แสงเชิงรังสี: สรุปเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย กฎการสะท้อน กฎของสเนลล์ และสูตรคำนวณครบถ้วน

Key Takeaways:

  • แสงเชิงรังสีหรือแสงเชิงเรขาคณิตอธิบายพฤติกรรมของแสงผ่านรังสีซึ่งตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ
  • กฎการสะท้อนกล่าวว่า “มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน และรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน เส้นแนวฉาก ต้องอยู่ในระนาบเดียวกัน”
  • การหักเหของแสงเกิดขึ้นจากอัตราเร็วแสงเปลี่ยนไปในแต่ละตัวกลาง ในกรณีที่รังสีทำมุมกับเส้นแนวฉาก ความยาวคลื่น อัตราเร็วแสง มุมตกกระทบ และมุมหักเห เป็นไปตามกฎของสเนลล์
  • มุมวิกฤตเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหมากไปน้อยและมุมหักเหเท่ากับ 90^\circ
  • การเกิดภาพจากกระจกและเลนส์คำนวณผ่านสูตรเดียวกัน แต่ต้องระวังเครื่องหมายของปริมาณต่าง ๆ ที่แทนค่าในสูตร

Table of Contents

การอธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของแสงสามารถทำได้หลายวิธีตามแบบจำลองทางฟิสิกส์ ในระดับ ม.ปลาย จะศึกษาแสงเชิงคลื่นเพื่ออธิบายการเลี้ยวเบนและการแทรกสอด และศึกษาปรากฏการณ์สะท้อนและการหักเห และการมองแบบจำลอง “แสงเชิงรังสี” (Ray Optics) หรือ “แสงเชิงเรขาคณิต” (Geometrical Optics) ที่ทำให้มองเห็นภาพและคำนวณได้ง่ายขึ้นด้วยหลักการทางคณิตศาสตร์และเรขาคณิต

สมัครเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย กับ OnDemand  

รังสีของแสง (Light Ray) คือ เส้นตรงสมมติที่ลากตั้งฉากกับหน้าคลื่นแสงเพื่อบอกทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง เช่น แสงจากแหล่งกำเนิดที่เป็นจุดจะแผ่รังสีออกไปรอบทิศทาง ขณะที่แสงจากแหล่งกำเนิดที่อยู่ไกลมากอย่างดวงอาทิตย์จะเดินทางเข้ามาเป็นรังสีขนาน 

การสะท้อนของแสงและกฎการสะท้อน

การสะท้อนของแสง (Reflection of Light) เกิดขึ้นเมื่อรังสีของแสงเดินทางไปตกกระทบรอยต่อของตัวกลางและสะท้อนกลับมาในตัวกลางเดิม โดยพฤติกรรมของแสงจะเป็นไปตามกฎการสะท้อน (Law of Reflection) ที่มี 2 ข้อ ดังนี้ 

  1. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉาก (Normal Line) จะต้องอยู่ในระนาบเดียวกัน
  2. มุมตกกระทบจะเท่ากับมุมสะท้อน โดยที่มุมทั้งสองต้องวัดเทียบกับเส้นแนวฉาก เขียนแทนด้วยสมการ
\theta_1 = \theta_2

image2 1 - สถาบันกวดวิชา OnDemand

image4 1 - สถาบันกวดวิชา OnDemand

เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวที่เรียบสนิท เช่น กระจกเงาราบ แสงจะสะท้อนอย่างเป็นระเบียบไปในทิศทางเดียวกัน แต่ถ้าแสงตกกระทบพื้นผิวที่ขรุขระ เช่น แผ่นกระดาษยับหรือพื้นคอนกรีต แสงจะสะท้อนออกไปอย่างไร้ระเบียบในทิศทางที่หลากหลาย 

