บทเรียน: แสง (Light) – เตรียมตัวสอบ A-Level ฟิสิกส์

สวัสดีครับทุกคน! ยินดีต้อนรับเข้าสู่สรุปเนื้อหาเรื่อง "แสง" ฉบับสมบูรณ์ ซึ่งเป็นหนึ่งในหัวข้อที่ออกสอบบ่อยที่สุดในฟิสิกส์ A-Level ภายใต้หมวด "คลื่นกล และแสง" หัวข้อนี้จะเชื่อมโยงการสังเกตเห็นภาพในชีวิตประจำวันเข้ากับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อย่างเป็นระบบ โดยครอบคลุมทั้งทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตและทัศนศาสตร์เชิงคลื่น

เรามาค่อยๆ ศึกษาหลักการสำคัญไปด้วยกันทีละขั้นตอนตามโครงสร้างข้อสอบจริงกันครับ

---

1. การสะท้อนและกระจกเงา (Reflection and Mirrors)

เมื่อแสงตกกระทบที่รอยต่อระหว่างตัวกลางสองชนิด แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับเข้ามาในตัวกลางเดิม โดยเป็นไปตาม กฎการสะท้อน (Law of Reflection):

• รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉาก ณ จุดตกกระทบ จะต้องอยู่บนระนาบเดียวกัน

• มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน: \( \theta_i = \theta_r \) (โดยวัดเทียบกับเส้นแนวฉาก)

กระจกเงาราบ (Plane Mirrors)

กระจกเงาราบจะเกิดภาพที่มีลักษณะดังต่อไปนี้:

• เป็นภาพ เสมือน หัวตั้ง และกลับซ้ายเป็นขวา (ปรัศวภาควิโลม)

• ระยะภาพเท่ากับระยะวัตถุ: \( s' = s \)

• ขนาดของภาพเท่ากับขนาดของวัตถุ: \( y' = y \) (กำลังขยาย \( m = 1 \))

กระจกเงาทรงกลม (กระจกเว้าและกระจกนูน)

กระจกเงาทรงกลมคือผิวสะท้อนแสงที่มีความโค้ง โดยมีรัศมีความโค้งเป็น \( R \) ความยาวโฟกัสคำนวณได้จาก:

\( f = \frac{R}{2} \)

สูตรคำนวณของกระจก:

\( \frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'} \)

กำลังขยาย:

\( m = \frac{y'}{y} = -\frac{s'}{s} \)

ข้อตกลงเรื่องเครื่องหมายสำหรับกระจกเงา:

• กระจกเว้า: \( f > 0 \) (รวมแสง) สามารถเกิดได้ทั้งภาพจริงหัวกลับ หรือภาพเสมือนหัวตั้งขนาดใหญ่กว่าวัตถุ (เมื่อ \( s < f \))

• กระจกนูน: \( f < 0 \) (กระจายแสง) จะเกิดเฉพาะ ภาพเสมือน หัวตั้ง ขนาดเล็กกว่าวัตถุ เสมอ (\( s' < 0 \), \( |m| < 1 \))

• ระยะวัตถุ (\( s \)): เป็นบวกเสมอสำหรับวัตถุจริงที่วางอยู่หน้ากระจก

• ระยะภาพ (\( s' \)): เป็นบวกสำหรับภาพจริง (เกิดหน้ากระจก) และเป็นลบสำหรับภาพเสมือน (เกิดหลังกระจก)

---

2. การหักเหของแสงและกฎของสเนลล์ (Refraction and Snell's Law)

การหักเหเกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านเข้าไปในตัวกลางที่มี ดัชนีหักเห (Index of Refraction, n) ต่างกัน ทำให้ความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของแสงเปลี่ยนไป

ดัชนีหักเห (n):

\( n = \frac{c}{v} \)

โดยที่ \( c \) คือความเร็วแสงในสุญญากาศ (\( 3.00 \times 10^8\text{ m/s} \)) และ \( v \) คือความเร็วเฟสของแสงในตัวกลางนั้นๆ (โดยที่ \( n \ge 1 \))

กฎของสเนลล์ (Snell’s Law)

\( n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 \)

• จาก \( n \) น้อย ไป \( n \) มาก (เช่น จากอากาศไปน้ำ): แสงจะเบน เข้าหา เส้นแนวฉาก (\( \theta_2 < \theta_1 \), \( v_2 < v_1 \))

• จาก \( n \) มาก ไป \( n \) น้อย (เช่น จากน้ำไปอากาศ): แสงจะเบน ออกจาก เส้นแนวฉาก (\( \theta_2 > \theta_1 \), \( v_2 > v_1 \))

