สัปดาห์แรกผ่านไป

เสียงระฆังแห่งการเริ่มต้นภาคเรียนที่สองดังขึ้นแล้ว และสัปดาห์แรกของการเรียน ฟิสิกส์ ในภาคเรียนที่สองของโรงเรียนประจักษ์ศิลปาคาร ก็ผ่านไป นักเรียนดูกระตือรือร้นดีกว่าตอนปลายภาคเรียนที่สอง คงเพราะได้พักเหนื่อยแล้วนั่นเอง
หลายห้องครูขอความร่วมมือให้ทำแบบทดสอบก่อนเรียน ซึ่งก็ได้รับความร่วมมือเป็นอย่างดี ต้องขอขอบคุณนักเรียนทุกคนที่ให้ความร่วมมือ บางห้องมีเวลาเหลือ ก็ได้แจ้งขอบข่ายเนื้อหาให้นักเรียนทราบแล้ว แต่บางห้องก็ไม่ได้แจ้ง เลยนำมาเขียนสรุปไว้ เผื่อจะมีบางคนไม่ได้จดไว้

• คลื่นกล
  เป็นเรื่องราวเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบคลื่น โดยเน้นมาถึงคลื่นกลที่สามารถศึกษากายวิภาคของมันได้ง่าย นั่นก็คือ คลื่นน้ำ คลื่นสปริง ถือเป็นพื้นฐานที่สำคัญมากสำหรับการศึกษาเรื่องคลื่น สิ่งที่นักเรียนต้องเกิดคอนเซ็ปให้ได้ก็คือ ลักษณะที่แตกต่างกันระหว่างการเคลื่อนที่แบบคลื่น กับการเคลื่อนที่ของอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณสมบัติ "การรวมกันได้" ของคลื่น หรือที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า "superposition" คลื่นสปริงกับคลื่นน้ำ จะถูกนำมายกตัวอย่างมากที่สุด
  
• เสียง
  คลื่นเสียง เป็นคลื่นกล แต่ว่าการสังเกตโดยตรงทำได้ยากกว่า ในบทแรก ในบทนี้จะเริ่มกล่าวถึงตั้งแต่ ความเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเร็วเสียงในอากาศ ซึ่งอุณหภูมิของอากาศจะมีผลโดยตรงต่ออัตราเร็วของเสียง จากนั้นก็เป็นเื่รื่องของการเกิดคลื่นนิ่ง (standing wave) ซึ่งเป็นหลักการที่สำคัญมาก และหากได้คอนเซ็ปเรื่องนี้ จะทำให้เข้าใจถึงธรรมชาติของคลื่นเสียงได้ดีขึ้น แต่บางคนก็ว่ายาก คงต้องให้เวลากับมันหน่อย หัวข้อท้ายๆ ก็จะเป็นการกล่าวถึงการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดเสียง ซึ่งจะทำให้เกิดผล 2 อย่าง คือ โซนิคบูม กับดอพเพลอร์เอฟเฟก
  
• แสง
  แสงเป็นเรื่องที่ถกเถียงกันมาตั้งแต่ยุควิทยาศาสตร์เฟื่องฟูในยุคแรกๆ แต่ในระหว่างเถียงกันนั้น ก็เกิดทฤษฎีความรู้ขึ้นมาอธิบายมากมาย เรื่องนี้สนุกทีเดียว แต่เรามักจะหยุดสนุกตรงการคำนวณเกี่ยวกับแสงเชิงเรขาคณิต แต่คนที่ชอบเรขาคณิตจะชอบ การคำนวณไม่มีอะไรซับซ้อนแต่ต้องเข้าใจหลักการ ไม่ใช่ท่องสูตรตะพึดตะพือ การจำสูตรได้แต่ไม่เข้าใจ ก็แก้ปัญหาโจทย์ไม่ได้อยู่ดี
  
• แสงและทัศนอุปกรณ์
  เป็นการนำความรู้เรื่องแสงมาใช้ประโยชน์ โดยผ่านการวิเคราะห์ทัศนอุปกรณ์ต่างๆ ว่าใช้หลักการอะไรบ้างและอย่างไร
  

