แสงและทัศนอุปกรณ์

การเคลื่อนที่ของแสงและอัตราเร็วแสง

            แสงเป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ หรือเป็นคลื่นเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอยู่ในช่วงที่สามารถมองเห็นได้ คือ อยู่ในย่านความถี่ 3.8×10¹⁴ เฮิรตซ์ ถึง 7.5×10¹⁴ เฮิรตซ์  แสงเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยอัตราเร็ว 3 x 10⁸ m/s ส่วนในตัวกลางอื่น ๆ อัตราเร็วของแสงจะเปลี่ยนไป โดยมีค่าขึ้นกับดัชนีหักเหของแสงในตัวกลางนั้น ๆ ถ้าให้ n แทนดัชนีหักเห (Refractive Index) ของตัวกลางใด ๆ จะได้

                เมื่อ         v คือ อัตราเร็วแสงในตัวกลาง

                                c คือ อัตราเร็วแสงในสุญญากาศ

ประเภทของวัตถุตามการส่องผ่านของแสง

1.              วัตถุโปร่งใส (transparent object) คือ วัตถุที่แสงผ่านไปได้เกือบหมดอย่างเป็นระเบียบ เราจึงสามารถมองผ่านวัตถุชนิดนี้ได้ชัดเจน ตัวอย่างของวัตถุชนิดนี้ ได้แก่ กระจกใส แก้วใส

2.              วัตถุโปร่งแสง (translucent object) คือ วัตถุที่แสงผ่านไปได้อย่างไม่เป็นระเบียบ เราจึงไม่สามารถมองทะลุผ่านวัตถุนี้ได้ ตัวอย่างของวัตถุชนิดนี้ได้ ตัวอย่างของวัตถุชนิดนี้ ได้แก่ น้ำขุ่น กระจกฝ้า และกระดาษชุบไข

3.              วัตถุทึบแสง (opaque object) คือ เป็นวัตถุที่แสงผ่านไม่ได้เลย แสงทั้งหมดจะถูกดูดกลืนไว้หรือสะท้อนกลับ เราจึงไม่สามารถมองผ่านวัตถุชนิดนั้นได้ ตัวอย่างของวัตถุชนิดนี้ ได้แก่ ผนังตึกกระจกเงา



การสะท้อนของแสง (Reflection of light)

เมื่อรังสีของแสงตกกระทบผิววัตถุทึบแสงที่ผิวมันวาวหรือวัตถุที่มีความสามารถในการสะท้อนแสงได้ แสงจะเกิดการสะท้อน ถ้าเราลากเส้นตั้งฉากกับผิววัตถุนั้น เส้นตั้งฉากที่ลากนี้เรียกว่า เส้นแนวฉาก และเรียกมุมที่รังสีตกกระทบทำกับเส้นแนวฉากว่า มุมตกกระทบ มุมที่รังสีสะท้อนทำกับแนวฉาก เรียกว่า มุมสะท้อน ดังรูป

กฎการสะท้อนของแสง (Law of Reflection)

1.             ณ ตำแหน่งที่แสงตกกระทบ รังสีตกกระทบ เส้นแนวฉาก และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน

2.             มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

การหักเหของแสง (Refraction of light)

                เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางโปร่งใส เช่น น้ำ แก้วใส อากาศ แสงจะเดินทางผ่านได้เกือบทั้งหมด เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางชนิดเดียวกันแสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงเสมอ แต่ถ้าแสงเดินทางผ่านหลายๆตัวกลาง แสงจะเกิดการหักเห ดังรูปข้างล่างนี้



การหักเหของคลื่น จะเป็นไปตามกฎของสเนลล์ ดังสมการ

จากอัตราเร็วแสงในตัวกลางใดๆ                   

                                สำหรับตัวกลางที่ 1                  

                                สำหรับตัวกลางที่ 2       

                                จะได้ว่า                                 

    

                                ดังนั้น กฎของสเนลล์เขียนใหม่ได้ว่า

                               ในกรณีที่แสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมากไปยังตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อย มุมหักเหจะเบนจากเส้นปกติดมากกว่าแนวแสงเดิม และถ้าปรับมุมตกกระทบให้โตขึ้นจนทำให้มุมหักเหเท่ากับ 90 องศา พอดี เรียนมุมตกกระทบนี้ว่า มุมวิกฤต (critical angle) ดังรูปข้างล่าง

