Key Takeaways:
หัวใจสำคัญของการเรียนคลื่นเสียง ม.5 คือกาคำนวณหาอัราเร็วของเสียง การสั่นพ้อง ความเข้มของเสียง และระดับความเข้มของเสียง ซึ่งน้อง ๆ จำเป็นต้องเข้าใจเนื้อหาของคลื่นกลมาก่อน เพราะเป็นฐานสำคัญในทำความเข้าใจการเป็นคลื่นของเสียง นอกจากนี้ บทคลื่นเสียงเป็นหนึ่งในหัวข้อยอดฮิตที่ออกในข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ บ่อยมาก โจทย์มักจะชอบวัดความเข้าใจการสั่นพ้องของเสียงและระดับความเข้มเสียง ถ้าเข้าใจบทนี้ตั้งแต่เนิ่น ๆ จะช่วยลดความกดดันเมื่อสอบจริงได้
Table of Contents
ธรรมชาติและการเกิดคลื่นเสียง
การเกิดเสียงและตัวกลางการเคลื่อนที่
แหล่งกำเนิดเสียงและการถ่ายโอนพลังงานผ่านอนุภาค
เสียงเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุที่เป็นแหล่งกำเนิด เช่น การสั่นของสายกีตาร์ หรือการสั่นของหลอดเสียงในลำคอเมื่อเราพูด พลังงานจากการสั่นนี้จะถูกถ่ายโอนให้แก่โมเลกุลของตัวกลางที่อยู่ล้อมรอบ ส่งผลให้อนุภาคของตัวกลางสั่นแกว่งกลับไปกลับมารอบจุดสมดุล และส่งผ่านพลังงานกลนี้ต่อไปยังอนุภาคถัด ๆ ไป
ในทางฟิสิกส์ ปรากฏการณ์ที่พลังงานเดินทางผ่านตัวกลางในลักษณะนี้ เรียกว่า คลื่นกล ดังนั้น คลื่นเสียง จึงจัดเป็นคลื่นกลอย่างสมบูรณ์ ซึ่งมีสมบัติสำคัญคือไม่สามารถเดินทางผ่านพื้นที่ที่เป็นสุญญากาศได้ จำเป็นต้องมีตัวกลางรองรับการเคลื่อนที่เสมอ
ลักษณะทางกายภาพของคลื่นเสียง
นิยามของคลื่นตามยาว
เมื่อพิจารณาทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลางเปรียบเทียบกับทิศทางการแผ่ของคลื่น เราสามารถจัดหมวดหมู่ให้ คลื่นเสียง เป็น คลื่นตามยาว เนื่องจากอนุภาคของตัวกลาง (เช่น โมเลกุลของอากาศ) จะสั่นสะเทือนในแนวขนานกับทิศทางการเดินทางของคลื่น
การเปรียบเทียบเฟสระหว่างกราฟการกระจัดและกราฟความดัน
ในการอธิบาย คลื่นเสียง เราสามารถเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ได้ 2 รูปแบบ คือ กราฟการกระจัด และกราฟความดันของอนุภาค
- ตำแหน่งสมดุล (การกระจัดเป็นศูนย์) จะเป็นตำแหน่งที่มีการเปลี่ยนแปลงความดันมากที่สุด (ไม่ว่าจะเป็นความดันสูงสุดหรือต่ำสุด)
- ตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุด จะเป็นตำแหน่งที่ความดันของอากาศมีค่าเท่ากับความดันบรรยากาศปกติพอดี (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงความดัน)
สรุปความสัมพันธ์ทางเฟส กราฟการกระจัดและกราฟความดันของ คลื่นเสียง จะมีความต่างเฟสกันอยู่ 90^\circ (หรือ \frac{\pi}{2} เรเดียน) เสมอ
ส่วนอัดและส่วนขยาย
พฤติกรรมของโมเลกุลอากาศในส่วนอัดและส่วนขยาย
เมื่อคลื่นเสียงเดินทางผ่านตัวกลางที่เป็นแก๊ส จะทำให้เกิดพื้นที่สองลักษณะสลับกันไปตามแนวการเคลื่อนที่
