Transcript คลื่น (waves)

คลื่น (waves)
คลืน่

คลืน่ หมายถึง พลังงานรู ปหนึ่งที่มีการเคลื่อนที่
และเคลื่อนที่เป็ นเส้นตรง
ชนิดของคลืน่ (Types of Wave)
แบ่ งออกได้ เป็ น 2 ชนิด คือ
แบ่ งโดยอาศัยลักษณะการสั่ นของปริมาณทางฟิ สิ กส์ เป็ นหลัก
แบ่ งได้ เป็ น 2 ชนิด คือ
1.1 คลืน
่ ตามขวาง (Transverse Wave)
คือ คลืน่ ทีม่ ที ศิ การสั่ นของอนุภาคอยู่ในแนวตั้งฉากกับทิศ
การเคลือ่ นที่ของคลืน่ เช่ น คลืน่ นา้ คลืน่ ในเส้ นเชื อก ฯลฯ เป็ นต้ น
1.
1.2 คลืน
่ ตามยาว (Longitudinal
Wave)
คือ คลืน่ ทีม่ ที ศิ การสั่ นของอนุภาคตัวกลางอยู่ในแนว
เดียวกับทิศการเคลือ่ นที่ของคลืน่ เช่ น คลืน่ เสี ยง คลื่นวิทยุ เป็ นต้ น
2. แบ่ งโดยอาศัยการส่ งผ่ านตัวกลางเป็ นหลัก
2.1 คลืน
่ กล (Machanical
Wave)
คือ คลืน่ ที่ต้องอาศัยตัวกลางในการแผ่หรือต้ องอาศัยตัวกลางในการ
เคลือ่ นที่มที ้งั คลืน่ ตามยาวและคลืน่ ตามขวาง เช่ น คลื่นผิวนา้ คลืน่ ใน
เส้ นเชือก คลืน่ เสี ยง เป็ นต้ น
2.2 คลืน
่ แม่ เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic
Wave)
คือ คลืน่ ที่ไม่ ต้องอาศัยตัวกลางในการแผ่ หรือไม่ อาศัยตัวกลางในการ
เคลือ่ นที่ (จัดเป็ นเคลือ่ นตามขวาง) เช่ น คลืน่ แสง คลืน่ วิทยุ เป็ นต้ น
5
ส่ วนประกอบของคลืน่
ส่ วนประกอบของคลืน่
ส่ วนประกอบของคลืน่
อัตราเร็วของคลืน่ (Wave speed) : v
อั ต ราเร็ ว คลื่ น (v) คื อ ระยะทางที่ ค ลื่ น เคลื่ อ นที่ ไ ด้ ใ นหนึ่ ง หน่ ว ยเวลา
มีหน่ วยเป็ นเมตรต่ อวินาที
10
กิจกรรม
กิจกรรม
1. ถ้ าคลืน่ เชือกมีความยาวคลืน่ 20 เซนติเมตร มีความถี่ 70 รอบต่ อ
วินาที คลืน่ จะมีความเร็วเท่ าไร
2. ถ้ าคลืน่ ในขดลวดเส้ นหนึ่ง มีความถี่ 140 รอบต่ อวินาที คลืน่ นีม้ ี
ความเร็ว 12 เมตรต่ อวินาที ความยาวของคลืน่ นีเ้ ป็ นเท่ าไหร่
ตัวอย่ างที่ 2
กิจกรรม
3. คลื่น ขบวนหนึ่ ง สามารถผ่ า นจุ ด ๆ หนึ่ ง ได้ 1220 ลู ก ใช้ เ วลา 16
วินาที คลืน่ นี้ มีคาบและความถี่เท่ าไร
4. คลืน่ ขบวนหนึ่งเกิดจากแหล่งกาเนิด 200 ลูก ภายในเวลา 5 วินาที
คลืน่ นี้ มีความถี่เท่ าใด
ตัวอย่ างที่ 3
สมชายนั่งใช้ เท้ ากระทุ้งนา้ สั งเกตเห็นคลืน่ นา้ ผ่ านจุดสั งเกตหนึ่ง 5 รอบใน
2 วินาที แผ่ ออกไปด้ านหน้ า ถ้ าวัดความยาวคลืน่ 0.2 เมตร คลืน่ ลูกนีจ้ ะมี
ความถี่ และอัตราเร็วเป็ นเท่ าใด
กิจกรรม
4. ใช้ เท้ ากระทุ้งนา้ พบว่ าเกิดคลืน่ บนผิวนา้ ทีม่ คี วามเร็ว 2 เมตร/วินาที
และ สั นคลืน่ ที่ติดกันห่ างกัน 4 เมตร จงหาความถี่คลืน่
5. เรือลาหนึ่งลอยลาในทะเล พบว่ ามีคลืน่ เคลือ่ นที่เข้ ากระทบเรือ 4 ลูก
ในเวลา 2 วินาที และระยะระหว่ างสั นคลืน่ ที่ติดกันเป็ น 6 เมตร จงหา
ความเร็วคลืน่
