แสงและการมองเห็น

ลำแสง

แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง เดินทางในรูปคลื่นด้วยอัตราเร็วสูง 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แหล่งกำเนิดแสงมีทั้งแหล่งกำเนิดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น แสงดวงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งพลังงานของสิ่งมีชีวิต แหล่งกำเนินแสงที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น แสงสว่างจากหลอดไฟ เป็นต้น

เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านกลุ่มควันหรือฝุ่นละออง จะเห็นเป็นลำแสงเส้นตรง และสามารถทะลุผ่านวัตถุได้ วัตถุที่ยอมให้แสงเคลื่อนที่ผ่านเป็นเส้นตรงไปได้นั้น เราเรียกวัตถุนี้ว่า วัตถุโปร่งใส เช่น แก้ว อากาศ น้ำ เป็นต้น ถ้าแสงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุบางชนิดแล้วเกิดการกระจายของแสงออกไป โดยรอบ ทำให้แสงเคลื่อนที่ไม่เป็นเส้นตรง เราเรียกวัตถุนั้นว่า วัตถุโปร่งแสง เช่น กระจกฝ้า กระดาษไข พลาสติกฝ้า เป็นต้น ส่วนวัตถุที่ไม่ยอมให้แสงเคลื่อนที่ผ่านไปได้ เราเรียกว่า วัตถุทึบแสง เช่น ผนังคอนกรีต กระดาษแข็งหนาๆ เป็นต้น วัตถุทึบแสงจะสะท้อนแสงบางส่วนและดูดกลืนแสงบางส่วนไว้ทำให้เกิดเงาขึ้น

การสะท้อนของแสง (Reflection)

เป็นปรากฏการณ์ที่แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นค่าหนึ่งมายังตัวกลางที่มีค่าความหนาแน่นอีกตัวหนึ่ง ทำให้แสงตกกระทบกับตัวกลางใหม่ แล้วสะท้อนกลับสู่ตัวเดิม เช่น การสะท้อนของแสงจากอากาศกับผิวหน้าของกระจกเงาจะเกิดการสะท้อนแสงที่ผิวหน้าของกระจกเงาราบแล้วกลับสู่อากาศดังเดิม เมื่อแสงตกกระทบกับผิวหน้าของตัวกลางใดๆ ปริมาณและทิศทางของการสะท้อนของแสง จะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของพื้นผิวหน้าของตัวกลางที่ตกกระทบ จากรูป เมื่อลำแสงขนานตกกระทบพื้นผิวหน้าวัตถุที่เรียบ แสงจะสะท้อนเป็นลำแสงขนานเหมือนกับลำแสงที่ตกกระทบ การสะท้อนบนพื้นผิวหน้าที่เรียบ โดยเรียกว่า การสะท้อนแบบสม่ำเสมอ

 

การสะท้อนของแสงเมื่อตกกระทบพื้นผิววัตถุที่เรียบ

เกิดขึ้นเมื่อลำแสงตกกระทบไปยังพื้นกระจกหรือพื้นผิวที่ขรุขระจะส่งผลให้แสงสะท้อนกลับไปคนละทิศละทาง


 
  •   รังสีตก กระทบ (Incident Ray) คือ รังสีของแสงที่พุ่งเข้าหาพื้นผิวของวัตถุ
  •   รังสีสะท้อน (Reflected Ray) คือ รังสีของแสงที่พุ่งออกจากพื้นผิวของวัตถุ
  •   เส้นปกติ (Normal) คือ เส้นที่ลากตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุตรงจุดที่แสงกระทบ
  •   มุมตกกระทบ (Angle of Incidence) คือ มุมที่รังสีตกกระทบทำกับเส้นปกติ
  •   มุมสะท้อน (Angle of Reflection) คือ มุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ

 

กฎการสะท้อนของแสง (The Laws of Reflection) มี 2 ข้อ ดังนี้

  • รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติจะอยู่ในระนาบเดียวกัน
  • มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ดังภาพ

