บทที่ 3 กฏการเคลื่อนที่ข้อที่ 1 ของนิวตัน : ความเฉื่อย

3.1อริสโตเติลกับการเคลื่อนที่
แนวคิดที่แรงเป็นสาเหตุของการเคลื่อนที่ ย้อนกลับไปเมื่อ 4 ศตวรรษก่อนคริตศักราช เมื่อชาวกรีกได้พัฒนาแนวคิดทางวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกก่อนใครอื่นคืออริสโตเติล(Aristotle) ผู้ที่ศึกษาการเคลื่อนที่และแบ่งออกได้สองประเภท คือการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ และการเคลื่อนที่ขัดขืน(violent motion)
     การเคลื่อนที่ตามธรรมชาติบนโลกคิดให้เป็น เคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลง เช่นการตกของก้อนหินลงสู่พื้น หรือการเคลื่อนที่ขึ้นของกลุ่มควันขึ้นสู่อากาศ วัตถุพยายามที่แสวงหาที่หรือตำแหน่งที่พักตามธรรมชาติ ก้อนหินอยู่บนพื้นดิน กลุ่มหมอกควันอยู่สูงขึ้นไปในอากาศเช่นเมฆ เป็นธรรมชาติสำหรับสิ่งที่หนักที่จะตกลงมาสิ่งที่เบาลอย อริสโตเติลได้อ้างว่า สำหรับสวรรค์เบื้องบน การเคลื่อนที่เป็นวงกลมเป็นเรื่องธรรมชาติ การคงอยู่นั้นปราศจากการเริ่มต้นและจุดจบ ดังนั้นดาวเคราะห์ ดวงดาวต่างๆ เคลื่อนที่เป็นวงกลมที่สมบูรณ์รอบโลก เนื่องจากการเคลื่อนที่เป็นไปตามธรรมชาติ ไม่ได้มีสาเหตุมาจากแรง
     การเคลื่อนที่ที่ฝ่าฝืนในอีกทางหนึ่งมีการกระทำต่อการเคลื่อนที่ เป็นผลจากแรงจากการผลักหรือดึง เกวียนเคลื่อนที่เพราะว่ามีแรงมาลาก การชักกะเย่อชนะโดยการดึงเชือก เรื่อถูกผลักให้เคลื่อนไปจากแรงลม แรงสำคัญที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ฝ่าฝืนคือมีสาเหตุจากภายนอกฝ่าฝืนการเคลื่อนที่ที่บางส่วนของวัตถุ วัตถุที่อยู่ที่ตำแหน่งพักไม่สามารถเคลื่อนโดยตัวเอง แต่ถูกผลักหรือถูกดึง
     เป็นเรื่องการคิดกันทั่วไปเกือบ 2000 ปี เมื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ขัดกับการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติ แล้วจะต้องมีแรงบางชนิดเข้ามาเกี่ยวข้อง การเคลื่อนที่ดังกล่าวเป็นไปได้เพราะว่าแรงจากภายนอกเท่านั้น ถ้าไม่มีแรงมากระทำก็จะไม่มีการเคลื่อนที่ ดังนั้นสถานะที่เหมาะสมของวัตถุคือที่ตำแหน่งที่พัก ถ้าไม่ถูกดึงหรือผลัก เนื่องจากได้มีหลักฐานให้กับนักคิดทั้งหลายจนถึงศตวรรษที่ 17 ี่โลกต้องอยู้่ในตำแหน่งที่เหมาะสม และแรงที่มากพอในการเคลื่อนที่ไม่สามารถคิดกัน ดูเหมือนว่าเป็นที่ชัดเจนที่โลกไม่ได้เคลื่อน

3.2โคเปอร์นิคัส และโลกที่เคลื่อนที่
     ในบรรยากาศนี้ที่นักดาราศาสตร์ Nicolaus Copernicus (1473-1543)  ได้ตั้งทฤษฎีของโลกที่เคลื่อนที่ โคเบอร์นิคัสให้เหตุผลจากการการเฝ้าสังเกตทางดาราศาสตร์ของเขา ที่คิดให้โลกเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ แนวคิดนี้เป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอย่างเผ็ดร้อนในช่วงเวลาของเขา และเขาได้ทำงานต่อไปตามแนวคิดของเขาและได้หลบนี้โทษทันฑ์จากการยืนยันแนวคิดนี้ และในช่วงสุดท้ายของชีวิตเขา เขาได้กระตุ้นผลักดันให้เพื่อนสนิทได้ส่งแนวคิดของเขาออกไปตีพิมพ์ เป็นงานสำเนาแรกของเขา เอกสารนี้ถึงมือเขาก็เป็นวันที่เขาเสียชีวิต ในเดือนพฤษภาคม 1543

3.3 กาลิเลโอกับการเคลื่อนที่
      กาลิเลโอนักวิทยาศาสตร์ที่ปราศเปรื่ยงมากที่สุดในศตวรรษที่17 เป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นถึงแนวคิดการเคลื่อนที่ของโคเปอร์นิคัสนั้นมีเหตุผล กาลิเลโอทำเรื่องนี้โดยการสาธิตหลักเรื่องแรงที่จำเป็นทำให้วัตถุเคลื่อนที่
     แรงไม่ว่าเป็นแรงผลักหรือแรงดึง  แรงเสียดทางเป็นชื่อที่กำหนดให้กับแรงที่กระทำระหว่างสาร ที่เคลื่อนที่ออกจากกันและกัน แรงเสียดทานเกิดขึ้นจากผิวหน้าของวัตถุที่ไม่ราบเรียบที่นำมาขัดถูกัน แม้แต่ผิวที่ลื่นเรียบก็ยังมีความไม่ราบเรียบในระดับไมโครที่มีส่วนที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ ถ้าความเสียดทางไม่มี การเคลื่อนที่ของวัตถุก็ไม่ต้องการแรงเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง
     กาลิเลโอแสดงให้เห็นเฉพาะเมื่อความเสียดทางปรากฏตามปกติ จะต้องใช้แรงเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ เขาทดสอบแนวคิดของเขาด้วยพื้นเอียงที่ยกให้สูงขึ้นที่ปลายด้านหนึ่ง ให้ลูกบอลเคลื่อนที่หมุนลงตามพื้นเอียงมีอัตราเร็ว ตามรูป 3.2 ทางซ้าย โดยเคลื่อนหมุนลงตามพื้นเอียงบางองศาตามทิศของความโน้อมถ่วงของโลก แล้วลูกบอลเคลื่อนที่หมุนขึ้นตามแนวพื้นเองด้วยอัตราเร็วช้าลงต้านกับความโน้มถ่วงของโลก และมีการเคลื่อนที่อย่างไรบนพื้นผิวในแนวระดับ เมื่อไม่ได้เคลื่อนที่ทั้งตามความโน้มถ่วยและต้านความโน้มถ่าง รูป 3.2 ทางขวา เขาพบว่าสำหรับพื้นระนาบที่เรียบลูกบอลเคลื่อนหมุนไปโดยไม่เปลี่ยนอัตราเร็ว เขาจึงกล่าวว่าถ้าความเสียดทานไม่มีเลยการเคลื่อนที่ของลูกบอลตามแนวระนาบจะเคลื่อนที่ไปได้ตลอดไปโดยไม่มีแรงหลักหรือแรงดึงที่จะต้องใช้เพื่อจะให้ยังคงเคลื่อนที่ต่อไป

     ข้อสรุปของกาลิเลโอได้รับสนับสนุน จากการทดลองเรื่องพื้นเอียงสองด้านหันเขาหากันดังรูปที่ 3.3 เขาพบว่าลูกบอลที่เคลื่อนหมุนลงมาตาระนาบหนึ่งแล้วเคลื่อนหมุนขึ้นอีกระนาบหนึ่งให้ระบบสูงใกล้เคียงกับตำแหน่งที่เริ่มเคลื่อนที่ลง ยิ่งมีความลื่นของพื้นเอียงมากเท่าใดก็จะทำให้การเคลื่อนที่ขึ้นสูงใกล้เคียงกับความสู่งที่เริ่มเคลื่อนที่ลงมามากเท่านั้น ไม่ว่าพื้นเอียงอีกด้านหนึ่งจะเอียงมากน้อยเท่าใดก็ตาม ถ้าความเอียงของพื้นเอียงระนามที่สองให้เอียงลดลงจนเป็นศูนย์ระนาบก็จะอยู่ในแนวระดับอย่างสมบูรณ์ แล้วลูกบอลจะเคลื่อนหมุนไปได้ไกลเท่าใด  เขาตระหนักดีว่าเฉพาะความเสียดทานที่ขัดขวางไม่ให้เคลื่อนที่ตลอดไป ไม่ใช่เพราะเป็นธรรมชาติของลูกบอลที่เคลื่อนไปตำแหน่งพักตามที่อริสโตเติลกล่าวอ้าง การไม่มีความเสียดทาน การเคลื่อนที่ของลูกบอลก็คงทำให้บอลเคลื่อนที่ไม่หยุดตามธรรมชาติ กาลิเลโอได้กล่าวว่าทุกวัตถุสารมีความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงสถานะการเคลื่อนที่และเขาเรียกการต้านทานนี้ว่าความเฉื่อย(inertia)

มโนทัศน์ความเฉื่อยของกาลิเลโอไมให้ความเชื่อถือทฤษฏีการเคลื่อนที่ของอริสโตเติลอีกต่อไป  และคงจะเห็นได้ว่าแม้ว่าแรง(ความโน้มถ่วง)จำเป็นต้องใช้เพื่อยึดโลกให้อยู่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ไม่มีแรงอื่นที่จำเป็นต้องมีเพื่อรักษาสภาพการเคลื่อนที่ของโลกต่อไป  ไม่มีความเสียดทานในสเปสซ์ที่ว่างเปล่าของระบบสุริยะและโลก ดังนั้นตามเส้นทางเคลื่อนไปรอบด้วงอาทิตย์โดยไม่มีการสูญเสียอัตราเร็ว จากแนวทางที่กล่าวมาเปิดโอกาสให้ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton :1642-1727) ที่จะสังเคราะห์เป็นมโนทัศน์ใหม่ของจักรวาล