ภาพที่เกิดจากการสะท้อนแสงบนกระจกเงาราบ

                เมื่อวางวัตถุไว้หน้ากระจกเงาราบ เราสามารถเห็นภาพของวัตถุในกระจกเงาราบได้ เพราะมีแสงตกกระทบวัตถุสะท้อนเข้าตา ตามปกติแสงจากวัตถุจะกระจายไปทุกทิศทางและตกกระทบเต็มพื้นที่ผิวของกระจกเงาราบโดยใช้หลักการสะท้อนของแสดงดังรูป

                สำหรับการเกิดภาพจากกระจกเงาราบจะเป็นภาพเสมือน เนื่องจากรังสีของแสงไม่ได้ตัดกันจริง แต่แนวของแสงเสมือนตัดกันด้านหลังกระจก ดังนั้นถ้านำฉากไปวาง ณ ตำแหน่งที่เห็นภาพนั้นจะไม่มีภาพใดๆปรากฏที่ฉาก และภาพที่ปรากฏจะมีขนาดของภาพจะเท่ากับขนาดของวัตถุ และระยะภาพจะเท่ากับระยะของวัตถุเสมอ



ภาพที่เกิดจากการสะท้อนแสงบนกระจกบนกระจกโค้งทรงกลม

                กระจงโค้งทรงกลม มี 2 ลักษณะ คือ

1.              กระจกเว้า ด้านหน้ากระจกจะเป็นด้านเว้า ส่วนหลังกระจกจะเป็นด้านนูนและเคลือบสารทึบแสงเอาไว้

2.             กระจกนูน ด้านหน้ากระจกจะเป็นด้านนูน ส่วนด้านหลังกระจกจะเป็นด้านเว้าและเคลือบสารทึบแสงเอาไว้

ส่วนประกอบที่สำคัญของกระจกโค้งทรงกลม ดังรูป



ภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านเลนส์นูน

               กรณีที่ 1 วัตถุอยู่ไกลมากๆ

             กรณีที่ 2 วัตถุอยู่หน้าจุด C

เส้นแนวตรงที่ลากจากจุดศูนย์กลางความโค้ง (C) ไปยังจุดยอดของกระจกเงาเค้า (V) เรียกว่า เส้นแกนมุขสำคัญ และความยาวจากจุดศูนย์กลางถึงจุดยอดกระจกเงาโค้ง เรียกว่า รัศมีความโค้งของกระจก (R) สมบัติอย่างหนึ่งที่สำคัญ คือ ถ้าแสงขนานเส้นกับแกนมุขสำคัญตกกระทบผิวกระจกเงาโค้ง จะทำให้แสงสะท้อนและพบกันที่จุดๆ หนึ่ง เรียกว่า จุดโฟกัส ซึ่งเป็นจุดกึ่งกลางระหว่างจุดยอดและจุดศูนย์กลางของกระจกเงาโค้ง (f=R/2)  ซึ่งสัมพันธ์กับระยะวัตถุและระยะภาพ ดังนี้

          เมื่อ   s  คือ ระยะวัตถุ,    s' คือ ระยะภาพ,        y  คือ ความสูงวัตถุ,

           y' คือ ความสูงภาพ   และ     m คือ กำลังขยาย

                                                                               

ภาพที่เกิดจากการสะท้อนของแสงบนกระจกเว้า

ภาพที่เกิดจากการสะท้อนของแสงบนกระจกนูน

** ภาพที่เกิดขึ้นในตำแหน่งอื่นๆ ของกระจกเว้าและกระจกนูน ให้นักเรียนลองทำ!!

ภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านตัวกลางผิวเรียบ

                วัตถุที่อยู่ในตัวกลางต่างชนิดกับตัวกลางที่ผู้สังเกตมอง (ตัวกลางโปร่งใส) ผู้สังเกตจะมองเห็นวัตถุนั้นได้เนื่องจากแสงจากวัตถุหักเหเข้าตา ซึ่งภาพที่เห็นนั้นจะไม่ใช่ตำแหน่งจริงๆของวัตถุ แต่เป็นตำแหน่งที่ปรากฏให้เห็นเท่านั้น ซึ่งแยกการเกิดภาพจากการหักเหของแสงผ่านตัวกลางผิวเรียบออกเป็น 2 ลักษณะ ดังนี้