การหักเหของแสง ดรรชนีหักเห และกฎของสเนลล์

การหักเหของแสง (Refraction of Light) เป็นปรากฏการณ์ที่แสงเดินทางผ่านรอยต่อระหว่างตัวกลางต่างชนิดกัน เนื่องจากเมื่อแสงการหักเห อัตราเร็วของแสงในตัวกลางแต่ละชนิดจะเปลี่ยนไปตามตัวกลางนั้น เพื่อระบุคุณสมบัตินี้ ทางฟิสิกส์จึงกำหนดค่า ดรรชนีหักเห (Index of Refraction, n) ของตัวกลาง ซึ่งหาได้จากอัตราส่วนระหว่างอัตราเร็วแสงในสุญญากาศ (c \approx 3.0 \times 10^8 \text{ m/s}) ต่ออัตราเร็วของแสงในตัวกลางนั้นๆ (v)

n = \dfrac{c}{v}

ค่าดรรชนีหักเหเป็นปริมาณที่ไม่มีหน่วย ตารางด้านล่างแสดงค่าดรรชนีหักเหของสารบางชนิดสำหรับความยาวคลื่นแสง 589\text{ nm} ที่อุณหภูมิ 20^\circ\text{C}

สสาร 

สถานะที่อุณหภูมิ 20^\circ\text{C}

ดรรชนีหักเห (n)

สุญญากาศ / อากาศ

แก๊ส

1.00

น้ำแข็ง

ของแข็ง

1.31

น้ำ

ของเหลว

1.33

แก้วคราวน์

ของแข็ง

1.52

แก้วฟลินท์

ของแข็ง

1.66

จากการหักเหของแก้วคราวน์ที่มีดรรชนีหักเหเท่ากับ 1.52 พบว่าแสงเคลื่อนที่ช้าลงในเนื้อแก้วคราวน์ โดยอัตราเร็วสามารถคำนวณได้ดังนี้

จากนิยามดรรชีหักเห n = \dfrac{c}{v}

จะได้ว่า v = \dfrac{3.0 \times 10^8}{1.52} \approx 1.97 \times 10^8 \text{ m/s}

กฎของสเนลล์

image5 1 - สถาบันกวดวิชา OnDemand

พฤติกรรมการหักเหของแสงเป็นไปตาม กฎของสเนลล์ (Snell’s Law) ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ไว้ว่าอัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบ (\sin \theta_1) ในตัวกลางที่หนึ่งต่อไซน์ของมุมหักเหในตัวกลางที่สอง (\sin \theta_2) จะมีค่าคงที่เสมอ

n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2

และมีความสัมพันธ์กับอัตราเร็ว (v) และความยาวคลื่นแสง (\lambda) ดังนี้

\dfrac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = \dfrac{v_1}{v_2} = \dfrac{\lambda_1}{\lambda_2} = \dfrac{n_2}{n_1}

มุมวิกฤตและการสะท้อนกลับหมด

เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่ดรรชนีหักเหมากไปยังตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหน้อยกว่า เช่น จากพลาสติกหรือน้ำออกสู่อากาศ รังสีหักเหจะเบนออกจากเส้นแนวฉาก ทำให้มุมหักเหโตกว่ามุมตกกระทบ หากเพิ่มมุมตกกระทบขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งมุมหักเหมีค่าเท่ากับ 90^\circ พอดีตามแนวรอยต่อตัวกลาง มุมตกกระทบนี้จะเรียกว่า มุมวิกฤต (Critical Angle, \theta_c)

image6 - สถาบันกวดวิชา OnDemand

จากกฎของสเนลล์ หากกำหนดให้ตัวกลางที่สองเป็นอากาศ (n_2 = 1.00) และมุมหักเห \theta_2 = 90^\circ จะได้สมการสำหรับคำนวณหามุมวิกฤตดังนี้

\sin \theta_c = \dfrac{n_2}{n_1}

ในกรณีที่มุมตกกระทบมีค่าเพิ่มขึ้นจนมากกว่ามุมวิกฤต (\theta_1 > \theta_c) แสงจะไม่สามารถหักเหออกไปยังตัวกลางถัดไปได้ แต่จะสะท้อนกลับเข้ามายังตัวกลางเดิมทั้งหมด ซึ่งเรียกว่า การสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection)

ปรากฏการณ์ลึกจริงและลึกปรากฏ

เมื่อมองวัตถุที่อยู่ในตัวกลางต่างชนิดกับตาของผู้สังเกต รังสีของแสงจากวัตถุจะหักเหที่ผิวรอยต่อก่อนเข้าสู่ดวงตา ส่งผลให้เรามองเห็นภาพวัตถุอยู่ในตำแหน่งที่คลาดเคลื่อนไปจากความเป็นจริง เรียกว่า ลึกจริงและลึกปรากฏ (Real and Apparent Depth) 

image3 1 - สถาบันกวดวิชา OnDemand

สำหรับการมองในแนวตรงหรือทำมุมน้อยมาก ๆ กับเส้นแนวฉากสามารถคำนวณหาความสัมพันธ์ได้ผ่านสมการ