กิจกรรม
6. ใช้ เท้ ากระทุ้งนา้ พบว่ าเกิดคลืน่ บนผิวนา้ ทีม่ คี วามเร็ว 8 เมตร/วินาที
และสั นคลืน่ ที่ติดกันห่ างกัน 2 เมตร จงหาความถี่คลืน่
7.เรือลาหนึ่งลอยลาในทะเล พบว่ ามีคลืน
่ เคลือ่ นที่เข้ ากระทบเรือ
10 ลูก ในเวลา 2 วินาที และระยะระหว่ างสั นคลืน่ ทีต่ ิดกันเป็ น 2 เมตร
จงหา ความเร็วคลืน่
ตัวอย่ างที่ 4
3. นาย ก และ นาย ข เล่นสะบัดเชือกโดยคนทั้งสอง ยืนห่ างกัน 10 เมตร
พบว่ าเกิดคลืน่ ในเส้ นเชือกโดยคลืน่ ดังกล่าวใช้ เวลาในการเคลือ่ นที่จากนาย ก
ไปยังนาย ข เวลา 5 วินาที ถ้ าคลืน่ มีความถี่ 2 Hz จงหาความยาวคลืน่
กิจกรรม
8. เด็กชายเอและเด็กหญิงบีเล่นสะบัดเชือกโดยคนทั้งสอง ยืนห่ างกัน 12 เมตร
พบว่ าเกิดคลืน่ ในเส้ นเชือกโดยคลืน่ ดังกล่าวใช้ เวลาในการเคลือ่ นที่จากเด็กชายเอ
ไปยังเด็กหญิงบีเวลา 6 วินาที ถ้ าคลืน่ มีความถี่ 10 Hz จงหาความยาวคลืน่
ตัวอย่ างที่ 5
กิจกรรม
9. คลืน
่ ขบวนหนึ่งมีความยาวคลืน่ 2 เมตร ทีร่ ะยะ 16 เมตร
จะมีเฟสต่ างไป จากเดิมเท่ าใด
ตัวอย่ างที่ 6
คลืน่ ขบวนหนึ่งมีความถี่เท่ ากับ 5 Hz เมื่อทีเ่ วลา 23 วินาที จะมี
เฟสต่ างไป กีอ่ งศา
กิจกรรม
คลืน่ ขบวนหนึ่งมีความถี่เท่ ากับ 25 Hz เมื่อทีเ่ วลา 12 วินาที
จะมีเฟสต่ างไป กีอ่ งศา
10.
ตัวอย่ างที่ 7
กิจกรรม
คลืน่ ขบวนหนึ่งมีความยาวคลืน่ 2 เมตร ที่เฟสต่ างไปจากเดิม 60 องศา
คลืน่ จะเคลือ่ นที่ได้ ระยะทางกีเ่ มตร
11.
คุณสมบัตขิ องคลืน่
การที่เราจะตัดสิ นว่ าสิ่ งทีเ่ ราสั งเกตนั้นเป็ นคลืน่ หรือไม่ ต้องอาศัย
เกณฑ์ ตัดสิ นทีว่ ่ าสิ่ งนั้นมีสมบัติของคลืน่ อย่ างน้ อยครบ 4 ประการ คือ
1. การสะท้ อน
2. การหักเห
3. การแทรกสอด
4. การเลีย้ วเบน
คุณสมบัตกิ ารสะท้ อนของคลืน่
เมื่อคลืน่ เคลือ่ นที่ไปชนสิ่ งกีดขวาง จะทาให้ เกิดคลื่นสะท้ อนขึน้ มา
คลืน่ สะท้ อนทีเ่ กิดขึน้ มานั้น จะต้ องมีคุณสมบัติดังนี้
1. ความถี่ของคลืน่ สะท้ อนมีค่าเท่ ากับความถี่ของคลืน่ ตกกระทบ
2. ความเร็วและความยาวคลืน่ ของคลืน่ สะท้ อนมีค่าเท่ ากับความเร็ว
และความยาวคลืน่ ตกกระทบเสมอ
3. ถ้ าการสะท้ อนไม่ สูญเสี ยพลังงาน จะได้ แอมพลิจูดของคลืน่ สะท้ อน
มีค่าเท่ ากับแอมพลิจูดของคลืน่ ตกกระทบ
ตัวอย่ าง
กิจกรรม
การแทรกสอดเป็ นปรากฎการณ์ ทเี่ กิดขึน้ ได้ เมือ่ คลืน่ สองขบวนเคลื่อนทีบ่ น
ตัวกลางเดียวกันมาพบกัน ทาให้ เกิดคลืน่ ลัพธ์ จากการรวมกันของคลืน่ ทั้งสองขณะทีเ่ กิด
การซ้ อนทับกัน
การแทรกสอดกันของคลืน่ มี 2 แบบ คือ
1. การแทรกสอดแบบเสริม เกิดขึน้ เมือ่ ส่ วนทีเ่ ป็ นสันคลืน่ พบกับส่ วนทีเ่ ป็ นสันคลืน่
หรือส่ วนที่เป็ นท้ องคลืน่ พบกับส่ วนทีเ่ ป็ นท้ องคลืน่ แอมพลิจูดของคลืน่ ทั้งสองจะเสริมกัน
