สืบค้นเว็บที่เกี่ยวข้องกับเรื่องที่กำลังศึกษา

คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย คลื่นเชิงกลซึ่งเกิดขึ้นในตัวกลาง (ซึ่งเมื่อมีการปรับเปลี่ยนรูป จะมีความแรงยืดหยุ่นในการดีดตัวกลับ) จะเดินทางและส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในตัวกลาง โดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง คือไม่มีการส่งถ่ายอนุภาคนั่นเอง แต่จะมีการเคลื่อนที่แกว่งกวัด (oscillation) ไปกลับของอนุภาค อย่างไรก็ตามสำหรับ การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และ การแผ่รังสีแรงดึงดูด นั้นสามารถเดินทางในสุญญากาศได้ โดยไม่ต้องมีตัวกลาง


ลักษณะของคลื่นนั้น จะระบุจาก สันคลื่น หรือ ยอดคลื่น (ส่วนที่มีค่าสูงขึ้น) และ ท้องคลื่น (ส่วนที่มีค่าต่ำลง) ในลักษณะ ตั้งฉากกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามขวาง" (transverse wave) หรือ ขนานกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามยาว" (longitudinal wave)



ตัวกลางของคลื่น

ตัวกลางที่คลื่นใช้ในการแผ่กระจายออก แบ่งออกเป็นประเภทได้ตามคุณลักษณะต่อไปนี้:

ตัวกลางเชิงเส้น มีคุณสมบัติที่ขนาดของผลรวมคลื่น ที่จุดใด ๆ ในตัวกลางมีขนาดเท่ากับผลบวกของขนาดของคลื่นต่างขบวนกัน

ตัวกลางจำกัด คือ ตัวกลางที่มีขนาดจำกัด

ตัวกลางเนื้อเดียว คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติเหมือนๆ กันในทุกตำแหน่ง

ตัวกลางไอโซทรอปิก คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติ ไม่ขึ้นกับทิศทาง



คุณสมบัติของคลื่น

คลื่นทุกประเภทจะมีพฤติกรรมร่วมที่เหมือนกันภายใต้สภาวะปกติ โดยมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ คือ

การสะท้อน (en:reflection) คลื่นเปลี่ยนทิศทางโดยการสะท้อนเมื่อตกกระทบพื้นผิว

การหักเห (en:refraction) คลื่นเปลี่ยนทิศทางเมื่อเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง

การเลี้ยวเบน (en:diffraction) คลื่นเคลื่อนที่ขยายวงออกเรื่อยๆ เช่น ลำคลื่นที่วิ่งผ่านออกจากช่องแคบๆ จะมีลักษณะขยายขนาดลำออก

การแทรกสอด (en:inference) เกิดจากการซ้อนทับกันของคลื่น เมื่อวิ่งมาตัดกัน

การกระจาย (en:dispersion) องค์ประกอบที่ความถี่ต่างกันของคลื่น จะมีการแยกตัวออกห่างจากกัน

การแผ่เชิงเส้นตรง (en:rectilinear propagation) การเคลื่อนที่ของคลื่นเป็นเส้นตรง



ตัวกลางของคลื่น

ตัวกลางที่คลื่นใช้ในการแผ่กระจายออก แบ่งออกเป็นประเภทได้ตามคุณลักษณะต่อไปนี้:

ตัวกลางเชิงเส้น มีคุณสมบัติที่ขนาดของผลรวมคลื่น ที่จุดใด ๆ ในตัวกลางมีขนาดเท่ากับผลบวกของขนาดของคลื่นต่างขบวนกัน

ตัวกลางจำกัด คือ ตัวกลางที่มีขนาดจำกัด

ตัวกลางเนื้อเดียว คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติเหมือนๆ กันในทุกตำแหน่ง

ตัวกลางไอโซทรอปิก คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติ ไม่ขึ้นกับทิศทาง



ที่มา : http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B7%E0%B9





ชนิดของคลื่น

ถ้าแบ่งคลื่นตามลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางที่ถูกรบกวนและทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น สามารถแบ่งคลื่นออก ได้เป็น 2 ชนิด คือ

