แสงและการเกิดภาพ

แสงและการเกิดภาพ

ความสว่างและการมองเห็น

การสะท้อนของแสง

การหักเหแสง

การเกิดภาพจากกระจกเงาและเลนส์

เลเซอร์และเส้นใยนำแสง

 
 
 
 
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

 กล่องข้อความ: แสงขาว (Visible light) คือ ช่วงคลื่นแสงที่ทำให้ตาเราสามารถมองเห็นวัตถุเป็นสีต่างๆ ได้

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)

 

กล่องข้อความ:    ภาพการเกิดการหักเหของแสง   

 

พับมุม: กฎการหักเหของแสง (The Law of Refraction)  1. แสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าแสงจะหักเหเข้าหาเส้นปกติ    2.   แสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าแสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ     

      การหักเหของแสงทำให้เรามองเห็นภาพของวัตถุอันหนึ่งที่จมอยู่ในก้นสระว่ายน้ำอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่า แสงจากก้นสระว่ายน้ำจะหักเหเมื่อเดินทางจากน้ำสู่อากาศ ทั้งนี้เพราะความเร็วของแสงที่เดินทางในอากาศเร็วกว่าเดินทางในน้ำ จึงทำให้เห็นภาพของวัตถุอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง

ผลที่เกิดขึ้นจากการหักเหของแสง

เมื่อมองที่อยู่ในน้ำโดยนัยน์ตาของเราอยู่ในอากาศ จะทำให้มองเห็นวัตถุตื้นกว่าเดิม นอกจากนี้นักเรียนอาจจะเคยสังเกตุว่าสระว่ายน้ำหรือถังใส่น้ำจะมองดูตื้นกว่าความเป็นจริง เพราะแสงต้องเดินทางผ่านน้ำและอากาศแล้วจึงหักเหเข้าสู่นัยน์ตา

* มิราจ ( Mirage ) เป็นปรากฏการณ์เกิดภาพลวงตา ซึ่ง บางครั้งในวันที่อากาศ 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

กล่องข้อความ: สูตร   1/f = 1/s + 1/s’  m = s’/s = I/O

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

กล่องข้อความ: E = F / A  

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

แสงสะท้อนเป็นระเบียบ
แสงสะท้อนไม่เป็นระเบียบ
รูปที่ 4 แสดงการสะท้อนของแสง
 
กฎการสะท้อนของแสง (Law of Reflection)
     มุมตกกระทบคือมุมที่รังสีตกกระทบ (Incident ray) ทำกับเส้นปกติ (Normal) ของผิวสะท้อน
     มุมสะท้อน (Reflected ray) คือมุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ
การสะท้อนของแสงที่มีระเบียบจะได้
     1. มุมตกกระทบมีค่าเท่ากับมุมสะท้อน ( )
     2. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อนและเส้นปกติ จะอยู่ในระนาบเดียวกัน
รูปที่ 5 แสดงการสะท้อนของแสงบนกระจกราบ
 
     เมื่อฉายแสงลงบนผิวราบเรียบ เช่น กระจกเงา แสงที่สะท้อนออกมาจะเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสง จะได้

 
 

 การเขียนแนว ลำแสงหรือรังสีให้เขียนเป็นเส้นตรงที่มีหัวลูกสรกำกับแกนแนวลำแสง และเรียกสัญลักษณ์นี้ว่า รังสีแสง รังสีแสงมีหลายอย่าง เช่น รังสีขนาน รังสีลู่เข้า รังสีลู่ออก

 

 

รังสีขนาน             รังสีลู่เข้า           รังสีลู่ออก

 รังสีขนาน                                       รังสีลู่เข้า                                      รังสีลู่ออก

 

การสะท้อน แสงบนกระจกเงาระนาบสามารถเขียนรูปได้ดังนี้

การสะท้อน แสงบนกระจกเงา

                รังสีตกกระทบ (Incident Ray) คือรังสีของแสงที่พุ่งเข้าหาพื้นผิวของวัตถุ

                รังสีสะท้อน (Reflected Ray) คือรังสีของแสงที่พุ่งออกจากพื้นผิวของวัตถุ

                เส้นปกติ (Normal) คือ เส้นที่ลากตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุตรงจุดที่แสงกระทบ

                มุมตกกระทบ (Angle of Incidence) คือมุมที่รังสีตกกระทบทำกับเส้นปกติ

                 มุมสะท้อน (Angle of Reflection) คือมุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ

                 กฎ การสะท้อนของแสง (The Laws of Reflection) มี 2 ข้อ ดังนี้

1.       รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติจะอยู่ในระนาบเดียวกัน

2.       มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

1.1    ลักษณะการสะท้อนของแสง

การสะท้อนของแสงแบ่งได้เป็น 2 ลักษณะดังนี้

        1.  การสะท้อนปกติ

วัสดุที่มีผิวเรียบไม่ว่าจะเป็นวัตถุผิวราบหรือผิวโค้ง การสะท้อนของแสงจะให้ผลเช่นเดียวกัน คือรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติ (เส้นแนวฉาก) จะอยู่ในระนาบเดียวกัน นอกจากนี้มุมตกกระทบและมุมสะท้อนจะมีค่าเท่ากันเสมอ

                2.   การสะท้อนกระจาย

                เราได้เห็นการสะท้อนปกติมาแล้วจากกระจกเงาและวัตถุเรียบมันอื่นๆ เช่น ผิวโลหะต่างๆ แต่วัตถุที่มีผิวขรุขระ เช่น กระดาษ ไม้ และวัตถุทึบแสงอื่นๆ ก็มีการสะท้อนแสงเช่นเดียวกัน  แต่เนื่องจากผิวของวัตถุหยาบ แสงจึงสะท้อนออกไปในหลายทิศทาง เรียกว่า

  การสะท้อนกระจาย เมื่อพิจารณาบริเวณเล็กๆของผิวขรุขระ จะเห็นว่าประกอบด้วยผิวเรียบจำนวนมากโดยที่มุมระหว่างผิวเหล่านั้นจะมีค่า ต่างๆกัน และมุมตกกระทบจะเท่ากับมุมสะท้อน ณ ตำแหน่งที่แสงตกกระทบเสมอ
              การสะท้อนกลับหมด

                แสงที่เดินทางจากตัวกลางที่โปร่งแสงไปสู่ตัวกลางที่โปร่ง ใส  เช่น จากแก้วไปสู่อากาศ  ถ้ามุมตกกระทบน้อยกว่า  42  องศา  แสงบางส่วนจะสะท้อนกลับและบางส่วนจะทะลุแก้วออกสู่อากาศ   แต่ถ้ามุมที่ตกกระทบแก้วเท่ากับ  42  องศา  แสงจะสะท้อนกลับคืนสู่แก้วหมดไม่มีแสงออกสู่อากาศเลย ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า  การสะท้อนกลับหมดนั่นคือ   รอยต่อระหว่างแก้วกับอากาศทำหน้าที่เสมือนการตกกระทบที่จะทำให้แสงสะท้อน กลับหมด  ซึ่งจะมีค่าแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลาง

                การมองผ่านแผ่นกรองแสงสีต่าง ๆ ทำให้เราเห็นปรากฏการณ์ของแสงที่น่าสนใจ  เช่น แผ่นกรองแสงสีแดงจะสะท้อนและยอมให้แสงสีแดงทะลุผ่านออกไปได้ เราจึงเห็นแผ่นกรองแสงนั้นมีสีแดง แผ่นกรองแสงสีเหลืองจะสะท้อนและยอมให้แสงสีแดงและสีเขียวทะลุผ่านออกไปได้  เพราะว่าแสงสีเหลืองเป็นสีทุติยภูมิซึ่งเกิดจากแสงสีแดงและสีเขียวรวมกัน  ถ้าเรามองผ่านแผ่นกรองแสงสีต่าง ๆ  เพื่อดูวัตถุอย่างหนึ่ง  จะเห็นวัตถุนั้นมีสีต่างไปจากการมองดูวัตถุในแสงขาว

 

เรื่อง การสะท้อนของแสงและการเกิดภาพจากกระจกเงา

1. การสะท้อนของแสง
1.1 สัญลักษณ์ของลำแสง

การเขียนแนวลำแสงหรือรังสีให้เขียนเป็นเส้นตรงที่มีหัวลูกสรกำกับแกนแนว ลำแสง และเรียกสัญลักษณ์นี้ว่า รังสีแสง รังสีแสงมีหลายอย่าง เช่น รังสีขนาน รังสีลู่เข้า รังสีลู่ออก

 

รังสีขนาน รังสีลู่เข้า รังสีลู่ออก

การสะท้อนแสงบนกระจกเงาระนาบสามารถเขียนรูปได้ดังนี้


รังสีตกกระทบ (Incident Ray) คือรังสีของแสงที่พุ่งเข้าหาพื้นผิวของวัตถุ
รังสีสะท้อน (Reflected Ray) คือรังสีของแสงที่พุ่งออกจากพื้นผิวของวัตถุ
เส้นปกติ (Normal) คือ เส้นที่ลากตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุตรงจุดที่แสงกระทบ
มุมตกกระทบ (Angle of Incidence) คือมุมที่รังสีตกกระทบทำกับเส้นปกติ
มุมสะท้อน (Angle of Reflection) คือมุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ

กฎ การสะท้อนของแสง (The Laws of Reflection) มี 2 ข้อ ดังนี้
1. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติจะอยู่ในระนาบเดียวกัน
2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน

