หน่วยที่ 4: คลื่นและการประยุกต์ (Waves and Applications)

4.3 ปรากฏการณ์สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนของคลื่น

คลื่นสามารถเปลี่ยนทิศทางและลักษณะการเดินทางเมื่อพบกับอุปสรรคหรือขอบเขตระหว่างสื่อกลางต่าง ๆ ปรากฏการณ์ที่สำคัญเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของคลื่นได้แก่ การสะท้อน (Reflection), การหักเห (Refraction), และการเลี้ยวเบน (Diffraction) การทำความเข้าใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์เหล่านี้จะช่วยให้เราสามารถวิเคราะห์พฤติกรรมของคลื่นได้ในหลายสถานการณ์

1. การสะท้อนของคลื่น (Reflection)

การสะท้อนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นชนกับพื้นผิวหรือขอบเขตและเปลี่ยนทิศทางกลับไปยังตัวกลางเดิม โดยที่มุมที่คลื่นกระทบกับพื้นผิวจะเท่ากับมุมที่คลื่นสะท้อนออกไป เราเรียกมุมนี้ว่า มุมตกกระทบ (Angle of Incidence) และมุมสะท้อน (Angle of Reflection)

ตัวอย่างของการสะท้อนของคลื่นได้แก่ การสะท้อนของแสงจากกระจกเงา การสะท้อนของคลื่นเสียงในห้องที่มีผนังเรียบ หรือการสะท้อนของคลื่นน้ำเมื่อชนกับผนังสระน้ำ

2. การหักเหของคลื่น (Refraction)

การหักเหของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน ส่งผลให้ความเร็วและทิศทางของคลื่นเปลี่ยนแปลง มุมที่คลื่นเข้าไปในตัวกลางใหม่จะไม่เท่ากับมุมที่คลื่นตกกระทบ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ การที่ไม้ดูลอยหรือโค้งเมื่อจุ่มลงในน้ำ หรือการหักเหของแสงเมื่อผ่านจากอากาศเข้าสู่กระจก

สูตรที่ใช้ในการคำนวณมุมหักเหคือ กฎของสเนลล์ (Snell's Law) ซึ่งระบุว่า:

\[ \frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = \frac{v_1}{v_2} \]

โดยที่:

• \( \theta_1 \) คือ มุมตกกระทบ
• \( \theta_2 \) คือ มุมหักเห
• \( v_1 \) และ \( v_2 \) คือ ความเร็วของคลื่นในตัวกลางที่ 1 และ 2 ตามลำดับ

การหักเหนี้สามารถพบได้ในคลื่นทุกประเภท เช่น คลื่นแสง คลื่นเสียง และคลื่นน้ำ

3. การเลี้ยวเบนของคลื่น (Diffraction)

การเลี้ยวเบนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นผ่านขอบของอุปสรรคหรือผ่านรูแคบ ส่งผลให้คลื่นกระจายออกไปในทิศทางต่าง ๆ มากกว่าการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง การเลี้ยวเบนมีผลชัดเจนเมื่อความยาวคลื่นมีขนาดใกล้เคียงกับขนาดของอุปสรรคหรือรูแคบนั้น

ตัวอย่างที่พบเห็นได้ในชีวิตประจำวันคือ การที่คลื่นเสียงสามารถเดินทางอ้อมมุมหรือผ่านประตูไปยังพื้นที่ที่เราไม่ได้มองเห็นได้ หรือการที่คลื่นน้ำสามารถกระจายออกไปเมื่อผ่านช่องแคบระหว่างเกาะ

การเปรียบเทียบปรากฏการณ์ทั้งสาม

การสะท้อน การหักเห และการเลี้ยวเบนของคลื่นเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นพบกับการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางเดินของมัน แต่มีความแตกต่างกันในแง่ของวิธีการเปลี่ยนทิศทาง คลื่นสะท้อนกลับเมื่อชนกับพื้นผิว คลื่นหักเหเมื่อเปลี่ยนตัวกลาง และคลื่นเลี้ยวเบนเมื่อผ่านอุปสรรคหรือช่องแคบ

สรุป:

• การสะท้อนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นชนกับพื้นผิวและเปลี่ยนทิศทางกลับไปในตัวกลางเดิม โดยมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
• การหักเหของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเปลี่ยนตัวกลาง ส่งผลให้ความเร็วและทิศทางของคลื่นเปลี่ยนแปลง
• การเลี้ยวเบนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นผ่านขอบอุปสรรคหรือรูแคบ ทำให้คลื่นกระจายออกไป
• ปรากฏการณ์ทั้งสามมีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมของคลื่นในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