การหักเหของแสง

การหักเหของแสง (Refraction)

จดั ทาโดย นายปยิ ะพงศ์ ขมุ ทอง

การหักเหของแสง (Refraction)

เกิดจากการท่ีแสงเคล่อื นทผ่ี า่ นตวั กลางทม่ี คี วามหนาแนน่ ต่างกัน เปน็ ผลทาให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนแปลงไป
ดว้ ย ซึ่งในขณะท่ีแสงเกิดการหกั เหก็จะเกิดการสะท้อนของแสงข้ึนพร้อมๆ กันด้วย ดงั รูป

เมอ่ื แสงเดินทางผ่านวตั ถุหรือตัวกลางโปร่งใส เช่น อากาศ แก้ว นา้ พลาสติกใส แสงจะสามารถเดินทางผา่ นได้
เกือบหมด เมื่อแสงเดนิ ทางผา่ นตวั กลางชนิดเดยี วกนั แสงจะเดนิ ทางเป็นเส้นตรงเสมอ แต่ถา้ แสงเดนิ ทางผา่ น
ตัวกลางหลายตวั กลาง แสงจะหกั เห

สาเหตทุ ที่ าใหแ้ สงเกิดการหักเห

เกิดจากการเดินทางของแสงจากตัวกลางหนึ่งไปยงั อกี ตวั กลาง หน่งึ ซง่ึ มคี วามหนาแน่นแตกต่างกนั จะมี
ความเร็วไม่เท่ากันดว้ ย โดยแสงจะเคล่ือนทใ่ี นตวั กลางโปร่งกวา่ ไดเ้ รว็ กวา่ ตัวกลางทีท่ บึ กวา่ เช่น ความเร็วของ
แสงในอากาศมากกวา่ ความเร็วของแสงในน้า และความเรว็ ของแสงในน้ามากกวา่ ความเร็วของแสงในแก้วหรือ
พลาสตกิ การทแ่ี สงเคลอื่ นที่ผ่านอากาศและแกว้ ไมเ่ ป็นแนวเส้นตรง เดยี วกนั เพราะเกิดการหักเหของแสง โดย
แสงจะเดนิ ทางจากตัวกลางท่ีมคี วามหนาแน่นน้อยกวา่ ( โปรง่ กว่า) ไปยงั ตวั กลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า (
ทึบกว่า) แสงจะหักเหเขา้ หาเส้นปกติ ในทางตรงข้าม ถ้าแสงเดินทางจากยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า
ไปยงั ตัวกลางท่มี คี วามหนาแนน่ น้อยกวา่ แสงจะหกั เหออกจากเส้นปกติ

ดรรชนหี กั เหของตวั กลาง (Index of Refraction)

การเคล่ือนท่ขี องแสงในตัวกลางต่างชนดิ กนั จะมีอตั ราเรว็ ต่างกนั เช่น ถ้าแสงเคลื่อนทีใ่ นอากาศจะมอี ตั ราเรว็
เท่ากับ 300,000,000 เมตรตอ่ วินาที แต่ถา้ แสงเคลื่อนท่ีในแก้วหรอื พลาสติกจะมอี ตั ราเร็วประมาณ
200,000,000 เมตรตอ่ วินาที การเปลี่ยนความเรว็ ของแสงเมือ่ ผ่านตัวกลางต่างชนดิ กนั ทาใหเ้ กดิ การหกั เห
อัตราเรว็ ของแสงในสญุ ญากาศตอ่ อัตราเร็วของแสงในตวั กลางใดๆ เรียกวา่ ดรรชนีหกั เหของตวั กลาง นนั้

ดรรชนีหักเหของตวั กลาง = อัตราเรว็ ของแสงในสญุ ญากาศ/ อตั ราเรว็ ของแสงในตวั กลางใด ๆ

( อตั ราเรว็ ของแสงในสญุ ญากาศ = 3 x 108เมตร / วนิ าท)ี การหักเหของแสงทาใหเ้ รามองเห็นภาพของวตั ถุ
อนั หนึง่ ทีจ่ มอยู่ในก้นสระ ว่ายน้าอยูต่ ้ืนกว่าความเปน็ จรงิ ทีเ่ ป็นเช่นนีก้ เ็ พราะว่า แสงจากก้นสระวา่ ยน้าจะหัก
เหเม่ือเดนิ ทางจากน้าสูอ่ ากาศ ท้งั นีเ้ พราะความเรว็ ของแสงทเี่ ดนิ ทางในอากาศเร็วกวา่ เดินทางในนา้ จึงทาให้
เหน็ ภาพของวัตถอุ ยู่ตื้นกวา่ ความเปน็ จริง

ผลท่เี กิดขึ้นจากการหักเหของแสง

เมอ่ื มองที่อยูใ่ นน้าโดยนัยนต์ าของเราอยใู่ นอากาศ จะทาให้มองเห็นวัตถุตน้ื กวา่ เดมิ นอกจากน้ีนกั เรยี นอาจจะ
เคยสงั เกตุวา่ สระว่ายน้าหรือถังใส่น้าจะมองดตู ้ืน กว่าความเปน็ จรงิ เพราะแสงตอ้ งเดนิ ทางผา่ นน้าและอากาศ
แลว้ จึงหักเหเขา้ สนู่ ัยน์ตา

