หน่วยที่ 5: แสงและการมองเห็น (Light and Optics)

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีบทบาทสำคัญในการมองเห็นและการถ่ายโอนข้อมูลผ่านสัญญาณต่าง ๆ แสงสามารถเดินทางผ่านตัวกลางและแสดงพฤติกรรมต่าง ๆ เช่น การสะท้อน การหักเห และการกระเจิง ทำให้เราเห็นภาพของวัตถุและสามารถสร้างเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการมองเห็นและการถ่ายภาพ เช่น เลนส์ กล้อง และอุปกรณ์ทางแสงต่าง ๆ

ในหน่วยนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของแสงที่สำคัญ รวมถึงการประยุกต์ใช้แสงในการสร้างภาพและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการมองเห็น

5.1 คุณสมบัติของแสง: ความเร็ว การสะท้อน การหักเห การกระเจิง

แสงมีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ ซึ่งเป็นพื้นฐานในการเข้าใจพฤติกรรมของแสงในสถานการณ์ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง การเปลี่ยนทิศทางเมื่อชนกับผิววัตถุ หรือการกระจายออกเมื่อผ่านสสารที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน คุณสมบัติสำคัญของแสงได้แก่ ความเร็ว การสะท้อน การหักเห และการกระเจิง

1. ความเร็วของแสง (Speed of Light)

ความเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่เท่ากับประมาณ \( 3 \times 10^8 \, \text{m/s} \) ซึ่งเป็นความเร็วสูงสุดที่แสงสามารถเดินทางได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ น้ำ หรือแก้ว ความเร็วของแสงจะลดลงตามความหนาแน่นของตัวกลางนั้น ตัวอย่างเช่น ความเร็วของแสงในน้ำประมาณ \( 2.25 \times 10^8 \, \text{m/s} \)

2. การสะท้อนของแสง (Reflection of Light)

การสะท้อนของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงชนกับพื้นผิวเรียบและเปลี่ยนทิศทางกลับไปยังตัวกลางเดิม มุมที่แสงตกกระทบจะเท่ากับมุมที่แสงสะท้อนออกไป เรียกว่า มุมตกกระทบ (\( \theta_i \)) และมุมสะท้อน (\( \theta_r \)) ตัวอย่างของการสะท้อนแสงที่พบได้ทั่วไปคือ การสะท้อนของแสงจากกระจกเงา

3. การหักเหของแสง (Refraction of Light)

การหักเหของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีความหนาแน่นต่างกัน ส่งผลให้ความเร็วและทิศทางของแสงเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น เมื่อแสงเคลื่อนที่จากอากาศเข้าสู่น้ำ มุมของแสงจะหักเหเปลี่ยนทิศทาง การหักเหนี้เป็นพื้นฐานของการทำงานของเลนส์ที่ใช้ในการโฟกัสแสงเพื่อสร้างภาพในกล้องหรือแว่นตา

4. การกระเจิงของแสง (Scattering of Light)

การกระเจิงของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงชนกับอนุภาคเล็ก ๆ ในตัวกลาง เช่น อากาศหรือฝุ่น แสงจะกระจายออกไปในทุกทิศทาง การกระเจิงของแสงทำให้เราสามารถเห็นท้องฟ้าเป็นสีฟ้าในเวลากลางวัน และเป็นสีแดงหรือสีส้มในช่วงพระอาทิตย์ตกดิน เนื่องจากแสงสีฟ้ากระจายออกไปในอากาศมากกว่าแสงสีอื่น ๆ

การประยุกต์ใช้คุณสมบัติของแสง

คุณสมบัติของแสงที่กล่าวมานี้มีบทบาทสำคัญในการสร้างเทคโนโลยีเกี่ยวกับการมองเห็นและการถ่ายภาพ เช่น การออกแบบเลนส์สำหรับกล้องและแว่นตา ใช้การหักเหของแสงเพื่อโฟกัสแสง การสะท้อนของแสงถูกใช้ในการสร้างกระจกและอุปกรณ์ที่ใช้แสงเพื่อการมองเห็นที่ชัดเจน ส่วนการกระเจิงของแสงสามารถอธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติหลายอย่าง เช่น สีของท้องฟ้าและแสงที่ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก

สรุป:

• แสงมีความเร็วสูงสุดในสุญญากาศ แต่ความเร็วจะลดลงเมื่อผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากขึ้น
• การสะท้อนของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงชนกับพื้นผิวเรียบและสะท้อนกลับไปยังตัวกลางเดิม โดยมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน
• การหักเหของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีความหนาแน่นต่างกัน ส่งผลให้ทิศทางและความเร็วของแสงเปลี่ยนไป
• การกระเจิงของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงชนกับอนุภาคในตัวกลาง ทำให้แสงกระจายออกในทุกทิศทาง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้ท้องฟ้าเป็นสีฟ้า