ฟิสิกส์ ม. 5 เทอม 1 เรียนเรื่องอะไรบ้าง

ฟิสิกส์ ม.5 เทอม 1 เป็นช่วงที่นักเรียนจะได้เรียนรู้แนวคิดที่ซับซ้อนและลึกซึ้งยิ่งขึ้น โดยเนื้อหาจะครอบคลุมหลายหัวข้อหลัก ได้แก่ การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย การสั่นของคลื่น การสะท้อนและหักเหของแสง รวมถึงการศึกษาแสงเชิงคลื่นและแสงเชิงรังสี นักเรียนจะได้สำรวจปรากฏการณ์ต่าง ๆ เช่น การแทรกสอดและเลี้ยวเบนของคลื่น การทำงานของเลนส์นูนและเว้า การสะท้อนของแสงในกระจกเงาราบ รวมถึงการใช้เกรตติงในการแยกแสง เนื้อหานี้จะปูพื้นฐานสำคัญสำหรับการประยุกต์ใช้ฟิสิกส์ในด้านต่าง ๆ ทั้งด้านเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ขั้นสูง

ฟิสิกส์ ม. 5 เทอม 1 เรียนเรื่องอะไรบ้าง

1. การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย
2. คลื่น
3. แสงเชิงคลื่น
4. แสงเชิงรังสี

เนื้อหาการเรียนแต่ละเรื่อง

1. การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย

- การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (Simple Harmonic Motion - SHM): คือการเคลื่อนที่ที่วัตถุเคลื่อนที่ไปกลับผ่านจุดสมดุลในลักษณะซ้ำๆ กัน เช่น การเคลื่อนที่ของมวลติดสปริงเบา และการแกว่งของลูกตุ้ม

- การเคลื่อนที่ของมวลติดสปริงเบา: อธิบายถึงการเคลื่อนที่ของมวลที่ถูกติดกับสปริง และวิธีการคำนวณคาบ ความถี่ และพลังงานของระบบ

- การเคลื่อนที่ของการแกว่งลูกตุ้ม: ประกอบด้วยลูกตุ้มที่แกว่งกลับไปกลับมา และการคำนวณคาบการแกว่งโดยใช้ความยาวของลูกตุ้มและแรงโน้มถ่วง

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (Simple Harmonic Motion - SHM)

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย (Simple Harmonic Motion หรือ SHM) เป็นหนึ่งในหัวข้อที่สำคัญในวิชาฟิสิกส์ ม.5 เทอม 1 ซึ่งอธิบายถึงการเคลื่อนที่แบบสั่นไปกลับรอบจุดสมดุล โดยไม่มีการสูญเสียพลังงาน ระบบจะเคลื่อนที่อย่างเป็นคาบ (Periodic Motion) ในลักษณะซ้ำไปซ้ำมา เช่น การเคลื่อนที่ของมวลที่ติดกับสปริงเบา หรือการแกว่งของลูกตุ้ม

การเคลื่อนที่ของมวลติดสปริงเบา

ลักษณะของการเคลื่อนที่ของมวลติดสปริง

เมื่อมวล m ติดกับสปริงที่มีค่าคงที่ของสปริง k และวางบนพื้นผิวที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ เมื่อดึงมวลให้ยืดออกจากจุดสมดุลแล้วปล่อย มวลจะเคลื่อนที่กลับมาหาจุดสมดุลตามแรงดึงดูดของสปริง นั่นคือ กฎของฮุก (Hooke's Law) ที่ว่า F=−kxF = -kx โดยที่

F คือแรงดึงกลับที่กระทำกับมวล

x คือระยะห่างจากจุดสมดุล

การคำนวณคาบและความถี่

การเคลื่อนที่ของมวลติดสปริงเบานี้มีคาบการเคลื่อนที่ที่สามารถคำนวณได้จากสมการ:

โดยที่:

T คือคาบของการเคลื่อนที่ (เวลาในการเคลื่อนที่หนึ่งรอบ)

m คือมวลของวัตถุ

k คือค่าคงที่ของสปริง

ความถี่ f สามารถคำนวณได้จาก:

