Key Takeaways:
- แสงเชิงคลื่น เป็นการศึกษาพฤติกรรมของแสงในฐานะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยมีปรากฏการณ์สำคัญที่เป็นหลักฐานยืนยันความเป็นคลื่น ได้แก่ การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน
- สลิตคู่ (Double Slit) ใช้พิสูจน์การแทรกสอดของแสงตามการทดลองของธอมัส ยัง เกิดแถบสว่างและแถบมืดที่มีความกว้างและระยะห่างสม่ำเสมอกัน
- สลิตเดี่ยว (Single Slit) แสดงการเลี้ยวเบนของแสงผ่านช่องแคบ โดยแถบสว่างกลางจะมีความกว้างและความเข้มแสงมากที่สุดเมื่อเทียบกับแถบข้างเคียง
- เกรตติง (Grating) เป็นอุปกรณ์ที่มีช่องขนานขนาดเล็กจำนวนมาก ใช้ในการแยกสเปกตรัมของแสงและหาความยาวคลื่นแสงได้อย่างแม่นยำสูง
Table of Contents
แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยสเปกตรัมของแสงขาวที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงประมาณ 400 – 700\text{nm} และเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วประมาณ 3 \times 10^8\text{ m/s} การศึกษาทางฟิสิกส์แบ่งปรากฏการณ์ของแสงออกเป็นสองส่วนหลัก ได้แก่ แสงเชิงเรขาคณิตหรือแสงเชิงรังสีซึ่งอธิบายการเดินทางของแสงเป็นเส้นตรง และแสงเชิงคลื่นซึ่งศึกษาธรรมชาติความเป็นคลื่นของแสง การที่แสงแสดงพฤติกรรมการแทรกสอดและการเลี้ยวเบนได้นั้น ถือเป็นหลักฐานสำคัญที่ยืนยันว่าแสงประพฤติตัวเป็นคลื่นได้อย่างชัดเจน
สมัครเรียนคอร์ส Pack การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกและกลุ่มคลื่น กับ OnDemand
การแทรกสอดของแสงผ่านสลิตคู่
การแทรกสอดของแสงเกิดขึ้นเมื่อคลื่นแสงจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์สองแหล่งเคลื่อนที่มาซ้อนทับกัน ในปี ค.ศ. 1801 ธอมัส ยัง ได้สาธิตการแทรกสอดของแสงโดยให้แสงผ่านช่องแคบคู่ S_1 และ S_2 ที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดอาพันธ์ เมื่อคลื่นแสงรวมกันแบบเสริมจะเกิดเป็น แถบสว่าง (Antinode) และเมื่อรวมกันแบบหักล้างจะเกิดเป็น แถบมืด (Node) ปรากฏเป็นสลักบนฉากรับภาพอย่างสม่ำเสมอ
การคำนวณตำแหน่งแถบสว่างและแถบมืดของการแทรกสอดผ่านสลิตคู่ อาศัยความสัมพันธ์ของผลต่างระยะทางตามสมการดังต่อไปนี้
ตำแหน่งแถบสว่าง (Antinode):
d \sin \theta = n\lambdaเมื่อ \theta น้อย ๆ จะได้ว่า sin\theta \approx tan\theta = \dfrac{x}{L} ดังนั้น
d\dfrac{x}{L} = n\lambda เมื่อ n = 0, 1, 2, 3, …
ตำแหน่งแถบมืด (Node):
d \sin \theta = \left(n – \dfrac{1}{2}\right)\lambdaเมื่อ \theta น้อย ๆ จะได้ว่า sin\theta \approx tan\theta = \dfrac{x}{L} ดังนั้น
d\dfrac{x}{L} = \left(n – \dfrac{1}{2}\right)\lambda เมื่อ n = 1, 2, 3, …
โดยตัวแปรต่าง ๆ มีนิยาม ดังนี้
d คือ ระยะห่างระหว่างช่องสลิตคู่
\theta คือ มุมที่ตำแหน่งพิจารณาเบนไปจากแนวกลาง
\lambda คือ ความยาวคลื่นของแสง
x คือ ระยะห่างจากแถบสว่างกลางถึงตำแหน่งที่พิจารณาบนฉาก
L คือ ระยะห่างระหว่างสลิตถึงฉากรับภาพ
n คือ ลำดับอันดับของแถบสว่างหรือแถบมืด
การเลี้ยวเบนของแสงผ่านสลิตเดี่ยว
เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบเดี่ยวที่มีความกว้าง a ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น แสงจะเกิดการเลี้ยวเบนเบนอ้อมขอบของช่องแคบ ตามหลักการของฮอยเกนส์ ทุก ๆ จุดบนหน้าคลื่นภายในช่องสลิตเดี่ยวจะทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นเสมือนใหม่ที่กระจายคลื่นออกไปแทรกสอดกันเอง
