เครื่องเคาะสัญญาณเวลา (Ticker Timer) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งสามารถใช้ในปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน เช่น การวัดอัตราเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่ในแนวตรง การศึกษาการเปลี่ยนแปลงความเร็ว การตกของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก การวิเคราะห์แรงที่กระทำต่อวัตถุ เครื่องเคาะสัญญาณเวลานี้ทำงานโดยการสร้างจุดบนแถบกระดาษที่เคลื่อนผ่านเครื่อง เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ จุดที่ปรากฏบนแถบกระดาษจะบอกข้อมูลของระยะทางและช่วงเวลาที่วัตถุเคลื่อนที่ ซึ่งข้อมูลที่ได้จะช่วยในการคำนวณและวิเคราะห์อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ของวัตถุ
หลักการทำงานของเครื่องเคาะสัญญาณเวลา เครื่องเคาะสัญญาณเวลาที่ใช้กันทั่วไปในโรงเรียนจะมีขดลวดพันรอบแกนเหล็กอ่อน เมื่อขดลวดได้รับความต่างศักย์ไฟฟ้ากระแสสลับ จะทำให้แกนเหล็กอ่อนมีอำนาจแม่เหล็กเป็นจังหวะ ซึ่งจะดูดคันเคาะให้กดบนกระดาษคาร์บอน โดยที่ปลายด้านหนึ่งของคันเคาะจะติดกับตัวเคาะปลายแหลมที่จะเคาะลงไปตรงบริเวณพื้นที่การเคาะ ปกติไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้กับเครื่องจะมีสัญญาณไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงด้วยความถี่ 50 เฮิรตซ์ ทำให้เครื่องสามารถเคาะได้ 50 ครั้งใน 1 วินาที
การเตรียมเครื่องเคาะสัญญาณเวลาเพื่อใช้งาน
- ตรวจสอบความต่างศักย์ที่เหมาะสมในการใช้งานของเครื่องเคาะสัญญาณเวลา แล้วต่อสายไฟของเครื่องเคาะสัญญาณเวลาเข้ากับหม้อแปลงไฟฟ้าโวลต์ต่ำกระแสสลับ เปิดสวิตซ์จะได้ยินเสียงการเคาะจากคันเคาะ แสดงว่าเครื่องเคาะสัญญาณเวลาอยู่ในสภาพพร้อมใช้งานปิดสวิตซ์หม้อแปลง
- สอดแถบกระดาษใต้กระดาษคาร์บอน หากปลายเข็มคันเคาะติดกระดาษ ให้ยกคันเคาะขึ้นเล็กน้อยแล้วปล่อยลง
- เปิดสวิตซ์เครื่องเคาะสัญญาณเวลาที่หม้อแปลงไฟฟ้าโวลต์ต่ำ แล้วใช้มือดึงแถบกระดาษด้วยอัตราเร็วที่ต่างกันจนสุดความยาวของแถบกระดาษ จากนั้นปิดสวิตช์
- สังเกตและวัดระยะห่างระหว่างจุด 2 จุด บนแถบกระดาษ แต่ละช่วงจุดจะใช้เวลาเท่ากันคือ 1/50 วินาที
การหาอัตราเร็วจากเครื่องเคาะสัญญาณเวลา
การหาอัตราเร็วจากเครื่องเคาะสัญญาณเวลา สามารถทำได้โดยสังเกตจุดที่ปรากฏบนแถบกระดาษหลังจากที่ดึงผ่านเครื่อง จุดเหล่านี้จะแสดงตำแหน่งของวัตถุในช่วงเวลาที่กำหนด จากนั้นใช้ไม้บรรทัดหรือเครื่องมือวัดระยะทางระหว่างสองจุดบนแถบกระดาษ เมื่อได้ระยะทางแล้ว คำนวณเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ โดยแต่ละช่วงระหว่างจุดจะใช้เวลา 1/50 วินาที หากมีหลายจุด ให้นำจำนวนช่วงคูณด้วย 1/50 วินาทีเพื่อหาระยะเวลาทั้งหมด สุดท้ายนำระยะทางทั้งหมดที่วัตถุเคลื่อนที่มาหารด้วยเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่เพื่อคำนวณอัตราเร็วของวัตถุ หรือคำนวณอัตราเร็วของวัตถุโดยใช้สูตรพื้นฐานดังนี้
ในการทดลองนี้