ก. คลื่นตามขวาง (transverse waves) เป็นคลื่นที่ส่งผ่านไปในตัวกลางแล้วทำให้อนุภาคในตัวกลางเคลื่อนที่ตั้งฉากกับทิศทาง การเคลื่อนที่ของคลื่น เช่นคลื่นตามขวางในเส้นเชือก , คลื่นแสง เป็นต้น ซึ่งจากรูปเป็นคลื่นในเส้นเชือกที่เกิดจากการสะบัด ที่ปลายเชือก อนุภาคในเส้นเชือกจะสั่นขึ้นลงรอบตำแหน่งสมดุลซึ่งจะตั้งฉากกับ ทิศทางของอัตราเร็วของการเคลื่อนที่ของคลื่น (v)

ข. คลื่นตามยาว (longitudinal waves) เป็นคลื่นที่ส่งผ่านไปในตัวกลางแล้วทำให้อนุภาคในตัวกลางเคลื่อนที่ตามแนวขนานกับ ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง , คลื่นในสปริง เป็นต้น ซึ่งจากรูปเป็นคลื่นในท่ออากาศที่เกิดจากอัดลูกสูบที่ ปลายข้างหนึ่ง ของท่อแล้วทำให้อนุภาคของอากาศในท่อจะสั่นในแนวซ้ายขวารอบตำแหน่งสมดุลทำให้เกิดส่วนอัดและส่วนขยาย ซึ่งจะขนานกับ ทิศทางของอัตราเร็ว ของการเคลื่อนที่ของคลื่น (v)



ที่มา : http://www.rsu.ac.th/science/physics/pom/physics_2/wave/wave_1.htm





ชนิดของคลื่น

คลื่นเป็นปรากฎการณ์ที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่รูปแบบหนึ่ง คลื่นสามารถจำแนกตามลักษณะต่าง ๆได้ดังนี้

1. จำแนกตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง

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

1.2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น

2. จำแนกตามลักษณะการเคลื่อนที่

2.1 คลื่นตามขวาง (Transverse wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามขวางได้แก่ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

2.2 คลื่นตามยาว (Longitudinal wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตัวอย่างของคลื่นตามยาวได้แก่ คลื่นเสียง

3. จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่น

3.1 คลื่นดล (Pulse wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียว

3.2 คลื่นต่อเนื่อง (Continuous wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่อง ส่วนประกอบของคลื่น

สันคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก

ท้องคลื่น (Crest) เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ

แอมพลิจูด (Amplitude) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ

ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูกมีค่าเท่ากับระยะระหว่างสันคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)

ความถี่ (frequency) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s-1) หรือ เฮิรตซ์ (Hz)

คาบ (period) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s)

อัตราเร็วของคลื่น (wave speed) หาได้จากผลคูณระหว่างความยาวคลื่นและความถี่ สมบัติของคลื่น (wave properties)

คลื่นทุกชนิดแสดงสมบัติ 4 อย่าง คือการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยวเบน

การสะท้อน (reflection) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง แล้วเปลี่ยนทิศทางกลับสู่ตัวกลางเดิม

การหักเห (refraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่ต่างกัน แล้วทำให้อัตราเร็วเปลี่ยนไป

การเลี้ยวเบน (diffraction) เกิดจากคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง ทำให้คลื่นส่วนหนึ่งอ้อมบริเวณของสิ่งกีดขวางแผ่ไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น

การแทรกสอด (interference) เกิดจากคลื่นสองขบวนที่เหมือนกันทุกประการเคลื่อนที่มาพบกัน แล้วเกิดการซ้อนทับกัน ถ้าเป็นคลื่นแสงจะเห็นแถบมืดและแถบสว่างสลับกัน ส่วนคลื่นเสียงจะได้ยินเสียงดังเสียงค่อยสลับกัน





ที่มา : http://www.bkw.ac.th/content/snet3/saowalak/wave/wave.htm



1. ธรรมชาติของคลื่น (The nature of a wave)

1.1 คลื่นและการเคลื่อนที่คล้ายคลื่น (Waves and wave-like motion)

คลื่นมีอยู่ทุก ๆ ที่ ไม่ว่าเราจะรู้ตัวหรือไม่ก็ตาม ในชีวิตประจำวันเราได้พบเจอคลื่นต่าง ๆ มากมาย เช่น คลื่นเสียง, คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ, คลื่นไมโครเวฟ, คลื่นน้ำ เป็นต้น การศึกษาเรื่องคลื่นทำให้เราสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุบางประเภทที่มีลักษณะคล้ายกับคลื่น เช่น การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มนาฬิกา การเคลื่อนที่ของมวลที่แขวนไว้กับสปริง เป็นต้น

คลื่นเกิดจากการรบกวนบางอย่าง เช่น การโยนก้อนหินลงไปในน้ำ หรือ การสั่นสปริง



1.2 คลื่นคืออะไร (What is a wave?)