ครูสรุปคร่าวๆ อาจยังไม่ครบถ้วนทุกส่วน ก็ขอให้ติดตามกันต่อไป
สัปดาห์ต่อไป (เริ่มต้นวันที่ 3 พฤศจิกายน 2551) จะเริ่มต้นที่เรื่อง คลื่น ครูเขียนบล็อกเอาไว้บ้างแล้ว นักเรียนน่าจะลองไปศึกษาดูก่อนนะครับ เวลาเรียนจะได้ไปเร็ว

1. คลื่น : การสั่น
2. คลื่น:ประเภทของคลื่น
3. คลื่น : อัตราเร็วของคลื่นในตัวกลางต่างๆ
4. คลื่น : การเคลื่อนที่แบบคลื่น
5. คลื่น : อัตราเร็วของคลื่น
6. คลื่น : คุณลักษณะมูลฐานของคลื่น

ค่อยๆ อ่านไปนะครับ อ่านไม่รู้เรื่อง ก็ฝากคำถามไว้

คลื่น : ประเภทของคลื่น

อะไรๆ ก็คลื่น ไม่อย่างใดก็อย่างหนึ่ง มองไปรอบๆ ตัว ล้วนเต็มไปด้วยคลื่น สิ่งสำคัญที่เกิดพร้อมคลื่นก็คือ การเคลื่อนที่ไปของพลังงาน ดังนั้นการแบ่งประเภทของคลื่นจึงจำเป็น เพื่อง่ายต่อการพิจารณา

คลื่นที่แบ่งตามการใช้ตัวกลางและไม่ใช้ตัวกลาง
คลื่นที่ต้องใช้ตัวกลาง เรียกว่า "คลื่นกล" หรือ mechanical wave เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นสปริง คลื่นเชือก คลื่นลม คลื่นเสียง คลื่นแผ่นดินไหว และอีกเยอะแยะมากมาย ส่วนคลื่นบางประเภทที่ไม่ต้องใช้ตัวกลาง นั่นคือ ไม่ต้องมีตัวกลางคลื่นก็เคลื่อนที่ไปได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ หรือที่เรียกรวมๆ กันว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นที่แบ่งตามการสั่นของอนุภาคตัวกลาง
การสั่นของอนุภาคตัวกลาง หากสั่นขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นชนิดนี้เรียกว่า "คลื่นตามยาว" longitudinal wave

ตัวอย่างของคลื่นตามยาว มีมาก เช่น คลื่นสปริงแบบที่เกิดจากการอัด-ขยายสปริง คลื่นเสียง คลื่นแผ่นดินไหวแบบ P (p-wave)

แต่ถ้าอนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่ขวางกับการเคลื่อนที่ของคลื่นเรียกว่า "คลื่นตามขวาง" transverse wave


ตัวอย่างของคลื่นตามขวาง เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นเส้นเชือก คลื่นแผ่นดินไหวแบบ S (s-wave) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(electromagnetic wave) ก็จัดเป็นคลื่นตามขวางด้วย เพราะถึงแม้ว่าคลื่นชนิดนี้ไม่ต้องใช้ตัวกลาง แต่หากมีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าวางอยู่ในบริเวณนั้น อนุภาคประจุจะเคลื่อนที่ขวางตั้งฉากกับทิศทางของคลื่น หรือจะอธิบายในแบบหนึ่ง ก็จะได้ว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดการจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกันและกัน และตั้งฉากกับทิศความเร็วของคลื่น

คลื่น : อัตราเร็วคลื่นในตัวกลาง

คลื่น(กล)จะเคลื่อนที่ในตัวกลางต่างกัน ด้วยอัตราเร็วที่ต่างกัน คลื่นน้ำในทะเลลึกๆ จะมีอัตราเร็วมากกว่า อัตราเร็วของคลื่นในน้ำตื้น ซึ่งปรากฏการณ์นี้สามารถสังเกตได้โดยตรง เมื่อคลื่นเคลื่อนเข้าใกล้ฝั่งมากขึ้น ซึ่งน้ำตื้นขึ้นคลื่นจะเคลื่อนช้าลง แต่ยอดคลื่นจะสูงขึ้น



