ทฤษฎีแสง

ปัจจุบันเชื่อว่าแสงสามารถแสดงสมบัติได้ทั้งคลื่นและอนุภาค ซึ่งเราเรียกว่า “สมบัติคู่” กล่าวคือ แสงสามารถแสดงสมบัติของคลื่น คือ มีการสะท้อน หักเห แทรกสอด เลี้ยวเบน และแสงสามารถแสดงสมบัติของอนุภาค เพราะอนุภาคของแสงก็คือ ก้อนพลังงานที่เรียกว่า โฟตอน ตามทฤษฎีแสงของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

การเคลื่อนที่ของแสง

1. แนวทางการเคลื่อนที่ของแสง

พบว่าในตัวกลางเดียวกัน แสงมีแนวทางการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง เช่น การที่เราไม่สามารถมองอ้อมขอบวัตถุที่ขวางกันได้ หรือการมองเห็นไส้หลอดไฟฟ้า โดยมองผ่านรูเล็กๆ บนแผ่นกระดาษได้ ก็ต่อเมื่อไส้หลอดไฟฟ้า รูบนแผนกระดาษและตาต้องอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน

2. การเกิดเงาของวัตถุ

เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดไปกระทบวัตถุทึบแสง จะเกิดเงาขึ้นทางด้านหลังของวัตถุทึบแสงนั้น โดยเงาที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับขนาดของแหล่งกำเนิดแสงและขนาดของวัตถุ

2.1 กรณีแหล่งกำเนิดแสงมีขนาดเล็ก (ถือว่าเป็นจุด) จะเกิดเงามืดเพียงอย่างเดียวดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสงจากแหล่งกำเนิดแสงที่เป็นจุด

2.2 กรณีแหล่งกำเนิดแสงมีขนาดใหญ่ จะเกิดเงามัวล้อมรอบเงามืด ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสงจากแหล่งกำเนิดแสงที่มีขนาดใหญ่

อัตราเร็วของแสง

การวัดอัตราเร็วแสงในอดีต

1. กาลิเลโอ เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พยายามวัดอัตราเร็วแสง แต่ไม่สำเร็จ เนื่องจากเขาไม่สามารถจับเวลาที่แสงเดินทางระหว่างยอดเขาสองยอดที่เขาใช้ทดลองได้ จึงสรุปว่า “อัตราเร็วของแสงมีค่าสูงมาก”
2. โรเมอร์ นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์ก เป็นคนแรกที่สามารถแสดงว่า “แสงมีอัตราเร็วจำกัด”
3. ฟิโซ นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการวัดอัตราเร็วของแสง โดยใช้เครื่องมือพิเศษที่สามารถวัดช่วงเวลาสั้นๆ ได้อย่างแม่นยำ เขาสามารถวัดอัตราเร็วของได้ได้ใกล้เคียงกับอัตราเร็วแสงที่ยอมรับในปัจจุบัน

แสงจะเกี่ยวข้องกับชีวิตของเราตลอด รวมทั้งปรากฏการณ์ต่าง ๆ ของแสง จากแหล่งกำเนิดหลากหลายชนิด แต่เราทราบหรือไม่ว่า ธรรมชาติของแสงเป็นอย่างไร แสงเคลื่อนที่อย่างไร และเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเท่าใด
แสงที่ตามองเห็น เช่น แสงจากดวงอาทิตย์ หรืออีกอีกอย่างว่า แสงขาว แสงขาวดังกล่าวนั้น จะประกอบด้วยแสงสีต่าง ๆ หลายสี ได้แก่ แสงสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง ดังรูป

แสงสีดังกล่าวอยู่ในช่วงความถี่หนึ่ง จัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นเดียวกับ ไมโครเวฟ อุลตราไวโอเลต ฯลฯ ในสุญญากาศแสงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็วต่างๆ ตามชนิดของตัวกลาง

จากตารางจะเห็นว่าแสงเคลื่อนที่ได้เร็วมากในอากาศ ซึ่งประมาณได้ว่า อัตราเร็วของแสงในอากาศเท่ากับสุญญากาศ การเรียกระยะทางที่แสงเคลื่อนที่ได้ในสุญญากาศในเวลา 1 ปี จะเรียกว่า ระยะทาง 1 ปีแสง