สเปกตรัมของแสง

แสงจากดวงอาทิตย์เป็นแสงขาว ซึ่งเราสามารถใช้ปริซึมแยกแสงที่เป็นองค์ประกอบของแสงขาวออกจากกันได้เป็นแถบสีต่างๆ 7 สีเรียงติดกัน เราเรียกแถบสีที่เรียงติดกันนี้ว่า สเปกตรัม

 

ภาพแสดงสเปกตรัมของคลื่นแสงขาว

 

ปรากฏการณ์รุ้งกินน้ำ ก็เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่หยดน้ำฝนหรือละอองน้ำทำหน้าที่เป็นปริซึม แสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่องลงมาจะเกิดการหักเหทำให้เกิดเป็นแถบสีบนท้องฟ้า

ภาพแสดงการเกิดสเปกตรัมสีรุ้งของแสงเมือลำแสงผ่านปริซึม

จากภาพแสงสีแดงจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสงสีม่วง ทำให้แสงสีแดงเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่น้อยกว่าแสงสีม่วง เป็นสาเหตุทำให้เกิดการกระจายของแสงขาวเรียงกันเป็นแถบสีเกิดขึ้น

สีของแสง

การมองเห็นสีต่าง ๆ บนวัตถุเกิดจากการผสมของแสงสี เช่น แสงขาวอาจเกิดจากแสงเพียง 3 สีรวมกัน แสงทั้ง 3 สี ได้แก่ แสงสีแดง แสงสีเขียว และแสงสีน้ำเงิน หรือเรียกว่า สีปฐมภูมิ และถ้านำแสงที่เกิดจากการผสมกันของสีปฐมภูมิ 2 สีมารวมกันจะเกิดเป็น สีทุติยภูมิ ซึ่งสีทุตยภูมิแต่ละสีจะมีความแตกต่างกันในระดับความเข้มสีและความสว่างของแสง ดังภาพ

เรามองเห็นวัตถุที่เปล่งแสงด้วยตัวเองไม่ได้ก็เพราะมีแสงสะท้อนจากวัตถุนั้นเข้าสู่นัยย์ตาของเรา และสีของวัตถุก็ขึ้นอยู่กับคุณภาพของแสงที่สะท้อนนั้นด้วย โดยวัตถุสีน้ำเงินจะสะท้อนแสงสีน้ำเงินออกไปมากที่สุด สะท้อนแสงสีข้างเคียงออกไปบ้างเล็กน้อย และดูดกลืนแสงสีอื่น ๆ ไว้หมด ส่วนวัตถุสีแดงจะสะท้อนแสงสีอดงออกไปมากที่สุด มีแสงข้าวเคียงสะท้อนออกไปเล็กน้อย และดุดกลืนแสงสีอื่น ๆ ไว้หมด สำหรับวัตถุสีดำจะดูดกลืนทุกแสงสีและสะท้อนกลับได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังภาพ

 

การหักเหของแสง (Refraction of Light)

เมื่อแสงเดินทางผ่านวัตถุหรือตัวกลางโปร่งใส เช่น อากาศ แก้ว น้ำ พลาสติกใส แสงจะสามารถเดินทางผ่านได้เกือบหมด เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางชนิดเดียวกัน แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงเสมอ แต่ถ้าแสงเดินทางผ่านตัวกลางหลายตัวกลาง แสงจะหักเห

สาเหตุที่ทำให้แสงเกิดการหักเห

เกิดจากการเดินทางของแสงจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งซึ่งมีความหนาแน่นแตกต่างกัน จะมีความเร็วไม่เท่ากันด้วย โดยแสงจะเคลื่อนที่ในตัวกลางโปร่งกว่าได้เร็วกว่าตัวกลางที่ทึบกว่า เช่น ความเร็วของแสงในอากาศมากกว่าความเร็วของแสงในน้ำ และความเร็วของแสงในน้ำมากกว่าความเร็วของแสงในแก้วหรือพลาสติก

การที่แสงเคลื่อนที่ผ่านอากาศและแก้วไม่เป็นแนวเส้นตรงเดียวกันเพราะเกิดการหักเหของแสง โดยแสงจะเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ( โปร่งกว่า) ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า ( ทึบกว่า) แสงจะหักเหเข้าหาเส้นปกติ ในทางตรงข้าม ถ้าแสงเดินทางจากยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ

ดรรชนีหักเหของตัวกลาง (Index of Refraction)

การเคลื่อนที่ของแสงในตัวกลางต่างชนิดกันจะมีอัตราเร็วต่างกัน เช่น ถ้าแสงเคลื่อนที่ในอากาศจะมีอัตราเร็วเท่ากับ 300,000,000 เมตรต่อวินาที แต่ถ้าแสงเคลื่อนที่ในแก้วหรือพลาสติกจะมีอัตราเร็วประมาณ 200,000,000 เมตรต่อวินาที การเปลี่ยนความเร็วของแสงเมื่อผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน ทำให้เกิดการหักเห อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศต่ออัตราเร็วของแสงในตัวกลางใดๆ เรียกว่า ดรรชนีหักเหของตัวกลาง นั้น

ดรรชนีหักเหของตัวกลาง = อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ/ อัตราเร็วของแสงในตัวกลางใด ๆ
( อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ = 3 x 10 8 เมตร / วินาที)

 

 

 

 

 

      การหักเหของแสงทำให้เรามองเห็นภาพของวัตถุอันหนึ่งที่จมอยู่ในก้นสระว่ายน้ำอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่า แสงจากก้นสระว่ายน้ำจะหักเหเมื่อเดินทางจากน้ำสู่อากาศ ทั้งนี้เพราะความเร็วของแสงที่เดินทางในอากาศเร็วกว่าเดินทางในน้ำ จึงทำให้เห็นภาพของวัตถุอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง

ผลที่เกิดขึ้นจากการหักเหของแสง

เมื่อมองที่อยู่ในน้ำโดยนัยน์ตาของเราอยู่ในอากาศ จะทำให้มองเห็นวัตถุตื้นกว่าเดิม นอกจากนี้นักเรียนอาจจะเคยสังเกตุว่าสระว่ายน้ำหรือถังใส่น้ำจะมองดูตื้นกว่าความเป็นจริง เพราะแสงต้องเดินทางผ่านน้ำและอากาศแล้วจึงหักเหเข้าสู่นัยน์ตา

* มิราจ ( Mirage ) เป็นปรากฏการณ์เกิดภาพลวงตา ซึ่ง บางครั้งในวันที่อากาศร้อน เราอาจจะมองเห็นสิ่งที่เหมือนกับสระน้ำบนถนน ดังภาพ

 

 

ที่เป็นเช่นนั้นเพราะว่ามีแถบอากาศร้อนใกล้ถนนที่ร้อน และแถบอากาศที่เย็นกว่า (มีความหนาแน่นมากกว่า) อยู่ข้างบน รังสีของแสงจึงค่อยๆ หักเหมากขึ้น เข้าสู่แนวระดับ จนในที่สุดมันจะมาถึงแถบอากาศร้อนใกล้พื้นถนนที่มุมกว้างกว่ามุมวิกฤต จึงเกิดการสะท้อนกลับหมดนั่นเอง ดังภาพ

* รุ้งกินน้ำ ( Rainbow) เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่มักเกิดตอนหลังฝนตกใหม่ ยิ่งเฉพาะมีแดดออกด้วย ซึ่งปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดจากแสงแดดจากดวงอาทิตย์ที่ส่องลงมากระทบกับหยดน้ำฝนหรือละอองน้ำ แล้วจะเกิดการหักเหและการสะท้อนกลับหมดของแสงทำให้เกิดเป็นแถบสีบนท้องฟ้า โดยการหักเหของแสงในหยดน้ำนั้นจะแยกสเปกตรัมของแสงขาวจากแสงแดดออกเป็นแถบสีต่างๆ ดังภาพ

 

 

 

การเกิดภาพบนกระจกเงาระนาบ

1. ภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบบานเดียว

เมื่อนักเรียนมองเข้าไปในกระจกเงาระนาบจะเห็นภาพตัวเองเกิดขึ้นที่หลังกระจก ภาพที่เห็นนี้เกิดจากการสะท้อนของแสงที่กระจก ระยะที่ลากจากวัตถุไปตั้งฉากกับผิวกระจกเรียกว่า ระยะวัตถุ และระยะที่ลากจากภาพไปตั้งฉากกับผิวกระจกเรียกว่า ระยะภาพ

