สรุปเนื้อหา ! งานและพลังงานในฟิสิกส์ ม.4 พร้อมสูตรคำนวณ

28 สิงหาคม 2567 10:23:26

งานและพลังงาน เป็นหัวข้อพื้นฐานที่สำคัญมากสำหรับการเรียนวิชาฟิสิกส์ของน้อง ๆ ม.4 ซึ่งนอกจากจะเป็นพื้นฐานสำคัญที่ช่วยให้เข้าใจการเคลื่อนไหวของวัตถุและการทำงานของเครื่องจักรกลแล้ว ยังสามารถนำไปใช้ทำข้อสอบเพื่อให้ได้คะแนนดี ๆ ในการสอบกลางภาค ที่สำคัญยังเป็นหนึ่งในเนื้อหาที่มักออกสอบ และอยู่ในคอร์สฟิสิกส์ ม.4 ที่ใช้ในการสอบเข้าในระดับมหาวิทยาลัยด้วย

บทความนี้เลยจะขอมาสรุปเนื้อหาพื้นฐานเรื่องงานและพลังงานที่น้อง ๆ ม.4 ทุกคนควรรู้ ไปดูกันว่าพลังงานจลน์และพลังงานศักย์คืออะไร และมีสูตรคำนวณใดบ้างที่ต้องทำความเข้าใจ

นักเรียนม.4 กำลังทำโจทย์งานและพลังงาน

Table of Content:

งาน (Work) คืออะไร ? พร้อมสูตรคำนวณ

งาน หมายถึง การที่แรงมากระทำกับวัตถุ ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับแรงที่กระทำ หากไม่เกิดการเคลื่อนที่จะไม่เกิดงาน

สูตรคำนวณงาน : W = FS, W = FScosθ หรือ W = -FS โดยที่

W = งานที่เกิดขึ้น มีหน่วยเป็น จูล (J) หรือ นิวตัน-เมตร (N.m)
F = แรงที่มากระทำต่อวัตถุนั้น มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)
S = การกระจัดหรือระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
θ = มุมระหว่างแรงกับการกระจัด

การคำนวณหางาน มี 3 กรณี

1. กรณีที่แรงมีทิศเดียวกับการเคลื่อนที่

ตรงตามนิยามของงาน ใช้สูตร W = FS

2. กรณีที่ทิศของแรงกระทำและการเคลื่อนที่ของวัตถุไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกัน

เนื่องจากแรง F ไม่มีทิศตามการเคลื่อนที่ จึงต้องใช้การแตกแรงช่วย
แรงที่มีทิศเดียวกับการเคลื่อนที่คือ Fcosθ
จึงได้สูตร W = FScosθ

3. กรณีที่แรงมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ

เนื่องจากแรงมีทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ จะใช้สูตร W = FS ไม่ได้
จากกรณีที่ 2 มีสูตร W = FScosθ และทิศตรงข้ามกันทำมุม 180°
นำไปใส่สูตร W = FScos180° จะได้ W = -FS

กำลัง (Power) คืออะไร ? พร้อมสูตรคำนวณ

กำลัง (Power) คือ อัตราของงานที่ทำได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยกำลังเป็นตัวชี้วัดความสามารถในการทำงานของทั้งเครื่องยนต์ มนุษย์ สัตว์ หรือสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ

สูตรคำนวณกำลัง : P = W/t โดยที่

P = กำลัง มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)
W = งานที่ทำได้ มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร หรือ จูล (J)
t = ระยะเวลาของการทำงาน มีหน่วยเป็นวินาที (s)

พลังงาน (Energy) คืออะไร ? พร้อมสูตรคำนวณ

พลังงาน (Energy) คือ ความสามารถในการทำงานของสิ่งมีชีวิต วัตถุ หรือสสารต่าง ๆ เช่น การหายใจ การเคลื่อนที่ หรือการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร เป็นปริมาณพื้นฐานของระบบที่ไม่มีวันสูญสลาย แต่สามารถเปลี่ยนไปอยู่ในรูปแบบต่าง ๆ ได้ ตาม "กฎการอนุรักษ์พลังงาน" (Law of Conservation of Energy) แบ่งออกเป็นพลังงานเคมี พลังงานความร้อน พลังงานจากการแผ่รังสี พลังงานไฟฟ้า พลังงานนิวเคลียร์ และพลังงานกล

โดยในบทความนี้ จะเน้นไปที่พลังงานกล เนื่องจากอยู่ในบทเรียนวิชาฟิสิกส์ของน้อง ๆ

พลังงานกล (Mechanical Energy) คืออะไร ?

