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

เสียง

"คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาว (longitudinal wave) เราสามารถใช้ออสซิลโลสโคป เพื่อดูรูปร่างของคลื่นเสียงได้ หูของมนุษย์เรา มีความสามารถในการตรวจจับคลื่นเสียง ในย่านความที่ที่กว้างมาก"

การแสดงรูปร่างของคลื่นเสียงโดยใช้ออสซิลโลสโคป
ไมโครโฟน คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานจากคลื่นเสียงให้เป็นเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ ภายในไมโครโฟน จะมีแผ่นกระดาษบางๆ ที่เรียกว่า ไดอะแฟรม (diaphram) เมื่อคลื่นเสียง (คลื่นความดันของอากาศ) เคลื่อนที่มาถึง จะทำให้แผ่นไดอะแฟรม สั่นตามจังหวะของการอัดขยายของอากาศบริเวณด้านหน้าไมโครโฟน แผ่นไดอะแฟรม จะถูกยึดติดกับกระบอกของขดลวดที่วางอยู่ในแท่งแม่เหล็กอีกทีหนึ่ง การสั่นของแผ่นไดอะแฟรม ก็หมายถึงการสั่นของขดลวดในสนามแม่เหล็ก ซึ่งก็จะมีผลทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าสลับขึ้น (รายละเอียดจะได้ศึกษาในระดับชั้นที่สูงขึ้น) ไฟฟ้ากระแสสลับที่กระเพื่อมขึ้นลง ก็คือจังหวะการดูด-อัดของอากาศ หรือความถี่ของคลื่นเสียงนั่นเอง ส่วนความดังของเสียง ที่เข้ามาไมโครโฟนเมื่อแสดงออกในรูปของไฟฟ้า กจะอยู่ในรูปของศักดาไฟฟ้า (voltage)

สรุปง่ายๆ ก็คือ ไมโครโฟนจะแปลงพลังงานคลื่นเสียง ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

และเมื่อส่งกระแสไฟฟ้านี้เข้าไปยังออสซิลโลสโคป เราก็จะเห็นรูปร่าง ของการเปลี่ยนแปลงของศักดาไฟฟ้า โดยที่บนหน้าจอของออสซิลโลสโคป จะแสดงแกน 2แกน ที่ตั้งฉากกัน แกนตั้งจะแสดงแอมพลิจูด ส่วนแกนนอนของออสซิลโลสโคปจะแสดงเวลา

จริงๆ แล้ว คลื่นเสียงเป็นคลื่นตามยาว แต่เมื่อถูกแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าแล้ว ทำให้ดูเหมือน เป็นคลื่นตามขวาง แต่การแสดงเช่นนี้ก็เทียบเคียงไปยังคลื่นตามยาวได้

ระยะระหว่างสันคลื่นที่ติดกัน จะแสดงคาบเวลา (period) ซึ่งหมายถึงการสั่นของแผ่นไดอะแฟรมครบ 1 รอบ นั่นก็หมายความว่าหากสันคลื่นของกระแสไฟฟ้าอยู่ชิดกัน ก็หมายถึงคาบเวลามีค่าน้อย หรือความถี่มีค่ามากนั่นเอง (เพราะว่า คาบเวลา = ส่วนกลับของความถี่) ความถี่ ก็คือ จำนวนรอบของการสั่น ของแผ่นไดอะแฟรมต่อวินาที(s^-1) ซึ่งก็หมายถึงความถี่ของคลื่นเสียงนั่นเอง ส่วนความสูงของยอดคลื่นเราเรียกว่า "แอมพลิจูด" ซึ่งจะเป็นการแสดงความดังของแสง ถ้าเสียงดังมากแอมพลิจูดที่ปรากฏบนจอออสซิลโลสโคป ก็จะสูงมาก

การสะท้อนของแสง : กฎการสะท้อน

เมื่อรังสีของแสง ตกกระทบเข้ากับผิวของวัตถุใดๆ มันจะสะท้อนออกมา ตามที่แสดงในภาพ

รังสี (เส้นตรงที่มีหัวลูกศร) ที่พุ่งออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง และพุ่งเข้าหาผิวสะท้อน เรียกว่า "รังสีตกกระทบ" (incident ray) ส่วนรังสีที่สะท้อนออกจากผิวสะท้อน เรียกว่า "รังสีสะท้อน" (reflected ray) ณ ตำแหน่งที่รังสีตกกระทบ กระทบผิวสะท้อน เส้นสมมติที่ลากตั้งฉากกับผิวสะท้อน ณ ตำแหน่งนี้ เรียกว่า "เส้นแนวฉาก" (normal line)

