เนื้อหาเรื่อง แสง ฟิสิกส์ เป็น 1 เนื้อหาที่มีรายละเอียดค่อนข้างเยอะ ซึ่งพี่แบ่งเนื้อหาดังกล่าวออกเป็น 2 เรื่องหลัก คือ แสงเชิงคล่ืนและแสงเชิงรังสี แต่ในบทความนี้จะพูดถึงแค่เรื่องแสงเชิงคล่ืนก่อนน้า เพราะอยากให้ทุกคนค่อย ๆ ทำความเข้าใจไปทีละเรื่อง
โดยพี่เตรียมสรุปเรื่องนิยาม แหล่งกำเนิดแสง และเนื้อหาสำคัญอื่น ๆ พร้อมกับพาทบทวนเรื่องสูตรต่าง ๆ และมีตัวอย่างข้อสอบท้ายบทความให้ทุกคนได้ลองฝึกทำอีกด้วยยย !!
แสง (Light) เป็นคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีความยาวคล่ืนอยู่ในช่วงที่มนุษย์สามารถรับรู้ได้ผ่านดวงตาหรือที่เรียกว่า “แสงที่ตามองเห็น” (Visible Light)
แสงที่ตามองเห็นเป็นส่วนหนึ่งของ สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า โดยมีความยาวคล่ืนอยู่ในช่วง 400-700 นาโนเมตร และมีอัตราเร็วในสุญญากาศประมาณ 3\times 10^{8} เมตรต่อวินาที ซึ่งเท่ากับความเร็วของคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิด
แหล่งกำเนิดแสง
แหล่งกำเนิดแสง หมายถึง วัตถุหรือสิ่งที่สามารถปล่อยแสงออกมาได้เอง ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่
- แหล่งกำเนิดแสงตามธรรมชาติ เช่น
- ดวงอาทิตย์ (Sun) เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญของโลก
- ดาวฤกษ์ (Stars) อื่น ๆ ที่ปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง
- ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า (Lightning) ซึ่งเกิดจากการปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าในบรรยากาศ
- หิ่งห้อย และ สัตว์เรืองแสง (Bioluminescent organisms) เช่น แมงกะพรุนเรืองแสง
- แหล่งกำเนิดแสงที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น
- หลอดไฟฟ้า เช่น หลอดไส้ (Incandescent bulb) และหลอดฟลูออเรสเซนต์
- LED (Light Emitting Diode) ที่ใช้ในจอภาพและไฟส่องสว่าง
- เลเซอร์ (Laser) ที่ใช้ในอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์และการแพทย์
- เปลวไฟ จากเทียน ไฟแช็ก หรือเตาเผาต่าง ๆ
สมบัติและพฤติกรรมของแสง
การสะท้อน (Reflection)
ปรากฏการณ์ที่แสงเดินทางไปกระทบพื้นผิวของวัตถุแล้วเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่กลับสู่ตัวกลางเดิม การสะท้อนของแสงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของพื้นผิวสัมผัส ซึ่งอาจเป็นการสะท้อนแบบปกติหรือการสะท้อนแบบกระจาย ขึ้นอยู่กับลักษณะของพื้นผิวนั้น ๆ
การหักเห (Refraction)
ปรากฏการณ์ที่แสงเดินทางเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีดัชนีหักเหแตกต่างกัน เช่น อากาศ แก้ว หรือ น้ำ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของแสงและอาจจะเปลี่ยนแปลงทิศทาง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทำให้วัตถุที่อยู่ในน้ำดูเหมือนบิดเบี้ยว