- ส่วนอัด เป็นบริเวณที่อนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่เข้าหากัน ทำให้โมเลกุลอัดตัวกันแน่น ส่งผลให้มีความหนาแน่นและความดันสูงกว่าปกติ
- ส่วนขยาย เป็นบริเวณที่อนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่แยกห่างออกจากกัน ทำให้โมเลกุลอยู่กันอย่างเบาบาง ส่งผลให้มีความหนาแน่นและความดันต่ำกว่าปกติ
ระยะทางจากใจกลางส่วนอัดถึงใจกลางส่วนอัดที่อยู่ถัดไป มีค่าเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่น \lambda
ระยะทางจากใจกลางส่วนขยายถึงใจกลางส่วนขยายที่อยู่ถัดไป มีค่าเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่น \lambda
ระยะทางจากใจกลางส่วนอัดถึงใจกลางส่วนขยายที่อยู่ติดกัน มีค่าเท่ากับครึ่งความยาวคลื่น \frac{\lambda}{2}
อัตราเร็วของคลื่นเสียง
อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางต่างสถานะ
ปัจจัยเรื่องความหนาแน่นและโครงสร้างของตัวกลาง
อัตราเร็วที่ คลื่นเสียง เดินทางผ่านตัวกลางจะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและสมบัติความยืดหยุ่นของตัวกลางนั้น ๆ เป็นหลัก ตัวกลางที่มีอนุภาคอยู่ชิดติดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูง จะสามารถส่งผ่านพลังงานการสั่นสะเทือนได้รวดเร็วกว่าตัวกลางที่อนุภาคอยู่ห่างกัน ดังนั้น อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางที่มีสถานะต่างกันจึงเรียงลำดับจากมากไปน้อยได้ดังนี้
v_{\text{ของแข็ง}} > v_{\text{ของเหลว}} > v_{\text{แก๊ส}}อัตราเร็วของเสียงในอากาศ
สำหรับตัวกลางที่เป็นอากาศ อัตราเร็วของเสียงจะแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (อุณหภูมิในหน่วยเคลวิน) เราศึกษาความสัมพันธ์นี้ใน 2 รูปแบบหลัก
1. การคำนวณจากอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส
ในกรณีที่อากาศมีอุณหภูมิไม่เกิน 45°C เราสามารถใช้สมการเชิงเส้นในการประมาณค่าอัตราเร็วของเสียงได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ คือ
v=331+0.6T- v คือ อัตราเร็วของเสียงในอากาศ มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)
- T คือ อุณหภูมิของอากาศ มีหน่วยเป็น องศาเซลเซียส (°C)
2. ความสัมพันธ์กับอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน
หากอุณหภูมิของอากาศเปลี่ยนแปลงไปมาก หรือโจทย์กำหนดอุณหภูมิในเกณฑ์ที่สูงกว่า 45°C เราต้องใช้กฎการแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน (K) เท่านั้น
\frac{v_1}{v_2}=\sqrt{\frac{T_1}{T_2}}- v1, v2 คือ อัตราเร็วของเสียงในตัวกลางที่ 1 และ 2 ตามลำดับ (m/s)
- T1, T2 คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวิน (K) โดยคำนวณจากสูตร