พลังงานกล คือ พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่โดยตรง แบ่งเป็น

1. พลังงานศักย์ (Potential Energy: Ep) คือพลังงานที่สะสมอยู่ในวัตถุหรือสสารที่หยุดนิ่งอยู่กับที่ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

พลังงานศักย์โน้มถ่วง
- Ep = พลังงานศักย์โน้มถ่วง มีหน่วยเป็นจูล (J)
- m = มวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
- g = ความเร่งโน้มถ่วงโลก ≈ 9.8 m/s^2
- h = ระยะความสูง มีหน่วยเป็นเมตร (m)

สูตรคำนวณพลังงานศักย์โน้มถ่วง : Ep = m × g × h โดยที่

พลังงานศักย์ยืดหยุ่น

2. พลังงานจลน์ (Kinetic Energy: Ek) คือพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุ

สูตรคำนวณพลังงานจลน์ : Ek = 1/2 × m × v^2 โดยที่

Ek = พลังงานจลน์ มีหน่วยเป็นจูล (J)
m = มวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
v = ความเร็ว มีหน่วยเป็นเมตร/วินาที (m/s)

กฎการอนุรักษ์พลังงานคืออะไร ? พร้อมสูตรคำนวณ

กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Law of Conservation of Energy) คือ หลักการที่กล่าวว่าพลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายให้สูญหายไปได้ แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้ โดยพลังงานรวมของระบบที่ปิดจะคงที่เสมอ

สูตรคำนวณกฎการอนุรักษ์พลังงาน :

ผลรวมพลังงานที่จุด 1 = ผลรวมพลังงานที่จุด 2

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2

ตัวอย่างข้อสอบเรื่องงานและพลังงาน

1. ชายคนหนึ่งออกแรง 750 นิวตัน ไต่บันไดสูง 5 เมตรในเวลา 25 วินาที จงหางานที่เป็นจูลที่ชายคนนี้ใช้แรงต้านแรงดึงดูดของโลกและจงหากำลังของชายคนนี้เป็นวัตต์

วิธีคิด :

โจทย์เรื่องงานและพลังงานในวิชาฟิสิกส์

คำตอบ : 3750 จูล, 150 วัตต์

2. ออกแรง 40 นิวตัน ลากกล่องมวล 10 กิโลกรัม ทำมุม 60 องศากับแนวระดับ กล่องเคลื่อนที่ไปได้ไกล 5 เมตร งานที่ทำมีค่ากี่จูล

วิธีคิด :

โจทย์งานและพลังงานและสูตรคำนวณ

คำตอบ : 100 จูล

3. กรรมกรคนหนึ่งแบกข้าวสาร 100 กิโลกรัม เดินขึ้นบันไดจากชั้นล่างถึงชั้น 6 แล้วแบกลงมาที่ชั้น 4 จงหาว่ากรรมกรทำงานได้กี่จูลในการแบกข้าวสาร ถ้าตึกแต่ละชั้นสูง 4 เมตร

วิธีคิด :

งานและพลังงาน สรุปโจทย์พร้อมเฉลย

คำตอบ : 1.2 x 104 หรือ 12,000 จูล

4. ลูกบอลมวล 0.5 กิโลกรัม ถูกปล่อยจากขอบหน้าต่างสูง 30 เมตร ทำให้ลูกบอลตกลงในแนวดิ่ง โดยมีความเร็วต้นเป็นศูนย์ เมื่อเวลาผ่านไป 2 วินาที ลูกบอลนี้จะมีพลังงานจลน์เท่าใด (ENT47)

วิธีคิด :

โจทย์การหาพลังงานจลน์

คำตอบ : 100 จูล

5. ในการโยนลูกเหล็กมวล 4 กิโลกรัม เมื่อลูกเหล็กหลุดจากมือจะมีพลังงานจลน์ 200 จูล ถ้าโยนขึ้นตรง ๆ ลูกเหล็กจะสูงเท่าไร

วิธีคิด :

โจทย์เรื่องกฎการอนุรักษ์พลังงาน

คำตอบ : 5 เมตร

นักเรียนกำลังฝึกทำโจทย์งานและพลังงานในห้องสมุด

ความรู้ในคอร์สฟิสิกส์ ม.4 ที่สำคัญไม่ได้หมดเพียงแค่นี้ หากน้อง ๆ ต้องการเรียนรู้เรื่องงาน กำลัง และพลังงาน หรืออยากรู้สูตรการคำนวณเพิ่มเติม สามารถเลือกลงทะเบียนคอร์ส AP34 PACK ติวฟิสิกส์ กลศาสตร์ 2 กับ Applied Physics ได้เลย เราคือผู้เชี่ยวชาญด้านการติวเตรียมสอบเข้ามหาวิทยาลัย พร้อมแนะนำเทคนิคการคำนวณที่จะช่วยให้การเรียนฟิสิกส์สนุกและได้คะแนนดีขึ้น นำทีมโดยติวเตอร์มืออาชีพ อ. เผ่า (นพ.ประกิตเผ่า ทมทิตชงค์) สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ 02-3060867, 02-3060868, 02-3060869 และ 085-4925599 หรือแอดไลน์ @appliedphysics (มี @ ด้วย)