ฟิสิกส์เบื้องต้นสำหรับ...
TRANSCRIPT
ฟสกสเบองตนสำหรบวทยาศาสตรการแพทย
Basic Physics for Health Science
Part II
อาจารย ดร. สรพงษ อยมา
ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยมหดล[email protected]
http://einstein.sc.mahidol.ac.th/~yuma/scpy155.html
• วธการสอนและวดผลระหวางคาบ
• บรรยาย
• การบาน (สงทายคาบเรยน)
• การประเมนผล
• สอบปลายภาค: 40%
• การบาน (Quiz ในหอง): 10%
• หนงสออางอง
• ฟสกสเบองตน สำหรบวทยาศาสตรการแพทย พยาบาล และ
สาธารณสข เลม 2
• โดย ดร. วทร ชนวชรศร และ รศ.ดร. วระชย สรพนธวราภรณ
• หนงสออางอง
เรยนฟสกสเพอ?
©Yuma
©inspiration-gallery.net
©wikipedia
©youtube
©io9.com
เนอหารายวชาของสปดาหน• บทท 8 คลนและคณสมบตของคลน
• บทท 9 เสยงและการไดยน
©MUIL
บทเรยนวนน
http://einstein.sc.mahidol.ac.th/~yuma/scpy155/scpy155_2017_chap8.pdf
บทท 8 คลนและคณสมบตของคลน• คลน (Wave) คอ ปรากฏการณธรรมชาตอยางหนงทพบเหนไดทวไป
• เชน คลนนำ คลนในเสนเชอก (อาศยตวกลางในการเคลอนท)
• คลนบางชนดไมจำเปนตองอาศยตวกลางในการเคลอนท เชน คลน
แสง (Light wave) -> บทท 13 คลนแมเหลกไฟฟา
• บทนจะพดถงเฉพาะคลนทอาศยตวกลางในการเคลอนท
• คลนกล (Mechanical wave)
บทท 8 คลนและคณสมบตของคลน• คลน (wave) คอ ปรากฏการณธรรมชาตอยางหนงทพบเหนไดทวไป
• เชน คลนนำ คลนในเสนเชอก (อาศยตวกลางในการเคลอนท)
• คลนบางชนดไมจำเปนตองอาศยตวกลางในการเคลอนท เชน คลน
แสง (light wave) -> บทท 13 คลนแมเหลกไฟฟา
• บทนจะพดถงเฉพาะคลนทอาศยตวกลางในการเคลอนท
• คลนกล (mechanical wave)
©thaihealthfound.org
©thaiheartfound.org
คลนเกดขนไดอยางไร?ทมาของคลน • คลนเกดจากการเปลยนถายพลงงานจากแหลงหนงไปยงแหลงอน โดยท
ตวกลางไมไดเคลอนทไปพรอมกบคลน • การรบกวน (Disturbance)
• ตวอยางเชน การโยนกอนหนลงนำในบอ
• การเกดคลน ตองประกอบไปดวย 3 สง คอ
1. แหลงของการรบกวน (Source of disturbance)
2. ตวกลาง (Medium)
3. อนตรกรยาระหวางตวกลางทตำแหนงขางเคยงกน
กอนหนนำ
แรงดงดดระหวางโมเลกลนำ
ประเภทของคลน• แยกตามทศทางของคลนและตวกลาง:
1. คลนตามขวาง
2. คลนตามยาว
ประเภทของคลน• แยกตามทศทางของคลนและตวกลาง:
1. คลนตามขวาง
2. คลนตามยาว
Young & Freedman
คลนนำ• คลนบางชนด ไมสามารถแยกเปนคลนตามขวางหรอคลนตามยาวไดอยางชดเจน เชน คลนนำ
การอธบายลกษณะของคลน• ความถและคาบ
• คลนเกดจากการสน (Oscillation) ของอนภาคตวกลาง
• เมออนภาคเคลอนทจากตำแหนงสมดลจนกลบมาทตำแหนงเดม = อนภาคเคลอนทครบ
1 รอบ
• จำนวนรอบตอหนงหนวยเวลา เรยกวา ความถ (Frequency, f)
• หนวยของความถ คอ รอบตอวนาท หรอ เฮรตซ (Hertz, Hz)
• ถาความถมาก แสดงวา จำนวนรอบของการสนของอนภาคตวกลางในหนงชวงเวลามาก
หรอ เวลาทอนภาคใชในการสนครบรอบมคานอย
• เวลาทอนภาคตวกลางใชในการสนครบหนงรอบ เรยกวา คาบ (Period, T)
• แอมพลจด (Amplitude, A) คอ ขนาดของระยะกระจดทมาก
ทสดจากแนวสมดลทอนภาคตวกลางเคลอนท
ความยาวคลน อตราเรว และแอมพลจด
กรณ คลนตามขวาง
• ความยาวคลน (Wavelength, λ) คอ ระยะทางระหวางสวนท
เหมอนกนของคลน
ความยาวคลน อตราเรว และแอมพลจด
กรณ คลนตามขวาง
• กรณคลนตามยาว?