มุมที่ทำระหว่าง รังสีตกกระทบกับเส้นแนวฉาก เรียกว่า "มุมตกกระทบ" (angle of indident)
มุมที่ทำระหว่างรังสีสะท้อนกับเส้นแนวฉาก เรียกว่า "มุมสะท้อน" (angle of reflection)

ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้ กำหนดเป็นกฎการสะท้อนของแสงได้ดังนี้
1. มุมตกกระทบ มีค่าเท่ากับ มุมสะ้ท้อน เสมอ
2. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉาก ที่สอดคล้องกันจะอยู่ในระนาบเดียวกันเสมอ

การทดลองซึ่งทำได้ไม่ยากในปัจจุบัน สำหรับการพิสูจน์กฎการสะท้อนก็คือ นำเลเซอร์พอยน์เตอร์ มาฉายลงบนวัสดุที่สามารถสะท้อนแสงได้ ในห้องที่มืดๆ โปรยแป้งฝุ่นเล็กน้อยให้มีฝุ่นละอองในอากาศ เราจะสามารถสังเกต กฎการสะท้อนได้อย่างชัดเจน

การสะท้อนของแสง : บทนำ

พื้นผิวของวัตถุทั่วๆไป เมื่อลำแสงขนาน (รังสีแสงที่แต่ละรังสีขนานกัน) พุ่งไปตกกระทบ การสะท้อนของแสง จะกระจัดกระจายออกไปหลายทิศทาง ยกเว้นพื้นผิวของวัตถุที่เรียบมากๆ เช่น ผิวของกระจก ผิวของโลหะที่ถูกขัดมัน ซึ่งพื้นผิวที่เรียบมากเหล่านี้ เราก็นำมาใช้สะท้อนภาพของเราเองได้ หรือที่เรียกว่า กระจกเงานั่นเอง

วัสดุบางชนิด เช่น คอนกรีต กระดาษ ไม้กระดาน เมื่อมองเผินๆ อาจจะเรียบ แต่ถ้าพิจารณาด้วยกล้องจุลทรรศน์ จะพบว่า เต็มไปด้วยรอยขรุขระ และรอยขรุขระเหล่านี้เอง ที่ำทำให้แสงสะท้อน ออกมาอย่างไม่มีระเบียบ ส่วนผิวของกระจก หรือผิวของแผ่นโลหะขัดมัน แสงจะสะท้อนอย่างเป็นระเบียบ ดังแสดงให้เห็นตามภาพ

หน่วยการเรียนนี้ เราจะได้กล่าวถึงการสะท้อนของแสงโดยเฉพาะ

แสงและเงา : กล้องรูเข็ม

เป็นกล้องที่ประกอบด้วยกล่องทึบแสง ด้านหนึ่งของกล่องเจาะรูขนาดเล็กมาก ประมาณเท่ากับปลายเข็ม จึงเรียกว่ากล้องรูเข็ม (pinhole camera) ผนังด้านตรงกันข้ามกับด้านที่เจาะรูจะเป็นฉากรับภาพ ดังแสดงในรูป


เมื่อแสงสว่างจากวัตถุ ผ่านเข้ารูเล็กๆ ด้านหน้าของกล้อง รังสีของแสงจะพุ่งไปกระทบที่ฉากด้านหลัง โดยรังสีที่พุ่งผ่านเข้าไป จะกลับด้านบนเป็นด้านล่าง ด้านล่างเป็นด้านบน ภาพที่เกิดจากรังสีแสงไปกระทบนี้ มีขนาดเล็กกว่าขนาดของวัตถุ อีกทั้งความสว่างของภาพก็จะมีน้อยแสงที่ออกจากวัตถุมาก ทั้งนี้ก็เพราะว่า รังสีแสงที่พุ่งออกจากวัตถุ ไม่ได้พุ่งผ่านรูด้านหน้ากล้องทั้งหมด มีเพียงแสงบางส่วนเท่านั้น ที่สามารถผ่านเข้าไปได้ แต่ภาพที่สมบูรณ์ก็สามารถเกิดขึ้นได้บนฉาก

