ปรากฏการณ์คลื่น

ปรากฏการณ์คลื่น

ที่มา : http://a2u-club.blogspot.com/2009/07/blog-post_9173.html

                                  

คลื่น ( wave) คือ กระบวนการในการถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่ง(ต้นกำเนิดคลื่น)ไปอีกที่หนึ่ง(ปลายทาง)หรือเป็นการถ่ายเทพลังงานจากแหล่งกำเนิดออกไปยังบริเวณโดยรอบ

การแบ่งประเภทของคลื่น            

คลื่นเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่รูปแบบหนึ่ง คลื่นสามารถจำแนกตามลักษณะต่าง ๆได้ดังนี้

1.   จำแนกตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง

    1.1   คลื่นกล (Mechanical wave)   เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางในการถ่ายเทพลังงานซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้ ตัวอย่างของคลื่นกลได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น

      1.2   คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves)   เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลางในการถ่ายเทพลังงานสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์รังสีแกมมา เป็นต้น

2.   จำแนกตามลักษณะการเคลื่อนที่ (การสั่นตัวของอนุภาคตัวกลาง)

       2.1   คลื่นตามขวาง (Transverse wave)   เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามขวางได้แก่ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก

คลื่นน้ำ

ที่มา : http://www.sa.ac.th/winyoo/mechanicswave/wave_typ.htm

        2.2   คลื่นตามยาว (Longitudinal wave)   เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามยาวได้แก่ คลื่นเสียง 

คลื่นในสปริง

ที่มา : http://www.sa.ac.th/winyoo/mechanicswave/wave_typ.htm

3.   จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่น

     3.1   คลื่นดล (Pulse wave)   เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียวทำให้เกิดคลื่นเพียง 1 คลื่น

     3.2  คลื่นต่อเนื่อง (Continuous wave)  เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่องหลายๆครั้ง ทำให้เกิดคลื่นต่อเนื่องหลายๆลูก เช่น การสะบัดเชือกขึ้นลงอย่างต่อเนื่องหลายครั้ง 

ส่วนประกอบของคลื่น

ส่วนประกอบของคลื่น

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

1. แนวสมดุล คือ แนวของตักลางเมื่อไม่มีการเคลื่อนที่ผ่าน

2. การกระจัด (Displacement : x) คือ ระยะห่างจากแนวสมดุลไปยังจุดใดๆบนคลื่น

3. สันคลื่น (Crest) คือ ตำแหน่งสูงสุดของคลื่น ได้แก่จุด A, F, J

4. ท้องคลื่น (Trough)คือ ตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น ได้แก่จุด C, H, L

5. แอมพลิจูด (Amplitude : A) คือ การกระจัดสูงสุดของการสั่นของอนุภาคจากระดับปกติ ค่าของแอมพลิจูดจะบอกค่าพลังงานของคลื่นโดยพลังงานจะแปรโดยตรงกับแอมพลิจูด ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร(m)

6. ความยาวคลื่น (Wavelength : λ ) คือ ความยาวของคลื่น  1  คลื่น เป็นระยะทางที่วัดระหว่างจุดสองจุดที่สั้นที่สุดบนคลื่นที่เฟสตรงกัน มีหน่วยเป็นเมตร (m) โดย 1 λ=1ลูกคลื่น

7. คาบ (Period : T) คือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ 1 ลูกคลื่น หรือเวลาที่ตัวกลางสั่นครบ 1 รอบ มีหน่วยเป็นวินาที (s)

8. ความถี่ (Frequency : f ) คือ จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ  ในหนึ่งหน่วยเวลา  มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาทีหรือเฮิร์ทซ์ (Hz)

                          

9. อัตราเร็วคลื่น (wave speed : v) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ 1 ความยาวคลื่น ในเวลา 1 คาบ (T) มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (m/s)

ในกรณีคลื่นในเส้นเชือก เราสามารถหาอัตราเร็วคลื่นได้จาก

โดย  T = แรงตึงในเส้นเชือก (N)

        μ = มวลของเชือกต่อหนึ่งหน่วยความยาว (kg/m)

ในกรณีคลื่นน้ำ เราสามารถหาอัตราเร็วคลื่นได้จาก

โดย  h = ความลึกที่วัดจาผิวน้ำ (m)

หน้าคลื่นและรังสีของคลื่น

ที่มา : http://pirun.ku.ac.th/~fscijsw/Light&device/light/html/body1-3.htm

หน้าคลื่น (Wave front) คือ แนวเชื่อมจุดที่มีเฟสเดียวกันของคลื่นกันคลื่นข้างเคียง โดยส่วนมากนิยมพิจารณาที่แนวสันคลื่นหรือท้องคลื่นอย่างใดอย่างหนึ่งและระยะระหว่างหน้าคลื่นที่อยู่ติดกันจะห่างกัน 1λ ซึ่งก็คือ ระยะระหว่างสันคลื่นที่อยู่ติดกันหรือระยะระหว่างท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน

รังสีของคลื่น (Ray) คือ ลูกศรที่ใช้บอกทิศทางของคลื่น โดยรังสีของคลื่นจะมีทิศตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ

รูปหน้าคลื่นตรง

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

รูปหน้าคลื่นวงกลม

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

รูปแสดงหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับรังสีคลื่นเสมอ

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

เฟส (phase)คือ การ บอกตำแหน่งของคลื่นเทียบเป็นมุมที่รัศมีวงกลมกวาดไป ในหน่วยองศาหรือเรเดียน

1. เฟสตรงกัน หมายถึง ตำแหน่งใดๆที่มีทิศการสั่นไปทางเดียวกันและมีการกระจัดเท่ากัน(ขนาดการกระจัดเท่ากันและทิศการสั่นไปทางเดียวกัน) ได้แก่ C, C’ มีเฟสตรงกัน และ D, D’ มีเฟสตรงกัน

2. เฟสตรงข้าม หมายถึง ตำแหน่งใดๆที่มีทิศการสั่นตรงข้ามกันและมีการกระจัดเท่ากัน(ขนาดการกระจัดเท่ากันและทิศการสั่นตรงข้ามกัน) ได้แก่ C, Dมีเฟสตรงข้ามกัน และ C’, D’ มีเฟสตรงข้ามกัน

* * ถ้าตำแหน่งบนคลื่นห่างกัน λ เฟสจะต่างกัน 360^o หรือ 2π เรเดียน

ความต่างเฟส(path different : ∆Ө)คือผลต่างของมุมระหว่างจุด 2 จุดที่พิจารณา

หน้าคลื่นและรังสีของคลื่น

ที่มา : http://pirun.ku.ac.th/~fscijsw/Light&device/light/html/body1-3.htm

หน้าคลื่น (Wave front) คือ แนวเชื่อมจุดที่มีเฟสเดียวกันของคลื่นกันคลื่นข้างเคียง โดยส่วนมากนิยมพิจารณาที่แนวสันคลื่นหรือท้องคลื่นอย่างใดอย่างหนึ่งและระยะระหว่างหน้าคลื่นที่อยู่ติดกันจะห่างกัน 1λ ซึ่งก็คือ ระยะระหว่างสันคลื่นที่อยู่ติดกันหรือระยะระหว่างท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน

รังสีของคลื่น (Ray) คือ ลูกศรที่ใช้บอกทิศทางของคลื่น โดยรังสีของคลื่นจะมีทิศตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ

รูปหน้าคลื่นตรง

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

รูปหน้าคลื่นวงกลม

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

รูปแสดงหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับรังสีคลื่นเสมอ

ที่มา : http://kruweerajit1.blogspot.com/

การซ้อนทับของคลื่น

การซ้อนทับของคลื่น (superposition)

เราคงเคยเห็นคลื่นในบ่อซึ่งมีสิ่งของตกลงไปพร้อมๆกันหลายๆอย่างจะทำให้เกิดคลื่นจากแหล่งกำเนิดหลายๆแหล่ง เคลื่อนที่ผ่านกันไป โดยเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านกันไปแล้วจะมีรูปร่างลักษณะและทิศทางคงเดิม ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งปรากฏการเช่นนี้เรียกว่า "การซ้อนทับของคลื่น"การซ้อนทับของคลื่นจะเกิดการรวมกันของคลื่นใน 2 ลักษณะ ดังนี้

1. การรวมแบบเสริมกัน (Constructive Superposition)เกิดเมื่อคลื่นสองคลื่นที่มีการกระจัดไปทางทิศเดียวกันเคลื่อนที่มาพบกัน เช่น สันคลื่นกับสันคลื่น หรือ ท้องคลื่นกับท้องคลื่น คลื่นทั้งสองจะรวมกันทำให้การกระจัดลัพธ์ ณ ตำแหน่ง และเวลาหนึ่งๆ มีขนาดมากกว่าการกระจัดเดิมของคลื่นแต่ละคลื่น โดยการกระจัดรวม หาได้จากผลบวกของการกระจัดของคลื่นทั้งสอง ณ ตำแหน่งและเวลานั้นๆ เมื่อคลื่นทั้งสองเคลื่อนที่ผ่านพ้นกันไปแล้ว คลื่นแต่ละคลื่นจะยังคงมีลักษณะเหมือนเดิม และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดิม ดังรูป

ที่มา : http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/137

2. การรวบแบบหักล้าง (Destructive Superposition)เกิดเมื่อคลื่นสองคลื่นที่มีการกระจัดไปทางทิศตรงข้ามกัน เคลื่อนที่มาพบกัน เช่น สันคลื่นกับท้องคลื่นหรือท้องคลื่นกับสันคลื่น คลื่นทั้งสองจะรวมกันทำให้การกระจัดลัพธ์ ณ ตำแหน่ง และเวลาหนึ่งๆ มีขนาดน้อยกว่าการกระจัดเดิมของคลื่นแต่ละคลื่น โดยการกระจัดรวม หาได้จากผลต่างของการกระจัดของคลื่นทั้งสอง ณ ตำแหน่งและเวลานั้นๆ เมื่อคลื่นทั้งสองเคลื่อนที่ผ่านพ้นกันไปแล้ว คลื่นแต่ละคลื่นจะยังคงมีลักษณะเหมือนเดิม และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดิม ดังรูป

ที่มา : http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/137