ในการทดลองหลายครั้งจนได้ข้อสรุป เกี่ยวกับอัตราเร็วของเสียงในอากาศ พบว่า อัตราเร็วของเสียงในอากาศร้อน จะมีค่ามากกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศเย็น
ข้อมูลจากการทดลอง ที่อุณหภูมิ 0°C เสียงจะมีอัตราเร็วประมาณ 331 m/s และที่อุณหภูมิ 20°C เสียงจะมีอัตราเร็วประมาณ 343 m/s แต่ถ้าเป็นในน้ำอัตราเร็วของเสียงจะประมาณอยู่ที่ 1500 m/s สำหรับคลื่นเสียงในเหล็กก็ประมาณ 6000 m/s

นี่ก็เป็นตัวอย่างที่แสดงอย่างชัดเจนว่า อัตราเร็วของคลื่นกลขึ้นอยู่กับตัวกลาง

เหตุผลง่ายๆ ก็คือ เพราะตัวกลางแต่ละชนิด การวางตัวของอนุภาคจะแตกต่างกัน และคลื่นกล ก็ได้อาศัยการสั่นของอนุภาคตัวกลาง ในการส่งถ่ายพลังงานออกไป ดังนั้นอัตราเร็วของการส่งถ่ายพลังงานก็แตกต่างกันออกไปนั่นเอง

คลื่น : การเคลื่อนที่

คลื่น เคลื่อนที่ไปพร้อมกับนำพลังงานไปด้วย แต่ไม่ได้นำอนุภาคที่เป็นตัวกลางให้เคลื่อนไปด้วย

คลื่นน้ำหรือคลื่นผิวน้ำ เป็นสิ่งแรกๆ ที่ปรากฏขึ้นในความคิดคนทั่วไป เมื่อเราพูดถึงเรื่องคลื่น

ภาพด้านซ้ายนี้ แสดงให้เห็นคลื่นน้ำในทะเล สังเกตวัตถุที่ลอย อยู่ ณ ตำแหน่งหนึ่ง เมื่อเคลื่อนผ่านตำแหน่งนั้น จะสังเกตว่าวัตถุที่ลอยอยู่นั้น ไม่ได้เคลื่อนไปกับทิศทางของคลื่น แต่จะเคลื่อนที่วนอยู่กับที่ ซึ่งพิสูจน์ได้อย่างชัดเจนว่า คลื่นนำพลังงานไปด้วย แต่อนุภาคไม่ได้ไปด้วย












อีกสถานการณ์หนึ่งเมื่อมีการสะบัดปลายเชือก หรือสลิงกี้สปริง (ดูรูป : เป็นสปริง ที่ใช้ทำการทดลอง เรื่องคลื่น ในห้องทดลอง มีลักษณะเป็นสปริงอ่อน ขนาดใหญ่ประมาณ 2-3 นิ้ว)






การสะบัด(impulse) จะทำให้เกิดลูกคลื่น(pulse) ขึ้นบนเชือกหรือสปริง โดยจะเคลื่อนที่จากปลายหนึ่ง ไปสู่ปลายหนึ่ง การที่ลูกคลื่นเคลื่อนที่ไปบนเชือกหรือสปริง นั่นหมายความว่า พลังงานได้เคลื่อนที่ ไปบนตัวกลาง แต่เชือกทั้งเส้นเพียงขยับบางส่วนอยู่กับที่ ไม่ได้เคลื่อนที่ไปกับพลังงานด้วย

คลื่นบนเชือกหรือบนสปริงนี้ เรียกว่า "คลื่นกล" ซึ่งเป็นผลมาจากการไป มีการกระทบกระทั่งกันของตัวกลาง (อาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สก็แล้วแต่) ทำให้เกิดการสั่นต่อเนื่องกันไป การสั่นที่ต่อเนื่องกันไปนี้ ก็ทำให้เกิดเป็นพาพลังงานไปด้วย

คลื่นตามขวาง คลื่นตามยาว
การที่ตัวกลางถูกรบกวน อนุภาคของตัวกลางจะสั่นและสั่นต่อเนื่องกันไป แต่การสั่นนั้นจะแตกต่างกันไป ซึ่งหากจะทดลองให้เห็นง่ายๆ ทำได้โดยการนำสลิงกี้สปริงมาสะบัดขวางกับเส้นสปริง หลังจากนั้นลูกคลื่นซึ่งโก่ง โค้งออกจากแนวของสปริงก็จะเคลื่อนไปตามลำของสปริง ซึ่งเป็นทิศทางของคลื่นที่วิ่งไป (หรืออีกนัยหนึ่ง พลังงานเคลื่อนที่ไป) แต่จะสังเกตว่าที่ตำแหน่งหนึ่ง ของสปริงไม่ไ้ด้เคลื่อนที่ไปด้วย แต่จะสั่นขวางอยู่กับที่ ซึ่งลักษณะเช่นนี้ เราเรียกว่า คลื่นตามขวาง เพราะว่าตัวกลางสั่นกลางต่อการเคลื่อนที่ของคลื่น


