Embed Size (px)
Citation preview
ปท 43 ฉบบท 192 มกราคม - กมภาพนธ 2558
9รกษพล ธนานวงศนกวชาการ สาขาฟสกส สสวท. / e-mail : [email protected]
ตอนรบปแหงแสง พ.ศ. 2558 กบกจกรรมสบเสาะหาความรเรอง
แสงเลเซอร เปนเทคโนโลยทเกยวของกบชวตประจ�ำวน
ทกคน ไมวำจะเปนกำรใชแสงเลเซอรในกำรสแกนบำรโคดใน
รำนสะดวกซอ กำรใชแสงเลเซอรอำนแผนดวดเพอชม
ภำพยนตร กำรใชแสงเลเซอรในกำรพมพเอกสำรเพอให
ไดภำพและตวอกษรทคมชด หรอ กำรใชแสงเลเซอร
ส�ำหรบกำรรกษำผวหนงหรอสำยตำทผดปกต
ในขณะทแสงเลเซอรมบทบำทกบกำรด�ำเนนชวตของ
ทกคน กจกรรมกำรเรยนรในระดบมธยมศกษำเกยวกบ
แสงเลเซอรยงมไมมำกนก ทงน อำจเนองมำจำกกำรท�ำ
ควำมเขำใจหลกกำรท�ำงำนของเลเซอรตองมพนฐำน
ควำมรเกยวกบฟสกสของแสงและองคประกอบพนฐำน
ของสสำรในระดบหนง หรอ อกสำเหตทเปนไปไดคอ แสง
เลเซอรมอนตรำย กำรน�ำมำใชตองมควำมระมดระวง จง
ไมนยมน�ำมำเปนสอกำรเรยนกำรสอนในชนเรยน
(ทมา: http://www.light2015.org/)
แสงเลเซอร (1)
ในทน หลงจากไดมการท�าการศกษาแนวทางการจดกจกรรมการเรยนรเกยวกบแสงเลเซอร ทงในดานความรพนฐานทางฟสกสและดานความปลอดภยจากเอกสารของตางประเทศ และจากการไดทดลองน�ามาปฏบต จงขอน�าเสนอกจกรรมการเรยนรแบบสบเสาะหาความร (inquiry) เกยวกบแสงเลเซอรส�าหรบผเรยนในระดบ มธยมศกษาตอนปลายโดยนอกจากจะชวยสรางความเขาใจเกยวกบแสงเลเซอรใหกบผเรยนทสนใจแลว ยงเปนการสรางความตระหนกเกยวกบวทยาศาสตรและเทคโนโลยเกยวกบแสงทมนษยสรางขน เนองในวาระทองคการสหประชาชาต หรอ UN (United Nations) ไดประกาศใหป ค.ศ. 2015 เปนปแหงแสง (International Year of Light and Light-Based Technology) ซงจดประสงคหลกของการประกาศครงน คอ การรณรงคใหประชาคมโลกตระหนกถงความส�าคญของการน�าความรทางวทยาศาสตรและเทคโนโลยเกยวกบแสงมาใชในการแกปญหาและพฒนาคณภาพชวต ของมนษยในดานตาง ๆ (ผสนใจสามารถหาขอมลเพมเตมไดจากเวบไซต http://www.light2015.org/)
10
นตยสาร สสวท.
(ทมา: http://www.light2015.org/)
(ทมา: http://www.light2015.org/) กจกรรมการเรยนรแบบสบเสาะหาความรเกยวกบแสงเลเซอร ประกอบดวย กจกรรม 3 กจกรรม โดยกจกรรมท 1 เปนกจกรรมทใหผเรยนไดศกษาเกยวกบสมบตของแสงเลเซอร กจกรรมท 2 เปนกจกรรมทใหผ เรยน ไดศกษาเกยวกบหลกการของการก�าเนดแสงเลเซอร และ กจกรรมท 3 เปนกจกรรมเกยวกบการน�าแสงเลเซอรมาใชประโยชน โดยในบทความน จะเปนการน�าเสนอกจกรรมท 1 และในฉบบถดไปอก 2 ฉบบ จะเปนการน�าเสนอแนวทางการจดกจกรรม 2 และกจกรรมท 3 ตามล�าดบ
กจกรรมการเรยนรท 1 แสงเลเซอรแตกตางจากแสงธรรมดาอยางไรขอควรระวง แสงเลเซอรเปนแสงทมความเขมสง การมองแสงเลเซอรโดยตรง
ดวยตาเปลา สามารถกอใหเกดความเสยหายแกดวงตาและท�าใหดวงตาเสอมสภาพอยางทไมสามารถรกษาใหเหมอนเดมได ดงนน การท�ากจกรรมเกยวกบแสงเลเซอรตองใชความระมดระวงอยางสง ผท�ากจกรรม ควรปฏบตดงน
• ด�าเนนการตามขนตอนแตละขนตอนของกจกรรมในลกษณะนง และไมใหแนวของสายตาทใชสงเกตอยในระดบเดยวกบแหลงก�าเนดแสงเลเซอรทวางอยบนโตะ
• ใหวางแหลงก�าเนดแสงเลเซอรบนโตะ และหนใหแสงชไปในแนวระดบหรอ ชลงดานลาง