1.              มองวัตถุในตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมากกว่าตัวกลางที่ผู้สังเกตอยู่ เช่น ผู้สังเกตอยู่ในอากาศ และวัตถุอยู่ในน้ำ เป็นต้น  ซึ่งจะมองเห็นวัตถุอยู่ตื้นกว่าปกติ

2.              มองวัตถุในตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อยกว่าตัวกลางที่ผู้สังเกตอยู่ เช่น ผู้สังเกตอยู่ในน้ำ และวัตถุอยู่ในอากาศ เป็นต้น ซึ่งจะมองเห็นวัตถุอยู่ไกลกว่าปกติ

ภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านเลนส์บาง

                เลนส์ คือ ตัวกลางโปร่งแสง สามารถรวมแสงหรือกระจายแสงได้โดยอาศัยหลักการหักเหของแสง ซึ่งมี 2 ชนิด  คือ เลนส์นูน และเลนส์เว้า ดังรูป

 

ส่วนประกอบสำคัญของเลนส์

                   C คือ จุดศูนย์กลางความโค้งของผิวเลนส์

                   เส้นที่ลากจากจุดศูนย์กลางความโค้งทั้ง 2 เรียกว่า เส้นแกนมุขสำคัญ

                  จุด  O คือ จุดศูนย์กลางเลนส์ เมื่อแสงตกกระทบผ่านจุดนี้ แสงหักเหจะขนานกับแสงตกกระทบ

                 เมื่อแสงขนานตกกระทบเลนส์ แสงจะตัดกันหรือเสมือนตัดกันที่จุดๆ หนึ่ง เรียกว่า จุดโฟกัสของเลนส์ ซึ่งมีทั้งสองด้าน ซึ่งระยะจากจุด F ลากไปยังจุดศูนย์กลางเลนส์ คือ ระยะโฟกัส ( f )

** ขอบเขตในการศึกษาในระดับมัธยม จะพิจารณาเลนส์เป็นแบบเลนส์บาง และความยาวโฟกัสของทั้งสองด้านมีค่าเท่ากัน

สมการที่ใช้คำนวณ เหมือนกับกรณีกระจกโค้งทรงกลม

          เมื่อ   s  คือ ระยะวัตถุ,    s' คือ ระยะภาพ,        y  คือ ความสูงวัตถุ,

           y' คือ ความสูงภาพ   และ     m คือ กำลังขยาย

ภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านเลนส์นูน

             กรณีที่ 1 วัตถุอยู่ไกลมากๆ

              กรณีที่ 2 วัตถุอยู่หน้าจุด C

ภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านเลนส์เว้า

             กรณีที่ 1 วัตถุอยู่ไกลมากๆ

             กรณีที่ 2 วัตถุอยู่หน้าจุด C

** ภาพที่เกิดขึ้นในตำแหน่งอื่นๆ ของเลนส์นูนและเลนส์เว้า ให้นักเรียนลองทำ!!

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับแสง

1.              การกระจายของแสง (Dispersion of light)

เมื่อฉายแสงขาวจากหลอดไฟประเภทจุดไส้สว่าง หรือแสงจากดวงอาทิตย์ให้ผ่านปริซึม แสงขาวจะกระจายออกเป็นแสงสีต่างๆ เรียงตามลำดับความถี่มากไปน้อย คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม และ แดง ดังรูปทแถบของแสงสีที่กระจายออกจากแสงขาว เรียกว่า สเปกตรัมของแสงขาว (Spectrum of white light)

              ในการกระจายของแสง แสงสีต่างๆ จะมีมุมหักเหแตกต่างกันโดยแสงสีแดงซึ่งมีพลังงานต่ำสุด ความสามารถในการหักเหจึงน้อยมุมหักเหจึงมีค่ามากสุด ทำให้มุมเบี่ยงเบนของแสงสีแดงมีค่าน้อยที่สุด ดังรูปที่