จากตำแหน่งจริง
การแทรกสอดของแสง (Interference)
ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นแสง 2 ขบวนเคลื่อนที่มาพบกัน จะเกิดการรวมตัวกันและแทรกสอดกันเกิดเป็นแถบมืดและแถบสว่างบนฉาก การที่จะเกิดการแทรกสอดที่สังเกตได้ชัดเจน แหล่งกำเนิดแสงที่มาซ้อนทับกันจะต้องเป็นแหล่งกำเนิดอาพันธ์ (Coherent Source) คือเป็นแหล่งกำเนิดที่ให้คลื่นแสงความถี่เดียวกัน และความยาวคลื่นเท่ากันและมีผลต่างเฟสคงที่ ตำแหน่งปฏิบัพจะเป็นแถบสว่าง ส่วนตำแหน่งบัพจะเป็นแถบมืด
การเล้ียวเบนของแสง (diffraction)
ปรากฏการณ์ที่แสงเลี้ยวรอบสิ่งกีดขวาง หรือ เลี้ยวเบนผ่านช่องแคบ ทำให้เกิดการกระจายแสงไปบริเวณด้านหลังของวัตถุทึบแสงได้ การเลี้ยวเบนของแสงเกิดขึ้นได้ชัดเจนเมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์เดินทางผ่านช่องแคบที่มีขนาดเล็ก ใกล้เคียงกับความยาวคลื่นแสง
การศึกษาเรื่องราวของแสงมีการพัฒนาและการเปล่ียนแปลงจากแนวคิดของนักวิทยาศาสตร์ที่สำคัญหลายคนในช่วงเวลาต่างๆ ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ดังนี้
– ศตวรรษที่ 17 (ค.ศ.1601 – ค.ศ. 1701)
– ไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ได้ตั้งทฤษฎีอนุภาคโดยกล่าวว่าแสงเป็นอนุภาคที่ถูกส่งออกจากต้นกำเนิดแสง อนุภาคเหล่านี้เคล่ือนที่เป็นเส้นตรงสามารถทะลุผ่านวัตถุโปร่งใส และสะท้อนจากวัตถุทึบแสงได้เมื่อแสงเข้าสู่ตาทำให้เกิดความรู้สึกในการมองเห็น
– คริสเตียน ฮอยเกนส์ (Christiaan Huygens) ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับแสงว่าแสงเป็นคล่ืนสามารถนำไปใช้อธิบายการสะท้อน และการหักเหของแสง แต่ไม่สามารถแสดงว่าแสงมีการเล้ียวเบนได้ ทฤษฎีคล่ืนแสงจึงไม่เป็นที่ยอมรับ
– ค.ศ. 1801 ธอมัส ยัง (Thomas Young) ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการแทรกสอดและการเล้ียวเบนของแสงและสามารถวัดความยาวของคล่ืนแสงได้ทำให้ทฤษฎีที่ว่าแสงเป็นอนุภาคของนิวตันหมดไป
– ค.ศ. 1865 เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้แสดงให้เห็นว่าเมื่อประจุไฟฟ้าเคล่ือนที่แบบ
ซิมเปิลฮาร์โมนิกจะแผ่คล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา และอัตราเร็วของคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้ามีค่าใกล้เคียงกับ อัตราเร็วของแสงจึงเป็นการสนับสนุนว่าแสงเป็นคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้า
– ค.ศ. 1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้เสนอว่าแสงเป็นอนุภาค ซึ่งอนุภาคของแสงก็คือกลุ่มก้อนของพลังงานที่เรียกว่า โฟตอน (Photon) และพลังงานของโฟตอนขึ้นอยู่กับค่าความถี่ของแสง ซึ่งแตกตางจากทฤษฎีของนิวตัน
– ปัจจุบัน – ทฤษฎีควอนตัมอธิบายว่าแสงมีลักษณะเป็นทั้งคล่ืนและอนุภาค ขึ้นอยู่กับการสังเกตและสถานการณ์ที่เกิดขึ้น
นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่า “แสง” ไม่ได้เดินทางเป็นเพียงเส้นตรงธรรมดา แต่มีพฤติกรรมคล้ายคล่ืน ในบทความนี้เราจะพูดถึงคุณสมบัติของแสงที่แสดงให้เห็นว่าเป็นคล่ืน ผ่านปรากฏการณ์การแทรกสอดและการเล้ียวเบน โดยการใช้อุปกรณ์ 3 ประเภท ได้แก่ สลิตเดี่ยว สลิตคู่ และเกรตติง
การแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่
สลิตคู่ (double slit) คืออุปกรณ์ทางแสงที่ประกอบด้วยช่องเปิดขนาดเล็กสองช่อง ซึ่งมีความกว้างใกล้เคียงกันและอยู่ใกล้กัน
การแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่ เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านช่องเปิดสองช่อง แล้วเกิดการซ้อนทับของคล่ืนแสง ทำให้เกิดลวดลายแทรกสอดบนฉากรับภาพ ซึ่งปรากฏเป็นแถบสว่างและแถบมืด
- แถบสว่าง → เกิดจากการแทรกสอดเสริม (สันคล่ืนรวมกับสันคล่ืน, ท้องคลื่นรวมกับท้องคล่ืน)
- แถบมืด → เกิดจากการแทรกสอดหักล้าง (สันคล่ืนรวมกับท้องคล่ืน)
โดยที่ d= ระยะห่างระหว่างสลิตคู่
\lambda = ความยาวคล่ืนของแสง
n= ลำดับการแทรกสอด
\theta = มุมที่แถบแสงปรากฏ
ตัวอย่าง : การแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่
เมื่อฉายแสงความยาวคล่ืน 500 นาโนเมตร ลงบนสลิตคู่ ซึ่งมีระยะห่างระหว่างสลิตเป็น 1 ไมโครเมตร อยากทราบว่าจุดที่เกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันจุดที่ 1 จะเบนจากแนวที่ฉายแสงเป็นมุมเท่าใด
จากสมการ d\sin\theta =n\lambda
จะได้ \left ( 1\times 10^{-6} \right )\sin\theta =1\left ( 500\times 10^{-9} \right )
\sin\theta =\frac{1\left ( 500\times 10^{-9} \right )}{1\times 10^{-6}}
\sin\theta =0.5
\theta =30^{\circ}
ตอบ จุดที่เกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันจุดที่ 1 จะเบนจากแนวที่ฉายแสงเป็นมุม 30^{\circ}
การเล้ียวเบนของแสงผ่านสลิตเดี่ยว
สลิตเดี่ยว (Single Slit) คืออุปกรณ์ทางแสงที่ประกอบด้วยช่องเปิดช่องเดียว ซึ่งมีความกว้างน้อย ๆ ค่าหนึ่ง
เมื่อแสงเคล่ือนที่ผ่านสลิตเดี่ยวแคบ ๆ ที่มีขนาดเทียบเท่ากับความยาวคล่ืนแสง แสงจะเกิดปรากฏการณ์เล้ียวเบน โดยขอบของสิ่งกีดขวางจะประพฤติตัวเสมือนแหล่งกำเนิดคล่ืนใหม่จำนวนมากมาย (ตามหลักของฮอยเกนส์) เมื่อนำฉากมารับจะเห็นริ้วมืดสว่างที่เกิดจากการแทรกสอดของคล่ืนจำนวนมากเหล่านี้ เกิดเป็นแถบมืดและแถบสว่างขึ้น
โดยที่ d= ความกว้างของสลิตเดี่ยว
\lambda = ความยาวคล่ืนของแสง
n= ลำดับการแทรกสอด
\theta = มุมของตำแหน่งที่เกิดแถบมืด
แถบสว่างกลางจะมีความกว้างและความสว่างมากที่สุด โดยแถบสว่างกลางมีความสัมพันธ์กับความกว้างของสลิต ดังนี้
- เมื่อเพิ่มความกว้างของสลิต ความกว้างของแถบสว่างกลางจะแคบลง
- เมื่อลดความกว้างของสลิตลง ความกว้างของแถบกลางจะเพิ่มขึ้น
ตัวอย่าง : การเล้ียวเบนของแสงผ่านสลิตเดี่ยว
