ความหมายของเเสง (Light)

     แสง (light) คือ คลื่นชนิดหนึ่งและมีพลังงานการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลต แสงช่วงที่ตาสามารถ มองเห็นมีค่าอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร และมีความถี่อยู่ในช่วง 103-105 เฮิรตซ์ โดยแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด หรือ ความถี่สูงสุด ส่วนแสงสีอื่น ๆ ให้สเปคตรัมของแสงในช่วงนี้ก็มีความยาวคลื่นสูงขึ้นตามลำดับ จนถึงแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุดหรือมีความถี่ต่ำที่สุด

น่ารู้..

   - แสง เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดเดียวที่ตามองเห็น (visible)

   - อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ จะมีค่าประมาณ 3 x 10⁸ m/s 

   - แสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค (ทวิภาคของคลื่น)

นักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับเรื่องแสง

1. นิวตัน (Newton) ได้เสนอทฤษฎีอนุภาคของแสง (particle theory) ซึ่งสามารถนำไปใช้อธิบาย ปรากฏการณ์สะท้อนและการหักเหของแสง

2. ฮอยเกนส์ (Christain Huygen) ได้เสนอทฤษฏีเกี่ยวกับคลื่นแสง (Waves Theory) กล่าวว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเดินทางในลักษณะของคลื่น นอกจากนี้ยังได้แสดงให้เห็นว่า กฎการสะท้อน และการหักเหสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีคลื่นแสง

3. ทอมัส ยัง (Thomas Young) ได้ค้นพบปรากฏการณ์การแทรกสอดของแสง

4. เฟรสเนล (Augustin Fresnel) ได้ทำการทดลอง เกี่ยวกับการ แทรกสอด และการเลี้ยวเบนของแสง

สมบัติของแสง

- แสงเป็นคลื่น : แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้า และตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น และแสงก็มีการเลี้ยวเบนด้วย ซึ่งการเลี้ยวเบนก็แสดงคุณสมบัติของคลื่น

- แสงเป็นอนุภาค : แสงเป็นก้อนพลังงานมีค่าพลังงาน E = hf โดยที่ h คือค่าคงตัวของพลังค์ และ f คือความถี่ของแสง เรียกอนุภาคแสงว่าโฟตอน

หน้าคลื่นและรังสีของแสง

     เมื่อเกิดคลื่นบนผิวน้ำจะเห็นหน้าคลื่นแผ่ออกจากจุดกำเนิดคลื่นเป็นรูปวงกลม แต่ถ้าเป็นแสง โดยแหล่งกำเนิดแสงเป็นจุดก็จะแผ่หน้าคลื่นออกไปเป็นรูปทรงกลม ถ้าลากเส้นจากจุดกำเนิดคลื่นออกไปในแนวตั้งฉากกับหน้าคลื่น เส้นที่ลากออกไปนี้เราเรียกว่า รังสีของเเสง ในกรณีที่แหล่งกำเนิดแสงอยู่ไกลมาก ๆ หน้าคลื่นของแสงจะเป็นหน้าคลื่นระนาบ ดังนั้นรังสีของแสงจึงเป็นเส้นตรงขนานกัน ซึ่งรังสีของแสงสามารถบอกถึงลักษณะ การเคลื่อนที่ของคลื่นและหน้าคลื่นได้ ดังนั้นในการศึกษาเกี่ยวกับแสงจึงใช้รังสีของแสงแทนหน้าคลื่น

ภาพเเสดงหน้าคลื่นเเละรังสีของเเสงในเเบบต่างๆ

การสะท้อนของแสง ( Reflection )

     เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งตกกระทบกับผิวของอีกตัวกลางหนึ่ง แสงจะเกิดการสะท้อนขึ้นกลับมาในตัวกลางเดิม โดยแสงที่สะท้อนออกมาจะเปลี่ยนแปลงตามพื้นผิว โดยถ้าพื้นผิวเรียบแสงสะท้อนจะเป็นระเบียบ แต่ถ้าผิวขุรขระ แสงสะท้อนจะกระจัดกระจายไม่เป็นระเบียบ ดังรูป