ลักษณะสำคัญของการเลี้ยวเบนผ่านสลิตเดี่ยว คือ การเกิดแถบสว่างกลางที่มีความกว้างและความเข้มแสงมากที่สุด ส่วนแถบสว่างข้างเคียงจะมีความกว้างและความเข้มแสงลดลง
การคำนวณตำแหน่งการเลี้ยวเบนผ่านสลิตเดี่ยวจะมุ่งเน้นการหาตำแหน่งของแถบมืดดังสมการ
ตำแหน่งแถบมืด (Node):
a \sin \theta = n\lambdaเมื่อ \theta น้อย ๆ จะได้ว่า sin\theta \approx tan\theta = \dfrac{x}{L} ดังนั้น
a\dfrac{x}{L} = n\lambda เมื่อ n = 1, 2, 3, …
หมายเหตุ ความกว้างของแถบสว่างกลางคิดเป็นระยะทาง 2x โดยวัดจากตำแหน่งแถบมืดอันดับที่ 1 ทั้งสองข้าง
การเลี้ยวเบนของแสงผ่านเกรตติง
เกรตติงเป็นอุปกรณ์ทางแสงที่ประกอบด้วยช่องขนาดเล็กขนานกันจำนวนมาก ระยะห่างระหว่างช่อง d สามารถหาได้จากจำนวนเส้นต่อหน่วยความยาว เช่น หากเกรตติงมีจำนวนช่อง N ช่องต่อเซนติเมตร ค่า d จะคำนวณได้จาก d = \dfrac{10^{-2}\text{ m}}{N}
ตัวอย่างโจทย์ฟิสิกส์ ม.ปลาย แสงเชิงคลื่น พร้อมวิธีทำอย่างละเอียด
ตัวอย่าง ฉายแสงความยาวคลื่น 600\text{ nm} ตั้งฉากกับสลิตคู่ที่มีระยะห่างระหว่างช่อง 0.12\text{
mm} ปรากฏภาพบนฉากที่ห่างออกไป 1.0\text{ m} จงหาว่าแถบสว่างอันดับที่ 2
อยู่ห่างจากแนวกลางกี่เซนติเมตร
วิธีทำ
ขั้นที่ 1 แปลงหน่วยของตัวแปรให้อยู่ในระบบ SI
ความยาวคลื่น \lambda = 600\text{ nm} = 600 \times 10^{-9}\text{ m}
ระยะห่างระหว่างช่องสลิต d = 0.12\text{ mm} = 0.12 \times 10^{-3}\text{ m}
ระยะห่างจากสลิตถึงฉาก L = 1.0\text{ m}
ลำดับแถบสว่าง n = 2
ขั้นที่ 2 เลือกใช้สูตรการแทรกสอดแถบสว่างของสลิตคู่
d\dfrac{x}{L} = n\lambda\\x = \dfrac{n\lambda L}{d}ขั้นที่ 3 แทนค่าในสมการ
x = \dfrac{2 \times (600 \times 10^{-9}\text{ m}) \times 1.0\text{ m}}{0.12 \times 10^{-3}\text{ m}} \\x = 1.0 \times 10^{-2}\text{ m} \\x = 1.0\text{ cm}ตอบ แถบสว่างอันดับที่ 2 อยู่ห่างจากแนวกลาง 1.0 เซนติเมตร
เรียนแสงเชิงคลื่น กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.ปลาย ที่ต้องการเข้าใจเนื้อหาที่เรียนในวิชาฟิสิกส์ หากต้องการเน้นบทแสงเชิงคลื่น สามารถเรียนกับ OnDemand ในคอร์สแสงเชิงรังสีและแสงเชิงคลื่น (0213) และกรณีต้องการปูพื้นฐานบทที่ควรเรียนก่อนจะเรียนแสงเชิงคลื่นเพื่อให้เข้าใจโจทย์มากขึ้นหรือต้องการเรียนไปพร้อมกับบทในกลุ่มเนื้อหาเดียวกันสามารถเรียนกับ OnDemand ในคอร์ส Pack : การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกและกลุ่มคลื่น (0209, 0211, 0212, 0213) เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาในบทได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ ครูของ OnDemand มีเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับด้วยเทคนิค Supermap และ X-map พร้อมตะลุยโจทย์หลากหลายแนว
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2562). หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์กายภาพ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 เล่ม 3. พิมพ์ครั้งที่ 2. จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9^{𝗍𝗁} ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.