1.2 ลักษณะการสะท้อนของแสง
การสะท้อนของแสงแบ่งได้เป็น 2 ลักษณะดังนี้
1. การสะท้อนปกติ
วัสดุที่มีผิวเรียบไม่ว่าจะเป็นวัตถุผิวราบหรือผิวโค้ง การสะท้อนของแสงจะให้ผลเช่นเดียวกัน คือรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นปกติ (เส้นแนวฉาก) จะอยู่ในระนาบเดียวกัน นอกจากนี้มุมตกกระทบและมุมสะท้อนจะมีค่าเท่ากันเสมอ
2. การสะท้อนกระจาย
เราได้เห็นการสะท้อนปกติมาแล้วจากกระจกเงาและวัตถุเรียบมันอื่นๆ เช่น ผิวโลหะต่างๆ แต่วัตถุที่มีผิวขรุขระ เช่น กระดาษ ไม้ และวัตถุทึบแสงอื่นๆ ก็มีการสะท้อนแสงเช่นเดียวกัน แต่เนื่องจากผิวของวัตถุหยาบ แสงจึงสะท้อนออกไปในหลายทิศทาง เรียกว่า การสะท้อนกระจาย เมื่อพิจารณาบริเวณเล็กๆของผิวขรุขระ จะเห็นว่าประกอบด้วยผิวเรียบจำนวนมากโดยที่มุมระหว่างผิวเหล่านั้นจะมีค่า ต้างๆกัน และมุมตกกระทบจะเท่ากับมุมสะท้อน ณ ตำแหน่งที่แสงตกกระทบเสมอ
2. การเกิดภาพบนกระจกเงาระนาบ
2.1 ภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบบานเดียว
เมื่อนักเรียนมองเข้าไปในกระจกเงาระนาบจะเห็นภาพตัวเองเกิดขึ้นที่หลัง กระจก ภาพที่เห็นนี้เกิดจากการสะท้อนของแสงที่กระจก ระยะที่ลากจากวัตถุไปตั้งฉากกับผิวกระจกเรียกว่า ระยะวัตถุ และระยะที่ลากจากภาพไปตั้งฉากกับผิวกระจกเรียกว่า ระยะภาพ
เมื่อวางวัตถุไว้หน้ากระจกเงาระนาบ เราจะมองเห็นวัตถุเพราะมีแสงจากวัตถุมาเข้าตาเรา ส่วนการมองเห็นภาพของวัตถุนั้น เพราะแสงจากวัตถุไปตกกระทบพื้นผิวกระจกเงาระนาบแล้วสะท้อนมาเข้าตาเราอีกที หนึ่ง ภาพที่เกิดขึ้นเรียกว่า ภาพเสมือน จะปรากฏให้เห็นข้างหลังกระจก และภาพเสมือนไม่สามารถเกิดบนฉากได้ ถ้าเรามองที่ด้านหลังของกระจกเงาระนาบเราจะไม่เห็นภาพ เนื่องจากภาพเสมือนนี้เพียงปรากฏให้เห็นหลังกระจก (เพราะรังสีของแสงสะท้อนเข้าตา เหมือนกับรังสีนี้มาจากข้างหลังกระจก)
2.2 ภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบ 2 บาน วางทำมุมกัน
ถ้านำวัตถุไปวางระหว่างกระจกเงาระนาบสองบานวางทำมุมต่อกัน ภาพที่เกิดจากกระจกเงาระนาบบานหนึ่งถ้าอยู่หน้าแนวกระจกเงาระนาบอีกบานหนึ่ง ภาพนั้นจะทำหน้าที่เป็นวัตถุ ทำให้เกิดการสะท้อนแสงครั้งที่ 2 เกิดภาพที่สองขึ้น โดยระยะภาพก็ยังคงเท่ากับระยะวัตถุ และถ้าภาพทั้งสองยังอยู่หน้าแนวกระจกเงาระนาบบานแรกอีก ภาพนั้นจะทำหน้าที่เป็นวัตถุในการสะท้อนต่อไปอีกกลับไปกลับมาระหว่างกระจก สองบานจนกว่าภาพที่อยู่หลังแนวกระจก จึงจะไม่มีการสะท้อนทำให้เกิดภาพอีก

สูตรคำนวณ


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


ตัวอย่าง จงคำนวณหาจำนวนภาพที่เกิดขึ้นจากการสะท้อนบนกระจกเงาระนาบสองบานทำมุมต่อกัน 55 องศา
วิธีคิด จากสูตร n = (360/) – 1
ในที่นี้  = 55
แทนค่า n = (360/55) –1
n = 6.6-1
n = 5.6 (เศษปัดขึ้นเสมอ)
n = 6 ภาพ
จำนวนภาพที่เกิดขึ้น คือ 6 ภาพ ตอบ

 

3. กระจกโค้ง
3.1 ชนิดของกระจกโค้ง กระจกโค้งแบ่งออกเป็น 2 ชนิด ดังนี้
1. กระจกโค้งออกหรือกระจกนูน (Convex mirror) คือกระจกโค้งที่มีผิวสะท้อนแสงออยู่ด้านนอกของส่วนโค้ง ส่วนผิวด้านเว้าถูกฉาบด้วยปรอท
2. กระจกโค้งเข้าหรือกระจกเว้า (Concave mirror) คือ กระจกโค้งที่มีผิวสะท้อนแสงอยู่ด้านในของส่วนโค้ง ส่วนผิวด้านเว้าถูกฉาบด้วยปรอท

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


3.2 การสะท้อนของแสงจากกระจกเงาโค้ง
1. กระจกนูน คือ กระจกที่รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนอยู่คนละด้านกับจุดศูนย์กลางความโค้ง
2. กระจกเว้า คือ กระจกที่รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนอยู่ด้านเดียวกับจุดศูนย์กลางความโค้ง
3. กระจกนูนเป็นกระจกกระจายแสง ถ้าให้รังสีตกกระทบขนานกับแกนมุขสำคัญ รังสีแสงจะถ่างออกหรือกระจายออก โดยรังสีแสงขนานสะท้อนในทิศที่เสมือนกับมาจากจุดโฟกัสของกระจกนูน
4. กระจกเว้าเป็นกระจกรวมแสง ถ้าให้รังสีตกกระทบขนานกับแกนมุขสำคัญ รังสีที่สะท้อนออกจากกระจกจะลู่ไปรวมกันที่จุดจุดหนึ่งเรียกว่า จุดโฟกัส
3.3 การเกิดภาพจากกระจกโค้ง
เราได้ศึกษาภาพที่เกิดจากที่เกิดจากกระจกเงาระนาบมาแล้ว ต่อไปจะได้ศึกษาภาพที่เกิดจากกระจกเงาโค้งเนื่องจากกระจกโค้งก็สามารถให้ภาพ ที่น่าสนใจ และเราสามารถนำกระจกโค้งมาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันได้หลายอย่าง เช่น นำกระจกนูนมาใช้กับรถยนต์ โดยติดไว้ข้างหน้ารถเหนือศีรษะคนขับหรือติดไว้ด้านข้างรถนอกจากนี้ทันตแพทย์ ยังได้นำกระจกเว้ามาส่องดูฟันของคนไข้ เพื่อช่วยขยายภาพของฟันให้โตเห็นได้ชัดยิ่งขึ้น เป็นต้น
1. ภาพที่เกิดจากกระจกโค้ง เกิดจากการสะท้อนของแสงและภาพที่เกิดบนฉาก เรียกว่า ภาพจริง ภาพจริงจะมีลักษณะหัวกลับกับวัตถุ ส่วนภาพที่ปรากฏในกระจก โค้งที่เป็นภาพหัวตั้ง และเอาฉากรับไม่ได้เรียกว่า ภาพเสมือน กระจกเว้าสามารถให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน ส่วนกระจกนูนนั้นให้ภาพเสมือนเพียงอย่างเดียว

เมื่อวัตถุอยู่ไกลๆ เราถือว่าแสงจากวัตถุเป็นรังสีขนาน และเมื่อรังสีตกกระทบกระจกเว้าจะสะท้อนไปรวมกันที่จุดโฟกัสซึ่งเป็นตำแหน่ง ภาพ ดังนั้นระยะจากกระจกเว้าถึงตำแหน่งภาพก็คือความยาวโฟกัสของกระจกเว้านั้นเอง
2. การเขียนทางเดินของแสงเพื่อหาตำแหน่งและลักษณะของภาพที่เกิดจากการสะท้อนบน กระจกโค้ง มีขั้นตอนดังนี้
1. จากจุดปลายของวัตถุ ลากเส้นตรงขนานกับแกนมุขสำคัญไปตกกระทบผิวกระจกแล้วสะท้อนผ่านจุดโฟกัส ของกระจกเว้า แต่ถ้าเป็นกระจกนูน แนวรังสีสะท้อนจะเสมือนผ่านจุดโฟกัส
2. จากปลายของวัตถุจุดเดียวกับข้อ 1 ลากเส้นตรงผ่านจุดศูนย์กลางความโค้งของกระจกแล้วสะท้อนกลับทางเดิม
3. ตำแหน่งที่รังสีสะท้อนไปตัดกันจะเป็นตำแหน่งของภาพจริง ส่วนตำแหน่งที่รัวสีสะท้อนที่เสมือนไปตัดกันจะเป็นตำแหน่งของภาพเสมือน


3. การหาตำแหน่งและลักษณะของภาพของกระจกโค้งด้วยวิธีการคำนวณ
สูตรที่ใช้ในการคำนวณเกี่ยวกับกระจกโค้ง

 

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 วามสูงของวัตถุ จะมีเครื่องหมาย + เสมอ


ตัวอย่าง วัตถุสูง 30 cm วางไว้หน้ากระจกนูนที่มีความยาวโฟกัส 10 cm เป็นระยะ 15 cm จงหาตำแหน่ง ลักษณะ และขนาดของภาพที่เกิดขึ้น
วิธีทำ หาระยะภาพ จากสูตร 1/f = 1/s + 1/s’
ในที่นี้ f = -10 (กระจกนูน) s = 15
แทนค่า -1/10 = 1/15 + 1/s’
s’ = -6 cm
หาความสูงของภาพจากสูตร s’/s = I/O
ในที่นี้ O = 30 s = 15 s’ = -6
แทนค่า I/30 = -6/15
I = -12 cm

ค่า I เป็นลบ แสดงว่าเป็นภาพเสมือน หัวตั้ง มีความสูงของภาพ 12 cm และอยู่หลังกระจก 6 cm

4. ประโยชน์ของกระจกโค้ง


ในชีวิตประจำวันเราได้รับประโยชน์จากการใช้กระจกโค้งในหลายๆด้านดังนี้
กระจกนูน นำมาใช้ประโยชน์โดยติดรถยนต์ รถจักรยานยนต์ เพื่อดูรถด้านหลัง ภาพที่เห็นจะอยู่ในกระจกระยะใกล้กว่า เนื่องจากกระจกนูนให้ภาพเสมือนหัวตั้งเล็กกว่าวัตถุเสมอ และช่วยให้เห็นมุมมองของภาพกว้างขึ้นอีกด้วย นอกจากนี้กระจกนูนยังใช้ติดตั้งบริเวณทางเลี้ยว เพื่อช่วยให้มองเห็นรถยนต์ที่วิ่งสวนทางมา
กระจกเว้า นำมาใช้ประกอบกับกล้องจุลทรรศน์ เพื่อช่วยรวมแสงไปตกที่แผ่นสไลด์ ทำให้มองเห็นภาพได้ชัดเจนขึ้น ทำกล้องโทรทัศน์ชนิดสะท้อนแสง กล้องโทรทัศน์วิทยุ ทำเตาสุริยะ ทำจานดาวเทียม เพื่อรับสัญญาณโทรทัศน์ ทำจานรับเรดาร์ นอกจากนี้สมบัติอย่างหนึ่งของกระจกเว้าคือ เมื่อนำมาส่องดูวัตถุใกล้ๆ โดยให้ระยะวัตถุน้อยกว่าระยะโฟกัสแล้ว จะได้ภาพเสมือน หัวตั้ง ขนาดใหญ่กว่าวัตถุ อยู่ข้างหลังกระจก จึงได้นำสมบัติข้อนี้ของกระจกเว้ามาใช้ทำกระจกสำหรับโกนหนวดหรือกระจกแต่ง หน้า และใช้ทำกระจกสำหรับ ทันตแพทย์ใช้ตรวจฟันคนไข้

