การจำแนกคลื่น
จำแนกคลื่นตามการใช้ตัวกลางในการแผ่
ก. คลื่นกล (Mechanical wave) คือ คลื่นที่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นน้ำ คลื่นในเส้นเชือกรูปร่างคลื่นบนเส้นเชือกและคลื่นบนผิวน้ำที่เกิดขึ้นเป็นรูปไซน์ (Sine wave)
ข. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) คือ คลื่นที่ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยการเคลื่อนที่เกิดจากการเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ คลื่นแสง คลื่นวิทยุ คลื่นโทรทัศน์ คลื่นรังสี x – ray
จำแนกคลื่นตามการสั่นของแหล่งกำเนิด
ก. คลื่นตามขวาง (Transverse wave) คือ คลื่นที่ทิศทางการเคลื่อนที่อนุภาคของตัวกลางตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ได้แก่ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นน้ำ * คลื่นตามขวางอาจเป็นคลื่นกล หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ *
ข. คลื่นตามยาว (Longitudinal wave) คือ คลื่นที่ทิศทางการเคลื่อนที่อนุภาคของตัวกลางขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ได้แก่ คลื่นเสียง คลื่นที่เกิดจากการอัดและขยายของขดลวดสปริง * คลื่นตามยาวทุกแบบเป็นคลื่นกล *
จำแนกคลื่นตามความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิด
ก. คลื่นดล (Pulse wave) คือ คลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดสั่นเพียงครั้งเดียว หรือสองครั้ง ทำให้เกิดคลื่นเพียงหนึ่งหรือสองลูกคลื่นเท่านั้น เช่น การโยนก้อนหินก้อนเดียวลงไปในน้ำ จะพบว่าคลื่นดลเพียงกลุ่มหนึ่งกระจายออกไปรอบๆ ไม่นานผิวน้ำจะนิ่ง คลื่นดลอาจมีลักษณะกระจายออกจากแหล่งกำเนิดเป็นแนวตรง หรือเป็นวงกลมก็ได้แล้วแต่แหล่งกำเนิดที่ทำให้เกิดคลื่น
ข. คลื่นต่อเนื่อง (Continuous wave) คือ คลื่นที่เกิดจากการสั่นของแหล่งกำเนิดหลายครั้งติดต่อกัน ทำให้เกิดคลื่นหลายลูกติดต่อกัน เช่น คลื่นน้ำที่เกิดจากการใช้มอเตอร์ ทำให้ไม้ในถาดคลื่นสั่น จึงเป็นคลื่นน้ำ
การบอกตำแหน่งของการเคลื่อนที่แบบคลื่น
เฟส (Phase) คือ การเรียกตำแหน่งบนคลื่น โดยมีความสัมพันธ์กับการกระจัดของการเคลื่อนที่ของคลื่น
ณ ตำแหน่งสันคลื่นจะมีเฟส ส่วนท้องคลื่นมีเฟส
ณ ตำแหน่งที่กำลังเคลื่อนที่ขึ้นจากแนวสมดุลจะมีเฟส หรือ ส่วนตำแหน่งที่กำลังเคลื่อนที่ลงจากแนวสมดุลจะมีเฟส
จุด 2 จุดบนคลื่น เมื่ออยู่ห่างกัน จะมีเฟสต่างกัน หรือ เรเดียน
อนุภาคในตัวกลาง เมื่อมีคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน จะทำให้อนุภาคนั้นมีเฟสเปลี่ยนแปลงไป
เฟสตรงกัน (Inphase)
เฟสตรงกัน หมายถึง จุด 2 จุดบนคลื่นที่มีการกระจัดเท่ากัน และลักษณะการสั่นไปทางเดียวกัน ซึ่งอาจมีลักษณะได้ดังนี้
ก. จุดทั้งสองมีเวลาต่างกัน T, 2T, 3T, … , nT วินาที
ข. จุดทั้งสองมีระยะทางต่างกัน , , , … , เมตร