โดยที่ความถี่ fff คือจำนวนรอบที่มวลทำการสั่นในหนึ่งวินาที

การเคลื่อนที่ของการแกว่งลูกตุ้ม

ลักษณะของการเคลื่อนที่ของลูกตุ้ม

การแกว่งลูกตุ้มอย่างง่าย (Simple Pendulum) คือการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกที่มวล (ลูกตุ้ม) แขวนจากจุดสูงและสามารถแกว่งได้ในลักษณะโค้งไปมา ความยาวของเชือกที่แขวนจะมีผลต่อคาบของการเคลื่อนที่ โดยคาบของลูกตุ้มสามารถคำนวณได้จาก:

การคำนวณคาบการแกว่ง

จากสูตรคาบด้านบน จะเห็นว่า คาบของลูกตุ้มขึ้นอยู่กับความยาว L ของเชือกและแรงโน้มถ่วง g เท่านั้น ซึ่งหมายความว่า คาบไม่ขึ้นอยู่กับมุมเริ่มต้นของการแกว่งหากมุมนี้ไม่ใหญ่มาก (ตามกฎของการประมาณแบบมุมเล็ก) ดังนั้น การเพิ่มหรือลดความยาวเชือกจะส่งผลโดยตรงต่อคาบการแกว่งของลูกตุ้ม

การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่ายทั้งในกรณีของสปริงและลูกตุ้มเป็นพื้นฐานสำคัญที่ช่วยให้เราเข้าใจถึงลักษณะการเคลื่อนที่ในธรรมชาติ นอกจากนี้ การเรียนรู้วิธีคำนวณคาบ ความถี่ และพลังงานยังมีประโยชน์ในด้านวิศวกรรมและเทคโนโลยี ที่จำเป็นต้องใช้หลักการเหล่านี้ในการออกแบบระบบการเคลื่อนที่ต่างๆ

2. คลื่น

- ส่วนประกอบของคลื่น: อธิบายถึงความยาวคลื่น (wavelength), ความถี่ (frequency), แอมพลิจูด (amplitude) และคาบของคลื่น

- อัตราเร็วของคลื่น: อธิบายถึงการคำนวณอัตราเร็วโดยใช้ความยาวคลื่นและความถี่ และแนวคิดในการสะท้อน, หักเห, แทรกสอด, และเลี้ยวเบนของคลื่น

- การสะท้อนของคลื่น: เมื่อคลื่นกระทบกับสิ่งกีดขวางแล้วสะท้อนกลับไป เช่น การสะท้อนของเสียงและแสง

- การหักเหของคลื่น: เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านสื่อที่มีความหนาแน่นต่างกัน ซึ่งทำให้ทิศทางของคลื่นเปลี่ยนไป

- การแทรกสอดของคลื่น: เมื่อคลื่นสองแหล่งรวมกันเกิดเป็นรูปแบบของแอมพลิจูดที่แตกต่างไป เช่น คลื่นนิ่ง

- การเลี้ยวเบนของคลื่น: เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางขนาดเล็กแล้วแผ่ขยายออกไป

ส่วนประกอบของคลื่น

คลื่นประกอบไปด้วยคุณสมบัติหลัก ๆ ดังนี้:

อัตราเร็วของคลื่น

อัตราเร็วของคลื่นสามารถคำนวณได้จากสมการ:

v = f × λ

โดยที่ v คืออัตราเร็วของคลื่น, f คือความถี่ของคลื่น และ λ คือความยาวคลื่น อัตราเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับชนิดของสื่อที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน เช่น คลื่นเสียงจะเคลื่อนที่เร็วกว่าในของแข็งมากกว่าของเหลวหรือแก๊ส ส่วนคลื่นแสงจะเคลื่อนที่เร็วที่สุดในสุญญากาศ

การสะท้อนของคลื่น

การสะท้อนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่กระทบกับสิ่งกีดขวางแล้วสะท้อนกลับ เช่น เสียงที่สะท้อนกลับทำให้เกิดเสียงก้อง หรือแสงที่สะท้อนจากกระจก การสะท้อนของคลื่นสามารถอธิบายได้ด้วยกฎการสะท้อนซึ่งกล่าวว่า:

มุมตกกระทบ (i) จะเท่ากับมุมสะท้อน (r) เสมอ โดยมุมทั้งสองนี้วัดจากเส้นปกติที่ตั้งฉากกับพื้นผิวที่คลื่นตกกระทบ

การหักเหของคลื่น

การหักเหของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน ทำให้ทิศทางของคลื่นเปลี่ยนไป เช่น แสงที่หักเหเมื่อเคลื่อนที่จากอากาศเข้าสู่น้ำ โดยกฎของการหักเหสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของสเนลล์ (Snell’s Law):

การแทรกสอดของคลื่น

การแทรกสอดของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นจากแหล่งสองแหล่งรวมกัน เกิดเป็นรูปแบบของแอมพลิจูดที่แตกต่างกันไป เช่น การเกิดคลื่นนิ่ง ซึ่งเป็นผลจากการรวมตัวของคลื่นสองคลื่นที่มีความถี่และแอมพลิจูดเท่ากัน แต่เคลื่อนที่สวนทางกัน การแทรกสอดสามารถเป็นได้ทั้งการแทรกสอดแบบสร้างสรรค์ (constructive interference) ซึ่งทำให้แอมพลิจูดรวมเพิ่มขึ้น และการแทรกสอดแบบทำลายล้าง (destructive interference) ที่ทำให้แอมพลิจูดลดลงหรือหายไป

การเลี้ยวเบนของคลื่น

การเลี้ยวเบนของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านขอบหรือผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดเล็ก โดยคลื่นจะโค้งงอและแผ่ขยายออกไป เช่น คลื่นแสงที่เคลื่อนที่ผ่านรอยแยกแคบ ๆ แล้วเกิดการกระจายตัวในลักษณะโค้งงอ

3. แสงเชิงคลื่น

- การแทรกสอดของแสง: เมื่อแสงสองลำแทรกสอดกันทำให้เกิดลวดลายการแทรกสอดที่ซับซ้อน

- การเลี้ยวเบนของแสง: เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านขอบหรือตาข่าย แล้วเกิดการกระจายตัวของแสง

- เกรตติง (Grating): ใช้เกรตติงเพื่อแยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นต่างๆ

การแทรกสอดของแสง

การแทรกสอดของแสง (Interference) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแสงสองลำแทรกสอดกัน ทำให้เกิดลวดลายการแทรกสอดที่ซับซ้อน เป็นผลจากการรวมตัวของคลื่นแสงจากสองแหล่ง โดยลวดลายที่เกิดขึ้นสามารถเป็นได้ทั้งการแทรกสอดแบบสร้างสรรค์ (constructive interference) และการแทรกสอดแบบทำลายล้าง (destructive interference)

การแทรกสอดแบบสร้างสรรค์และแบบทำลายล้าง

- การแทรกสอดแบบสร้างสรรค์ เกิดขึ้นเมื่อยอดคลื่นของแสงจากสองแหล่งมาบรรจบกัน ทำให้เกิดแอมพลิจูดของคลื่นรวมที่สูงขึ้น เห็นเป็นจุดสว่างในลวดลายการแทรกสอด

- การแทรกสอดแบบทำลายล้าง เกิดขึ้นเมื่อยอดคลื่นและท้องคลื่นจากแหล่งแสงสองแหล่งมาบรรจบกัน ทำให้แอมพลิจูดของคลื่นรวมลดลงหรือหายไป เห็นเป็นจุดมืดในลวดลายการแทรกสอด

ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าแสงมีคุณสมบัติเป็นคลื่น ซึ่งเป็นหลักฐานสนับสนุนทฤษฎีคลื่นของแสง

การเลี้ยวเบนของแสง

การเลี้ยวเบนของแสง (Diffraction) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านขอบหรือตาข่าย และเกิดการกระจายตัวในลักษณะโค้งงอ การเลี้ยวเบนของแสงเป็นการแสดงถึงคุณสมบัติของแสงที่เป็นคลื่นเช่นกัน ยิ่งความยาวคลื่นของแสงยาวเท่าไร การเลี้ยวเบนก็จะชัดเจนขึ้นเท่านั้น

