ชุดที่ 10 คลื่น เสียง และแสง

ชุดนี้ครอบคลุมสาระที่ 2 วิทยาศาสตร์กายภาพ มาตรฐาน ว 2.3 เรื่องธรรมชาติและสมบัติของคลื่น เสียงและการได้ยิน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การสะท้อนและการหักเหของแสง เลนส์ สายตาและทัศนอุปกรณ์ สีของแสง และความสว่าง

ซีรีส์ติวสอบครูผู้ช่วย เอกวิทยาศาสตร์ทั่วไป 2569 • exammvp.com

สรุปเนื้อหาสำคัญ

1) ธรรมชาติและสมบัติของคลื่น

• คลื่นตามขวาง: การสั่น (ของตัวกลางหรือของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) ตั้งฉากกับทิศของคลื่น เช่น คลื่นเชือก แสง | คลื่นตามยาว: สั่นแนวเดียวกับทิศของคลื่น เกิดส่วนอัด–ส่วนขยาย เช่น เสียงในอากาศ
• คลื่นถ่ายโอนพลังงาน แต่ตัวกลางเพียงสั่นรอบตำแหน่งสมดุล ไม่ได้เคลื่อนที่ไปกับคลื่น
• $v = f\lambda$, $f = 1/T$; ความถี่ขึ้นกับแหล่งกำเนิด อัตราเร็วขึ้นกับตัวกลาง เมื่อเปลี่ยนตัวกลาง f คงที่ แต่ v และ λ เปลี่ยน
• คลื่นผิวน้ำ: น้ำตื้นคลื่นช้าลง ความยาวคลื่นสั้นลง และเบนเข้าหาเส้นแนวฉาก
• การเลี้ยวเบนเห็นชัดเมื่อความยาวคลื่นใกล้เคียงหรือมากกว่าขนาดช่องหรือสิ่งกีดขวาง

2) การซ้อนทับ การแทรกสอด และคลื่นนิ่ง

• หลักการซ้อนทับ: การกระจัดลัพธ์ = ผลรวมเชิงพีชคณิต (คิดเครื่องหมาย) และเมื่อผ่านกันไปแล้วแต่ละคลื่นมีรูปร่างเหมือนเดิม
• แหล่งอาพันธ์เฟสตรงกัน: ปฏิบัพ $|S_1P - S_2P| = n\lambda$, บัพ $|S_1P - S_2P| = (n - \tfrac{1}{2})\lambda$
• สลิตคู่ของยัง (มุมเล็ก): $d\sin\theta = n\lambda$, $y_n = \frac{n\lambda L}{d}$, ระยะแถบสว่างถัดกัน $\Delta y = \frac{\lambda L}{d}$
• คลื่นนิ่ง: บัพ–บัพ = λ/2, บัพ–ปฏิบัพ = λ/4; เชือกตรึงสองปลาย $L = n\frac{\lambda}{2}$ (n = จำนวนวง)
• ท่อปลายเปิดสองด้าน $f_n = \frac{nv}{2L}$ มีครบทุกฮาร์มอนิก; ท่อปลายปิดหนึ่งด้าน $f_n = \frac{nv}{4L}$ มีเฉพาะ n คี่
• การสั่นพ้อง: ความถี่ที่กระตุ้นตรงกับความถี่ธรรมชาติ → แอมพลิจูดสูงมาก (แก้วแตก สะพานสั่น จูนวิทยุ)

3) เสียง

• อัตราเร็วเสียงในอากาศ $v \approx 331 + 0.6T$ (T เป็น °C) ที่ 20 °C ประมาณ 343 m/s; เสียงในน้ำประมาณ 1,500 m/s
• เสียงสะท้อน/โซนาร์/ค้างคาว: $d = \frac{vt}{2}$ (เวลาไป–กลับ)
• ระดับเสียง (สูง–ต่ำ) ↔ ความถี่; ความดัง ↔ แอมพลิจูดและความเข้มเสียง; คุณภาพเสียง ↔ ฮาร์มอนิกและรูปคลื่น
• ระดับความเข้มเสียง $\beta = 10\log\frac{I}{I_0}$, $I_0 = 10^{-12}$ W/m²
• ความเข้มเสียง ×2 → +3 dB, ×10 → +10 dB, ×100 → +20 dB; แหล่งกำเนิดแบบจุด $I \propto 1/r^2$ (ระยะ ×10 → −20 dB)
• ช่วงการได้ยินของมนุษย์ประมาณ 20 Hz – 20 kHz; ต่ำกว่าคืออินฟราซาวด์ (ช้าง แผ่นดินไหว) สูงกว่าคืออัลตราซาวด์ (ค้างคาว โลมา โซนาร์ อัลตราซาวด์ทางการแพทย์)
• บีตส์: $f_{beat} = |f_1 - f_2|$ ต้องใช้ข้อมูลเพิ่ม (ติดดินน้ำมัน ตะไบขาส้อม) เพื่อตัดสินว่าความถี่ที่ไม่ทราบค่าสูงหรือต่ำกว่า
• ดอปเพลอร์: แหล่งกำเนิดเข้าใกล้ → ได้ยินความถี่สูงขึ้น ออกห่าง → ต่ำลง (อัตราเร็วเสียงไม่เปลี่ยน)
• มลพิษทางเสียง: มาตรฐานระดับเสียงโดยทั่วไปของไทย ค่าเฉลี่ย 24 ชั่วโมง ไม่เกิน 70 dBA; อันตรายขึ้นกับทั้งความดังและระยะเวลาที่ได้รับ

4) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและธรรมชาติของแสง

• เรียงตามความถี่น้อย → มาก: วิทยุ → ไมโครเวฟ → อินฟราเรด → แสงที่มองเห็นได้ → อัลตราไวโอเลต → รังสีเอกซ์ → รังสีแกมมา
• ทุกชนิดมีอัตราเร็วในสุญญากาศ $c = 3.0 \times 10^8$ m/s พลังงานโฟตอน $E = hf$
• การใช้งาน: ไมโครเวฟ (สื่อสาร เรดาร์ อุ่นอาหาร) อินฟราเรด (รีโมต ภาพความร้อน) UV (ฆ่าเชื้อ; อันตรายต่อผิวและตา) รังสีเอกซ์ (ภาพกระดูก)
• โฟโตอิเล็กทริก: อิเล็กตรอนหลุดเมื่อ hf มากกว่าฟังก์ชันงาน; ความเข้มแสงเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอน ส่วนพลังงานจลน์สูงสุดขึ้นกับความถี่ (หลักฐานแสงเป็นอนุภาค)
• โพลาไรเซชัน: เกิดได้เฉพาะคลื่นตามขวาง แสงสะท้อนจากผิวน้ำหรือถนนเป็นโพลาไรซ์ในแนวระดับบางส่วน แว่นโพลารอยด์จึงลดแสงจ้าได้

5) การสะท้อนของแสงและกระจก

• กฎการสะท้อน: มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน (วัดจากแนวฉาก)
• กระจกเงาราบ: ภาพเสมือน ขนาดเท่าวัตถุ กลับซ้าย–ขวา; กระจกเต็มตัวยาวอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของความสูง
• กระจก 2 บานทำมุม θ: จำนวนภาพ $n = \frac{360°}{\theta} - 1$ (เมื่อ 360°/θ เป็นจำนวนคู่)
• สมการกระจกและเลนส์ $\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}$, $m = \frac{s'}{s}$; กระจกโค้ง $f = R/2$
• เครื่องหมาย: กระจกเว้า/เลนส์นูน f เป็นบวก; s' เป็นบวก = ภาพจริง (หัวกลับ) s' เป็นลบ = ภาพเสมือน (หัวตั้ง)

6) การหักเหของแสงและเลนส์

• $n = c/v$; กฎของสเนลล์ $n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$; เข้าตัวกลาง n มาก → เบนเข้าหาเส้นแนวฉาก
• มุมวิกฤต $\sin\theta_c = n_2/n_1$ การสะท้อนกลับหมดต้องเป็นแสงจาก n มาก → n น้อย และมุมตกกระทบ > θc (ใยแก้วนำแสง เพชร มิราจ)
• ความลึกปรากฏ (มองเกือบตั้งฉาก) = ความลึกจริง × (n ฝั่งผู้สังเกต)/(n ฝั่งวัตถุ) สระน้ำจึงดูตื้นกว่าจริง
• เลนส์นูน: วัตถุไกลกว่า f ได้ภาพจริงหัวกลับ, ใกล้กว่า f ได้ภาพเสมือนขยาย (แว่นขยาย) เลนส์เว้าให้ภาพเสมือนย่อเสมอ

7) สายตาและทัศนอุปกรณ์

• กำลังเลนส์ P = 1/f (f หน่วยเมตร) หน่วยไดออปเตอร์ (D)
• สายตาสั้น: ภาพตกก่อนจอตา แก้ด้วยเลนส์เว้า f = −(จุดไกลสุด); สายตายาว/ผู้สูงอายุ: แก้ด้วยเลนส์นูน; สายตาเอียง: แก้ด้วยเลนส์ทรงกระบอก
• แว่นขยาย: ภาพที่ 25 cm ได้ M = 1 + 25/f; ภาพที่ระยะอนันต์ได้ M = 25/f
• กล้องโทรทรรศน์ (ปรับปกติ): $M = f_o/f_e$, ความยาวกล้อง = $f_o + f_e$

8) สีของแสง การกระเจิง และความสว่าง

• การผสมแสงสี (บวก): แดง + เขียว = เหลือง, แดง + น้ำเงิน = ม่วงแดง, เขียว + น้ำเงิน = ไซแอน, ครบสามสี = ขาว
• การผสมสารสี (ลบ): สารสีดูดกลืนแสงบางสี เหลือง + ไซแอน = เขียว, ครบสามสีได้เกือบดำ
• สีของวัตถุ = สีของแสงที่วัตถุสะท้อน วัตถุที่ไม่มีแสงสีให้สะท้อนจะเห็นเป็นสีดำ
• การกระจายแสง: แสงม่วงมีดรรชนีหักเหมากที่สุดจึงเบนมากที่สุด รุ้งปฐมภูมิ (สะท้อนภายใน 1 ครั้ง) สีแดงอยู่ขอบนอก ผู้สังเกตต้องหันหลังให้ดวงอาทิตย์
• การกระเจิงแบบเรย์ลี: แสงความยาวคลื่นสั้นกระเจิงมากกว่า → ฟ้าสีฟ้า ตะวันตกดินสีส้มแดง ดวงจันทร์ไร้บรรยากาศ ฟ้าจึงดำ
• ความสว่าง (lux = lm/m²) จากแหล่งกำเนิดแบบจุด $E \propto 1/r^2$; ควรจัดความสว่างให้เหมาะกับงาน งานละเอียดต้องการความสว่างสูงกว่างานทั่วไป