คลื่น คือ การรบกวนอย่างเป็นจังหวะซึ่งนำพาพลังงานผ่านสสารหรืออวกาศ การส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งนี้เกิดขึ้นโดยไม่ได้มีการนำพาสสารไปพร้อมกับพลังงาน

1.3 การแบ่งประเภทของคลื่น

แบ่งตามความจำเป็นในการใช้ตัวกลาง

คลื่นกล (Mechanical waves): จำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง, คลื่นในเส้นเชือก, คลื่นน้ำ เป็นต้น



คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves): ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ, คลื่นไมโครเวฟ เป็นต้น

แบ่งตามลักษณะการสั่นของตัวกลาง

คลื่นตามขวาง (Transverse waves): อนุภาคของตัวกลางสั่นตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือกที่เกิดจากการสะบัดปลายเชือกขึ้นลง เป็นต้น



แบ่งตามลักษณะการเกิด (ความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิด)

คลื่นดล (pulse): คลื่นที่เกิดจากการรบกวนเพียงครั้งเดียว

คลื่นต่อเนื่อง: คลื่นที่เกิดจากการรบกวนอย่างต่อเนื่องเป็นจังหวะ





2. คุณสมบัติของคลื่น (Properties of a wave)

2.1 กายวิภาคของคลื่น (The Anatomy of a Wave)

ถ้าเรานำเชือกมาขึงให้ตึงแล้วสะบัดปลาย จะทำให้เกิดคลื่นในเส้นเชือก ซึ่งถ้าเราสนใจรูปร่างของเส้นเชือกขณะเวลาใดขณะหนึ่ง (เหมือนถ่ายภาพนิ่ง) เราจะเห็นรูปร่างของเส้นเชือกคล้ายกับรูปข้างล่างนี้ ซึ่งก็คือรูปร่างของคลื่นนั่นเอง



จุดที่อยู่สูงสุดเราเรียกว่า สันคลื่น (Crest) , จุดที่อยู่ต่ำสุดเราเรียกว่า ท้องคลื่น (Trough) และระยะจากแนวสมดุล (ตรงกลาง) ถึง ท้องคลื่น หรือ สันคลื่น เราเรียกว่า แอมพลิจูด (Amplitude)

ระยะจากสันคลื่นจุดหนึ่งถึงสันคลื่นอีกจุดหนึ่งที่อยู่ติดกันเราเรียกว่า ความยาวคลื่น (Wavelength)

2.2 ความถี่และคาบของคลื่น (Frequency and period of wave)

ความถี่ ( f ) คือ จำนวนรอบ (ลูกคลื่น) ของคลื่นที่ผ่านจุด ๆ หนึ่งไปในหนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งจะมีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz) ส่วนคาบ ( T ) คือ เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบของคลื่น (1 ลูกคลื่น) ซึ่งจะมีหน่วยเป็น วินาทีต่อรอบ หรือ วินาที (s) คาบและความถี่เป็นส่วนกลับกันดังสมการข้างล่าง



2.3 การถ่ายทอดพลังงานและแอมพลิจูดของคลื่น (Energy Transport and the Amplitude of a Wave)

แอมพลิจูดของคลื่นมีความสัมพันธ์กับพลังงานของคลื่น (พลังงานที่คลื่นถ่ายเท) โดยคลื่นที่มีพลังงานสูง ก็จะมีแอมพลิจูดสูงด้วยเช่นกัน



2.4 ความเร็วคลื่น (The Speed of a Wave)

ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นสามารถคำนวณหาได้จาก อัตราส่วนระหว่างระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได้ต่อเวลา



ความเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับตัวกลาง หากคลื่นชนิดเดียวกันเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางชนิดเดียวกัน จะมีความเร็วเท่ากัน เมื่อมีการเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันก็จะมีความเร็วต่างกัน ตัวอย่างเช่น ความเร็วเสียงในอากาศ กับความเร็วเสียงในน้ำนั้นมีค่าไม่เท่ากัน

