การหักเหของแสงและการใช้ประโยชน์

เมื่อแสงเดินทางมากระทบวัตถุแสงจะสะท้อนกลับไปยังตัวกลางเรียกว่าการสะท้อน หรือหักเหเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางเรียกว่าการหักเห ในบทนี้เรามาเรียนรู้ธรรมชาติของแสงเมื่อมันเดินทางมากระทบวัตถุกัน

การสะท้อน (Reflection)

การสะท้อนของแสงเมื่อตกกระทบผิวสะท้อนราบ

การสะท้อนของแสงทำให้เกิดมุมตกกระทบคือมุมที่แสงตกกระทบทำกับเส้นตั้งฉากกับกระจก และมุมสะท้อนคือมุมที่แสงสะท้อนทำกับเส้นตั้งฉากกับกระจก

กฎของการสะท้อนกล่าวว่า “เมื่อเกิดการสะท้อนแสงทุกครั้งมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ”

กระจกราบ (Plane Mirrors)

เมื่อวัตถุอยู่หน้ากระจก วัตถุจะสะท้อนลำแสงออกมานับล้านเส้นมายังกระจก แต่ขอเขียนลำแสงตัวแทนมาสัก 4 เส้น เมื่อเกิดการสะท้อนแสงที่กระจกมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ทำให้เกิดลำแสงเสมือนตัดกันจนเกิดภาพเสมือนที่หลังกระจก ภาพเสมือนที่หลังกระจกจะมีขนาดเท่ากับวัตถุ และกลับซ้ายเป็นขวา

a.

b.

  1. การเกิดภาพในกระจกเงาราบ
  2. การเกิดภาพสะท้อนจำนวนมากเมื่อตั้งกระจกสองอันหันเข้าหากัน

การสะท้อนบนพื้นผิวขรุขระ (Diffuse Reflection)

เมื่อแสงสะท้อนที่ผิวขรุขระ แสงจะสะท้อนออกไปหลายทิศทาง

a.

b.

  1. การสะท้อนคลื่นวิทยุบนจารรับสัญญาณดาวเทียมเป็นการสะท้อนบนผิวขรุขระ
  2. แผนภาพการสะท้อนบนผิวขรุขระ

พื้นผิวถนนที่แห้งอยู่มีการสะท้อนแสงบนพื้นผิวขรุขระจึงมีแสงสะท้อนมายังตาเรา แต่เมื่อถนนนองไปด้วยน้ำ ผิวน้ำทำให้เกิดการสะท้อนบนผิวเรียบทำให้แสงจากรถสะท้อนไปด้านหน้ารถอย่างเดียวมีเพียงแสงส่วนน้อยที่สะท้อนเข้าตาเราทำให้เรามองพื้นถนนหลังฝนตกไม่ชัดเจน

 

เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางหนึ่งตกกระทบกับผิวของอีกตัวกลางหนึ่ง แสงจะเกิดการสะท้อนขึ้นกลับมาในตัวกลางเดิม โดยแสงที่สะท้อนออกมาจะเปลี่ยนแปลงตามพื้นผิว โดยถ้าพื้นผิวเรียบแสงสะท้อนจะเป็นระเบียบ แต่ถ้าผิวขรุขระ แสงสะท้อนจะกระจัดกระจายไม่เป็นระเบียบ

เปรียบเทียบการสะท้อนบนผิวเรียบและผิวขรุขระ

กฎการสะท้อนของแสง (Law of Reflection)

มุมตกกระทบคือมุมที่รังสีตกกระทบ (Incident ray) ทำกับเส้นปกติ (Normal) ของผิวสะท้อน และ มุมสะท้อน (Reflected ray) คือมุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ

การสะท้อนของแสงที่มีระเบียบจะได้

  1. มุมตกกระทบมีค่าเท่ากับมุมสะท้อน
  2. รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อนและเส้นปกติ จะอยู่ในระนาบเดียวกัน

http://www.youtube.com/watch?v=ay_M1jZ41xE&feature=youtu.be

ภาพที่เกิดจากกระจกเว้าและกระจกนูนจากวัตถุที่ห่างจากกระจกในระยะต่างๆ

การหักเห (Refraction)

