สมบัติของคลื่น

 1. การสะท้อน (Reflection) เป็นคุณสมบัติร่วมระหว่างอนุภาคและคลื่น
 2. การหักเห (Refraction) เป็นคุณสมบัติร่วมระหว่างอนุภาคและคลื่น
 3. การแทรกสอด (Interference) เป็นคุณสมบัติเฉพาะของคลื่น
 4. การเลี้ยวเบน (Diffraction) เป็นคุณสมบัติเฉพาะของคลื่น


การสะท้อนของคลื่น (Reflection) เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปสุดเขตของตัวกลาง หรือไปถึงแนวรอยต่อระหว่างตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปกับตัวกลาง
ใหม่คลื่นนั้นจะสามารถสะท้อนกลับมาสู่ตัวกลางเดิม เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการสะท้อน


การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือก เมื่อทำให้เกิดคลื่นดลในเส้นเชือกเคลื่อนที่ไปตามเส้นเชือก กระทบผิวรอยต่อซึ่งเป็นปลายอิสระ (free end)หรือปลายตรึง (fixed end) คลื่นในเส้นเชือกจะสะท้อนกลับดังนี้

 แสดงการสะท้อนของคลื่นแบบปลายอิสระ

[ แสดงการสะท้อนของคลื่นแบบปลายตรึง

การสะท้อนของคลื่นผิวน้ำเมื่อคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง และเนื่องจากระดับน้ำสามารถเลื่อนขึ้นลงได้อิสระ ดังนั้นการสะท้อน จึงเหมือนการสะท้อนในเชือกปลายอิสระ กล่าวคือ เฟสของคลื่นสะท้อนจะคงเดิม

 แสดงการสะท้่อนของคลื่นผิวน้ำ

 แสดงการสะท้่อนของคลื่นผิวน้ำ

 การสะท้่อนของคลื่นผิวน้ำ

สรุปการสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ   - การสะท้อนจะต้องเป็นไปตามกฎการสะท้อน
   - คลื่นหน้าตรงตกกระทบแผ่นกั้นหน้าตรง คลื่นสะท้อนจะเป็นคลื่นหน้าตรง
   - คลื่นวงกลมตกกระทบแผ่นกั้นหน้าตรง คลื่นสะท้อนจะเป็นคลื่นวงกลม
   - คลื่นหน้าตรงตกกระทบแผ่นกั้นโค้งเว้า คลื่นสะท้อนจะเป็นคลื่นวงกลมจากโฟกัสของแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า
   - คลื่นวงกลมจากโฟกัสของแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า กระทบแผ่นกั้นผิวโค้งเว้า คลื่นสะท้อนจะเป็นคลื่นหน้า

การหักเหของคลื่น(Refraction)

การหักเหของคลื่นผิวน้ำ

 คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง
มีผลให้เกิดการเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตรงบริเวณผิวรอยต่อของตัวกลางทั้งสอง
โดยที่มีความถี่ของคลื่นคงเดิม แต่อัตราเร็ว และความยาวคลื่นเปลี่ยนไป

มุมวิกฤติ (Critical Angle , c)    คือมุมตกกระทบใดๆ ที่ทำให้่มุมหักเหเป็น 90 องศา (เกิดได้กรณีที่น้ำ้เคลื่อนที่ี่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก

การสะท้อนกลับหมด
    เกิดเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤติทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมด
(เกิดได้กรณีที่น้ำ้เคลื่อนที่ี่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก)

 แสดงการหักเหของคลื่น

 จะเห็นว่า
- หน้าคลื่นตกกระทบและหน้าคลื่นหักเห จะทำมุมกับเส้นรอยต่อระหว่างตัวกลาง
- รังสีตกกระทบและรังสีหักเห จะทำมุมกับเส้นปกติ