\dfrac{s’}{s} = \dfrac{n_{\text{ตา}}}{n_{\text{วัตถุ}}}

โดยที่ s คือ ระยะลึกจริงของวัตถุเทียบจากผิวรอยต่อ

s’ คือ ระยะลึกปรากฏของภาพวัตถุเทียบจากผิวรอยต่อ 

n_{\text{ตา}} คือ ดรรชนีหักเหของตัวกลางที่ตาผู้สังเกตอยู่ 

n_{\text{วัตถุ}} คือ ดรรชนีหักเหของตัวกลางที่วัตถุอยู่ scs .

หากเราอยู่ในอากาศมองลงไปดูปลาในน้ำปลาจะปรากฏอยู่ตื้นกว่าความจริง ในทางตรงกันข้าม หากปลาอยู่ในน้ำมองขึ้นมาดูวัตถุในอากาศ จะเห็นวัตถุอยู่สูงขึ้นและไกลกว่าปกติ

ภาพที่เกิดจากกระจกเงาทรงกลมและเลนส์บาง

การคำนวณหาตำแหน่ง ขนาด และชนิดของภาพที่เกิดจากการสะท้อนบนกระจกเงาทรงกลมได้แก่ กระจกเว้า และกระจกนูน หรือภาพที่เกิดจากการหักเหผ่านเลนส์บาง ได้แก่ เลนส์นูน และเลนส์เว้า สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยสูตรฟิสิกส์ชุดเดียวกัน ดังนี้

\dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{s} + \dfrac{1}{s’}

และสูตรสำหรับคำนวณหากำลังขยายภาพ (m) เพื่อระบุขนาดและลักษณะของภาพ 

m = \dfrac{y’}{y} = -\dfrac{s’}{s}

หลักการสำคัญที่สุดในการแก้โจทย์ปัญหาหัวข้อนี้ คือ การแทนค่าเครื่องหมายบวกหรือลบให้กับตัวแปรแต่ละตัว ซึ่งมีข้อตกลง ดังนี้

ปริมาณทางฟิสิกส์

เครื่องหมายบวก (+)

เครื่องหมายลบ (-)

ความยาวโฟกัส (f)

กระจกเว้า / เลนส์นูน

กระจกนูน / เลนส์เว้า

ระยะวัตถุ (s)

วัตถุจริง (อยู่หน้ากระจก/เลนส์)

วัตถุเสมือน (อยู่หลังกระจก/เลนส์)

ระยะภาพ (s’)

ภาพจริง (หน้ากระจก / หลังเลนส์)

ภาพเสมือน (หลังกระจก / หน้าเลนส์)

กำลังขยาย (m)

ภาพจริง (หัวกลับ)*

ภาพเสมือน (หัวตั้ง)*

หมายเหตุ: ข้อสรุปที่ว่า ภาพจริง (หัวกลับ)* และภาพเสมือน (หัวตั้ง)* เป็นภาพที่เกิดจากกระจกหนึ่งบานหรือเลนส์หนึ่งชิ้น

ตัวอย่างโจทย์ฟิสิกส์ ม.ปลาย พร้อมวิธีทำอย่างละเอียด

การหามุมวิกฤตของวัสดุ

ตัวอย่าง จงหามุมวิกฤตของแท่งพลาสติกชนิดหนึ่งที่มีดรรชนีหักเหประมาณ 1.5 เมื่อวางไว้

ในอากาศ

วิธีทำ จากการสะท้อนกลับหมด แสงจะต้องเดินทางจากตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหมากกว่าไปน้อยกว่า ดัง

นั้นตัวกลางที่ 1 คือพลาสติก (n_1 = 1.5) และตัวกลางที่ 2 คืออากาศ (n_2 = 1.0)

จากสูตรมุมวิกฤต \sin \theta_c = \dfrac{n_2}{n_1}

แทนค่า \sin \theta_c = \dfrac{1.0}{1.5} = \dfrac{2}{3} </p> \theta_c = \sin^{-1}\left(\dfrac{2}{3} </p> <p>\right) \approx 41.8^\circ