อัตราเร็วของแสงในน้ำและในแก็วต่ำกว่าอัตราเร็วของแสงในอากาศ แสงเดินทางในสุญญากาศเดินทางด้วยอัตราเร็ว

c = 300,000 km/s

แสงเดินทางในน้ำอัตราเร็วเป็นสามส่วนสี่ของอัตราเร็วแสงในสุญญากาศ แสงเดินทางในเพชรอัตราเร็วเป็น 40 %ของอัตราเร็วแสงในสุญญากาศ

การที่แสงหักเหออกไปจากแนวเดิมเมื่อเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การหักเหของแสง การเดินทางของแสงเมื่อมีการหักเหแสงทำให้แสงเดินทางระยะทางมากขึ้นแต่ใช้เวลาในการเดินทางน้อยลงเสมอ ตัวอย่างเช่น เมื่อแสงเดินทางจากในน้ำมายังอากาศตามรูปข้างล่างจากจุด B มายังจุด A แสงใช้เวลาในการเดินทางตามเส้นประเนื่องจากใช้เวลาเดินทางตามเส้นประใช้เวลาสั้นกว่าเดินทางตามเส้นทึบเพราะการเดินทางตามเส้นประในน้ำมีระยะสั้นขึ้น ถึงแม้ว่าต้องเดินทางในอากาศยาวขึ้นก็ไม่ทำให้เสียเวลาในการเดินทางของแสง เนื่องจากแสงเดินทางในอากาศได้เร็วกว่าเดินทางในน้ำ

 

การหักเหของแสงเกิดขึ้นเพื่อลดพลังงานของการเดินทางของแสง

การหักเหของแสงผ่านชั้นบรรยากาศโลกทำให้ภาพดวงอาทิตย์ตกที่เห็นสูงกว่าตำแหน่งจริงเสมอ

http://www.youtube.com/watch?v=PLpj3dI9y1c&feature=youtu.be

 

ทุกครั้งที่เราดูพระอาทิตย์ตก เราเห็นพระอาทิตย์เป็นเวลาหลายนาทีทั้งๆที่มันตกอยู่ไปใต้ของฟ้าแล้ว บรรยากาศโลกเบาบางที่ระดับสูงแต่หนาแน่นที่ระดับพื้นดิน แสงเดินทางในอากาศที่เบาบางได้เร็วกว่าอากาศที่หนาแน่น แสงจากดวงอาทิตย์จึงค่อยๆหักเหไปตามความหนาแน่นของอากาศที่ค่อยๆเพิ่มขึ้น ดวงอาทิตย์เมื่อเวลาจะลับขอบฟ้าแสงจากขอบบนของดวงอาทิตย์จะหักเหมากกว่าแสงจากของล่างของดวงอาทิตย์ เราจึงเห็นพระอาทิตย์ตกเป็นรูปวงรี

มิลาจ (Mirage)

เราคุ้นเคยกับมิลาจกันดี ตอนที่เราขับรถไปตามถนนร้อนๆเราจะเห็นเหมือนว่ามีบ่อน้ำเกิดขึ้นกลางถนนแต่พอเข้าไปดูใกล้ๆบ่อน้ำนั้นจะหายไป สิ่งที่เราเห็นนี้เรียกว่ามิลาจเกิดขึ้นจากการที่อากาศบนพื้นถนนร้อนกว่าอากาศด้านบนทำให้แสงที่มาจากท้องฟ้าหักเหโค้งเหนือพื้นถนนแล้วเข้าตาเรา

a.

b.