ภาพเเสดงการสะท้อนของเเสง (Reflection) ในพื้นผิวสัมผัสที่ต่างกัน

ภาพเเสดงการสะท้อนของเเสง (Reflection) บนกระจก

1. มุมตกกระทบ( i ) มีค่าเท่ากับมุมสะท้อน( r )                   

2. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อนและเส้นแนวฉาก จะอยู่ในระนาบเดียวกัน

ภาพที่เกิดจากกระจก

- ภาพในกระจกเงาราบ (Plane Mirrors)

- ภาพที่เกิดจากกระจกเงาทรงกลม ( spherical mirror )

ความสัมพันธ์ของ F เเละ R

   

การเขียนทางเดินแสง เพื่อหาการเกิดภาพจากกระจกเว้า

การเขียนทางเดินแสง เพื่อหาการเกิดภาพจากกระจกนูน

ภาพที่เกิดจากเลนส์

     เลนส์ คือ ตัวกลางโปร่งใสที่มีผิวหน้าเป็นผิวโค้ง ผิวโค้งของเลนส์อาจจะมีรูปร่างเป็นพื้นผิวโค้งทรงกลม ทรงกระบอก หรือ พาราโบลาก็ได้ เลนส์แบบง่ายสุดเป็นเลนส์บางที่มีผิวโค้งทรงกลม โดยส่วนหนาสุดของเลนส์จะมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับรัศมีความโค้ง เลนส์แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ เลนส์นูน (Convex lens ) กับเลนส์เว้า (Concave lens )

เลนส์นูน

     เลนส์นูน คือ เลนส์ที่มีตรงกลางหนากว่าตรงขอบเสมอ เมื่อผ่านลำแสงขนานเข้าหาเลนส์จะทำให้รังสีตีบเข้าหากัน และไปตัดกันจริงที่จุดโฟกัสจริง ( Real focus ) 

ภาพเเสดงเลนส์นูนรูปเเบบต่างๆ

เลนส์เว้า

     เลนส์เว้า คือ เลนส์ที่มีตรงกลางบางกว่าตรงขอบเสมอ เมื่อผ่านลำแสงขนานเข้าหาเลนส์จะทำให้รังสีถ่างออกจากกันและ ถ้าต่อแนวรังสี จะพบว่ารังสีจะไปตัดกันที่จุดโฟกัสเสมือน ( Virtual focus ) 

ภาพเเสดงเลนส์เว้ารูปเเบบต่างๆ

การหักเหของแสงผ่านเลนส์

             การหาลักษณะของภาพและตำแหน่งของภาพที่เกิดจากการหักเหของแสงผ่านเลนส์ โดยการวาดรังสี ซึ่งมีขั้นตอนการเขียนรังสีของแสง ตกกระทบและรังสี หักเหของแสง ดังนี้

             ก. รังสีเส้นที่หนึ่ง ให้ลากรังสีของแสงจากวัตถุขนานกับแกนมุขสำคัญไปตกกระทบเลนส์ต่อมาลากรังสีหักเหของแสงจากเลนส์จะผ่านที่จุดโฟกัส ซึ่งอยู่ด้านหลังเลนส์

             ข. รังสีเส้นที่สอง ให้ลากรังสีของแสงจากวัตถุไปตกกระทบที่จุดกึ่งกลางเลนส์ต่อมาลากรังสีหักเหของแสงจากเลนส์ต่อจากจุดกึ่งกลางเลนส์ออกไป

             ค. รังสีเส้นที่สาม ให้ลากรังสีของแสงจากวัตถุผ่านจุดโฟกัสไปตกกระทบเลนส์ต่อมาลากรังสีหักเหของแสงจากเลนส์ออกไปด้านหลังเลนส์ โดยขนาน กับแกนมุขสำคัญ รังสีทั้งสามจะไปตัดกันที่ด้านหลังของเลนส์ที่ตำแหน่งหนึ่งซึ่งตำแหน่งนั้นคือตำแหน่งของภาพ ที่เกิดขึ้น ดังรูป