3.4 กฏความเฉื่อยของนิวตัน
     ภายในปีที่กาลิเลโอเสียชีวิต ไอแซกนิวตันก็ถือกำเนิดมา  ในปี 1665 เมื่อเขาอายุได้ 23 ปี นิวตันได้พัฒนากฏการเคลื่อนที่อันมีชื่อเสียง เขาไปแทนที่แนวคิดของอริสโตเติลที่ได้มีอิทธิพลในการคิดของทรงปัญญาทั้งหลายเป็นว่าเวลาเกือบ 2000 ปี
     ในบทนี้กล่าวถึงกฏข้อที่ 1 ของนิวตันจากกฏ 3 ข้อ กฏอีก 2 ข้อจะกล่าวถึงในบทต่อๆ ไป
กฏข้อที่ 1 ของนิวตัน ปกติแล้วเรียกว่ากฏของความเฉื่อย เป็นการกล่าวแนวคิดของกาลิเลโออีกครั้งดังนี้ วัตถุทั้งหมดที่หยุดนิ่งก็จะนิ่งอยู่ต่อไป หรือที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ในแนวเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่ก็จะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ต่อไปนอกเสียจากว่ามีแรงจากภายนอกมากระทำให้เปลียนสถานะการเคลื่อนที่

คำถาม
ลูกบอลหนึ่งเคลื่อนที่หมุนข้ามโต๊ะบิลเลียด แล้วเคลื่อนหมุนไปจนหยุด อริสโตเติลตีความพฤติกรรมการเคลื่อนที่นี้อย่างไร และกาลิเลโอตีความอย่างไร

กฏข้อที่ 1 ของนิวตัน ยกตัวอย่างในกรณีวางจานอยู่ด้านบนของโต๊ะ เป็นตัวอย่างที่อยู่ในสถานะที่นิ่ง มีความโน้มเอียงที่ยังคงนิ่งต่อไป ถ้าหากจานวางอยู่บนผ้าปูโต๊ะ แล้วดึงผ้าปูโต๊ะออกอย่างรวดเร็ว เราจะพบว่ามีแรงเสียดทานน้อยระหว่างจานและผ้าปูโต๊ะที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว แรงไม่มากพอที่จะเคลื่อนที่จานออกไปตามผ้าที่ดึงออก ถ้าวัตถุเช่นจานอยู่ในสถานะนิ่ง ก็ยังคงนิ่งต่อไปนอกจากมีแรงมากระทำต่อวัตถุ

ไม่มีวัตถุใดที่อยู่เฉยๆ แล้วเคลื่อนที่ได้เอง และเมื่อทำให้เคลื่อนที่ได้แล้วก็ใช่ว่าจะเคลื่อนที่อยู่ได้ตลอดไป บางครั้งออกแรงทำให้เคลื่อนที่เท่ากันแต่เคลื่อนที่ได้ไม่เท่ากัน ทั้งนี้เป็นเพราะแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในระบบ เช่นการเลื่อนสไลด์บนพื้นที่เรียบไปได้ไกลกว่าบนพื้นที่ขรุขระ การสไลด์บนน้ำแข็งไปได้ไกลกว่าพื้นเรียบอื่น และถ้าสไลด์บนแอร์แทรคที่ทำให้มีความต้านทานน้อยที่สุด หรือถือว่าไม่มีความเสียดทานในทางปฏิบัติ ก็ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ได้โดยไม่ลดอัตราเร็วได้โดยไม่มีแรกงภายนอกมากระทำ วัตถุโน้มเอียงที่จะเคลื่อนไปในแนวเส้นตรงอย่างไม่สิ้นสุด  การปล่อยวัตถุจากยานอวกาศที่อยู่ในศูนยากาศที่สเปสซ์นอกโลกออกไปวัตถุจะเคลื่อนที่ไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ถือว่าเคลื่อนที่ไปจากผลของความเฉื่อยของตัวเอง

ดังนั้นเราจะเห็นว่ากฏของความเฉื่อยได้ให้แนวทางที่แตกต่างในการมองการเคลื่อนที่ ที่ซึ่งคนโบราณคิดว่าแรงเป็นตัวการที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ แต่ตอนนี้เรารู้แล้วว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ต่อไปโดยตัวเอง  แรงจำเป็นต้องใช้เพื่อเอาชนะความเสียดทาน แรงที่จัดให้มีขึ้นทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในตอนเริ่มต้น และทันทีที่วัตถุเคลื่อนที่ไปแล้วในสิ่งแวดล้อมที่อิสระจากแรงที่มากระทำในแนวเส้นตรงวัตถุน้นก็เคลื่อนที่ไปตลอดไป

คำถาม
1.ถ้าทันทีที่แรงความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์หยุดการกระทำต่อดาวเคราะห์ แล้วดาวเคราะห์จะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางใด
2. เป็นการถูกต้องหรือไม่ที่กล่าวว่า เหตุผลที่วัตถุต้านทานสถานะการเปลี่ยนแปลง และดำรงสถานะการเคลื่อนที่ต่อไปเพราะว่ามีความเฉื่อย

3.5 มวล คือการวัดความเฉื่อย 
เมื่อเต๊ะกระป๋องเปล่าแล้วมันเคลื่อนที่ แต่ถ้าใส่ทรายไว้ในกระป๋องเต๊ะแล้วยากที่จะเคลื่อนที่ หรือใส่โลหะเช่นตะกั่วไว้ เมื่อเต๊ะนอกจากไม่เคลื่อนที่แล้วอาจทำให้เจ็บเท้าได้  กล่าวได้ว่ากระป๋องตะกั่วมีความเฉื่อยมากกว่ากระป๋องทราย นั่นคือต่างก็มีความเฉื่อยมากกว่ากระป๋องเปล่า  กระป๋องที่มีสารมากที่สุดก็จะมีความเฉื่อยมากที่สุด ปริมาณความเฉื่อยที่มีในวัตถุขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุนั้น  นั่นคือจำนวนสารที่มีในวัตถุนั้น ยิ่งวัตถุมีมวลมากก็ยิ่งต้องใช้แรงมากในการเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่  มวลก็คือการวัดความเฉื่อยของวัตถุ

มวลไม่ใช่ปริมาตร
หลายคนสับสนในเรื่องมวลกับปริมาตร โดยคิดว่าถ้าวัตถุใดมีมวลมากแล้ว จะต้องมีปริมาตรมากด้วย โดยที่การวัดปริมาตรคือการวัดสเปสซ์มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เซ็นติเมตร , ลูกบาศก์เมตร หรือคิวบิกเมตร ลิตร  ส่วนมวลวัดในหน่วยกิโลกรัม (โดยทั่วไป 1 ลิตรของนม โซดา น้ำส้ม ในรูปของน้ำหรือของเหลวก็จะมีมวลประมาณ 1 กิโลกรัม) มีกี่กิโลกรัมของสารที่มีอยู่ในวัตถุนั้น และมีสเปสซ์เท่าไรที่แทนที่ด้วยวัตถุนั้น เป็นสองอย่างที่แตกต่างกัน  อันไหนมีมวลมากกว่ากันหมอนนุ่นหรือแบตเตอร์รีรถยนต์ เห็นได้ชัดว่าทำให้แบตเตอร์รีเคลื่อนที่ได้ยากกว่าหมอนนุ่น เป็นหลักฐานอ้างอิงได้ว่าแบตเตอร์รีมีความเฉื่อยมากกว่า ดังนั้นจึงมีมวลมากกว่า หมอนนุ่นดูโตกว่า มีปริมาตรมากกว่า แต่มีมวลน้อยกว่า มวลจึงต่างจากปริมาตร

มวลไม่ใช่น้ำหนัก
     คนมักจะสับสนเรื่องมวลกับน้ำหนักมากที่สุด เรากล่าวว่าบางอย่างมีสารอยู่มากถ้ามันหนัก ทั้งนี้เพราะเราคุ้นเคยกับการวัดปริมาณของสารในวัตถุหนึ่งโดยใช้แรงดึงดูดระหว่างมวลนั้นกับโลก  แต่มวลนั้นเป็นรากฐานหรือมูลฐานมากกว่าน้ำหนัก มวลคือการวัดเนื้อสารที่มีอยู่จริงในวัตถุ ขึ้นอยู่กับจำนวนและชนิดของอะตอมที่ประกอบกันเป็นสารนั้น น้ำหนักคือการวัดแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัสดุสารหรือวัตถุ และขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งของวัตถุนั้น
     จำนวนของสารในก้อนหินเฉพาะหนึ่งจะเหมือนเดิมไม่ว่าก้อนหินนั้นไปวางอยู่ที่ใด บนโลก บนดวงจันทร์ หรือบริเวณที่อิสระจากแรงกระทำในอวกาศนอกโลก  นั่นเป็นเพราะความเฉื่อยของหินเป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของหินไม่เกี่ยวกับตำแหน่งที่ตั้ง
     แต่น้ำหนักของหินนั้นแตกต่างกันบนโลก บนดวงจันทร์ และแตกต่างกันที่อวกาศนอกโลกถ้าหากก้อนหินนั้นอยู่ห่างออกไปจากแหล่งความโน้มถ่วงที่สูงมาก ที่ผิวดวงจันทร์ก้อนหินนั้นจะมีน้ำหนักเพียงหนึ่งในหกของน้ำหนักบนโลก ทั้งนี้เพราะรุนแรงความโน้มถ่วงมีค่าเพียงหนึ่งในหกเมื่อเปรียบเทียบกับความรุนแรงความโน้มถ่วงบนโลก ถ้าก้อนหินนั้นอยู่ในบริเวณสเปสซ์ที่อิสระจากแรงโน้มถ่วงใดๆ น้ำหนักของก้อนหินนั้นจะเป็นศูนย์ ขณะที่มวลไม่ได้เป็นศูนย์ มวลจึงต่างจากน้ำหนัก ซึ่งเราสามารถกำหนดมวลและน้ำหนักได้ดังนี้
     มวล  ประมาณของสารที่มีในวัตถุ ที่เป็นการเฉพาะขึ้น คือการวัดความเฉื่อย ที่วัตถุนั้นตอบสนองต่อการเริ่มต้น การหยุด หรือเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ใดๆ
     น้ำหนัก แรงเนื่องจากความโน้ม่ถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ

     มวลและน้ำหนักไม่ใช่สิ่งเดียวกัน แต่เป็นสัดส่วนกันและกัน วัตถุที่มีมวลมากจะมีน้ำหนักมาก วัตถุที่มีมวลน้อยจะมีน้ำหนักน้อย ที่ตำแหน่งที่ตั้งเดียวกันได้ว่าสองเท่าของมวลก็จะมีน้ำหนักเป็นสองเท่าเช่นกัน มวลและน้ำหนักจึงเป็นปฏิภาคกันและกัน  มวลนั้นเกี่ยวเนื่องกับปริมาณสารที่มีอยู่ในวัตถุ น้ำหนักเกี่ยวเนื่องกับวัตถุสารนั้นถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงดูดเท่าใด

คำถาม
1.แท่งเหล็ก 2 kg มีความเฉื่อยเป็นสองเท่าของแท่งเหล็ก 1 kg หรือไม่?  เป็นสองเท่าของมวลหรือไม่? เป็นสองเท่าของปริมาตรหรือไม่? เป็นสองเท่าของน้ำหนักที่ตำแหน่งเดียวกันหรือไม่?
2.กล้วยมัดหนึ่งมวล 2 kg มีความเฉื่อยเป็นสองเท่าของขนมปังก้อน 1kg มีมวล น้ำหนัก และปริมาตร เป็น 2 เท่าหรือไม่?