พฤติกรรมและสมบัติของคลื่นเสียง
เนื่องจากเสียงเป็นคลื่น จึงแสดงสมบัติพื้นฐานของคลื่นครบถ้วนทั้ง 4 ประการ ดังรายละเอียดต่อไปนี้
1. การสะท้อน
การสะท้อนเกิดขึ้นเมื่อ คลื่นเสียง เคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางที่มีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่น แล้วพลังงานเกิดการสะท้อนกลับมาในตัวกลางเดิม โดยเป็นไปตามกฎการสะท้อนคือ มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
ปรากฏการณ์เสียงก้อง
หูของมนุษย์จะสามารถแยกแยะเสียงสองเสียงออกจากกันได้ก็ต่อเมื่อเสียงนั้นเดินทางมาถึงหูต่างกันอย่างน้อย 0.1 วินาที หากเราตะโกนใส่หน้าผาแล้วเสียงสะท้อนกลับมาถึงหูเราใช้เวลามากกว่าหรือเท่ากับ 0.1 วินาที เราจะได้ยินเสียงสะท้อนแยกออกมาชัดเจน เรียกว่า เสียงก้อง
สมการการคำนวณการสะท้อน คิดจากระยะทางไป-กลับ
s=2x=vt
- x คือ ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดถึงสิ่งกีดขวาง
- t คือ เวลารวมที่คลื่นเดินทางไปและกลับ
2. การหักเห
การหักเหเกิดขึ้นเมื่อ คลื่นเสียง เดินทางผ่านตัวกลางที่ต่างชนิดกัน หรือเดินทางผ่านตัวกลางเดิมแต่มีคุณสมบัติต่างกัน เช่น อากาศที่อุณหภูมิไม่เท่ากัน ส่งผลให้อัตราเร็ว v และความยาวคลื่น \lambda เปลี่ยนแปลงไป แต่ความถี่ f ยังคงเท่าเดิม
การประยุกต์ใช้กฎของสเนลล์
เราสามารถคำนวณการเปลี่ยนทิศทางและมุมของรังสีเสียงได้ตามกฎของสเนลล์
\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{\lambda_1}{\lambda_2} = \sqrt{\frac{T_1}{T_2}}
การสะท้อนกลับหมด หากมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต เสียงจะไม่หักเหข้ามรอยต่อ แต่จะสะท้อนกลับหมดเข้ามาในตัวกลางเดิม เช่น ปรากฏการณ์ฟ้าแลบที่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง
3. การแทรกสอด
เมื่อ คลื่นเสียง จากแหล่งกำเนิดอาพันธ์สองแหล่งเดินทางมาพบกัน จะเกิดการรวมกันของคลื่นตามหลักการซ้อนทับ
แหล่งกำเนิดอาพันธ์เฟสตรงกัน
หากแหล่งกำเนิดทั้งสองมีเฟสตรงกัน (เช่น ลำโพงสองตัวต่อจากเครื่องกำเนิดสัญญาณเดียวกัน) จุดที่คลื่นมาพบกันจะเกิดปรากฏการณ์ดังนี้
แนวปฏิบัพ (Antinode) คลื่นเสริมกันอย่างสมบูรณ์ เกิดเสียงดัง
\left|S_1P-S_2P\right|=n\lambda,\qquad n=0,1,2,\ldotsแนวบัพ (Node) คลื่นหักล้างกันอย่างสมบูรณ์ เกิดเสียงค่อย
\left|S_1P-S_2P\right| = \left(n-\frac{1}{2}\right)\lambda, \qquad n=1,2,3,\ldotsโดยที่ \left|S_1P-S_2P\right| คือ ผลต่างระยะทางจากแหล่งกำเนิดเสียงทั้งสองไปถึงจุด P
4. การเลี้ยวเบน