เมื่อวางวัตถุไว้หน้ากระจกเงาระนาบ เราจะมองเห็นวัตถุเพราะมีแสงจากวัตถุมาเข้าตาเรา ส่วนการมองเห็นภาพของวัตถุนั้น เพราะแสงจากวัตถุไปตกกระทบพื้นผิวกระจกเงาระนาบแล้วสะท้อนมาเข้าตาเราอีกทีหนึ่ง ภาพที่เกิดขึ้นเรียกว่า ภาพเสมือน จะปรากฏให้เห็นข้างหลังกระจก และภาพเสมือนไม่สามารถเกิดบนฉากได้ ถ้าเรามองที่ด้านหลังของกระจกเงาระนาบเราจะไม่เห็นภาพ เนื่องจากภาพเสมือนนี้เพียงปรากฏให้เห็นหลังกระจก ( เพราะรังสีของแสงสะท้อนเข้าตา เหมือนกับรังสีนี้มาจากข้างหลังกระจก)

2. ภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบ 2 บาน วางทำมุมกัน

ถ้านำวัตถุไปวางระหว่างกระจกเงาระนาบสองบานวางทำมุมต่อกัน ภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบบานหนึ่งถ้าอยู่หน้าแนวกระจกเงาระนาบอีกบานหนึ่ง ภาพนั้นจะทำหน้าที่เป็นวัตถุ ทำให้เกิดการสะท้อนแสงครั้งที่ 2 เกิดภาพที่สองขึ้น โดยระยะภาพก็ยังคงเท่ากับระยะวัตถุ และถ้าภาพทั้งสองยังอยู่หน้าแนวกระจกเงาระนาบบานแรกอีก ภาพนั้นจะทำหน้าที่เป็นวัตถุในการสะท้อนต่อไปอีกกลับไปกลับมาระหว่างกระจกสองบานจนกว่าภาพที่อยู่หลังแนวกระจก จึงจะไม่มีการสะท้อนทำให้เกิดภาพอีก

สูตรคำนวณ n = (360/ q) – 1
เมื่อ n คือ จำนวนภาพที่เกิดขึ้น
q คือ มุมที่กระจกเงาระนาบทำมุมต่อกัน ( เหลือเศษ ให้ปัดเศษทบเป็นหนึ่งเสมอ)

การเกิดภาพบนกระจกโค้ง

ชนิดของกระจกโค้ง กระจกโค้งแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ดังนี้

1. กระจกโค้งออกหรือกระจกนูน (Convex mirror) คือกระจกโค้งที่มีผิวสะท้อนแสงออยู่ด้านนอกของส่วนโค้ง ส่วนผิวด้านเว้าถูกฉาบด้วยปรอท


2. กระจกโค้งเข้าหรือกระจกเว้า (Concave mirror) คือ กระจกโค้งที่มีผิวสะท้อนแสงอยู่ด้านในของส่วนโค้ง ส่วนผิวด้านเว้าถูกฉาบด้วยปรอท

จากภาพ จุด C คือ จุดศูนย์กลางของวงกลม ซึ่งเป็นจุดศูนย์กลางความโค้งของกระจกด้วย
              R คือ รัศมีของทรงกลม เรียกว่า รัศมีความโค้งของกระจก
              P คือ จุดที่อยู่บริเวณกึ่งกลางของผิวกระจก เรียกว่า ขั้วกระจก

การสะท้อนของแสงจากกระจกเงาโค้ง

1. กระจกนูน คือ กระจกที่รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนอยู่คนละด้านกับจุดศูนย์กลางความโค้ง
2. กระจกเว้า คือ กระจกที่รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนอยู่ด้านเดียวกับจุดศูนย์กลางความโค้ง
3. กระจกนูนเป็นกระจกกระจายแสง ถ้าให้รังสีตกกระทบขนานกับแกนมุขสำคัญ รังสีแสงจะถ่างออกหรือกระจายออก โดยรังสีแสงขนานสะท้อนในทิศที่เสมือนกับมาจากจุดโฟกัสของกระจกนูน
4. กระจกเว้าเป็นกระจกรวมแสง ถ้าให้รังสีตกกระทบขนานกับแกนมุขสำคัญ รังสีที่สะท้อนออกจากกระจกจะลู่ไปรวมกันที่จุดจุดหนึ่งเรียกว่า จุดโฟกัส