  1. การเกิดมิลาจ b. ภาพมิลาจ

ต้นเหตุของการหักเห (Cause of Diffraction)

จากหัวข้อเรื่องการหักเหและมิลาจข้างต้น เราจะเห็นได้ว่าแสงเดินทางตามเส้นทางที่ใช้เวลาในการเดินทางน้อยที่สุดเสมอ เหมือนดั่งว่าแสงมีความคิดเป็นของตัวเอง แต่ความจริงแล้วมีสาเหตุที่แท้จริงของการหักเหแสง

เมื่อแสงเดินทางจากอากาศมายังน้ำจะหักเหเข้าหาเส้นตั้งฉาก เนื่องจากหน้าคลื่นด้านซ้ายตกถึงน้ำก่อนจึงเคลื่อนที่ช้ากว่าด้านขวาซึ่งยังอยู่ในอากาศอยู่แสงจึงหักเหเข้าหาเส้นปกติ เปรียบเทียบเหมือนกับว่าหน้าคลื่นเป็นล้อรถที่วิ่งจากพื้นแก้วมายังพื้นหญ้า เมื่อวิ่งมาถึงพื้นหญ้าล้อซ้ายจะเคลื่อนที่มาถึงพื้นหญ้าก่อนทำให้ล้อซ้ายเคลื่อนที่ช้ากว่าล้อขวาซึ่งยังอยู่ในพื้นแก้ว ทำให้ล้อรถเบนเข้าหาเส้นตั้งฉากนั่นเอง

สาเหตุของการหักเห เนื่องจากหน้าคลื่นแสงด้านขวาเคลื่อนที่ในอากาศจึงเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าหน้าคลื่นข้างซ้ายที่มาถึงน้ำก่อน จึงเกิดการหักเหของแสงเบนเข้าหาเส้นตั้งฉาก เปรียบเหมือนการผลักรถเด็กเล่นจากพื้นแก้วเอียงเข้าหาพื้นหญ้าจะเห็นว่ารถจะหักเหเข้าหาเส้นตั้งฉาก

รุ้งกินน้ำ (Rainbows)

ฟ้าหลังฝนช่างสวยงามมองแล้วมีความสุขทุกที ถ้าเราหันหลังให้ดวงอาทิตย์จะเห็นสายรุ้งสายฝนสร้างละอองน้ำนับล้านๆหยด ค่อยๆถักทอสีสัน 7 กลุ่มสี ละอองน้ำทุกหยดทำหน้าที่เหมือนปริซึมกระจายแสงขาวออกเป็น 7 กลุ่มสี

http://www.youtube.com/watch?v=a2AKY2ld0gc&feature=youtu.be

a.

  1. a. การหักเหของแสงผ่านปริซึมได้แสงสีรุ้ง 7 สี ได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง

b.คล้ายกับกรณีแสงผ่านหยดน้ำทำให้ได้สีรุ้ง 7 สีเช่นกัน

ดูที่ละอองน้ำแต่ละหยดเมื่อแสงอาทิตย์เข้ามายังหยดน้ำทางด้านบน จะเกิดการหักเหของแสงครั้งแรก แสงสีม่วงหักเหมากที่สุด แล้วเมื่อแสงเดินทางมายังด้านหลังของละอองน้ำเกิดการสะท้อนกลับหมดภายในสะท้อนแสงกลับมายังด้านหน้าเกิดการหักเหแสงครั้งที่สองได้แสงสีม่วงอยู่ด้านบน และเมื่อหยดน้ำทุกหยดเกิดการหักเหแสงและสะท้อนเหมือนๆกันทำให้ได้ผลรวมของแสงขนาดใหญ่เห็นเป็นรุ้งกินน้ำอันสวยงาม

แผนภาพการเกิดรุ้ง

a.

b.

a.รุ้งประถมภูมิอยู่วงในมีสีนับจากวงในดังนี้ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง รุ้งทุติยภูมิอยู่วงนอกมีสีนับจากวงในดังนี้ แดง ส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน คราม ม่วง

  1. ถ้าเราอยู่บนเครื่องบินเราจะเห็นรุ้งเป็นวงกลม

รุ้งประถมภูมิ (Primary Rainbows)

รุ้งประถมภูมิเกิดขึ้นที่วงรุ้งด้านใน รุ้งประถมภูมิเกิดจากการที่แสงมายังละอองน้ำด้านล่างๆ แสงเดินทางเข้าทางด้านบนของละอองน้ำทำให้ได้รุ้งกินน้ำวงในสุดสีม่วงวงนอกสุดสีแดง