แต่ถ้าเราใช้มือ กระแทกไปตามความยาวของสปริง สปริงจะหด-ยืด เคลื่อนไปตามเส้นสปริง การเคลื่อนที่ของการหด-ขยายของสปริง ก็คือ การเคลื่อนที่ของพลังงานหรือคลื่นนั่นเอง แต่จะสังเกตได้ว่า ตัวสปริง ไม่ได้เคลื่อนที่ได้ด้วย แต่สปริงจะสั่นไปมาอยู่กับที่ โดยสั่นไปตามแนวของสปริงนั่นเอง คลื่นแบบนี้เรียกว่า "คลื่นตามยาว"


เสียงเป็นคลื่นตามยาว
การใช้สปริงทดลอง สามารถแสดงให้เห็นโดยง่าย ของการเคลื่อนที่ของอนุภาค ของคลื่นตามขวาง และคลื่นตามยาว แต่ในกรณีของอากาศ อนุภาคหรือโมเลกุลของอากาศ มองเห็นไม่ได้ แต่ภาพที่แสดงให้เห็นนี้ แสดงให้โมเดลที่แสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคของอากาศ เมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่าน


ึที่มา : http://www.kettering.edu/~drussell/Demos/waves/wavemotion.html

เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของอนุภาคแต่ละตัว ก็จะเห็นได้ว่า เสียงเป็นคลื่นตามยาว

คลื่น : อัตราเร็วของคลื่น

เมื่อสะบัดเชือก เชือกที่สะบัดก็เคลื่อนไปตามความยาวของมัน เมื่อวัดระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ เทียบกับเวลา ก็คือ อัตราเร็วของคลื่นนั่นเอง หรือลองดูคลื่นผิวน้ำก็ได้ เมื่อโยนก้อนหินลงกลางสระ แล้วจับเวลา ที่คลื่นเดินทางมาถึงขอบสระ วัดระยะทางแล้วหารด้วยเวลาที่จับได้ มันก็คือ อัตราเร็วของคลื่นน้ำนั่นเอง
สรุปได้เป็นสมการได้ ดังนี้
อัตราเร็วคลื่น(v) เท่ากับ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ (s) / เวลา (t) หรือ

ถ้าสมมติว่าคลื่นเคลื่อนที่เป็นระยะทาง 1 ความยาวคลื่น ช่วงเวลานี้ที่คลื่นเคลื่อนได้ในช่วงนี้ เรียกว่า คาบ (period) เพราะฉะนั้น เขียนสมการความเร็วของคลื่นใหม่ได้ คือ



ตัวอย่าง เช่น โยนก้อนหินลงกลางสระ คลื่นเคลื่อนที่มาถึงฝั่งในเวลา 8 วินาที เมื่อวัดระยะจากตำแหน่งคลื่น ตก ถึงขอบสระได้ 12 เมตร อัตราเร็วของคลื่นผิวน้ำนี้คือ 12 หารด้วย 8 เท่ากับ 1.5 เมตร/วินาที

หรือลองอีกตัวอย่างหนึ่ง มอเตอร์หมุนด้วยอัตราเร็ว 20 รอบ/วินาที นำมาเป็นแหล่งกำเนิดคลื่น ของถาดคลื่น ลองวัดความยาวคลื่นแล้วได้ 3 เซนติเมตร อัตราเร็วของคลื่นผิวน้ำในถาดคลื่น ก็คือ 3 เซนติเมตร คูณกับ 20 ได้เท่ากับ 60 เซนติเมตรต่อวินาที

คลื่น : คุณลักษณะมูลฐานของคลื่น

คลื่นมีทั้งคลื่นตามยาว และ คลื่นตามขวาง แต่การอธิบายคุณลักษณะของคลื่นนั้น คลื่นตามขวาง อธิบายง่ายกว่า ให้พิจารณา รูป ซึ่งเป็นคลื่นต่อเนื่องของเชือก