ตัวอย่างของการเลี้ยวเบน

หนึ่งในตัวอย่างที่เห็นได้ชัดของการเลี้ยวเบนของแสงคือ เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านรอยแยกแคบ ๆ เช่น รอยแยกของช่องตาข่ายแคบ ๆ จะทำให้แสงแผ่กระจายออกไปในลักษณะโค้งงอ และเมื่อรอยแยกเหล่านี้ถูกจัดเรียงอย่างเป็นระบบ จะทำให้เกิดลวดลายการเลี้ยวเบนที่ชัดเจนและสวยงาม

เกรตติง (Grating)

เกรตติง (Diffraction Grating) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการแยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นต่าง ๆ ทำให้เกิดลวดลายการแทรกสอดและเลี้ยวเบนที่ซับซ้อนขึ้น เกรตติงประกอบไปด้วยช่องแคบที่ถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบ และเมื่อแสงตกกระทบเกรตติง ก็จะเกิดการเลี้ยวเบนและการแทรกสอดพร้อมกัน ส่งผลให้แสงแยกออกเป็นสเปกตรัมของสี

การใช้งานของเกรตติง

เกรตติงถูกนำมาใช้ในการศึกษาสเปกตรัมของแสงจากแหล่งกำเนิดแสงต่าง ๆ เช่น แสงจากดวงอาทิตย์ หรือแสงจากดาว การใช้เกรตติงช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถแยกแสงออกเป็นสีต่าง ๆ และศึกษาคุณสมบัติของแสงในแต่ละความยาวคลื่นได้ ซึ่งมีประโยชน์ในหลากหลายสาขา เช่น ดาราศาสตร์ และเคมีวิเคราะห์

4. แสงเชิงรังสี

- แสงและอัตราเร็วของแสง: แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอัตราเร็วคงที่ในสุญญากาศประมาณ 3×1083 \times 10^83×108 เมตรต่อวินาที

- การสะท้อนของแสงและกระจกเงาราบ: อธิบายถึงกฎการสะท้อนของแสง และการใช้งานกระจกเงาราบและกระจกโค้ง

- การหักเหของแสงและความลึกปรากฏ: แสงที่หักเหเมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่ง เช่น น้ำกับอากาศ ซึ่งส่งผลต่อการมองเห็น

- เลนส์บาง: เลนส์นูนและเลนส์เว้าและการคำนวณภาพที่เกิดขึ้น

- การผสมแสงสีและการมองเห็น: อธิบายถึงการมองเห็นสีต่างๆ จากการผสมแสงสีหลัก

- ทัศนอุปกรณ์: อุปกรณ์ที่ใช้หลักการของแสงเช่น กล้องถ่ายรูป กล้องจุลทรรศน์ และกล้องโทรทรรศน์

- พลังงานแสงและความเข้มของแสง: อธิบายถึงการกระจายและการใช้งานพลังงานแสง

แสงและอัตราเร็วของแสง

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยอัตราเร็วที่คงที่ประมาณ เมตรต่อวินาที หรือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ความเร็วนี้เป็นความเร็วสูงสุดที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดสามารถเคลื่อนที่ได้ การศึกษาความเร็วของแสงช่วยให้เราเข้าใจการเดินทางของแสงจากแหล่งกำเนิดแสงไปยังวัตถุในธรรมชาติและเทคโนโลยีที่ใช้แสง

การสะท้อนของแสงและกระจกเงาราบ

เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวที่เรียบ เช่น กระจกเงาราบ แสงจะสะท้อนกลับตามกฎการสะท้อน (Law of Reflection) ซึ่งกล่าวว่า:

มุมตกกระทบ (i) เท่ากับมุมสะท้อน (r) โดยทั้งสองมุมวัดจากเส้นปกติที่ตั้งฉากกับพื้นผิวที่แสงตกกระทบ