แสดงการหักเหของแสงเมื่อผ่านเลนส์นูน

แสดงการหักเหของแสงเมื่อผ่านเลนส์เว้า

ภาพที่เกิดจากการวางวัตถุ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ของเลนส์นูน

1. ถ้าวัตถุอยู่ที่ตำแหน่งที่ไกลมากหรือระยะอนันต์ จะได้ภาพจริงมีขนาดเป็นจุดอยู่ที่จุดโฟกัส

2. ถ้าวัตถุอยู่ห่างมากกว่าจุดศูนย์กลางความโค้ง แต่ไม่ถึงระยะอนันต์ จะเกิดภาพจริงหัวกลับ ขนาดเล็กกว่าวัตถุ อยู่ระหว่างจุด F และ ซึ่งอยู่คนละด้านกับวัตถุ

3. ถ้าวัตถุอยู่ที่จุด C จะเกิดภาพจริงหัวกลับที่ตำแหน่ง ขนาดเท่ากับวัตถุ และอยู่คนละด้านกลับวัตถุ

4. ถ้าวัตถุอยู่ระหว่างจุด C และจุด F จะเกิดภาพจริงหัวกลับ ขนาดขยายอยู่นอกจุด ซึ่งอยู่คนละด้านกับวัตถุ

5. ถ้าวัตถุอยู่ที่จุด F จะทำให้เกิดภาพที่ระยะอนันต์ เพราะรังสีแสงที่ออกมาจะเป็นรังสีแสงขนาน

6. ถ้าวัตถุอยู่ระหว่างจุด F กับจุด O จะพบว่ารังสีรังสีที่ผ่านเลนส์มีการเบนออก และเมื่อเราต่อแนวรังสีที่หักเหผ่านเลนส์ จะพบว่าเกิดภาพเสมือนขนาดขยาย หัวตั้งอยู่ด้านเดียวกับวัตถุ

ภาพที่เกิดจากการวางวัตถุ ณ ตำแหน่งต่าง ๆ ของเลนส์เว้า

- ถ้าวัตถุอยู่ระหว่างจุด F กับจุด Cหรือจุด F กับจุด O จะเกิดภาพเสมือน หัวตั้ง ขนาดเล็กกว่าวัตถุที่ระยะระหว่าง F กับ C หน้าเลนส์

การหาตำแหน่งภาพที่เกิดจากเลนส์

   โดยที่   f   คือ ความยาวโฟกัส        f   เป็นบวก เมื่อเป็นเลนส์นูน

                                                          f   เป็นลบ เมื่อเป็นเลนส์เว้า

               s   คือระยะวัตถุ                  s   เป็นบวก สำหรับวัตถุจริง (ซึ่งอยู่หน้าเลนส์)

                                                          s   เป็นลบ สำหรับวัตถุเสมือน (ซึ่งอยู่หลังเลนส์)

              s'   คือระยะภาพ                  s'   เป็นบวก สำหรับภาพจริง (ซึ่งอยู่หน้าเลนส์)

                                                         s'   เป็นลบ สำหรับภาพเสมือน (ซึ่งอยู่หลังเลนส์)

กำลังขยาย (Magnification)

   กำลังขยายของเลนส์ หาได้จาก 

การสะท้อนกลับหมด ( Total Internal Reflection )

     แสงที่เดินทางจากตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหมาก (n1) ไปสู่ตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหน้อย (n2) ถ้าให้แสงตกกระทบทำมุมกับเส้นปกติจะทำให้เกิดมุมหักเหของแสง เบนออกจากเส้นปกติ แต่ถ้าให้แสงตกกระทบจนทำให้มุมหักเหมีค่าเท่ากับ มุมตกกระทบนี้จะเรียกว่า มุมวิกฤต (Critical Angle) และ ถ้ามุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต จะเกิดการสะท้อนเพียงอย่างเดียวเราเรียกว่า การสะท้อนกลับหมด (Total internal reflection)  