หลักการสำคัญ: ในการหักเหผ่านรอยต่อใดๆ ความถี่ (\( f \)) จะคงที่เสมอ ในขณะที่ความยาวคลื่นจะเปลี่ยนไปตามความเร็วคลื่น: \( v = f \lambda \implies \frac{\lambda_1}{\lambda_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1} \)

---

3. มุมวิกฤตและการสะท้อนกลับหมด (Critical Angle & Total Internal Reflection)

การสะท้อนกลับหมดจะเกิดขึ้นได้ "เฉพาะ" เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า (ค่า \( n_1 \) มากกว่า) ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า (ค่า \( n_2 \) น้อยกว่า) เท่านั้น

• มุมวิกฤต (\( \theta_c \)): คือมุมตกกระทบที่ทำให้มุมหักเหมีค่าเท่ากับ \( 90^\circ \) พอดี

• สูตรคำนวณ: \( \sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1} \) (เมื่อ \( n_1 > n_2 \))

• การสะท้อนกลับหมด: ถ้ามุมตกกระทบ \( \theta_1 > \theta_c \) จะไม่เกิดการหักเหออกไปเลย โดยพลังงานแสงที่ตกกระทบทั้งหมดจะสะท้อนกลับเข้ามาในตัวกลางเดิม

การประยุกต์ใช้: เส้นใยนำแสง (Optical fibres), กล้องส่องทางไกลแบบปริซึม และปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆ เช่น มิราจ (ภาพลวงตา)

---

4. ลึกจริง-ลึกปรากฏ (Apparent Depth)

เมื่อผู้สังเกตมองวัตถุที่จมอยู่ในตัวกลางที่มีดัชนีหักเหต่างกันในแนวเกือบตั้งฉากกับผิวสัมผัส การหักเหจะทำให้ความลึกที่มองเห็นแตกต่างจากความลึกจริง

สูตรคำนวณ: \( \frac{s'}{s} = \frac{n_{\text{ผู้มอง}}}{n_{\text{วัตถุ}}} \)

โดยที่ \( s \) คือความลึกจริง, \( s' \) คือความลึกปรากฏ, \( n_{\text{วัตถุ}} \) คือดัชนีหักเหของตัวกลางที่วัตถุอยู่ และ \( n_{\text{ผู้มอง}} \) คือดัชนีหักเหของตัวกลางที่ผู้สังเกตอยู่

---

5. เลนส์บาง (Thin Lenses)

เลนส์บางทำหน้าที่เบี่ยงเบนทางเดินของแสงโดยอาศัยการหักเหผ่านผิวทรงกลมสองด้าน

1. เลนส์นูน (เลนส์รวมแสง): ตรงกลางหนากว่าขอบ ทำหน้าที่รวมรังสีขนานเข้าสู่จุดโฟกัส

2. เลนส์เว้า (เลนส์กระจายแสง): ตรงกลางบางกว่าขอบ ทำหน้าที่กระจายรังสีขนานออกไปเสมือนว่ามีจุดกำเนิดมาจากจุดโฟกัสเสมือน

สูตรเลนส์บางและกำลังขยาย

\( \frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'} \)

\( m = \frac{y'}{y} = -\frac{s'}{s} \)

ข้อตกลงเรื่องเครื่องหมาย:

• \( f > 0 \) สำหรับ เลนส์นูน; \( f < 0 \) สำหรับ เลนส์เว้า

• \( s > 0 \) สำหรับวัตถุจริง

• \( s' > 0 \) สำหรับภาพจริง (เกิดคนละฝั่งกับวัตถุ); \( s' < 0 \) สำหรับภาพเสมือน (เกิดฝั่งเดียวกับวัตถุ)

• \( m > 0 \) หมายถึงภาพหัวตั้ง (ภาพเสมือน); \( m < 0 \) หมายถึงภาพหัวกลับ (ภาพจริง)

จุดสำคัญ: สำหรับวัตถุจริง เลนส์เว้าจะให้ "ภาพเสมือน หัวตั้ง ขนาดเล็กกว่าวัตถุ" (\( |m| < 1 \)) เสมอไม่ว่าจะวางวัตถุไว้ที่ตำแหน่งใดก็ตาม

---

6. ทัศนศาสตร์เชิงคลื่น: การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน (Wave Optics)

การแทรกสอดผ่านสลิตคู่ของยัง (Young's Double-Slit Interference)

เมื่อแสงเอกรงค์ที่อาพันธ์กันผ่านช่องแคบคู่ที่ห่างกันเป็นระยะ \( d \) จะเกิดริ้วรอยการแทรกสอดขึ้นบนฉากที่วางอยู่ห่างออกไปเป็นระยะ \( L \):

• การแทรกสอดแบบเสริมกลืน (แถบสว่าง): \( d \sin \theta = n\lambda \) หรือ \( d\frac{x_n}{L} = n\lambda \) (โดยที่ \( n = 0, 1, 2, \dots \))