ตอบ มุมวิกฤตของแท่งพลาสติกประมาณ 41.8 องศา

ปรากฏการณ์ลึกจริงลึกปรากฏ

ตัวอย่าง ปลาเสือตัวหนึ่งว่ายอยู่ในน้ำ กำลังจ้องมองแมลงปอที่บินอยู่ในอากาศในแนวตรงเหนือผิวน้ำ

โดยปลาเสืออยู่ใต้จากผิวน้ำ 30 เซนติเมตร ปลาเสือตัวนี้จะมองเห็นแมลงปออยู่

ห่างจากผิวน้ำที่ระยะกี่เซนติเมตร กำหนดให้ ดรรชนีหักเหของน้ำมีค่าเท่ากับ

\dfrac{4}{3}

วิธีทำ เนื่องจากผู้สังเกตคือปลาซึ่งอยู่ในน้ำ ดังนั้นดรรชนีหักเหฝั่งตาคือ n_{\text{ตา}} = </p> <p>\dfrac{4}{3} ส่วนวัตถุคือ แมลงปอซึ่งบินอยู่ในอากาศ ดรรชนีหักเหฝั่งวัตถุคือ n_{\</p> <p>text{วัตถุ}} = 1.0 ระยะวัตถุจริงจากผิวน้ำคือ s = 30\text{ cm}.6

หาระยะลึกปรากฏ (s') จาก 

\dfrac{s'}{s} = \dfrac{n_{\text{ตา}}}{n_{\text{วัตถุ}}}

แทนค่า \dfrac{s'}{30} = \dfrac{\dfrac{4}{3}}{1.0} 

s' = 30 \times \dfrac{4}{3} = 40\text{ cm}

ตอบ ปลาเสือจะมองเห็นแมลงปออยู่ห่างจากผิวน้ำเป็นระยะ 40 เซนติเมตร

การเกิดภาพจากกระจกเว้า

ตัวอย่าง วัตถุอันหนึ่งตั้งอยู่บนแกนมุขสำคัญหน้ากระจกเว้าที่มีความยาวโฟกัส 10 

เซนติเมตร โดยวางห่างจากหน้ากระจกเป็นระยะ 15 เซนติเมตร จงหาตำแหน่งของ

ภาพและกำลังขยายที่เกิดขึ้น

วิธีทำ จากโจทย์ กระจกเว้า มีค่าโฟกัสเป็นบวก f = +10\text{ cm}

ระยะวัตถุจริง มีค่าเป็นบวก s = +15\text{ cm}

หาตำแหน่งระยะภาพ (s') 

จาก \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{s} + \dfrac{1}{s'}

แทนค่า \dfrac{1}{10} = \dfrac{1}{15} + \dfrac{1}{s'}

\dfrac{1}{s'} = \dfrac{1}{10} - \dfrac{1}{15} </p> <p>\dfrac{1}{s'} = \dfrac{3-2}{30} = \dfrac{1}{30} s' = +30\text{ cm}

เนื่องจากค่า s' มีเครื่องหมายเป็นบวก แสดงว่าภาพที่เกิดขึ้นคือ ภาพจริง ซึ่งจะปรากฏอยู่ด้านหน้ากระจกเว้าที่ระยะ 30\text{ cm}

หาขนาดและชนิดภาพเพิ่มเติมจากสูตรกำลังขยาย

m = -\dfrac{s'}{s} = -\dfrac{30}{15} = -2

กำลังขยายได้เครื่องหมายลบ แสดงว่าเป็นภาพจริงหัวกลับ

ตอบ เกิดภาพจริงขนาดขยายเป็น 2 เท่าของวัตถุ อยู่หน้ากระจกเว้าที่ระยะ30 เซนติเมตร

เรียนแสงเชิงรังสี กับ OnDemand

สำหรับน้อง ๆ ม.ปลาย ที่ต้องการเข้าใจเนื้อหาที่เรียนในวิชาฟิสิกส์ หากต้องการเน้นบทแสงเชิงรังสี สามารถเรียนกับ OnDemand ในคอร์สแสงเชิงรังสีและแสงเชิงคลื่น (0213) และกรณีต้องการปูพื้นฐานบทที่ควรเรียนก่อนจะเรียนแสงเชิงรังสีเพื่อให้เข้าใจโจทย์มากขึ้นหรือต้องการเรียนไปพร้อมกับบทในกลุ่มเนื้อหาเดียวกันสามารถเรียนกับ OnDemand ในคอร์ส Pack : การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกและกลุ่มคลื่น (0209, 0211, 0212, 0213) เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาในบทได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ ครูของ OnDemand มีเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับด้วยเทคนิค Supermap และ X-map พร้อมตะลุยโจทย์หลากหลายแนว