กระจกเงาราบใช้หลักการนี้ในการสร้างภาพสะท้อนที่เที่ยงตรง กระจกโค้ง เช่น กระจกรูปเว้าและกระจกรูปนูน ยังใช้ในอุปกรณ์หลากหลาย เช่น กล้องโทรทรรศน์และกระจกแต่งหน้า ซึ่งสามารถปรับแต่งให้โฟกัสแสงได้ตามความต้องการ

การหักเหของแสงและความลึกปรากฏ

การหักเหของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งที่มีความหนาแน่นต่างกัน เช่น จากอากาศสู่น้ำ ส่งผลให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนไป และทำให้เกิดความลึกปรากฏ (Apparent Depth) ซึ่งหมายถึงวัตถุที่อยู่ในน้ำจะดูใกล้ผิวมากกว่าที่มันเป็นจริง

กฎการหักเหของสเนลล์ (Snell's Law) ใช้ในการคำนวณมุมหักเหดังนี้:

เลนส์บาง

เลนส์บาง ได้แก่ เลนส์นูนและเลนส์เว้า ซึ่งเป็นเลนส์ที่มีความสำคัญในการสร้างภาพ เลนส์นูนจะรวมแสงไปที่จุดโฟกัส ในขณะที่เลนส์เว้าจะกระจายแสงออก การคำนวณภาพที่เกิดขึ้นจากเลนส์สามารถใช้สมการของเลนส์บางได้:

การผสมแสงสีและการมองเห็น

การมองเห็นสีในธรรมชาติเกิดจากการผสมแสงสีหลักสามสี ได้แก่ แดง เขียว และน้ำเงิน (RGB) เมื่อผสมกันในอัตราส่วนต่าง ๆ จะให้สีต่าง ๆ ที่ตามนุษย์สามารถรับรู้ได้ เทคโนโลยีที่ใช้แสง RGB เช่น หน้าจอคอมพิวเตอร์และโทรทัศน์ก็ใช้หลักการนี้ในการแสดงภาพสีต่าง ๆ

ทัศนอุปกรณ์

อุปกรณ์ที่ใช้หลักการของแสงในการทำงานมีหลากหลาย เช่น:

- กล้องถ่ายรูป: ใช้เลนส์ในการปรับโฟกัสเพื่อจับภาพตามที่ต้องการ

- กล้องจุลทรรศน์: ใช้เลนส์และแสงในการขยายภาพของวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก

- กล้องโทรทรรศน์: ใช้กระจกและเลนส์ในการขยายภาพของวัตถุที่อยู่ห่างไกล เช่น ดาวเคราะห์และดวงดาว

พลังงานแสงและความเข้มของแสง

พลังงานของแสงมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวัน และความเข้มของแสงสามารถส่งผลต่อการมองเห็น เช่น แสงสว่างจ้าในกลางวันและแสงสลัวในตอนกลางคืน ความเข้มของแสงอธิบายถึงปริมาณพลังงานของแสงที่ตกลงบนพื้นที่ต่อหน่วยเวลา ความเข้มของแสงสัมพันธ์กับแอมพลิจูดของคลื่นแสง ยิ่งแอมพลิจูดสูง ความเข้มของแสงก็จะยิ่งมากขึ้น

          ฟิสิกส์ ม.5 เทอม 1 สอนให้เราเข้าใจหลักการที่ซับซ้อนของการเคลื่อนที่และพฤติกรรมของคลื่นและแสง โดยมีเนื้อหาครอบคลุมการเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิก การสั่นและคุณสมบัติของคลื่น การสะท้อนและการหักเหของแสง ตลอดจนการทำงานของเลนส์และกระจก นอกจากนี้ยังได้เรียนรู้ปรากฏการณ์แสงเชิงคลื่น เช่น การแทรกสอดและเลี้ยวเบน ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญของเทคโนโลยีทัศนศาสตร์ ความรู้เหล่านี้ไม่เพียงแต่เสริมทักษะทางวิทยาศาสตร์ แต่ยังเปิดโอกาสให้นักเรียนเห็นภาพรวมของฟิสิกส์ในการประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันและนวัตกรรมต่าง