เมื่อให้แสงมีความยาวคล่ืน 600 นาโนเมตร ผ่านช่องแคบเดี่ยว และต้องการให้แถบมืดแรกเบนจากแนวกลาง 30^{\circ} จงหาความกว้างของช่องแคบนี้
วิธีทำ : จากสมการ d\sin\theta =n\lambda
จะได้ d\sin30^{\circ}=1\left ( 600\times 10^{-9} \right )
d\left ( \frac{1}{2} \right )=1\left ( 600\times 10^{-9} \right )
d=2\left ( 600\times 10^{-9} \right )
d=1.2\times 10^{-6}m
d=1.2\mu m
ตอบ ความกว้างของช่องแคบนี้มีค่าเท่ากับ 1.2\mu m
การเล้ียวเบนของแสงผ่านเกรตติง
เกรตติง (Grating) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับวิเคราะห์สเปกตรัมของแสงและวัดความยาวคล่ืนของแสง โดยอาศัยหลักการเล้ียวเบนและการแทรกสอดของคล่ืน โครงสร้างของเกรตติงเป็นแผ่นวัตถุโปร่งใสผิวเรียบที่มีช่องเปิดเล็ก ๆ เรียงตัวขนานกันอย่างหนาแน่น โดยทั่วไปอาจมีตั้งแต่ 100 ถึง 10,000 ช่องต่อเซนติเมตร
เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดต่าง ๆ เช่น ดวงอาทิตย์หรือแสงขาวหลอดไฟฉาย ผ่านเข้าสู่เกรตติง จะเกิดการกระจายตัวออกเป็นสเปกตรัมสีต่าง ๆ อย่างชัดเจน กระบวนการนี้พัฒนามาจากแนวคิดเริ่มแรกของสลิตคู่ โดยการเพิ่มจำนวนและลดระยะห่างระหว่างช่องเปิด ส่งผลให้การเล้ียวเบนของแสงมีความละเอียดและสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น ทำให้เราสามารถสังเกตเห็นองค์ประกอบของแสงขาวได้อย่างเป็นระบบ
แสงที่เบนจากแนวกลางมากที่สุดคือ แสงสีแดง และแสงที่เบนจากแนวกลางน้อยที่สุดคือ แสงสีม่วง ซึ่งสอดคล้องกับสมการ d\sin\theta =n\lambda โดยแสงสีต่าง ๆ มีความยาวคล่ืน ดังแสดงในตาราง
ตัวอย่าง : การเล้ียวเบนของแสงผ่านเกรตติง
เกรตติง 10,000 เส้นต่อเซนติเมตร ถ้าฉายแสงความยาวคลื่ืน \lambda ตกตั้งฉากกับเกรตติง แถบสว่างที่เกิดขึ้นแถบแรกบนจอ จะอยู่ห่างจากแนวกลางเป็นมุม 30^{\circ} ค่า \lambda มีค่าเท่าใด
วิธีทำ
จากสมการ d\sin\theta =n\lambda
จะได้ \frac{1}{N}\sin30^{\circ}=1\left( \lambda \right)
\lambda =\frac{1}{10^{6}}\times \frac{1}{2}
\lambda=5\times 10^{-7}m
\lambda=500nm
ตอบ ความยาวคล่ืนมีค่าเท่ากับ 500nm
สรุปสูตรเกี่ยวกับแสงเชิงคล่ืน
ตัวอย่างข้อสอบเรื่องแสงเชิงคล่ืน
วิธีทำ
ขั้นตอนที่ 1 คำนวณหา \lambda _{1}
จากสมการ d\sin\theta=\left(n-\frac{1}{2}\right)\lambda
จะได้ d\sin\theta=\left(3-\frac{1}{2}\right)\lambda_{1} ; แถบมืดอันดับที่ 3(n=3)
ขั้นตอนที่ 2 คำนวณหา \lambda _{2}
จากสมการ d\sin\theta=n\lambda
จะได้ d\sin\theta =2\lambda_{2} ; แถบสว่างอันดับที่ 2(n=2)
ขั้นตอนที่ 3 คำนวณหา อัตราส่วนระหว่าง \lambda _{1} และ \lambda _{2}
เนื่องจาก แถบมืดอันดับที่ 3 ของแสง\lambda _{1}เกิดที่เดียวกับแถบสว่างอันดับที่ 2ของแสง \lambda _{2}
จะได้ \left ( 3-\frac{1}{2} \right )\lambda _{1}=2\lambda _{2}
2.5\lambda _{1}=2\lambda _{2}