การเลี้ยวเบนคือสมบัติที่ คลื่นเสียง สามารถเดินทางอ้อมสิ่งกีดขวางหรือลอดผ่านช่องแคบ เช่น ขอบประตู หรือขอบหน้าต่าง แล้วแผ่กระจายออกไปทางด้านหลังได้ ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้ว่าเหตุใดเราจึงสามารถได้ยินเสียงคนที่คุยกันอยู่นอกห้องได้ แม้จะยืนอยู่ในมุมที่มองไม่เห็นตัวคนพูดก็ตาม
ความเข้มเสียงและการได้ยิน
เมื่อพลังงานจากแหล่งกำเนิดส่งผ่านตัวกลางมาถึงหูของมนุษย์ ปริมาณพลังงานนั้นจะถูกประมวลผลออกมาเป็นความรู้สึกดังหรือค่อย ในทางฟิสิกส์เราสามารถวัดปริมาณพลังงานของ คลื่นเสียง ที่แผ่ออกมาได้ในรูปของ ความเข้มเสียง และ ระดับความเข้มเสียง
ความเข้มเสียง
ความเข้มเสียง (I) คือ กำลังเสียง (P) ที่ตกตั้งฉากบนพื้นที่ (A) หนึ่งหน่วย มีความสัมพันธ์ตามสมการ
I=\frac{P}{A}- I คือ ความเข้มเสียง ณ ตำแหน่งที่พิจารณา มีหน่วยเป็น W/m²
- P คือ กำลังเสียงของแหล่งกำเนิด มีหน่วยเป็น W
- A คือ พื้นที่รับเสียงที่เสียงตกกระทบ มีหน่วยเป็น m²
หากแหล่งกำเนิดเสียงมีขนาดเล็กมากจนถือว่าเป็นจุดกำเนิดเสียง คลื่นกลชนิดนี้จะแผ่พลังงานออกไปรอบทิศทางเป็นรูปทรงกลมสามมิติอย่างเท่า ๆ กัน พื้นที่ผิวทรงกลม ณ ระยะห่าง r จากจุดกำเนิดจะมีค่าเท่ากับ
A=4\pi r^2สมการความเข้มเสียงจึงกลายเป็น
I=\frac{P}{4\pi r^2}จากสมการนี้ เมื่อกำลังเสียง P ของแหล่งกำเนิดมีค่าคงที่ เราจะได้ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มเสียงกับระยะทางจากแหล่งกำเนิดดังนี้
\frac{I_1}{I_2}=\left(\frac{r_2}{r_1}\right)^2ระดับความเข้มเสียง
มนุษย์เรามีการรับรู้ความเข้มเสียงน้อยที่สุดปกติเริ่มได้ยิน I_0 มีค่าเท่ากับ 10^{-12}\,\mathrm{W/m^2} และความเข้มเสียงมากที่สุดที่หูทนได้โดยไม่เจ็บปวด I_{\mathrm{pain}} มีค่าเท่ากับ 10^0=1\,\mathrm{W/m^2}
เนื่องจากตัวเลขมีช่วงกว้างถึง 10^{12} เท่า นักฟิสิกส์จึงเปลี่ยนสเกลให้อยู่ในรูปของลอการิทึม เรียกว่า ระดับความเข้มเสียง มีหน่วยเป็นเดซิเบล (dB) ตามสมการ
\beta=10\log\left(\frac{I}{I_0}\right)- \beta คือ ระดับความเข้มเสียง (dB)
- I คือ ความเข้มเสียง (W/m²)
คุณลักษณะของเสียงที่มนุษย์รับรู้
มนุษย์เราใช้ระบบประสาทในการจำแนกรูปขบวนของ คลื่นเสียง ออกเป็น 3 คุณลักษณะหลัก ดังนี้
- ระดับเสียง สัมพันธ์โดยตรงกับความถี่ของคลื่น เสียงที่มีความถี่สูงจะเป็นเสียงแหลม เสียงที่มีความถี่ต่ำจะเป็นเสียงทุ้ม หูคนปกติได้ยินเสียงในช่วงความถี่ 20 Hz ถึง 20,000 Hz
- ความดัง สัมพันธ์โดยตรงกับแอมพลิจูดของคลื่นเสียงและความเข้มเสียง คลื่นที่มีแอมพลิจูดสูงจะส่งพลังงานมาก ทำให้หูรับรู้ว่าเป็นเสียงที่ดัง
- คุณภาพเสียง เป็นลักษณะเฉพาะที่ใช้แยกแยะแหล่งกำเนิดเสียงต่างชนิดกันได้ แม้จะเปิดเสียงที่ความถี่และความดังเท่ากัน เนื่องจากแหล่งกำเนิดแต่ละชนิดจะสร้างรูปขบวนคลื่นที่มีสัดส่วนของเสียงความถี่ธรรมชาติย่อย ๆ (ฮาร์มอนิก) ผสมผสานกันออกมาจนเกิดเป็นรูปคลื่นรวมที่เป็นเอกลักษณ์
