วันจันทร์ที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2555

คลื่นเสียง

ธรรมชาติของเสียง

                         เสียงเป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่เรียกว่า "คลื่นกล"
                        เพราะจำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่แผ่กระจาย

                       คลื่นเสียงออกไปขณะเดียวกันเสียงเป็นคลื่นชนิด "คลื่นตามยาว"

                       พราะการสั่นของโมเลกุลขณะเสียงเคลื่อนที่มีลักษณะสั่นกลับไปมา

                      ในแนวเดียวกับที่เสียงเคลื่อนที่ไปและเสียงเป็นพลังงานจึงสามารถ

                      เปลี่ยนรูปไปมากับพลังงานรูปอื่นๆ เช่นเปลี่ยนจากพลังงานเสียงเป็น

                      พลังงานไฟฟ้า พลังงานกลเปลี่ยนเป็นพลังงานเสียง เป็นต้น

การเกิดเสียง

“เสียง เริ่มเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรือแหล่งกำเนิดเสียงมีการสั่นสะเทือน

ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของอากาศที่อยู่โดยรอบ

กล่าวคือโมเลกุลของอากาศเหล่านี้จะเคลื่อนที่จากตำแหน่งเดิม

ไปชนกับโมเลกุลที่อยู่ถัดไป ก่อให้เกิดการถ่ายโอนโมเมนตัม

จากโมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่ให้กับโมเลกุลที่อยู่ในสภาวะปกติ

จากนั้นโมเลกุลที่ชนกันนี้จะแยกออกจากกัน

โดยโมเลกุลที่เคลื่อนที่มาจะถูกดึงกลับไปยังตำแหน่งเดิมด้วยแรง

ปฏิกิริยา

และโมเลกุลที่ได้รับการถ่ายโอนพลังงานจะเคลื่อนที่ไปชนกับ

โมเลกุลที่อยู่ถัดไป ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นสลับกันไปมาได้เมื่อ

สื่อกลาง(ในที่นี้คืออากาศ) มีคุณสมบัติของความยืดหยุ่น

การเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศนี้จึงเกิดเป็นคลื่นเสียง

เสียง เป็นคลื่นกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

เมื่อการสั่นสะเทือนนั้นมาถึงหู มันจะถูกแปลงเป็นพัลส์ประสาท ซึ่งจะถูกส่งไปยังสมอง ทำให้เรารับรู้และจำแนกเสียงต่างๆ ได้

คุณลักษณะของเสียง

คุณลักษณะเฉพาะของเสียง ได้แก่ ความถี่ ความยาวช่วงคลื่น แอมปลิจูด และความเร็ว
เสียงแต่ละเสียงมีความแตกต่างกัน เสียงสูง-เสียงต่ำ, เสียงดัง-เสียงเบา, หรือคุณภาพของเสียงลักษณะต่างๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดเสียง และจำนวนรอบต่อวินาทีของการสั่นสะเทือน

ความถี่

ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงสูงเสียงต่ำ สิ่งที่ทำให้เสียงแต่ละเสียงสูงต่ำแตกต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือนของวัตถุ วัตถุที่สั่นเร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สั่นช้า โดยจะมีหน่วยวัดความถี่ของการสั่นสะเทือนต่อวินาที เช่น 60 รอบต่อวินาที, 2,000 รอบต่อวินาที เป็นต้น และนอกจาก วัตถุที่มีความถี่ในการสั่นสะเทือนมากกว่า จะมีเสียงที่สูงกว่าแล้ว หากความถี่มากขึ้นเท่าตัว ก็จะมีระดับเสียงสูงขึ้นเท่ากับ 1 ออกเตฟ (octave)ภาษาไทยเรียกว่า 1 ช่วงคู่แปด

ความยาวช่วงคลื่น

ความยาวช่วงคลื่น (wavelength) หมายถึง ระยะทางระหว่างยอดคลื่นสองยอดที่ติดกันซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการอัดตัวของคลื่นเสียง (คล้ายคลึงกับยอดคลื่นในทะเล) ยิ่งความยาวช่วงคลื่นมีมาก ความถึ่ของเสียง (ระดับเสียง) ยิ่งต่ำลง