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

อ้างอิง

  • สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์กายภาพ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 2. จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 
  • Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9𝗍𝗁 ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแสงเชิงรังสี (FAQs)

Q1: เพราะเหตุใดภาพที่เกิดจากกระจกนูนจึงเป็นภาพเสมือนหัวตั้งขนาดเล็กกว่าวัตถุเสมอในทุกระยะวัตถุ

A1: เนื่องจากรังสีสะท้อนจะกระจายออกและไม่ตัดกันจริงหน้ากระจกได้ แต่ต้องต่อเส้นสมมติไปตัดกันด้านหลังกระจก จึงทำให้ได้ภาพเสมือนขนาดเล็กกว่าวัตถุเสมอในทางเรขาคณิต

A2: หากแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหน้อย เช่น อากาศ ไปยังตัวกลางที่มีดรรชนีหักเหมาก เช่น แก้ว จากกฎของสเนลล์ จะได้ว่า หากตัวกลางที่รังสีหักเหไปมีดรรชนีหักเหมากกว่า มุมหักเหจะมีขนาดน้อยกว่ามุมตกกระทบ รังสีหักเหเบนจึงเข้าหาเส้นแนวฉาก ในทางกลับกัน หากแสงเดินทางจากดรรชนีหักเหมากไปยังน้อย มุมหักเหจะมีขนาดมากกว่ามุมตกกระทบ รังสีหักเหจะเบนออกจากเส้นแนวฉาก

A3: ปรากฏการณ์ธรรมชาติเหล่านี้ล้วนเกิดขึ้นจากรังสีของแสงอาทิตย์ที่เดินทางผ่านตัวกลางธรรมชาติในชั้นบรรยากาศ เช่น ละอองน้ำหรือผลึกน้ำแข็ง แล้วเกิดการหักเห การกระจายแสงผ่านมุมหักเหที่ต่างกัน หรือการสะท้อนกลับหมดสลับซับซ้อนตามหลักฟิสิกส์เรขาคณิต ทำให้มนุษย์มองเห็นสีสันและตำแหน่งภาพเปลี่ยนไปจากความเป็นจริง

เหลือเวลาอีก
วัน
ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

วัน
ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที
เหลือเวลาอีก
ขั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที
ชั่วโมง
นาที
วัน
ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

พบกับข้อเสนอพิเศษสำหรับลูกค้าเก่า

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

ชั่วโมง
นาที

วันนี้เท่านั้น! รับ ID Book ฟรีทันที

ที่สาขาออนดีมานด์

พี่ออนดี้ส่งโมเมนต์สุดพิเศษให้น้อง

ต้อนรับวันวาเลนไทน์

ดีลดี ดีลเดียวก่อนหมดวันแห่งความรัก สมัครเลย

บัตรติว 100 ที่นั่งสุดท้าย เท่านั้น

วัน
ชั่วโมง

โค้งสุดท้ายแล้ว เหลือเวลา

00
ชั่วโมง
00
นาที

ข้อเสนอพิเศษมีเวลา

วัน
ชั่วโมง
นาที

ข้อเสนอพิเศษมีเวลา

วัน
ชั่วโมง
นาที

เหลือเวลา

00
ชั่วโมง
00
นาที

โค้งสุดท้าย TPAT3 เหลือเวลา

วัน

พี่ออนดีมานด์มีตัวช่วยพิเศษ

00
วัน
00
ชั่วโมง

เหลือเวลา

00
วัน
00
ชั่วโมง

เหลือเวลา

00
ชั่วโมง
00
นาที

วันสุดท้ายแล้ว

เหลือเวลา
00
วัน
00
ชั่วโมง