ฟิสิกส์เบื้องต้นสำหรับ...

ฟสกสเบองตนสำหรบวทยาศาสตรการแพทย

Basic Physics for Health Science

Part II

อาจารย ดร. สรพงษ อยมา

ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยมหดลsuraphong.yum@mahidol.ac.th

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)