การสะท้อนของคลื่น

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดคลื่นไปถึงปลายสุดของตัวกลางหนึ่ง คลื่นจะเคลื่อนที่กลับมาในตัวกลางเดิม หรือคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบกับสิ่งกีดขวางจะเกิดการสะท้อนกลับมาในตัวกลางเดิม เราสามารถแบ่งการสะท้อนของคลื่นออกเป็น 4 ลักษณะ ดังนี้

1. การสะท้อนของคลื่นที่ปลายข้างหนึ่งของตัวกลางตรึงแน่น คลื่นที่สะท้อนกลับจะกลับเฟสไป 180 องศา โดยรูปร่างคงเดิม
2. การสะท้อนของคลื่นที่ปลายอิสระของตัวกลาง คลื่นที่สะท้อนจะไม่กลับเฟส
3. การสะท้อนของคลื่นที่ผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับโดยไม่กลับเฟส และอีกส่วนหนึ่งจะเคลื่อนที่ผ่านไปในอีกตัวกลางหนึ่งโดยเฟสคงเดิมแต่ความเร็วเปลี่ยนไป
4. การสะท้อนของคลื่นที่ผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า ส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับและกลับเฟส 180 องศาและอีกส่วนหนึ่งจะเคลื่อนที่ผ่านไปโดยความเร็วเปลี่ยนไป

การสะท้อนปลายตรึง การสะท้อนปลายอิสระ

กฎการสะท้อนของคลื่น (Laws Of Reflection) 

เคยตั้งคำถามกับเรื่องธรรมดาๆ อย่างเช่น เราเห็นภาพในกระจกได้อย่างไร หรือเคยสงสัยมั้ยครับว่าภาพสะท้อนของภูเขาที่สวยงามบนผืนนำ้นั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร

ปรากฏการณ์เหล่านี้ล้วนเกิดจากกฎทางฟิสิกส์ทั้งสิ้น เรากำลังกล่าวถึง กฎการสะท้อนของคลื่นครับ

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่เข้ากระทบกับสิ่งกีดขวางก็จะเกิดการสะท้อนของคลื่นนั้น เราเรียกทิศทางของคลื่นที่เคลื่อนที่เข้ากระทบกับสิ่งกีดขวางว่า "รังสีตกกระทบ" (Incident ray) และเรียกทิศทางของคลื่นที่สะท้อนออกมาว่า "รังสีสะท้อน" (Reflected ray) และเราจะเรียกเส้นตรงที่ตั้งฉากกับสิ่งกีดขวางนั้นว่า "เส้นปกติ" (normal line)

กฎการสะท้อนประกอบด้วยกฎ 2 ข้อ ดังนี้

1. มุมตกกระทบ เท่ากับ มุมสะท้อน (θi=θr)

2. รังสีตกกระทบ เส้นปกติและรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน

เราสามารถทำการทดลองเพื่อวัดขนาดของมุมตกกระทบ และมุมสะท้อนได้จากการสะท้อนของแสง ดังภาพ

การหักเหของคลื่น 

 ภาพของหญิงสาวหัวขาดที่เห็นนั้นเป็นเรื่องลี้ลับหรือแค่ภาพลวงตา?????

ภาพแปลกประหลาดอย่างที่เห็น หรือปรากฏการณ์ที่สวยงามในธรรมชาติอย่างรุ้งกินน้ำนั้น เกิดจากการหักเหของคลื่นแสงนั่นเอง การหักเหของคลื่นจะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเดินทางผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง ซึ่งทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเปลี่ยนไปจากแนวเดิมอันเป็นผลสืบเนื่องมาจากการเปลี่ยนความเร็วของคลื่น แต่ในการหักเหของคลื่นนี้ปริมาณหนึ่งของคลื่นที่ไม่เปลี่ยนแปลงคือความถี่ของคลื่น

เราสามารถหาความสัมพันธ์ของปริมาณต่างๆ ในการหักเหของคลื่นในตัวกลางทั้งสองได้ ดังนี้

เมื่อ θ คือ มุมระหว่างทิศทางของคลื่นกับเส้นปกติ

v คือ อัตราเร็วของคลื่น

λ คือ ความยาวคลื่น

n คือ ดัชนีหักเหของตัวกลาง

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า(ดัชนีหักเหสูงกว่า)ไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า(ดัชนีหักเหต่ำกว่า) คลื่นจะเบนออกจากเส้นปกติ ดังรูป (i) ในทางกลับกันถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีควมหนาแน่นน้อยกว่าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า คลื่นจะเบนเข้าหาเส้นปกติ ดังรูป (ii)

เราสามารถหาขนาดของมุมตกกระทบและมุมหักเหของคลื่น ได้จากการทดลองดังภาพ

การสะท้อนกลับหมด (Total Reflection)

เคยเห็นภาพของน้ำที่เกิดขึ้นบนถนน ในวันที่แสงแดดจัดๆ กันใช่มั้ยครับ แต่พอเราไปถึงนะจุดนั้น มันกลับแห้งสนิท แล้วน้ำที่เราเห็นนั้น มันคืออะไร??? มันเกิดขึ้นได้อย่างไร??? ทำไม ทำไม ทำไม....

ภาพลวงตาที่เกิดขึ้นนั้น เราเรียกว่า มิราจ (Mirage) ครับ เกิดจากการสะท้อนกลับหมดของคลื่น(แสง)

เมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก(ดัชนีหักเหสูง)ไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า(ดัชนีหักเหต่ำ) คลื่นในตัวกลางที่สองจะเบนออกจากแนวเส้นปกติครับ ทำให้มุมหักเหที่เกิดขึ้นมีขนาดใหญ่กว่ามุมตกกระทบ ลองสังเกตขนาดของมุมตกกระทบและมุมหักเหในภาพข้างล่างนี้นะครับ

จะเห็นว่า หากเราเพิ่มขนาดของมุมตกกระทบให้มากขึ้น มุมหักเหที่เกิดในตัวกลางที่สองก็จะยิ่งมากขึ้นครับ และเมื่อใดก็ตามที่มุมตกกระทบทำให้เกิดมุมหักเหที่มีขนาด 90 องศา นั่นคือ จะเกิดการสะท้อนกลับหมดนั่นเองครับ และเราจะเรียกมุมตกกระทบที่ทำให้มุมหักเหมีขนาด 90 องศา นี้ว่า"มุมวิกฤติ" (Critical angle,θc) คลื่นจะเกิดการสะท้อนทั้งหมดโดยไม่ผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สองเลยครับ

สามารถชมคลิปวิดิโอแสดงเกิดการสะท้อนกลับหมดได้ในส่วนของ video นะครับ