1. ธรรมชาติของคลื่น (The nature of a wave)
1.1 คลื่นและการเคลื่อนที่คล้ายคลื่น (Waves and wave-like motion)
คลื่นมีอยู่ทุก ๆ ที่ ไม่ว่าเราจะรู้ตัวหรือไม่ก็ตาม ในชีวิตประจำวันเราได้พบเจอคลื่นต่าง ๆ มากมาย เช่น คลื่นเสียง, คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ, คลื่นไมโครเวฟ, คลื่นน้ำ เป็นต้น การศึกษาเรื่องคลื่นทำให้เราสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุบางประเภทที่มีลักษณะคล้ายกับคลื่น เช่น การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มนาฬิกา การเคลื่อนที่ของมวลที่แขวนไว้กับสปริง เป็นต้น

คลื่นเกิดจากการรบกวนบางอย่าง เช่น การโยนก้อนหินลงไปในน้ำ หรือ การสั่นสปริง ดังรูป


1.2 คลื่นคืออะไร (What is a wave?)

คลื่น คือ การรบกวนอย่างเป็นจังหวะซึ่งนำพาพลังงานผ่านสสารหรืออวกาศ การส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งนี้เกิดขึ้นโดยไม่ได้มีการนำพาสสารไปพร้อมกับพลังงาน

1.3 การแบ่งประเภทของคลื่น

· แบ่งตามความจำเป็นในการใช้ตัวกลาง

o คลื่นกล (Mechanical waves): จำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง, คลื่นในเส้นเชือก, คลื่นน้ำ เป็นต้น

o คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves): ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นแสง, คลื่นวิทยุ, คลื่นไมโครเวฟ เป็นต้น

· แบ่งตามลักษณะการสั่นของตัวกลาง

o คลื่นตามขวาง (Transverse waves): อนุภาคของตัวกลางสั่นตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือกที่เกิดจากการสะบัดปลายเชือกขึ้นลง เป็นต้น



o คลื่นตามยาว (Longitudinal waves): อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นในสปริงที่เกิดจากการยืดหรืออัดสปริง คลื่นเสียง เป็นต้น



· แบ่งตามลักษณะการเกิด (ความต่อเนื่องของแหล่งกำเนิด)

o คลื่นดล (pulse): คลื่นที่เกิดจากการรบกวนเพียงครั้งเดียว

o คลื่นต่อเนื่อง: คลื่นที่เกิดจากการรบกวนอย่างต่อเนื่องเป็นจังหวะ



2. คุณสมบัติของคลื่น (Properties of a wave)

2.1 กายวิภาคของคลื่น (The Anatomy of a Wave)

ถ้าเรานำเชือกมาขึงให้ตึงแล้วสะบัดปลาย จะทำให้เกิดคลื่นในเส้นเชือก ซึ่งถ้าเราสนใจรูปร่างของเส้นเชือกขณะเวลาใดขณะหนึ่ง (เหมือนถ่ายภาพนิ่ง) เราจะเห็นรูปร่างของเส้นเชือกคล้ายกับรูปข้างล่างนี้ ซึ่งก็คือรูปร่างของคลื่นนั่นเอง



คลื่นตามขวาง



คลื่นตามยาว

จุดที่อยู่สูงสุดเราเรียกว่า สันคลื่น (Crest) , จุดที่อยู่ต่ำสุดเราเรียกว่า ท้องคลื่น (Trough) และระยะจากแนวสมดุล (ตรงกลาง) ถึง ท้องคลื่น หรือ สันคลื่น เราเรียกว่า แอมพลิจูด (Amplitude)

ระยะจากสันคลื่นจุดหนึ่งถึงสันคลื่นอีกจุดหนึ่งที่อยู่ติดกันเราเรียกว่า ความยาวคลื่น (Wavelength)

2.2 ความถี่และคาบของคลื่น (Frequency and period of wave)

ความถี่ ( f ) คือ จำนวนรอบ (ลูกคลื่น) ของคลื่นที่ผ่านจุด ๆ หนึ่งไปในหนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งจะมีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz) ส่วนคาบ ( T ) คือ เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบของคลื่น (1 ลูกคลื่น) ซึ่งจะมีหน่วยเป็น วินาทีต่อรอบ หรือ วินาที (s) คาบและความถี่เป็นส่วนกลับกันดังสมการข้างล่าง

2.3 การถ่ายทอดพลังงานและแอมพลิจูดของคลื่น (Energy Transport and the Amplitude of a Wave)

แอมพลิจูดของคลื่นมีความสัมพันธ์กับพลังงานของคลื่น (พลังงานที่คลื่นถ่ายเท) โดยคลื่นที่มีพลังงานสูง ก็จะมีแอมพลิจูดสูงด้วยเช่นกัน



โดยความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับแอมพลิจูดของคลื่น คือ พลังงานจะแปรผันตรงกับค่ากำลังสองของแอมพลิจูด





2.4 ความเร็วคลื่น (The Speed of a Wave)

ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นสามารถคำนวณหาได้จาก อัตราส่วนระหว่างระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได้ต่อเวลา

v = s/t
ความเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับตัวกลาง หากคลื่นชนิดเดียวกันเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางชนิดเดียวกัน จะมีความเร็วเท่ากัน เมื่อมีการเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกันก็จะมีความเร็วต่างกัน ตัวอย่างเช่น ความเร็วเสียงในอากาศ กับความเร็วเสียงในน้ำนั้นมีค่าไม่เท่ากัน

