สนามของแรง

สนามของแรง คือ
นักวิทยาศาสตร์กำหนดว่า บริเวณใดที่มีแรงกระทำต่อวัตถุ บริเวณนั้นมี สนาม (field) ตาเราไม่สามารถมองเห็นสนามได้ แต่ก็สามารถรู้ได้ว่าบริเวณใดมีสนาม จากการดูผลของแรงที่กระทำ
แบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่1. สนามแม่เหล็ก2. สนามไฟฟ้า3. สนามโน้มถ่วง

สนามแม่เหล็ก นั้นอาจเกิดขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือในทางกลศาสตร์ควอนตัมนั้น การสปิน(การหมุนรอบตัวเอง) ของอนุภาคต่างๆ ก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเช่นกัน ซึ่งสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการ สปิน เป็นที่มาของสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรต่างๆ
สนามแม่เหล็กคือปริมาณที่บ่งบอกแรงกระทำบนประจุที่กำลังเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็กเป็นสนามเวกเตอร์และทิศของสนามแม่เหล็ก ณ ตำแน่งใดๆ คือทิศที่เข็มของเข็มทิศวางตัวอย่างสมดุล
ในระบบหน่วย SI และ นั้นมีหน่วยเป็นเทสลา (T) และ แอมแปร์/เมตร (A/m) หรือในระบบหน่วย cgs หน่วยของทั้งสองคือ เกาส์ (G) และ oersted (Oe)

สนามไฟฟ้า (electric field) คือปริมาณซึ่งใช้บรรยายการที่ประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงกระทำกับอนุภาคมีประจุภายในบริเวณโดยรอบ หน่วยของสนามไฟฟ้าคือ นิวตันต่อคูลอมบ์ หรือโวลต์ต่อเมตร (มีค่าเท่ากัน) สนามไฟฟ้านั้นประกอบขึ้นจากโฟตอนและมีพลังงานไฟฟ้าเก็บอยู่ ซึ่งขนาดของความหนาแน่นของพลังงานขึ้นกับกำลังสองของความหนานแน่นของสนาม ในกรณีของไฟฟ้าสถิต สนามไฟฟ้าประกอบขึ้นจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนระหว่างอนุภาคมีประจุ ส่วนในกรณีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้น สนามไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับสนามแม่เหล็ก โดยมีการไหลของพลังงานจริง และประกอบขึ้นจากโฟตอนจริง
เมื่อ
ε0 (อ่านว่า เอปสิลอน-นอท) คือ สภาพยอมของสุญญากาศ ซึ่งเป็นค่าคงตัวทางฟิสิกส์ตัวหนึ่ง
q1 และ q2 คือ ประจุไฟฟ้าของอนุภาคแต่ละตัว
r คือ ระยะทางระหว่างอนุภาคทั้งสอง
คือ เวกเตอร์หนึ่งหน่วย ซึ่งชี้จากอนุภาคตัวหนึ่งไปอีกตัว
ในระบบหน่วยเอสไอ หน่วยของแรงคือ นิวตัน, หน่วยของประจุคือคูลอมบ์, หน่วยของระยะทางคือเมตร ดังนั้นε0 มีหน่วยเป็น C2/ (N·m2). ค่านี้ได้หาได้จากการทดลองโดยไม่มีทฤษฎีกำหนด

สนามโน้มถ่วง
เมื่อปล่อยวัตถุ วัตถุจะตกสู่พื้นโลกเนื่องจากโลกมีสนามโน้มถ่วง (gravitational field) อยู่รอบโลก สนามโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงดึงดูด
กระทำต่อมวลของวัตถุทั้งหลาย แรงดึงดูดนี้เรียกว่า แรงโน้มถ่วง (gravitational force) สนามโน้มถ่วงเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ g
และสนามมีทิศพุ่ง สู่ศูนย์กลางของโลก สนามโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งต่างๆบนผิวโลก มีค่าประมาณ 9.8 นิวตันต่อกิโลกรัม
การเคลื่อนที่ของวัตถุในสนามโน้มถ่วง
วัตถุที่อยู่ในสนามโน้มถ่วงของโลกจะถูกโลกดึงดูด ดังนั้น เมื่อปล่อยวัตถุให้ตกบริเวณใกล้ผิวโลก แรงดึงดูดของโลกจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น นั่นคือวัตถุมีความเร่ง
การตกของวัตถุที่มีมวลต่างกันในสนามโน้มถ่วงวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว เรียกว่า ความเร่งโน้มถ่วง
(gravitationalacceleration) มีทิศทางเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลกมีค่าต่างกันตามตำแหน่งทาง ภูมิศาสตร์
ในการตกของวัตถุวัตถุจะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งโน้มถ่วง 9.8เมตรต่อวินาทียกกำลังสองซึ่งหมายความว่าความเร็วของวัตถุจะเพิ่มขึ้นวินาทีละ9.8 เมตรต่อวินาที ถ้าโยนวัตถุขึ้นในแนวดิ่ง วัตถุในสนามโน้มถ่วงจะเคลื่อนที่ ขึ้นด้วยความเร่งโน้มถ่วง g โดยมีทิศเข้าสู่ศูนย์กลางโลกทำให้วัตถุซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นมีความเร็วลดลงวินาทีละ9.8เมตรต่อวินาทีจนกระทั่งความเร็วสุดท้ายเป็นศูนย์จากนั้นแรงดึงวัตถุให้ตกกลับสู่โลกด้วยความเร่งเท่าเดิมการเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของวัตถุที่บริเวณใกล้ผิวโลกถ้าคำนึงถึงแรงโน้มถ่วงเพียงแรงเดียว โดยไม่คิดถึงแรงอื่นเช่น แรงต้านอากาศ หรือแรงลอยตัวของวัตถุในอากาศแล้ววัตถุจะเคลื่อนที่ด้วย ความเร่งโน้มถ่วง ที่มีค่าคงตัวเท่ากับ 9.8 เมตรต่อวินาที่ยกกำลังสองในทิศลงเรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า การตกแบบเสรี(free fall) แรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุก็คือ น้ำหนัก (weight)ของวัตถุบนโลก หาได้จากสมการ W=mgเมื่อ m เป็นมวลของวัตถุที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัม(kg) g เป็นความเร่งโน้มถ่วง ณ ตำแหน่งที่วัตถุวางอยู่ มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทียกกำลังสองและW เป็นน้ำหนักของวัตถุุที่มีหน่วยเป็นนิวตัน (N)


