คุณสมบัติของคลื่น

คุณสมบัติของคลื่น

  วิธีการอธิบายการเคลื่อนที่ของคลื่น

หน้าคลื่น (wavefront)  คือ  เส้นที่ลากเชื่อมตำแหน่งที่มีเฟสเดียวกัน

คลื่นต่อเนื่องวงกลม   

 

คลื่นต่อเนื่องเส้นตรง

 

 

 

 

 

 

 

 

 

รังสีคลื่น (ray)  คือ  เส้นที่ลากตั้งฉากกับหน้าคลื่น จะแสดงทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

คุณสมบัติ พื้นฐานของ คลื่น ต่างๆ สามารถ พิจารณาได้ 4 ประการ ซึ่งมี

             1.    การสะท้อนกลับ ( Reflection )
             2.    การหักเห (Refraction)
             3.    การแพร่กระจายคลื่น (Diffraction )
             4.    การแทรกสอดของคลื่น ( Interference )

การสะท้อน ( Reflection )

              การสะท้อน คือ การที่คลื่นเคลื่อนที่ไปตกกระทบกับสิ่งกีดขวางหรือรอยต่อระหว่างตัวกลางแล้วเปลี่ยนทิศสะท้อนกลับ มาในตัวกลางเดิม

การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือก
เมื่อทำให้เกิดคลื่นดลในเส้นเชือกเคลื่อนที่ไปตามเส้นเชือก กระทบผิวรอยต่อซึ่งเป็นปลายอิสระ (free end)
หรือปลายตรึง (fixed end) คลื่นในเส้นเชือกจะสะท้อนกลับดังรูป

แสดงการสะท้อนของคลื่นแบบปลายอิสระ

                            

แสดงการสะท้อนของคลื่นแบบปลายตรึง

                                                   

- การสะท้อนคลื่นในเชือกปลายอิสระ คลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงกัน
- การสะท้อนคลื่นในเชือกปลายตรึง คลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงข้ามกัน

การหักเห (Refraction) 

          การหักเห คือ การที่คลื่นเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่

การสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ
         เมื่อคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง และเนื่องจากระดับน้ำสามารถเลื่อนขึ้นลงได้อิสระ ดังนั้นการ

สะท้อน จึงเหมือนการสะท้อนในเชือกปลายอิสระ กล่าวคือ เฟสของคลื่นสะท้อนจะคงเดิม

แสดงการสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ

แสดงการสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ

แสดงการสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ

   การเลี้ยวเบนหรือการแพร่กระจายคลื่น (diffraction)
         การเลี้ยวเบน หรือการแพร่กระจายคลื่น (diffraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง ทำให้คลื่นส่วนหนึ่งอ้อมบริเวณของสิ่งกีดขวางแผ่ไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น

แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวาง

การอธิบายปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของคลื่น อธิบายโดยใช้หลักของฮอยเกนส์

หลักของฮอยเกนส์ (Huygen’s principle)
  “ทุกๆ จุดบนหน้าคลื่นเดียวกัน อาจถือว่าเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นชุดใหม่ ที่แผ่ออกไปทุกทิศทาง ด้วยอัตราเร็ว เท่าเดิม”

แสดงการกำเนิดคลื่นใหม่ตามหลักของฮอยเกนส์

การเลี้ยวเบนของคลื่นผ่านช่องแคบเดี่ยว (Single Slit)

            เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวาง ซึ่งเป็นช่องแคบคลื่นจะเลี้ยวเบนผ่านช่องแคบไป ปรากฏเป็นคลื่นหลังสิ่งกีดขวางได้ ซึ่งการเลี้ยวเบนนี้จะเกิดได้ดี ถ้าหากช่องแคบนั้นมีความกว้างประมาณเท่า หรือน้อยกว่าความยาวคลื่น โดยเสมือนหนึ่งว่าช่องแคบนั้นทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นใหม่ให้หน้าคลื่นวงกลมออกมารอบช่องแคบนั้น แต่ถ้าช่องแคบนั้นกว้างกว่าความยาวคลื่นจะเกิดการเลี้ยวเบนและเกิดการแทรกสอด ขึ้นด้วย ดังรูป

 

                                         

 


แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบเดี่ยว

แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบเดี่ยว

การแทรกสอดของคลื่น ( Interference )

