เรามาถึงบทความที่ 3 แล้วนะครับ จากบทความทั้งหมด 5 เรื่องเกี่ยวกับข้อจำกัดของการสอนเรื่องพลังงาน ซึ่งนำไปสู่ความสับสนของนักเรียน รวมทั้งแนวทางการแก้ไขหรือหลีกเลี่ยงข้อจำกัดเหล่านั้น
บทความที่ 3 นี้มีชื่อว่า “Energy and the Confused Student III: Language” ซึ่งกล่าวถึง “ภาษา” ที่ทำให้นักเรียนสับสนในการเรียนรู้เรื่องงานและพลังงาน
ประการแรกเลยก็คือการกล่าวถึง “งาน” แบบลอยๆ ตัวอย่างเช่น “การผลักวัตถุให้เคลื่อนที่ทำให้เกิดงาน” และ “การหิ้วกระเป๋าแล้วเดินไปในแนวราบทำให้เกิดงานหรือไม่” การกล่าวถึง “งาน” ในลักษณะแบบนี้ไม่สมบูรณ์ เพราะประโยคเหล่านี้ไม่ได้ระบุว่า “งานที่เกิดขึ้นนั้นเกิดขึ้นกับอะไร และเกิดขึ้นโดยแรงอะไร” หากเราพิจารณาสูตรของงานที่ว่า W = F · Δr = FΔr cosθ เราต้องตระหนักว่า งานเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่จำเพาะกับแรงที่กระทำวัตถุ และจำเพาะกับวัตถุที่แรงนั้นกระทำ การกล่าวถึง “งาน” แบบลอยๆ โดยไม่ระบุถึงแรงที่ทำให้เกิดงาน และวัตถุที่ซึ่งงานนั้นเกิดขึ้น จึงเป็นเรื่องที่ทำนักเรียนสับสนได้ โดยเฉพาะในกรณีที่มีแรงหลายแรงกระทำวัตถุ และในกรณีที่มีวัตถุหลายก้อนในสถานการณ์
ดังนั้น เพื่อให้นักเรียนและผู้สอนเข้าใจตรงกัน ผู้สอนจึงต้องระบุถึง “งาน” ให้สมบูรณ์ทุกครั้งว่า งานที่ผู้สอนหมายถึงนั้นคืองานที่เกิดขึ้นกับวัตถุใด และโดยแรงอะไร
อันที่จริงแล้ว ตัวผมเองมองว่า ข้อเสนอนี้สามารถรวมไปถึงการสอนเรื่องแรงได้ด้วยซ้ำ กล่าวคือ ในการสอนเรื่องแรง ผู้สอนต้องระบุให้สมบูรณ์ว่า แรงที่เกิดขึ้นเป็นแรงระหว่างอะไรกับอะไร และแรงนั้นกระทำกับวัตถุใด การกล่างถึง “แรง” แบบลอยๆ ก็อาจทำให้นักเรียนสับสนได้เหมือนกัน
นั่นเป็นประการแรกของ “ภาษา” ที่สร้างความสับสนให้นักเรียน
ประการที่สองสืบเนื่องมาจากบทความที่ 2 ของผู้เขียนบทความนี้ ซึ่งกล่าวถึง “ระบบ” และผมได้นำมาเล่าไปก่อนหน้านี้แล้ว [อ่านเพิ่มเติม] กล่าวคือ ในการพิจาณางานและพลังงาน ผู้สอนและนักเรียนต้องมีความเข้าใจร่วมกันว่า ในสถานการณ์นั้น ระบบคืออะไร มีขอบเขตแค่ไหน และประกอบไปด้วยอะไรบ้าง เราลองพิจารณาสถานการณ์นี้ครับ (หน้า 152)
True or False? A 10-kg object is raised to a position 1.0 m above a tabletop. Relative to the tabletop, the object has a gravitational potential energy of 98 J.