รุ้งทุติยภูมิ (Secondary Rainbows)

รุ้งทุติยภูมิเกิดขึ้นที่วงรุ้งด้านนอก รุ้งทุติยภูมิเกิดจากการที่แสงมายังละอองน้ำด้านบนๆ แสงเดินทางเข้าทางด้านล่างของละอองน้ำทำให้ได้รุ้งกินน้ำวงในสุดสีแดงวงนอกสุดสีม่วง

การสะท้อนกลับหมดภายใน (Total Internal Reflection)

 เมื่อแสงจากก้นบ่อทำมุมเกิน 48 ํ กับเส้นตั้งฉากแสงนั้นจะสะท้อนกลับหมดภายใน

เนื่องจากอัตราเร็วของแสงในน้ำน้อยกว่าอัตราเร็วของแสงในอากาศ เมื่อแสงเดินทางจากน้ำออกไปยังอากาศจึงเบนออกห่างจากเส้นตั้งฉาก เมื่อลำแสงตกกระทบทำมุมมากกว่า 48 ํ ลำแสงหักเหจึงสะท้อนกลับหมดภายในกลับมายังน้ำอีก การสะท้อนกลับหมดภายในนี้สะท้อนแสงได้ 100%ซึ่งดีกว่าการสะท้อนของ

กระจกเงาเพราะกระจกเงาสามารถสะท้อนแสงได้มากที่สุด 90% มุมที่แสงสะท้อนกลับหมดภายใน

เรียกว่ามุมวิกฤต (Critical Angle) ซึ่งตัวกลางต่างๆมีค่ามุมวิกฤตไม่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น มุมวิกฤตของน้ำคือ 48 ํ มุมวิกฤตของแก้วคือ 43 ํ มุมวิกฤตของเพชรคือ 24.5 ํ เป็นต้น

มุมตกกระทบตั้งแต่มุมวิกฤตขึ้นไปทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดภายใน

แสงจะกระทบผิวน้ำแล้วสะท้อนกลับลงน้ำอีก

a.

b.

  1. a. การสะท้อนกลับหมดภายในของปริซึมในกล้องส่องทางไกลช่วยทำให้กล้องส่องระยะไกลขึ้นโดยไม่ต้องเพิ่มความยาวของตัวกล้อง
  2. เพรชแวววาวเพราะการสะท้อนกลับหมดภายใน

ประโยชน์ของปริซึมสองอันที่ใช้สะท้อนแสงกลับหมดภายในจากเลนส์วัตถุมายังเลนส์ตาคือช่วยเพิ่มระยะระหว่างเลนส์ให้มากขึ้น ทำให้กล้องสองตามีประสิทธิภาพเท่าเทียมกับกล้องยาว

และปริซึมทั้งสองนี้ยังช่วยปรับซ้ายขวาของภาพให้ถูกต้องตามความเป็นจริงอีกด้วย

มุมวิกฤตของเพชรคือ 24.5 ํ น้อยกว่าตัวกลางทุกชนิด แสงทุกลำแสงที่หักเหออกจากเพชรทำมุมมากกว่า 24.5 ํ กับเส้นตั้งฉากเสมอ ทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมดภายในมากมายเกิดกระจายแสงออกเป็นสีรุ้งระยิบระยับจับตา

a.

http://www.youtube.com/watch?v=R_Xl2zyCjzM&feature=youtu.be

b.

http://www.youtube.com/watch?v=hBQ8fh_Fp04&feature=youtu.be

c.

a.ใยแก้วนำแสงนิยมใช้ในการทำสายอินเตอร์เนท

  1. ใช้ใยแก้วนำแสงในการส่องดูในข้อเข่าพ้อมกับการผ่าตัดเรียกการผ่าตัดผ่านกล้อง

c.การทดลองยิงลำเลเซอร์ให้สะท้อนกลับหมดภายในไปตามลำน้ำ

การสะท้อนกลับหมดภายในนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย อย่างเช่นนำมาใช้กับใยแก้วนำแสงซึ่งยอมให้แสงสะท้อนกลับหมดภายในใยแก้ว ใยแก้วนำแสงใช้ในการส่งสัญญาณอินเตอร์เนทความเร็วสูง (แต่การใช้อินเตอร์เนทใยแก้วนำแสงยังไม่แพร่หลายเนื่องจากยังมีราคาแพงถ้าเทียบกับการใช้สายเคเบิลทองแดงที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน) การใช้ใยแก้วนำแสงสามารถส่งสัญญาณหลายสัญญาณไปพร้อมกันได้โดยไม่มีการรบกวนกัน