ค. จุดทั้งสองมีเฟส(มุม)ต่างกัน , , , … , เรเดียน เมื่อ n = 1, 2, 3, …
เฟสตรงข้ามกัน (Out of phase)
ถาดคลื่น (Ripple tank) คือ อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลองเกี่ยวกับคลื่นน้ำ
การศึกษาคลื่นน้ำด้วยถาดคลื่น ใช้แสงจากโคมไฟที่ติดอยู่เหนือถาดคลื่นส่องผ่านคลื่นน้ำ ทำให้เห็นการเคลื่อนที่ของคลื่นบนฉากกระดาษขาวที่วางบนพื้นล่าง, แหล่งกำเนิดคลื่นใช้การสั่นของมอเตอร์บนแผ่นไม้ที่แขวนไว้เหนือผิวน้ำ สามารถปรับความถี่จากการปรับความเร็วของมอเตอร์, มีปุ่มกำเนิดคลื่นสร้างคลื่นวงกลม, มีคานไม้กำเนิดคลื่นเส้นตรง, และมีเครื่องกีดขวางเพื่อศึกษาสมบัติของคลื่น
สมบัติของคลื่น
การพิจารณาว่าสิ่งทั้งสังเกตเป็นคลื่นหรือไม่ หรือพิจารณาว่าการเคลื่อนที่ที่สังเกตเป็นการเคลื่อนที่แบบคลื่นหรือไม่ ต้องพิจารณาจากสมบัติของคลื่นทั้ง 4 ประการ คือ การสะท้อน (Reflection), การหักเห (Refraction), การแทรกสอด (Interference) และการเลี้ยวเบน (Diffraction)
สมบัติการสะท้อนและหักเหเป็นสมบัติร่วมของทั้งคลื่นและอนุภาค ส่วนสมบัติการแทรกสอดและเลี้ยวเบนเป็นสมบัติเฉพาะของคลื่น
การสะท้อน
กฎการสะท้อน
1. มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน
2. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อนต้องอยู่บนระนาบเดียวกัน
คุณสมบัติการสะท้อนของคลื่น
1. ความถี่ ความเร็ว และความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อน เท่ากับ ความถี่ ความเร็ว และความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ
2. ถ้าการสะท้อนไม่มีการสูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อน เท่ากับ แอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ
ส่วนประกอบของคลื่น
1. สันคลื่น หรือ ยอดคลื่น (Crest) คือ ส่วนที่นูนหรือสันบนสุดของคลื่นแต่ละลูก
2. ท้องคลื่น (Trough) คือ ส่วนล่างสุดของคลื่นแต่ละลูก
3. การกระจัด (Displacement) คือ ระยะที่วัดจากแนวกลาง (แนวสมดุล) ไปยังตำแหน่งใดๆ บนคลื่น
4. ช่วงกว้างของคลื่น หรือ แอมพลิจูด (Amplitude ; A) คือ ระยะกระจัดที่มีค่ามากที่สุดจากแนวสมดุลไปยังสันคลื่นหรือท้องคลื่น โดยพลังงานของคลื่น (แอมพลิจูด)2
คลื่นน้ำ แอมพลิจูด แสดง ความสูงต่ำของการกระเพื่อมของน้ำ
คลื่นเสียง แอมพลิจูด แสดง ความดังค่อยของเสียง
คลื่นแสง แอมพลิจูด แสดง ความเข้มของแสง (มืด – สว่าง)
5. ความยาวคลื่น (Wave length ; ) คือ ความยาวของ 1 คลื่น เป็นระยะทางที่วัดจากเฟสถึงเฟสเดียวกันของคลื่นถัดไป
6. เฟส (Phase) คือ การเรียกตำแหน่งบนคลื่น โดยมีความสัมพันธ์กับการกระจัดของการเคลื่อนที่ของคลื่น
7. คาบ (Period : T) คือ เวลาของการเกิดคลื่น 1 คลื่น วัดเวลาจากเฟสถึงเฟส ของคลื่นที่ต่อเนื่องกัน
8. ความถี่ (Frequency ; f) คือ จำนวนคลื่นใน 1 หน่วยเวลา โดย