• ความยาวคลน คอ ระยะทางระหวางสวนอดถงสวนอด หรอ สวน
ขยายถงสวนขยาย
• แอมพลจด คอ ระยะทางสงสดทอนภาคตวกลางอยหางจากตำแหนง
สมดลมากทสด
ความยาวคลน อตราเรว และแอมพลจด
• อตราเรว (speed, v) คอ ระยะทางทคลนเคลอนทไดในหนงหนวยเวลา เนองจาก
คลนเคลอนทไดระยะทางหนงความยาวคลน หรอครบหนงรอบ ใชเวลาหนงคาบ
ความยาวคลน อตราเรว และแอมพลจด
อตราเรวความยาวคลน
ความถ
• ปจจยทกำหนดอตราเรวของคลน คอ คณสมบตของตวกลาง เชน ความหนาแนน
ความยดหยน เปนตน
• อตราเรวของคลนนำ ถกกำหนดดวย ความลกของนำ
• นำลก อตราเรวของคลนนำจะมาก
• นำตน อตราเรวของคลนนำจะนอย
• แตความถจะคงท ดงนน สงทเปลยนเมออตราเรวเปลยน คอ ความยาวคลน
• อตราเรวของคลนเสยง ถกกำหนดดวยคณสมบตของตวกลางเชนกน
• คลนเสยงเดนทางไดเรวทสดในของแขง ชาทสดในอากาศ
คลนแมเหลกไฟฟา จดเปนคลนชนดหนงทมหลายชวงความถ
แบบฝกหด:
1. ความถของคลนเสยงทเกดจากสอมเสยงอนหนงเปนเทาไร ถาคลนเสยงทเกดขนใชเวลา
2.44x10-4 วนาทในการสนครบหนงรอบ
2. จงหาอตราเรวคลนของคลนตามขวางคลนหนงทมระยะหางระหวางทองคลน 10 เมตร
และจดหนงบนคลนใชเวลา 4 วนาทในการเคลอนทขนลงครบหนงรอบ
พลงงาน กำลง และความเขม (Energy, Power, and Intensity)
• เรารกนแลววา การเคลอนทของคลนนนมการถายทอดพลงงานไปพรอมกนดวย
• พลงงาน (E) แปรผนโดยตรงกบกำลงสองของแอมพลจดและความถของคลนนนๆ
• ดงนน คลนทมแอมพลจดสง พลงงานจะมาก
• หรอ ในทำนองเดยวกน คลนทมความถสง พลงงานกจะมากเชนกน
พลงงาน กำลง และความเขม (Energy, Power, and Intensity)
คลนไหนมพลงงานมากกวากน?
©physics-tutorvista
A.
B.
C.
