สื่อการสอนแสงเชิงคลื่น

บทท่ี 10 แสงเชิงคล่ืน

จดั ทำโดย
นำยทิวำกร สุริฉำย

แนวคดิ เกยี่ วกบั แสงเชิงคลื่น

“คล่ืนแสง หรือ แสง” คลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้าในย่านทต่ี ามนุษย์

01. เป็ นคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้าทไ่ี ม่จาเป็ นต้องอาศัย 02. สามารถตอบสนองได้หรือในช่วงทม่ี คี วาม
ตัวกลางในการส่งผ่านพลงั งาน
ยาวคล่ืนประมาณ 400-700 นาโนเมตร

แสงทุกย่านความถ่ีเคลื่อนทด่ี ้วยอตั ราเร็ว

03. เท่ากนั ในสุญญากาศ มคี ่าเท่ากบั 3 x 108

เมตรต่อวนิ าที

แนวคดิ เกย่ี วกบั แสงเชิงคล่ืน

เน่ืองจากนักวทิ ยาศาสตร์คนสาคญั ในยุคน้ัน
ได้เสนอแนวคดิ ว่าแสงเป็ นอนุภาค

และสามารถใช้แนวคดิ นีใ้ นการอธิบายการสะท้อนและการหักเห
นักวทิ ยาศาสตร์ท่านน้ัน คือ นิวตัน

ถงึ แม้จะมกี ารนาเสนอแนวคดิ เรื่องแสงจากนักวทิ ยาศาสตร์ท่านอื่น
เช่น ฮอยเกนส์ ท่ีได้กล่าวว่าแสงเป็ นคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้า และเดินทางใน
ลกั ษณะของคลื่น โดยกล่าวว่า “ทุก ๆ จุดบนหน้าคลื่นเดยี วกนั อาจถือว่าเป็ น
แหล่งกาเนิดคล่ืนชุดใหม่ ทแี่ ผ่ออกไปทุกทศิ ทางด้วยอตั ราเร็วเท่าเดมิ ”

ซึ่งกส็ ามารถใช้แนวคดิ ของเขาอธิบายการสะท้อนและการหักเหของแสงได้
แต่ความมชี ื่อเสียงของนิวตนั

กเ็ ป็ นอุปสรรคต่อการยอมรับแนวคดิ เรื่องแสงเป็ นคล่ืน

แนวคดิ เกยี่ วกบั แสงเชิงคล่ืน

“ธอมสั ยงั (Thomas Young)”
ได้ทาการทดลองโดยแสดงให้เห็นว่าแสงเกดิ การแทรกสอดได้

เช่นเดยี วกบั คล่ืนนา้ และคานวณหาความยาวคลื่นแสงได้
แนวคดิ เร่ืองแสงเป็ นคลื่นจึงได้รับการยอมรับกนั อย่างกว้างขวาง

เมื่อแนวคดิ ทยี่ อมรับในขณะน้ันไม่สอดคล้องกบั หลกั ฐานหรือผลการทดลอง
ใหม่ทปี่ รากฏ หรือไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์น้ันๆ ได้

แนวคดิ อ่ืนทสี่ ามารถอธิบายปรากฏการณ์น้ันได้ดกี ว่ากจ็ ะเป็ นทย่ี อมรับใน
ทสี่ ุด

ความมชี ่ือเสียงของนักวทิ ยาศาสตร์คนใดคนหน่ึงไม่อาจอยู่เหนือความเป็ น
จริงของธรรมชาติได้

“โทมัส ยงั (Thomas Young)”

ค.ศ.1773-1829 หรือ พ.ศ.2316-2372
เกดิ ทเี่ มืองมลิ เวอร์ตนั ประเทศองั กฤษ

เขาได้พสิ ูจน์โดยการทดลองว่าแสงเป็ นคลื่น
เพราะแสงมสี มบตั ิ

การแทรกสอด(interference)

