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