มริ าจ( Mirage ) เป็น ปรากฏการณเ์ กิดภาพลวงตา ซึ่ง บางครั้งในวนั ท่ีอากาศ เราอาจจะมองเหน็ ส่งิ ท่ี
เหมอื นกบั สระน้าบนถนน ที่เป็นเชน่ นน้ั เพราะวา่ มีแถบอากาศรอ้ นใกล้ถนนที่ร้อน และแถบอากาศที่เยน็ กวา่
(มคี วามหนาแน่นมากกวา่ ) อยขู่ ้างบน รังสีของแสงจงึ ค่อยๆ หักเหมากขึน้ เขา้ สู่แนวระดับ จนในที่สดุ มนั จะ
มาถงึ แถบอากาศร้อนใกล้พืน้ ถนนท่มี มุ กวา้ งกวา่ มมุ วกิ ฤต จึงเกดิ การสะท้อนกลบั หมดน่ันเองรุง้ กินน้า(
Rainbow) เปน็ ปรากฏการณ์ทางธรรมชาตทิ ี่มักเกิดตอนหลังฝนตกใหม่ ย่งิ เฉพาะมีแดดออกด้วย ซ่งึ
ปรากฏการณด์ ังกล่าวเกดิ จากแสงแดดจากดวงอาทิตยท์ ่ีสอ่ งลงมากระทบกับหยด นา้ ฝนหรือละอองน้า แล้วจะ
เกดิ การหักเหและการสะท้อนกลับหมดของแสงทาให้เกิดเป็นแถบสีบนท้องฟ้า โดยการหักเหของแสงในหยดน้า
นน้ั จะแยกสเปกตรัมของแสงขาวจากแสงแดดออกเป็นแถบสี ตา่ งๆ

สงิ่ ควรทราบเก่ียวกับการหักเหของแสง

- ความถี่ของแสงยังคงเท่าเดิม สว่ นความยาวคลืน่ และความเรว็ ของแสงจะไมเ่ ท่าเดิม
– ทิศทางการเคลื่อนทีข่ องแสง
จะอย่ใู นแนวเดมิ ถา้ แสงตกตั้งฉากกบั ผวิ รอยต่อของตัวกลาง
จะไม่อยู่ในแนวเดิมถ้าแสงไม่ตกตั้งฉากกบั ผิวรอยต่อของตัวกลาง

กฎการหักเหของแสง

1. รงั สตี กกระทบ เส้นแนวฉาก และรงั สหี กั เห อยู่ในระนาบเดียวกัน
2. สาหรบั ตัวกลางคูห่ นง่ึ ๆ อัตราส่วนระหว่างค่า sin ของมุมตกกระทบ ในตวั กลางหน่งึ กับ
ค่า sin ของมุมหกั เหในอีกตัวกลางหนึ่ง มีค่าคงท่เี สมอจากกฎข้อ 2 สเนลลน์ ามาตง้ั เป็นกฎของสเนลลไ์ ด้ดังน้ี
และn = c/
v = ความเร็วของแสง ในตวั กลางใด ๆ เมตร/วนิ าที
n = ดัชนหี ักเหของแสงในตวั กลาง(ไมม่ หี นว่ ย)
หรือ คอื ดัชนหี ักเหสัมพทั ธร์ ะหวา่ งตวั กลางท่ี 2 เทยี บกับตวั กลางที่ 1
c = ความเรว็ แสงในสุญญากาศ ( 3 X 108m/s )น่นั คอื ตัวกลางทม่ี ีคา่ ดชั นีหักเหของแสงนอ้ ย (ความหนาแนน่
นอ้ ย) แสงจะเคล่ือนทดี่ ว้ ยความเรว็ สงู

ตวั กลางท่ีมคี ่าดัชนีหกั เหของแสงมาก (ความหนาแนน่ มาก) แสงจะเคล่ือนทด่ี ว้ ยความต่า
ข้อควรจา n อากาศ = 1
สว่ น n ตัวกลางอนื่ ๆ > 1 เสมอ

การหักเหของแสงเกิดข้นึ ได้ 2 แบบ คอื

1.การหักเหเขา้ หาเส้นแนวฉาก เกดิ ขน้ึ เมื่อ
– แสงเดินทางจากตัวกลางที่มคี วามหนาแนน่ น้อยไปสูต่ วั กลางทมี่ ีความหนาแน่นมาก
– แสงเดนิ ทางจากตวั กลางท่ีมดี ัชนหี ักเหนอ้ ยไปสู่ตัวกลางที่มดี ชั นีหักเหมาก
– แสงเดนิ ทางจากตัวกลางท่ีมคี วามเร็วมากไปสตู่ ัวกลางท่ีมีความเรว็ น้อย