มุมวิกฤติ (Critical Angle)

     คือ  มุมตกกระทบที่ทำให้มุมหักเหเท่ากับ 90 องศา จะเกิดมุมวิกฤติได้เมื่อ

- แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย

- แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหน้อยไปสู่ตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมาก

- แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความเร็วมากไปสู่ตัวกลางที่มีความเร็วน้อย

ภาพเเสดงการเกิดมุมวิกฤติ (Critical Angel)

การหักเหของแสง (Refraction)

     เกิดจากการที่แสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่างกัน เป็นผลทำให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งในขณะที่แสงเกิดการหักเหก็จะเกิดการสะท้อนของแสงขึ้นพร้อมๆ กันด้วย

ภาพเเสดงการหักเหของแสง (Refraction)

กฎของสเนลล์ ( Snell's Law )

ดัชนีหักเห (n)

   หาได้จากสมการ    

       

   โดยที่   n  แทน ดัชนีหักเห

               c แทน อัตราเร็วแสงในสุญญากาศหรืออากาศ (m/s)

               v แทน  อัตราเร็วแสงในตัวกลางใดๆ (m/s)

ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวกับแสง

1. การกระจายของแสง (Dispersion of light)

     เมื่อฉายแสงขาวจากหลอดไฟประเภทจุดไส้สว่าง หรือแสงจากดวงอาทิตย์ให้ผ่านปริซึม แสงขาวจะกระจายออกเป็นแสงสีต่างๆ เรียงตามลำดับความถี่มากไปน้อย คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม และ แดง แถบของแสงสีที่กระจายออกจากแสงขาว เรียกว่า สเปกตรัมของแสงขาว (Spectrum of white light)

     ในการกระจายของแสง แสงสีต่างๆ จะมีมุมหักเหแตกต่างกันโดยแสงสีแดงซึ่งมีพลังงานต่ำสุด ความสามารถในการหักเหจึงน้อยมุมหักเหจึงมีค่ามากสุด ทำให้มุมเบี่ยงเบนของแสงสีแดงมีค่าน้อยที่สุด ดังรูป

ภาพเเสดงการกระจายของเเสงขาวเป็นเเสงสีต่างๆ

2. รุ้งกินน้ำ (Rainbow)

ภาพเเสดงรุ้งกินน้ำปฐมภูมิ (วงใน) เเละรุ้งทุติยภูมิ (วงนอก)

รุ้งปฐมภูมิ เป็นรุ้งตัวล่าง เกิดจากแสงขาวส่องทางด้านบนของละอองน้ำ เกิดการหักเห สะท้อนกลับ และหักเหออกสู่อากาศเข้าสู่นัยน์ตาของผู้สังเกต รุ้งปฐมภูมินี้จะเห็นสีม่วงอยู่ด้านบน สีแดงอยู่ด้านล่าง

รุ้งทุติยภูมิภูมิ เป็นรุ้งตัวบน เกิดจากแสงขาวส่องทางด้านล่างของละอองน้ำ เกิดการหักเหสะท้อนกลับหมด 2 ครั้ง แล้วหักเหออกสู่อากาศเข้าสู่นัยน์ตาของผู้สังเกต รุ้งทุติยภูมินี้จะเห็นสีแดงอยู่ข้างบน สีม่วงอยู่ข้างล่าง

ภาพเเสดงการเกิดรุ้งปฐมภูมิ (ซ้าย) และทุติยภูมิ (ขวา)

3. พระอาทิตย์ทรงกลด ( Sun Halo )

ภาพเเสดงพระอาทิตย์ทรงกลด (Sun halo)