 แสดงการหักเหของคลื่น

จะเห็นว่า- ถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากน้ำลึก -> น้ำตื้น มุมหักเหจะเบนเข้าหาเส้นปกติ
- ถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก มุมหักเหจะเบนเข้าออกจากเส้นปกติ
ในการหักเหลักษณะนี้จะทำให้แนวการเคลื่อนที่ของคลื่นเปลี่ยนไป เกิดมุมตกกระทบ (₁) และ
มุมหักเห (₂) จากการทดลองพบว่า อัตราส่วนของค่าไซน์ของมุมกระทบ (sin₁) ต่อค่าไซน์ของมุมหักเห (sin₂) ของตัวกลางน้ำลึกและน้ำตื้นคู่หนึ่งๆ จะมีค่าคงตัว

= ค่าคงตัว

และค่าคงตัวนี้จะเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วคลื่น และจะเท่ากับอัตราส่วนของความยาวคลื่น

ดังนั้น   = =    --> เรียกว่ากฎของสเนลล์ (Snell 's law)

มุมวิกฤติ (Critical Angle , c)    คือมุมตกกระทบใดๆ ที่ทำให้่มุมหักเหเป็น 90 องศา (เกิดได้กรณีที่น้ำ้เคลื่อนที่ี่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก)

การสะท้อนกลับหมด
    เกิดเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤติทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมด
(เกิดได้กรณีที่น้ำ้เคลื่อนที่ี่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก)

การแทรกสอดของคลื่น(Interference

 แสดงการแทรกสอดของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์

 คือการรวมกันของคลื่นต่อเนื่องสองขบวน อันเนื่องมาจากคลื่นทั้งสองขบวนเคลื่อนที่ไปพบกัน
-ตำแหน่งที่เกิดการรวมแบบเสริมกัน จะมีค่าแอมพลิจูดมาก เรียกตำแหน่งนี้ว่า ปฏิบัพ(Antinode : A)
-ตำแหน่งที่เกิดการรวมแบบหักล้างกันจะมีค่าแอมพลิจูดน้อยเกือบเป็นศูนย์ เรียกตำแหน่งนี้ว่า บัพ(node : N)

แสดงการแทรกสอดของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์

แหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์ (Coherent Sources)
คือแหล่งกำเนิดคลื่นที่มีความถี่เท่ากัน ความยาวคลื่นเท่ากัน อัตราเร็วเท่ากัน แอมพลิจูดเท่ากัน มีเฟสตรงกันหรือต่างกันคงที่

รูป แสดงการแทรกสอดของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์

จากรูปที่ 38 มีแนว A เป็นแนวปฏิบัพ และมี N เป็นแนวบัพ
พิจารณาบนแนวปฏิบัพ (A)

S₁P – S₂P = n   เมื่อ n = 0,1,2,3,……..

โดย n เป็นตัวเลขแสดงลำดับที่ของ Antinode

พิจารณาบนแนวบัพ (N)

      เมื่อ n = 1,2,3,……..

                                            โดย n เป็นตัวเลขแสดงลำดับที่ของ Node

ถ้าหากเกิดการแทรกสอดกันอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดมากๆ จะได้ S₁P – S₂P = dsin จะได้

รูป แสดงการแทรกสอดของคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์

        เมื่อเสริมกัน      เมื่อ n = 0,1,2,3,…….. แนวปฏิบัพทั้งหมด = 2n+1

        เมื่อหักล้างกัน    เมื่อ n = 1,2,3,…….. แนวบัพทั้งหมด = 2n

        เมื่อ เป็นมุมเล็กๆ จะได้ dsin=dtan จะได้

        เมื่อเสริมกัน      เมื่อ n = 0,1,2,3,……..

        เมื่อหักล้างกัน    เมื่อ n = 1,2,3,……..

