บทที่ 9 คลื่น (Wave)

การเกิดคลื่นเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ จะต้องมีองค์ประกอบเงื่อนไขดังนี้ คือ

1. มีแหล่งกำเนิดคลื่น

2. มีการสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดคลื่น

3. มีตัวกลางให้พลังงานคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน (ยกเว้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลาง)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไป คลื่นจะพาพลังงานไปด้วย

การเคลื่อนที่ของคลื่นเหมือนและแตกต่างจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างไร

1. การเคลื่อนที่ของคลื่นและอนุภาคมีสิ่งที่เหมือนกัน คือ ขณะเคลื่อนที่ทั้งคลื่นและอนุภาคต่างพาพลังงานไปด้วย

2. การเคลื่อนที่ของคลื่นและอนุภาคมีสิ่งที่แตกต่างกันคือ

2.1 คลื่นแผ่กระจายทุกทิศทาง (เช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแสง) แต่อนุภาคเคลื่อนที่ในทิศทางเดียว

2.2 คลื่นมีอัตราเร็วคงที่ แต่อนุภาคไม่จำเป็นต้องมีอัตราเร็วคงที่

2.3 อนุภาคที่เป็นตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ตามพลังงานคลื่น แต่อนุภาคที่เป็นตัวกลางเคลื่อนที่ไปตามพลังงานของอนุภาค

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. คลื่นกล (Mechanical Waves) หมายถึง คลื่นที่ต้องอาศัยตังกลางในการเคลื่อนที่ ถ้าไม่มีตัวกลาง คลื่นกลไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านไปยังที่อื่น ๆ ได้ (พลังงานกลไม่สามารถโอนผ่านไปยังที่อื่น ๆ ได้) คลื่นกลสามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้ทุกประเภทไม่ว่าตังกลางนั้นจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส ตัวอย่างเช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นในเส้นเชือก คลื่นในสปริง เป็นต้น ซึ่งคลื่นเหล่านี้สามารถถ่ายทอดพลังงานและโมเมนตัม โดยอาศัยความยืดหยุ่นของตัวกลางสำหรับคลื่นชนิดนี้ อัตราเร็วในตัวกลางชนิดเดียวกันจะมีค่าเท่ากัน

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves) หมายถึงคลื่นที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ นั่นคือ จะมีตัวกลางหรือไม่มีตัวกลาง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็สามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ ตัวย่างเช่น คลื่นแสง รังสีอินฟาเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีไมโครเวฟ รังสีแกมมา คลื่นวิทยุ คลื่นโทรทัศน์

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการสั่นของตัวกลาง แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

1. คลื่นตามขวาง (Transverse Waves) หมายถึง เป็นคลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น คลื่นบนผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิด ดังนั้นคลื่นตามขวางอาจเป็นคลื่นกลหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้

2. คลื่นตามยาว (Longitudinal Waves) หมายถึงคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางเดียวกันกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ หรือคลื่นมีทิศการสั่นของตัวกลางอยู่ในแนวขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างเช่น คลื่นเสียง คลื่นใต้ผิวน้ำ คลื่นอัดขยายในสปริง ดังนั้นจะเห็นได้ว่าคลื่นตามยาวทุกชนิดจะเป็นคลื่นกลเสมอ แต่คลื่นกลไม่จำเป็นต้องเป็นคลื่นตามยาว

การจำแนกคลื่นตามลักษณะการเกิดคลื่น

1. คลื่นดล หมายถึง คลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่นเพียงครั้งเดียว หรือสองครั้ง ทำให้เกิดคลื่นเพียงหนึ่งหรือสองลูกคลื่นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น การโยนก้อนหินก้อนเดียวลงไปในน้ำ จะพบว่าคลื่นดลเพียงกลุ่มหนึ่งกระจายออกไปรอบ ๆ ไม่นานผิวน้ำจะนิ่ง การใช้นิ้วมือแตะผิวน้ำเพียงครั้งเดียวจะเกิดคลื่นแผ่กระจายออกไปสองถึงสามลูกคลื่น คลื่นดลอาจมีลักษณะกรจายออกจากแหล่งกำเนิดเป็นแนวตรงหรือเป็นวงกลมก็ได้