จริงหรือไม่? วัตถุหนึ่งมีมวล 10 กิโลกรัม ถูกยกขึ้นไปยังตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งสูงจากพื้นโต๊ะ 1.0 เมตร เมื่อเทียบกับพื้นโต๊ะ วัตถุนี้มีพลังงานศักย์โน้มถ่วงเท่ากับ 98 จูล
ประโยคข้างต้นดูเหมือนจะจริง แต่เมื่อพิจารณาการระบุถึงพลังงานศักย์โน้มถ่วงแล้ว ประโยคนี้ยังไม่สมบูรณ์ ทั้งนี้เพราะการระบุถึงพลังงานศักย์โน้มถ่วงใดๆ ต้องมีการระบุถึงระบบของมัน ในสถานการณ์ข้างต้น ระบบก็คือวัตถุและโลก ผู้เขียนบทความนี้ย้ำว่า (หน้า 150)
… potential energy is a property of a system, not an object. It is associated with a force that acts between members of the system so it cannot be associated with one member only–a single object cannot possess potential energy. Therefore, the better phrase for gravitational potential energy is the “potential energy of the [object]-Earth system.”
… พลังงานศักย์เป็นสมบัติของระบบ ไม่ใช่สมบัติของวัตถุ มันสัมพันธ์กับแรงที่กระทำระหว่างสมาชิกของระบบ ดังนั้น มันไม่สามารถเกี่ยวข้องกับสมาชิกเดียวของระบบได้–วัตถุเดียวไม่มีสามารถมีพลังงานศักย์ได้ ดังนั้น การพูดถึงพลังงานศักย์ที่ดีกว่าคือ “พลังงานศักย์ของระบบ ซึ่งประกอบด้วยวัตถุและโลก”
ผมพยายามจะสรุปให้เข้าใจง่ายขึ้นนะครับ
เนื่องจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงมีค่าเท่ากับ mgh โดย m เป็นมวลของวัตถุ (นั่นคือ สมบัติของวัตถุ) ส่วน g เป็นสนามโน้มถ่วงของโลก (นั่นคือ สมบัติของโลก) ในขณะที่ h เป็นสมบัติร่วมระหว่างวัตถุและโลก (นั่นคือ ตำแหน่งของวัตถุเทียบกับโลก) ดังนั้น พลังงานศักย์โน้มถ่วงจึงสัมพันธ์กับทั้งวัตถุและโลก ไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง การมีเพียงวัตถุ แต่ไม่มีโลก ก็ไม่เกิดพลังงานศักย์โน้มถ่วง (เพราะ g เป็นศูนย์) และการมีโลกเพียงอย่างเดียว แต่ไม่มีวัตถุ ก็ไม่ทำให้เกิดพลังงานศักย์โน้มถ่วง (เพราะ m เป็นศูนย์ และไม่มีค่าของ h) นั่นหมายความว่า พลังงานศักย์โน้มถ้วงเป็นสมบัติของระบบ ไม่ใช่ของวัตถุ พลังงานศักย์โน้มถ่วงสัมพันธ์กับการจัดวางตัว (configuration) ของวัตถุต่างๆ ภายในระบบ
ดังนั้น ในสถานการณ์ข้างต้น ผู้สอนสามารถใช้ “ภาษา” ที่สมบูรณ์ขึ้น โดยการกล่าวถึง “ระบบ” ของพลังงานศักย์โน้มถ่วงนั้น ซึ่งก็คือวัตถุและโลกนั่นเอง
ประการที่สามเป็นเรื่องเกี่ยวกับ “ภาษา” ในชีวิตประจำวัน ซึ่งอาจทำให้นักเรียนเข้าใจคลาดเคลื่อน เช่น คำพูดที่ว่า “พลังงานหมด” “การบริโภคพลังงาน” และ “สิ้นเปลืองพลังงาน” คำเหล่านี้อาจทำให้นักเรียนสับสน เพราะความหมายแบบตื้นๆ ของคำเหล่านี้ขัดแย้งกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน
การใช้ “ภาษา” ในการเรียนการสอนเป็นสิ่งสำคัญจริงๆ ครับ