 

     
แสง    

          แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง  เดินทางในรูปเคลื่อนที่มีอัตราเร็วสูง  สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่บนโลกไม่สามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่มีแสง  แหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญที่สุดของเราคือดวงอาทิตย์  อย่างไรก็ตาม เราสามารถผลิตแสงได้เองเช่นกันโดยใช้ไฟฟ้า

สี่เหลี่ยมมุมมน: 1.  ลำแสง

          ถ้าลำแสงผ่านควันหรือฝุ่นละออง  จะเห็นลำแสงนี้เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็ว  300,000 กิโลเมตรต่อวินาที  แสงสามารถผ่านวัตถุบางชนิดได้  แต่แสงไม่สามารถผ่านวัตถุทึบแสงได้  เช่น แผ่นเหล็ก  ผนังคอนกรีต  กระดาษหนาๆ  เป็นต้น  วัตถุทึบแสงจะสะท้อนแสงบางส่วนและดูดกลืนแสงไว้บางส่วน  และเกิดเงาได้เมื่อใช้วัตถุแสงกั้นลำแสงไว้
          วัตถุโปร่งใส หมายถึง วัตถุที่ยอมให้แสงเคลื่อนที่เป็นตรงเส้นผ่านไปได้ เช่น อากาศ  น้ำ เป็นต้น  เราสามารถมองผ่านวัตถุโปร่งใส   เห็นสิ่งต่างๆได้  (ภาพที่  12.1) 
          แสงสามารถผ่านวัตถุโปร่งใสได  เช่น  กระจกฝ้า  กระดาษฝ้า  พลาสติกฝ้า  วัตถุเหล่านี้ จะกระจายแสงออกไปโดยรอบ  ทำให้แสงเคลื่อนที่ไม่เป็นเส้นตรงเมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัตถุโปร่งแสง

 

ภาพที่  12.1  แสดงวัตถุโปร่งใส (วัชรา  ทับอัตตานนท์ : 2543, 15)

สี่เหลี่ยมมุมมน: 2.  สีของแสง

          แสงจากดวงอาทิตย์เป็นแสงขาว  ซึ่งประกอบด้วยแสง  7 สี  ผสมอยู่ด้วยกัน  เราสามารถใช้ปริซึมแยกลำแสงขาวออกเป็นแสงทั้ง  7  สีได้  โดยจะเห็นเป็นแถบของแสงสีทั้งหมดเรียงติดกัน เราเรียกว่า  สเปกตรัม (Spectrum)  ในธรรมชาติสิ่งที่มีสมบัติเป็นปริซึม  ได้แก่  หยดน้ำฝน  ละอองไอน้ำ  โดยภายหลังจากฝนตกเมื่อแสงแดดส่องกระทบหยดน้ำฝนหรือละออง ไอน้ำ  เราจะมองเห็นแสงแดดเป็นแถบสีทั้ง  7  สี  ปรากฏขึ้นบนท้องฟ้า  ที่เรียกว่า   รุ้งกินน้ำ  (ภาพที่  12.2)
          สำหรับในอากาศหรือสูญอากาศ  แสงทั้ง  7  สี  จะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว  3 x  108  เมตรต่อวินาที  เท่ากันทุกสี  แต่หากเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง  เช่น  แก้ว  กระดาษ  พลาสติก  แสงแต่ละสีจะมีอัตราเร็วในการเคลื่อนที่ไม่เท่ากัน  โดยจะมีอัตราเร็วน้อยกว่าการเคลื่อนที่ในสุญญากาศ(สุญญากาศ  คือ  บริเวณที่ว่างเปล่าปราศจากอากาศ) 
          เมื่อแสงเคลื่อนที่จากอากาศไปยังตัวกลาง  หรือจากตัวกลางไปยังอากาศ  หรือเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง  2  ชนิด  จะทำให้อัตราเร็วของแสงและทิศการเคลื่อนที่ของแสงเปลี่ยนไป  เราเรียนว่า แสงเกิดการหักเห  ในตัวกลางที่หนาแน่นนั้น  แสงสีแดงจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าสีม่วง  ทำให้แสงสีแดงเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่น้อยกว่าแสงสีม่วง   ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการกระจายแสงสีขาวออกเป็น  7  สี  นั้นเอง

 

ภาพที่  12.2   การแสดงการกระจายของแสงขาว

(บุญถึง  แน่นหนา : 2544, 60)

          เราอาจใช้แสงเพียง  3  สีรวมกันเป็นแสงขาวได้  เรียกว่า  สีปฐมภูมิ(primarycolours)  ได้แก่  แสงสีน้ำเงิน  แสงสีเขียว  และแสงสีแดง  เมื่อมีปฐมภูมิทั้ง  3  นี้รวมกันจะได้แสงขาว  (ภาพที่  12.3)  ถ้านำแสงสีปฐมภูมิ  2  สี  มารวมกันจะได้  สีทุติยภูมิ(secondary  colours)  ซึ่งแสงของสีที่จะได้จากการผสมสีทุติยภูมิจะมีความแตกต่างกันในระดับความเข้มสีและความสว่างของแสง

 

ภาพที่  12.3  แสดงแสงขางประกอบด้วยแม่สีทั้งสามตามสัดส่วนที่เหมาะสม (บุญถึงแน่นหนา : 2544, 62)

          เรามองเห็นวัตถุโปร่งแสงด้วยตังเองไม่ได้เพราะมีแสงส่องมากระทบและสะท้อนจากวัตถุนั้นเข้าสู่นัยน์ตาของเรา  และสีของวัตถุก็ขึ้นอยู่กับคุณภาพของแสงที่สะท้อนนั้นด้วย  โดยวัตถุสีน้ำเงินจะสะท้อนออกไปมากที่สุด  สะท้อนแสงสีค้างเคียงออกไปบ้างเล็กน้อย และดูดกลืนแสงสีอื่น ๆ ไว้หมด  ส่วนวัตถุสีแดงจะสะท้อนแสงสีแดงออกไปมากที่สุด  มีสีข้างเคียงสะท้อนออกไปเล็กน้อยและดูดกลืนแสงสีอื่น ๆ  ไว้หมดสำหรับสีดำจะดูดกลืนทุกแสงสีและสะท้อนกลับได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

สี่เหลี่ยมมุมมน: การมองเห็นสีแดง

 

ภาพที่  12.4  แสดงการมองเห็นสีแดง (มานี  จันทามล, 2545 : 103)

สี่เหลี่ยมมุมมน: การเคลื่อนที่ของแสง

          แสงที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง  เมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่ต่างกัน จะเกิดการหักเห  แต่จะผ่านเป็นเส้นตรงเมื่อเดินผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นเท่ากันหรือเป็นตัวกลางชนิดเดียวกัน
          เลนส์และปริซึมเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของลำแสงที่ส่องผ่าน  ต่างกันตรงที่ปริซึมสามารถแยกลำแสงที่ส่องผ่านออกเป็นแสงสีต่างๆ ตามองค์ประกอบของแสงนั้น ๆ หรือที่เรียกว่า  สเปกตรัม (spectrum)  (ภาพที่  12.5)

 

ภาพที่12.5  แสดงปริซึมแยกลำแสง  เรียกว่า สเปกตรัม

(บุญถึง  แน่นหนา : 2544,62)

สี่เหลี่ยมมุมมน: 4.  การหักเหของแสง

          แสงเมื่อเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังตัวกลางอีกชนิดหนึ่งที่เป็นตัวกลางโปร่งใสและมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน  ความเร็วในการเดินทางของแสงจะเปลี่ยนไป
          เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ 
          ถ้าแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปหาตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยแสงจะหักเหออกจาเส้นปกติ  ดังนั้นแสงเมื่อเดินทางในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก  ความเร็วของแสงจะลดลง  จึงทำให้ลำแสงเบนไปจากแนวเดิม  เรียกว่า  แสงเกิดการหักเห  (ภาพที่  12.6)

 

 

 

ภาพที่  12.6  แสดงการหักเหแสงในตัวกลางต่างกัน 

(ยุพา  วรยศ, 2547 : 127)

 ภาพที่  12.7   แสกงการหักเหของแสง 

(บุญถึง แน่นหนา, 2544 : 56)

          แสงเมื่อเดินทางตกกระทบผิวหน้าของวัตถุอันหนึ่ง   เช่น  แสงเดินทางจากอากาศมากระทบแก้วโปร่งใส  แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับ  อีกส่วนหนึ่งจะเดินทางผ่านเข้าไปในแก้ว  และแสงจะหักเหเข้าหาเส้นปกติ   เมื่อแสงเดินทางออกจากแก้วมาสู่อากาศ  แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ  ลำแสงก่อนตกกระทบแก้ว  และลำแสงที่ออกจากแก้วจึงมีลักษณะขนานกัน 
          เมื่อจุ่มหลอดดูดลงไปในน้ำที่บรรจุอยู่ในถ้วยแก้วจึงมองดูเหมือนกับว่าหลอดดูดส่วนที่จมอยู่ในน้ำโค้งงอ  มีขนาดใหญ่กว่าส่วนที่อยู่เหนือน้ำ   และปลาย ล่างสุดของหลอดดูดสูงขึ้นมากันแก้วที่เป็นเช่นนี้เพราะแสงจากหลอดดูดเกิดการหักเห ขณะเดินทางผ่านน้ำผ่านแก้ว  และผ่านอากาศมาเข้าตาของเรา  (ภาพที่  12.7  ก)
          การหักเหของแสงทำให้เรามองเห็นภาพของวัตถุอันหนึ่งที่จมอยู่ก้นสระน้ำอยู่ตื้นกว่า ความเป็นจริง  (ภาพที่  12.7  ข)   ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะแสงจากก้นสระว่ายน้ำจะหักเหเมื่อเดินทางจากน้ำสู่อากาศ  ทั้งนี้เพราะความเร็วของแสงที่เดินทางในอากาศเร็วกว่าเดินทางในน้ำ  จึงทำให้้แสงช่วงที่ออกจากน้ำสู่อากาศหักเหออกจากเส้นปกติ  จึงทำให้เห็นภาพของวัตถุอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง (ภาพที่  12.8)