มวล 1 kg  มีน้ำหนัก 9.8 นิวตัน
โดยทั่วไปประเทศต่างๆอธิบายจำนวนสารที่มีอยู่ในวัตถุโดยใช้แรงโนมถ่วงที่ดึงเข้าสู่โลก หรือโดยน้ำหนักของวัตถุนั้น การวัดวัสดุสารมักใช้หน่วยมวล กิโลกรัม (kg) เป็นหน่วยเมตริกสากล(SI) มวลเป็นกิโลกรัม หน่วยของแรงเป็น นิวตัน โดยแรง 1 นิวตัน (N) ตั้งให้เกียรติแก่นิวตัน ถุงตะปู 1 กิโลกรัมมีน้ำหนักในระบบหน่วยSI เท่ากับ 9.8 นิวตัน  ที่ห่างไกลจากผิวพื้นโลกที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงน้อยจะมีน้ำหนักน้อย

คำถาม
ข้อความที่กล่าวว่า ถุงตะปู 1 กิโลกรัมมีน้ำหนัก 9.8 N ที่ผิวโลก แล้ว 1 Kg โยเกิร์ตหนัก 9.8 นิวตันด้วยหรือไม่

3.6 การเคลื่อนที่ของโลกในรายละเอียด
เมื่อโคเปอร์นิคัสประกาศแนวคิดการเคลื่อนที่ของโลกในศตวรรษที่ 16 มีข้อโต้เถียงเห็นแย้งมากมาย จากแนวคิดที่วิพากษ์วิจารณ์ ข้อโตเถียงอย่างหนึ่งถึงโลกที่เคลื่อนที่ดังนี้
     เมื่อพิจารณานกที่เกาะอยู่บนยอดไม้ บนพื้นดินก็มีตัวหนอนเคลื่อนที่ นกมองเห็นหนอนบินร่อนลงมาจับหนอนกิน เรื่องนี้คงเป็นไปไม่ได้ถ้าโลกเคลื่อนที่ตามที่โคเปอร์นิคัสเสนอแนะ ถ้าโคเปอร์นิคัสถูกต้อง ว่าโลกคงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 107000 km/h ในการเคลื่อนที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ใน 1 ปี  โดยแปลงอัตราเร็วเป็น กิโลเมตรต่อวินาทีก็จะได้อัตราเร็ว 30 km/s แม้ว่านำจากเคลื่อนลงจากกิ่งไม้มาใน 1 วินาทีตัวหนอนก็อาจจะเคลื่อนไปจากการเคลื่อนที่ของโลก ถึง 30 กิโลเมตรห่างออกไป สำหรับนกที่จะไปจับหนอนภายใต้สถานะการณ์แบบนี้จึงเป็นไปไม่ได้  ตามความจริงนกจับหนอนจากตำแหน่งที่สูงบนต้นไม้ที่มีหลักฐานชัดแจ้งว่าโลกนั้นหยุดนิ่ง
    เราสามารถที่จะปฏิเสธข้อโต้แย้งนี้ได้หรือไม่ เราสามารถทำได้ไม่ยากถ้านำแนวคิดเรื่องความเฉื่อยมาใช้  เห้นได้ว่าไม่เพียงแต่โลกเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 30km/s เท่านั้น ตั้นไม้ กิ่งไม้ นกที่เกาะอยู่บนกิ่งไม้ หนอนข้างล่าง และอากาศที่แทรกอยู่ ต่างก็เคลื่อนที่ด้วย 30 km/s  วัตถุที่เคลื่อนที่ก็ยังคงเคลื่อนที่ถ้าไม่มีแรงภายนอก(ที่ไม่สมดุลย์)มากระทำ ดังนั้นเมื่อนกบินร่อนลงมาจากกิ่งไม้อัตราเร็วไปด้านหนึ่ง 30 km/s ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นกจับหนอนกินได้โดยไม่ได้รับผลกระทบจากการเคลื่อนที่ผลรวมของสิ่งแวดล้อม
     เมื่อเรายืนหน้ากำแพง เมื่อกระโดดขึ้นดังนั้นเท้าของเราไม่ได้แตะอยู่กับพื้น ทำไมกำแพงที่เคลื่อนที่ 30 km/s ไม่ชนตัวเรา ทำไม  คำตอบง่ายๆ ก็คือเราก็เคลื่อนที่เท่ากับ 30 km/s อยู่เหมือนกัน ก่อน ระหว่าง และหลังการกระโดด อัตราเร็ว 30 km/s เป็นอัตราเร็วของโลกเทียบกับดวงอาทิตย์ ไม่ใช่อัตราเร็วของกำแพงเทียบกับเรา
    คนเมื่อสามร้อยปีมาแล้วประสบความยุ่งยากกับแนวคิดเช่นนี้ไม่เพียงแต่เพราะว่าล้มเหลวในการทำความเข้าใจเรื่องความเฉื่อยแล้วยังไม่คุ้นเคยกับการเคลื่อนที่ของยานยนต์ที่อัตราเร็วสูง การขับขี่เกวียนเทียมม้ายังไม่เพียงพอที่จะทดลองให้เห็นถึงค่าความเฉื่อยในสมัยนั้น  ปัจจุบันเราโยนเหรียญในรถหรือเครื่องบินที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง และเราตรวจจับการเคลื่อนที่ของเหรียญในแนวดิ่งเหมือนกับที่เราทำตอนที่รถหยุดนิ่ง  เราจะเห็นหลักฐานยืนยันสำหรับกฏของความเฉื่อยที่เมื่อการเคลื่อนที่ในแนวระดับ ก่อน ระหว่างและหลังจาก การตรวจจับเหรียญเมื่อตกลงมา ซึ่งเราสามารถจับไว้ได้เหมือนกัน แรงโน้มถ่วงในแนวดิ่งมีผลเฉพาะการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งของเหรียญ
    ของสังเกตของเราถึงการเคลื่อนที่ในปัจจุบันแตกต่างจากการเคลื่อนที่ในสมัยโบราณ อริสโตเติลไม่เข้าใจแนวคิดเรื่องความเฉื่อยเพราะว่าล้มเหลวที่จะจินตนาการว่าการเคลื่อนที่จะเป็นอย่างไรถ้าไม่มีความเสียดทานหรือแรงต้าน ตามประสบการณ์ของเขา การเคลื่อนที่ทั้งหมดถูกบังคับควบคุมจากแรงเสียดทานเป็นหลักตามทฤษฎีการเคลื่อนที่ของเขา

ย่อสรุปประจำบทที่ 2 คำถามทบทวน

ย่อสรุปมโนทัศน์

การเคลื่อนที่อธิบายด้วยการสัมพันธ์กับบางสิ่ง
อัตราเร็ว  เป็นการวัดว่าบางสิ่งเคลื่อนที่เร็วเท่าใด
    - อัตราเร็วคืออัตราครอบระยะทาง วันในหน่วยของระยะทางหารด้วยหน่วยของเวลา
    -อัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด คืออัตราเร็วที่ขณะใดๆ
    -อัตราเร็วเฉลี่ยคือระยะทางรวมหารด้วยช่วงเวลาที่ใช้
ความเร็ว คืออัตราเร็วที่ระบุทิศทางในการเคลื่อนที่
    -ความเร็วจะคงที่เฉพาะเมื่อทั้งอัตราเร็วและทิศทางคงที่
ความเร่งหรืออัตราเร่ง คือัตราที่เปลี่ยนแปลงความเร็ว
    -ในทางฟิสิกส์วัตถุหนึ่งๆ พิจารณาให้มีความเร่ง เมื่อวัตถุนั้นมีอัตราเร็วเพิ่มขึ้นหรือลดลง และ/หรือ ทิศทางมีการเปลี่ยนแปลง
    -ความเร่งวัดในหน่วยของอัตราเร็วหารด้วยหน่วยเวลา
การตกอย่างอิสระของวัตถุหนึ่งภายใต้อิทธิพลของความโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว โดยไม่คิดแรงต้านทางอากาศที่จะส่งผลต่อการเคลื่อนที่
    -วัตถุที่ตกอย่างอิสระมีความเร่งคงที่ประมาณ 10 m/s^2

คำถามทบทวน

1. หมายถึงอะไรที่กล่าวว่าการเคลื่อนที่เป็นความสัมพันธ์ ? การเคลื่อนที่ในชีวิตประจำวันการเคลื่อนที่เทียบหรือสัมพันธ์กับอะไร

2. อัตราเร็วเป็นอัตราของอะไรที่เกิดขึ้น

3.ระหว่างอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใดกับอัตราเร็วเฉลี่ย อะไรแตกต่างกัน

4.มีเตอร์ที่แผงควบคุมรถยนต์แสดงค่าอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด หรืออัตราเร็วเฉลี่ย

5.ระหว่างอัตราเร็วกับความเร็วอะไรแตกต่างกัน

6.ถ้ามีเตอรวัดในรถยนต์อ่านค่าอัตราเร็วคงที่ 40 km/h กล่าวได้หรือไม่ว่ารถยนต์วิ่งด้วยความเร็วคงที่ ทำไม หรือ ทำไมไม่

7.การควบคุมการเปลี่ยนอัตราเร็วรถยนต์ 2 อย่างคืออะไร และให้บอกการควบคุมการเปลียนแปลงความเร็ว

8.ปริมาณใดที่อธิบายเร็วเท่าใดที่เปลี่ยนแปลง และเร็วเท่าใดที่เราเดินทาง หรืออย่างเร็วเท่าใดที่เปลี่ยนทิศทาง

9.ความเร่งเป็นอัตราที่ซึ่งอะไรเกิดขึ้น

10.อะไรคือความเร่งของรถยนต์ที่เคลื่อนที่ตามเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่ 100 km/h 

11.อะไรคือความเร่งของรถยนต์ที่ขณะเคลื่อนที่ตามเส้นตรงได้เพิ่มอัตราเร็วจาก 0 เป็น 100 km/h ภายใน 10 วินาที

12.ยานยนต์หนึ่งเคลื่อนที่ตามเส้นตรงด้วยอัตราเร็วเปลี่ยนไปเท่าใดในแต่ละวินาที เมื่อยานยนต์นี้มีความเร่ง 2 km/h.s?  ความเร่ง 4km/h.s? และที่ความเร่ง 10km/h.s?