เช่นเดยี วกบั คลื่นนา้ คล่ืนเสียง และคลื่นชนิดอ่ืนๆ

ในระหว่างปี พ.ศ.2344 โทมสั ยงั ( Thomas Young พ.ศ. 2316 – 2372 ) ได้ทดลอง
พบว่า แสงเป็ นคลื่น เพราะมสี มบัตใิ นการแทรกสอดได้เช่นเดยี วกบั คล่ืนนา้ คล่ืนเสียง และคลื่นชนิด
อ่ืนๆ โดยทาให้เกดิ แถบสว่าง ( แบบเสริมกนั ) และแถบมืด ( แบบหกล้าง )

โทมสั ยงั ทดลองการแทรกสอดของแสงโดยให้แสงสีเดยี วผ่านช่องแคบ 1 ช่องแล้วไป
ผ่านช่องแคบอกี 2 ช่องคือ S1 และ S2 ซึ่งทาให้เกดิ แถบมืด แถบสว่าง ปรากฏบนฉาก ดงั รูป

คาถามแทรกเนื้อหา

1. พฤตกิ รรมใดท่แี สดงว่าแสงเป็ นคลื่น
ตอบ

2. มนุษย์สามารถรับรู้คลื่นแสงได้อย่างไร
ตอบ

การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

สลติ : เป็ นอุปกรณ์ทางแสงมลี กั ษณะเป็ นช่องเปิ ดขนาดเลก็ ทมี่ คี วามกว้างน้อยๆ ค่าหน่ึง
หากมชี ่องเดยี วเรียกว่า สลติ เดย่ี ว (single slit)
หากมี 2 ช่อง ใกล้กนั เรียกว่า สลติ คู่ (double slit)

กจิ กรรมตวั อย่าง การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

เม่ือให้แสงเดนิ ทางผ่านสลติ คู่ไปตกกระทบบนฉากทอี่ ยู่ห่างออกไป
ภาพทปี่ รากฏบนฉากจะมลี กั ษณะเช่นใด

จะมองเห็นเป็ นจุด 2 จุด หรือมลี กั ษณะเป็ นอย่างอ่ืน

ผลของกจิ กรรมตัวอย่าง การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

จากรูป ความสว่างของแสงทปี่ รากฏบนฉากมกี ารเปลย่ี นแปลงจากสว่างมาก และลดลงจนสว่าง
น้อย โดยเปลยี่ นแปลงต่อเนื่องไปบนฉาก ซ่ึงแถบสว่างแต่ละแถบมขี นาดใกล้เคียงกนั ทาให้
เกดิ แถบสว่างและแถบมืดบนฉาก โดยท้งั แสงสีแดงและแสงสีเขยี วปรากฏแถบสว่างและ
แถบมืด
** เม่ือระยะห่างช่องมคี ่ามากขนึ้ ความกว้างของแถบสว่างจะมคี ่าน้อยลง **
เม่ือระยะห่างระหว่างช่องของสลติ คู่เท่ากนั
ความกว้างของแถบสว่างของแสงสีแดงจะมากกว่าสีเขยี ว

ผลของกจิ กรรม 10.1 การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

ความกว้างของแถบสว่าง

ความยาวทวี่ ดั จาก
ตาแหน่งทม่ี คี วามสว่างน้อยถงึ ตาแหน่งทมี่ คี วามสว่างน้อยทอ่ี ยู่ถดั กนั

เรียกว่า

“ความกว้างของแถบสว่าง”

คำถำมชวนคดิ

ใช้เลเซอร์พอยเตอร์สีม่วง และสีเขยี วฉายแสงผ่านสลติ คู่ทม่ี รี ะยะห่างเท่ากนั
ความกว้างของแถบ สว่างเนื่องจากแสงเลเซอร์สีม่วงและแสงเลเซอร์สีเขยี ว
แตกต่างกนั หรือไม่ อย่างไร
ตอบ

การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

แนวคดิ หลกั ในการอธิบายปรากฏการณ์นีค้ ือ
การแทรกสอดของแสง โดยช่องเลก็ ๆ ทาหน้าทเ่ี ป็ นแหล่งกาเนิดคลื่นแสง

และคลื่นแสง 2 ขบวนหรือมากกว่า ที่เดนิ ทางมาพบกนั
ณ ตาแหน่งหนึ่งบนฉากทาให้เกดิ การรวมคล่ืนแบบเสริมและแบบหักล้าง

การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

พจิ ารณาได้จาก
ความต่างระยะทางเดนิ ของแสงจากแหล่งกาเนิดแสงถงึ ตาแหน่งที่

พจิ ารณา
ในกรณแี หล่งกาเนิดคล่ืนแสงอาพนั ธ์เฟสตรงกนั แบบจุด

พจิ ารณา S1 และ S2
เป็ นแหล่งกาเนิดคลื่นแสงอาพนั ธ์แบบจุด ซ่ึงอยู่ห่างกนั เป็ นระยะ d

ทาให้ปรากฏแถบสว่าง-แถบมืดบนฉากทอ่ี ยู่ห่างออกไป

กาหนดให้ O, P และ Q
เป็ นตาแหน่งบนฉากทอ่ี ยู่ห่างออกไปจากแหล่งกาเนิดคลื่นท้ังสองความต่าง

ระยะทาง (∆r)
ของคล่ืนจากแหล่งกาเนิดท้ังสองไปยงั จุด O, P และ Q

บนฉาก

จากแหล่งกาเนิดท้งั สองถึงจุด O ∆r = |S1O - S2O|
จากแหล่งกาเนิดท้งั สองถึงจุด P ∆r = |S1P - S2P|
จากแหล่งกาเนิดท้งั สองถงึ จุด Q ∆r = |S1Q - S2Q|

พจิ ารณาความต่างเฟส (∆ϕ) ของคล่ืนจากสองแหล่งกาเนิด ∆ϕ = ∆r(2π/λ)
เมื่อไปถงึ ตาแหน่งท่ีพจิ ารณาบนฉาก ∆ϕ = ความต่างเฟส (rad) หรือ องศา
∆r = ความต่างระยะทาง (m)
λ = ความยาวคล่ืน (nm)

ตวั อยำ่ ง

1) แหล่งกำเนิดอำพนั ธ์สองแหล่ง S1 และ S2 ใหแ้ สงควำมยำวคลื่น 600 นำโนเมตร
กระทบฉำกที่จุด P จงหำควำมตำ่ งเฟสระหวำ่ งแสงจำกแหล่งกำเนิดท้งั สอง
สำหรับแต่ละกรณีตอ่ ไปน้ี
จงหา ก. ระยะ S1P เท่ากบั 65.00 cm และ S2P เท่ากบั 65.60 cm
วธิ ีทา

ตวั อยำ่ ง

1) แหล่งกำเนิดอำพนั ธ์สองแหลง่ S1 และ S2 ใหแ้ สงควำมยำวคลื่น 600 นำโนเมตร
กระทบฉำกท่ีจุด P จงหำควำมต่ำงเฟสระหวำ่ งแสงจำกแหล่งกำเนิดท้งั สอง
สำหรับแตล่ ะกรณีต่อไปน้ี
จงหา ข. ระยะ S1P เท่ากบั 120λ และ S2P เท่ากบั 125.5λ
วธิ ีทา

เมื่อคล่ืนสองขบวนเคลื่อนทโี่ ดยมคี วามต่างระยะทาง
เป็ นศูนย์หรือจานวนเท่าของความยาวคล่ืน หรือ

มคี วามต่างเฟสเป็ นศูนย์หรือเป็ นจานวนเตม็ เท่าของ 2π

∆r = nλ ∆ϕ = n(2π)