2.              การสะท้อนกลับหมดของแสง

                          โดยปกติเมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง แสงจะเกิดการหักเหโดยมุมที่แสงหักเหจะมีค่าจะมีค่ามากขึ้นถ้ามุมตกกระทบของแสงมากขึ้น เมื่อมุมตกกระทบมีค่ามากกว่ามุมวิกฤต ในกรณีเช่นนี้แสงจะสะท้อนกลับหมด ดังรูป

               อุปกรณ์ที่ใช้หลักการสะท้อนกลับหมดมีมากมาย เช่น กล้องส่องทางไกลที่มีปริซึมทำให้แสงสะท้อนกลับหมด เครื่องบันทึกลายนิ้วมือที่มีปริซึมช่วยจับภาพลายนิ้วมือ เส้นใยนำแสง มีลักษณะเป็นท่อทรงกระบอกกลมทำให้แสงสะท้อนกลับไปมาในท่อ ซึ่งใช้ประโยชน์ในการสื่อสาร และเป็นกล้องขนาดเล็กตรวจภายในหรือไฟเบอร์สโคป

3.              รุ้ง (Rainbow)

                            เป็นปรากฏการณ์ตามธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับการหักเหและสะท้อนกลับหมดของแสงผ่านละอองน้ำในชั้นบรรยากาศ ซึ่งส่วนใหญ่จะเกิดหลังฝนตก และเกิดฝั่งด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์เสมอ ซึ่งลักษณะการหักเหและสะท้อนกลับหมดในละอองน้ำในชั้นบรรยากาศเกิดได้  2 แบบนี้ ดังรูป ซึ่งทำให้เกิดรุ้งปฐมภูมิและรุ้งทุติยภูมิ และแต่ละคนจะมองเห็นสีรุ้งได้ต่างกันขึ้นอยู่กับตำแหน่งการยืน

                                         การเกิดรุ้งปฐมภูมิ    

                                                        การเกิดรุ้งทุติยภูมิ

4.              ภาพลวงตาหรือมิราจ (Mirage)

  เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการหักเหของแสงในชั้นบรรยากาศแล้วมีการสะท้อนกลับหมด เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศในชั้นต่างๆ ไม่เท่ากัน

5.              การเกิดสีบนท้องฟ้า 

                             แสงสีต่างๆมีความสามารถในการกระเจิงของแสงแตกต่างกันขึ้นอยู่กับพลังงานของแสงสีนั้น โดยพลังงานของแสงมากการกระเจิงของแสงจะมีค่ามาก นั่นหมายความว่าแสงสีม่วงจะมีความสามารถในการกระเจิงของแสงมากที่สุด

                          ในเวลากลางวันแสงอาทิตย์ทำมุมชันกับพื้นโลก แสงจะเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางสั้นๆ  แสงสีม่วง คราม และน้ำเงิน จะกระเจิงเต็มท้องฟ้า  เราจึงมองเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้า ในยามเช้าและยามเย็นแสงอาทิตย์ทำมุมลาดกับพื้นโลก แสงจะเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางยาว  แสงสีม่วง  ครามน้ำเงิน  ซึ่งกระเจิงได้ดีที่สุด  จะกระเจิงทิ้งไปมากเพราะระยะทางมาก ทำให้เหลือแสงสีแดง  ส้ม  ซึ่งกระเจิงได้น้อยมากเข้าตาเรา

6.              พระอาทิตย์ทรงกลด    

                            เกิดขึ้นจากบรรยากาศของโลกในชั้นโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) ซึ่งเป็นบรรยากาศชั้นล่างสุดและเป็นชั้นที่มีกลุ่มเมฆจำนวนมาก มีอากาศเย็นจัดตั้งแต่ช่วงเช้าตรู่ก่อนดวงอาทิตย์ขึ้น จนทำให้ละอองน้ำในอากาศ ณ เวลานั้นๆ แข็งตัวเป็นเกล็ดน้ำแข็งอนุภาคเล็กๆ จำนวนมากลอยอยู่บนท้องฟ้า เมื่อพระอาทิตย์ขึ้น และส่องแสงทำมุมกับเกล็ดน้ำแข็งได้อย่างเหมาะสม จะเกิดการหักเหและการสะท้อนของแสง ทำให้เกิดเป็นแถบสีรุ้งคล้ายการเกิดรุ้งกินน้ำหลังฝนตก