แอมปลิจูด

แอมปลิจูด (amplitude) หมายถึง ความสูงระหว่างยอดคลื่นและท้องคลื่นของคลื่นเสียง ที่แสดงถึงความเข้มของเสียง (Intensity) หรือความดังของเสียง (Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความเข้มหรือความดังของเสียงก็ยิ่งเพิ่มขึ้น

ความเร็วเสียง

ความเร็วเสียง คือ ระยะทางที่เสียงเดินทางไปในตัวกลางใดๆ ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยทั่วไปเสียงเดินทางในอากาศที่มีอุณหภูมิ 25°C (= 298,15 K) ได้ประมาณ 346 เมตร/วินาที และในอากาศที่อุณหภูมิ 20°C ได้ประมาณ 343 เมตร/วินาที ความเร็วที่เสียงเดินทางได้นั้นอาจมีค่ามากขึ้นหรือน้อยลงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวกลางเป็นหลัก และอาจได้รับอิทธิพลจากความชื้นบ้างเล็กน้อย แต่ไม่ขึ้นกับความดันอากาศ

เนื่องจากการเดินทางของเสียงอาศัยการสั่นของโมเลกุลของตัวกลาง ดังนั้นเสียงจะเดินทางได้เร็วขึ้นหากตัวกลางมีความหนาแน่นมาก ทำให้เสียงเดินทางได้เร็วในของแข็ง แต่เดินทางไม่ได้ในอวกาศ เพราะอวกาศเป็นสุญญากาศจึงไม่มีโมเลกุลของตัวกลางอยู่

การคำนวณความเร็วเสียง

ความเร็วเสียง c โดยทั่วไปคำนวณหาได้จาก

$c = \sqrt{\frac{C}{\rho}}$

โดย

C คือ สัมประสิทธิ์ของความแข็งเกร็ง (coefficient of stiffness)

$\rho$ คือ ความหนาแน่น

ดังนั้น ความเร็วเสียง จะเพิ่มขึ้นตามความแข็งเกร็งของวัสดุ และ ลดลงเมื่อความหนาแน่นเพิ่มขึ้น

ความเร็วเสียงในของแข็ง

ของแข็งนั้นมีค่าความแข็งเกร็งไม่เป็นศูนย์ ทั้งต่อแรงบีบอัด หรือ การเปลี่ยนปริมาตร (volumetric deformation) และ แรงเฉือน (shear deformation) ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะกำเนิดคลื่นเสียงที่มีความเร็วต่างกัน ขึ้นกับรูปแบบของคลื่น
ในแท่งของแข็ง ซึ่งมีขนาดความหนา (หรือขนาดของตัวกลาง ในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น) เล็กกว่าความยาวคลื่นมาก ความเร็วเสียงหาได้จาก

$c_{\mathrm{solid (thin), longitudinal}}= \sqrt{\frac{E}{\rho}}$

โดย

E คือ มอดุลัสของยัง

$\rho$ (rho) คือ ความหนาแน่น

ดังนั้น ในเหล็ก ความเร็วของเสียงจะมีค่าประมาณ 5100 m/s
ในแท่งของแข็งหนา หรือ ขนาดด้านข้างของตัวกลาง ใหญ่กว่าความยาวคลื่น เสียงจะเดินทางได้เร็วกว่า ความเร็วของเสียงสามารถหาได้จากการแทนค่ามอดุลัสของยัง ด้วย มอดุลัสคลื่นหน้าราบ (en:plane wave modulus) ซึ่งหาได้จาก มอดุลัสของยัง และ อัตราส่วนของปัวซง (en:Poisson's ratio) $\nu$

$M = E \frac{1-\nu}{1-\nu-2\nu^2}$

ดังนั้น ความเร็วของเสียง

$c_{\mathrm{solid (thick), longitudinal}} = \sqrt{E \, ( 1- \nu) \over \rho \, ( 1- \nu - 2 \nu^2) }$ .

