ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
บทเรียนฟิสิกส์
ศัพท์ฟิสิกส์
แบบฝึกหัดฟิสิกส์
เคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกฟิสิกส์ | บทเรียนฟิสิกส์

บทเรียนฟิสิกส์
   

คลื่นกล : คลื่นผิวน้ำ
 
ระดับชั้น : มัธยม 5

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกล คลื่นผิวน้ำ การซ้อนทับของคลื่น
สมบัติของคลื่น (1) สมบัติของคลื่น (2) คลื่นนิ่งและการสั่นพ้อง

คลื่นผิวน้ำเป็นคลื่นกลที่เกิดขึ้นเมื่อผิวน้ำถูกรบกวนและมีการถ่ายโอนพลังงานผ่านโมเลกุลของน้ำ เมื่อคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่จะเห็นสันคลื่นและท้องคลื่นเคลื่อนที่ตามกันไปอย่างต่อเนื่อง แต่อนุภาคของน้ำที่ตำแหน่งต่างๆ บนคลื่นเมื่อขยับขึ้นจนถึงตำแหน่งสูงสุดแล้วจะขยับลงมายังตำแหน่งต่ำสุด จากนั้นก็ขยับขึ้นไปใหม่อีก วนเวียนในลักษณะเช่นนี้ตราบเท่าที่ยังมีคลื่นบนผิวน้ำ โดยโมเลกุลของน้ำไม่ได้เคลื่อนที่ตามไปกับคลื่น

เราอาจศึกษาการเคลื่อนที่ของคลื่นผิวน้ำและโมเลกุลของน้ำโดยใช้กล่องคลื่น เมื่อขยับต้นกำเนิดคลื่นขึ้นลงในกล่องคลื่น จะเกิดคลื่นผิวน้ำซึ่งเคลื่อนที่ออกไป ถ้าสังเกตด้านข้างกล่องจะเห็นคลื่นเป็นดังรูป ซึ่งเป็นภาพตัดด้านข้างของคลื่นผิวน้ำขณะหนึ่ง

ภาพด้านข้างของคลื่นผิวน้ำ ณ ขณะหนึ่ง

ถ้าพิจารณาที่ตำแหน่งต่างๆ บนผิวน้ำ ซึ่งมีการขยับขึ้นลงเหมือนคลื่นบนผิวน้ำดังรูป ระยะทางจากระดับสมดุลถึงตำแหน่งนั้นๆ (เช่น จุด O และ P) เรียกว่า การกระจัด A และ A' เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่นที่มีการกระจัดมากที่สุดและมีทิศขึ้น เรียกว่า สันคลื่น B และ B' เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่นที่มีการกระจัดน้อยมากที่สดแต่มีทิศลง เรียกว่า ท้องคลื่น ความสูงของสันคลื่นหรือความลึกของท้องคลื่นจากระดับสมดุล เรียกว่า แอมพลิจูด ระยะทางระหว่างสันคลื่นที่อยู่ถัดกัน เช่น AA' หรือระยะทางระหว่างท้องคลื่นที่อยู่ถัดกัน เช่น BB' เป็นความยาวของคลื่นหนึ่งลูก เรียกว่า ความยาวคลื่น เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ λ มีหน่วยเป็นเมตร อาจกล่าวได้ว่าความยาวคลื่น คือ ระยะห่างตามแนวสมดุลระหว่างจุดสองจุดบนคลื่นที่มีเฟสต่างกัน 360 องศา หรือ 2 เรเดียน

(คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)
กราฟระหว่างการกระจัดของอนุภาคน้ำและระยะทางที่คลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ได้
พิจารณาคลื่นผิวน้ำที่กำลังแผ่ออกไป การกระจัดของอนุภาคน้ำที่ผิวและระยะทางที่คลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ได้ที่เวลาต่างๆ เป็นดังกราฟ ที่เวลา t1 P เป็นสันคลื่น ในเวลาถัดมาสันคลื่น P จะเคลื่อนที่ไปทางขวาเรื่อยๆ ดังรูป ข. ค. ง. และ จ. ตามลำดับ ระยะทางที่สันคลื่น P (หรือตำแหน่งใดๆ บนคลื่น) เคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า อัตราเร็วคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ v มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที

จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ บนผิวน้ำในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า ความถี่ แทนด้วยสัญลักษณ์ ƒ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz) ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใดๆ ครบหนึ่งลูกคลื่นหรือหนึ่งรอบเรียกว่า คาบ แทนด้วยสัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาที เช่น พิจารณาผิวน้ำที่ A ในรูป ก. ขณะเวลา t1 เป็นสันคลื่นและที่เวลา t3 เป็นท้องคลื่น และจะเคลื่อนที่กลับขึ้นเป็นสันคลื่นอีกครั้งเมื่อเวลา t5 ช่วงเวลา t1 ถึง t5 หรือ t5 - t1 คือ คาบ คาบและความถี่มีความสัมพันธ์กันดังนี้