ทาให้ แอมพลิจูด ณ ตาแหน่ งนั้นสู งขึน้ มากทีส่ ุ ด และลดลงตา่ มากทีส่ ุ ด
เรียกตาแหน่ งนีว้ ่ า ปฏิบัพ (antinode)
2. การแทรกสอดแบบหักล้างกัน เกิดขึน้ เมือ่ ส่ วนที่เป็ นสันคลืน่ พบกับส่ วนที่เป็ นท้องคลืน่
แอมพลิจูดของคลืน่ ทั้งสองจะหักล้างกัน ทาให้ แอมพลิจูดรวมมีค่าเป็ นศูนย์
เรียกตาแหน่ งนีว้ ่ า บัพ (node)
A1
S1
N1
A0
N1
A1
S2
ตำแหน่งบัพ ( เกิดกำรแทรกสอดแบบหักล้ ำง )
ตำแหน่งปฏิบพั ( เกิดกำรแทรกสอดแบบเสริม )
สู ตรปฏิบัพ (เสริม)
สู ตรบัพ (หักล้ าง)
ตัวอย่าง
กิจกรรม
การเลีย้ วเบนของคลืน่ เกิดขึน้ ได้ เมือ่ คลืน่ จากแหล่งกาเนิดเดินทางไปพบสิ่ งกีดขวางที่มี
ลักษณะเป็ นขอบหรือช่ องทาให้ คลืน่ เคลือ่ นที่เลีย้ วอ้ อมผ่ านสิ่ งกีดขวางไปได้
การอธิบายปรากฏการณ์ การเลีย้ วเบนของคลืน่ อธิบายโดยใช้
หลักของฮอยเกนส์
หลักของฮอยเกนส์ (Huygen’s principle)
“ทุกๆ จุดบนหน้ าคลืน่ เดียวกัน อาจถือว่ าเป็ นแหล่งกาเนิดคลืน่ ชุ ดใหม่
ทีแ่ ผ่ ออกไปทุกทิศทางด้ วยอัตราเร็ว เท่ าเดิม”
คุณสมบัติของการเลีย้ วเบน
การแทรกสอดของคลื่นที่เลีย้ วเบนผ่านช่องแคบ
ถ้าช่องแคบมีความกว้างกว่าความยาวคลื่น คลื่นจะเลี้ยวเบนแล้ว
เกิดการแทรกสอด โดยที่แนวกลางไม่มีการแทรกสอด (ไม่มี n = 0) แต่
ถัดออกไปทั้งสองข้างเกิดแนวบัพ และปฏิบพั ขึ้น
ตัวอย่าง
กิจกรรม
1. คลืน
่ นา้ ชุ ดหนึ่งมีความยาวคลืน่ 4 เซนติเมตร มีหน้ าคลืน่ ขนานกับช่ องแคบเดีย่ ว
กว้ าง 12.5 เซนติเมตร จะทาให้ เกิดแนวบัพทั้งหมดได้ กแี่ นว (ใช้ มุม เท่ ากับ 90 องศา)
การสั่ นพ้อง (Resonance)
การสั่ นพ้ อง คือ การทีว่ ตั ถุสั่นด้ วยความถี่ธรรมชาติโดยแอมปลิจูดของการสั่ นมากขึน้
เรื่อยๆ
การสั่ นพ้องด้ วยแรง หมายถึง การสั่ นพ้องทีเ่ กิดขึน้ โดยการออกแรงกระทากับ
วัตถุเป็ นจังหวะทีม่ คี วามถี่เท่ ากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุเป็ นเวลานาน เช่ น
เมือ่ ลมพัดทีค่ วามเร็วคงตัวค่ าหนึ่งเป็ นเวลานาน ซึ่งแรงลมพอดีกบั ความถี่ธรรมชาติของ
สะพานทาให้ สะพานเกิดการสั่ นพ้ อง แอมปลิจูดของการสั่ นทีม่ ากขึน้ ทาให้ สะพานขาด
คลืน่ นิ่ง
(Standing Wave)
คลืน่ นิ่ง เป็ นปรากฏการณ์ ทเี่ กิดจากคลืน่ 2 ขบวน ทีม่ ีแอมพลิจูดเท่ ากัน
มีความยาวคลืน่ เท่ ากัน มีอตั ราเร็วเท่ ากัน เคลือ่ นที่สวนทางกันในแนวเส้ นตรงเดียวกัน
และเกิดการรวมกันตามหลักการรวมกันของคลืน่ ซึ่งพบว่ ามีบางตาแหน่ งการกระจัดของ
คลืน่ รวมมีค่าเป็ นศูนย์ เสมอ เรียกตาแหน่ งนีว้ ่ า บัพ (Node) และมีบางตาแหน่ งการ
กระจัดของคลืน่ รวมมีการกระจัดเปลีย่ นแปลงตั้งแต่ ลบมากสุ ดไปจนถึงบวกมากสุ ด
ซึ่งอยู่กงึ่ กลางระหว่ างจุดบัพที่ตดิ กัน เรียกตาแหน่ งนีว้ ่ า ปฏิบัพ (Antinode)