สำหรับคลื่นตามขวางนั้น มอดุลัสของยัง E จะถูกแทนด้วย ค่ามอดุลัสของแรงเฉือน (en:Shear modulus) G

$c_{\mathrm{solid, transverse}} = \sqrt{G \over \rho}$ .

จะเห็นได้ว่า ความเร็วของเสียงในของแข็งขึ้นกับความหนาแน่น ของตัวกลางเท่านั้น โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ของแข็งเช่น เหล็ก สามารถนำคลื่นด้วยความเร็วที่สูงกว่าอากาศมาก

ความเร็วเสียงในของเหลว

ของเหลวจะมีความแข็งเกร็งต่อแรงอัดเท่านั้น โดยไม่มีความแข็งเกร็งต่อแรงเฉือน ดังนั้นความเร็วของเสียงในของเหลวหาได้โดย

$c_{\mathrm{fluid}} = \sqrt {\frac{K}{\rho}}$

โดย

K คือ มอดุลัสของการอัดแอเดียแบติก (adiabatic en:bulk modulus)

ความเร็วเสียงในก๊าซ

ในก๊าซ ค่า K สามารถประมาณโดย

$K=\kappa \cdot p$

โดย

κ คือ ดัชนีแอเดียแบติก (en:adiabatic index) บางครั้งใช้สัญลักษณ์ γ

p คือ ความดัน

ดังนั้น ความเร็วเสียงในก๊าซสามารถคำนวณได้โดย

$c_{\mathrm{gas}} = \sqrt {{\kappa \cdot p}\over\rho}$

ในกรณี ก๊าซในอุดมคติ (en:ideal gas) จะได้
$c_{\mathrm{ideal\,gas}} = \sqrt {\kappa \cdot R\cdot T}$ โดย

R (287.05 J/(kg·K) สำหรับอากาศ) คือ ค่าคงที่ของก๊าซ (en:gas constant) สำหรับอากาศ: ปกติในทางอากาศพลศาสตร์ ค่านี้หาจาก การหารค่าคงที่ของก๊าซสากล $R$ (J/(mol·K)) ด้วย ค่ามวลโมล (en:molar mass) ของอากาศ
κ (kappa) คือ ค่า ดัชนีแอเดียแบติก (en:adiabatic index) (เท่ากับ 1.402 สำหรับอากาศ) บางครั้งเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ γ
T คือ ค่าอุณหภูมิสัมบูรณ์ (เคลวิน)

(นัวตัน นั้นค้นพบวิธีการหาค่าความเร็วเสียงก่อนพัฒนาการของ อุณหพลศาสตร์ และได้ใช้การคำนวณแบบอุณหภูมิเสมอ (en:isothermal) แทนที่จะเป็นแบบแอเดียแบติก (en:adiabatic) ซึ่งทำสูตรของนิตันนั้นขาดตัวคูณ κ)


   ที่ สภาพบรรยากาศมาตรฐาน (standard atmosphere) :
T₀ = 273.15 K (= 0 °C = 32 °F) ความเร็วเสียง 331.5 m/s (= 1087.6 ft/s = 1193 km/h = 741.5 mph = 643.9 นอต
T₂₀ = 293.15 K (= 20 °C = 68 °F) ความเร็วเสียง 343.4 m/s (= 1126.6 ft/s = 1236 km/h = 768.2 mph = 667.1 นอต
T₂₅ = 298.15 K (= 25 °C = 77 °F) ความเร็วเสียง 346.3 m/s (= 1136.2 ft/s = 1246 km/h = 774.7 mph = 672.7 นอต

     ในกรณีของก๊าซในอุดมคติ ความเร็วเสียง c ขึ้นกับอุณหภูมิเท่านั้น โดยไม่ขึ้นกับความดัน อากาศนั้นเกือบจะถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติ อุณหภูมิของอากาศเปลี่ยนแปลงตามระดับความสูง เป็นผลให้ความเร็วของเสียงที่ระดับความสูงต่างๆ นั้นแตกต่างกัน