หลายคนอาจสงสัยว่า แล้วทำไมไม่ทำให้รูรับแสงนี้ มีขนาดกว้างขึ้น ปัญหานี้หากใครเคยมีประสบการณ์บ้าง จะพบว่า การเพิ่มขนาดรูรับแสงของกล้องรูเข็มนี้ ผลที่เกิดขึ้นก็คือ ภาพที่ได้จะขาดความคมชัดไปอย่างมาก ถึงแม้ว่าภาพที่ได้จะสว่างขึ้นก็ตาม ที่ภาพเบลอร์ก็เพราะว่า รูรับแสงที่ใหญ่ขึ้น จะทำหน้าที่เหมือนมีทางที่ให้แสงผ่าน เข้าได้มากกว่าหนึ่งช่อง ทำให้ภาพเกิดการเหลื่อมล้ำกัน ผลรวมของมันจึงไม่คมชัดนั่นเอง

นับตั้งแต่มีการสร้างฟิล์มไวแสงขึ้นมา ฟิล์มไวแสงก็ถูกนำมาไว้ที่ตำแหน่งฉาก เมื่อนำฟิล์มไปผ่านกระบวนการ (process) ก็จะได้ภาพที่สมบูรณ์มาก เพียงแต่การช่วงเวลาของการบันทึกแสง หรือภาษาถ่ายภาพเรียกว่า ชัตเตอร์สปีด (shutter speed) จะใช้ค่ามากกว่ากล้องถ่ายทั่วไป ดังนั้นการถ่ายภาพด้วยกล้องรูเข็ม จึงจำเป็นต้องใช้ขาตั้งกล้อง (tripod) เสมอ

แสงและเงา : สุริยุปราคา

ดวงจันทร์ ก็คือลูกหินกลมๆ ที่ไม่สามารถเปล่งแสงออกมาจากตัวเอง ถ้าไม่มีแสงอาทิตย์ เราก็จะไม่มีโอกาสเห็นดวงจันทร์ นี่เราเห็นดวงจันทร์ก็เพราะว่าแสงดวงอาทิตย์มากระทบดวงจันทร์ เราก็เลยมองเห็นมัน

ปรากฏการณ์หนึ่ง ที่นานๆ จะสังเกตได้สักครั้งหนึ่ง ก็คือ ปรากฏการณ์ที่ดวงจันทร์ มากั้นขวางระหว่าง ดวงอาทิตย์กับโลก ซึ่งเรียกว่า สุริยุปราคา

ตำแหน่งบนโลก ซึ่งรังสีของดวงทิตย์ไม่สามารถส่องผ่านไปได้ บริเวณนี้ก็จะเป็นเงามืด คนที่อยู่ตำแหน่งนี้ จะมองไม่เห็นดวงอาทิตย์ (หรือมองเห็นก็เป็นจุดดำบนท้องฟ้า)

ส่วนบริเวณที่มีรังสีดวงอาทิตย์ส่องไปถึงบ้าง ก็จะเป็นบริเวณที่เงามัว คนที่อยู่ในบริเวณเงามัว เมื่อมองไปยังดวงอาทิตย์ (ผ่่านแผ่นกรองแสงที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ) ก็จะมองเห็นดวงอาทิตย์บางส่วน

แสงและเงา : เงา

เงาเกิดขึ้นก็เพราะว่า แสงเดินทางเป็นเส้นตรง ไม่โ้ค้งอ้อมเมื่อมีสิ่งกีดขวางมากั้นแสง

จากรูปจะเห็นบริเวณที่ไม่มีรังสีของแสง วิ่งไปกระทบบนฉาก ซึ่งบริเวณนี้ ก็คือ บริเวณที่เป็นส่วนที่เรียกว่า เงามืด ทั้งนี้ก็เนื่องจาก มีสิ่งกีดขวางมากั้นรังสีของแสงไว้

ส่วนบริเวณเงามัวๆ ก็คือ บริเวณที่มีรังสีของแสงบางส่วน ไปถึง และมีบางส่วนไปไม่ถึง ดังแสดงในรูป


ส่วนบริเวณใดที่ไม่มีอะไรมาขวางกั้น ก็จะมองเห็นแหล่งกำเนิดแสงโดยเต็มทั้งดวง ดังนั้น บริเวณนั้น จึงเป็นบริเวณที่สว่าง