จะเห็นว่า เมื่อผิวน้ำที่ A เคลื่อนที่ขึ้นลงครบหนึ่งรอบ คลื่นผิวน้ำจะเคลื่อนที่ได้หนึ่งลูกหรือได้ระยะทางเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่น λ ถ้าคลื่นผิวน้ำมีความถี่ ƒ ดังนั้น ใน 1 วินาที คลื่นผิวน้ำจะเคลื่อนที่ได้ระยะทาง ƒλ ซึ่งก็คือ อัตราเร็วคลื่น v ดังนั้น

.................... สมการที่ 4

หากพิจารณาผิวน้ำที่ A อีกครั้ง เมื่อเวลาผ่านไปครบหนึ่งคาบ ผิวน้ำจะเคลื่อนที่ขึ้นลงแนวดิ่งได้หนึ่งรอบ และถ้าคลื่นไม่มีการสูญเสียพลังงาน แอมพลิจูดของคลื่นจะมีค่าคงตัว จึงกล่าวได้ว่า ผิวน้ำที่ A มีการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายครบหนึ่งรอบพอดี โดย ณ เวลาหนึ่งผิวน้ำที่ A จะอยู่ที่ตำแหน่งหนึ่งของรอบจึงเรียกว่ามีในเฟสหนึ่ง

การศึกษาเฟสของคลื่นจะเป็นการเปรียบเทียบเฟสของจุดเดียวกันแต่คนละเวลา เช่น ผิวน้ำที่ A ในรูป ก. และ จ. มีความต่างเฟสเท่ากับ 360 องศา หรือการเปรียบเทียบเฟสของจุดสองจุดบนคลื่น ณ เวลาหนึ่ง ดังรูป

ภาพด้านข้างของคลื่นผิวน้ำที่เวลาหนึ่ง แสดงจุดที่มีเฟสตรงข้ามกัน

พิจารณารูป ก. จุด P และ Q อยู่ห่างกันครึ่งความยาวคลื่นและเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกัน เรียกว่า จุดทั้งสองนี้มีเฟสตรงข้ามกัน เมื่อเวลาผ่านไปครึ่งคาบ ตำแหน่งของจุดทั้งสองเปลี่ยนไป ดังรูป ข. ดังนั้น ทั้งจุด P และ Q จะมีเฟสเปลี่ยนไป แต่จุดทั้งสองที่ยังคงมีเฟสตรงข้ามกัน เพราะยังอยู่ห่างจากระดับสมดุลเท่ากันและเคลื่อนที่ในทิศตรงข้ามกัน

ตัวอย่างหน้า 106

เราสามารถศึกษาคลื่นผิวน้ำและพฤติกรรมของคลื่นผิวน้ำ โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า ถาดคลื่น ซึ่งพบว่าเมื่อรบกวนผิวน้ำบนถาดคลื่น จะเกิดคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ออกจากบริเวณที่ถูกรบกวนและเกิดภาพของคลื่นผิวน้ำบนกระดาษขาวที่วางใต้ถาดคลื่น มีลักษณะเป็นแถบมืดและแถบสว่างสลับกัน ถ้ารบกวนผิวน้ำหนึ่งครั้ง คลื่นที่ได้เรียกว่า คลื่นดล แต่ถ้ารบกวนผิวน้ำเป็นจังหวะอย่างต่อเนื่อง จะเกิดคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ออกไปตลอดเวลา เรียกว่า คลื่นต่อเนื่อง โดยความถี่ของคลื่นที่เกิดขึ้นเท่ากับความถี่ของการรบกวนของแหล่งกำเนิดคลื่น

เมื่อคลื่นต่อเนื่องแผ่ออกจากแหล่งกำเนิด แนวสันคลื่นหรือแนวท้องคลื่นที่มีเฟสตรงกันเรียกว่า หน้าคลื่น ดังนั้น เส้นกลางของแถบสว่างซึ่งเกิดจากแนวสันคลื่นและเส้นกลางของแถบมืดซึ่งเกิดจากแนวท้องคลื่นจึงใช้แทนหน้าคลื่นได้ หน้าคลื่นมีทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นและระยะระหว่างหน้าคลื่นที่อยู่ถัดกันจะเท่ากับความยาวคลื่น



ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์เล่ม 2. ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5
จำนวนคนอ่าน 19535 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved