ปฏบัติการที่ 7 คลื่นน้ำ เสียง และแสง

ปฏบัติการที่ 7 คลื่นน้ำ เสียง และแสง

จุดประสงค์

1. เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ ความยาวคลื่น ความเร็วของคลื่นน้ำ คลื่นเสียงและคลื่นแสง  
2. เพื่อให้นักศึกษามีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับการเกิดคลื่น

เครื่องมือและอุปกรณ์สำหรับการทดลอง

แบบจำลิงการเกิดคลื่นน้ำ คลื่นเสียงและคลื่นแสง

ทฤษฎี

ความแตกต่างระหว่างคลื่นกับอนุภาคการเคลื่อนที่ของคลื่นเป็นปรากฎการณ์การส่งถ่ายพลังงานต่อไปเรื่อยๆ จากแหล่งกำเนิดที่ถูกรบกน (เช่น การสะบัดเชือก การโยนหินลงในน้ำ) โดยมีความแตกต่างจากการเคลื่อนที่ของอนุภาค ดังนี้

·         การเคลื่อนที่ของอนุภาค

เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่อนุภาคจะเป็นตัวนำพาพลังงานไปด้วยเช่น การเตะบอล มีการส่งผ่านพลังงานจากเท้าผ่านลูกบอล แล้วลูกบอลนั้นจะนำพาพลังงานต่อไปยังจุดหมาย ซึ่งจะเห็นว่าลูกบอลจะเคลื่อนที่ไปกับพลังงานนั้นด้วย

·         การเคลื่อนที่ของคลื่น

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ คลื่นจะพาพลังงานไปด้วย แต่ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านจะไม่ได้เคลื่อนที่ตามคลื่นไป จะเคลื่อนที่สั่นไปสั่นมาอยู่ตำแหน่งเดิม เช่น ใบไม้บนผิวน้ำ เมื่อคลื่นน้ำผ่านมาก็จะสั่นขึ้นลงอยู่กับที่ พอคลื่นน้ำผ่านไปใบไม้ก็จะอยู่นิ่งๆ เหมือนเดิม

ประเภทของคลื่นคลื่นแบ่งได้ 2 ประเภทตามการอาศัยตัวกลางดังนี้1. คลื่นกล ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง (ตัวกลางคือสิ่งที่เคลื่อนผ่าน อาจเป็นอากาศ น้ำ เป็นต้น) คลื่นในเส้นเชือก (ตัวกลางคือเส้นเชือก)

2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ต้องการตัวกลางในการเคลื่อนที่ อาศัยการเหนี่ยวนำกันระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน คือ 3x108m/s เช่น คลื่นแสงและวิทยุ

คลื่นแบ่งได้ 2 ประเภทตามทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นและการสั่นของตัวกลางดังนี้

1. คลื่นตามขวาง คือคลื่นที่มีการเคลื่อนที่หรือการสั่นของอนุภาคตัวกลางในแนวตั้งฉากกับทิศที่คลื่นแผ่ออกไป เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นต้น

2. คลื่นตามยาว คือคลื่นที่มีการเคลื่อนที่ หรือการสั่นของอนุภาคตัวกลางซึ่งเคลื่อนที่ไป-กลับ หรือสั่นในแนวเดี่ยวกันกับทิศที่คลื่นเคลื่อนที่ไป เช่น คลื่นในสปริง คลื่นเสียง เป็นต้น

คลื่นบางชนิด เช่น คลื่นสปริง อาจเป็นทั้งคลื่นตามยาว และคลื่นตามขวาง เพราะเราอาจจะอัดปริงเพื่อให้เกิดคลื่นตามยาว หรือจะสะบัดมันเพื่อให้เกิดคลื่นตามขวางก็ได้

คลื่นแบ่งได้ 2 ประเภทตามลักษณะกำเนิดคลื่นดังนี้

1. คลื่นดล คือคลื่นที่แออกไปทีเดยวแล้วไม่มีอีก เช่น เราแตะผิวน้ำหนึ่งครั้ง จะเกิดคลื่นบนผิวน้ำ คลื่นที่ออกจากแหล่งกำเนิดหนึ่งครั้งเช่นกัน

2. คลื่นต่อเนื่อง คือคลื่นที่แผ่ออกไปอย่างต่อเนื่อง เช่น เมื่อผิวน้ำถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่อง จะทำให้เกิดคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ออกจากตัวกำเนิดตลอดเวลา

ส่วนประกอบของคลื่นและอัตราเร็ว

1. สันคลื่น (Crest)

เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2. ท้องคลื่น (Crest)

เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e3. แอมพลิจูด (Amplitude)

เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น สัญลักษณ์ A4. ความยาวคลื่น (wavelength)

เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน หรือระยะระหว่าง 2 ตำแหน่งบนคลื่นที่ที่เฟสตรงกัน(inphase) ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ Lamda มีหน่วยเป็นเมตร (m) ระยะ xy5. ความถี่ (frequency)

หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz) จาก cd โดย f = 1/T6. คาบ (period)

หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ )โดย T = 1/f7. หน้าคลื่น(wave front)

เป็นแนวเส้นที่ลากผ่านตำแหน่งที่มีเฟสเดียวกันบนคลื่น เช่น ลากแนวสันคลื่น หรือลากแนวท้องคลื่น