2. คลื่นเป็นช่วง หมายถึง คลื่นดลที่เกิดขึ้นเป็นช่วง ๆ โดยเว้นจังหวะ

3. คลื่นต่อเนื่อง หมายถึง คลื่นดลที่เกิดขึ้นเป็นจังหวะต่อเนื่องกันไปเรื่อย ๆ ตัวอย่างเช่น คลื่นน้ำที่เกิดขึ้นในถาดคลื่นเนื่องจากการสั่นสะเทือนของมอเตอร์ (ความถี่ลื่น เท่ากับความถี่มอเตอร์ มอเตอร์หมุนเร็วความถี่มาก มอเตอร์หมุนช้า ความถี่น้อย)

สรุป

1. คลื่นกลอาจเป็นคลื่นตามยาวหรือตามขวางก็ได้ คลื่นตามยาวต้องเป็นคลื่นกลเสมอ

2. คลื่นน้ำอาจเป็นคลื่นตามยาวหรือคลื่นตามขวางก็ได้ (คลื่นใต้ผิวน้ำเป็นคลื่นตามยาว ส่วนคลื่นบนผิวน้ำเป็นคลื่นตามขวาง)

3. คลื่นในสปริงอาจเป็นคลื่นตามยาวหรือคลื่นตามขวางก็ได้ (คลื่นอัดขยายในสปริงเป็นคลื่นตามยาว (ดึงสปริงให้ยืดแล้วปล่อยให้เคลื่อนที่กลับไปมา) ถ้าสะบัดสปริงคล้ายสะบัดเส้นเชือกจะเป็นคลื่นตามขวาง)

4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดจะเป็นคลื่นตามขวางเสมอ

5. เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปได้ 1 ลูกคลื่น พลังงานของคลื่นจะทำให้ตัวกลางสั่นกลับไปกลับมาได้ครบ 1 รอบพอดี

6. คลื่นเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงที่ แต่ตัวกลางจะเคลื่อนที่กลับไปกลับมาแบบซิมเปิลฮาร์มอนิก (อัตราเร็วไม่คงที่)

5. ความยาวคลื่น หมายถึง ระยะห่างระหว่างสันคลื่นกับสันคลื่นที่อยู่ถัดไป หรือระยะห่างระหว่างท้องคลื่นกับท้องคลื่นที่อยู่ถัดไป วิธีการวัดความยาวคลื่นอาจวัดได้หลายแบบ เช่น

5.1 วัดจากสันคลื่นถึงสันคลื่นถัดไป

5.2 วัดจากท้องคลื่นถึงท้องคลื่นถัดไป

5.3 วัดจากตำแหน่งใด ๆ บนคลื่นที่มีเฟสต่างกัน 360 องศา

6. ความถี่ หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา ความถี่ของคลื่นจะมีค่าเท่ากับความถี่การสั่นของตัวกลาง (หรือเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิดคลื่น)

7. คาบเวลา หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ครบ 1 ลูกเคลื่อน

คาบเวลา = 1 / ความถี่

T= 1 / f

ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ครบ 1 รอบ จะเท่ากับช่วงเวลาที่ตัวกลางสั่นได้ครบ 1 รอบ เช่นกัน

8. อัตราเร็ว หมายถึง ระยะทางที่จุดใด ๆ บนคลื่นเคลื่อนที่ไปได้ในเวลา 1 วินาที

v = s / t

ใน 1 วินาที มีคลื่นออกมา 1 ลูก เคลื่อนที่ได้ λ เมตร

ดังนั้น ใน 1 วินาที เคลื่อนที่ได้อัตราเร็ว fλ

v = λ / T = f λ

v คือ อัตราเร็วคลื่น (วัดหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที)

s คือ ระยะทาง (วัดหน่วยเป็น เมตร)

t คือ เวลา (วัดหน่วยเป็น วินาที)

f คือ ความถี่ (วัดหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์)

λ คือ ความยาวคลื่น (วัดหน่วยเป็น เมตร)