2.5 สมการคลื่น (The Wave Equation)

จากหัวข้อที่แล้วเราทราบว่า v = s/t ถ้าหากเราสนใจคลื่นที่เคลื่อนที่ครบ 1 รอบ (1 ลูกคลื่น) พอดี จะได้ว่า s = ความยาวคลื่น ( l ) และ t = คาบ (T)

ดังนั้น v = l / T และ จากความรู้ที่ว่า f = 1/T

ดังนั้น สมการคลื่น คือ v = fl



3. พฤติกรรมของคลื่น (Behavior of waves)

3.1 การสะท้อน (Reflection)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปจนสุดตัวกลางและพบกับสิ่งกีดขวางที่ทำให้คลื่นเคลื่อนที่ผ่านไม่ได้ เช่น คลื่นเสียงเดินทางผ่านอากาศไปกระทบกับหน้าผา จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับของคลื่นขึ้น โดยลักษณะการสะท้อนของคลื่นจะมีคุณสมบัติดังนี้ คือ 1. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน และ 2. คุณสมบัติต่าง ๆ ของคลื่นเช่น ความเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่นจะมีค่าเท่ากันทั้งก่อนการสะท้อนและหลังการสะท้อน





การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือก

เมื่อปลายเชือกเป็นจุดตรึง



คลื่นสะท้อนจะมีเฟสเปลี่ยนไป 180 องศา



เมื่อปลายเชือกเป็นจุดอิสระ



คลื่นสะท้อนจะมีไม่เปลี่ยนเฟส



3.2 การหักเห (Diffraction)

การหักเหจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน เช่น คลื่นน้ำเคลื่อนที่จากน้ำลึกไปน้ำตื้น หรือ แสงเคลื่อนที่จากน้ำไปอากาศ เป็นต้น จะทำให้มีความเร็วคลื่นและความยาวคลื่น รวมถึงทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป แต่มีความถี่คงที่





การหักเหจะเป็นไปตามสมการของสเนลล์ คือ

sinq1/ sinq2 = v1/v2 = l1/l2

เมื่อ q1 คือ มุมตกกระทบ q2 คือ มุมหักเห







3.3 การเลี้ยวเบน (Diffraction)

การเลี้ยวเบน คือ การที่คลื่นบางส่วนสามารถอ้อมผ่านสิ่งกีดขวางได้ดังรูป โดยการเลี้ยวเบนนี้จะยิ่งเห็นได้ชัดขึ้นเมื่อคลื่นมีขนาดความยาวคลื่นมาก ๆ (เทียบกับขนาดของสิ่งกีดขวาง)



ตัวอย่างของปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนที่เราได้พบบ่อย ๆ ในชีวิตประจำวันก็คือ การที่เสียงสามารถจะลอดอ้อมมุมตึก หรือ ลอดผ่านช่องแคบ ๆ ได้



3.4 การแทรกสอด (Interference)

เกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองขบวนเคลื่อนที่มาพบกัน ทำให้เกิดการแทรกสอด สอบแบบ คือ

· การแทรกสอดแบบเสริมกัน (Constructive interference) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองขบวนมีการขจัดในทิศเดียวกัน เช่น ท้องคลื่นเจอกับท้องคลื่น หรือ สันคลื่นเจอกับสันคลื่น



· การแทรกสอดแบบหักล้างกัน (Destructive interference) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นสองขบวนมีการขจัดในทิศตรงข้ามกัน เช่น ท้องคลื่นเจอกับสันคลื่น



ผลลัพธ์ที่เกิดจากการแทรกสอดจะเป็นไปตามหลักการการทับซ้อน (Principle of superposition) และเมื่อผ่านพ้นกันไปแล้ว แต่ละคลื่นจะยังคงมีรูปร่างเหมือนก่อนรวมกันทุกประการ









การแทรกสอดของคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดอาพันธ์สองแหล่ง

เมื่อมีแหล่งกำเนิดคลื่นที่เหมือนกันสองแหล่งใกล้ ๆ กัน กำเนิดคลื่นทำให้เกิดการแทรกสอดกันดังรูป จะเกิดแนวการแทรกสอดแบบเสริมกัน (ปฏิบัติ: Antinode) และ แบบหักล้างกัน (บัพ: node)



โดยมีสมการการคำนวณดังนี้

ปฏิบัพ

S1P – S2P = nl , n = 0, 1, 2, 3, …

บัพ

S1P – S2P = (n-1/2) l, n = 1, 2, 3, …



เมื่อ P คือจุดที่เราสนใจ S1P คือระยะจาก S1 ถึงจุด P และ n คือ แนวปฏิบัพที่ n หรือ แนวบัพที่ n ใด ๆ



4. คลื่นนิ่ง (Standing wave)

คือ การที่คลื่นสองขบวนที่มีเฟสตรงข้ามกันเคลื่อนที่สวนทางกันกลับไปกลับมาจนเรามองเห็นเหมือนกับมันหยุดนิ่ง



คลื่นนิ่งในเส้นเชือก

เมื่อจุดปลายตรึง เมื่อจุดปลายอิสระ



จุดบัพกับจุดบัพที่อยู่ติดกันจะอยู่ห่างกันเท่ากับ ครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (l/2) เสมอ เรียกว่า loop

จุดปฏิบัพกับจุดบัพที่อยู่ติดกันจะอยู่ห่างกันเท่ากับ l/4 เสมอ



ที่มา http://blake.prohosting.com/pstutor/physics/wave/wave_concept.html