ทงน สมาคมครวทยาศาสตรของประเทศสหรฐอเมรกา (Doss, Lee and Plisch, 2010) ไดใหขอแนะน�าเกยวกบชนดของเลเซอรทเหมาะกบการน�ามาใชในการเรยนการสอนวา ควรเปนเลเซอร Class II ทมก�าลงไมเกน 1 mW และไมควรใหผเรยนทอยในระดบต�ากวามธยมศกษาตอนปลาย ไดใชเครองก�าเนดแสงเลเซอรโดยล�าพง ในกรณทผสอนตองการน�ากจกรรมเกยวกบแสงเลเซอรไปจดใหกบผเรยนในระดบต�ากวา ระดบมธยมศกษาตอนปลาย ผสอนควรเปนผท�าการสาธต แทนการใหผเรยนท�า การทดลองเปนรายบคคล
ปท 43 ฉบบท 192 มกราคม - กมภาพนธ 2558
11
ผสอนใหผเรยนแบงกลม กลมละ 4 – 5 คน จากนน ใหผเรยนไดอภปรายเกยวกบแสงเลเซอรทพบเหนในชวตประจ�าวนและสมบตของแสงเลเซอรทท�าใหมการน�าแสงเลเซอรมาใชประโยชนในดานตาง ๆ ตางจากแสงประเภทอน โดยอาจใชค�าถามตอไปน
• เราพบแสงเลเซอรในชวตประจ�าวนไดทไหนบาง• แสงเลเซอรมสมบตตางจากแสงจากหลอดไฟนออน หรอ
แสงจากแหลงก�าเนดแสงอน ๆ อยางไร จงท�าใหมการน�าแสงเลเซอรมาประยกตใชงานในดานตาง ๆ ไดมากกวาแสงชนดอน ๆ
เมอผเรยนไดอภปรายเสรจแลว ผสอนใหผเรยนไดสงเกตแสงจากแหลงก�าเนดแสงตาง ๆ โดยการมองผานเกรตตง โดยเรมจากใหผเรยนแตละกลมไดใชเกรตตงสองดแสงจากหลอดไฟภายในหองเรยน แสงจากโทรศพทเคลอนท และ แสงจากภายนอกหองเรยน (หามใชเกรตตงมองแสงจากแหลงก�าเนดแสงเลเซอร หรอ ดวงอาทตยโดยตรง) จากนนใหผเรยนใชเกรตตงสงเกตแสงจาก LED สแดง และ LED สขาว ดวยลกษณะการสงเกตดงภาพท 1 และใหบนทกผลการสงเกตในใบกจกรรม
ตอมา ใหผเรยนน�ากระดาษสขาวมาวางบนโตะ แลวใชเลเซอรพอยเตอรฉายล�าแสงเลเซอรไปบนกระดาษ ในลกษณะดงภาพท 2 และภาพท 3 จากนน ใหผเรยนใชเกรตตงมองดแสงเลเซอรทสะทอนจากกระดาษดวยระยะหางประมาณหนงชวงแขน ดงภาพท 2 จากนน ใหผเรยนวาดภาพลกษณะของแสง โดยระบสทสงเกตไดในภาพ บนทกผลการสงเกต
ใหผเรยนเปรยบเทยบผลการสงเกตแสงจากแหลงก�าเนดแสงประเภทตาง ๆ จากนน ผสอนน�าผเรยนอภปรายเกยวกบผลการเปรยบเทยบ ซงควรสรปไดวา เมอใชเกรตตงสงเกตแสงจาก LED สขาว และแสงจากแหลงก�าเนดแสงอน ๆ เชน หลอดไฟบนเพดานหอง หรอ แสงอาทตย พบวา แสงเหลานประกอบดวยแสงสหลากหลายส ในขณะท การใชเกรตตงสงเกตแสงจาก LED สแดง และ แสงเลเซอร จะสงเกตเหนสเพยงสเดยว กลาวคอ แสงเลเซอร มสเดยวหรอมความถเดยว (monochromatic) ซงตางจากแสงจากแหลงก�าเนดแสงอน ๆ
ภาพท 2 และ ภาพท 3 แสดงวธการใชเกรตตงสงเกตแสงจากแสงเลเซอรจากเลเซอรพอยเตอร (มาจาก Nancy Bennett-Karasik @ American Physical Society)
จดประสงคการเรยนร • อธบายเกยวกบสมบตของแสงเลเซอร ทท�าใหแสงเลเซอร
ตางจากแสงชนดอน ๆ
เวลา 50 นาทค�าศพทส�าคญ • เลเซอร (laser) • แสงเลเซอร (laser beam หรอ laser light) • สมบตการมความถเดยวหรอสเดยว (monochromatic)• สมบตการมทศทางเดยวแนนอน (directionality หรอ
collimated) • สมบตความเปนอาพนธ (coherent)
กจกรรมท 1.1 สของแสงเลเซอรวสดอปกรณ1) LED สแดง 2) LED สขาว
3) เลเซอรพอยเตอร 4) แผนเกรตตง
5) หลอดดดพลาสตกทมขนาดเสนผานศนยกลาง ใกลเคยงกบ LED
6) แบตเตอร 7) ไมบรรทด
8) หนงสอ 9) กระดาษ A4 1 แผน
10) ไมเมตร
ภาพท 1 แสดงลกษณะการใชเกรตตงสงเกตแสงจาก LED (ภาพโดย Nancy Bennett-Karasik @ American Physical Society)
แผนกระดาษทวางบนโตะ
เลเซอรพอยเตอรล�าแสงเลเซอร
12
นตยสาร สสวท.