                     การแทรกสอด (interference) เกิดจากคลื่นสองขบวนที่เหมือนกันทุกประการเคลื่อนที่มาพบกันแล้วเกิดการซ้อนทับกัน ถ้าเป็นคลื่นแสงจะเห็นแถบมืดและแถบสว่างสลับกัน ส่วนคลื่นเสียงจะได้ยินเสียงดังเสียงค่อยสลับกัน

แสดงลักษณะ และส่วนประกอบของคลื่น

         • เส้นสีขาว คือแนวสมดุล (ระดับเดิมของตัวกลางเมื่อยังไม่มีคลื่น)
• สันคลื่น(crest) คือ ส่วนที่สูงที่สุดของคลื่นจากแนวสมดุล(มีการกระจัดเป็นบวกมากที่สุด)
• ท้องคลื่น(trough) คือส่วนที่ต่ำลงไปจากแนวสมดุลมากที่สุด(การกระจัดเป็นลบมากที่สุด)

แสดงการแทรกสอดของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์

การรวมกันของคลื่นต่อเนื่องสองขบวน อันเนื่องมาจากคลื่นทั้งสองขบวนเคลื่อนที่ไปพบกัน
        -ตำแหน่งที่เกิดการรวมแบบเสริมกัน จะมีค่าแอมพลิจูดมาก เรียกตำแหน่งนี้ว่า

ปฏิบัพ(Antinode : A)
        -ตำแหน่งที่เกิดการรวมแบบหักล้างกันจะมีค่าแอมพลิจูดน้อยเกือบเป็นศูนย์ เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพ(node : N)

แหล่งอ้างอิง 

vhttp://physicsp2n.spaces.live.com/blog/cns!3635DBC4A21ACE4E!173.entry

vhttp://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/284/6/wave/reflection.html

vhttp://sangsri.wordpress.com/2010/09/13/%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%99%E0%B9%81%E0%B8%A5%E0%B8%B0%E0%B8%9B%E0%B8%A3%E0%B8%B2%E0%B8%81%E0%B8%8E%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%93%E0%B9%8C%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B7%E0%B9%88/

 

 

คุณสมบัติของคลื่น

ดัชนีการหักเห(แท่งแก้วล่องหน)

วันนี้เรากิ๊ฟ ธนัชพร ดีจริงจริง พาเพื่อนๆมาดูการทดลองที่น่าสนใจกัน

จะเป็นการทดลองเรื่องอะไรนั้นเดี๋ยวให้เพื่อนๆมาติดตามชนกันดีกว่า

สมบัติของคลื่น

การสะท้อนของคลื่น Reflection
เมื่อคลื่นเคลี่ยนที่ไปชนกับสิ่งกีดขวาง หรือเคลื่อนที่ไปยังปลายสุดของตัวกลาง หรือระหว่างรอยต่อของตัวกลาง คลื่นส่วนหนึ่งจะเคลื่อนที่กลับมาในตัวกลางเดิม เรียกว่า การสะท้อนของคลื่น และคลื่นที่สะท้อนกลับมา เรียกว่า คลื่นสะท้อน ส่วนคลื่นที่ไปกระทบปลายสุดของตัวกลางก่อนเกิดการสะท้อนเรียกว่า คลื่นตกกระทบ

การหักเหของคลื่น(Refraction)

เมื่อให้คลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลาหนึ่งไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง เช่น คลื่นน้ำลึกเคลื่อนที่จากน้ำลึกเข้าสู่บริเวณน้ำตื้น จะทำให้ความยาวคลื่นของคลื่นน้ำจะเปลี่ยนแปลงไปด้วย การที่คลื่นน้ำเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปสู่อีกตัวกลางหนึ่งแล้วทำให้อัตรา เร็วและความยาวคลื่นเปลี่ยนไปแต่ความถี่คงที่ เรียกว่า "การหักเหของคลื่น" และคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านรอยต่อ ระหว่างตัวกลางไปเรียกว่า "คลื่นหักเห"
ในการหักเหของคลื่นจากตัวกลางหนึ่งไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง จะทำให้ความเร็ว และความยาวคลื่นเปลี่ยนไป แต่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นอาจจะไม่เปลี่ยน หรือเปลี่ยนไปจากแนวเดิมก็ได้

การแทรกสอดของคลื่น(Interference)