ภาพที่เกิดจากกระจกโค้ง

เกิดจากการสะท้อนของแสงและภาพที่เกิดบนฉาก เรียกว่า ภาพจริง ภาพจริงจะมีลักษณะหัวกลับกับวัตถุ ส่วนภาพที่ปรากฏในกระจก โค้งที่เป็นภาพหัวตั้ง และเอาฉากรับไม่ได้เรียกว่า ภาพเสมือน กระจกเว้าสามารถให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน ส่วนกระจกนูนนั้นให้ภาพเสมือนเพียงอย่างเดียว

เมื่อวัตถุอยู่ไกลๆ เราถือว่าแสงจากวัตถุเป็นรังสีขนาน และเมื่อรังสีตกกระทบกระจกเว้าจะสะท้อนไปรวมกันที่จุดโฟกัสซึ่งเป็นตำแหน่งภาพ ดังนั้นระยะจากกระจกเว้าถึงตำแหน่งภาพก็คือความยาวโฟกัสของกระจกเว้านั้นเอง

การเขียนทางเดินของแสงบนกระจกโค้ง มีขั้นตอนดังนี้

  • จากจุดปลายของวัตถุ ลากเส้นตรงขนานกับแกนมุขสำคัญไปตกกระทบผิวกระจกแล้วสะท้อนผ่านจุดโฟกัสของกระจกเว้า แต่ถ้าเป็นกระจกนูน แนวรังสีสะท้อนจะเสมือนผ่านจุดโฟกัส
  • จากปลายของวัตถุจุดเดียวกับข้อ 1 ลากเส้นตรงผ่านจุดศูนย์กลางความโค้งของกระจกแล้วสะท้อนกลับทางเดิม

ตำแหน่งที่รังสีสะท้อนไปตัดกันจะเป็นตำแหน่งของภาพจริง ส่วนตำแหน่งที่รัวสีสะท้อนที่เสมือนไปตัดกันจะเป็นตำแหน่งของภาพเสมือน

    ตัวอย่าง การเขียนทางเดินของแสงบนกระจกเว้า

    การคำนวณ


    s คือ ระยะวัตถุ จะมีเครื่องหมายเป็น + เสมอ
    s’ คือ ระยะภาพ ถ้าภาพจริงใช้เครื่องหมาย + และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –
    f คือ ความยาวโฟกัสของกระจกโค้ง เครื่องหมาย + สำหรับกระจกเว้า และเครื่องหมาย – สำหรับกระจกนูน
    m คือ กำลังขยายของกระจกโค้ง เครื่องหมาย + สำหรับภาพจริง และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –
    I คือ ความสูงของภาพ เครื่องหมาย + สำหรับภาพจริง และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –
    O คือ ความสูงของวัตถุ จะมีเครื่องหมาย + เสมอ

    ประโยชน์ของกระจกโค้ง

    1.กระจกนูน นำมาใช้ประโยชน์โดยติดรถยนต์ รถจักรยานยนต์ เพื่อดูรถด้านหลัง ภาพที่เห็นจะอยู่ในกระจกระยะใกล้กว่า เนื่องจากกระจกนูนให้ภาพเสมือนหัวตั้งเล็กกว่าวัตถุเสมอ และช่วยให้เห็นมุมมองของภาพกว้างขึ้นอีกด้วย นอกจากนี้กระจกนูนยังใช้ติดตั้งบริเวณทางเลี้ยว เพื่อช่วยให้มองเห็นรถยนต์ที่วิ่งสวนทางมา

