ตัวชี้วัด คลื่น • สังเกตและอธิบายการสะทอน การหักเห การเลี้ยวเบน และการรวมคลื่น • สังเกตและอธิบายความถี่ธรรมชาติ การสั่นพอง และผลที่เกิดขึ้นจากการสั่นพอง • สังเกตและอธิบายการสะทอน การหักเห การเลี้ยวเบน และการรวมคลื่นของคลื่นเสียง • สืบคนขอมูลและอธิบายความสัมพันธระหวางความเขมเสียงกับระดับเสียงและผลของความถี่ กับระดับเสียงที่มีตอการไดยินเสียง • สังเกตและอธิบายการเกิดเสียงสะทอนกลับ บีต ดอปเพลอร และการสั่นพองของเสียง • สืบคนขอมูลและยกตัวอยางการนําความรูเกี่ยวกับเสียงไปใชประโยชนในชีวิตประจําวัน • สังเกตและอธิบายการมองเห็นสีของวัตถุ และความผิดปกติในการมองเห็นสี • สังเกตและอธิบายการทํางานของแผนกรองแสงสี การผสมแสงสี การผสมสารสี และการนํา ไปใชประโยชนในชีวิตประจําวัน • สืบคนขอมูลและอธิบายคลื่นแมเหล็กไฟฟา สวนประกอบคลื่นแมเหล็กไฟฟา และหลักการ ทํางานของอุปกรณบางชนิดที่อาศัยคลื่นแมเหล็กไฟฟา • สืบคนขอมูลและอธิบายการสื่อสาร โดยอาศัยคลื่นแมเหล็กไฟฟาในการสงผานสารสนเทศ และ เปรียบเทียบการสื่อสารดวยสัญญาณแอนะล็อกกับสัญญาณดิจิทัล หน่วยการเรียนรู้ที่ 4
คลื่นกล คลื่นกลเป็นคลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่หรือถ่ายโอนพลังงาน อัตราเร็วของคลื่นกลขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นของ ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนผ่าน เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นในสปริง คลื่นน้ํา คลื่นเสียง สามารถแบ่งคลื่นกลออกเป็น 2 ชนิด คลื่นตามยาว (longitudinal wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ตามหรือขนานกับ ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง คลื่นตามยาวบน ขดลวดสปริงที่เกิดจากการดึงหรืออัดสปริง คลื่นตามขวาง (transverse wave) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ขวางหรือตั้งฉากกับ ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ํา คลื่นในเชือก ทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาค ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาค ทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น
ส่วนประกอบของคลื่น คาบ (period; T) คือ เวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ไปเป็นระยะทาง 1 ความยาวคลื่น ความถี่ (frequency; ) คือ จํานวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา อัตราเร็วของคลื่น (v) สามารถคํานวณได้จากสมการ แนวสมดุล A λ แอมพลิจูด (amplitude) เป็นระยะกระจัดสูงสุดจากแนวสมดุล ความยาวคลื่น (wavelength) เป็นความยาวของคลื่น 1 ลูกคลื่น สันคลื่น (crest) เป็นตําแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดเหนือแนวสมดุล ท้องคลื่น (trough) เป็นตําแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดใต้แนวสมดุล v = v = λ Δx Δt หรือ = 1 T ความถี่และคาบมีความสัมพันธ์กัน ดังสมการ