เมื่อมีคลื่นต่อเนื่องจากแหล่งกำเนิดคลื่นสองแหล่งที่มีความถี่เท่ากันและเฟสตรงกันเคลื่อนที่มาพบกัน จะเกิดการซ้อนทับระหว่างคลื่นต่อเนื่องสองขบวนนั้น ปรากฎการณ์เช่นนี้เรียกว่า การแทรกสอดของคลื่น

1.การแทรกสอดแบบเสริมกัน เกิดจากสันคลื่นของคลื่นทั้งสองมารวมกัน คลื่นลัพธ์ที่เกิดขึ้น จะมีวันคลื่นสูงกว่าเดิม และมีท้องคลื่นลึกกว่าเดิม และจะเรียกตำแหน่งนั้นว่า ปฏิบัพ(Antinode)

2.การแทรกสอดแบบหักล้าง เกิดจากสันคลื่นจากแหล่งกำเนิดหนึ่งมารวมกับท้องคลื่นของ อีกแหล่งกำเนิดหนึ่ง คลื่นลัพธ์ที่เกิดขึ้นจะมีสันคลื่นต่ำกว่าเดิม และท้องคลื่นตื้นกว่าเดิม และเรียกตำแหน่งนั้นว่า บัพ(Node)

การเลี้ยวเบนของคลื่น
เมื่อมีสิ่งกีดขวางมากั้นการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นจะเกิดการสะท้อน แต่ถ้าสิ่งกีดขวางนั้นกั้นการเคลื่อนที่ ของคลื่นเพียงบางส่วน จะพบว่ามีคลื่นส่วนหนึ่งแผ่จากขอบสิ่งกีดขวางไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น การที่มีคลื่นปรากฎอยู่ทางด้านหลังของแผ่นกั้นคลื่นในบริเวณนอกทิศทางเดิมของคลื่นเช่นนี้เรียกว่า การเลี้ยวเบนของคลื่น

 

ปรากฏการณ์คลื่น

หลักการซ้อนทับ คือ เมื่อคลื่นดลตั้งแต่สองคลื่นมาพบกันแล้วเกิดการรวมกัน การกระจัดของคลื่นรวมมีค่าเท่ากับผลบวกของการกระจัดของแต่ละคลื่นที่มาพบกัน หลังจากที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านพ้นกันแล้ว แต่ละคลื่นยังคงมีรูปร่างและทิศเดิม ถือว่าเป็นการแทรกสอดก็ได้ซึ่งจะกล่าวในสมบัติของคลื่น

การซ้อนทับของคลื่น

เมื่อคลื่นดลสองคลีืนมีเฟสต่างกัน

เมื่อคลื่นดลสองคลีืนมีเฟสเหมือนกัน

คลื่นนิ่งในเส้นเชือก

ถ้าเกิดคลื่นนิ่ง n วง ในเส้นเชือกยาว L กรณีถูกตึงทั้งสองข้าง

และเมื่อ n = 1,2,3,...

 เมื่อมีแรงดึง F นิวตัน และเชือกหนัก µ Kg/N

การสั้นพ้อง คือ ปรากฎการณ์ที่วัตถุสั้นด้วยคลื่นที่แอมพิจูดกว้างกว่าปกติ จากเกิดขึ้นได้เมื่อวัตถุถูกบังคับด้วยแรงภายนอกที่มีความถี่เท่ากับความถ่ีธรรมชาติของคลื่นนั้น เช่น กรณีการโล้ชิงช้า ถ้าต้องการโล้ชิงช้าให้แรงขึ้นต้องโล้ให้ถูกจังหวะพอดี คือความถี่ในการโล้ชิงช้าเท่ากับความถี่ธรรมชาติของมันซึ่งมีค่าคงที่เสมอ

คลื่นกลแบบต่างๆ

คลื่นกลที่เกิดจากการสั้น เช่น การแกว่งของลูกตุ้ม ความถี่ของคลื่นไม่ขึ้นอยู่กับความเร็ว(v)หรือขนาดมุม( )ของการแกว่ง แต่อยู่กับความยาวของเชือก(l)หรือแขนที่ตึงลูกต้มนั้นไว้ ดังสมการ

 

การแกว่ง แต่ไม่มีลูกตุ้ม

ความถี่นี้เรียกว่า ความถี่ธรรมชาติ เช่นเดียวกับกรณีของสปริง

 k คือ ค่งคงตัวสปริง(N/m), m คือ มวลของวัตถุ(Kg)