• การแทรกสอดแบบหักล้าง (แถบมืด): \( d \sin \theta = \left(n - \frac{1}{2}\right)\lambda \) (โดยที่ \( n = 1, 2, 3, \dots \))

• ระยะห่างระหว่างริ้ว: ระยะห่างระหว่างแถบสว่างที่อยู่ติดกันคือ \( \Delta x = \frac{\lambda L}{d} \)

การเลี้ยวเบนผ่านสลิตเดี่ยว (Single-Slit Diffraction)

เมื่อแสงผ่านช่องแคบเดี่ยวที่มีความกว้าง \( a \) การเลี้ยวเบนจะทำให้เกิดแถบสว่างกลางที่กว้าง ขนาบข้างด้วยแถบมืด:

• แถบมืด (เงื่อนไขจุดต่ำสุด): \( a \sin \theta = n\lambda \) (โดยที่ \( n = 1, 2, 3, \dots \))

• แถบสว่างกลางจะกว้างเป็น 2 เท่าของแถบสว่างลำดับถัดไป และมีความเข้มของแสงส่วนใหญ่ที่ทะลุผ่านมารวมอยู่ตรงนี้

เกรตติงเลี้ยวเบน (Diffraction Grating)

เกรตติงประกอบด้วยช่องแคบขนานกันจำนวนมากที่มีระยะห่างเท่าๆ กัน (\( N \) ช่องต่อหน่วยความยาว) โดยมีระยะห่างระหว่างช่องคือ \( d = \frac{1}{N} \)

เงื่อนไขแถบสว่างหลัก: \( d \sin \theta = n\lambda \) (โดยที่ \( n = 0, 1, 2, \dots \))

เนื่องจากค่า \( N \) มีปริมาณมาก แถบสว่างที่ได้จึงคมชัดมากและแยกห่างจากกันอย่างชัดเจน ทำให้เกรตติงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์สเปกตรัม

---

7. ปรากฏการณ์ทางแสงตามธรรมชาติและการผสมสี

การกระจายของแสงและรุ้งกินน้ำ (Dispersion and Rainbows)

ดัชนีหักเห \( n \) ของตัวกลางโปร่งใสจะแปรผันตามความยาวคลื่นเล็กน้อย (การกระจายแสง) โดยแสงสีม่วงจะเบนมากกว่าแสงสีแดง เมื่อแสงแดดส่องเข้าไปในหยดน้ำฝน จะเกิดการหักเห การสะท้อนภายใน และการกระจายของแสงแยกแสงสีขาวออกเป็นสเปกตรัมจนเกิดเป็นรุ้งกินน้ำขึ้น

การผสมสี (Colour Mixing)

• การผสมสีเชิงบวก (แสงสี): แม่สีหลักของแสงคือ สีแดง สีเขียว และ สีน้ำเงิน (RGB) เมื่อนำแม่สีทั้งสามมาผสมกันด้วยความเข้มเท่ากันจะได้ แสงสีขาว โดยการจับคู่ผสมกันจะให้สีทุติยภูมิ ได้แก่: แดง + เขียว = เหลือง, แดง + น้ำเงิน = ม่วงแดง (Magenta), เขียว + น้ำเงิน = น้ำเงินเขียว (Cyan)

• การผสมสีเชิงลบ (สารสี): สารสีจะดูดกลืนแสงบางความยาวคลื่นและสะท้อนแสงความยาวคลื่นที่เหลือออกมา แม่สีหลักของสารสีคือ สีน้ำเงินเขียว (Cyan) สีม่วงแดง (Magenta) และ สีเหลือง (Yellow) เมื่อนำแม่สีทั้งสามมารวมกันจะดูดกลืนแสงทุกความยาวคลื่นที่ตามองเห็น ทำให้เกิดเป็น สีดำ

---

Checklist สุดท้ายก่อนสอบ

ก่อนเข้าห้องสอบ ให้น้องๆ ตรวจสอบความพร้อมของตัวเองว่าสามารถทำสิ่งต่อไปนี้ได้แล้วหรือยัง:

1. ใช้กฎของสเนลล์และคำนวณหามุมวิกฤตสำหรับการสะท้อนกลับหมดได้ถูกต้อง

2. ใช้สูตรกระจกและเลนส์บาง พร้อมตรวจเช็กเครื่องหมายของ \( f \), \( s \) และ \( s' \) อย่างรอบคอบ

3. คำนวณระยะห่างระหว่างริ้วของสลิตคู่และสมการแถบมืดของสลิตเดี่ยวได้โดยไม่จำสับสนกัน

4. จำแนกความแตกต่างระหว่างการผสมแสงสีเชิงบวก (RGB) และการผสมสารสีเชิงลบ (CMY) ได้อย่างถูกต้อง