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบ สิ่งกีดขวางแล้วไม่อาจเคลื่อนที่ ต่อไปในทิศทางเดิมได้ คลื่นจะ เคลื่อนที่กลับสู่ตัวกลางเดิม เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อ ระหว่างตัวกลาง 2 ชนิด ที่มี ความหนาแน่นต่างกัน ทิศการ เคลื่อนที่ของคลื่นจะมีการ เปลี่ยนแปลง เมื่อคลื่นเคลื่อนผ่านมุมหรือขอบ ของสิ่งกีดขวาง ส่วนของคลื่น บริเวณใกล้มุมของสิ่งกีดขวาง จะเบนทิศการเคลื่อนที่อ้อมผ่าน มุมของสิ่งกีดขวางไปปรากฏอยู่ ด้านหลังสิ่งกีดขวาง เมื่อคลื่นสองขบวนเคลื่อนที่ มาพบกันบนตัวกลางเดียวกัน จะเกิดการรวมกัน หรือการ แทรกสอดกัน สมบัติของคลื่น การสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน การแทรกสอด
คลื่นเสียงความถี่สูง หรือคลื่นเหนือเสียง (ultrasound) เช่น คลื่นเสียงที่เกิดจาก ค้างคาว โลมา คลื่นเสียงที่ได้ยิน เป็นคลื่นเสียงที่หูมนุษย์ปกติรับรู้ได้ เช่น เสียงพูดคุยของมนุษย์ เสียงลําโพง เสียงจากเครื่องดนตรี 20,000 Hz คลื่นเสียงความถี่ต่่า หรือคลื่นใต้เสียง (infrasound) เช่น คลื่นที่เกิดจากกระแสลม คลื่นเสียงที่ช้างใช้สื่อสารในระยะไกล 0 Hz 20 Hz คลื่นเสียง เสียงเกิดจากการสั่นของแหล่งกําเนิดเสียง โดยเสียงเป็นคลื่นกลจึงต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ การสั่นสะเทือนจาแหล่งกําเนิด เสียงจะถ่ายโอนผ่านตัวกลาง ทําให้อนุภาคตัวกลางสั่น เกิดเป็นส่วนอัดและส่วนขยายขึ้นในตัวกลางที่คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่าน ย่านความถี่ของคลื่นเสียงอยู่ในช่วงประมาณ 0.1 เฮิรตซ์ ถึง 600 เมกะเฮิรตซ์ โดยแบ่งตามช่วงความถี่ได้ ดังนี้ อัด ขยาย อัด ขยาย อัด ขยาย อัด ขยาย อัด ขยาย อัด ขยาย
การแทรกสอดของเสียง คลื่นเสียงตกกระทบผิวรอยต่อ ระหว่างตัวกลางหรือตัวกลาง ชนิดเดียวกันแต่อุณหภูมิต่างกัน คลื่นเสียงเดินทางอ้อม สิ่งกีดขวาง โดยคลื่นจะแผ่ จากขอบของสิ่งกีดขวางไป ยังด้านหลังสิ่งกีดขวาง คลื่นเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลาง หนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง โดยคลื่นเสียงที่เคลื่อนที่ผ่าน ตัวกลางใหม่จะมีความถี่คงเดิม คลื่นเสียงสองขบวนที่มี ความถี่เท่ากันและมีเฟส ตรงกัน เคลื่อนที่มาซ้อนกัน จะเกิดการแทรกสอดกัน สมบัติของคลื่นเสียง การสะท้อนของเสียง คลื่นเสียง คลื่นสะท้อน การเลี้ยวเบนของเสียง การหักเหของเสียง
110 116 10-1 4 ×10-1 สูญเสียการได้ยิน 80 90 100 10-4 10-3 10-2 เสียงดังมาก 60 70 10-6 10-5 เสียงดัง 40 50 10-8 10-7 เสียงปานกลาง 20 30 10-10 10-9 เสียงเบา 120 1 รู้สึกปวดหู ธรรมชาติของเสียง ความเข้มเสียง คือ พลังงานเสียงที่ถ่ายโอนผ่านพื้นที่ซึ่งตั้งฉาก กับทิศการเคลื่อนที่ของเสียงต่อหน่วยพื้นที่ในหนึ่งหน่วยเวลา ระดับเสียง อธิบายความดังของเสียงที่หูของมนุษย์ปกติ สามารถรับฟังได้อยู่ในช่วง 0-120 เดซิเบล หน่วยเดซิเบล (dB) มีค่าเป็น 1 ใน 10 ของหน่วยเบล หน่วยเดซิเบลหาค่าได้ จากสมการ β = 10 log ( I I0 ) β I I0 คือ ระดับเสียง (dB) คือ ความเข้มเสียง (W/2 ) คือ ความเข้มเสียงที่หูมนุษย์เริ่มได้ยินเท่ากับ 10−12 (W/2 ) ระดับเสียง ผลต่อการได้ยิน ความเข้มเสียง 0 10 10-12 10-11 ยากต่อการได้ยิน