หากพิจารณากราฟการกระจัด(S)กับเวลา(t)ของคลื่นกลจะมีลักษณะเป็นการเคลื่อนที่ แบบฮามอนิกอย่างง่าย ดังนั้นการกระจัดตามแนวตั้งมีความสัมพันธ์ดังสมการของกราฟฟังก์ชันไซน์ เมื่อคลื่นนั้น

เรเดียน แอมพิจูด A เมตร หรือ ความเร็ว w red/s

S = Asin หรือ S = Asinwt

คลื่นแบ่งตามการสั่นของตัวกลางกับทิศทางการแผ่คลื่นได้ 2 ชนิดคือ
1. คลื่นตามขวาง การสั่นของตัวลางมีทิศตรงข้ามกับการแผ่คลื่น
2. คลื่นตามยาว การสั่นของตัวลางมีทิศเดียวกันกับการแผ่คลื่น
ถ้าแบ่งตามความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิดได้สองแบบคือ
1. คลื่นดล คลื่นมีการรบกวน่ระยะเวลาหนึ่งทำให้เกิดลูกคลื่นไม่กี่ลูก
2. คลื่นต่อเนี่อง คลื่นมีการรบกวนอยู่ตลอดเวลา

ถ้าคลื่นสองคลื่นมีแอมพลิจูดเท่ากันและความถี่เดียวกัน แต่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม จะมีบางจุดในตัวกลางที่อนุภาคมีแอมพลิจูดสูงสุด และมีบางจุดซึ่งอนุภาคตัวกลางมีการกระจัดต่ำสุด คลื่นรวมที่มีลักษณะดังกล่าว เรียกว่า คลื่นนิ่ง

1.&2. คลื่นตามขวาง 3. คลื่นตามยาว

ลักษณะของคลื่นนี่ง จุดสีแดงคือ บัพ

คลื่นกล

คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวนจากแหล่งกำเนิด ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมีการส่งถ่ายโอนพลังงานแผ่ออกไปด้วย
คลื่นกล หมายถึง เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ก็ได้ ตัวอย่างคลื่นกลได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น

คลื่นกลเกิดจากการรบกวนตัวกลางโดยการให้พลังงานกลกับตัวกลาง พลังงานนี้จะถูกถ่ายโอนจากบริเวณที่ถูกรบกวนและแผ่ออกไปโดยอนุภาคของตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ตามคลื่นไปด้วย แต่จะเคลื่อนที่กลับไปกลับมารอบตำแหน่งหนึ่ง ถ้าอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นจะเรียกว่า คลื่นตามขวาง (transverse wave) เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก แต่ถ้าอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นจะเรียกว่า คลื่นตามยาว (longitudinal wave) เช่น คลื่นเสียง

ค่าที่ใช้ในการระบุรูปร่างของคลื่น คือ ความถ่ี(Hz) ความยาวคลื่น () แอมพลิจูด(A) คาบ(T) การกระจัด(S) ความเร็วคลื่น(v)
เฟส (Phase) หมายถึง การบอกตำแหน่งบนคลื่นที่มีการกระจัดๆหนึ่ง นิยมบอกเป็นค่าของมุมและเฟสสองเฟสจะตรงกันก็เพราะว่ามีทิศการกระจัดทิศเดียวกัน
ลูกคลื่น (Loop) หมายถึง สั้นคลื่น หรือท้องคลื่น ซึ่งมีความยาวเป็นครี่งหนึ่งของความยาวคลื่น
แนวสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่มีเฟสตรงกันของคลื่นต่อเนื่อง เรียกว่า หน้าคลื่น

คลื่นความถี่ 2 Hz คือ คลื่นเดินทางได้สองรอบ(หรือ 4 ลูกคลื่น)ต่อ 1 วินาที นั้นคือ คลี่นนี้คาบหนึ่งได้ 0.5 วินาที ดังนั้น

T = 1/f หรือ f = 1/T

เมื่อ f คือจำนวนรอบต่อวินาที รอบหนึ่งมีความยาว เมตร ดังนั้นความเร็วของคลื่นคือ

v = f

รูปร่างของคลื่นในกราฟของระยะทางกับการกระจัด

ผิวน้ำถูกรบกวน เกิดเป็นคลื่นแผ่กระจายออกรอบข้าง

น.ส.ธนัชพร ดีจริงจริง ม.5/1

สวัสดีค่ะ อาจารย์
ลิ้งค์บล็อคของหนูค่ะ : http://poohgift.blogspot.com/
ค่ะ