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