กจกรรมท 1.2 ล�าแสงของแสงเลเซอรหลงจากกจกรรมท 1.1 ใหผสอนเรมตนกจกรรมท 1.2
ดวยการใหผเรยนรวมกนอภปรายเพอตอบค�าถามตอไปน• เมอฉายแสงเลเซอรไปตกกระทบวตถทอยต�าแหนง
ไกล ๆ ล�าแสง (light beam) ของแสงเลเซอรจะมลกษณะอยางไร เบนออก เบนเขา บบตวเลกลง ขยายออก หรอ มขนาดเทาเดม
หลงจากการอภปรายแลว ใหผเรยนน�ากระดาษ A4 มาตดไวทผนงดวยเทปใส ส�าหรบท�าเปนฉาก จากนน ใหสวม LED สขาว เขากบหลอดดดทถกตดครงแลว ถดมา ใหน�าหลอดดดทสวมกบ LED ไปวางไวบนหนงสอ ใชเทปใสตดใหหลอดดดยดแนนกบหนงสอ ดงภาพท 4
ใหน�าหนงสอทมหลอดดดกบ LED ไปวางใหดานหนากระดาษทท�าเปนฉาก ใหปลายหลอดหางจากแผนกระดาษทตดไวกบผนงประมาณ 15 เซนตเมตร ดงภาพท 5 จากนน ใหตอ LED สขาวกบแบตเตอร เพอใหล�าแสงจาก LED ไปตกกระทบทแผนกระดาษ ตอมาใหวดระยะทางระหวางปลายของหลอดดดกบกระดาษ และวดขนาดเสนผานศนยกลางของแสงจาก LED ทตกกระทบบนแผนกระดาษ บนทกผลในตารางบนทกผล
ภาพท 4 แสดงการน�า LED สวมเขากบหลอดดดทตดครงแลวน�าไปตดไวบนหนงสอดวยเทปใส ภาพท 5 แสดงการจดวางวสดอปกรณส�าหรบการศกษาขนาดของล�าแสง
ตวอยางตารางบนทกผลกจกรรมท 1.2ระยะหางระหวางแหลงก�าเนดแสง
กบกระดาษ (cm)
เสนผานศนยกลางของแสงเลเซอร
บนกระดาษ (mm)
เสนผานศนยกลางของแสง LED
บนกระดาษ (mm)
ใหผเรยนเปลยนระยะหางของหลอดดดจากแผนกระดาษอก 2 ระยะ แตไมเกน 1 เมตร จากนน ปฏบตเชนเดยวกบการวางหลอดดดไวทระยะ 15 เซนตเมตร
ขนตอนตอไป ใหเปลยนจาก LED สขาว เปน LED สแดง จากนนด�าเนนการทดลองในลกษณะเดยวกบ LED สขาว เพอหาขนาดเสนผานศนยกลางของแสงจาก LED สแดงทตกกระทบบนฉากทระยะหางตางกน 3 ระยะ บนทกผล
เปลยนจาก LED สแดง เปน เลเซอรพอยเตอร จากนนด�าเนนการทดลองในลกษณะเดยวกน เพอหาขนาดเสนผานศนยกลางของแสงเลเซอรทตกกระทบบนฉากทระยะหางตางกน 3 ระยะ บนทกผล
เมอผเรยนไดผลจากการท�ากจกรรมแลว ใหอภปรายกนในกลมถงขนาดของแสงทมาจากแหลงก�าเนดตางกน ทตกกระทบบนฉากทระยะหางตาง ๆ กน จากนน ใหผสอนถามผเรยนถง ขอสรปทได กอนจะมการอภปรายเพมเตม ซงในทายทสด ควรสรปไดวา ถงแมแสงเลเซอรจะใหแสงสเดยวเหมอนกบแสงทไดจาก LED สแดง แตแสงเลเซอรตางจากแสงจาก LED สแดง คอ มทศทางเดยวแนนอน (directionality หรอ collimated) แมในระยะไกล ถาไมมวตถมาขวาง ล�าแสงของแสงเลเซอรจะไมมการบานออก หรอ เปลยนทศทาง
แบตเตอร
ปท 43 ฉบบท 192 มกราคม - กมภาพนธ 2558
13