     ปรากฏการณ์พระอาทิตย์ทรงกลด เกิดขึ้นจากบรรยากาศของโลกในชั้นโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) ซึ่งเป็นบรรยากาศชั้นล่างสุด และเป็นที่อยู่ของกลุ่มเมฆจำนวนมาก มีอากาศเย็นจัดตั้งแต่ช่วงเช้าตรู่ก่อนดวงอาทิตย์ขึ้น จนทำให้ละอองน้ำในอากาศ ณ เวลานั้นๆ แข็งตัวเป็นเกล็ดน้ำแข็งอนุภาคเล็กๆ จำนวนมหาศาลลอยอยู่บนท้องฟ้า เมื่อพระอาทิตย์ขึ้น และส่องแสงทำมุมกับเกล็ดน้ำแข็งได้อย่างเหมาะสม จะเกิดการหักเหและการสะท้อนของแสง ทำให้เกิดเป็นแถบสีรุ้ง (spectrum) คล้ายการเกิดรุ้งกินน้ำหลังฝนตกขึ้น

     ส่วนแสงสีที่ตามองเห็นนั้น จะขึ้นกับการทำมุมของแสงอาทิตย์และเกล็ดน้ำแข็ง แต่โดยทั่วไปเรามักจะเห็นเป็นแสงสีเหลืองอ่อนๆ มากที่สุด ถ้าเกิดจากการสะท้อนของแสงจะปรากฏเป็นสีเขียว แต่ถ้าเกิดจากการหักเหของแสงจะเป็นสีแดงเพลิงในตอนกลาง และเป็นสีน้ำเงินปนแดงตามขอบนอก

     ขนาดของพระอาทิตย์ทรงกลดจะมีขนาดแตกต่างกันออกไป แต่ส่วนมากจะมีขนาดเฉลี่ย 30 องศา โดยการลากเส้นตรง 2 เส้น มาบรรจบกันที่ดวงตาผู้มอง ได้แก่ เส้นตรงที่ลากจากกึ่งกลางของปรากฏการณ์มาที่ตาผู้มอง และเส้นตรงที่ลากจากขอบของปรากฏการณ์มาที่ดวงตาผู้มอง   บางครั้งเกล็ดน้ำแข็งของละอองไอน้ำเหล่านี้ จะทำหน้าที่หักเหทางเดินของแสงอาทิตย์ และก่อให้เกิดภาพขยายขึ้น เช่นเดียวกับที่กระจกหรือเลนส์นูนทำให้เกิดภาพขยาย

4. มิราจ (Mirage)

ภาพเเสดงการเกิดมิราจ (Mirage) บนท้องถนน

   มิราจเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากแสงจากท้องฟ้า หักเหและสะท้อนกลับหมดจากชั้นของอากาศร้อนบนพื้นดิน ที่เป็นเช่นนี้เพราะในขณะที่แสงแดดร้อนจัดอากาศที่ใกล้ผิวถนนจะมีอุณหภูมิสูงกว่า

- อากาศที่อยู่สูงจากผิวถนนขึ้นไป อากาศที่อยู่ใกล้ผิวถนนจึงมีความหนาแน่นน้อยกว่า

- อากาศที่อยู่สูงจากผิวถนนขึ้นไป ความหนาแน่นของอากาศที่แตกต่างกัน

  จึงเปรียบเสมือนตัวกลางที่แตกต่างกันดังนั้นเมื่อแสงจากท้องฟ้าเดินทางผ่านความหนาแน่นของอากาศที่แตกต่างกัน  แสงจึงเกิดการหักเหได้ และเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤต จึงเกิดการสะท้อนกลับหมด

ความลึกจริง ลึกปรากฏ

   การที่เราเห็นวัตถุในน้ำอยู่ตื้นจากเดิม เพราะอากาศมีดัชนีหักเหน้อยกว่าน้ำ ดังนั้น มุมหักเหของแสงในอากาศจึงมากกว่ามุมตกกระทบในน้ำ 

ภาพเเสดงความลึกจริง ลึกปรากฏ

   พิจารณาจากรูป   น้ำเป็นตัวกลางแรก มีดัชนีหักเห

                               อากาศเป็นตัวกลางที่สอง มีดัชนีหักเห

   และมีผู้สังเกตอยู่ในตัวกลางที่สองนี้เสมอ

  จะเขียนเป็นสมการความสัมพันธ์ได้ว่า

   โดย  s' แทน ความลึกปรากฏ

            s แทน ความลึกจริง