ระยะทางทั้งหมด คือผลรวมของระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ทั้งหมด ซึ่งสามารถวัดได้จากระยะทางระหว่างจุดบนแถบ
กระดาษที่เกิดจากเครื่องเคาะสัญญาณเวลา
เวลาทั้งหมด คือเวลาที่วัตถุใช้ในการเคลื่อนที่ทั้งหมด ซึ่งสามารถคำนวณได้จากจำนวนจุดบนแถบกระดาษคูณด้วยเวลาต่อช่วงระหว่างจุด (เช่น 1/50 วินาที หากเครื่องเคาะทำงานที่ความถี่ 50 เฮิรตซ์)
ตัวอย่างในการทดลอง หากระยะทางทั้งหมดที่วัตถุเคลื่อนที่ได้คือ 100 เซนติเมตร และเวลาทั้งหมดที่ใช้คือ
2 วินาที คำนวณอัตราเร็วของวัตถุได้ดังนี้
จากการวัดและคำนวณจากข้อมูลที่ได้จากเครื่องเคาะสัญญาณเวลา สูตรในการคำนวณอัตราเร็วของวัตถุคือการนำระยะทางทั้งหมดที่วัตถุเคลื่อนที่หารด้วยเวลาทั้งหมดที่ใช้ในการเคลื่อนที่ ซึ่งจะให้ค่าอัตราเร็วเฉลี่ยของวัตถุในหน่วยระยะทางต่อเวลา เช่น เซนติเมตร/วินาที (cm/s)
การประยุกต์ใช้เครื่องเคาะสัญญาณเวลา
การใช้เครื่องเคาะสัญญาณเวลาในการทดลองทางวิทยาศาสตร์ สามารถนำไปใช้ในการสอนปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน เช่น การวัดอัตราเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่ในแนวตรง ศึกษาการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุเมื่อมีแรงกระทำ การทดลองเกี่ยวกับการตกของวัตถุภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก การวิเคราะห์แรงที่กระทำต่อวัตถุ โดยดูจากการกระจายตัวของจุดบนแถบกระดาษที่เกิดขึ้นระหว่างการทดลอง
เครื่องเคาะสัญญาณเวลา นอกจากจะใช้ในการเรียนการสอนในโรงเรียนแล้ว ยังสามารถเป็นต้นแบบแนวคิดในการประยุกต์ใช้ในหลาย ๆ ด้าน หรือทำเป็นโครงงานที่เกี่ยวข้องกับการวัดและวิเคราะห์การเคลื่อนที่ เช่น การทดลองเพื่อศึกษาและวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของวัตถุในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันในห้องปฏิบัติการวิจัย การวัดความเร็วของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ในสายการผลิตของโรงงาน และการออกแบบและทดสอบของเล่นหรืออุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ เช่น การวัดความเร็วของลูกบอล ทั้งหมดนี้เป็นตัวอย่างแนวคิดในการประยุกต์ใช้เครื่องเคาะสัญญาณเวลา ซึ่งสามารถปรับใช้ได้ตามความเหมาะสมและวัตถุประสงค์ของการใช้งาน
เพิ่มเติม สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จาก
- การสอนฟิสิกส์สไตล์ สสวท. บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง Ep.3 กิจกรรมการวัดความเร็วของการเคลื่อนที่แนวตรง https://www.scimath.org/video-physics/item/8596-2-ep-3
อ้างอิง :
- การสอนฟิสิกส์ สไตล์ สสวท. บทที่ 2 การเคลื่อนที่แนวตรง Ep.3 กิจกรรมการวัดความเร็วของการเคลื่อนที่แนวตรง .สืบค้นเมื่อ 26 สิงหาคม 2567, จาก https://www.scimath.org/video-physics/item/8596-2-ep-3
- คู่มือครูรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วิทยาศาสตร์กายภาพ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 2. สืบค้นเมื่อ 26 สิงหาคม 2567, จาก https://www.scimath.org