หูกับการได้ยิน ส่วนประกอบของหู ใบหู เยื่อแก้วหู กระดูกค้อน กระดูกทั่ง กระดูกโกลน ท่อยูสเตเชียน คอเคลีย หูชั้นนอก ท่าหน้าที่ รับเสียงจากภายนอก เป็นทางผ่านของเสียงและขยาย สัญญาณเสียงบางความถี่ หูชั้นกลาง ท่าหน้าที่ ขยายเสียงให้ดังขึ้นหรือ ลดเสียงให้เบาลง และปรับความ ดันอากาศภายในหู หูชั้นใน ท่าหน้าที่ แปลงสัญญาณเสียงเป็น สัญญาณประสาท และส่งสัญญาณ การรับรู้ไปยังสมอง รูหู ประสาทรับเสียง
หูกับการได้ยิน ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ จะเกิดขึ้นเมื่อแหล่งกําเนิดเสียงเคลื่อนที่ ผู้ฟังเคลื่อนที่ หรือทั้งแหล่งกําเนิดเสียงและผู้ฟังเคลื่อนที่ โดยผู้ฟังจะได้ยินเสียงที่มีความถี่เปลี่ยนไป แหล่งกําเนิดเสียงเคลื่อนเข้าหาผู้ฟัง B ซึ่งอยู่นิ่ง เสียงที่B ได้ยินจึงมีความถี่สูงกว่าแหล่งกําเนิดเสียง แหล่งกําเนิดเสียงเคลื่อนออกห่างผู้ฟัง A ซึ่งอยู่นิ่ง เสียงที่ A ได้ยินจึงมีความถี่ต่่ากว่าแหล่งกําเนิดเสียง ความถี่ต่่าลง ความถี่สูงขึ้น A B แหล่งก่าเนิดเสียง
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves; EM) เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic disturbance) โดยการทําให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนําให้เกิดสนามแม่เหล็ก หรือถ้าสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนําให้เกิดสนามไฟฟ้า จึงจัดเป็นคลื่นตามขวางแผ่ออกไปจากแหล่งกําเนิดโดยไม่ ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่หรือถ่ายโอนพลังงงาน และสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ ส่วนประกอบและทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามแม่เหล็ก (B) และสนามไฟฟ้า (E) ที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาในระนาบที่ตั้งฉากกัน โดยการเหนี่ยวนํากันอย่าง ต่อเนื่อง มีทิศการเคลื่อนที่หรือทิศการถ่ายโอนพลังงานของคลื่นอยู่ในทิศ เดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า X Y Z O B E B E E B cറ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 104 -109 108 -1012 1011 -1014 1014 1015 -1018 1016 -1019 1019 -1023 ช่วงความถี่ (Hz) 103 10-2 10-5 5×10-6 10-8 10-10 10-12 ความยาวคลื่น (m) วิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรด แสงขาว อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา ขนาดเทียบเท่า
แสง ปริซึมสามเหลี่ยม แสงขาว แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพียงชนิดเดียวที่นัยน์ตามนุษย์สามารถรับรู้ได้ แสงจากดวงอาทิตย์หรือแสงแดดเป็นแสงใสไม่มีสี เรียกว่า แสงขาว (white light) เมื่อแสงขาวหักเหผ่านปริซึม หรือผ่านละอองน้ําในอากาศจะแยกออกเป็นแสงสีต่าง ๆ 700 650 600 550 500 450 400 ความยาวคลื่น (nm) เนื่องจากการหักเหไม่เท่ากัน สเปกตรัมของแสงจะประกอบไปด้วย สีม่วง สีคราม สีน้่าเงิน สีเขียว สีเหลือง สีแสด และสีแดง สเปกตรัมของแสงขาว