ในการศึกษาคลื่นแสงเกี่ยวกับคุณสมบัติต่างๆ จะเขียนเส้นตรงแสดงหน้าคลื่น และใช้รังสีแสดงทิศทาง ดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงทิศทางของรังสีแสงและหน้าคลื่น

 การสะท้อนของแสง (Reflection of Light)

เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอ เช่น น้ำ อากาศ แท่งพลาสติกใส หรือสุญญากาศ แสงจะเคลื่อนที่เป็นแนวตรง  และถ้าแสงเคลื่อนที่ไปกระทบวัตถุต่างชนิดกันแล้วเป็นวัตถุทึบแสงที่มีผิวขัดมัน  แสงจะเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ ณ ตำแหน่งบนผิวที่แสงกระทบและเคลื่อนที่ย้อนกลับในตัวกลางเดิม เรียกการเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ของแสงนี้ว่า การสะท้อน

ที่มา http://arts.kmutt.ac.th

ตามปกติเมื่อแสงตกกระทบวัตถุใด วัตถุส่วนมากจะดูดกลืนแสงไว้ส่วนหนึ่ง และแสงส่วนที่เหลือจะสะท้อนที่ผิววัตถุ สำหรับวัตถุที่เป็นกระจกเงา  แสงจะสะท้อนเกือบทั้งหมด โดยทั่วไปลักษณะการสะท้อนของแสงขึ้นกับลักษณะผิวของวัตถุ ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 การสะท้อนของแสงที่ผิวเรียบแบบต่างๆ

การสะท้อนของแสงที่เกิดขึ้นบนวัตถุในแต่ละผิวจะให้ผล ซึ่งเป็นไปตาม กฎการสะท้อน 2 ข้อ คือ

1. รังสีตกกระทบ  รังสีสะท้อนและเส้นแนวฉาก จะอยู่บนระนาบเดียวกัน
2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ณ ตำแหน่งที่แสงตกกระทบ

 

***ควรทำความเข้าใจ

 

ภาพในกระจกเงาราบ

ภาพของวัตถุในกระจกเงาราบ จะอยู่หลังกระจก ถ้าวัตถุนั้นมีลักษณะเป็นจุด ภาพก็เป็นจุด   วัตถุที่มีขนาด ภาพก็มีขนาด โดยมีขนาดภาพ (ความสูงภาพ) เท่ากับขนาดวัตถุ (ความสูงวัตถุ) เสมอ และระยะภาพจะเท่ากับระยะวัตถุด้วยเมื่อวัดจากกระจกเงาราบ  ภาพที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้ จึงเรียกว่า ภาพเสมือน เราสามารถแสดง ตำแหน่งและขนาดของภาพที่เกิดหลังกระจกได้ โดยใช้กฎการสะท้อนของแสง ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5  แสดงการเกิดภาพเสมือนด้านหลังกระจกเงาระนาบกรณีวัตถุเป็นจุด และวัตถุมีขนาด

สรุปเกี่ยวกับวัตถุที่อยู่หน้าผิวสะท้อนราบได้ว่า

                      1. ระยะภาพเท่ากับระยะวัตถุ

                      2. ขนาดภาพเท่ากับขนาดวัตถุ

3. ภาพที่เกิดขึ้นเป็นภาพเสมือนหัวตั้งเสมอ

สิ่งควรทราบ

1. อัตราเร็วของภาพเมื่อมีการเลื่อนวัตถุเข้าหรือออกจากกระจก จะมี อัตราเร็วภาพเท่ากับอัตราเร็ววัตถุ
2. อัตราเร็วภาพเมื่อมีการเลื่อนกระจกเข้าหรือออกจากวัตถุนิ่ง อัตราเร็วภาพเท่ากับสองเท่าของอัตราเร็วในการเลื่อนกระจก
3. ความยาวน้อยสุดของกระจกที่สามารถส่องเห็นคนได้เต็มตัวเท่ากับครึ่งหนึ่งของความสูงคน

