลังงานภายใน “ระบบ” (ซึ่งในที่นี้คือวัตถุ) มีค่าเพิ่มขึ้น ถ้างานที่เกิดขึ้นกับระบบมีค่าเป็นศูนย์จริง ทั้งพลังงานจลน์และพลังงานความร้อนภายในระบบก็ไม่ควรเพิ่มขึ้น (พลังงานของระบบต้องมีค่าคงตัว)
สมมติว่า นักเรียนอีกคนหนึ่งกำหนดให้วัตถุและโต๊ะเป็น “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงาน โดยมีแรงที่กระทำต่อวัตถุ (สีแดง) เป็นแรงภายนอกที่กระทำ “ระบบ” และส่วนแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุและพื้นโต๊ะนั้นเป็นแรงภายใน “ระบบ” ด้วยแรงที่กระทำ “ระบบ” มีแรงเดียว (สีแดง) ดังนั้น งานที่เกิดขึ้นกับระบบจึงมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ งานนี้เองที่ทำให้พลังงานภายใน “ระบบ” เพิ่มขึ้น ซึ่งปรากฎในรูปแบบของพลังงานจลน์และความร้อน ดังนั้น ผลที่ได้จึงสอดคล้องกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน (เมื่อมีพลังงานเข้าสู่ระบบ ระบบก็จะมีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น)
เมื่อถึงตรงนี้ อาจารย์คงเห็นแล้วว่า การกำหนด “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานอย่างชัดเจนเป็นเรื่องสำคัญ ดังนั้น ก่อนการแก้โจทย์สถานการณ์เกี่ยวกับงานและพลังงาน ผู้สอนต้องแน่ใจว่า นักเรียนกำหนด “ระบบ” ของการพิจารณางานและพลังงานได้อย่างถูกต้อง