สมบตทส�าคญของแสงเลเซอรคอ “ความมอาพนธ” (coherent) แตเนองจาก เปนสมบตทสงเกตไดยาก ผ สอนจงอาจเปน ผบรรยายใหความรเพมเตมเกยวกบสมบตทส�าคญนกบผเรยน โดยอาจแสดงการเปรยบเทยบลกษณะของคลนของแสงเลเซอรเหมอนกบคลนหลายคลนทซอนกน เปนระเบยบและมสเดยวกน ในขณะท คลนของแสงจากดวงอาทตย มหลากหลายส และไมมการเรยงตวเปนระเบยบ สวนคลนของแสง LED มสเดยว แตมการเรยงตวทเหลอมล�ากน ดงแสดงในภาพท 6 หลงจากการท�ากจกรรมท 1 ผสอนอาจมการใหผเรยนทบทวนถงสงทไดเรยนรจากกจกรรมอกครง หลงจากนน อาจมแบบฝกหดส�าหรบชวยใหผเรยนประเมนความเขาใจของตนเอง เปนการสรางความมนใจในสงทไดเรยนรใหกบผเรยนมากยงขน
การเรยนร เกยวกบสมบตของแสงเลเซอรดวยแนวทาง การสบเสาะหาความร ตางจากการเรยนรทใหผเรยนไดเรยนรจากการฟงบรรยาย หรอ การไดรบรจากแหลงความรตาง ๆ เชน หนงสอเรยน เวบไซต หรอ สอโทรทศน เมอผเรยนไดเรยนรจากการท�ากจกรรมตามแนวทางการสบเสาะหาความรแลว ผเรยนจะไดมโอกาสบรรยายเกยวกบสงทสงเกต ไดถามค�าถาม สรางค�าอธบาย ทดสอบค�าอธบายทตนเองสรางขนกบความรทางวทยาศาสตรทมอย ไดสอสารสงทตนเองไดเรยนรใหกบผอนไดรบฟง ซงน�าไปสความเขาใจทลกซงยงขน นอกจากน ผเรยนยงไดฝกรบฟงความคดเหนทแตกตางของผอน ไดท�างานเปนกลม ไดพฒนาทกษะการสอสารทมประสทธภาพ และฝกฝนการยอมรบและแบงปนความรบผดชอบกบเนอหาทตนเองไดเรยนร ซงเปนทกษะส�าคญส�าหรบการท�างานและด�ารงชวตในปจจบน
ส�าหรบผทสนใจแผนการจดการเรยนร และ ใบกจกรรม สามารถดาวนโหลดเอกสารไดจากเวบไซต สาขาฟสกส สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย http://physics.ipst.ac.th/ โดยเลอกหวขอ “การจดการเรยนการสอน” หวขอหลกและเลอก “แผนการสอน” ในหวขอยอย
ในฉบบตอไป จะเปนการรวมสรางความตระหนกเกยวกบบทบาทของวทยาศาสตรและเทคโนโลยของแสงในการพฒนาคณภาพชวต เนองในวาระปแหงแสง พ.ศ. 2558 อกครง ดวยการน�าเสนอกจกรรมการจดการเรยนรแบบสบเสาะหาความรเกยวกบ “หลกการของการก�าเนดแสงเลเซอร”
คลนแสงของแสงจากดวงอาทตย (มหลากหลายส และไมมความเปนอาพนธ)
คลนแสงของแสงจาก LED (มสเดยว แตไมมความเปนอาพนธ)
คลนแสงของแสงเลเซอร (มสเดยว และมความเปนอาพนธ)
บรรณานกรมDoss, H., Lee, E. and Plisch, M. (2010). The Physics of Lasers: Inquiry Lessons for High School Physics Studetns (Student Edition). College Park, MD: American Physical Society.Doss, H., Lee, E. and Plisch, M. (2010). The Physics of Lasers: Inquiry Lessons for High School Physics Studetns (Teacher Edition). College Park, MD: American Physical Society.
ภาพท 6 แผนภาพแสดงการเปรยบเทยบคลนของแสงจากแหลงก�าเนดแสงตาง ๆ