13.ภายใต้เงื่อนไขใดที่ความเร่งสามารถกำหนดให้เป็นอัตราซึ่งอัตราเร็วเปลี่ยนแปลง

14.ทำไมจีงมีหน่วยของเวลาเขามาเป็นหน่วยของความเร่ง 2 ครั้ง?

15.อัตราเร็วเพิ่มขึ้นแต่ละวินาทีของวัตถุเท่าใดในการตกอย่างเสรีของวัตถุ

16.วัตถุที่ตกลงอย่างเสรีจากหยุดนิ่ง วัตถุมีอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใดเท่าใดที่ปลายวินาทีที่ 6

17.การตกของวัตถุอย่างอิสระที่ปล่อยจากหยุดนิ่ง ความเร่งที่ปลายวินาทีที่ 5 ที่ ุ เป็นเท่าใด และที่ปลายวินาทีที่ t เป็นเท่าใด

18.สำหรับวัตถุที่ขว้างขึ้นตามแนวตรงอัตราเร็วที่่ขณะหนึ่งขณะใดที่จุดสูงสุดที่ขึ้นไปได้ และมีความเร่งเท่าใด ที่จุดนี้

19.ได้ระยะทางเท่าใดที่วัตถุตกอย่างอิสระจากตำแหน่งที่หยุดนิ่งเป็นเวลา 5 วินาที , 6 วินาที

20.วัตถุจะเคลื่อนที่ได้เท่าใดใน 1 วินาทีถ้าค่าอัตราเร็วเฉลี่ยระหว่าง ๅ วินาที 5 m/s

21.วัตถุทืี่ตกอย่างอิสระจากที่หยุดนิ่งได้ไกลเท่าใดเมื่อมีความเร็วขณะหนึ่งขณะใด 10 m/s

22.ความต้านทานอากาศลดหรือเพิ่มความเร่งในการตกของวัตถุ

23.สมการใดที่บอกให้ทราบว่าเร็วเท่าใดในการตกของวัตถุจากที่หยุดนิ่ง และสมการใดที่บอกให้ทราบว่าวัตถุตกลงมาได้ระยะทางเท่าใด

24ทำไมถึงกล่าววาความเร่งเป็นอัตราของอัตรา

บทที่ 2การเคลื่อนที่

การเคลื่อนที่มีอยู่รอบตัวเรา กลางคืนจะเห็นการเคลื่อนที่ของดวงดาว  การเคลื่อนที่ของอะตอมแม้จะมองไม่เห็น ทำให้เกิดความร้อน หรือเสียง การเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนก่อให้เกิดไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์ การเคลื่อนที่จึงมีทุกหนทุกแห่ง แม้ว่าสิ่งที่เห็นจะหยุดนิ่ง แต่เมื่อพิจารณาในรายละเอียดจะพบว่าไม่มีอะไรที่หยุดนิ่งมีแต่การเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน

      ความพยายามจะอธิบายการเคลื่อนที่โดยอาศัย อัตรา ที่ให้ปริมาณหารด้วยเวลา ซึ่งจะบอกว่าบางสิ่งเร็วเท่าใด หรือบางอย่างเปลี่ยนแปลงเท่าใดในช่วงเวลาที่แน่ชัด ในบทนี้จะได้เรียนรู้ที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ด้วยอัตรา ที่รู้จักคือ อัตราเร็ว, ความเร็ว และความเร่ง

2.1 การเคลื่อนที่เป็นความสัมพันธ์

      ทุกสิ่งเคลื่อนที่แม้ว่าสิ่งที่เห็นว่าหยุดนิ่งก็ตาม เป็นการเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับหรือ สัมพันธ์กับ  ดวงอาทิตย์ ดวงดาว หนังสือวางนิ่งบทโตะ หรือหนังสืออยู่นิ่งเมื่อเทียบกับโต๊ะ  แต่ทุกอย่างเคลื่อนที่ 30 กิโลเมตรต่อวินาทีเมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ และจะยิ่งมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้นไปอีกเมื่อเทียบกับศูนย์กลางดาราจักร (galaxy) เมื่ออภิปรายถึงการเคลื่อนที่ของบางอย่าง เราอธิบายการเคลื่อนที่เทียบกับสิ่งอื่น เมื่อกล่าวว่ายานกระสวยเคลื่อนที่ 8 กิโลเมตรต่อวินาที เราหมายถึงเทียบกับโลกด้านล่าง ในการแข่งรถยนต์ ที่กล่าวว่ารถอินดิเข้าถึงอัตราเร็ว 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แน่นอนว่าเราหมายถึงเทียบกับทางวิ่ง นอกจากว่าเป็นอย่างอื่น  เมื่อเราพูดถึงอัตราเร็วของสิ่งต่างๆในสิ่งแวดล้อมของเรา นั้นจะคิดเทียบกับพื้นผิวโลกเสมอ

2.2 อัตราเร็ว
     วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่เดินทางด้วยระยะทางหนึ่งในเวลาที่กำหนด  ตัวอย่างเช่นรถยนต์คันหนึ่งเดินทางได้หลายกิโลเมตรใน 1 ชั่วโมง  อัตราเร็วเป็นการวัดว่ามีวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่มีความเร็วเท่าใด เป็นเรื่องของอัตราของระยะทาง คำว่าอัตราเป็นนัย บอกใบ้ว่ามีบางอย่าง(ปริมาณ)หารด้วยเวลา  อัตราเร็วมักจะวัดในเทอมของหน่วยระยะทางหารด้วยหน่วยเวลา จึงกำหนดอัตราเร็วเป็นระยะทางที่วัตถุอย่างใดอย่างหนึ่งเคลื่อนที่ไปได้ต่อหน่วยเวลา คำว่าต่อ (per) หมายถึงหารด้วย การรวมหน่วยระยะทางและเวลาให้เป็นหน่วยของอัตราเร็ว เช่นกิโลเมตรรต่อชั่วโมง(km/h) ไมล์ต่อชั่วโมง (mi/h) เมตรต่อวินาที (m/s) เซ้นติเมตรต่อวัน (อัตราเร็วหอยทากที่ป่วย) เครื่องหมาย / อ่านว่า ต่อ

อัตราเร็วโดยประมาณในหน่วยที่ต่างกัน
40 km/h   =  25 mi/h  = 11 m/s
80 km/h   =  50 mi/h  = 22 m/s
120 km/h = 75 mi/h   = 33m/s

    อัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่ง 
รถยนต์ที่วิ่งอยู่ทั่วไปไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่าเดิมตลอดเวลา ตั้งแต่เริ่มต้นออกรถ แล้วค่อยเพิ่มความเร็วขึ้นจนถึงระดับที่ต้องการ  บางคร้งก็ต้องหยุดที่ไฟแดง บางครั้งต้องชะลอรถด้วยเหตุต่างๆ อ้ตราเร็วรถที่สถานะการณ์ต่างๆ นั้นเรียกว่าอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด(instantaneous speed)
    อัตราเร็วเฉลี่ย (average speed)
ในการวางแผนการเดินทางส่วนใหญ่อยากทราบว่าใช้เวลานานเท่าใดโดยประมาณ เพื่อเดินทางให้ถึงเป้าหมายที่ต้องการหรือกำหนด  แน่นอนว่าไม่ได้ขับรถด้วยอัตราเร็วเดียวตลอดเวลา ไม่ได้สนใจว่าที่ขณะหนึ่งขณะใดรถวิ่งด้วยอัตราเร็วเท่าใด ส่วนใหญ่ให้ความสำคัญกับอัตราเร็วเฉลี่ย โดยที่

    อัตราเร็วเฉลี่ย  =      ระยะทางรวมที่รถวิ่ง
                                      เวลาที่ใช้
การคำนวณหาอัตราเร็วเฉลี่ยได้ไม่ยาก  ตัวอย่างเช่นถ้าขับรถได้ระยะทาง 60 กม. ในเวลา 1 ชม กล่าวได้ว่าอัตราเร็วเฉลี่ยเท่ากับ 60 กม./ชม. ถ้าเคลื่อนที่ได้ 240 กม. ในเวลา 4 ชม.  หาอัตราเร็วเฉลี่ยได้ดังนี้

อัตราเร็วเฉลี่ย    =       ระยะทางรวมทั้งหมด     =   240  = 60 km/h
                                       เวลาที่ใช้ทั้งหมด              4
จะเห็นว่าเมื่อระยะทางวัดเป็นกิโลเมตร(km) หารด้วยเวลาวัดเป็นชั่วโมง(h) ผลลัพธ์คำตอบที่ได้เป็น กิโลเมตรต่อชั่วโมง (km/h)