ปรากฏการณ์เกี่ยวกับเสียง
คลื่นนิ่งและการสั่นพ้องในท่อ
เมื่อเราส่งคลื่นเสียงเข้าไปในท่อจำกัดความยาว คลื่นจะไปสะท้อนที่ปลายท่อและเดินทางกลับมาแทรกสอดกับคลื่นที่สวนเข้าไป เกิดเป็น คลื่นนิ่ง ขึ้น หากเราปรับความถี่ของเสียงให้พอดีกับความถี่ธรรมชาติของลำอากาศในท่อ จะเกิดการสั่นพ้องทำให้เสียงดังขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การสั่นพ้อง (Resonance)
1. ท่อปลายปิดหนึ่งด้าน
ที่ปลายปิด อนุภาคอากาศขยับไม่ได้จึงเกิดเป็นตำแหน่งบัพ (Node: N) ส่วนที่ปลายเปิดอนุภาคขยับได้อิสระสุดจึงเกิดเป็นตำแหน่งปฏิบัพ (Antinode: A) ความถี่สั่นพ้องครั้งแรก (ความถี่มูลฐาน) เกิดขึ้นเมื่อ
L=\frac{\lambda}{4}สมการความถี่สั่นพ้องของท่อปลายปิดคือ
f_n=\frac{nv}{4L}เมื่อ
n=1,3,5,\ldotsหมายเหตุ: ท่อปลายปิดจะมีเฉพาะเลขฮาร์มอนิกที่เป็นเลขคี่เท่านั้น
2. ท่อปลายเปิดสองด้าน
เนื่องจากปลายทั้งสองด้านเปิดสู่อากาศ จึงเกิดตำแหน่งปฏิบัพ (Antinode) ที่ปลายทั้งสองฝั่ง
ความถี่สั่นพ้องครั้งแรกเกิดขึ้นเมื่อ
L=\frac{\lambda}{2}สมการความถี่สั่นพ้องของท่อปลายเปิดสองด้านคือ
f_n=\frac{nv}{2L}เมื่อ
n=1,2,3,\ldotsบีตส์ของเสียง
บีตส์คือปรากฏการณ์แทรกสอดที่เกิดจากคลื่นเสียงสองขบวนที่มีความถี่ใกล้เคียงกันเกิดการแทรกสอดกัน ทำให้ผู้ฟังได้ยินเสียงดังและค่อยสลับกันเป็นจังหวะ
ความถี่บีตส์ f_b คือจำนวนครั้งที่ได้ยินเสียงดังในหนึ่งวินาที ซึ่งหูของมนุษย์จะแยกแยะบีตส์ได้ดีเมื่อความถี่ต่างกันไม่เกิน 7 Hz คำนวณจาก
f_b=\left|f_1-f_2\right|
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์และคลื่นกระแทก
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
คือปรากฏการณ์ที่ผู้ฟังรับรู้ความถี่ของเสียงเปลี่ยนไปจากเดิม เนื่องจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงและผู้ฟัง คำนวณความถี่ที่ผู้ฟังได้รับ f_L ดังนี้
f_L=f_s\frac{v\pm v_L}{v\mp v_s}- v คือ อัตราเร็วของเสียงในอากาศ
- v_L คือ อัตราเร็วของผู้ฟัง (Listener)
- v_s คือ อัตราเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง (Source)
- f_s คือ ความถี่เสียงของแหล่งกำเนิดเสียง
เทคนิคการเลือกเครื่องหมาย (\pm,\ \mp)
- พิจารณาตัวเศษ v\pm v_L หากผู้ฟังเคลื่อนที่ เข้าหา แหล่งกำเนิด ให้ใช้เครื่องหมาย + แต่หากผู้ฟังเคลื่อนที่ ออกจาก แหล่งกำเนิด ให้ใช้เครื่องหมาย –
- พิจารณาตัวส่วน v\mp v_s หากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ เข้าหา ผู้ฟัง ให้ใช้เครื่องหมาย – แต่หากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ ออกจาก ผู้ฟัง ให้ใช้เครื่องหมาย +