ตากับการมองเห็น สายตาสั้น สายตายาว สายตาเอียง สาเหตุ : กระจกตาโค้งมากกว่าปกติ แสงจากวัตถุจึงตกไม่ถึงจอภาพ มองใกล้ชัดแต่มองไกลไม่ชัด มองไกลชัดแต่มองใกล้ไม่ชัด มองเห็นภาพเบลอ สาเหตุ : กระจกตาโค้งน้อยกว่าปกติ แสงจากวัตถุจึงตกเลยจอภาพ สาเหตุ : กระจกตามีความโค้งไม่เท่ากัน แสงจากวัตถุจึงตกไม่ถึงจอภาพ แก้ไข : สวมแว่นตาที่ทําจากเลนส์เว้า เพื่อกระจายแสงให้ไปตกที่จอภาพพอดี แก้ไข : สวมแว่นตาที่ทําจากเลนส์ทรงกระบอกเพื่อรวมแสงให้ไปตกที่จอภาพพอดี แก้ไข : สวมแว่นตาที่ทําจากเลนส์นูน เพื่อรวมแสงให้ไปตกที่จอภาพพอดี ความผิดปกติทางสายตาและการแก้ไข
ตากับการมองเห็น เมื่อฉายแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ําเงิน ที่มีความเข้มเท่ากัน ให้ซ้อนทับกันบนฉากขาวจะได้แสงขาว จึงเรียกแสงสีเหล่านี้ รวมกันว่า แสงสีปฐมภูมิ การผสมแสงสีปฐมภูมิบนฉากขาว การผสมแสงสี แสงขาว แดงม่วง น้่าเงินเขียว น้่าเงิน แดง เหลือง เขียว แสงสีปฐมภูมิ แสงสีแดง แสงสีเขียว แสงสีน้่าเงิน R G B แสงสีทุติยภูมิ + + + Y M C
ตากับการมองเห็น เมื่อนําสารสีน้ําเงินเขียว แดงม่วง และเหลือง ที่มีความเข้ม เท่ากันมาผสมกันจะได้สารสีดํา จึงเรียกสารสีเหล่านี้ว่า สารสีปฐมภูมิ การผสมสารสีปฐมภูมิบนฉากขาว การผสมสารสี ด่า เขียว แดง เหลือง น้่าเงิน น้่าเงินเขียว แดงม่วง สารสีปฐมภูมิ สีน้่าเงินเขียว สีแดงม่วง สีเหลือง C M Y สารสีทุติยภูมิ + + + R G B
ประโยชน์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สัญญาณดิจิทัล (digital signal) ข้อมูลหรือสารสนเทศไม่สามารถส่งไปในระยะทางไกลได้โดยตรง จึงต้องแปลงข้อมูลให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่เรียกว่า สัญญาณข้อมูล ก่อนส่งผ่านสื่อกลาง โดยสัญญาณข้อมูลที่ใช้ในการสื่อสาร แบ่งออกเป็น 2 ชนิด สัญญาณแอนะล็อก (analog signal) ระดับสัญญาณ เวลา • สัญญาณมีลักษณะเป็นคลื่นต่อเนื่อง • สัญญาณจะเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องแบบค่อยเป็นค่อยไป • สัญญาณถูกรบกวนได้ง่าย • การใช้งาน เช่น สัญญาณเสียงในสายโทรศัพท์ วิทยุ ระดับสัญญาณ 0 เวลา 1 • สัญญาณมีลักษณะเป็นคลื่นไม่ต่อเนื่องคล้ายขั้นบันได • ขนาดของสัญญาณมีค่าคงตัวเป็นช่วง ๆ • การเปลี่ยนแปลงขนาดของสัญญาณเป็นแบบทันทีทันใด • สัญญาณถูกรบกวนได้ยาก • การใช้งาน เช่น สัญญาณที่คอมพิวเตอร์ใช้ในการทํางาน
ตากับการมองเห็น สื่อกลางในการส่งผ่านข้อมูล การสื่อสารข้อมูลต้องอาศัยสื่อกลางในการส่งข้อมูลไปยังจุดหมายปลายทาง สื่อกลางในการสื่อสารข้อมูลแบ่งเป็น 2 ประเภท สื่อกลางแบบใช้สาย สื่อกลางแบบไร้สาย สายน่าสัญญาณไฟฟ้า ส่งข้อมูลด้วยระดับสัญญาณไฟฟ้าที่ แตกต่างกัน และตัวรับสัญญาณปลายทางจะแปลงข้อมูลให้ ใกล้เคียงหรือเหมือนกับต้นทางที่ส่งมา สายเส้นใยน่าแสง ประกอบด้วยเส้นใยนําแสง (fiber optic) หลาย ๆ เส้นอยู่รวมกัน อินฟราเรด (infrared) ใช้เป็นสื่อกลางในการสื่อสารระยะใกล้ โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง เช่น คอมพิวเตอร์กับเมาส์ไร้สาย ไมโครเวฟ (microwave) ใช้เป็นสื่อกลางในการสื่อสารระยะไกล จะส่งข้อมูลเหมือนกับคลื่นวิทยุ แต่ผ่านสิ่งกีดขวางไม่ได้ คลื่นวิทยุ (radio wave) ใช้เป็นสื่อกลางได้ทั้งระยะไกลและใกล้ จะส่งข้อมูลในรูปสัญญาณวิทยุผ่านอากาศไปยังตัวรับสัญญาณ ผู้ส่ง ผู้รับ