เมื่อ ∆r = ความต่างระยะทางมีหน่วยเป็ นเมตร (m) เม่ือ ∆ϕ = ความต่างเฟสมีหน่วยเป็ นเรเดยี น (rad) หรือ องศา
n = ศูนย์หรือจานวนเตม็ บวก เรียกว่า คล่ืนท้ังสองมเี ฟสตรงกนั (in phase)
λ =ความยาวคลื่นมหี น่วยเป็ นเมตร (m)

เมื่อคล่ืนสองขบวนเคล่ือนทโ่ี ดยมีความต่างระยะทาง
เป็ นจานวนคร่ึงเท่าของความยาวคล่ืน หรือ มคี วามต่างเฟสเป็ นจานวนคเี่ ท่าของ π

∆r = (m/2)λ ∆ϕ = mπ)

เมื่อ ∆r = ความต่างระยะทางมหี น่วยเป็ นเมตร (m) เม่ือ ∆ϕ = ความต่างเฟสมีหน่วยเป็ นเรเดยี น (rad) หรือ องศา
m = จานวนคบี่ วก เรียกว่า คลื่นท้งั สองมีเฟสตรงข้าม (out of phase)
λ =ความยาวคล่ืนมหี น่วยเป็ นเมตร (m)

การแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

การให้แสงผ่านช่องเปิ ดทม่ี ขี นาดเลก็ มาก 2 ช่อง จนเหมือนว่าเป็ นแหล่งกาเนิดแบบจุด
ทาหน้าทเี่ ป็ นแหล่งกาเนิดคลื่นอาพนั ธ์ ช่องเปิ ดแต่ละช่องจะแผ่หน้าคลื่นไปโดยรอบ

เมื่อคลื่นจากแหล่งกาเนิดท้งั สองแผ่ออกไปจะเกดิ การซ้อนทบั กนั

หาก ณ ตาแหน่งทค่ี ลื่นสองขบวนเดนิ ทางมาพบกนั คลื่นท้งั สองเฟสตรงกนั
หรือมคี วามต่างระยะทางเป็ นจานวนเตม็ เท่าของความยาวคลื่น
“เกดิ การแทรกสอดแบบเสริม”
ณ ตาแหน่งน้ัน คลน่ื รวมทไ่ี ด้จะมแี อมพลิจดู มากขนึ้ เกดิ แถบสว่าง

แต่หากตาแหน่งทคี่ ล่ืนสองขบวนเดินทางมาพบกนั คล่ืนท้งั สองเฟสตรงข้าม
หรือมคี วามต่างระยะทางเป็ นจานวนครึ่งเท่าของความยาวคลื่น
“เกดิ การแทรกสอดแบบหักล้าง”
ณ ตาแหน่งน้ัน คลืน่ รวมทไี่ ด้จะมแี อมพลิจดู เป็ นศูนย์เกดิ แถบมืด

สูตรการแทรกสอดของแสงผ่านสลติ คู่

ตวั อย่างท่ี 1

1. แสงจากแหล่งกาเนิดแสงอาพนั ธ์ 2 แหล่ง มคี วามยาวคลื่น 550 นาโน
เมตร เดนิ ทางไปพบกนั ทจี่ ุด ๆ หน่ึงบนฉาก จงหาว่าทจ่ี ุดน้ันเป็ นตาแหน่ง
ของแถบสว่างหรือแถบมืดอนั ดบั เท่าใดในกรณตี ่อไปนี้
ก.ความต่างระยะทางเท่ากบั 1100 นาโนเมตร
ข.ความต่างระยะทางเท่ากบั 825 นาโนเมตร

ตัวอย่างท่ี 2

2. สลติ คู่มชี ่องห่างกนั 500 ไมโครเมตร เม่ือให้แสงผ่านสลติ คู่ เกดิ การแทรก
สอดบนฉากซ่ึงห่าง สลติ 1.0 เมตร และแถบสว่างที่ 3 อยู่ห่างจากจุดกง่ึ กลาง
ของแถบสว่างกลาง 2.82 มลิ ลเิ มตรอยากทราบว่า แสงนีม้ คี วามยาวคลื่นเท่าใด

Thanks !