คลื่นกระแทก
เกิดเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วที่มากกว่าอัตราเร็วของเสียงในอากาศ v_s>v ทำให้หน้าคลื่นอัดซ้อนทับกันเป็นรูปกรวย เมื่อเคลื่อนผ่านผู้ฟังจะเกิดเสียงดังเรียกว่า ซอนิกบูม (Sonic Boom) เราสามารถคำนวณมุมยอดกรวย \theta ได้จาก
\sin\theta=\frac{v}{v_s}
ตัวอย่างข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ เรื่อง คลื่นเสียง
ตัวอย่างที่ 1
ปล่อยเสียงจากแหล่งกำเนิดปรับความถี่ได้เข้าไปในท่อปลายปิด พบว่าความถี่ที่ทำให้เกิดการสั่นพ้องเรียงจากน้อยสุดไปมาก คือ f_A,\ f_B,\ f_C,\ \ldots
ถ้าทราบว่า f_B=300\ \text{Hz} และอัตราเร็วเสียงในอากาศมีค่า 344\ \text{m/s} ท่อนี้มีความยาวกี่เมตร
- 0.29 เมตร
- 0.43 เมตร
- 0.57 เมตร
- 0.72 เมตร
- 0.86 เมตร
วิธีทำ
ฮาร์มอนิกที่ 1
L=\frac{\lambda}{4}ฮาร์มอนิกที่ 3
f_B=300=\frac{3v}{4L} \lambda=\frac{v}{f}=\frac{344}{300}=1.147\ \text{m}จากสมการฮาร์มอนิกที่ 3
L=\frac{3\lambda}{4} =\frac{3(1.147)}{4} =0.86\ \text{m}ดังนั้น ความยาวของท่อปลายปิดนี้เท่ากับ 0.86 เมตร ตอบข้อ 5
ตัวอย่างที่ 2
แหล่งกำเนิดเสียงแหล่งหนึ่งให้คลื่นเสียงสม่ำเสมอทุกทิศทาง พบว่าระดับความเข้มเสียงที่จุด A มีค่าสูงกว่าระดับความเข้มเสียงที่จุด B อยู่ 20 เดซิเบล ถ้าจุด A อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง 4.0 เมตร จงหาว่าจุด B อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียงกี่เมตร
- 40 เมตร
- 10 เมตร
- 20 เมตร
- 8 เมตร
- 16 เมตร
วิธีทำ
จากสมการระดับความเข้มเสียง
\beta=10\log\left(\frac{I}{I_0}\right)เมื่อโจทย์กำหนดผลต่างของระดับความเข้มเสียง
\beta_A-\beta_B = 10\log\left(\frac{I_A}{I_B}\right) = 10\log\left(\frac{r_B}{r_A}\right)^2 20 = 10\log\left(\frac{r_B}{4}\right)^2 \left(\frac{r_B}{4}\right)^2 = 10^2 = 100 r_B=40\ \text{m}ดังนั้น หากต้องการให้ระดับความเข้มเสียงของตำแหน่ง A มากกว่าตำแหน่ง B อยู่ 20 เดซิเบล จะต้องให้ตำแหน่ง B อยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง 40 เมตร ตอบข้อ 1
เรียนเรื่องคลื่นเสียง ม.5 กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.5 ที่ต้องการปูพื้นฐานเรื่องคลื่นเสียง หรือเตรียมตัวสอบเรื่องนี้อย่างมีประสิทธิภาพ การเรียนกับ OnDemand ในคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : เสียง เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับด้วยเทคนิค Supermap และ X-map พร้อมตะลุยโจทย์หลากหลายแนว