ระดับความสูง	อุณหภูมิ	ม./วิ	กม./ชม.	ไมล์/ชม.	นอต
ระดับน้ำทะเล	15 °C (59 °F)	340	1225	761	661
11,000 ม.–20,000 ม.	-57 °C (-70 °F)	295	1062	660	573
29,000 ม.	-48 °C (-53 °F)	301	1083	673	585

ใน ตัวกลางที่ไม่มีการกระจาย (non-dispersive medium) – ความเร็วเสียงไม่ขึ้นกับความถี่ ดังนั้นความเร็วในการส่งถ่ายพลังงาน และ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเสียง นั้นมีค่าเท่ากัน ในย่านความถี่เสียงที่เราสามารถได้ยินนั้น อากาศมีคุณสมบัติเป็นตัวกลางที่ไม่มีการกระจาย โปรดสังเกตว่า CO₂ ในอากาศนั้นเป็นตัวกลางที่มีการกระจาย และทำให้เกิดการกระจายสำหรับคลื่นเสียงความถี่สูง (28KHz)
ใน ตัวกลางที่มีการกระจาย (dispersive medium) – ความเร็วเสียงจะขึ้นกับความถี่ องค์ประกอบที่แต่ละความถี่จะเดินทางด้วยความเร็วเฟส (phase velocity) ที่แตกต่างกัน ส่วนพลังงานของเสียงจะเดินทางด้วยความเร็วที่ความเร็วกลุ่ม (group velocity) ตัวอย่างของตัวกลางที่มีการกระจาย คือ น้ำ

ความเร็วเสียงในอากาศ

ความเร็วของเสียงในอากาศโดยประมาณหาได้จาก:

$c_{\mathrm{air}} \approx (331+ (0{.}6 \cdot \theta)) \quad \mathrm{m/s}\,$

โดยที่ $\theta\,$ คือ อุณหภูมิ ในหน่วย องศาเซลเซียส ความแม่นยำในการประมาณในช่วงของอุณหภูมิในช่วง -20°C ถึง 40°C จะมีค่าความผิดพลาดไม่เกิน 0.2% ในช่วงอุณหภูมิสูงกว่า หรือ ต่ำกว่านั้นความเร็วของเสียงจะประมาณโดย

$c_{\mathrm{air}} \approx 331 \sqrt{1 + {\theta \over 273} } \quad \mathrm{m/s}\,$

ผลของอุณหภูมิ
θ (°C)	c (m/s)	ρ (kg/m³)	Z (N·s/m³)
−10	325.4	1.341	436.5
−5	328.5	1.316	432.4
0	331.5	1.293	428.3
+5	334.5	1.269	424.5
+10	337.5	1.247	420.7
+15	340.5	1.225	417.0
+20	343.4	1.204	413.5
+25	346.3	1.184	410.0
+30	349.2	1.164	406.6

เลขมัค คือ อัตราส่วนความเร็วของวัตถุ ต่อ ความเร็วเสียง ในอากาศ (หรือตัวกลางนั้น)
การเคลื่อนที่ของวัตถุใดๆด้วยความเร็วเท่ากับเสียง ณ ตำแหน่งนั้น จะเรียกว่าความเร็ว 1 มัค (Mach) ในทำนองเดียวกันถ้าเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 2 เท่าของความเร็วเสียงวัตถุนั้นก็จะมีความเร็วเป็น 2 มัค

ตัวอย่างความเร็วเสียงในตัวกลางต่าง ๆ

ตารางด้านล่าง แสดงค่าความเร็วเสียงในตัวกลาง ที่อุณหภูมิ 20°C

ชนิดวัสดุ	ความเร็ว (m/s)
อากาศ	343
น้ำ	1480
น้ำแข็ง	3200
แก้ว	5300
เหล็ก	5200
ตะกั่ว	1200
ไทเทเนียม	4950
พีวีซี (อ่อน)	80
พีวีซี (แข็ง)	1700
คอนกรีต	3100

คลื่นแสง

แสง (อังกฤษ: light) คือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย สมบัติพื้นฐานของแสง (และของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงคลื่น) ได้แก่