ภาพที่  12.8  แสดงการหักเหของแสงทำให้เราเห็นวัตถุใต้น้ำผิด

ไปจากค่าความจริง (บุญถึง  แน่นหนา : 2544, 56)

สี่เหลี่ยมมุมมน: 5.  การสะท้อนแสง

          แสงที่เดินทางจากตัวกลางที่โปร่งแสงไปสู่ตัวกลางที่โปร่งใส  เช่น  จากแก้วไปสู่อากาศ ถ้ามุมตกกระทบน้อย   กว่า  42  องศา  แสงบางส่วนจะสะท้อนกลับและบางส่วนจะทะลุออกอากาศ แต่ถ้าที่มุมแก้วตกกระทบแก้วกับ  42  องศา  แสงจะสะท้อนกลับคืนสู่แก้วหมดไม่มีแสงออกจากอากาศเลย  ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า  การสะท้อนกลับหมด  นั้นคือ  รอยต่อแก้วกับอากาศทำหน้าที่เสมือนการตกกระทบที่จะทำให้แสงสะท้อนกลับหมด  ซึ่งจะมีค่าแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลาง (ภาพที่  12.9)

ภาพที่  12.9   แสดงการสะท้อนกลับหมด

(บุญถึง  แน่นหนา, 2544 : 56)

          เมื่อแสงตกกระทบวัตถุ แสงบ่างส่วนจะสะท้อนจากวัตถุ  ถ้าแสงสะท้อนจากวัตถุเข้าสู่นัยน์ตาจะเกิดการมองเห็นและรับรู้เกี่ยวกับวัตถุนั้นได้

 ภาพที่  12.10  แสดงการสะท้อนของแสง (มานี  จันทวิมล, 2545 : 103)

          จากรูป    เมื่อแสงตกกระทบวัตถุทึบแสงผิงเรียบสามารถใช้เส้นตรงและหัวลูกศรแสดงทิศทางของรังสีตกกระทบและรังสีสะท้อน  เมื่อลากเส้นทางเดินของแสงเมื่อตกกระทบวัตถุจะเกิดมุม 2  มุม  โดยเรียกมุมอยู่ระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นปกติกว่า”มุมตกกระทบ” และเรียกมุมที่อยู่ระหว่างรังสีสะท้อนกับเส้นปกติว่า”มุมสะท้อน”  (ภาพที่12.10) ซึ่งการสะท้อนแสงบนผิววัตถุอธิบายได้ด้วย 

กฎการสะท้อน  ดังนี้
          1.  รังสีตกกระทบ  เส้นปกติ  และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน
          2.  มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
          เมื่อแสงตกกระทบวัตถุผิวเรียบเกิดการสะท้อนของแสงอย่างเป็นระเบียบ  แต่ถ้าแสงตกกระทบพื้นผิวขรุขระ  แสงสะท้อนจะสะท้อนอย่างกระจัดกระจายดัง  (ภาพที่  12.11)

 

ภาพที่  12..11  แสดงการสะท้อนของแสง  (บุญถึง  แน่นหนา  : 2544, 53)

            มุมวิกฤต  (criticsl  angle)  เป็นมุมตกกระทบค่าหนึ่งทำให้เกิดมุมหักเหมีค่าเป็น  90  องศา  มุมวิกฤตจะเกิดขึ้นได้เมื่อรังสีตกกระทบผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า  เช่น  เมื่อแสงผ่านแก้วสู่อากาศด้วยมุมวิกฤต จะทำให้แนวรังสีหักเหทับอยู่บนรอยต่อของตัวกลางทั้งสอง
            การสะท้อนกลับหมด (total  reflectionเกิดจากการเดินทางของแสงจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า  เมื่อแสงเคลื่อนที่ถึงรอยต่อระหว่างตัวกลางจะเกิดการสะท้อนกลับสู่ตรงกลางเดิม  การสะท้อนกลับหมดจะเกิดขึ้นเมื่อมุมตกกระทบมีค่ามากกว่ามุมวิกฤต  ทำให้ลำแสงไม่หักเหเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า  แต่เกิดการสะท้อนกลับหมดแทน  เช่น  การสะท้อนกลับหมดของแสงในเส้นใยนำแสงในการแสดงดนตรีบนเวที  (ภาพที่  12.12)

 

ภาพที่  12.12   แสดงการสะท้อนกลับมาของแสง
(บุญถึง  แน่นหนา, 2544 : 53)

            มิราจ  (mirage)  หรือภาพลวงตา  เป็นปรากฏการณ์ซึ่งเกิดจากการหักเหของแสงเนื่องจากชั้นของอากาศที่แสงเดิมทางผ่านมีอุณหภูมิต่างกัน  แล้วเกิดการสะท้อนกลับหมด  เช่น 
            -   การมองเห็นต้นไม้กลับหัว
            -   การมองเห็นเหมือนมีน้ำหรือน้ำมันนองพื้นถนน  ในวันที่มีอากาศร้อนจัด  (ภาพที่ 12.13) 
            -   การมองเห็นภาพบิดเบี้ยว  เนื่องจากไอของความร้อนขยายตัวลอยสูงขึ้นจากผิวถนน

 

ภาพที่  12.13  แสดงการเกิดภาพลวงตา

(บุญถึง  แน่นหนา, 2544 : 57)

    

 

 
การหักเหของแสง (Refraction)
      การหักเหของแสง (Refraction) เกิดจากการที่แสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน เป็นผลทำให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งในขณะที่แสงเกิดการหักเหก็จะเกิดการสะท้อนของแสงขึ้นพร้อมๆ กันด้วย ดังรูป

รูปที่ 6 แสดงรังสีตกกระทบ รังสีหักเห และรังสีสะท้อนของแสง เมื่อแสงเดินทางจากอากาศไปยังน้ำ

      จากรูป เมื่อแสงเดินทางผ่านอากาศ(ตัวกลางที่1) มีค่าดัชนีหักเห n1 ไปยังน้ำ (ตัวกลางที่2) มีค่าดัชนีหักเห n2 จะเห็นได้ว่ารังสีของแสงที่เข้าไปในตัวกลางที่ 2 มีแนวทางเปลี่ยนไปจากแนวรังสีตกกระทบเดิม แสงจะเกิดการหักเห โดยถ้าให้ คือมุมที่รังสีตกกระทบทำกับเส้นปกติ และ คือมุมที่รังสีหักเหทำกับเส้นปกติ เรียกว่ามุมหักเห (angle of refraction) จากกฎของสเนลล์จะได้ความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบ ( ) และมุมหักเห ( ) และค่าดัชนีหักเหในตัวกลางทั้งสอง และ ดังนี้
=  
(5)
     โดย แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหมากไปยังตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อย (จากตัวกลางที่ทึบกว่าไปยังตัวกลางที่โปร่งกว่า) จะทำให้มุมหักเหมีค่ามาก ( ?1<?2) หรืออาจกล่าวได้ว่าแสงหักเหจะเบนออกจากเส้นปกติ
 
 
 
 
 

การหักเหของแสง

การหักเหของแสง หมายถึง การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง เมื่อแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางชนิดหนึ่งไปยังอีกตัวกลางชนิดหนึ่งที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน สาเหตุที่ทำให้แสงหักเหเนื่องจากอัตราเร็วของแสงในตัวกลางทั้งสองไม่เท่ากัน การหักเหของแสงเกิดขึ้นตรงผิวรอยต่อของตัวกลาง ลักษณะการหักเหของแสง เมื่อแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า แสงจะหักเหเข้าหาเส้นปกติ ในทางตรงกันข้ามถ้าแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติดังรูปต่อไปนี้

รูปแสดงการหักเหของแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน

ดรรชนีหักเหของตัวกลาง
แสงเคลื่อนที่ในตัวกลางต่างชนิดกันจะมีอัตราเร็วต่างๆ กัน เช่น อัตราเร็วของการเคลื่อนที่ของแสงในอากาศเท่ากับ 300,000,000 เมตรต่อวินาที หรือการเคลื่อนที่ของแสงในแก้วหรือพลาสติกจะมีอัตราเร็วเท่ากับ 200,000,000 เมตรต่อวินาที การเปลี่ยนอัตราเร็วของแสงผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน ทำให้เกิดการหักเห ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างอัตราเร็วของแสงในตัวกลางที่แสงตกกระทบกับอัตราเร็วของแสงในตัวกลางที่แสงหักเห หรืออัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบกับไซน์ของมุมหักเหจะมีค่าคงที่ และค่าคงที่นี้เรียกว่า "ดรรชนีหักเหของวัตถุ" ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของสเนลล์ สัญลักษณ์ที่นิยมใช้คือ n เขียนแสดงความสัมพันธ์ได้ดังนี้

โดยทั่วไปนิยมกำหนดค่าดรรชนีหักเหของวัตถุหรือตัวกลางต่างๆ เทียบกับสุญญากาศ นั่นคืออัตราส่วนระหว่างอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศกับอัตราเร็วของแสงในตัวกลางนั้น จะได้

กำหนดให้

c เป็นอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ
v เป็นอัตราเร็วของแสงในตัวกลางใดๆ

เมื่อประมาณค่าให้อัตราเร็วของแสงในอากาศเท่ากับอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ ในการหาค่าดรรชนีหักเหของวัตถุหรือตัวกลางที่แสงเดินทางจากอากาศผ่านเข้าไปในวัตถุหรือตัวกลางจึงถือเป็นค่าเดียวกับที่แสงเดินทางจากสุญญากาศผ่านเข้าไปในวัตถุหรือตัวกลาง ดังตารางต่อไปนี้