การเข้าใจเกี่ยวกับเงามืด เงามัว หรือบริเวณสว่าง สามารถพิจารณาได้จากหัวข้อต่อไป

แสงและเงา : ลำแสงกับรังสี

เรามักสังเกตเห็นได้บ่อยๆ เมื่อแสงอาทิตย์ส่องลอดใบไม้ในเช้าที่มีสายหมอกลอยล่องเหนือผิวดิน ไม่เช่นนั้นก็อาจเคยสังเกตเห็น ลำแสงจากเครื่องฉายภาพยนตร์ ส่องไปยังจอ หรือบางคนที่เคยเล่น เลเซอร์พอยน์เตอร์ ที่ส่องผ่านไปยังควันไฟ หรือไอน้ำ

สิ่งที่เรามองเห็นก็คือ รอยสว่างของแสงที่พุ่งผ่านฝุ่น ควัน เล็กๆ ในอากาศ ซึ่งการสังเกตเห็นแสงนี้เอง ทำให้มนุษย์เรา สรุปออกมาว่า "แสงเดินทางเป็นเส้นตรง" และมักแทนแสงด้วย "เส้นตรง"

เส้นตรงหนึ่งเส้นที่มีหัวลูกศร กำกับ(เพื่อบอกทิศทางของแสง) เราเรียกว่า รังสี (rays) ดังนั้น รังสี ก็คือเส้นสมมติของการเคลื่อนที่ของแสง

โดยปกติแหล่งกำเนิดแสงจะมีแสงพุ่งออกมาในทิศต่างๆ กัน ดังนั้น รังสีเส้นเดียว จึงไม่อาจสื่อความหมายได้ จึงมักเขียนรังสีหลายๆ เส้น รังสีหลายๆ เส้นนี้ ถ้าเคลื่อนที่ไปทางเดียวกัน เราจะเีรียกว่า ลำแสง (beam)

แสงและเงา : ธรรมชาติของแสง

อะไรคือสิ่งที่วิ่งเข้าลูกตาของเรา เมื่อเรามองเห็นสิ่งต่างๆ คำตอบก็คือ แสง แล้วมีคำถามต่อมาว่า แล้วแสงมีธรรมชาิติอย่างไร ลองมาดูคำตอบเหล่านี้ (รายละเีอียดจะยังไม่มากนัก)

แสงมาจากการแผ่รังสีแสงออกมา -- ข้อความนี้อธิบายประสบการณ์การพบเห็นแสงได้ไม่ยาก เพียงแต่ว่า อาจยังบอกอะไรไม่ได้มากนัก การแผ่รังสี เป็นคำทั่วไป ที่บอกถึงพลังงานที่แผ่ออกมาโดยรอบวัตถุ ไม่ว่าวัตถุนั้นจะอยู่ในสภาพที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแม้แต่แก๊ส

แสงถ่ายทอดพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง -- พลังงานคือสิ่งที่สร้างแสงขึ้นมา วัสดุใดๆ เมื่อได้รับแสงแล้ว วัตถุนั้นก็จะมีพลังงานที่สูงขึ้นโดยการดูดซับพลังงานแสงบางส่วนไว้ ซึ่งเรามักรู้สึกได้ ในรูปของความร้อน แต่ก็มีสิ่งประดิษฐ์บางอย่าง สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง เช่น โซลาร์เซลล์ (solar cell)

แสงก็คือ การเคลื่อนที่แบบคลื่นรูปแบบหนึ่ง -- แสงเดินทางจากจุดที่มีการแผ่รังสีแสงออก แล้วเคลื่อนที่ออกไปโดยรอบ จะว่าไปแล้ว ก็คล้ายๆ กับการที่คลื่นผิวน้ำ เป็นริ้วกระเพื่อมออกมาโดยรอบ จุดกำเนิดคลื่นผิวน้ำ(ที่เกิดจากการรบกวนบนผิวน้ำ) สำหรับกรณีของแสงนั้น การกระเพื่อมนี้จะเป็นการกระเพื่อมของประจุไฟฟ้า หรือแม่เหล็ก ผลของการเคลื่อนตัวของประจุไฟฟ้า หรือแม่เหล็ก ทำให้เกิดการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาโดยรอบ โดยอัตราเร็วของการแผ่รังสี เท่ากับ 300,000 km/s อัตราเร็วนี้ทำให้แสงเคลื่อนที่รอบโลกได้ถึง 7 รอบ ในเวลาไม่ถึงหนึ่งวินาที