การเลี้ยวเบนของคลื่น(Diffraction)

[ เลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวาง

    คือปรากฏการณ์ที่คลื่นสามารถเคลื่อนผ่านสิ่งกีดขวางแล้วสามารถเคลื่อนที่อ้อมไปทางด้านหลัง
ของสิ่งกีดขวางได้ เช่น การเลี้ยวเบนผ่านขอบของสิ่งกีดขวาง หรือ การเลี้ยวเบนผ่านช่องเล็กๆ ที่เรียกว่า Slit
การเลี้ยวเบนเป็นคุณสมบัติเฉพาะของคลื่น

เกนส์ แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวาง

การอธิบายปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนของคลื่น อธิบายโดยใช้หลักของฮอย

หลักของฮอยเกนส์ (Huygen’s principle)
  “ทุกๆ จุดบนหน้าคลื่นเดียวกัน อาจถือว่าเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นชุดใหม่ ที่แผ่ออกไปทุกทิศทาง
    ด้วยอัตราเร็ว เท่าเดิม”่

กระจายหน้าคลื่นวงกลมที่มีเฟสเดียวกัน ความถี่เท่ากัน ออกไปเสริมกันเป็นหน้าคลื่นอันใหม่
ซึ่งก็คือเส้นสัมผัสหน้าคลื่นวงกลมนั่นเอง ดังรูป

[ แสดงการกำเนิดคลื่นใหม่ตามหลักของฮอยเกนส์

ทุกๆอนุภาคบนหน้าคลื่นจะทำตัวเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นใหม่ (secondary source) ให้คลื่นใหม่ออกไป
(secondary wave) ดังแสดงโดยครึ่งวงกลมเล็กๆแต่จะไม่ให้คลื่นย้อนกลับมาในทิศตรงข้าม

การเลี้ยวเบนของคลื่นผ่านช่องแคบเดี่ยว (Single Slit)
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวาง ซึ่งเป็นช่องแคบคลื่นจะเลี้ยวเบนผ่านช่องแคบไป ปรากฏเป็นคลื่นหลัง
สิ่งกีดขวางได้ ซึ่งการเลี้ยวเบนนี้จะเกิดได้ดี ถ้าหากช่องแคบนั้นมีความกว้างประมาณเท่า หรือน้อยกว่า
ความยาวคลื่น โดยเสมือนหนึ่งว่าช่องแคบนั้นทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นใหม่ให้หน้าคลื่นวงกลม
ออกมารอบช่องแคบนั้น แต่ถ้าช่องแคบนั้นกว้างกว่าความยาวคลื่นจะเกิดการเลี้ยวเบนและเกิดการแทรกสอด ขึ้นด้วย ดังรูป

แสดงการแทรกสอดของคลื่นที่เลี้ยวเบนผ่านช่องแคบเดี่ยว

จากรูป จะเห็นว่า ถ้าช่องแคบมีความกว้างกว่าความยาวคลื่น คลื่นจะเลี้ยวเบนแล้วเกิดการแทรกสอด
โดยที่แนวกลางไม่มีการแทรกสอด (ไม่มี n = 0) แต่ถัดออกไปทั้งสองข้างเกิดแนวบัพ และปฏิบัพขึ้น

 แสดงการเลี้ยวเบนผ่านช่องแคบเดี่ยว

จากรูป เมื่อ D>>d (D มีค่ามากกว่า d มากๆ) จะได้ sin = tan

จะได้

เมื่อ n = 0, 1, 2, 3, .......

การเลี้ยวเบนผ่านช่องแคบคู่ (Double Slits)
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านช่องแคบคู่ ซึ่งมีขนาดช่องเล็กๆ พบว่าช่องเล็กๆ นั้นทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นอันใหม่
ที่กระจายคลื่นวงกลมออกมา เกิดการแทรกสอดกันเป็นไปตามกฎการแทรกสอด ของแหล่งกำเนิดคลื่น
สองแหล่งจริงๆ ปรากฏเป็นแนวปฏิบัพ และบัพ ดังรูป

 แสดงการแทรกสอดของคลื่นที่เลี้ยวเบนผ่านช่องแคบคู่

ถ้าช่องแคบเดี่ยวกว้างเป็น 5 เท่าของความยาวคลื่น จะเกิดแนวบัพได้กี่แนว และแนวบัพแรกจะทำมุมกี่องศากับแนวกลาง

แหล่งอ้างอิงhttp://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/284/6/wave/index.html