9. หน้าคลื่น (Wave front) คือ แนวทางเดินของตำแหน่งบนคลื่นที่มีเฟสเท่ากัน ในคลื่นขบวนหนึ่งอาจมีหน้าคลื่นกี่หน้าก็ได้ และหน้าคลื่นที่ติดกันจะห่างกันเท่ากับความยาวคลื่น
– หน้าคลื่นเส้นตรง เกิดจากแหล่งกำเนิดเป็นสันยาว เช่น สันไม้บรรทัดกระทบผิวน้ำ ทิศทางคลื่นขนานกัน
– หน้าคลื่นวงกลม เกิดจากแหล่งกำเนิดเป็นจุด เช่น ปลายดินสอกระทบผิวน้ำ ทิศทางคลื่นเป็นแนวรัศมีของวงกลม
– หน้าคลื่นที่เขียนด้วยเส้นเต็ม คือ หน้าคลื่นที่เป็นสันคลื่น (เฟส หรือ 90 องศา)
– หน้าคลื่นที่เขียนด้วยเส้นประ คือ หน้าคลื่นที่เป็นท้องคลื่น (เฟส หรือ 270 องศา)
10. รังสี (Ray) คือ เส้นแสดงแนวหรือทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น โดยรังสีของคลื่นจะมีทิศตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ
จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่น
1 คลื่นดล (Pulse wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียว
2 คลื่นต่อเนื่อง (Continuous wave) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่อง
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
การสะท้อน (reflection)
เกิดขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ไปกระทบตัวกลางอีกชนิดหนึ่ง(เรียกว่าตัวสะท้อน) จะทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเปลี่ยนไปจากเดิม ส่วนความเร็วและความถี่ของคลื่นจะคงเกิม การสะท้อนของคลื่นเป็นไปตามกฏการสะท้อน
คลื่นเมื่อไปกระทบผิวสะท้อน ก็จะสะท้อนได้ เช่นคลื่นในเส้นเชือ
การหักเห (refraction)
การหักเห เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านผิวรอยต่อของตัวกลาง ในการหักเห ความถี่ของคลื่นเท่าเดิม โดยความเร็วและความยาวคลื่นเปลี่ยนไปแน่นอน ส่วนทิศทางการเคลื่อนที่โดยปกติจะเปลี่ยนไปจากเดิม ยกเว้นเมื่อคลื่นตกตั้งฉากกับผิวรอยต่อของตัวกลาง เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบรอยต่อของตัวกลาง คลื่นก็จะหักเหได้
การเลี้ยวเบน (diffraction)
เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง ทำให้คลื่นสามารถเคลื่อนที่อ้อมสิ่งกีดขวางไปได้
การแทรกสอด (interference)
เกิดจากแหล่งกำเนิดคลื่น 2 แหล่งที่มีความถี่ ความยาวคลื่น เท่ากัน มีเฟสตรงกันหรือต่างกันคงที่ เราเรียกแหล่งกำเนิดทั้งสองว่าแหล่งกำเนิดคลื่นอาพันธ์ จะทำให้คลื่นจากแหล่งกำเนิดทั้งสองไปพบกันแบบเสริมกัน(เรียกว่าจุดปฏิบัพ)หรือหักล้างกัน(เรียกว่าจุดบัพ)
จุดปฏิบัพ เกิดจากจุดที่สันคลื่นของคลื่นขบวนหนึ่งไปพบกับสันคลื่นของอีกขบวนหนึ่ง หรือจุดที่ท้องคลื่นของขบวนหนึ่งไปพบกับท้องคลื่นของอีกขบวนหนึ่ง จึงทำให้จุดนี้มีแอมปลิจูดลัพธ์มากที่สุด น้ำจะกระเพื่อมมากที่สุด (สูงขึ้นมากที่สุด เมื่อสันคลื่นพบสันคลื่น และต่ำลงมากที่สุด เมื่อท้องคลื่นพบท้องคลื่น)