พลงงาน กำลง และความเขม (Energy, Power, and Intensity)
คลนไหนมพลงงานมากกวากน?คลนสเขยว
• อตราการถายทอดพลงงาน เรยกวา กำลง (P)
• กำลง คอ พลงงานตอหนงหนวยเวลา (t)
• หนวยของกำลง คอ วตต (Watt, W)
พลงงาน กำลง และความเขม (Energy, Power, and Intensity)
©inspiration-gallery.net
การกระจายตวของคลนจากแหลงกำเนด
• การกระจายตวของคลนจากแหลงกำเนด
จะถกสงออกไปทกทศทาง
• ในกรณทแหลงกำเนดคลนเปนจด
คลนจะกระจายตวออกทกทศทาง เปน
ทรงกลม 3 มต
• พลงงานรวมและกำลงรวมทงหมด ท
ระยะหางจากจดกำเนดหนงๆ จะ
เทากบ คาทออกมาจากจดกำเนดเสมอ
ความเขมของคลน (Intensity, I)• ความเขมของคลน คอ พลงงานตอหนงหนวยพนทตอหนงหนวยเวลา หรอ กำลง
ตอหนงหนวยพนท
• A (Area) คอ พนททคลนตกกระทบ
• หนวยของความเขม คอ W/m2 วตตตอตารางเมตร
• (พนททรงกลม คอ 4πr2 เมอ r คอ รศมของทรงกลม)
• ถาพจารณาแหลงกำเนดคลนทเปนจดแหลงหนง ใหกำเนดคลนทม
กำลง P เราสามารถเปรยบเทยบความเขมทระยะ r1 (I1) กบความเขมท
ระยะ r2 (I2) ไดดงน
• ความเขมของคลนนนมผลโดยตรงตอมนษย เชน คลนแสง หรอคลน
เสยง หากไดรบมากไปจะเกดอนตราย
ความเขมของคลน (Intensity, I)
คณสมบตของคลน
• คลนทกชนด จะมคณสมบตทเหมอนกนอย 4 ขอ ไดแก
1. การสะทอน (Reflection)
2. การหกเห (Refraction)
3. การแทรกสอด (Interference)
4. การเลยวเบน (Diffraction)
เปนคณสมบตเฉพาะ ของคลนเทานน
การอธบายคลน• หนาคลน (Wavefront) คอ เสนทลากเชอมบรเวณทอนภาคของตวกลางอยตำแหนงเดยวกน
• เสนรงส (Ray) หมายถง เสนทแสดงทศทางการเคลอนทของคลน
เสนรงสตงฉากกบหนาคลนเสมอ
การอธบายคลน
หนาคลนเสนรงส
การสะทอน (Reflection)
• การสะทอนเกดขนเมอคลน
เคลอนทถงขอบเขตรอยตอระหวาง
ตวกลางทมคณสมบตตางกน
• กฎการสะทอน (Law of reflection)
• มมตกกระทบ = มมสะทอน
มมตกกระทบมมสะทอน
ภายหลงการสะทอน ความถ ความยาวคลน
และความเรวของคลนยงเทาเดม
(และถาพลงงานยงอนรกษหลงการสะทอน
แอมพลจดของคลนสะทอนจะเทาเดม)
การสะทอนของเสยง
• มการนำหลกการสะทอนของ
คลนเสยงมาใชอยตลอดเวลา
เชน การนำทางของคางคาว
ปลาโลมา หรอ เรอดำนำ
• เสยงทสะทอนเขาหเรา ชากวา
เสยงจากตนกำเนดเกน 0.1
วนาท เราเรยกวา เสยงกอง
หรอ echo©bjultrasonic
การหกเห (Refraction)
• การหกเห คอ การเปลยนทศทางการ
เคลอนทของคลน เมอเปลยนจากตวกลาง
หนงไปยงอกตวกลางทมอตราเรวคลน
ตางกน
• การหกเหของคลน เปนไปตาม กฎของ
สเนลล (Snell’s law)
• จากอตราเรวสงมาอตราเรวตำ (นำลกมานำตนในรปซาย) --> θ2 < θ1
• จากอตราเรวตำไปอตราเรวสง --> θ2>θ1
การหกเห (Refraction)
มมวกฤต (Critical angle)
• คอ มมตกกระทบททำใหมมหกเหมคาเทากบ 90 องศา
• คลนจะไมเคลอนทเขาตวกลางท 2 แตจะเคลอนทไปตามแนวรอยตอ
ระหวางตวกลาง
• มมวกฤต จะเกดขนไดกตอเมอ v1 < v2
• หากมมตกกระทบ มากกวา มมวกฤต
• สงทเกดขนคอ คลนจะสะทอนกลบไปยงตวกลางเดมทงหมด
• เรยกวา การสะทอนกลบหมดภายใน (Total internal reflection)
• หลกการน ไดถกนำมาใชในเสนใยนำแสง (Fiber optics) ซงม
ประโยชนมากในทางการแพทย การสอสาร และอนๆ
มมวกฤต (Critical angle)
ตวอยางการหกเหในชวตประจำวน• ทำไมเราเหนฟาแลบกอนไดยนเสยงฟารอง?