ภาพที่เกิดจากการสะท้อนของแสงบนกระจกผิวโค้งทรงกลม

ภาพที่เกิดจากการสะท้อนของแสงบนกระจกผิวโค้งทรงกลม จะเกิดภาพที่อยู่ได้ทั้งด้านหน้ากระจกและหลังกระจก ในลักษณะทั้งหัวตั้งและหัวกลับ   ระยะภาพอยู่ใกล้หรือไกลจากกระจกขึ้นกับระยะวัตถุ และขนาดของภาพเล็กกว่าหรือใหญ่กว่าวัตถุ  ภาพที่ได้เป็นเช่นนี้เนื่องจากการสะท้อนของแสง และลักษณะความโค้งของกระจก ทำให้เห็นภาพลักษณะต่าง ๆ กันออกไป  ดังนั้นการอธิบายภาพที่เกิดขึ้นจึงต้องเข้าใจส่วนต่าง ๆ ของกระจกเงาโค้ง  และชนิดของกระจกเงาโค้ง

กระจกเงาโค้งทรงกลม

จะมี 2 ชนิด คือ

1. กระจกเว้า

2. กระจกนูน

ส่วนต่าง ๆ ของกระจกที่ควรทราบ

C คือ ศูนย์กลางความโค้งของกระจก

R  คือ รัศมีความโค้งของกระจก เป็นเส้นตรงที่ลากจุดยอดถึงศูนย์กลางความโค้งของกระจก

V  คือ จุดยอดของกระจกโค้ง

เส้นแกนมุขสำคัญ เป็นเส้นตรงที่ลากผ่านจุดยอด V  และจุดศูนย์กลางความโค้ง C

F  คือ จุดโฟกัส เป็นจุดรวมของรังสีสะท้อน ที่สะท้อนมาจากรังสีตกกระทบทั้งหลายที่ขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญ

f   คือ  ความยาวโฟกัส  เป็นระยะจากจุดยอดของกระจกถึงจุดโฟกัส

พิจารณาจากรูป

      การหาตำแหน่งภาพของวัตถุมีขนาดที่อยู่หน้ากระจกเว้า สรุปเป็นหลักที่ใช้ในการเขียนรูปแสดงการเกิดภาพดังนี้

• เขียนรังสีตกกระทบจากปลายวัตถุถึงผิวกระจกในแนวซึ่งมีขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญจะได้รังสีสะท้อนจากผิวกระจกผ่านโฟกัส
• เขียนรังสีตกกระทบจากปลายวัตถุผ่านศูนย์กลางความโค้งถึงผิวกระจก จะได้รังสีสะท้อนจากผิวกระจกย้อนกลับทางเดิม
• จุดตัดของรังสีสะท้อนเป็นตำแหน่งที่เกิดภาพ (ตัดจริงเรียก ภาพจริง , เกิดจากการต่อแนวรังสีสะท้อนตัดหลังกระจกเรียก ภาพเสมือน)

ลักษณะของภาพ

ภาพจริง : ฉากรับได้ เกิดจากรังสีสะท้อนของแสงตัดจริงด้านหน้ากระจก ให้ภาพหัวกลับ

ภาพเสมือน :  ฉากรับไม่ได้ เกิดจากแนวรังสีสะท้อนของแสงเสมือนตัดกันด้านหลังกระจก ให้ภาพหัวตั้ง

 

ตารางที่ 1 แสดงการเขียนทางเดินแสงเพื่อหาตำแหน่งภาพที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่หน้ากระจกเว้า

ตารางที่ 2  แสดงการเขียนทางเดินแสงเพื่อหาตำแหน่งภาพที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุอยู่หน้ากระจกนูน

 ข้อสังเกต  จะได้ว่า

กระจกเว้า เกิดได้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน ขนาดเล็ก, ใหญ่และเท่ากับวัตถุ

กระจกนูน เกิดเฉพาะภาพเสมือนหัวตั้งขนาดเล็กกว่าวัตถุเท่านั้น

 

สูตรที่ใช้ในการคำนวณการเกิดภาพในกระจกเว้าและกระจกโค้ง

หมายเหตุ   ในการแทนเครื่องหมาย

กระจกโค้งเว้า ความยาวโฟกัสแทนเครื่องหมายบวก (+)

กระจกโค้งนูน ความยาวโฟกัสแทนเครื่องหมายลบ (-)

สำหรับภาพที่เกิดหลังกระจกเงาระยะภาพมีเครื่องหมายลบ (–)

ภาพจริง ระยะภาพ กำลังขยาย (m) แทนเครื่องหมายบวก (+)

ภาพเสมือน ระยะภาพ กำลังขยาย (m) แทนเครื่องหมายลบ (-)