AUM
Haitaikarn K.
About Lesson :
Search By Tag:
LESSON
1
Pictuer:
ชนิดของคลื่น (Wave Type)
WAVE
บทที่1 คลื่นกล
จุดประสงค์การเรียนรู้
1. อธิบายคลื่นกล ลักษณะคลื่นตามขวางและคลื่นตามยาว
2. อธิบายความหมายของแอมพลิจูด ความยาวคลื่น ความถี่ และคาบ
3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วของคลื่นความถี่และความยาวคลื่น
4. ทดลอง และอธิบายสมบัติของคลื่นกล ได้แก่ การสะท้อน การหักเห การแทกสอดและการเลี้ยวเบน
ชนิดของคลื่น (Wave Type)
1. แบ่งชนิดของคลื่นโดยพิจารณา การอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ สามารถแบ่งคลื่นได้เป็น 2 ชนิด คือ
1.1 คลื่นกลหรือคลื่นยืดหยุ่น (Mechanical Wave หรือ Elastic Wave) คือ คลื่นที่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยตัวกลางจะเกิดการสั่นทำให้เกิดการส่งผ่านพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง เช่น คลื่นเสียง, คลื่นน้ำ, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
1.2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ คลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ เป็นต้น
2. แบ่งชนิดของคลื่น โดยพิจารณาทิศทางของการเคลื่อนที่ของคลื่นและของตัวกลางที่ ถูกรบกวน สามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิดคือ
2.1 คลื่นตามขวาง (Transverse Wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนของคลื่น เช่น คลื่นน้ำ, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
2.2 คลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) คือ คลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางที่เคลื่อนที่ผ่านมีการเคลื่อนที่ไปกลับในทิศทางที่เดียวกันกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง , คลื่นในสปริงเป็นต้น
องค์ประกอบพื้นฐานของคลื่น
โดยทั่วไปคลื่นมีองค์ประกอบพื้นฐานดังนี้
1. ความยาวคลื่น (WAVE LENGTH ; Λ ) หมายถึง ความยาวของคลื่น 1 คลื่น เป็นระยะทางที่วัดระหว่างจุดสองจุดที่สั้นที่สุดบนคลื่นที่เฟสตรงกัน ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (M)
2. ความถี่ (FREQUENCY ; F ) หมายถึง จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา ในระบบ SI มีหน่วยเป็น วินาที-1(S-1) หรือ เฮิร์ทซ์ (HZ)
3. คาบการเคลื่อนที่ (PERIOD ; T) หมายถึง เวลาที่คลื่น 1 คลื่น เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในระบบ SI มีหน่วยเป็นวินาที (S)
4. แอมพลิจูด ( AMPLITUDE A) หมายถึง การกระจัดสูงสุดของการสั่นของอนุภาคจากระดับปกติ ค่าของแอมปลิจูดจะบอกค่าพลังงานของคลื่นโดยพลังงานจะแปรโดยตรงกับแอมปลิจูด ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (M)
คุณสมบัติ พื้นฐานของ คลื่น ต่างๆ สามารถ พิจารณา ได้
4 ประการ ดังต่อไปนี้
1. การสะท้อนของคลื่น
การสะท้อนของคลื่นหมายถึง การเปลี่ยนทิศทางการเดินทางของคลื่นโดยทันทีทันใดเมื่อคลื่นนั้นเดินทาง ตกกระทบที่ผิวของตัวกลาง นั่นคือ คลื่นกระดอนออกจากผิวสะท้อน ของตัวกลาง ในลักษณะเดียวกับแสงสะท้อนจากกระจกเงา จากรูปที่ 2 แสดงปรากฎการณ์ ของการสะท้อนของคลื่นวิทยุ สังเกตได้ว่ามุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
ลักษณะการสะท้อนกลับของคลื่น สามารถ แสดง ลำดับ การ ที่คลื่น ตกกระทบ พื้นผิว ของ ตัวกลาง และ สะท้อน จาก พื้นผิว ของ ตัวกลาง ได้ ดังภาพ
2. การหักเหของคลื่น
การหักเหของคลื่นวิทยุเกิดขึ้นเมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากตัวกลางหนึ่ง ไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าไม่เหมือนกัน โดยที่มุมตกกระทบ ณ ตัวกลางที่สองไม่เป็นมุมฉาก พลังงานคลื่นส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับเข้าไปยังตัวกลางที่หนึ่ง โดยมีมุมตกเท่ากับมุมสะท้อน แต่ยังมีพลังงานคลื่นอีกส่วนหนึ่งเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่สอง การเดินทางเข้าไปยังตัวกลางที่สองนี้ จะไม่เป็นแนวเส้นตรงต่อไปจากแนวทางเดินในด้านตัวกลางแรก แต่จะหักเหออกไปมากน้อยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวกลางทั้งสอง สาเหตุที่เกิดการหักเหของทางเดินของคลื่นวิทยุ เนื่องจาก ความเร็วของคลื่นวิทยุในตัวกลาง ที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าแตกต่างกันจะไม่เท่ากัน เช่น คลื่นวิทยุจะเดินทางในน้ำบริสุทธิ์จะช้ากว่าเดินทางในอากาศถึง 9 เท่า เป็นต้น