2.5 สมการคลื่น (The Wave Equation)

จากหัวข้อที่แล้วเราทราบว่า v = s/t ถ้าหากเราสนใจคลื่นที่เคลื่อนที่ครบ 1 รอบ (1 ลูกคลื่น) พอดี จะได้ว่า s = ความยาวคลื่น ( l ) และ t = คาบ (T)

ดังนั้น v = l / T และ จากความรู้ที่ว่า f = 1/T



3. พฤติกรรมของคลื่น (Behavior of waves)

3.1 การสะท้อน (Reflection)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปจนสุดตัวกลางและพบกับสิ่งกีดขวางที่ทำให้คลื่นเคลื่อนที่ผ่านไม่ได้ เช่น คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศไปกระทบกับหน้าผา จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับของคลื่นขึ้น โดยลักษณะการสะท้อนของคลื่นจะมีคุณสมบัติดังนี้ คือ 1. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน และ 2. คุณสมบัติต่าง ๆ ของคลื่นเช่น ความเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่นจะมีค่าเท่ากันทั้งก่อนการสะท้อนและหลังการสะท้อน



3.2 การหักเห (Diffraction)

การหักเหจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน เช่น คลื่นน้ำเคลื่อนที่จากน้ำลึกไปน้ำตื้น หรือ แสงเคลื่อนที่จากน้ำไปอากาศ เป็นต้น จะทำให้มีความเร็วคลื่นและความยาวคลื่น รวมถึงทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป แต่มีความถี่คงที่



การหักเหจะเป็นไปตามสมการของสเนลล์ คือ

sinq1/ sinq2 = v1/v2 = l1/l2

เมื่อ q1 คือ มุมตกกระทบ q2 คือ มุมหักเห



3.3 การเลี้ยวเบน (Diffraction)

การเลี้ยวเบน คือ การที่คลื่นบางส่วนสามารถอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางโดยการเลี้ยวเบนนี้จะยิ่งเห็นได้ชัดขึ้นเมื่อคลื่นมีขนาดความยาวคลื่นมาก ๆ (เทียบกับขนาดของสิ่งกีดขวาง)



3.4 การแทรกสอด (Interference)

เกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองขบวนเคลื่อนที่มาพบกัน ทำให้เกิดการแทรกสอด สอบแบบ คือ

การแทรกสอดแบบเสริมกัน (Constructive interference) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองขบวนมีการขจัดในทิศเดียวกัน เช่น ท้องคลื่นเจอกับท้องคลื่น หรือ สันคลื่นเจอกับสันคลื่น



การแทรกสอดแบบหักล้างกัน (Destructive interference) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองขบวนมีการขจัดในทิศตรงข้ามกัน เช่น ท้องคลื่นเจอกับสันคลื่น



ผลลัพธ์ที่เกิดจากการแทรกสอดจะเป็นไปตามหลักการการทับซ้อน (Principle of superposition) และเมื่อผ่านพ้นกันไปแล้ว แต่ละคลื่นจะยังคงมีรูปร่างเหมือนก่อนรวมกันทุกประการ



การแทรกสอดของคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์สองแหล่ง

เมื่อมีแหล่งกำเนิดคลื่นที่เหมือนกันสองแหล่งใกล้ ๆ กัน กำเนิดคลื่นทำให้เกิดการแทรกสอดกันดังรูป จะเกิดแนวการแทรกสอดแบบเสริมกัน (ปฏิบัติ: Antinode) และ แบบหักล้างกัน (บัพ: node)



4. คลื่นนิ่ง (Standing wave)

คือ การที่คลื่นสองขบวนที่มีเฟสตรงข้ามกันเคลื่อนที่สวนทางกันกลับไปกลับมาจนเรามองเห็นเหมือนกับมันหยุดนิ่ง



จุดบัพกับจุดบัพที่อยู่ติดกันจะอยู่ห่างกันเท่ากับ ครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (l/2) เสมอ เรียกว่า loop

จุดปฏิบัพกับจุดบัพที่อยู่ติดกันจะอยู่ห่างกันเท่ากับ l/4 เสมอ



ที่มา : http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/waves/wavestoc.html

P. W. Zitzewits, Glencoe Physics: Principles and Problems, Glencoe McGraw-Hill, USA, 2002.



http://blake.prohosting.com/pstutor/physics/wave/wave_concept.html