    2.กระจกเว้า นำมาใช้ประกอบกับกล้องจุลทรรศน์ เพื่อช่วยรวมแสงไปตกที่แผ่นสไลด์ ทำให้มองเห็นภาพได้ชัดเจนขึ้น ทำกล้องโทรทัศน์ชนิดสะท้อนแสง กล้องโทรทัศน์วิทยุ ทำเตาสุริยะ ทำจานดาวเทียม เพื่อรับสัญญาณโทรทัศน์ ทำจานรับเรดาร์ นอกจากนี้สมบัติอย่างหนึ่งของกระจกเว้าคือ เมื่อนำมาส่องดูวัตถุใกล้ๆ โดยให้ระยะวัตถุน้อยกว่าระยะโฟกัสแล้ว จะได้ภาพเสมือน หัวตั้ง ขนาดใหญ่กว่าวัตถุ อยู่ข้างหลังกระจก จึงได้นำสมบัติข้อนี้ของกระจกเว้ามาใช้ทำกระจกสำหรับโกนหนวดหรือกระจกแต่งหน้า และใช้ทำกระจกสำหรับทันตแพทย์ใช้ตรวจฟันคนไข้

     

    การเกิดภาพจากเลนส์

    เลนส์ (Lens) คือ วัตถุโปร่งใสที่มีผิวหน้าโง ส่วนใหญ่ทำมาจากแก้วหรือพลาสติก

    ชนิดของเลนส์ แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ

    1. เลนส์นูน (Convex Lens) คือ เลนส์ที่มีลักษณะตรงกลางหนากว่าส่วนขอบ ดังภาพ


                                                                เลนส์นูน 2 หน้า            เลนส์นูนแกมระนาบ    เลนส์นูนแกมเว้า

    เลนส์นูนทำหน้าที่รวมแสง หรือลู่แสงให้เข้ามารวมกันที่จุดจุดหนึ่งเรียกว่า จุดรวมแสง หรือ จุดโฟกัส ดังภาพ

    2. เลนส์เว้า (Concave Lens) คือ เลนส์ที่มีลักษณะตรงกลางบางกว่าตรงขอบ ดังรูป

                                                    ............................................  

     

    เลนส์เว้า 2 หน้า.....................เลนส์เว้าแกมระนาบ................เลนส์เว้าแกมนูน

    เลนส์เว้าทำหน้าที่กระจายแสง หรือ ถ่างแสงออก เสมือนกับแสงมาจากจุดโฟกัสเสมือนของเลนส์เว้า ดังภาพ


    ส่วนประกอบของเลนส์์

    เลนส์นูน                                                      เลนส์เว้า

    • แนวทิศทางของแสงที่ส่องมายังเลนส์เรียกว่า แนวรังสีของแสง ถ้าแสงมาจากระยะไกลมาก หรือระยะอนันต์ เช่นแสงจากดวงอาทิตย์หรือดวงดาวต่างๆ แสงจะส่องมาเป็นรังสีขนาน
    • จุดโฟกัสของเลนส์หรือจุด F ถ้าเป็นเลนส์นูนจะเกิดจากรังสีหักเหไปรวมกันที่จุดโฟกัส แต่ถ้าเป็นเลนส์เว้าจะเกิดจุดเสมือนแสงมารวมกันหรือจุดโฟกัสเสมือน
    • แกนมุขสำคัญ (Principal axis) คือเส้นตรงที่ลากผ่านกึ่งกลางของเลนส์และจุดศูนย์กลางความโค้งของผิวเลนส์
    • จุด O คือ จุดใจกลางเลนส์ (Optical center)
    • จุด C คือ จุดศูนย์กลางความโค้งของผิวเลนส์ ( Center of Curvature)
    • OC เป็น รัศมีความโค้ง (Radius of curvature) เขียนแทนด้วย R
    • F เป็นความยาวโฟกัส (Focal length) โดยความยาวโฟกัสจะเป็นครึ่งหนึ่งของรัศมีความโค้ง (R = 2F)

     

    การเขียนทางเดินของแสงผ่านเลนส์

    เราสามารถหาตำแหน่งและลักษณะของภาพที่เกิดจากเลนส์นูนหรือเลนส์เว้าโดยวิธีการเขียนทางเดินของแสงผ่านเลนส์ได้ ซึ่งมีลำดับขั้นตอนดังนี้