เราใช้ใยแก้วนำแสงในการผ่าตัดผ่านกล้องโดยแพทย์จะส่งใยแก้วไปส่องดูอวัยวะภายในคนไข้พร้อมกับบังคับมีดผ่าตัดขนาดเล็กที่สอดเข้าไปพร้อมกับใยแก้วนำแสง วิธีนี้ช่วยให้คนไข้ไม่ต้องทนอาการบาทเจ็บเนื่องจากการผ่าตัดเปิดแผล

เลนส์ (Lenses)

เราใช้เลนส์ในชีวิตประจำวันกันมากมาย แสงที่หักเหในเลนส์ทำให้เราได้ภาพที่ใหญ่ขึ้นหรือเล็กลงได้ เราลองแบ่งเลนส์ให้ออกเป็นส่วนๆจะเห็นได้ว่ารูป a คือเลนส์นูน ส่วนปลายบนและล่างหักเหแสงมารวมกัน ส่วนกลางเลนส์แสงผ่านไปตรงๆไม่มีการหักเห เลนส์นูนจึงเป็นเลนส์รวมแสง ส่วนรูป b คือเลนส์เว้า ส่วนปลายบนและล่างของเลนส์หักเหแสงกระจายออกจากกัน ส่วนกลางเลนส์แสงผ่านไปตรงๆไม่มีการหัก เลนส์เว้าจึงเป็นเลนส์กระจายแสง

เปรียบเทียบให้เลนส์เป็นปริซึมที่เรียงแถวกัน
a. เลนส์นูน b. เลนส์เว้า

จุดโฟกัสคือจุดที่ลำแสงหักเหมารวมกัน ระยะโฟกัสวัดจากกึ่งกลางเลนส์มาถึงจุดที่แสงหักเหมารวมกัน

ภาพจากเลนส์นูน (Image from Converging Lens)

เราใช้เลนส์นูนขยายภาพ อย่างเช่นที่หมอดูใช้ดูลายมือ เมื่อมือของเราอยู่ใกล้เลนส์ระยะของมือน้อยกว่าโฟกัส แสงที่หักเหจะไม่ตัดกันเป็นภาพจริงแต่เราจะเอาแสงที่ได้รับไปประมวลผลเหมือนกับว่าแสงนั้นออกมาจากวัตถุโดยตรง เราเรียกภาพลักษณะนี้ว่าภาพเสมือน

ถ้าแสงของวัตถุมาจากระยะไกล เมื่อผ่านเลนส์เว้าเลนส์เดียวแสงจะมาตัดกันจริงที่หลังเลนส์ ได้ภาพหัวกลับเราเรียกภาพนี้ว่าภาพจริง

a.

b.

  1. a. เลนส์นูนให้ภาพเสมือนเมื่อวัตถุอยู่ที่ระยะน้อยกว่าโฟกัส
  2. เลนส์นูนให้ภาพจริงสามารถเอาฉากรับได้เมื่อวัตถุอยู่ห่างจากเลนส์เกินระยะโฟกัส

ภาพจากเลนส์เว้า (Image from Diverging Lens)

ภาพที่ได้จากเลนส์เว้าเป็นภาพเสมือนหัวตั้งขนาดเล็กกว่าวัตถุเสมอ เราใช้เลนส์เว้าที่ช่องมองภาพของกล้องถ่ายรูปเพื่อมองภาพที่เราจะถ่ายเห็นครบทุกส่วนเนื่องจากเลนส์เว้าจะช่วยย่อ ภาพของวัตถุให้มีขนาดเล็กลง