คลื่นเสียง

เสียงเป็นคลื่นกลและคลื่นตามยาวชนิดหนึ่งทำไมเสียงถึงเป็นคลื่นตามยาว? ลองจินตนาการว่ากำลังเป่าแตรอยู่ การที่จะทำให้เกิดเสียงได้ จะต้องอัดลมเข้าไปในท่อแตร เหมือนกับการอัดคันสูบในกระบอกสูบ เมื่อเราอัดคันสูบเข้าไป ก๊าซที่ติดกับคันสูบก็ถูกอัดทันทีทำให้ก๊าซก้อนนี้มีความดันมากขึ้น เมื่อลูกสูบหยุดเคลื่อนที่ ก๊าซที่ถูกอัดก็เคลื่อนที่ตามกระบอกลูกสูบไป

เราสามารถสร้างคลื่นเสียงได้โดยการอัดคันสูบในกระบอกสูบให้เคลื่อนที่แบ simple hamonic ในขณะที่ลูกสูบถูกอัด ก๊าซบริเวณใกล้ลูกสูบจะมีความดันเพิ่มสูงขึ้น เรียกบริเวณนี้ว่าส่วนอัด (Compression)แต่ในขณะที่เราดึงรูปสูบออกมาก๊าซบรเวณใกล้ลูกสูบจะมีความดันลดต่ำลง เรียกบริเวณนี้ว่าส่วนขยาย (Rarefaction)สลับกันไปเรื่อย ๆ คลื่นที่เกิดขึ้น เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเสียงในตัวกลางนั้น ๆ

ถ้าลองสังเกตจะพบว่าอนุภาคตัวกลาง (อนุภาคก๊าซ) เคลื่อนที่เป็น simple hamonic ไปๆ มา ๆ แนวเดียวกับทิศที่เคลื่อนที่ตามส่วนอัดส่วนขยายของคลื่นเสียง ฉะนั้นเสียงจึงจัดเป็นคลื่นตามยาว

ระยะระหว่างกึ่งกลางส่วนอัด (หรือส่วนขยาย) ที่ติดกัน คือความยาวคลื่น บางครั้งเพื่อให้เห็นภาพจะแสดงเสียงเป็นคลื่นตามขวางเพื่อให้เห็นส่วนอัดขยายดังนี้

การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลาง

เมื่อเสียงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง ความถี่ของคลื่นเสียงจะมีค่าคงตัวเท่ากับความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียง ส่วนอัตราเร็วของเสียงในตัวกลางหนึ่ง ๆ จะคงตัว เมื่ออุณหภูมิของตัวกลางนั้นคงตัว

จากอัตราเร็วของเสียงในอากาศพบว่า อัตราเร็วของเสียงมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิของอากาศ โดยเป็นไปตามสมการ

Vt= 331 + 0.6 t

เมื่อ Vt เป็นอัตราเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t ใด ๆ มีหน่วยเป็น เมตร/วินาที และ t เป็นอุณหภูมิของอากาศ มีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส

สีในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็น

บันทึกผลการทดลอง ปฏิบัติการที่ 6 คลื่นนิ่งในเส้นเชือก

ชื่อ-นามสกุล............................................................. รหัส.............................................. กลุ่มเรียนที่..........

สาขาวิชา................................................... คณะ.................................................วันที่ ...............................

ทฤษฎี

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

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

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

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

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

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

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

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

วัตถุประสงค์

1. ...............................................................................................................................................................

2. ...............................................................................................................................................................

เครื่องมือและอุปกรณ์

1. ................................................................................................................................................................

2. ................................................................................................................................................................

3. ................................................................................................................................................................

4. ................................................................................................................................................................

วิธีการทดลอง
1. ................................................................................................................................................................
2. ................................................................................................................................................................
3. ................................................................................................................................................................
4. ................................................................................................................................................................
5. ................................................................................................................................................................
6. ................................................................................................................................................................

ตารางที่ 1 ความเร็ว ความถี่ของคลื่นน้ำ

ความถี่	เวลา t (s)	ระยะทาง (m)	คาบ T (S)	ความยาวคลื่น (m)	ความถี่ Hz	ความเร็ว v=s/t (m/s)	ความเร็ว v=fxความยาวคลื่น
Min
Medium
Max

ตารางที่ 2 ความเร็ว ความถี่ของคลื่นเสียง

ความถี่	เวลา t (s)	ระยะทาง (m)	คาบ T (s)	ความยาวคลื่น (m)	ความถี่ f (Hz)	ความเร็ว v=s/t (m/s)	ความเร็ว V=fxความยาวคลื่น (m/s)
Min
Medium
Max

ตารางที่ 3 ความเร็ว ความถี่ของคลื่นแสง

แสงสี	เวลา t fs	ระยะทาง(nm)	ความยาวคลื่น (nm)	ความเร็ว v=s/t (m/s)	ความถี่ f=v/ความยาวคลื่น (THz)
แดง
ส้ม
เหลือง
เขียว
ฟ้า
น้ำเงิน
ม่วง

สรุปและอภิปรายผล

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

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

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

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

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

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

อ้างอิง;https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7315-2017-06-14-15-51-22

         :https://phet.colorado.edu/sims/html/wave-interference/latest/wave-interference_en.html
         :https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%AA%E0%B8%B5