    • เขียนเลนส์ แกนมุขสำคัญ จุดโฟกัส และจุดกึ่งกลางของเลนส์
    • กำหนดตำแหน่งวัตถุ ใช้รังสี 2 เส้นจากวัตถุ เส้นแรกคือรังสีที่ขนานแกนมุขสำคัญ แล้วหักเหผ่านจุดโฟกัสของเลนส์ และเส้นที่ 2 คือ รังสีจากวัตถุผ่านจุดกึ่งกลางของเลนส์โดยไม่หักเห จุดที่รังสีทั้ง 2 ตัดกัน คือ ตำแหน่งภาพ

     

    การเกิดภาพจริงและภาพเสมือน มีลักษณะดังนี้

    - ถ้ารังสีของแสงทั้ง 2 เส้นตัดกันจริง จะเกิดภาพจริง
    - ถ้ารังสีของแสงทั้งสองเส้นไม่ตัดกันจริง จะเกิดภาพเสมือน

    ภาพที่เกิดจากเลนส์

    1. ภาพที่เกิดจากเลนส์นูน

      • เลนส์นูนสามารถให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน และภาพจริงเป็นภาพที่ฉากสามารถรับได้เป็นภาพหัวกลับกับวัตถุ ส่วนภาพเสมือนเป็นภาพที่ฉากไม่สามารถรับได้ เป็นภาพหัวตั่งเหมือนวัตถุ
      • ภาพจริงที่เกิดจากเลนส์นูนมีหลายขนาด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะวัตถุ และตำแหน่งภาพจริงที่จะเกิดหลังเลนส์
      • ภาพเสมือนที่เกิดจากเลนส์นูนมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุและตำแหน่งภาพเสมือนจะเกิดหน้าเลนส์


    เลนส์นูนจะให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของวัตถุ ถ้าระยะวัตถุมากกว่า ความยาวโฟกัส จะเกิดภาพจริง แต่ถ้าระยะวัตถุน้อยกว่าความยาวโฟกัส จะเกิดภาพเสมือน


    2. ภาพที่เกิดจากเลนส์เว้า

    เลนส์เว้าให้ภาพเสมือนเพียงอย่างเดียว ไม่ว่าระยะวัตถุจะมากหรือน้อยกว่าความยาวโฟกัส และขนาดภาพมีขนาดเล็กกวาวัตถุเท่านั้น
    การคำนวณหาชนิดและตำแหน่งของภาพที่เกิดจากเลนส์

    สูตร 1/f = 1/s + 1/s’

    m = I/O = s’/s

    s คือ ระยะวัตถุ ( จะมีเครื่องหมายเป็น + เมื่อเป็นวัตถุจริง เป็น – เมื่อเป็นวัตถุเสมือน)
    s’ คือ ระยะภาพ ( ถ้าภาพจริงใช้เครื่องหมาย + และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –)
    f คือ ความยาวโฟกัสของเลนส์ ( เครื่องหมาย + สำหรับเลนส์นูน และเครื่องหมาย – สำหรับเลนส์เว้า)
    m คือ กำลังขยายของเลนส์ ( เครื่องหมาย + สำหรับภาพจริง และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –)
    I คือ ขนาดหรือความสูงของภาพ ( เครื่องหมาย + สำหรับภาพจริง และภาพเสมือนใช้เครื่องหมาย –)
    O คือ ความสูงของวัตถุ ( จะมีเครื่องหมาย + เสมอ)

     

    ความสว่าง

    1. อัตราการให้พลังงานแสงของแหล่งกำเนิดแสง

    แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง และทำให้เกิดความสว่างบนพื้นที่ที่แสงตกกระทบ วัตถุที่ผลิตแสงได้ด้วยตัวเอง เรียกว่า แหล่งกำเนิดแสง เช่น ดวงอาทิตย์ เทียนไข และหลอดไฟฟ้า และปริมาณพลังงานแสงที่ส่องออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงใดๆ ต่อ หนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า อัตราการให้พลังงานแสงของแหล่งกำเนิดแสง มีหน่วยเป็น ลูเมน(lumen ; lm)