     เนื่องจากอัตราเร็วเฉลี่ยคือระยะทางครอบคลุมทั้งหมดที่เดินทางได้หารด้วยเวลารวมทั้งหมดที่ใช้ในการเดินทาง ไม่ได้บ่งบอกถึงอ้ตราเร็วที่แตกต่างและการเปลี่ยนแปลงอัตราเร็วที่อาจเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ ในทางปฏิบัติเรามีประสบการณ์กับอัตราเร็วที่หลากหลายเกือบตลอดการเดินทาง  ดังนั้นอัตราเร็วเฉลี่ยจึงต่างจากอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด ไม่ว่าเรากล่าวถึงอัตราเร็วเฉลี่ยหรืออัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใด เรากำลังพูดถึงอัตราที่เคลื่อนที่ไปตามระยะทาง

โจทย์คำถาม 
1.เมื่อเดินทางเซ็ตมีเตอร์รถยนต์ให้เป็นศูนย์ เมื่อเวลาผ่านไปครึ่งชั่วโมง มีเตอร์อ่านได้ 35 Km  a)จงคำนวณหาอัตราเร็วเฉลี่ย b) เป็นไปได้หรือไม่ที่จะขับรถที่อัตราเร็วเฉลี่ยนี และขับไม่เกิน 70 km/hที่อ่านจากมีเตอร์เลยตลอดเส้นทาง
2. เสือชีต้าวิ่งได้ด้วยอัตราเร่ง 25m/s  ใน 1 วินาทีได้ระยะทาง 25 เมตรเสมอ ดัวยอัตรานี้ เสือจะวิ่งได้ไกลเท่าใดเมื่อเวลาผ่านไป 10 วินาที และ 1 นาที

2.3 ความเร็ว (velocity)
      ตามภาษาพูดเรามักจะใช้คำว่าอัตราเร็วและความเร็วสลับกันไปมาในความหมายเดียวกัน ในทางฟิสิกส์ ได้ทำให้แตกต่างกัน โดยที่กำหนดให้ความเร็วคืออัตราเร็วตามทิศทางที่กำหนด  เมื่อกล่าวว่ารถเดินทางได้ 60 km/h บ่งขี้ถึงอัตราเร็ว  แต่ถ้ากล่าวว่า รถยนต์เคลื่อนที่ 60 km/hไปทางเหนือ เป็นการบ่งชี้ถึงความเร็ว  จากอัตราเร็วเป็นการอธิบายว่าเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร ส่วนความเร็วกำหนดว่าเคลื่อนที่เร็วเท่าใดในทิศทางใด

โจทย์คำถาม
1. มีเตอร์รถยนต์คันหนึ่งเคลื่อนที่ไปทางเหนืออ่านได้ 60 km/h วิ่งผ่านรถยนต์อีกคันที่เคลื่อนที่ไปทางใต้ 60 km/h รถยนต์ทั้งสองคันมีอัตราเร็วเดียวกันหรือไม่ และรถทั้งสองคันมีความเร็วเดียวกันหรือไม่?

ความเร็วคงที่
จากนิยามที่กำหนดความเร็ว  การที่มีความเร็วคงที่นั้นต้องมีทั้งอัตราเร็วและทิศทางคงที่  อัตราเร็วคงที่หมายถึงการเคลื่อนที่ยังคงอยู่ที่อัตราเร็วเดิม วัตถุที่เคลื่อนที่ไม่ได้เคลื่อนที่เร็วขึ้นหรือช้าลง ส่วนทิศทางคงที่หมายถึงการเคลื่อนที่อยู่ในเส้นตรง เส้นทางการเคลื่อนที่ไม่เป็นทางโค้ง การเคลื่อนที่ที่ความเร็วคงที่เป็นการเคลื่อนที่ตามเส้นตรงด้วยอัตราเร็วคงที่

การเปลี่ยนแปลงความเร็ว
   ถ้าอัตราเร็ว หรือ ทิศทาง หรือทั้งสองอย่างกำลังเปลี่ยนแปลง  แล้วความเร็วพิจารณาว่ากำลังเปลี่ยนแปลง ความเร็วคงที่กับอัตราเร็วคงที่ไม่เหมือนกัน  ตัวอย่างเช่นวัตถุหนึ่งอาจเคลื่อนที่อัตราเร็วคงที่ตามเคิรฟ หรือทางโค้ง แต่ไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่เพราะทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนไปทุกขณะ

โจทย์คำถาม
1. จงบอกอุปกรณ์ควบคุมที่ใช้ในรถยนต์ ในกรณีที่ใช้เพิ่มอัตราเร็ว  ลดอัตราเร็ว  และที่ใช้ในเปลียนทิศทางของรถยนต์

2.4 ความเร่ง (Acceleration)
เราสามารถเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยการเปลี่ยนอัตราเร็ว โดยการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่หรือโดยก่ารเปลี่ยนทั้งอัตราเร็วและทิศทาง บางครั้งเราสนใจว่าเร็วเท่าใดที่ความเร็วเปล่ี่ยนไป คนขับรถบนถนน 2 เลน ที่ต้องการแซงรถอีกคันโดยการเพิ่มความเร็วรถให้เร็วขึ้นในช่วงระยะเวลาสั้นๆ อัตราที่ความเร็วเปลี่ยนไปเรียกว่าความเร่ง เพราะว่าความเร่งเป็นอัตราเป็นการวัดว่าเร็วเท่าใดที่ความเร็วเปลี่ยนไปต่อหน่วยของเวลา

                 ความเร่ง  =  การเปลี่ยนความเร็ว
                                      ช่วงเวลา

เราต่างคุ้นเคยกับความเร่งรถยนต์ เมื่อคนขับเหยียบคันเร่ง ผู้โดยสารที่นั่งในรถจะรู้ได้ถึงความเร่ง ที่เหมือนมีแรงดันให้ตัวเคลื่อนไปด้านหลังจากตำแหน่งที่นั่ง แนวคิดหลักในการกำหนดความเร่งคือการเปลี่ยนแปลง เมื่อไรก็ตามที่เราเปลี่ยนสถานะการเคลื่อนที่ เรากำลังมีความเร่ง รถยนต์ที่สามารถเร่งขึ้นได้ดีมีความสามารถในการเปลี่ยนความเร็วได้อย่างรวดเร็ว รถยนต์ที่เคลื่อนไปจากความเร็วเป็น 0 ไปเป็นความเร็ว 60 km/h ภายใน 5 วินาที จะมีความเร่งมากกว่ารถยนต์อื่นที่มีความเร่งจาก 0 ไปเป็น 80 km/h ในเวลา 10 วินาที  ดังนั้นการมีความเร่งที่ดีคือการเปลี่ยนได้เร็ว และไม่จำเป็นต้องเร็ว

ในทางฟิสิกส์เทอมความเร่งประยุกต์ใช้กับการลดความเร็วด้วยเช่นเดียวกับการเพิ่มอัตราเร็ว เบรคของรถยนต์สามารถสร้างแรงต้านความเร่งได้สูง นั่นคือสามารถที่จะลดอัตราเร็วต่อวินาที การเป็นเช่นนี้มักเรียกกันว่าการลดความเร่งหรือการหน่วงหรือความเร่งแบบลบ  เรารู้ได้ถึงความหน่วงเมื่อรถเบรคกระทันหันตัวเราจะเคลื่อนคม่าไปด้านหน้า

ความเร่งยังประยุกต์ใช้กับการเปลี่ยนทิศทางเช่นเดียวกับการเปลี่ยนอัตราเร็ว หากเรานั่งรถยนต์ตามทางโค้งด้วยอัตราเร็วคงที่ 50  km/h เราจะรู้ได้ถึงผลของการเคลื่อนที่เป็นทางโค้งที่ทำให้รู้สึกว่าตัวเราเคลื่อนไปทางด้านนอกของทางโค้ง เราอาจจะเคลื่อนด้วยอัตราเร็วคงที่แต่ความเร็วไม่ได้คงที่เพราะว่าทิศทางเปลี่ยนไปและถือว่าตัวเรามีความเร่งพร้อมกับรถ ตอนนี้จะเห็นได้ว่าทำไมต้องแบ่งแยกระหว่างอัตราเร็วและความเร็ว และทำไม่จำกับหนดความเร่งเป็นอัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วมากกว่าที่จะเป็นอัตราเร็ว  ความเร่งเหมือนกับความเร็วที่มีทิศทาง ถ้าเราเปลี่ยนอัตราเร็วหรือทิศทางหรือทั้งสองถือว่าเราเปลี่ยนความเร็วและเรามีความเร่ง

ในกรณีที่การเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงอาจให้อัตราเร็วกับความเร็วเหมือนกันได้หรือสลับกัน เมื่อทิศทางไม่มีการเปลี่ยนแปลง แล้วความเร่งสามารถกำหนดเป็นอัตราที่เปลี่ยนอัตราเร็วได้

เนื่องจากความเร่งคืออัตราการเปลี่ยนความเร็วหรืออัตราเร็วต่อช่วงเวลา จะมีหน่วยเป็นหน่วยของอัตราเร็วต่อเวลา  ถ้าเราเร่งความเร็วขึ้นโดยไม่เปลี่ยนทิศทางจาก 0 ไปถึง 10 km/h ใน 1 วินาทีการเปลี่ยนแปลงอัตราเร็ว 10 km/h ในช่วงเวลา 1 วินาที ความเร่งตามเส้นตรง คือ

             ความเร่ง  =   การเปลี่ยนอัตราเร็ว   =  10 km/h   =  10 km/h
                                     ช่วงเวลา                        1 s  

ความเร่ง 10 km/h.s อ่านว่า 10 กิโลมีเตอร์ต่อชั่วโมงวินาที จะเห็นว่าเป็นหน่วยเวลาที่ 2  เวลาแรกในหน่วยของอัตราเร็ว เวลาที่สองเป็นช่วงเวลาที่อัตราเร็วเปลี่ยนแปลง

โจทย์คำถาม
1. สมมุติว่า รถยนต์คนหนึ่งเคลื่อนที่ไปตามแนวเส้นตรงสม่ำเสมอเพิ่มอัตราเร็วขึ้นทุกวินาที  ครั้งแรกเพิ่มจาก 35 ไปเป็น 40 km/h รถมีความเร่งเท่าใด
2. ภายใน 5 วินาทีรถยนต์คันหนึ่งเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรงเพิ่มอัตราเร็วจาก 50 km/h ไปเป็น 65 km/h ขณะที่รถบรรทุกเคลื่อนจากหยุดนิ่งไปเป็น 15 km/h ตามแนวเส้นตรง รถคันใดที่มีความเร่งมากกว่า และรถแต่ละคันมีความเร่งเท่าใด

2.5 การตกอย่างอิสระ เร็วเท่าใด
เมื่อปล่อยก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้น กันหินนั้นมีความเร่งหรือไม่ขณะที่ตกลงมา เรารู้ว่าก้อนหินเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่หยุดนิ่ง และเพิ่มอัตราเร็วขณะที่กำลังตกลงมา การที่อัตราเร็วเพิ่มขึ้นแสดงว่าก้อนหินมีความเร่งนั่นเองขณะที่ตกลงมา

ความโน้มถ่วงเป็นตัวการทำให้ก้อนหินตกสู่พื้น ตามสภาพจริงมีแรงต้านของอากาศมีผลต่อความเร่งของของวัตถุที่กำลังตกลงมา ลองจินตนาการว่าถ้าไม่มีแรงต้านทานของอากาศแล้วการตกลงมาของวัตถุเป็นผลจากความโน้มถ่วงอย่างเดียวถือว่าเป็นการตกอย่างอิสระ

ตาราง 2.2 แสดงการตกอย่างอิสระของวัตถุจากหยุดนิ่ง

เวลาที่ผ่านไป                    อัตราเร็วที่ขณะหนึ่ง
        0                                       0
        1                                       10
        2                                       20
        3                                       30
        4                                       40
        .                                         .
        t                                        10t

จากตามรางข้างบนเห็นแนวทางที่อัตราเร็วเปลี่ยนแปลง ระหว่างแต่ละวินาทีของการตกอัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งของวัตถุเพิ่มขึ้นเพิ่มเติม 10 เมตร ต่อวินาที อัตราเร็วที่เพิ่มขึ้นต่อวินาทีคือความเร่ง

           ความเร่ง  =  การเปลี่ยนอัตราเร็ว  =   10 m/s   =  10 m/s.s
                                  ช่วงเวลา                       1s

จะเห็นว่าการเปลี่ยนอัตราเร็วเป็น m/s ช่วงเวลาเป็น s ความเร็งก็จะเป็น m/s^2 (อ่านว่าเมตรต่อวินาที่ยกกำลังสอง) หน่วยของเวลานำเข้ามาสองครั้งจากอัตราเร็วและจากเวลาช่วงที่มีการเปลี่ยนความเร็ว

การตกของวัตถุภายใต้เงื่อนไขที่ไม่คิดแรงต้านจากอากาศประมาณ 10 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง (10 m/s^2) สำหรับการตกอย่างอิสระมักจะใช้ตัวอักษร g แทนความเร่ง (เพราะเป็นการตกอย่างอิสระเกิดความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วง)  แม้ว่าค่า g จะเปลี่ยนไปบ้างเล็กน้อยตามตำแหน่งส่วนต่างๆของโลกที่แตกต่างกัน โดยมีค่าเฉลี่ยประมาณใกล้เคียง 10 m/s^2  ที่ค่าถูกต้องใกล้เคียงมากยิ่งขึ้นที่ 9.8 m/s^2  แต่จะง่ายกว่าที่จะเห็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องเมื่อปัดเลขให้เป็นจำนวนเต็ม 10 m/s^2  เมื่อไรที่ต้องการความละเอียดเป็นสำคัญก็ใช้ค่าความเร่งเป็น 9.8 m/s^2  เป็นค่าระหว่างการตกอย่างอิสระ
     จะเห็นว่าตามตามรางข้างบนอัตราเร็วที่ขณะหนึ่งขณะใดของวัตถุที่กำลังตกลงมาจากจุดหยุดนิ่งเท่ากับค่าความเร่งคูณด้วยเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนตกลงมา

             อัตราเร็วที่จุดใดจุดหนึ่ง  = ความเร่ง x เวลาที่ใช้ไป

อัตราเร้วที่ขณะใดขณะหนึ่ง v  ของวัตถุตกลงมาจากจุดหยุดนิ่งเป็นช่วงเวลา t  สามารถเขียนได้ดังนี้

                            v = gt

สัญลักษณ์ v แทนทั้ง อัตราเร็ว และความเร็ว ตรวจสอบการใช้สมการนี้กับตางที่บันทึกค่าไว้แล้ว  เมื่อไรก็ตามที่ความเร่ง g = 10 m/s^2 คูณกับเวลาที่ผ่านไปเป็นวินาทีก็จะได้อัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งเป็นเมตรต่อวินาที

โจทย์คำถาม
ให้คำนวณหาอัตราเร็วหลังจาก ตกลงมาจากจุดหนุดนิ่งได้ 4.5 วินาที และอัตราเร็วจะเป็นเท่าใด หลังจาก 8 วินาที และ 100 วินาที

ที่ผ่านมาเราได้พิจารณาวัตถุที่เคลื่อนที่ลงเป็นเส้นตรงภายใต้ความโน้มถ่วง  ตอนนี้จะพิจารณาเมื่อขว้างวัตถุขึ้นไปในแนวดิ่งหรือแนวตั้ง วัตถุก็จะเคลื่อนไปตามเส้นในแนวดิ่งครู่หนึ่ง แล่วจะตกลงมา ที่จุดสูงสุดที่วัตถุขึ้นไปได้ ขณะที่กำลังเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่จากทิศขึ้นมาทิศลงนั้น อัตราเร็วขณะหนึ่งขณะใดเป็น 0 แล้วเริ่มต้นเคลื่อนที่ลงเหมือนกับที่ปล่อยจากจุดที่หยุดนิ่ง

ขณะที่มีการเคลื่อนที่ขึ้นวัตถุเคลื่อนที่ช้าลงจากความเร็วทิศขึ้นเข้าสู่ความเร็ว  ทราบได้ว่าเป็นความเร่งเนื่องจากการเปลี่ยนความเร็ว โดยอัตราเร็วลดลง  ความเร่งที่มีทิศขึ้นจะเหมือนกับความเร่งที่เกิดขึ้นทิศลง g = 10m/s^2  อัตราเร็วที่ขณะใดขณะหนึ่งตามเส้นทางเหมือนกันไม่ว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลงดังรูป

จากรูปอัตราซึ่งอัตราเร็วเปลี่ยนแต่ละวินาทีเหมือนกันไม่ว่าจะเคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลง เพียงแต่ในทิศทางที่ต่างกัน ดังนั้นความเร็วจึงแตกต่างกัน ในแต่ละวินาทีอัตราเร็วหรือความเร็วเปลี่ยนไป 10  m/s ความเร่งเท่ากับ 10 m/s^2 ตลอดเวลาไม่ว่าวัตถุเคลื่อนที่ขึ้นหรือเคลื่อนที่ลง

2.6 ระยะทางจากการตกอย่างอิสระ 

การตกอย่างอิสระลงมาด้วยความเร็วเท่าใด ต่างจากการตกลงมาได้ระยะทางเท่าใด เพื่อให้เข้าใจเรื่องนี้กลับไปที่ตารางแสดงการตก ตอนปลายวินาทีแรก และวัตถุเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วขณะหนึ่งขณะใด 10 m/s  เป็นการเคลื่อนที่ได้ระยะทาง 10 m ในวินาทีแรกหรือไม่ คงไม่ใช่เพราะเรารู้ว่าอัตราเร็วเริ่มจาก 0 อัตราเร็วเฉลี่ยไม่ใช่ 10 m/s แน่นอน อัตราเร็วเฉลี่ยควรจะเป็นค่าเฉลี่ยของความเร็วต้นบวกความเร็วปลายวินาที่แรกหารด้วย 2  นั้นคือ (0+10)/2 = 5 m/s ในช่วงเวลาวินาทีแรก เมื่ออัตราเร็วเฉลี่ย 5m/s ได้ระยะทาง 5 m

โจทย์คำถาม 

1ระหว่างช่วงเวลาเป็นวินาที ตามตาราง วัตถุเริ่มต้นที่ 10 m/s สิ้นสุดที่ 20 m/s จงหาอ้ตราเร็วเฉลี่ยของวัตถุในช่วงเวลา 1 วินาที่ และมีความเร่งเท่าใด

2. แอปเปิลผลหนึ่งหล่นจากต้นกระทบพื้นใน 1 วินาที มีอัตราเร็วเทาใดขณะกระทบพื้น อัตราเร็วเฉลียเท่าใดระหว่างเวลา 1 วินาที  ผลไม้นี้อยู่สูงจากพื้นเท่าใดตอนที่กำลังจะหล่นจากต้น

ตาราง 2.3 ระยะทางการตกอิสระของวัตถุจากที่หยุดนิ่ง

เวลาที่หมดไป                  ระยะทางที่ตกลงมาได้ (เมตร)

      0                                            0

      1                                            5

      2                                            20

      3                                            45

      4                                            80

      .                                              .

      t                                             1 g t^2

                                                    2

    ตาราง 2.3 ข้างล่างแสดงระยะทางรวมที่วัตถุเคลื่อนที่จากการตกอย่างเสรี จากการปล่อยจากที่หยุดนิ่ง เป็นเวลา 1วินาที ตกลงมาได้ 5 เมตร   2 วินาทีตกลงมาได้ 20 m  3วินาทีตกลงมาได้ 45 เมตร ด้วยค่าระยะทางตามตารางนี้จัดลงรูปแบบทางคณิตศาสตร์เมื่อใช้เวลาไป t วินาที  เมื่อให้วัตถุตกลงมาเป็นระยะทาง d  เท่ากับ 1/2gt^2 

2.7 แรงต้านอากาศกับการตกของวัตถุ

    การปล่อยขนนกและเหรียญให้ตกลงมาเราจะสังเกตเห็นได้ว่าเหรียญจะเคลื่อนตกถึงพื้นก่อนขนนก แรงต้านจากอากาศส่งผลทำให้มีความเร่งในการตกแตกต่างกัน การพิสูจน์ยืนยันในเรื่องนี้ก็โดยการให้ขนนกและเหรียญตกในกระบอกแก้วใสที่ดูดอากาศออกจนเป็นศูนยากาศจะพบว่าขนนกและเหรียญตกถึงพื้นของกระบอกแก้วได้พร้อมกัน สรุปได้ว่าแรงดันอากาศมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของวัตถุที่ตกลงมา เช่นแผนกระดาษหรือขนนกดังกล่าว แต่แรงต้านทานอากาศมีผลกระทบน้อยกับวัตถุที่แข็งกระทัดรัดเช่นก้อนหิน ลูกกอร์ฟ ที่วัตถุลักษระนี้เมื่อเคลื่อนที่ตกลงมาพิจารณาให้เป็นการตกอย่างอิสระได้