ความเข้ม (ความสว่างหรือแอมพลิจูด ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปความสว่างของแสง)
ความถี่ (หรือความยาวคลื่น ซึ่งปรากฏแก่สายตามนุษย์ในรูปสีของแสง) และ
โพลาไรเซชัน (มุมการสั่นของคลื่น ซึ่งโดยปกติมนุษย์ไม่สามารถรับรู้ได้)

แสงจะแสดงคุณสมบัติทั้งของคลื่นและของอนุภาคในเวลาเดียวกัน ทั้งนี้เนื่องจากทวิภาวะของคลื่นและอนุภาคธรรมชาติที่แท้จริงของแสงเป็นปัญหาหลักปัญหาหนึ่งของฟิสิกส์สมัยใหม่
แสงมีคุณสมบัติทวิภาวะ กล่าวคือ

แสงเป็นคลื่น : แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้า และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และแสงก็มีการเลี้ยวเบนด้วย ซึ่งการเลี้ยวเบนก็แสดงคุณสมบัติของคลื่น
แสงเป็นอนุภาค : แสงเป็นก้อนพลังงานมีค่าพลังงาน E = hf โดยที่ h คือค่าคงตัวของพลังค์ และ f คือความถี่ของแสง เรียกอนุภาคแสงว่าโฟตอน

รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองเห็นได้

แสงคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในช่วง สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถมองเห็นได้ คือ อยู่ในย่านความถี่ 380 THz (3.8×10¹⁴ เฮิรตซ์) ถึง 750 THz (7.5×10¹⁴ เฮิรตซ์) จากความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็ว ( $v$ ) ความถี่ ( $f$ หรือ $\nu$ ) และ ความยาวคลื่น ( $\lambda$ ) ของแสง:

$v = f~\lambda \,\!$

และ ความเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ดังนั้นเราจึงสามารถแยกแยะแสงโดยใช้ตามความยาวคลื่นได้ โดยแสงที่เรามองเห็นได้ข้างต้นนั้นจะมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 นาโนเมตร (ย่อ 'nm') และ 800 nm (ในสุญญากาศ)
การมองเห็นของมนุษย์นั้นเป็นผลมาจากภาวะอนุภาคของแสงโดยเฉพาะ เกิดจากการที่ก้อนพลังงาน (อนุภาคโฟตอน) แสง ไปกระตุ้น เซลล์รูปแท่งในจอตา(rod cell) และ เซลล์รูปกรวยในจอตา (cone cell) ที่จอตา (retina) ให้ทำการสร้างสัญญาณไฟฟ้าบนเส้นประสาท และส่งผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง ทำให้เกิดการรับรู้มองเห็น

ความเร็วของแสง

นักฟิสิกส์หลายคนได้พยายามทำการวัดความเร็วของแสง การวัดแรกสุดที่มีความแม่นยำนั้นเป็นการวัดของ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Ole Rømer ในปี ค.ศ. 1676 เขาได้ทำการคำนวณจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวพฤหัสบดี และ ดวงจันทร์ไอโอ ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้กล้องดูดาว เขาได้สังเกตความแตกต่างของช่วงการมองเห็นรอบของการโคจรของดวงจันทร์ไอโอ และได้คำนวณค่าความเร็วแสง 227,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที(ประมาณ 141,050 ไมล์ ต่อ วินาที)หรือค่าประมาณ3x10ยกกำลัง8== อ้างอิง ==

การวัดความเร็วของแสงบนโลกนั้นกระทำสำเร็จเป็นครั้งแรกโดย Hippolyte Fizeau ในปี ค.ศ. 1849 เขาทำการทดลองโดยส่องลำของแสงไปยังกระจกเงาซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายพันเมตรผ่านซี่ล้อ ในขณะที่ล้อนั้นหมุนด้วยความเร็วคงที่ ลำแสงพุ่งผ่านช่องระหว่างซี่ล้อออกไปกระทบกระจกเงา และพุ่งกลับมาผ่านซี่ล้ออีกซี่หนึ่ง จากระยะทางไปยังกระจกเงา จำนวนช่องของซี่ล้อ และความเร็วรอบของการหมุน เขาสามารถทำการคำนวณความเร็วของแสงได้ 313,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที
Albert A. Michelson ได้ทำการพัฒนาการทดลองในปี ค.ศ. 1926 โดยใช้กระจกเงาหมุน ในการวัดช่วงเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปกลับจาก ยอด Mt. Wilson ถึง Mt. San Antonio ในรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งการวัดนั้นได้ 186,285 ไมล์/วินาที (299,796 กิโลเมตร/วินาที) ค่าความเร็วแสงประมาณหรือค่าปัดเศษที่เราใช้กันในทุกวันนี้คือ 300,000 km/s and 186,000 miles/s.