2. การหักเหออกจากเส้นแนวฉาก เกิดขน้ึ เมือ่

– แสงเดินทางจากตัวกลางที่มคี วามหนาแน่นมากไปสตู่ ัวกลางทมี่ คี วามหนาแน่นนอ้ ย
–แสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดชั นหี ักเหมากไปสตู่ ัวกลางที่มีดชั นีหกั เหนอ้ ย
– แสงเดินทางจากตัวกลางท่ีมีความเรว็ น้อยไปสตู่ วั กลางที่มคี วามเร็วมา
มุมวกิ ฤติและการสะท้อนกลับหมด
มุมวกิ ฤติ คอื มุมตกกระทบที่ทาให้มมุ หกั เหเทา่ กับ 900จะเกิดมมุ วกิ ฤติไดเ้ มือ่ - แสงเดนิ ทางจากตัวกลางที่มี
ความหนาแนน่ มากไปสตู่ ัวกลางทม่ี ีความหนาแน่นน้อย
– แสงเดนิ ทางจากตัวกลางท่ีมีดชั นีหกั เหนอ้ ยไปสูต่ วั กลางท่มี ีดชั นีหักเหมาก
– แสงเดินทางจากตัวกลางที่มคี วามเร็วมากไปสูต่ วั กลางที่มคี วามเรว็ น้อยการสะท้อนกลบั หมดจะเกิดขน้ึ ใน
กรณที ่ีมุมตกกระทบโตกวา่ มุมวกิ ฤติ ขณะท่เี กิดการสะท้อนกลับหมด จะไม่มีแสงผา่ นเขา้ ไปสู่ตวั กลางที่ 2 เลย

ใหจ้ ุดกาเนดิ แสงอยู่ที่ S จะมแี สงออกจากจุด S น้ไี ปยังจดุ ตา่ ง ๆ ของผวิ แกว้ ดังรปู

ท่ีจดุ A แสงจะพงุ่ ออกจากแก้วไปยงั อากาศโดยไมม่ ีการหักเห ท่ี

ที่จุด B จะมีการหกั เหเล็กน้อย และมีบางส่วนสะท้อนกลบั มาในแกว้

ทจ่ี ุด C จะมกี ารหกั เหมากขนึ้ เลก็ น้อย และมีบางสว่ นสะท้อนกลับมาในแกว้

ทจี่ ดุ D จะไมม่ ีการหักเห แสงจากจุด S ทง้ั หมดจะสะท้อนกลับมาในแกว้ ณ. จดุ นจี้ ะเรียกมุมθcว่า มุมวิกฤต
(Critical angle) ทาใหเ้ กดิ ปรากฏการณ์ การสะท้อนกลบั หมด (Total reflection) หาค่ามุมθcไดจ้ ากสมการ

θc= sin-1(n2/n1)

ความลกึ จรงิ ความลึกปรากฏเปน็ ปรากฏการณ์ทผี่ ู้สงั เกต มองดูวตั ถุซ่ึงอยูในตัวกลางที่ต่างจากตาของผูส้ งั เกต
แล้วทาให้มองเห็นภาพที่ปรากฏอย่คู นละตาแหนง่ กบั วัตถจุ ริงซ่ึงเกดิ จากการหักเหของแสงการท่ีตาของคนจะ
มองเหน็ ภาพได้ จะต้องมรี งั สีของแสงออกจากวัตถุเดินทางเข้าส่ตู าคน แตเ่ นื่องจากแสงเดินทางผา่ นตวั กลางที่
ต่างกนั จึงทาให้เกิดมมุ หักเห ทาให้ทางเดนิ แสงเปล่ยี นไป เม่อื แสงเขา้ สู่ตาทาใหผ้ ู้มองเห็นภาพท่ปี รากฏไมไ่ ดอ้ ยู่
ทีต่ าแหนง่ เดยี วกับวตั ถุจรงิ ทาให้เกิดปรากฏการณ์ความลึกจริงและลึกปรากฏ

การคานวณ ความลกึ จริง ความลึกปรากฏ1. การมองเอียง

2. การมองตรง

ถ้าวตั ถุอยู่ในตัวกลาง(nว) ทีม่ ีค่าคา่ ดรรชนหี ักเหแสงมาก ตาผู้สังเกตอยใู่ นตวั กลาง(nต) ที่มีดรรชนีหักเหแสง
น้อย ผลคอื จะเหน็ ภาพอยู่ใกล้ผิวรอยต่อตวั กลาง(ถา้ คนอยู่ในอากาศ มองวัตถุท่ีอยูใ่ นน้าจะเหน็ ภาพอยู่ตนื้ กว่า
ปกต)ิ ถ้าในทางกลบั กนั วัตถุอยใู่ นตวั กลาง(nว) ทีม่ คี ่าค่าดรรชนีหกั เหแสงนอ้ ย ตาผสู้ งั เกตอยู่ในตัวกลาง(nต) ท่ี
มดี รรชนหี ักเหแสงมาก ผลคือจะเห็นภาพอยูใ่ กลผวิ รอยต่อตวั กลางมากขึ้น(ถ้าคนดานา้ มองวตั ถุที่อยู่ในอากาศ
จะเหน็ ภาพอยูส่ ูงจากผิวน้ามากกวา่ ปกติ)