2.8 เร็วและไกลเท่าใด และ การเปลี่ยนแปรงเร็วเท่าใด

    ความสับสนที่เกิดขึ้นจากการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของวัตถุที่กำลังตกลงมา เกี่ยวกับการปนกันระหว่าง เร็ว และ ไกลเท่าใด  เมื่อเราต้องการบ่งถึงว่าเร็วเท่าใดบางอย่างเคลื่อนที่ตกอย่างเสรีจากหยุดนิ่ง หลังจากเวลาผ่านไป เรากำลังกล่าวถึงอัตราเร็วหรือความเร็ว สมการที่ให้หาค่า คือ v = gt  เมื่อเราต้องการบ่งถึงว่าวัตถุตกลงมาไกลเท่าใด เรากำลังกล่าวถึงระยะทาง สมการที่ใช้หาระยะทาง คือ 

d = 1/2gt^2

    มโนทัศน์ที่สับสนกันมากที่สุด และคำถามหนึ่งที่ยากที่สุดที่เข้ามาเกี่ยวข้องคือ อย่างเร็วเท่าใดที่อัตราเร็วหรือความเร็วเปลี่ยนแปลง : ความเร่ง  อะไรที่ทำให้ความเร่งมีความซับซ้อน ก็ตรงที่ว่าเป็นอัตราของอัตรา ที่มักจะสับสนกับความเร็วที่ตัวเองก็เป็นอัตรา (อัตราที่ครอบคลุมระยะทาง) ความเร่งไม่ใช่ความเร็วหรือไม่ใช่แม้แต่การเปลี่ยนความเร็ว ความเร่งเป็นอัตราซึ่งความเร็วเองเปลี่ยนแปลง

มคอ.3 แผนการเรียนการสอน

ดูรายละเอียดคลิกที่ภาพข้างบน

สรุปบทที่ 1 คำถามทบทวน

วิทยาศาสตร์คือกิจกรรมเช่นเดียวกับองค์ความรู้
-ฟิสิกส์เป็นพื้นฐานมากที่สุดของวิทยาศาสตร์ทั้งหมด
-การใช้คณิตศาสตร์ช่วยทำให้แนวคิดทางวิทยาศาสตร์ชัดเจนไม่กำกวม

วิธีการทางวิทยาศาสตร์เป็นขั้นตอนกระบวนการสำหรับตอบคำถามเกี่ยวกับโลก  โดยการทดสอบการเดาทายจากการศึกษา หรือสมมุติฐาน และตั้งกฏทั่วไปขึ้นมา
-สมมุติฐานในวิทยาศาสตร์ต้องสามารถทดสอบได้ ซึ่งสามารถเปลี่ยน ละทิ้งยกเลิก ถ้าสมมุติฐานนั้นขัดแย้งกับหลักฐานจากการทดลอง

ทฤษฎีหนึ่งๆคือองค์ความรู้และทดสอบสมมุติฐานมาอย่างดีเกี่ยวกับบางแง่มุมของโลกธรรมชาติ
-ทฤษฎีถูกขยายความปรับปรุงเมื่อได้รวบรวมหลักฐานใหม่

คำถามทบทวน
1. ทำไมฟิสิกส์เป็นพื้นฐานมากที่สุดของวิทยาศาสตร์
2. ทำไมคณิตศาสตร์จึงสำคัญต่อวิทยาศาสตร์
3. วิธีการทางวิทยาศาสตร์คืออะไร
4. ความจริงทางวิทยาศาสตร์เป็นสิ่งที่สมบูรณ์และไม่เปลี่ยนแปลงใช่หรือไม่ อธิบาย
5.จงแบ่งแยกระหว่างสมมุติฐานและทฤษฎี
6. ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ผ่านกระบวนการเปลียนแปลง ถือเป็นจุดแข็งหรือจุดอ่อนทางวิทยาศาสตร์ อธิบาย
7. หมายถึงอะไรที่กล่าวว่า ถ้าสมมุติฐานเป็นวิทยาศาสตร์ แล้วจะต้องมีวิธีการในการพิสูจน์ว่าสมมุติฐานนั้นผิดหรือไม่
8. จงแบ่งแยกให้เห็นความแตกต่างระหว่างวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
Science is a way of Knowing

Technology is a way of doing

บทที่ 1.. เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์

ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ได้นำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงหลายอย่างของโลก คนได้ค้นพบระเบียบแบบแผนจากธรรมธรรมชาติ เช่นการเคลื่อนที่ของดวงดาว การเกิดฤดูกาล และได้เรียนรู้ที่จะทำนายปรากฏการณ์บนฐานของกฏ ระเบียบแบบแผน และเพื่อสร้างความเชื่อมโยงระหว่างสิ่งต่างๆ ซึ่งในตอนแรกเหมือนกับไม่มีความสัมพันธ์ใด วันแล้ววันเล่ามนุษย์เราได้เรียนรู้การทำงานของธรรมชาติ องค์ความรู้ได้พัฒนา เพิ่มมากขึ้นตลอดเวลา ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์ ส่วนทีสำคัญกว่าของวิทยาศาสตร์คือวิธีการที่จะสร้างองค์ความรู้  โดยวิทยาศาสตร์เป็นกิจกรรม กิจกรรมของมนุษย์ เช่นเดียวกับองค์ความรู้

1.1 วิทยาศาสตร์พื้นฐาน .. ฟิสิกส์
วิทยาศาสตร์ในปัจจุบันนั้นเหมือนตรงกับที่เคยเรียกกันว่าปรัชญาธรรมชาติ  โดยที่ปรัชญาธรรมชาติได้ศึกษาคำถามที่ยังตอบไม่ได้เกี่ยวกับธรรมชาติ หรือยังไม่มีคำตอบเกี่ยวกับธรรมชาติ เมื่อพบหรือได้คำตอบแล้วก็จะกลายเป็นวิทยาศาสตร์ดังในปัจจุบัน

การศึกษาวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันจัดแบ่งออกได้เป็นสาขาที่ศึกษาสิ่งมีชีวิตกับสิ่งที่ไม่มีชีวิต หรือจัดเป็นวิทยาศาสตร์ชีวภาพ และวิทยาศาสตร์กายภาพ วิทยาศาสตร์ชีวภาพอาจจัดแบ่งออกเป็น ชีววิทยา สัตวิทยา และพืชศาสตร์ ส่วนวิทยาศาสตร์กายภาพอาจแบ่งออกได้เป็น ธรณีวิทยา ดาราศาสตร์ เคมี และฟิสิกส์

สำหรับฟิสิกส์เป็นมากกว่าเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์กายภาพ  แต่เป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ทั้งหมด  เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของเรื่องพื้นฐานต่างๆ เช่น การเคลื่อนที่ แรง พลังงาน สสาร ความร้อ แสง เสียง องค์ประกอบภายในอะตอม  เคมีเป็นเรื่องเกี่ยวกับสารทีี่มารวมกันอย่างไร อะตอมมารวมกันเป็นโมเลกุลได้อย่างไร และโมเลกุลมารวมกันเป็นชนิดต่างๆ ของสารรวบตัวเราได้อย่างไร ชีววิทยาก็ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเกี่ยวข้องกับสารที่มีชีวิต ภายใต้ชีววิทยาเกี่ยวพันธ์กับเคมี และภายใต้เคมีเกี่ยวพันธ์กับฟิสิกส์  แนวคิดของฟิสิกส์เข้าไปเกี่ยวข้องดังกล่าวเป็นวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนขึ้น นั่นก็คือทำไมฟิสิกส์จึงเป็นวิทยาศาสตร์พื้นฐานมากที่สุด หรือกล่าวได้ว่าเป็นพื้นฐานของพื้นฐานสาขาวิชาอืีนๆ  นักเรียนนักศึกษาสามารถเข้าใจวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปได้ดีกว่ามากถ้าหากเขาเหล่านั้นมีความเข้าใจทางฟิสิกส์อยู่บ้าง

1.2 คณิตศาสตร์ ภาษาของวิทยาศาสตร์
การทำให้วิทยาศาสตร์มุ่งหน้าสู่ความยิ่งใหญ่ในศตวรรษที่ 16  เพื่อพบว่าธรรมชาติสามารถวิเคราะห์ และสามารถอธิบายด้วยคณิตศาสตร์  เมื่อแนวคิดทางวิทยาศาสตร์แสดงได้ด้วยเทอมทางคณิตศาสตร์ ทำให้ไม่กำกวม ทำให้ไม่มีความหมายซ้ำซ้อน ซึ่งมีบ่อยครั้งที่เกิดความซับสนวกวนในการอภิปรายแนวคิดที่แสดงด้วยภาษาทั่วไป  เมื่อการค้นพบในธรรมชาติแสดงด้วยคณิตศาสตร์ ทำให้ง่ายขึ้นที่จะตรวจสอบหรือหักล้างโดยการทดลอง  วิธีการทางคณิตศาสตร์ และการทดลองนำไปสู่ความสำเหร็จอย่างมหาศาลในทางวิทยาศาสตร์

1.3 วิทธีการทางวิทยาศาสตร์
กาลิเลโอนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี(1564-1642) และ ฟรานซิส เบคอน นักปรัชญาชาวอังกฤษ(1561-1642) ได้รับการยกย่องให้เป็นผู้ก่อตั้งวิธีการทางวิทยาศาสตร์(scientific method) เป็นวิธีการส่งผลให้ได้ความรู้ใหม่ จัดระบบ และประยุกต์ใช้ความรู้ใหม่   วิธีการนี้ มีขั้นตอนดังนี้
      -กำหนดปัญหา
      -เดาอย่างมีการศึกษา ..สมมุติฐาน เกี่ยวกับคำตอบ
      -ทำนายผลจากสมมุติฐาน
      -ทดลองเพื่อทดสอบการทำนาย
      -ตั้งหลักทั่วไปอย่างง่ายที่สุดที่จัดระบบองค์ประกอบหลัก 3 อย่าง สมมุติฐาน การทำนาย และผลจากการทดลอง