T คือ คาบเวลา (วัดหน่วยเป็น วินาที)

กฎการสะท้อนของคลื่น

1. มุมตกกระทบ เท่ากับ มุมสะท้อน

2. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อนต้องอยู่ในระนาบเดียวกัน

คุณสมบัติการสะท้อนของคลื่น

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปชนสิ่งกีดขวาง หรือเคลื่อนที่ไปถึงปลายสุดของตัวกลางจะทำให้เกิดคลื่นสะท้อนขึ้นมา คลื่นสะท้อนที่เกิดขึ้นมานั้น จะต้องมีคุณสมบัติดังนี้

1) ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ

2) ความเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความเร็วและความยาวคลื่นตกกระทบเสมอ

3) ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ

การแทรกสอดแบบหักล้าง หมายถึง การแทรกสอดที่มีสันคลื่นตรงกับท้องคลื่น คลื่นลัพธ์ที่เกิดขึ้นจะมีสันคลื่นต่ำกว่าเดิม และมีท้องคลื่นตื้นกว่าเดิม

บัพ หมายถึง ตำแหน่งที่คลื่นหักล้างกัน โดยมีการกระจัดเป็นศูนย์ (ตำแหน่งที่ผิวน้ำไม่กระเพื่อมหรือการกระจัดของผิวน้ำเป็นศูนย์)

1) บัพเป็นตำแหน่งที่สันคลื่นและท้องคลื่นของแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์พบกันพอดี

2) แนวเส้นที่ลากเชื่อมบัพที่อยู่ถัดกันไป เรียกว่า เส้นบัพ

ปฏิบัพ หมายถึง ตำแหน่งที่คลื่นเสริมกัน โดยมีการกระจัดมากที่สุด (ตำแหน่งที่ผิวน้ำกระเพื่อมมากที่สุด หรือการกระจัดของผิวน้ำมีค่ามากที่สุด)

1) ปฏิบัพ เป็นตำแหน่งที่สันคลื่นและสันคลื่น หรือท้องคลื่นและท้องคลื่นของแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์พบกัน (ตำแหน่งนี้จะมีพลังงานมากที่สุด)

2) แนวเส้นที่ลากเชื่อมปฏิบัพที่อยู่ถัดกันไป เรียกว่า เส้นปฏิบัพ

เราสามารถคำนวณผลต่างระยะทาง ได้โดย

ถ้าจุด P อยู่บนแนวปฏิบัพ n จะได้ว่า

| S₁P - S₂P | = nλ

เมื่อ n เป็นเลขจำนวนเต็ม 0,1,2,3…

ถ้าจุด P อยู่บนแนวบัพ N จะได้ว่า

| S₁P - S₂P | = (n - 1/2)λ

เมื่อ n เป็นเลขจำนวนเต็ม 0,1,2,3…

และสามารถคำนวณหาจำนวนแนวเส้นปฏิบัพและจำนวนแนวเส้นบัพที่เกิดขึ้นได้ทั้งหมด ได้ดังนี้

หาจำนวนแนวเส้นปฏิบัพ

dsinθ = nλ

หาจำนวนแนวเส้นบัพ

dsinθ = (n - 1/2)λ

แหล่งที่มา

คณาจารย์แม็ค. (2551). Compact ฟิสิกส์ ม. 5. กรุงเทพฯ:แม็ค.

ช่วง ทมทิตชงค์ และคณะ. (2537). ฟิสิกส์ 3 ม.5. กรุงเทพฯ:ไฮเอ็ดพับลิชชิ่ง.

อุซึชิโอะ ประเทศญี่ปุ่น ปรากฎการณ์ทางทะเลที่ยิ่งใหญ่เป็นอันดับ 3 ของโลก. สืบค้นเมื่อวันที่ 18 สิงหาคม 2561. จาก https://www.wegointer.com/2015/03/uzushio/

ธรรมชาติของคลื่นและชนิดของคลื่น. สืบค้นเมื่อวันที่ 16 พฤษภาคม 2563. จาก https://www.scimath.org/lesson-physics/item/8783-2018-09-20-06-45-28