การหักเหของคลื่นวิทยุ
จากรูป จะเห็นได้ว่าเมื่อหน้าคลื่น (wave front ) ตกกระทบพื้นผิวระหว่าง ตัวกลางทั้งสองนั้น ส่วนของคลื่นที่สัมผัสผิวน้ำ ก็จะเริ่มเดินทางเข้าไปในน้ำ ด้วยความเร็วช้าลง ในขณะที่หน้าคลื่นอีกส่วนหนึ่งยังคงอยู่ในอากาศ จะเดินทางเร็วกว่า ตัวอย่างคลื่นที่ใช้ติดต่อสื่อสารที่อาศัยการหักเหของคลื่น คือ การสื่อสารในย่านความถี่สูง ( HF ) ซึ่งอาศัยเพดานไฟฟ้า IONOSPHERE เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากพื้นโลกผ่านเข้าไปยังเพดานไฟฟ้า ลำคลื่นจะค่อย ๆ หักเหไปเรื่อย ๆ จนในที่สุดคลื่นก็จะกลับออกมาจากเพดาน ไฟฟ้าและกลับมายัง พื้นโลกอีก
ลักษณะการหักเหของคลื่น สามารถแสดงลำดับการที่คลื่นเคลื่อนที่ จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งเป็นลำดับๆ ได้ดังภาพ
3. การแพร่กระจายคลื่น
การแพร่กระจายคลื่น มีชื่อเรียก ได้ต่างๆกัน ไป เช่น การ เลี้ยวเบน ของ คลื่น หรือ การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น เกิดขึ้น เมื่อ คลื่น เดินทาง ผ่าน มุม หรือ ขอบ ของ ตัวกลาง ทึบ ที่ คลื่น นั้น ไม่ สามารถ ผ่านได้ เช่น คลื่น วิทยุ ความถี่ สูงมาก เดินผ่าน ยอดเขา คลื่นนี้ มี คุณสมบัติ เดินทาง เป็น เส้นตรง ดังนั้น ถ้าเรา ลาก เส้นตรง จาก สายอากาศ ไปยัง ยอดเขา ส่วนที่ อยู่ หลัง ยอดเขา และ ต่ำกว่า เส้นนี้ ลงมา ไม่ ควร ที่จะ ได้รับ คลื่น ได้เลย แต่ บางส่วน ที่ อยู่ หลัง ยอดเขา สามารถ รับ คลื่นวิทยุ ย่าน ความถี่ สูง ได้ เนื่องจาก ความถี่สูง ขึ้น การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น ก็ยิ่ง ลดลง กล่าวคือ คลื่น จะ เดินทาง เป็น แนว เส้นตรง แต่ บางส่วน ของ คลื่น เกิดการ กระทบ กับ สลิตแคบๆ (ยอดเขา) ทำให้ คลื่น เกิดการ แตกกระจาย ออกไป โดยรอบ เสมือนกับ เป็น แหล่ง กำเนิด คลื่น ใหม่ นั่นเอง ดังรูป ที่ แสดง คลื่น ผ่าน ช่องสลิต ที่แคบ โดย มี หลักการ ดังที่ ได้ กล่าวไป ข้างต้น
จากรูป แสดง คุณสมบัติ การ เบี่ยงเบน ของ คลื่น วิทยุ เมื่อ เดินทาง ไป ยัง ตัวกลาง ที่ ทึบ และ เฉียด ขอบ ดังกล่าว จะเห็นได้ว่า บริเวณ บางส่วน หลัง ตัวกลาง นั้น ที่ เป็น เขต เบี่ยงเบน ซึ่ง สามารถ ติดต่อ สื่อสาร ได้ และ บริเวณ บางส่วน ที่ จะ ติดต่อ สื่อสาร กัน ไม่ได้เลย เรียกว่า เขตเงา (SHADOW)
การเบี่ยงเบนของคลื่นวิทยุ
4. การแทรกสอดของคลื่น
การแทรกสอด ของ คลื่น เรื่องนี้ เกี่ยวข้องกับ คุณสมบัติ ทาง optical ของ คลื่น แม่เหล็ก ไฟฟ้า เรา พิจารณา เรื่อง Interference ต่อไป สิ่งนี้ เกิดขึ้น เมื่อ 2 คลื่น ที่ ออกจาก แหล่ง จ่าย อันเดียว และ เดินทาง มา ด้วย เส้นทาง ที่ ต่างกัน มาถึง จุด หนึ่ง พร้อมกัน สิ่งนี้ เกิดขึ้น บ่อยมาก ในการ เดินทาง ของ High - frequency Sky - Wave propagation และใน Microwave space - wave propagation ( กรณี ของ แบบนี้ จะ อธิบาย ใน หัวข้อนี้ ) มันเกิดขึ้น เมื่อ สายอากาศ ของ ไมโครเวฟ ถูก ตั้ง อยู่ใกล้กับ พื้นดิน และ คลื่นที่ มา ถึง จุดรับ ไม่ใช่ เพียง จาก ทิศทางตรง แต่ เป็น คลื่นที่ หลังจาก สะท้อน จาก พื้นดิน ด้วย ดังแสดง
การ Interference ของ direct rays และ ground - reflected ray
การแทรกสอดแบบนี้ สามารถ อธิบาย ได้โดยการที่คลื่นผ่านช่องสลิตเล็กๆ 2 ช่องที่ใกล้เคียงกัน คลื่นที่ผ่านสลิตนี้จะทำให้เกิดแหล่งกำเนิดคลื่นขึ้นมาใหม่ จำนวน 2 แหล่งด้วยกัน ดังนั้นจากหลักการพื้นฐานที่ทราบกันว่า คลื่นเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบๆแหล่งกำเนิด จึงทำให้คลื่นที่ผ่านสลิตแคบๆมีลักษณะเป็นวงกลมด้วย เมื่อมีแหล่งกำเนิด 2 แหล่ง ที่ใกล้เคียงกันดังนั้นจึงทำให้เกิดการแทรกสอดของ คลื่นได้เช่นกัน ดังแสดงตัวอย่างดังรูป
คลิกที่รูปเพื่อดูรูปใหญ่