ตารางแสดงค่าดรรชนีหักเหของตัวกลางและอัตราเร็วของแสงในตัวกลางต่างๆ

หมายเหตุ เมื่อแสงขาวผ่านปริซึม พบว่าแสงที่หักเหออกมาจากปริซึมจะไม่เป็นแสงขาว แต่จะแยกออกเป็นสีต่างๆ กัน และแสงแต่ละสีที่หักเหออกมาจะทำมุมหักเหต่างๆกัน การที่แสงแยกออกในลักษณะนี้เรียกว่า "การกระจายแสง" แถบสีที่เกิดจากการกระจายแสงของดวงอาทิตย์เรียกว่า "สเปกตรัมของแสงขาว" เมื่อแถบสเปกตรัมนี้ผ่านปริซึมอีกอันที่วางกลับหัวกับปริซึมอันแรก แสงสีต่างๆ ที่กระจายออกมาจากปริซึมอันแรกจะรวมกันเป็นสีขาวเหมือนเดิม
ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการกระจายของแสงที่มักเห็นกันบ่อยๆ คือ รุ้ง ซึ่งเกิดจากแสงขาวจากดวงอาทิตย์ส่องผ่านละอองน้ำหรือหยดน้ำซึ่งมีมากก่อนหรือหลังฝนตก โดยหยดน้ำทำให้แสงเกิดการกระจายและสะท้อนกลับหมด ทำให้ได้แถบสีหรือสเปกตรัมของแสงขาว รุ้งอาจเกิดขึ้นได้ในบริเวณอื่นที่มีละอองน้ำ เช่น น้ำพุ น้ำตก เป็นต้น

 
 

การเกิดภาพจากกระจกเงาและเลนส์

การเกิดภาพจากกระจกเงา

กระจกเงาราบ
กระจกเงาราบ คือ กระจกแบนราบ ซึ่งมีด้านหนึ่งสะท้อนแสง ดังนั้นภาพที่เกิดขึ้นจึงเป็นภาพเสมือน อยู่หลังกระจก มีระยะภาพเท่ากับระยะวัตถุ และขนาดภาพเท่ากับขนาดวัตถุ ภาพที่ได้จะกลับด้านกันจากขวาเป็นซ้ายของวัตถุจริง

รูปแสดงการเกิดภาพจากกระจกเงาราบ

การหาจำนวนภาพที่เกิดจากกระจกเงาราบ 2 บาน วางทำมุมกัน หาได้จากสูตร

กำหนดให้

n = จำนวนภาพที่มองเห็น
u = มุมที่กระจกเงาราบ 2 บานวางทำมุมต่อกัน

ถ้าผลลัพธ์ n ที่ได้ไม่ลงตัว ให้ปัดเศษขึ้นเป็นหนึ่งได้

ตัวอย่างที่ 1 กระจกเงาราบ 2 บาน วางนำมุม 60 องศาต่อกัน จงหาจำนวนภาพที่เกิดขึ้น
วิธีคิด จากสูตร

= 5.5
= 6 ภาพ
จำนวนภาพที่เกิดจากกระจกเงาราบ 2 บานวางทำมุมต่อกันเท่ากับ 6 ภาพ ตอบ

กระจกเงาผิวโค้งทรงกลม
กระจกเงาผิวโค้งทรงกลม มีอยู่ 2 ชนิด คือ กระจกเว้าและกระจกนูน
1. กระจกเว้า คือ กระจกที่ใช้ผิวโค้งเว้าเป็นผิวสะท้อนแสง หรือกระจกเงาที่รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนอยู่ด้านเดียวกับจุดศูนย์กลางความโค้ง ดังรูป


รูปแสดงรังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนของกระจกเว้า

2. กระจกนูน คือ กระจกที่ใช้ผิวโค้งนูนเป็นผิวสะท้อนแสง และรังสีสะท้อนอยู่คนละด้านกับจุดศูนย์กลางความโค้ง ดังรูป

รูปแสดงรังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนของกระจกนูน

ภาพที่เกิดจากการวางวัตถุไว้หน้ากระจกโค้งนั้นตามปกติมีทั้งภาพจริงและภาพเสมือน โดยภาพจริงจะอยู่หน้ากระจก และภาพเสมือนจะอยู่หลังกระจก โดยกระจกเว้าจะให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน สำหรับขนาดของภาพมีทั้งขนาดใหญ่กว่าวัตถุ ขนาดเท่าวัตถุ และขนาดเล็กกว่าวัตถุ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะวัตถุ ส่วนกระจกนูนจะให้ภาพเสมือนที่มีขนาดเล็กกว่าวัตถุทั้งสิ้น

หมายเหตุ
ภาพ (image) เกิดจากการตัดกันหรือเสมือนตัดกันของรังสีของแสงที่สะท้อนมาจากกระจกหรือหักเหผ่านเลนส์ แบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ
1. ภาพจริง เกิดจากรังสีของแสงตัดกันจริง เกิดด้านหน้ากระจกหรือด้านหลังเลนส์ ต้องมีฉากมารับจึงจะมองเห็นภาพ ลักษณะภาพหัวกลับกับวัตถุ มีทั้งขนาดใหญ่กว่าวัตถุ เท่ากับวัตถุ และเล็กกว่าวัตถุ ซึ่งขนาดภาพจะสัมพันธ์กับระยะวัตถุ เช่น ภาพที่ปรากฏบนจอภาพยนตร์ เป็นต้น
2. ภาพเสมือน เกิดจากรังสีของแสงเสมือนตัดกัน ทำให้เกิดภาพด้านหลังกระจกหรือด้านหน้าเลนส์ มองเห็นภาพได้โดยไม่ต้องใช้ฉากรับภาพ ภาพมีลักษณะหัวตั้งเหมือนวัตถุ เช่น ภาพเกิดจากแว่นขยาย เป็นต้น

ตารางแสดงตัวอย่างประโยชน์ของกระจกเว้าและกระจกนูน

กระจกเว้า
กระจกนูน
1. ทันตแพทย์ใช้ส่องดูฟันผู้ป่วย เพื่อให้เห็นภาพของฟันมีขนาดใหญ่กว่าปกติ
2. ใช้ในกล้องจุลทรรศน์เพื่อช่วยรวมแสงให้ตกที่แผ่นสไลด์ เพื่อทำให้เราเห็นภาพชัดขึ้น
1. ใช้ติดรถยนต์หรือรถจักรยานยนต์เพื่อดูรถที่ตามมาข้างหลัง และจะมองเห็นมุมที่กว้างกว่ากระจกเงาราบ
2. ใช้ติดตั้งบริเวณทางเลี้ยวเพื่อช่วยให้เห็นรถที่วิ่งสวนทางหรืออ้อมมาก็ได้

เลนส์
เลนส์ (lens) คือ วัตถุโปร่งใสที่มีผิวหน้าโค้งทำจากแก้วหรือพลาสติก เลนส์แบ่งออกเป็น 2 ชนิด ได้แก่ เลนส์นูนและเลนส์เว้า

เลนส์นูน
เลนส์นูน (convex lens) คือ เลนส์ที่มีลักษณะหนาตรงกลางและบางที่ขอบ ดังรูป

รูปแสดงลักษณะเลนส์นูน

รูปแสดงส่วนสำคัญและรังสีบางรังสีของเลนส์

เลนส์นูนทำหน้าที่รวมแสงขนานไปตัดกันที่จุดๆ หนึ่ง ซึ่งแนวหรือทิศทางของแสงที่เข้ามายังเลนส์สามารถเขียนแทนด้วยรังสีของแสง ถ้าแสงมาจากระยะไกลมากเรียกระยะนี้ว่า " ระยะอนันต์"เช่น แสงจากดวงอาทิตย์หรือดวงดาวต่างๆ แสงจะส่องมาเป็นรังสีขนาน เมื่อรังสีของแสงผ่านเลนส์จะมีการหักเหและไปรวมกันที่จุดๆ หนึ่งเรียกว่า "จุดโฟกัส (F)" ระยะจากจุดโฟกัสถึงกึ่งกลางเลนส์ เรียกว่า "ความยาวโฟกัส (f)" และเส้นตรงที่ลากผ่านจุดศูนย์กลางความโค้งของผิวทั้งสองของเลนส์เรียกว่า " แกนมุขสำคัญ (principal axis)"

ภาพที่เกิดจากเลนส์นูน
ภาพจากเลนส์นูนเป็นภาพที่เกิดจากรังสีหักเหไปพบกันที่จุดๆ หนึ่ง ซึ่งมีทั้งภาพจริงและภาพเสมือนขึ้นอยู่กับตำแหน่งวัตถุที่วางหน้าเลนส์ ดังรูป

รูปแสดงตัวอย่างภาพจริงและภาพเสมือนที่เกิดจากเลนส์นูน

(ก) การเกิดภาพเมื่อวัตถุอยู่ห่างเลนส์นูนระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส

(ข) การเกิดภาพเมื่อวัตถุอยู่ห่างจากเลนส์นูนที่ระยะใกล้กว่าความยาวโฟกัส

รูปแสดงตัวอย่างการเกิดภาพที่ตำแหน่งต่างๆ ของเลนส์นูน

 

เลนส์เว้า
เลนส์เว้า (concave lens) คือ เลนส์ที่มีลักษณะบางตรงกลางและหนาที่ขอบ ดังรูป

รูปแสดงลักษณะเลนส์เว้า

ภาพที่เกิดจากเลนส์เว้า
เมื่อแสงส่องผ่านเลนส์เว้ารังสีหักเหของแสงจะกระจายออก ดังรูป

รูปแสดงภาพที่เกิดจากเลนส์เว้าเมื่อวางวัตถุที่ระยะต่างๆ

การหาชนิดและตำแหน่งของภาพจากวิธีการคำนวณ
การหาตำแหน่งภาพที่ผ่านมาใช้วิธีเขียนแผนภาพของรังสี ยังมีอีกวิธีที่ใช้หาตำแหน่งภาพคือ วิธีคำนวณ ซึ่งสูตรที่ใช้ในการคำนวณมีดังต่อไปนี้

สูตร =

เมื่อ m คือ กำลังขยายของเลนส์
I คือ ขนาดหรือความสูงของภาพ
O คือ ขนาดหรือความสูงของวัตถุ

ในการคำนวณหาตำแหน่งและชนิดของภาพจะต้องมีการกำหนดเครื่องหมาย 1 และ 2 สำหรับปริมาณต่างๆ ในสมการดังนี้
1. s มีเครื่องหมาย + ถ้าวัตถุอยู่หน้าเลนส์ และ s มีเครื่องหมาย - ถ้าวัตถุอยู่หลังเลนส์
2. s' มีเครื่องหมาย + ถ้าวัตถุอยู่หลังเลนส์ และ s' มีเครื่องหมาย - ถ้าวัตถุอยู่หน้าเลนส์
3. f ของเลนส์นูนมีเครื่องหมาย + และ f ของเลนส์เว้ามีเครื่องหมาย -

