🔊 กลับสู่หน้าห้องทดลอง 3D 🏠 หน้ารวมโครงการ
ใบกิจกรรมฝึกปฏิบัติการสืบเสาะเสมือนจริง 3 มิติ (Pre-Lab Inquiry Worksheet)
วิชาฟิสิกส์ ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 • เรื่อง ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง (Sound Intensity & Decibels)
ตอนที่ 1: ทำความคุ้นเคยกับเครื่องมือในห้องปฏิบัติการ 3 มิติ (3D Spatial Sound Lab) เตรียมความพร้อม

ให้นักเรียนเปิดซิมจำลอง https://phy3dsim.pages.dev/intensity แล้วทดลองควบคุมต่อไปนี้ จากนั้นทำเครื่องหมาย ✓ เมื่อทำสำเร็จ:

ตอนที่ 2: การสืบเสาะกฎการลดทอนระดับความเข้มเสียง (เมื่อระยะทางเพิ่มเป็น 2 เท่า) สืบเสาะหลัก

ปัญหาการทดลอง: เมื่อผู้ฟังหรือไมโครโฟนถอยห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงเป็น 2 เท่า ($r_B = 2r_A$) ความเข้มเสียง ($I$) และระดับความเข้มเสียง ($\beta$) จะเปลี่ยนแปลงอย่างไร?

วิธีปฏิบัติ: จัดวางไมค์ A และไมค์ B ตามระยะที่กำหนด แล้วบันทึกค่าความเข้มเสียง $I$ และระดับเดซิเบล $\beta$ ลงในตาราง:

การทดลอง ตำแหน่งไมค์ ระยะทาง $r$ (m) ความเข้มเสียง $I$ ($\text{W/m}^2$) ระดับเสียง $\beta$ ($\text{dB}$) ผลต่าง $\Delta\beta = \beta_B - \beta_A$
ชุดที่ 1 ไมค์ A (จุดใกล้) $1.00\text{ m}$
ไมค์ B ($r_B = 2r_A$) $2.00\text{ m}$
ชุดที่ 2 ไมค์ A (จุดใกล้) $2.50\text{ m}$
ไมค์ B ($r_B = 2r_A$) $5.00\text{ m}$
💡 คำถามชวนคิด:
จากตาราง อัตราส่วนความเข้มเสียง $\frac{I_B}{I_A}$ มีค่าประมาณเท่าใด? และผลต่างระดับเสียง $\Delta\beta$ มีค่ากี่เดซิเบล?
ตอบ: อัตราส่วน $\frac{I_B}{I_A} \approx$ และผลต่าง $\Delta\beta \approx$
🔑 แนวคำตอบสำหรับครู: อัตราส่วน $\frac{I_B}{I_A} \approx \frac{1}{4}$ (หรือ $0.25$ เท่า) และผลต่าง $\Delta\beta = \beta_B - \beta_A \approx -6.02\text{ dB}$ (ระดับเสียงลดลง $6.02\text{ dB}$ เสมอเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า)
ตอนที่ 3: ทำความเข้าใจที่มาเชิงเรขาคณิต (หน้าคลื่นทรงกลม 3 มิติ $A = 4\pi r^2$) ทฤษฎีและการพิสูจน์

ในแบบจำลอง 3 มิติ คลื่นเสียงที่แผ่ออกจากลำโพงจุดกำเนิดมีลักษณะเป็น หน้าคลื่นทรงกลม (Spherical Wavefront) ขยายตัวออกสู่อวกาศ:

1. พื้นที่ผิวทรงกลมที่ระยะห่าง $r$: $A = 4\pi r^2$
2. กำลังเสียง ($P$) เฉลี่ยกระจายตัวทั่วพื้นที่ผิวทรงกลม ดังนั้น ความเข้มเสียง: $I = \frac{P}{A} = \frac{P}{4\pi r^2}$
3. เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า ($r_2 = 2r_1$) พื้นที่ผิวจะเพิ่มเป็น $4\pi (2r_1)^2 = 4(4\pi r_1^2)$ (เพิ่มขึ้น 4 เท่า)
4. ส่งผลให้ความเข้มเสียงลดลงเหลือ $\frac{1}{4}$ ของเดิม: $\Delta\beta = 10\log_{10}\left(\frac{I_2}{I_1}\right) = 10\log_{10}\left(\frac{1}{4}\right) = -6.02\text{ dB}$
ตอนที่ 4: การประยุกต์ใช้เพื่อความปลอดภัยทางอาชีวอนามัย (Safety Distance $\le 85\text{ dB}$) การประยุกต์ใช้