 

http://www.youtube.com/watch?v=9PiSIk_ZX1k&feature=youtu.be

ภาพที่เกิดจากเลนส์เว้าและเลนส์นูนจากวัตถุที่ห่างจากเลนส์ในระยะต่างๆ

ทดลองด้วยตัวเอง

ความผิดปกติด้านสายตา

สายตาสั้น

สายตาสั้นเกิดจากภาพตกก่อนถึงเรตินาทำให้มองภาพไกลๆไม่ชัด  แก้ไขด้วยการใช้เลนส์เว้า

แสดงสายตาสั้น

สายตายาว

สายตายาวเกิดจากภาพตกหลังเรตินาทำให้มองภาพใกล้ๆไม่ชัด  แก้ไขด้วยการใช้เลนส์นูน

แสดงสายตายาว

องค์ประกอบของดวงตาส่วนหน้า

เราจะป้องกันภาวะสายตาสั้น หรือไม่ให้สายตาสั้นมากขึ้นได้หรือไม่ ? 

ได้แน่นอน ถ้าหากเรารู้ถึงกลไกการเกิดปัญหาสายตาสั้น ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว โดยมี ข้อแนะนำดังต่อไปนี้ คือ

  1. พยายามให้เด็กอ่านหรือมองระยะไกลทุกครั้งที่มีโอกาส เพื่อช่วยให้กล้ามเนื้อวง แหวน ( Ciliary muscle ) คลายตัว  อย่างเช่นมองทุ่งหญ้าสีเขียว  ไม่ใช่ทิวทัศเมืองที่มีแต่สีขาวสะท้อนแสงแสบตาเป็นอันตรายต่อสายตาด้วย

ฮ้า  มันชื่นใจจริงๆ
2.ถ้ามีภาวะสายตาสั้นและมองไกลไม่ชัด ควรตัดแว่นให้เด็กใส่ เพื่อใช้มองไกลให้ชัด เจน และควรถอดแว่นตาทุกครั้งที่ใช้สายตาระยะใกล้ ( อ่านหรือเขียนหนังสือ )

น่าสงสารน้องเขากำลังทำลายสายตาตัวเอง

ด้วยการใส่แว่นสายตาสั้นอ่านหนังสือ

  1. อย่าให้เด็กหมกมุ่นกับกิจกรรมที่ใช้สายตาระยะใกล้มากเกินไป เช่นการเล่นเกมส์ คอมพิวเตอร์ การดูโทรทัศน์ ควรหากิจกรรมที่ทำในที่โล่งแจ้งที่แดดไม่ร้อนเกินไป เพื่อกระตุ้นการใช้สายตาระยะไกล

4.สอนให้เด็กใช้ฝ่ามือ กดลูกตาผ่านบริเวณเปลือกตาที่ปิดสนิท เพื่อส่งแรงดันกดลูกตา ให้สั้นลง และคลายอาการเกร็งตัวของกล้ามเนื้อวงแหวน ทำวันละ 1 ครั้ง ๆ ละ 60 วินาที ก่อนนอน และเวลามีอาการสายตาล้าจากการใช้สายตาระยะใกล้นานๆ

  1. ห้ามใช้เครื่องวัดสายตาอัตโนมัติ  เครื่องวัดแบบอัตโนมัติ  จะทำให้สายตาคุณเสียได้  เพราะเป็นการวัดที่ใช้เลนส์ขนาดต่างๆที่ไม่เหมาะสมกับสภาพตาของเราถ้าวัดแล้วสายตาสั้นเพิ่มแน่นอน  หรือไม่ถ้าสายตาดีอยู่แล้วก็สายสาสั้นได้เลยทันที

อย่าเสี่ยงเลยผมขอร้อง

  1. วัดสายตาด้วยวิธีที่ถูกต้อง เช่น วัดด้วยแผนภาพรูปตัว E  ด้วยการดูแลของจักษุแพทย์ใกล้บ้านท่าน

ถ้าสายตาสั้นจะเห็นแบบด้านขวา

  1. เหนื่อยนัก  ใช้สายตามากเกินไปก็นอนซะนะ ฝันดี

Comments

comments

ใส่ความเห็น