ตัวอย่างที่ 2 วางวัตถุห่างจากเลนส์นูนเป็นระยะ 12 เซนติเมตร ถ้าเลนส์นูนมีความยาวโฟกัส 5 เซนติเมตร จะเกิดภาพชนิดใด และที่ตำแหน่งใด

ตัวอย่างที่ 3 วางวัตถุห่างจากเลนส์นูนเป็นระยะ 25 เซนติเมตร ปรากฏว่าเกิดภาพเสมือนห่างจากเลนส์ 15 เซนติเมตร เลนส์นี้เป็นเลนส์ชนิดใดและมีความยาวโฟกัสเท่าไร
วิธีทำ จากสูตร

ค่า f เป็นลบ มีค่า 37.5 เซนติเมตร เป็นเลนส์เว้า ตอบ

ตัวอย่างที่ 4 วางวัตถุห่างจากเลนส์เว้าเป็นระยะทาง 20 เซนติเมตร เกิดภาพหน้าเลนส์และอยู่ห่างจากเลนส์ 8 เซนติเมตร จงหาความยาวโฟกัสของเลนส์เว้าและกำลังขยายของเลนส์

ความยาวโฟกัสของเลนส์เว้าเท่ากับ 13.3 เซนติเมตร ตอบ
หากำลังขยายใช้สูตร


แทนค่า


= -0.4
ภาพที่เกิดเป็นภาพเสมือน มีกำลังขยายเท่ากับ 0.4 เท่าของวัตถุ ตอบ

 
 
 การเกิดภาพจากกระจกเงาและเลนส์

การเกิดภาพจากกระจกเงา

กระจกเงาราบ คือ กระจกแบนราบ ซึ่งมีด้านหนึ่งสะท้อนแสง ดังนั้นภาพที่เกิดขึ้นจึงเป็นภาพเสมือน อยู่หลังกระจก มีระยะภาพเท่ากับระยะวัตถุ และขนาดภาพเท่ากับขนาดวัตถุ ภาพที่ได้จะกลับด้านกันจากขวาเป็นซ้ายของวัตถุจริง

รูปแสดงการเกิดภาพจากกระจกเงาราบ

กระจกเงาผิวโค้งทรงกลม กระจกเงาผิวโค้งทรงกลม มีอยู่ 2 ชนิด คือ กระจกเว้าและกระจกนูน
1. กระจกเว้า คือ กระจกที่ใช้ผิวโค้งเว้าเป็นผิวสะท้อนแสง หรือกระจกเงาที่รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนอยู่ด้านเดียวกับจุดศูนย์กลางความโค้ง ดังรูป

รูปแสดงรังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนของกระจกเว้า

2. กระจกนูน คือ กระจกที่ใช้ผิวโค้งนูนเป็นผิวสะท้อนแสง และรังสีสะท้อนอยู่คนละด้านกับจุดศูนย์กลางความโค้ง ดังรูป

รูปแสดงรังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนของกระจกนูน

ภาพที่เกิดจากการวางวัตถุไว้หน้ากระจกโค้งนั้นตามปกติมีทั้งภาพจริงและภาพเสมือน โดยภาพจริงจะอยู่หน้ากระจก และภาพเสมือนจะอยู่หลังกระจก โดยกระจกเว้าจะให้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน สำหรับขนาดของภาพมีทั้งขนาดใหญ่กว่าวัตถุ ขนาดเท่าวัตถุ และขนาดเล็กกว่าวัตถุ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะวัตถุ ส่วนกระจกนูนจะให้ภาพเสมือนที่มีขนาดเล็กกว่าวัตถุทั้งสิ้น

หมายเหตุ ภาพ เกิดจากการตัดกันหรือเสมือนตัดกันของรังสีของแสงที่สะท้อนมาจากกระจกหรือหักเหผ่านเลนส์ แบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ
1. ภาพจริง เกิดจากรังสีของแสงตัดกันจริง เกิดด้านหน้ากระจกหรือด้านหลังเลนส์ ต้องมีฉากมารับจึงจะมองเห็นภาพ ลักษณะภาพหัวกลับกับวัตถุ มีทั้งขนาดใหญ่กว่าวัตถุ เท่ากับวัตถุ และเล็กกว่าวัตถุ ซึ่งขนาดภาพจะสัมพันธ์กับระยะวัตถุ เช่น ภาพที่ปรากฏบนจอภาพยนตร์ เป็นต้น
2. ภาพเสมือน เกิดจากรังสีของแสงเสมือนตัดกัน ทำให้เกิดภาพด้านหลังกระจกหรือด้านหน้าเลนส์ มองเห็นภาพได้โดยไม่ต้องใช้ฉากรับภาพ ภาพมีลักษณะหัวตั้งเหมือนวัตถุ เช่น ภาพเกิดจากแว่นขยาย เป็นต้น

ตารางแสดงตัวอย่างประโยชน์ของกระจกเว้าและกระจกนูน

กระจกเว้า กระจกนูน
1. ทันตแพทย์ใช้ส่องดูฟันผู้ป่วย เพื่อให้เห็นภาพของฟันมีขนาดใหญ่กว่าปกติ
2. ใช้ในกล้องจุลทรรศน์เพื่อช่วยรวมแสงให้ตกที่แผ่นสไลด์ เพื่อทำให้เราเห็นภาพชัดขึ้น
1. ใช้ติดรถยนต์หรือรถจักรยานยนต์เพื่อดูรถที่ตามมาข้างหลัง และจะมองเห็นมุมที่กว้างกว่ากระจกเงาราบ
2. ใช้ติดตั้งบริเวณทางเลี้ยวเพื่อช่วยให้เห็นรถที่วิ่งสวนทางหรืออ้อมมาก็ได้

เลนส์

เลนส์ คือ วัตถุโปร่งใสที่มีผิวหน้าโค้งทำจากแก้วหรือพลาสติก เลนส์แบ่งออกเป็น 2 ชนิด ได้แก่ เลนส์นูนและเลนส์เว้า

เลนส์นูน คือ เลนส์ที่มีลักษณะหนาตรงกลางและบางที่ขอบ ดังรูป

รูปแสดงลักษณะเลนส์นูน

รูปแสดงส่วนสำคัญและรังสีบางรังสีของเลนส์

เลนส์นูนทำหน้าที่รวมแสงขนานไปตัดกันที่จุดๆ หนึ่ง ซึ่งแนวหรือทิศทางของแสงที่เข้ามายังเลนส์สามารถเขียนแทนด้วยรังสีของแสง ถ้าแสงมาจากระยะไกลมากเรียกระยะนี้ว่า ” ระยะอนันต์”เช่น แสงจากดวงอาทิตย์หรือดวงดาวต่างๆ แสงจะส่องมาเป็นรังสีขนาน

เมื่อรังสีของแสงผ่านเลนส์จะมีการหักเหและไปรวมกันที่จุดๆ หนึ่งเรียกว่า “จุดโฟกัส (F)” ระยะจากจุดโฟกัสถึงกึ่งกลางเลนส์ เรียกว่า “ความยาวโฟกัส (f)” และเส้นตรงที่ลากผ่านจุดศูนย์กลางความโค้งของผิวทั้งสองของเลนส์เรียกว่า “ แกนมุขสำคัญ

ภาพที่เกิดจากเลนส์นูน ภาพจากเลนส์นูนเป็นภาพที่เกิดจากรังสีหักเหไปพบกันที่จุดๆ หนึ่ง ซึ่งมีทั้งภาพจริงและภาพเสมือนขึ้นอยู่กับตำแหน่งวัตถุที่วางหน้าเลนส์ ดังรูป

(ก) การเกิดภาพเมื่อวัตถุอยู่ห่างเลนส์นูนระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส

(ข) การเกิดภาพเมื่อวัตถุอยู่ห่างจากเลนส์นูนที่ระยะใกล้กว่าความยาวโฟกัส

รูปแสดงตัวอย่างการเกิดภาพที่ตำแหน่งต่างๆ ของเลนส์นูน

เลนส์เว้า
เลนส์เว้า (concave lens) คือ เลนส์ที่มีลักษณะบางตรงกลางและหนาที่ขอบ ดังรูป

รูปแสดงลักษณะเลนส์เว้า

ภาพที่เกิดจากเลนส์เว้า
เมื่อแสงส่องผ่านเลนส์เว้ารังสีหักเหของแสงจะกระจายออก

 
 
 

เลเซอร์ และเส้นใยนำแสง

 

แสงเลเซอร์  (LASER)

                แสงปกติไม่ว่าเกิดจากไฟฟ้า เปลวเพลิง หรือแสงจากดวงอาทิตย์ จะประกอบด้วยสีต่างๆ หลายสีที่แผ่ออกจากแหล่งกำเนิดแสงไปในทุกทิศทาง

                กำเนิดแสงเลเซอร์

                แสงเลเซอร์ ประกอบด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นเพียงขนาดเดียว จึงมีสีบริสุทธิ์เพียงสีเดียว และเดินทางออกจากแหล่งกำเนิดแสงในลักษณะที่ได้รับการจัดระเบียบให้พร้อมกันเป็นลำแสงแคบๆ รูปแบบของแสงเช่นนี้เรียกว่า อาพันธ์

นักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบแสงเลเซอร์เป็นคนแรกเป็นชาวอเมริกันชื่อ ที.เอช. มายแมน เมื่อ พ.. 2503 ลำแสงเลเซอร์มีสมบัติต่างจากแสงอื่นอยู่ 3 ประการคือ

1.       แสงเลเซอร์มีพลังงานมหาศาลจึงใช้ตัดวัตถุที่มีความแข็งมากๆได้ และสามารถควบคุมพลังงานให้มีมากน้อยตามต้องการ

2.       ลำแสงมีขนาดเล็ก วิ่งเป็นเส้นตรง ไม่กระจายเป็นมุมกว้างเหมือนแสงชนิดอื่น

3.       แสงสีเขียว มีความยาวคลื่นขนาดเดียว ซึ่งแสงชนิดอื่นมีหลายสี มีความยาวคลื่นหลายขนาดผสมกันอยู่

แสงเลเซอร์ที่มายแมนประดิษฐ์ขึ้นในครั้งแรกนั้นใช้แท่งทับทิมเป็นต้นกำเนิดแสงจึงเรียกว่า เลเซอร์ทับทิม ปัจจุบันมีการผลิตแสงเลเซอร์ออกมามากมายขึ้นอยู่กับสิ่งที่ใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง มีตั้งแต่เป็นของแข็ง เช่น ทับทิม ของเหลว เช่น คลอโรอะลูมินัม ส่วนแก๊ส เช่น ฮีเลียม นีออน คาร์บอนไดออกไซด์เป็นต้น