นอกจากนี้ สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการเตรียมตัวสอบเข้ามหาวิทยาลัย ทาง OnDemand มีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 6 : กลุ่มคลื่น ให้เลือกด้วยเช่นกัน ซึ่งน้อง ๆ จะได้เรียนเน้นเนื้อหาออกข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ บ่อย และตะลุยโจทย์สอบเข้ามหาวิทยาลัยเรื่องคลื่นเสียงแบบเข้มข้นในคอร์สนี้ เพื่อเตรียมพร้อมสอบแข่งขันได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 4. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9th ed.). Brooks/Cole Cengage Learning.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับคลื่นเสียง ม.5 (FAQs)
Q: คลื่นเสียงเป็นคลื่นชนิดใด และสามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้หรือไม่?
A: คลื่นเสียงเป็น “คลื่นกล” (Mechanical Wave) และเป็น “คลื่นตามยาว”
- คลื่นกล: หมายความว่าเสียง “ต้องอาศัยตัวกลาง” ในการเคลื่อนที่ ดังนั้น เสียงไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้ (เช่น ในอวกาศจะไม่มีเสียง)
- คลื่นตามยาว: หมายความว่าอนุภาคของตัวกลางจะสั่นในทิศทาง “ขนาน” กับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ทำให้เกิดเป็น “ส่วนอัด” ที่ความดันสูง และ “ส่วนขยาย” ที่ความดันต่ำ สลับกันไป
Q: อัตราเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับอะไรบ้าง? ทำไมเสียงเดินทางในของแข็งได้เร็วกว่าในอากาศ?
A: อัตราเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับ สมบัติของตัวกลาง และ อุณหภูมิ
- สถานะของตัวกลาง: เสียงเดินทางผ่านของแข็งได้เร็วที่สุด รองลงมาคือของเหลว และช้าที่สุดในแก๊ส (อากาศ) สาเหตุเพราะในของแข็ง อนุภาคอยู่ชิดติดกันมากและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูง เมื่อเกิดการสั่นสะเทือน จึงส่งต่อพลังงานไปยังอนุภาคถัดไปได้ทันที
- อุณหภูมิ (ในอากาศ): เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อากาศจะมีพลังงานจลน์มากขึ้น ทำให้อัตราเร็วเสียงเพิ่มขึ้น โดยคำนวณจากสูตรประมาณการ (สำหรับอุณหภูมิไม่เกิน 45°C) คือ:
- v=331+0.6T (เมื่อ v คืออัตราเร็วเสียงหน่วย m/s และ T คืออุณหภูมิหน่วยองศาเซลเซียส)
Q: เสียงก้อง (Echo) คืออะไร และมีเงื่อนไขอย่างไรถึงจะได้ยิน?
A: เสียงก้องเกิดจาก สมบัติการสะท้อนของคลื่นเสียง เมื่อเสียงกระทบสิ่งกีดขวางแล้วสะท้อนกลับมาเข้าหูเรา
- เงื่อนไข: สมองมนุษย์จะแยกเสียงสองเสียงออกจากกันได้ ก็ต่อเมื่อเสียงทั้งสองเดินทางมาถึงหูห่างกันอย่างน้อย 0.1 วินาที
- หากสมมติให้อัตราเร็วเสียงในอากาศเป็น 340 m/s ระยะทางไป-กลับขั้นต่ำที่เสียงเดินทางใน 0.1 วินาที คือ
- s=vt=3400.1=34 เมตร