เกณฑ์มาตรฐานความปลอดภัยของกระทรวงแรงงานและองค์การอนามัยโลก (WHO) กำหนดให้ระดับเสียงสะสมต่อเนื่อง 8 ชั่วโมงในสถานที่ทำงานต้อง ไม่เกิน 85 dB

🎯 ภารกิจคำนวณและทดสอบจริง:
ในซิม ให้คลิกที่แถบ "สถานการณ์ที่ 4: ระยะปลอดภัย ($\beta \le 85\text{ dB}$)" แหล่งกำเนิดเสียงเปิดกำลัง $P = 10.0\text{ mW}$ ให้นักเรียนลากผู้ฟังถอยห่างออกมา
- ระยะทางที่ระดับเสียงลดลงมาแตะ $85.0\text{ dB}$ พอดี คือระยะ $r_{\text{safe}} =$ เมตร
🔑 แนวคำตอบสำหรับครู: คำนวณจาก $\beta = 10\log_{10}(I/10^{-12}) = 85 \implies I = 10^{-3.5} = 3.162 \times 10^{-4}\text{ W/m}^2$
จาก $I = \frac{P}{4\pi r^2} \implies r_{\text{safe}} = \sqrt{\frac{0.010\text{ W}}{4\pi (3.162 \times 10^{-4})}} \approx \mathbf{1.58\text{ m}}$ (หรือถ้ากำลังเสียง $P = 125\text{ mW}$ จะได้ $r_{\text{safe}} \approx 5.6\text{ m}$)
ตอนที่ 5: การลงข้อสรุปเชิงวิทยาศาสตร์ด้วยแบบจำลอง CER (Claim - Evidence - Reasoning) สรุปผลการเรียนรู้
🎯 1. ข้ออ้าง (Claim) — ข้อสรุปคำตอบต่อปัญหาการสืบเสาะ: แนวคำตอบ
🔑 แนวคำตอบครู (Claim): เมื่อผู้ฟังหรือจุดวัดอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า ความเข้มเสียง ($I$) จะลดลงเหลือ $1/4$ ของเดิม และระดับความเข้มเสียง ($eta$) จะลดลง $-6.02\text{ dB}$ เสมอ
📊 2. หลักฐานเชิงประจักษ์ (Evidence) — ข้อมูลจากตารางการทดลองและการวัด: แนวคำตอบ
🔑 แนวคำตอบครู (Evidence): จากตารางการทดลองชุดที่ 1 ที่ระยะ $r_A = 1.00\text{ m}$ วัดได้ $I_A = 7.96 \times 10^{-5}\text{ W/m}^2, \beta_A = 79.0\text{ dB}$ เมื่อระยะเพิ่มเป็น $r_B = 2.00\text{ m}$ วัดได้ $I_B = 1.99 \times 10^{-5}\text{ W/m}^2, \beta_B = 73.0\text{ dB}$ ได้อัตราส่วน $\frac{I_B}{I_A} = \frac{1.99 \times 10^{-5}}{7.96 \times 10^{-5}} \approx 0.25$ และได้ผลต่าง $\Delta\beta = 73.0 - 79.0 = -6.0\text{ dB}$ ซึ่งสอดคล้องกับการทดลองชุดที่ 2 ที่ได้ $\Delta\beta = -6.0\text{ dB}$ เช่นกัน
🧠 3. เหตุผลเชิงฟิสิกส์ (Reasoning) — อธิบายเชื่อมโยงด้วยหลักการและทฤษฎีทางฟิสิกส์: แนวคำตอบ
🔑 แนวคำตอบครู (Reasoning): เนื่องจากแหล่งกำเนิดเสียงแผ่คลื่นออกสู่อวกาศ 3 มิติเป็นหน้าคลื่นทรงกลม พื้นที่ผิวรับพลังงานคือ $A = 4\pi r^2$ กำลังเสียงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่จึงเป็นไปตามกฎกำลังสองผกผัน $I = \frac{P}{4\pi r^2}$ เมื่อระยะ $r$ เพิ่ม 2 เท่า พื้นที่ผิวจะเพิ่ม $4\pi(2r)^2 = 4(4\pi r^2)$ (เพิ่ม 4 เท่า) ส่งผลให้ความเข้มเสียงลดลงเหลือ $\frac{1}{4}$ และเมื่อแปลงเป็นระดับความเข้มเสียง $\Delta\beta = 10\log_{10}\left(\frac{I_B}{I_A}\right) = 10\log_{10}(0.25) \approx -6.02\text{ dB}$ เสมอ
ชุดใบกิจกรรมการเรียนรู้ฟิสิกส์ 5E เรื่อง ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง • พัฒนาโดย Nattasit Vetchagama • โรงเรียนฝางวิทยายน