การหักเหของแสง

แสงนั้นวิ่งผ่านตัวกลางด้วยความเร็วจำกัด ความเร็วของแสงในสุญญากาศ c จะมีค่า c = 299,792,458 เมตรต่อ วินาที (186,282.397 ไมล์ ต่อ วินาที) โดยไม่ขึ้นกับว่าผู้สังเกตการณ์นั้นเคลื่อนที่หรือไม่ เมื่อแสงวิ่งผ่านตัวกลางโปร่งใสเช่น อากาศ น้ำ หรือ แก้ว ความเร็วแสงในตัวกลางจะลดลงซึ่งเป็นเหตุให้เกิดปรากฏการณ์การหักเหของแสง คุณลักษณะของการลดลงของความเร็วแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงนี้จะวัดด้วยดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) n โดยที่

$n = \frac{c}{v} \;\!$

โดย n=1 ในสุญญากาศ และ n>1 ในตัวกลาง
เมื่อลำแสงวิ่งผ่านเข้าสู่ตัวกลางจากสุญญากาศ หรือวิ่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง แสงจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงความถี่ แต่เปลี่ยนความยาวคลื่นเนื่องจากความเร็วที่เปลี่ยนไป ในกรณีที่มุมตกกระทบของแสงนั้นไม่ตั้งฉากกับผิวของตัวกลางใหม่ที่แสงวิ่งเข้าหา ทิศทางของแสงจะถูกหักเห ตัวอย่างของปรากฏการณ์หักเหนี้เช่น เลนส์ต่างๆ ทั้งกระจกขยาย คอนแทคเลนส์ แว่นสายตา กล้องจุลทรรศน์ กล้องส่องทางไกล

สีและความยาวคลื่น

ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันนั้น จะถูกตรวจจับได้ด้วยดวงตาของมนุษย์ ซึ่งจะแปลผลด้วยสมองของมนุษย์ให้เป็นสีต่างๆ ในช่วง สีแดงซึ่งมีความยาวคลื่นยาวสุด (ความถี่ต่ำสุด) ที่มนุษย์มองเห็นได้ ถึงสีม่วง ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นสุด (ความถี่สูงสุด) ที่มนุษย์มองเห็นได้ ความถี่ที่อยู่ในช่วงนี้ จะมีสีส้ม, สีเหลือง, สีเขียว,สีน้ำเงิน และ สีคราม

หน่วยวัดแสง

หน่วยที่ใช้ในการวัดแสง

ความจ้า (brightness) หรือ อุณหภูมิ(temperature)
ความสว่าง (illuminance หรือ illumination) (หน่วยSI: ลักซ์ (lux))
ฟลักซ์ส่องสว่าง (luminous flux) (หน่วย SI: ลูเมน (lumen))
ความเข้มของการส่องสว่าง (luminous intensity) (หน่วย SI: แคนเดลา (candela))

นอกจากนี้ยังมี

ความสุกใสของแสง (brilliance) หรือ แอมปลิจูด (amplitude)
สี (color) หรือ ความถี่ (frequency)
โพลาไรเซชั่น (polarization) หรือ มุมการแกว่งของคลื่น (angle of vibration)

คลื่นกล

คลื่นกล (Mechanical Wave )