ประโยชนของแสงเลเซอร์

1.       ด้านอุตสาหกรรม ใช้ในการเชื่อมโลหะเข้าด้วยกัน ความร้อนจากเลเซอร์ช่วยละลายโลหะให้ผสมกัน เจาะโลหะ เจาะเพชร เชื่อมวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ตัดแผ่นโลหะ

2.       ด้านการถ่ายภาพ ใช้ในการถ่ายภาพ 3 มิติ  และเป็นแหล่งกำเนิดรังสีอัลตราไวโอเลต

3.       ด้านการแพทย์  ผ่าตัดสมอง เย็บผิวหนัง เชื่อมหลอดเลือด จี้ใฝหรือปาน การใช้เลเซอร์ผ่าตัด ทำให้เซลล์ที่อยู่รอบๆบริเวณผ่าตัดไม่กระทบกระเทือนมาก คืนสภาพเดิมได้อย่างรวดเร็ว ไม่ต้องเสียเวลาฟื้นฟูอยู่ในโรงพยาบาล

4.       ด้านการสื่อสารและบันเทิง มีการใช้เลเซอร์เป็นตัวนำสำหรับการสื่อสารทางโทรศัพท์ใยแสง และโทรทัศน์เลเซอร์ ทำให้ได้ภาพโทรทัศน์ที่ใหญ่บนผนัง การทำงานของเครื่องเล่นแผ่นซีดีโดยใช้เลเซอร์ การแสดงแสงเลเซอร์ในงานแสดงดนตรีต่างๆ

 

 

 

 

 

 

ตารางแสดงตัวอย่างเครื่องเลเซอร์ชนิดอื่นๆ

สารต้นกำเนิด

ความยาวคลื่น (nm)

การนำมาใช้ประโยชน์

คาร์บอนไดออกไซด์

เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ

ทับทิม

ฮีเลียม-นีออน

อาร์กอน

ไนโตรเจน

9,400.0

838-839

694.0

632.8

457.9

334.0

เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนทางการแพทย์ ใช้เชื่อมโลหะ การเจาะโลหะ

เป็นตัวนำสำหรับการสื่อสารทางโทรศัพท์ใยแสง

ใช้เจาะเพชร  วัดระยะอาวุธ

แหล่งกำเนิดแสงเพื่อถ่ายภาพ  มิติ

แหล่งกำเนิดแสงเพื่อถ่ายภาพ  มิติ

แหล่งกำเนิดรังสีอัลตราไวโอเลต

 

ความแตกต่างของเลเซอร์กับแสงทั่วๆไป

                แสงเลเซอร์แตกต่างจากแสงทั่วๆไป คือ เลเซอร์มีลำแสงขนาดเล็ก มีความเข้มสูงและมีความยาวคลื่นเพียงค่าเดียว ลำแสงเลเซอร์อาจจะมีสีหรือไม่มีสีก็ได้ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเลเซอร์นั้นๆ

เลเซอร์และใยแก้วนำแสง

แสงเลเซอร์

            แสงปกติไม่ว่าเกิดจากไฟฟ้า เปลวเพลิง หรือแสงจากดวงอาทิตย์ จะประกอบด้วยสีต่าง ๆ หลายสี  ที่แผ่ออกจากแหล่งกำเนิดแสงไปในทุกทิศทาง

 

          กำเนิดแสงเลเซอร์

            แสงเลเซอร์  ประกอบด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นเพียงขนาดเดียว จึงมีสีบริสุทธิ์เพียงสีเดียว  และเดินทางออกจากแหล่งกำเนิดแสงในลักษระที่ได้รับการจัดระเบียบให้พร้อมกันเป็นลำแสงแคบ ๆ  รูปแบบของแสงเช่นนี้เรียกว่า อาพันธ์ (coherent)

            นักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบแสงเลเซอร์เป็นคนแรกเป็นชาวอเมริกันชื่อ ที.เอช.มายแมน

(T.H  Maiman)  เมื่อ พ.. 2503  ลำแสงเลเซอร์มีสมบัติแตกต่างจากแสงอื่นอยู่  ประการ คือ

1.       แสงเลเซอร์มีพลังงานมาหาศาล จึงใช้ตัดวัตถุที่มีความแข็งมาก ๆ ได้และสามารถควบคุมพลังงานให้มีมากน้อยตามต้องการ

2.       ลำแสงมีขนาดเล็ก วิ่งเป็นเส้นตรง ไม่กระจายเป็นมุมกว้างเหมือนแสงชนิดอื่น

3.       เป็นแสงสีเดียว มีความยาวคลื่นขนาดเดียว ซึ่งแสงชนิดอื่นมีหลายสี มีความยาวคลื่นหลายขนาดผสมกันอยู่

แสงเลเซอร์ที่มายแมนประดิษฐ์ขึ้นในครั้งแรกนั้นใช้แท่งทับทิมเป็นต้นกำเนิดแสงจึงเรียกว่า  เลเซอร์ทับทิม ปัจจุบันมีการผลิตแสงเลเซอร์ออกมามากมายขึ้นอยู่กับสิ่งที่ใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง  มีตั้งแต่เป็นของแข็ง  เช่น ทับทิม  ของเหลว เช่น คลอโรอะลูมินัม ส่วนแก๊ส เช่น ฮีเลียม นีออน คาร์บอนไดออกไซด์  เป็นต้น

การทำงานของเส้นใยนำแสง
                เส้นใยนำแสงโดยทั่วไปทำด้วยแก้วที่มีความยืดหยุ่น ซึ่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเล็กมากประมาณ 0.01 – 0.1 มิลลิเมตร ตัวแก้วของเส้นใยถูกล้อมรอบด้วยสารที่มีดัชนีหักเหน้อยกว่า เพื่อให้รังสีแสงภายในแก้วเกิดการสะท้อนกลับหมด เส้นใยนำแสงจำนวนนับพันเส้นจะถูกนำมามัดรวมกัน (Light pipe) เนื่องจากเส้นใยแก้วนำแสงมีขนาดเล็กมาก จึงสามารถดัดให้โค้งงอเป็นวงโดยไม่แตกหัก การนำเส้นใยนำแสงมาใช้งานอาศัยหลักการสะท้อนกลับหมดของแสง
             เมื่อให้แสงผ่านเข้าปลายด้านหนึ่งของเส้นใยนำแสง แสงจะผ่านไปตามเส้นใยนำแสง    จนกระทั่งถึงบริเวณที่มีความโค้ง แสงจะสะท้อนอยู่ภายในเส้นใยนำแสง จนกระทั้งแสงพุ่งออกที่ปลายอีกข้างหนึ่ง รังสีของแสงสามารถเดินทางภายในแก้วไปได้ไกลๆ เส้นใยแก้วนำแสงสามารถทำให้ยาวได้ถึง 200 กิโลเมตร

 

ประโยชน์ของแสงเลเซอร์

1.  ทางด้านการสื่อสาร

ปัจจุบันนี้ได้มีการนำเส้นใยแก้วนำแสงมาใช้ในการสื่อสาร โดยการส่งสัญญาณด้วยแสงไปในเส้นใยนำแสงแทนการส่งสัญญาณด้วยไฟฟ้าในโลหะตัวนำ ดังนั้นเส้นใยนำแสงจึงถูกนำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆของการสื่อสารดังนี้

ก.       ด้านโทรศัพท์ มีการนำเส้นใยแก้วนำแสงมาใช้แทนเคเบิลทองแดงในระบบโทรศัพท์การพูดคุยทางโทรศัพท์จะถูกส่งไปตามเส้นใยแก้วนำแสง ทำให้ผู้คนมากสามารถพูดคุยโทรศัพท์ผ่านทางเส้นใยแก้วนำแสงเส้นเดียวกันในเวลาเดียวกันได้

ข.       ด้านคอมพิวเตอร์ เส้นใยนำแสงสามารถนำมาใช้ในการส่งข้อมูลจากคอมพิวเตอร์หนึ่งไปยังคอมพิวเตอร์เครื่องอื่นๆได้

ค.       ด้านโทรทัศน์ เส้นใยแสงสามารถส่งสัญญาณโทรทัศน์มากกวา 10 ช่อง

             2. ทางด้านการแพทย์

            ปัจจุบันมีการนำแสงเลเซอร์มาใช้ประโยชน์ในหลายด้าน  ตัวอย่างเช่น

            ลำแสงเลเซอร์ถูกนำมาใช้ในด้านการแพทย์เกี่ยวกับการผ่าตัดที่ต้องการความละเอียดอ่อนมาก เลเซอร์ทำให้ผู้ป่วยเจ็บปวดน้อยลง ร่างกายฟื้นฟูเร็ว และปลอดภัยยิ่งขึ้น เพราะจะมีเลือดไหลออกมาน้อยมาก นอกจากนี้มนุษย์ยังนำลำแสงเลเซอร์มาใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ อีก

 

 

เส้นใยนำแสง (Optical  fibers)

 

            จากการทดลองของนักวิทยาศาสตร์  โดยการปล่อยน้ำให้ไหลออกจากภาชนะที่ทำด้วยแก้วผ่านรูเล็ก ๆ และมีไฟส่องตรงไปที่ถ้วยแก้วปรากฏว่าสายน้ำที่ไหลออกตามรู้เล็ก ๆ นั้นมีแสงไฟอยู่ในสายน้ำนั้นด้วย  จากปรากฏการณ์นี้นักวิทยาศาสตร์นำความรู้ที่ได้ไปประดิษฐ์ใยแก้วนำแสง

            ใยแก้วนำแสงทำได้โดยการนำแก้วมารีดให้เป็นเส้นเล็กมากขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.01 – 0.1  มิลลิเมตร  แล้วแต่การผลิตใช้สำหรับงานประเภทใด

            ใยแก้วนำแสงที่ผลิตขึ้นในครั้งแรกไม่มีสิ่งห่อหุ้ม ดังนั้นเมื่อปล่อยแสงผ่านเข้าไป ถ้าใยแก้วมีรอยร้าวแสงจะหลุดออกมาได้

            ปัจจุบันใยแก้วแต่ละเส้นจะมีส่วนที่เป็นใยแก้วคุณภาพดีจะให้แสงผ่านเข้าไป เรียกว่า  แกนใยแก้ว ซึ่งถูกหุ้มด้วยแก้ว แต่เป็นแก้วคนละชนิดกับแกนใยแก้ว ชั้นนอกสุดหุ้มด้วยพลาสติก แสงจะเดินในใยแก้วที่เป็นแกนโดยไม่ทะลุไปสู่ใยแก้วเส้นอื่นเมื่อนำมามัดรวมกันหลาย ๆ เส้นหรือเมื่อมีรอยร้าวบนใยแก้วนั้น