    2. ค่าความสว่าง

    พลังงานแสงที่ทำให้เกิดความสว่างบนพื้นที่ที่รับแสง ถ้าพิจารณาพื้นที่ใดๆ ที่รับแสง ความสว่างบนพื้นที่นั้นหาได้จาก

     

     

                                                              F เป็น อัตราพลังงานแสงที่ตกบนพื้น มีหน่วยเป็นลูเมน (lumen : lm)
                                                              A เป็น พื้นที่รับแสง มีหน่วยเป็นตารางเมตร m 2 
                                                              E เป็น ความสว่าง มีหน่วยเป็นลักซ์ (lux ; lx)

     

    การตอบสนองของนัยน์ตาต่อความเข้มของแสง

    เนื่องจากนัยน์ตาเป็นอวัยวะที่มีความไวต่อแสงมาก สามารถรับรู้ได้เมื่อมีแสงสว่างเพียงเล็กน้อย เช่น แสงจากดวงดาวที่อยู่ไกลในคืนเดือนมืดจนถึงแสงสว่างที่มีปริมาณมาก ทั้งนี้เนื่องจากเรตินาจะมีเซลล์รับแสง 2 ชนิด คือ

    1. เซลล์รูปแท่ง(Rod Cell) ทำหน้าที่รับแสงสว่าง ( สลัว) ที่ไวมาก สามารถมองเห็นภาพขาวดำ เซลล์ รูปแท่งจะไวเฉพาะต่อแสงที่มีความเข้มน้อย โดยจะไม่สามารถจำแนกสีของแสงนั้นได้

    2. เซลล์รูปกรวย(Cone Cell) จะไวเฉพาะต่อแสงที่มีความเข้มสูงถัดจากความไวของเซลล์รูปแท่ง และสามารถจำแนกแสงแต่ละสีได้ด้วย เซลล์รูปกรวยมี 3 ชนิด แต่ละชนิดจะมีความไวต่อแสงสีปฐมภูมิต่างกัน ชนิดที่หนึ่งมีความไวสูงสุดต่อแสงสีน้ำเงิน ชนิดที่สองมีความไวสูงสุดต่อแสงสีเขียว และชนิดที่สามมีความไวสูงสุดต่อแสงสีแดง เมื่อมีแสงสีต่างๆ ผ่านเข้าตามากระทบเรตินา เซลล์รับแสงรูปกรวยจะถูกกระตุ้น และสัญญาณกระตุ้นนี้จะถูกส่งผ่านประสาทตาไปยังสมอง เพื่อแปรความหมายออกมาเป็นความรู้สึกเห็นเป็นสีของแสงนั้น ๆ

    ความเข้มของแสงต่อนัยน์ตามนุษย์

    ดวงตาของมนุษย์สามารถรับแสงที่มีความเข้มน้อยมากๆ เช่น แสงริบหรี่ในห้องมืด ๆ ไปจึงถึงแสงสว่างจ้าของแสงแดดตอนเที่ยงวัน ซึ่งมีความเข้มแสงมากกว่าถึง 10 เท่า นอกจากนี้ดวงตายังสามารถปรับให้มองเห็นได้แม้ตัวอักษรที่เป็นตัวพิมพ์เล็กๆ สามารถบอกรูปร่างและทรวดทรงที่แตกต่างกันในที่ที่มีความเข้มของแสงแตกต่างกันมากๆได้ โดยการปรับของรูม่านตา ดังภาพ

     การมองเห็นวัตถุ

    การมองเห็นวัตถุ เกิดจากการที่แสงไปตกกระทบสิ่งต่างๆ แล้วเกิดการสะท้อนเข้าสู่ตาเรา และผ่านเข้ามาในลูกตา ไปทำให้เกิดภาพบนจอ (Retina) ที่อยู่ด้านหลังของลูก ข้อมูลของวัตถุที่มองเห็นจะส่งขึ้นไปสู่สมองตามเส้นประสาท (optic nerve) สมองจะแปลข้อมูลเป็นภาพของวัตถุนั้น

    Comments