• เพราะแสงเดนทางเรวกวาเสยง เปนลานเทา • แลวทำไมบางทไมไดยนเสยงฟารอง เหนเพยงแตฟาแลบ?
• เนองจากคลนเคลอนทดวยอตราเรวตางกนในแตละตวกลาง • อตราเรวของเสยงในอากาศขนกบอณหภม
• อณหภมสง -> เรวมาก เพราะฉะนน เสยงทเดนทางจากอณหภมตำมาสททอณหภม
สง จะทำใหมมตกกระทบบางมมสามารถมคามากกวามมวกฤต และคลนเสยง
สะทอนกลบขนไปในอากาศ ไมมาถงพนดนได
v (m/s) = 331 + 0.6 T (°C)
• เสนใยแกวนำแสง หรอ Fiber optic
ตวอยางการหกเหในทางการแพทย
การแทรกสอด (Interference)• การแทรกสอด เปนการรวมกนของคลน
หลายๆคลน ซงอาจมความถหรอแอม
พลจดตางกน
• การรวมคลนเปนไปตามหลกการรวม
กนของคลน (Superposition) ซงหมาย
ถง “การกระจดของคลนผลลพธทตำ
แหนงใดๆ จะมคาเทากบผลบวกแบบ
เวกเตอรของการกระจดของคลนยอย
ทมารวมกน”
• การแทรกสอดแบบเสรมกน
(Constructive Interference)
• การแทรกสอสแบบหกลาง
(Destructive Interference)
ประโยชนของการแทรกสอด
• หฟงไรเสยงรบกวน (Noise canceling headphone)
• ใชไมโครโฟน รบเสยงภายนอกมา แลวกลบคลนเสยงนน
แลวทำการแทรกสอดคลนทงสอง จะทำใหคลนผลลพธ
เปนการหกลางกน
การเลยวเบน (Diffraction)• เปนปรากฏการณทคลนแผจากขอบของสงกดขวางไปทางดานหลงของสงกดขวางได
• การเลยวเบนจะเกดขนไดหรอไม ขนกบสดสวนระหวางความยาวคลนกบขนาดของชองเปด
(aperture) ทคลนเคลอนทผาน
• ถาความยาวคลนนอยกวาความกวางชองเปดมากๆ การเลยวเบนจะเกดไดไมด (ภาพ ก.)
• λ<< d แทบจะไมมการเลยวเบน (ภาพ ก.)
• λ~ d มการเลยวเบนพอควร (ภาพ ข.)
• λ>>d การเลยวเบนสง คลนทผานชองเปดมลกษณะเกอบเปนวงกลม
(ภาพ ค.)
• หมายเหต คลนแสงไมคอยมการเลยวเบนใหเหนมากนก เพราะเปน
คลนทมความยาวคลนตำ (400-700 nm) จะเกดการเลยวเบนได ชอง
เปดตองมขนาดเลกมากๆ
การเลยวเบน (Diffraction)