            ใยแก้วสามารถดูดกลืนแสงได้  แม้แสงจะไม่ทะลุออกด้านข้างแต่พลังงานแสงจะลดความเข้มลงตลอด ดังนั้น แสงธรรมดาจึงเดินทางได้ไม่ไกลนัก

            สัญญาณที่ส่งไปในใยแก้วนำแสงเป็นสัญญาณในระบบดิจิทัล คือ ระบบที่แทนด้วยเลขโดยฐานสองเป็นชุด ๆ ประกอบด้วยเลข  และเลข  ซึ่งสายทองแดงดั้งเดิมส่งสัญญาณในรูปของกระแสไฟฟ้าที่มีการสุญเสียพลังงานไปอย่างมากในสายทองแดง

 

                ประโยชน์ของใยแก้วนำแสง

            - การใช้งานเส้นใยแก้วนำแสงโดยทั่วไปนั้นเป็นการใช้การนำสัญญาณแสง ซึ่งสัญญาณแสงนี้จะถูกแปลงจากสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากสถานีโทรทัศน์  โทรศัพท์  หรือสัญญาณจากคอมพิวเตอร์  สำหรับการใช้ในระดับมวลชนเป็นการส่งแบบดิจิทัลเป็นส่วนใหญ่

            - บางครั้งเราคงเห็นการใช้เส้นใยแก้วนำแสงทำเป็นของประดับสวยงาม เช่น ทำซุ้มประกายดาวที่มีแสงระยิบระยับ

              ข้อดีของเส้นใยนำแสง

- เส้นใยนำแสงมีข้อดีกว่าสายเคเบิลทองแดง เนื่องจากมีขนาดเล็กกว่า ราคาถูกกว่า

- ส่งสัญญาณได้มากกว่า ไม่มีปัญหาพูดข้ามสายกันระหว่างผู้ใช้โทรศัพท์

- และไม่ถูกรบกวนด้วยคลื่นอื่นๆ

 
 
 

เลเซอร์และเส้นใยนำแสง

เลเซอร์

เลเซอร์ (laser) ย่อมาจาก (light amplification by stimulated emission of radiation) เป็นแสงที่เกิดจากการกระตุ้นอะตอมหรือโมเลกุลของสารประกอบหรือสารละลายบางชนิด เช่น ทับทิม แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นต้น เลเซอร์ประกอบด้วยแสงที่มีความถี่เดียวกันและเฟสตรงกัน จึงมีความเข้มแสงสูงมาก ดังนั้นจึงเป็นการง่ายที่จะรวมลำแสงให้ตกกระทบบนพื้นที่ขนาดเล็กๆ ได้
เลเซอร์ชนิดแรกที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้นมาใช้สารต้นกำเนิดเป็นแท่งทับทิม ประกอบด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์และอะตอมของโครเมียมปนอยู่ ซึ่งให้เลเซอร์สีแดง มีความยาวคลื่น 694.3 นาโนเมตร ต่อมาได้มีการพัฒนาเลเซอร์จนสามารถผลิตจากสารต้นกำเนิดที่เป็นของแข็ง ของเหลว สารกึ่งตัวนำ และแก๊สชนิดต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง ปัจจุบันได้มีการนำเลเซอร์มาใช้ประโยชน์อย่างมาก เช่น ด้านอุตสาหกรรม ด้านวิทยาศาสตร์ ด้านการแพทย์ ด้านการบันเทิง ด้านการถ่ายภาพ เป็นต้น

รูปแสดงการใช้เลเซอร์ในการผ่าตัดทางการแพทย์

ตารางแสดงตัวอย่างสารต้นกำเนิดที่นำมาทำเลเซอร์ชนิดต่างๆ

สารต้นกำเนิด
ความยาวคลื่น (nm)
การนำไปใช้ประโยชน์
คาร์บอนไดออกไซด์
9,400
- แหล่งกำเนิดความร้อนทางการแพทย์
- การเชื่อมโลหะ
- การเจาะโลหะ
สารกึ่งตัวนำ
838-839
- เป็นตัวส่งสัญญาณสำหรับการสื่อสารทางโทรศัพท์ผ่านเส้นใยนำแสง
ทับทิม
694
- ใช้เจาะเพชร
- ใช้วัดระยะอาวุธ
ฮีเลียม-นีออน
632.8
- ใช้ทางด้านสร้างภาพ 3 มิติ
อาร์กอน
457.9
- ใช้ทางด้านสร้างภาพ 3 มิติ

การประยุกต์ใช้งานเลเซอร์
สมบัติของเลเซอร์ที่มีลำแสงเล็กมากและไม่กระจาย ซึ่งทำให้พลังงานทั้งหมดรวมกันที่จุดเล็กๆ จึงทำให้ความเข้มของแสงสูงมาก เครื่องเลเซอร์ชนิดต่างๆ ทำให้ได้แสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นและความเข้มต่างกัน ดังนั้นประโยชน์จึงแตกต่างกันด้วย
1. ในด้านการแพทย์ เลเซอร์ถูกนำมาใช้ในการผ่าตัดและรักษาทางด้านการแพทย์และจักษุแพทย์ โดยเฉพาะการผ่าตัดที่ต้องการให้เลือดออกน้อยหรือไม่ออก และบริเวณที่ใช้เลเซอร์ผ่าตัดจะคืนสภาพได้รวดเร็ว ไม่ต้องเสียเวลาพักฟื้นนาน เช่น การผ่าตัดตับ การศัลยกรรมใบหน้า หรือการเชื่อมประสาทภายในลูกตา โดยไม่ต้องผ่าตัดเปิดลูกตา สามารถทำโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ เป็นต้น
2. ในด้านการบันเทิง ใช้ในด้านการถ่ายภาพยนตร์สามมิติ หรือถ่ายภาพสามมิติ ใช้ในงานโฆษณา งานแสดงละคร งานบนเวทีคอนเสิร์ต เป็นต้น
3. ในสำนักงานและใช้ในบ้าน เลเซอร์ไดโอดซึ่งเป็นเลเซอร์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ เป็นเลเซอร์ที่มีขนาดเล็กจิ๋วไม่กินไฟ จึงนำมาประยุกต์กับอุปกรณ์สำนักงาน และใช้ในบ้าน เช่น ใช้ในเครื่องถ่ายเอกสาร เครื่องพิมพ์เอกสารแบบ เลเซอร์พริ้นเตอร์ ใช้ในเครื่องวิดีโอเลเซอร์ดิสก์ เป็นต้น
4. ในด้านเครื่องมือวัด เช่น การวัดขนาดของสิ่งของ วัดระยะทางทั้งใกล้และไกล วัดอัตราการไหลของของเหลว เป็นต้น
5. ในด้านอุตสาหกรรม ใช้ในการเชื่อม การเจาะ และการตัดและตกแต่งโลหะอื่น เช่น การเจาะรูบนแผ่นเหล็กกล้าที่มีขนาดเล็ก การเชื่อมพลาสติก การตัดแผ่นซิลิคอน เป็นต้น

เส้นใยนำแสง

นักวิทยาศาสตร์ได้นำหลักการสะท้อนกลับหมดของแสงไปใช้ประโยชน์ในการประดิษฐ์เส้นใยเล็กๆ ที่ทำด้วยแก้วและมีความยืดหยุ่น มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.01-0.1 มิลลิเมตร เพื่อเป็นตัวกลางให้แสงผ่านจากปลายเส้นใยข้างหนึ่งไปสู่ปลายอีกข้างหนึ่งได้ และเกิดการสะท้อนกลับหมดภายในเส้นใยไม่ว่าเส้นใยจะโค้งงอในลักษณะใดก็ตาม จึงเรียกเส้นใยนี้ว่า "เส้นใยนำแสง (optical ribre)"

รูปแสดงการสะท้อนกลับหมดในเส้นใยนำแสง

การนำเส้นใยนำแสงมาใช้ประโยชน์
1. ด้านการแพทย์
แพทย์ได้ใช้ประโยชน์จากเส้นใยนำแสงในการตรวจและวินิจฉัยโรคบางชนิดในอวัยวะภายใน เช่น ใช้ตรวจดูภายในกระเพาะอาหาร โดยแพทย์จะสอดมัดเส้นใยนำแสงด้านขวาลงในกระเพาะอาหารของคนไข้ ขณะที่ให้แสงเข้ามัดเส้นใยนำแสงด้านซ้ายมือ ผ่านกลุ่มเส้นใยนำแสงรอบนอกของมัดแรก และเมื่อแสงตกกระทบที่ผนังกระเพาะอาหารบริเวณที่ต้องการตรวจแสงจะสะท้อนกลับทำให้แพทย์เห็นภาพบริเวณที่ตรวจได้
2. ด้านการสื่อสาร ปัจจุบันได้นำเอาเส้นใยนำแสงมาใช้ในการสื่อสารทางโทรศัพท์ระบบใหม่โดยใช้แทนเคเบิลสายทองแดง การสนทนาทางโทรศัพท์จะถูกส่งไปตามเส้นใยนำแสง จึงทำให้คนส่วนมากสามารถพูดคุยโทรศัพท์ผ่านเส้นใยนำแสงเส้นเดียวกันได้ในเวลาเดียวกัน หรือด้านคอมพิวเตอร์สามารถใช้เส้นใยนำแสงมาใช้ในการส่งข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ไปยังเครื่องอื่นๆ ได้
ข้อดีของการสื่อสารระบบเส้นใยนำแสง มีดังนี้
1) สูญเสียพลังงานน้อยกว่าเมื่อเทียบกับการส่งสัญญาณที่ใช้เคเบิลเป็นสายทองแดง
2) ช่องของการสื่อสารกว้างกว่า สามารถทำการส่องแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจำนวนมากในเวลาเดียวกัน โดยใช้คู่สายเดียวกัน ทำให้ใช้เป็นสายส่งที่มีความจุของสัญญาณจำนวนมาก
3) ขนาดเล็กและน้ำหนักเบากว่า จึงสะดวกในการวางสายเคเบิล
4) ไม่มีการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้า
5) ช่วยในการประหยัดทรัพยากรธรรมชาติ
6) มีการสูญเสียพลังงานในสายส่งน้อยมาก

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
Comments