คลื่นกล คือการถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง โดยการเคลือนที่ไปของคลื่นต้องมีโมเลกุลหรืออนุภาคตัวกลางเป็นตัวถ่ายโอนพลังงานจึงจะทำให้คลื่นแผ่ออกไปได้ ดังนั้นคลื่นกลจะเดินทางและส่งผ่านพลังงานโดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง เพราะตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่แต่จะสั่นไปมารอบจุดสมดุล ต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง

คำว่าคลื่นตามคำจำกัดความ หมายถึง การรบกวน (disturbance) สภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ และการรบกวนนั้นจะเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งออกไปยังอีกจุดหนึ่งได้ตามเวลาที่ผ่านไป ในบทนี้จะกล่าวถึงกฎเกณฑ์ต่างๆ ของคลื่นในทางฟิสิกส์

การแบ่งประเภทของคลื่น

1. คลื่นตามขวาง (transverse wave) ลักษณะของอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก

คลื่นตามขวาง

2. คลื่นตามยาว (longitudinal wave) ลักษณะอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง

คลื่นตามยาว

ส่วนประกอบของคลื่น

1.สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2.ท้องคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e
3.แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น สัญลักษณ์ A
4.ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน หรือระยะระหว่าง 2 ตำแหน่งบนคลื่นที่ที่เฟสตรงกัน(inphase) ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ Lamda มีหน่วยเป็นเมตร (m) ระยะ xy
5.ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz) จาก cd โดย f = 1/T
6.คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ ) โดย T = 1/f
7.หน้าคลื่น(wave front) เป็นแนวเส้นที่ลากผ่านตำแหน่งที่มีเฟสเดียวกันบนคลื่น เช่นลากแนวสันคลื่น หรือลากแนวท้องคลื่น ตามรูป

รูป หน้าคลื่นตรง

รูป หน้าคลื่นวงกลม

รูปแสดงหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับรังสีคลื่นเสมอ

อัตราเร็ว

อัตราเร็วในเรื่องคลื่น แบ่งได้ดังนี้

1. อัตราเร็วคลื่น หรือเรียกว่าอัตราเร็วเฟส เป็นอัตราเร็วคลื่นที่เคลื่อนที่ไปแบบเชิงเส้น ซึ่งอัตราเร็วคลื่นกลจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน

สมการที่ใช้

2. อัตราเร็วของอนุภาคตัวกลาง เป็นการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก โดนสั่นซ้ำรอยเดิมรอบแนวสมดุล ไม่ว่าจะเป็นคลื่นกลชนิดตามขวางหรือตามยาว

สมการที่ใช้

1.อัตราเร็วที่สันคลื่นกับท้องคลื่น เป็นศูนย์

2.อัตราเร็วอนุภาคขณะผ่านแนวสมดุล มีอัตราเร็วมากที่สุด

3.อัตราเร็วอนุภาคขณะมีการกระจัด y ใดๆ จากแนวสมดุล

3. อัตราเร็วคลื่นในน้ำ ขึ้นกับความลึกของน้ำ ถ้าให้น้ำลึก d จะได้ความสัมพันธ์

4. อัตราเร็วคลื่นในเส้นเชือก ขึ้นอยู่กับแรงตึงเชือก (T) และค่าคงตัวของเชือก (u) ซึ่งเป็นค่ามวลต่อความยาวเชือก

การศึกษาวีดีโอ :

1. วีดีโอเปรียบเทียบคลื่นตามขวาง กับคลื่นตามยาว

2. คลื่นผิวน้ำ

เรือกับคลื่นยักษ์กลางทะเล

การเกิดคลื่นและการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิก

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล อนุภาคตัวกลางจะเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย ซ้ำรอยเดิมรอบจุดสมดุล ไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น การเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางแบบนี้เราจะเขียนแทนการเคลื่อนที่ของคลื่นแบบรูปไซน์ ( sinusoidal wave ) ซึ่งเราสามารถหาค่าปริมาณต่างๆ ได้ ดังนี้

รูปแสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่

ลักษณะการเคลื่อนที่แบบซิมเปิลฮาร์มอนิกอย่างง่าย

1.เป็นการเคลื่อนที่แบบสั่นหรือแกว่งกลับไปกลับมาซ้ำรอยเดิมโดยมีการกระจัดสูงสุดจากแนวสมดุล
(แอมพลิจูด) คงที่
2.เป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่งและแรงแปรผันโดยตรงกับขนาดของการกระจัด แต่มีทิศทางตรงข้ามกันเสมอ (แรงและความเร่งมีทิศเข้าหาจุดสมดุล แต่การกระจัดมีทิศพุ่งออกจากจุดสมดุล)
3.ณ ตำแหน่งสมดุล x หรือ y = 0 , F = 0 , a = 0 แต่ v มีค่าสูงสุด
4.ณ ตำแหน่งปลาย x หรือ y , F , a มีค่ามากที่สุด แต่ v = 0
5.สมการการเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิก

คลื่นรูปไซน์ แสดงการกระจัด y และเฟส

6. กรณีที่มุมเฟสเริ่มต้นไม่เป็นศูนย์ สมการความสัมพันธ์ของการกระจัด ความเร็ว และความเร่ง กับเวลาอาจเขียนได้ว่า
XXXXX1. «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»=«/mo»«mi»Acos«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»=«/mo»«mi»Acos«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

XXXXXและXXX «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»y«/mi»«mo»=«/mo»«mi»Asin«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

XXXXX2.

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»v«/mi»«mi»x«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mi»§#969;Asin«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

XX และXXX

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»v«/mi»«mi»y«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mi»§#969;Acos«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

XXXXX3.

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»a«/mi»«mi»x«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«msup»«mi»§#969;«/mi»«mn»2«/mn»«/msup»«mi»Acos«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

XและXXX

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»a«/mi»«mi»y«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«msup»«mi»§#969;«/mi»«mn»2«/mn»«/msup»«mi»Asin«/mi»«mfenced»«mrow»«mi»§#969;t«/mi»«mo»+«/mo»«mi»§#934;«/mi»«/mrow»«/mfenced»«/math»

7. การเคลื่อนที่แบบซิมเปิ้ลฮาร์มอนิกของ สปริง และลูกตุ้มนาฬิกา

8. ลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นขณะเวลาต่างๆ( เมื่อ period หรือ คาบ หมายถึงเวลาครบ 1 รอบ)

9. การบอกตำแหน่งบนคลื่นรูปไซน์ ด้วย เฟส (phase) เป็นการบอกด้วยค่ามุมเป็นเรเดียน หรือองศา

การระบุเฟสด้วยมุมที่เป็นองศาและมุมเรเดียน

เฟสตรงกันบนคลื่น จะห่างจากตำแหน่งแรก 1 Lamda , 2 Lamda , 3 Lamda , .....

เฟสตรงกันข้ามกันบนคลื่น จะห่างจากตำแหน่งแรก 1/2 Lamda , 3/2 Lamda , 5/2 Lamda , ....

ตัวอย่าง

การซ้อนทับกันของคลื่น

เมื่อคลื่น 2 ขบวนผ่านมาในบริเวณเดียวกัน มันจะรวมกัน โดยอาศัยหลักการซ้อนทับของคลื่น ( Superposition principle) การซ้อนทับกันมี 2 แบบ คือแบบเสริม และแบบหักล้าง

1. การซ้อนทับแบบเสริม เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกัน เข้ามาซ้อนทับกัน เช่น สันคลื่น+ สันคลื่น หรือท้องคลื่น+ท้องคลื่น ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดเพิ่มขึ้นมากที่สุด เท่ากับผลบวกของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง

การซ้อนทับกันของคลื่น แบบเสริม

2. การซ้อนทับแบบหักล้าง เกิดจากคลื่นที่มีเฟสตรงกันข้าม เข้ามาซ้อนทับกัน เช่น สันคลื่น+ ท้องคลื่น ผลการซ้อนทับทำให้แอมปลิจูดลดลง เท่ากับผลต่างของแอมปลิจูด คลื่นทั้งสอง

การซ้อนทับกันของคลื่น แบบหักล้าง

ภาพเคลื่อนไหวการซ้อนทับกันของคลื่นแบบเสริม

กิจกรรม :