1.4 เจตคติทางวิทยาศาสตร์
       สมมุติฐานทางวิทยาศาสตร์ ในอีกทางหนึ่งเป็นการเดาทายที่ผ่านการศึกษาที่คิดให้ว่าเป็นจริงจนกระทั่งได้รับการพิสูจน์ยืนยันโดยการทดลอง  เมื่อสมมุติฐานได้รับการทดสอบยืนยันครั้งแล้วครั้งเล่า และไม่ผลครั้งใดที่ขัดแย้งกัน ผลที่ได้ อาจกลายเป็นที่เรียกว่า กฏ หรือ หลักการ
       ถ้านักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสมมุติฐานที่แน่ชัด , กฏ, หรือ หลักการ เป็นจริง แต่พบหลักฐานบางอย่างที่ขัดแย้งกัน แล้วด้วยจิตวิญญาณทางวิทยาศาสตร์ สมมุติฐาน กฏ หรือหลักการ จะต้องเปลี่ยนแปลง หรือละทิ้งไป ด้วยจิตวิญญาณทางวิทยาศาสตร์จะต้องเปลี่ยนแปลงหรือยกเลิก แทนที่จะเป็นชื่อเสียงของบุคคลที่ประกาศสิ่งที่ได้ค้นพบเหล่านั้น

นักวิทยาศาสตร์จะต้องยอมรับการค้นพบและหลักฐานการทดลองอื่น แม้เมื่ออยากให้มีความแตกต่าง ต้องกระหายที่จะแบ่งแยกระหว่าง สิ่งที่เห็นและสิ่งที่ประสงค์จะเห็น  สำหรับนักวิทยาศาสตร์ เหมือนกับคนทั้งหลายที่มีพลังอย่างมากสำหรับที่จะหลอกตัวเองได้  คนโดยมากมีความโน้มเอียงที่จะรับเอากฏทั่วไป (general rule)  ความเชื่อ แนวคิด  อารมณ์ ความรู้สึก และสมมุติฐานโดยปราศจากการตั้งคำถาม ที่คิดให้รอบคอบถึงความถูกต้อง ที่จะให้สิ่งที่รับเอาไว้ยืนยงคงทนต่อไป หลังจากที่ถูกแสดงให้เห็นว่าไม่มีความหมายบ ผิดพลาดหรืออย่างน้อยสามารถเป็นคำถามได้(questionable)  ข้อตกลงที่กระจายไปทั่วมักจะเกิดคำถามน้อยที่สุด บ่อยครั้งที่เมื่อความคิดได้รับการยอมรับ ได้รับความสนใจเป็นพิเศษให้กับกรณีที่ดูเหมือนว่าได้รับการสนับสนุน ขณะที่กรณีที่ดูเหมือนว่าได้รับการปฏิเสธ ไม่ได้รับความสนใจ ทำให้เป็นเรื่องเล็กและละเลยไป

นักวิทยาศาสตร์ใช้คำ ทฤษฎี ในทางที่แตกต่างจากการใช้ในภาษาพูดประจำวัน  ในภาษาพูดทฤษฎีไม่ต่างอะไรกับสมมุติฐานที่ยังไม่ได้ตรวจสอบ  สำหรับทฤษฏีทางวิทยาศาสตร์ในอีกทางหนึ่งเป็นการสังเคราะห์จากสารสนเทศจำนวนมาก ที่ผ่านการทดสอบอย่างดี และตรวจสอบสมมุติฐานเกี่ยวกับแง่มุมที่แน่ชัดของโลกธรรมชาติ ตัวอย่างนักฟิสิกส์กล่าวถึงทฤษฎีของอะตอม นักชีววิทยากล่าวถึงทฤษฎีเซลล์

ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ไม่ได้ตายตัว แต่เปลี่ยนแปลงได้  ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์วิวัฒนาไปในขั้นที่มีการปรับปรุงและกำหนดขึ้นใหม่ ระหว่างร้อยปีที่แล้วทฤษฎีอะตอมได้มีการปรับปรุง ขณะที่มีหลักฐานใหม่ได้รับการรวมรวมและสังเคราะห์ เช่นเดียวกันกับนักชีววิทยาได้ปรับปรุงทฤษฏีเซลล์

การที่ได้ปรับปรุงทฤษฎีถือว่าเป็นจุดแข็งอันเป็นศักยภาพของวิทยาศาสตร์ สมรรถนะของนักวิทยาศาสตร์จะต้องเป็นเหมือนผู้เชี่ยวชาญในการเปลี่ยนความคิดของเขา อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนความคิดเฉพาะเมื่อเผชิญกับหลักฐานการทดลองที่ยืนยันมั่นคงแจ่มแจ้ง ถึงส่วนที่ขัดแย้งหรือคอนเซ็บสมมุติฐานที่ง่ายกว่าที่บังคับให้ไปสู่ทัศนะใหม่ มีความสำคัญมากกว่าที่จะป้องกันความเชื่อที่กำลังปรับปรุง สมมุติฐานที่ดีกว่าทำโดยคนที่ซื่อสัตย์ตามความเป็นจริง

1.6 วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี
 วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแตกต่างกันและกัน วิทยาศาสตร์คือวิธีการในการตอบคำถามเชิงทฤษฎี เทคโนโลยีเป็นวิธีการที่จะแก้ปัญหาในทางปฏิบัติ วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการค้นพบความจริงและความสัมพันธ์ระหว่างการสังเกตปรากฏการณ์ในธรรมชาติ  และตั้งเป็นทฤษฎีที่จัดระเบียบระบบและทำความเข้าใจกับความจริงและความสัมพันธ์ดังกล่าว ส่วนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับเครืิ่องมือ เทคนิค และขั้นตอนวิธีการสำหรับนำสิ่งที่ค้นพบทางวิทยาศาสตร์มาใช้

ข้อแตกต่างระหว่างวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเมื่อเกี่ยวข้องกับผลกระทบต่อความเป็นอยู่ของมนุษย์ วิทยาศาสตร์กันผลกระทบต่อความเป็นอยู่ของมนุษย์ออกไป  นักวิทยาศาสตร์ที่แสวงหากความเข้าใจการทำงานของธรรมชาติไม่สามารถไปมีอิทธิพลได้โดยตัวเองหรือบุคคลอื่นของการชอบหรือไม่ชอบหรือแนวคิดยอดนิยมเกี่ยวกับอะไรที่ถูกต้อง อะไรที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบอาจทำให้ช็อคหรือทำให้คนโกรธ ดังทฤษฎีวิวัฒนาการของของดาร์วิน เป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ หรือทฤษฎีที่ไม่เป็นที่พอใจ มีทางเลือกทืี่จะไม่สนใจในประเด็นนี้

เราคุ้นเคยกับการใช้เทคโนโลยีในทางที่ผิด คนจำนวนมากตำหนิเทคโนโลยี โดยตัวเองสำหรับการแผ่กระจายมลภาวะและการลดลงของทรัพยากร และแม้แต่การเสื่อมสลายของสังคมโดยทั่วไป  มีอยู่มากอันเป็นพันธะสัญญาของเทคโนโลยีที่ยังคลุมเครือ  พันธะสัญญาดังกล่าวทีี่สะอานขึ้น และโลกที่สุุขภาพอนามัยที่ดีกว่า  เป็นการฉลาดกว่าที่จะต่อต้านอันตรายจากเทคโนโลยีด้วยความรู้มากกว่าความไม่รู้ การประยุกต์อย่างชาญฉลาดของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสามารถนำไปสู่คุณภาพชีวิตและโลกที่ดีกว่า

วิทยาศาสตร์พื้นฐาน .. ฟิสิกส์

วิทยาศาสตร์ในปัจจุบันนั้นเหมือนตรงกับที่เคยเรียกกันว่าปรัชญาธรรมชาติ  โดยที่ปรัชญาธรรมชาติได้ศึกษาคำถามที่ยังตอบไม่ได้เกี่ยวกับธรรมชาติ หรือยังไม่มีคำตอบเกี่ยวกับธรรมชาติ เมื่อพบหรือได้คำตอบแล้วก็จะกลายเป็นวิทยาศาสตร์ดังในปัจจุบัน

การศึกษาวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันจัดแบ่งออกได้เป็นสาขาที่ศึกษาสิ่งมีชีวิตกับสิ่งที่ไม่มีชีวิต หรือจัดเป็นวิทยาศาสตร์ชีวภาพ และวิทยาศาสตร์กายภาพ วิทยาศาสตร์ชีวภาพอาจจัดแบ่งออกเป็น ชีววิทยา สัตวิทยา และพืชศาสตร์ ส่วนวิทยาศาสตร์กายภาพอาจแบ่งออกได้เป็น ธรณีวิทยา ดาราศาสตร์ เคมี และฟิสิกส์

สำหรับฟิสิกส์เป็นมากกว่าเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์กายภาพ  แต่เป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ทั้งหมด  เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของเรื่องพื้นฐานต่างๆ เช่น การเคลื่อนที่ แรง พลังงาน สสาร ความร้อ แสง เสียง องค์ประกอบภายในอะตอม  เคมีเป็นเรื่องเกี่ยวกับสารทีี่มารวมกันอย่างไร อะตอมมารวมกันเป็นโมเลกุลได้อย่างไร และโมเลกุลมารวมกันเป็นชนิดต่างๆ ของสารรวบตัวเราได้อย่างไร ชีววิทยาก็ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเกี่ยวข้องกับสารที่มีชีวิต ภายใต้ชีววิทยาเกี่ยวพันธ์กับเคมี และภายใต้เคมีเกี่ยวพันธ์กับฟิสิกส์  แนวคิดของฟิสิกส์เข้าไปเกี่ยวข้องดังกล่าวเป็นวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนขึ้น นั่นก็คือทำไมฟิสิกส์จึงเป็นวิทยาศาสตร์พื้นฐานมากที่สุด หรือกล่าวได้ว่าเป็นพื้นฐานของพื้นฐานสาขาวิชาอืีนๆ  นักเรียนนักศึกษาสามารถเข้าใจวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปได้ดีกว่ามากถ้าหากเขาเหล่านั้นมีความเข้าใจทางฟิสิกส์อยู่บ้าง