แสง คือ สิ่งที่ตรวจจับได้ด้วยสายตา -- ข้อนี้ ดูอาจคล้ายๆ กับข้อที่ผ่านมาแล้ว แต่ข้อนี้ก็มีความหมายที่ ตรงตัว เพราะ วัตถุที่แผ่รังสีนั้น จะแผ่รังสีออกมาหลายชนิด แต่หนึ่งในนั้นมีอยู่ช่วงหนึ่งที่ดวงตามนุษย์ สามารถรับทราบได้ว่ามีการแผ่รังสี

แสงและเงา : บทนำ

เรามองเห็นสิ่งต่างๆ ได้ ก็ต่อเมื่อแสงจากสิ่งนั้นวิ่งมากระทบตาของเรา สิ่งของบางอย่าง อาจไม่ได้มีแสงออกจากตัวเอง แต่มันก็ต้องมีแสงไปกระทบมันแล้วสะท้อนเข้าสู่ตาเราอยู่ดี เมื่อแสงเคลื่อนที่ เรามักรู้กันว่า มันเดินทางเป็นเส้นตรง



เรารู้กันว่า แสง จะแผ่หรือเปล่งออกมาจากวัตถุที่ร้อนจัด เช่น ดวงอาทิตย์ หรือมาจากหลอดไฟ หรือแม้แต่แสงจากตะเกียงหรือเทียน ที่จริง แสงอาจจะเปล่งออกจากวัตถุที่กำลังเย็นตัวลงก็ได้ เนื่องจากเป็นช่วงที่มีการคายพลังงาน(การลดระดับชั้นของอิเลกตรอนลง) กรณีอย่างหลังนี้มีตัวอย่างที่พบได้ในชีวิตประจำวันก็คือ หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือจากหลอดภาพโทรทัศน์ (หลอด CRT) สิ่งใดก็ตามที่มีแสงออกมาจากตัวเอง เราจะเรียกมันว่า "วัตถุเปล่งแสง"

ส่วนสสารหรือวัตถุส่วนใหญ่ รายรอบตัวเรานั้น ในสภาวะปกติจะไม่สามารถเปล่งแสงออกมาได้ การจะมองเห็น วัตถุเหล่านี้ได้ ก็ต้องอาศัยแสงจากแหล่งกำเนิดอื่นๆ มากระทบ แล้ว แสงสะท้อน ออกมาจากวัตถุเหล่านี้อีกครั้งหนึ่ง ซึ่งเราจะเรียกวันมัน "วัตถุไม่มีแสงในตัวเอง" วัตถุเหล่านี้ บางชนิดมีผิวที่สามารถสะท้อนแสงได้ดี เราก็จะมองเห็นวัตถุนี้สว่างกว่าวัตถุอื่นๆ เช่น วัตถุที่ทาสีขาว ส่วนวัตถุใดๆ ที่สะท้อนแสงไม่ดี เช่น บริเวณที่มีสีดำ แสงจะสะท้อนได้น้อย ทำให้เรามองเห็น บริเวณนั้นมืดกว่าที่อื่น (ด้วยคุณลักษณะเช่นนี้ ทำให้เราสามารถอ่านข้อความบนกระดาษได้ เพราะหมึกจะทำจากวัสดุสะท้อนแสงไม่ดี ส่วนกระดาษจะสะท้อนแสงได้ดีกว่า)

วัตถุบางอย่าง ก็ยอมให้แสงส่วนใหญ่ผ่านตัวมันเองได้ (ถึงแม้ว่ามันจะสะท้อนแสงด้วยก็ตาม) วัสดุพวกนี้ ก็เป็นพวกกระจกใส ผลึกของเกลือบางอย่าง ควอตซ์ เป็นต้น

ธรรมชาติของแสงได้รับการพิจารณาและศึกษามามาก แต่ไม่ว่าจะมีใครพูดอย่างไร เรารู้ว่า แสง คือ สิ่งที่ทำให้โลกสวยงาม และเกิดจินตนาการ ในลำดับบันทึกต่อไปนี้ จะำกล่าวถึงแง่มุมหนึ่ง ของแสง ในเชิงวิทยาศาสตร์ ชื่อว่า แสงและเงา