เมื่อมีการสะบัดเชือกอย่างต่อเนื่อง ทางด้านซ้าย ลูกคลื่นก็จะเคลื่อนไปทางขวา ส่วนสูงของเชือก ที่สะบัดไปทางด้านบน เมื่อวัดจากแนวเดิมของเชือก ต่อไป เราจะเรียกว่า "แอมพลิจูด" แอมพลิจูด ที่จริงแล้วก็คือ การกระจัดที่มากที่สุดของอนุภาคตัวกลาง เมื่อวัดจากตำแหน่งเดิมนั่นเอง (แอมพลิูจูด จะวัดจากแนวเดิมไปยังด้านบน หรือด้านล่างก็ได้)

ตำแหน่งที่อยู่สูงสุดของเชือก เรียกว่า "สันคลื่น" ส่วนด้านล่างเรียกว่า "ท้องคลื่น" เมื่อวัดระยะจาก สันคลื่นไปยังสันคลื่น ระยะนี้ก็คือ "ความยาวคลื่น" ซึ่งใช้สัญลักษณ์

การสั่นของเชือก จะขึ้นอยู่กับจังหวะการสั่นของเราเอง จังหวะของการสั่นนี้ หากเราเทียบต่อเวลา เราก็เรียกว่า "ความถี่" เช่น ถ้าเราสะบัดเชือกขึ้นลง 5 ครั้งต่อวินาที นี่ก็คือความถี่ของคลื่นนั่นเอง

ในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ เกี่ยวกับคลื่นจะมีชุดถาดคลื่น ซึ่งมีมอเตอร์เป็นชุดกำเนิดคลื่น มอเตอร์นี้จะไม่สมดุลเมื่อหมุน 1 รอบมันจะสั่น 1 ครั้ง ดังนั้นความเร็วรอบของมอเตอร์ (ซึ่งสามารถปรับได้ โดยการปรับแรงเคลื่อนไฟฟ้า) ก็คือความถี่ของคลื่นน้ำนั้นนั่นเอง

หน่วยของความถี่ก็คือ ต่อวินาที (s^-1) หรือเฮิร์ตซ์ (Hz)

คลื่น : การสั่น

คลื่น กับ การสั่น ใช้คำเรียกที่แตกต่างกัน แต่คำทั้งสองมีความสัมพันธ์เกี่ยวเนื่องกัน

การสั่น ก็คือ การที่อนุภาค หรือสสารเคลื่อนที่กลับไป กลับมา โดยค่าเฉลี่ยของการกระจัดของมันมีค่าเท่ากับ ศูนย์ หรือใกล้เคียง ศูนย์

ความถี่ของการสั่น
ความถี่ (frequency) ก็คือจำนวนรอบของการสั่นของอนุภาคต่อวินาที ดังนั้น หน่วยของความถี่ก็คือ วินาที^-1 แต่โดยทั่วไปเรามักใช้ เฮิร์ตซ์ (Hz: hertz) ฉะนั้นคำว่า 1000 Hz ก็หมายความว่า อนุภาคนั้นมีการสั่น 1000 รอบในหนึ่งวินาที โดยทั่วไปเราใช้ สัญลักษณ์ f เป็นตัวแปรแทนความถี่ของการสั่น

คาบของการสั่น
คาบ (period) ก็คือ เวลาที่อนุภาคใช้ในการเคลื่อนที่ครบหนึ่งรอบของการสั่น ดังนั้นหน่วยของคาบ ก็คือ วินาที โดยทั่วไปเราใช้สัญลักษณ์ T เป็นตัวแปรแทนคาบเวลา

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ กับคาบ
ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่กับคาบก็คือ "ความถี่มีค่าเท่ากับส่วนกลับของคาบ" หรือเขียนเป็นสมการได้ ดังนี้


f หมายถึง ความถี่ของการสั่น หน่วยคือ Hz , ส่วน T หมายถึง คาบเวลา หน่วยคือ วินาที

ตัวอย่าง เช่น ลูกตุ้มนาฬิกาอย่างง่าย (simple pendulum) มีคาบเวลา 2 วินาที ดังนั้น ความถี่ของลูกตุ้มนาฬิกานี้ จะเท่ากับ 1/2 เท่ากับ 0.5 Hz