แบบทดสอบ

1.ลูกบอลที่กำลังกลิ้งไปบนพื้น มันสามารถหยุดได้เอง เพราะแรงเสียดทานของพื้น ถ้าขาดแรงนี้ลูกบอลจะเป็นอย่างไร
*ลูกบอลเคลื่อนที่ไม่รู้จักหยุด

2.ในขณะที่เรานั่งอยู่บนเก้าอี้ มีแรงอะไรกระทำต่อตัวเราบ้าง1. แรงโน้มถ่วงของโลกดึงตัวเราลง2. แรงเสียดทานของพื้นเก้าอี้3. แรงที่เก้าอี้ดันตัวเราคำตอบที่ถูกคือ
*ข้อ 1 และ 3

3.จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้
1. วัตถุไม่หลุดไปจากโลก เพราะแรงโน้มถ่วงของโลก
2. วัตถุมีน้ำหนัก เพราะแรงโน้มถ่วงของโลก
3. วัตถุที่ตกอิสระ มีความเร่งเท่ากัน เพราะแรงโน้มถ่วงของโลกคำตอบที่ถูกคือ
* ข้อ 1 2 และ 3

4.จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้
1. เส้นแรงแม่เหล็ก ใช้บอกทิศของสนามแม่เหล็ก
2. ภายนอกแท่งแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กมีทิศออกจากขั้วเหนือเข้าสู่ขั้วใต้
3. ภายในแท่งแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กมีทิศออกจากขั้วใต้เข้าสู่ขั้วเหนือคำตอบที่ถูกคือ
*ข้อ 1 2 และ 3

.ชายคนหนึ่งยืนอยู่บนตาชั่งซึ่งวางอยู่บนพื้นลิฟท์ขณะลิฟท์กำลังเคลื่อนที่ลงเข็มของตาชั่งชี้ตรงเลข 50 กิโลกรัม อยากทราบว่าถ้าเชือกดึงลิฟท์ขาด เข็มของตาชั่งจะชี้ตรงเลขใด
* เลขศูนย์

6.ตัวนำ A และ B มีประจุต่างชนิดกัน แต่ B มีประจุเป็นสองเท่าของ A เมื่อนำมาวางใกล้กันแรงที่กระทำต่อกันเป็นไปตามข้อใด
*แรงที่ A ดึงดูด B เท่ากับ แรงที่ B ดึงดูด A

7.จงพิจารณาข้อความต่อไปนี้ 1. สนามไฟฟ้ามีทิศเดียวกับทิศของแรงที่กระทำต่อประจุบวก 2. เส้นแรงไฟฟ้ามีทิศตั้งฉากกับผิวของวัตถุที่มีประจุ 3. เส้นแรงไฟฟ้ามีทิศออกจากประจุลบพุ่งเข้าหาประจุบวก
คำตอบที่ถูกคือ *ข้อ 1 และ 2

8.นักเรียนจะทราบได้อย่างไรว่าบริเวณใดมีสนามไฟฟ้าหรือไม่
*นำประจุไปวางบริเวณนั้น

9.เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เข้าสู่สนามแม่เหล็ก โดยทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก ผลที่เกิดขึ้นกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคนี้จะเป็นอย่างไร
* ทิศการเคลื่อนที่ไม่เปลี่ยนแปลง

10.อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เคลื่อนที่เข้าสู่สนามแม่เหล็กในแนวตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็กแนวการเคลื่อนที่จะมีลักษณะอย่างไร
*อยู่นิ่ง