จะได้ \frac{\lambda_{1}}{\lambda_{2}}=\frac{2}{2.5}=\frac{4}{5}
ตอบ อัตราส่วนระหว่าง\lambda _{1} และ\lambda _{2}เป็น 4:5
วิธีทำ
ขั้นตอนที่ 1 คำนวณหา d
จากสมการ d=\frac{1}{N}
เนื่องจาก N=2,500 ช่องต่อเซนติเมตร =\frac{2,500}{10^{-2}} ช่องต่อเมตร
จะได้ d=\frac{10^{-2}}{2,500}
ขั้นตอนที่ 2 คำนวณหา n
จากสมการ d\sin\theta =n\lambda
จะได้ \frac{10^{-2}}{2,500}\sin90^{\circ}=n(720\times10^{-9})
n=\frac{10^{-2}}{2,500}\times \frac{1}{720\times 10^{-9}}=5.56
^{\ast } แถบสว่างสุดท้ายที่จะสามารถเห็นได้คือ แถบสว่างที่ 5(n=5)^{\ast }
ขั้นตอนที่ 3 คำนวณหา แถบสว่างบนฉากรับทั้งหมด
แถบสว่างบนฉากรับทั้งหมด 2n+1=2(5)+1=11
ตอบ ข้อ 5. 11
เป็นอย่างไรกันบ้างกับ “สรุปเนื้อหาเรื่อง แสงเชิงคล่ืน ฟิสิกส์ ม.5” และแนวข้อสอบที่พี่นำมาฝากในวันนี้ แนะนำว่าถ้าใครอยากจะแม่นเนื้อหาเรื่องนี้ นอกจากก็อ่านเนื้อหาแล้ว ก็ควรฝึกทำแบบฝึกหัดหรือข้อสอบเก่าบ่อย ๆ ด้วยน้า
และสำหรับใครที่เก็บเนื้อหานี้เพื่อเตรียมสอบ A-Level ฟิสิกส์ และยังมีเนื้อหาบางจุดที่ไม่เข้าใจ อยากมีตัวช่วยเพื่อให้เก็บเนื้อหาได้เข้าใจมากขึ้น
พี่ขอแนะนำคอร์สเรียนพิเศษสนาม A-Level ของ SmartMathPro ที่มีทั้ง A-Level คณิต 1, 2 / A-Level ภาษาอังกฤษ / A-Level ฟิสิกส์ / A-Level ภาษาไทย / A-Level สังคม เลยน้าา โดยสำหรับใครที่ไม่มีพื้นฐานก็สามารถเรียนได้ เพราะพี่สอนตั้งแต่ปูพื้นฐาน ไปจนถึงพาทำโจทย์ตั้งแต่ระดับง่ายไปจนถึงความยากใกล้เคียงกับข้อสอบจริงเลย แถมมีเทคนิคในการทำข้อสอบอีกเพียบที่จะช่วยให้น้อง ๆ ทำข้อสอบได้เร็วขึ้น > <
และสำหรับใครที่ยังไม่เริ่ม เริ่มติวตอนนี้ก็ยังทันน้าา แอบกระซิบว่าถ้าสมัครคอร์สตั้งแต่ตอนนี้พี่มี Unseen Mock Test ชุดพิเศษ 1 ชุด แถมฟรีไปให้ลองทำพร้อมสิทธิพิเศษประจำเดือนอีกมากมายด้วย ถ้าน้อง ๆ คนไหนสนใจคอร์สเตรียมสอบ A-Level สามารถ คลิก เข้ามาดูรายละเอียดได้เลยย
บทความ แนะนำ
A-Level ฟิสิกส์ 68 สอบอะไรบ้าง ? มีกี่ข้อ ? พร้อมตัวอย่างข้อสอบ
A-Level 68 คืออะไร? มีกี่ข้อ? มีวิชาอะไรบ้าง? สรุปพร้อมคลิปติว
A-Level คณิต 1 , A-Level คณิต 2 68 ออกสอบอะไรบ้าง? พร้อมคลิปติวฟรี
ข้อสอบ A-Level คณิต 1 และคณิต 2 68 มีบทไหนน่าเก็บและบทไหนเทได้บ้าง?
สรุป A-Level ไทย สังคม TCAS68 ออกสอบอะไรบ้าง? พร้อมคลิปติวฟรี
A-Level อังกฤษ 68 ออกสอบอะไรบ้าง? มีกี่ข้อ? พร้อมตัวอย่างข้อสอบ
A Level สอบวันไหน ? สรุปครบทุกกำหนดการ เช็กในบทความนี้เลย!
บทความ แนะนำ
A-Level ฟิสิกส์ 68 สอบอะไรบ้าง ? มีกี่ข้อ ? พร้อมตัวอย่างข้อสอบ
สำหรับน้อง ๆ ที่สนใจสอบถามข้อมูลเพิ่มเติม รวมถึงติดตามข่าวสารต่าง ๆ ที่อัปเดตอย่างเรียลไทม์ ได้ที่
Line : @smartmathpronews
FB : Pan SmartMathPro ติวคณิต By พี่ปั้น
IG : pan_smartmathpro
X : @PanSmartMathPro
Tiktok : @pan_smartmathpro
Lemon8 : @pan_smartmathpro
