ฟิสิกส์ทั่วไป 1 105)€¦ · วิชาฟิสิกส์ทั่วไป 1 -ฟส105 5. บทที่ 8 คลื่น และคลื่นเสียง

ฟิสิกส์ทัว่ไป 1 (ฟส105)

อ.ดร.สรุยีพ์ร สราภิรมย์สาขาวิชาฟิสิกสป์ระยกุต ์คณะวิทยาศาสตร ์

มหาวิทยาลยัแม่โจ้

2562

บทท่ี 8 คล่ืน และคล่ืนเสียง


•การสั่นและการเกิดคลื่น

•การจาํแนกคลื่น

•สว่นประกอบของคลื่น

•การเคลื่อนท่ีของคลื่น

•สมบตัิของคลื่น

•คลื่นเสียง

วิชาฟิสิกสท์ั่วไป 1 - ฟส105 2


การสั่นและการเกิดคล่ืน

การเคล่ือนท่ีแบบคล่ืนเกิดจากการรบกวนสภาวะสมดลุทางฟิสิกส ์ทาํใหเ้กิดการสง่ผา่นพลงังานจากท่ีหนึ่งไปอีกท่ีหนึ่ง โดยจาํเป็นตอ้งมีตวักลางหรอืไมก็่ได ้



การจาํแนกคล่ืน

1. แบ่งชนิดของคล่ืนโดยพิจารณา การอาศยัตวักลางในการเคล่ือนท่ี สามารถแบง่คล่ืนไดเ้ป็น 2 ชนิด คือ

1.1 คล่ืนกลหรือคล่ืนยืดหยุ่น (Mechanical Wave หรือ Elastic Wave) คือ คล่ืนท่ีอาศยัตวักลางในการเคล่ือนท่ี โดยตวักลางจะเกิดการสั่นทาํใหเ้กิดการส่งผ่านพลังงานจากท่ีหนึ่งไปยังอีกท่ีหนึ่ง เช่น คล่ืนเสียง, คล่ืนนํา้, คล่ืนในเสน้เชือก เป็นตน้




1. แบ่งชนิดของคล่ืนโดยพิจารณา การอาศยัตวักลางในการเคล่ือนท่ี สามารถแบง่คล่ืนไดเ้ป็น 2 ชนิด คือ

1.1 คล่ืนกลหรือคล่ืนยืดหยุ่น (Mechanical Wave หรือ Elastic Wave) คือ คล่ืนท่ีอาศยัตวักลางในการเคล่ือนท่ี โดยตวักลางจะเกิดการสั่นทาํใหเ้กิดการส่งผ่านพลังงานจากท่ีหนึ่งไปยังอีกท่ีหนึ่ง เช่น คล่ืนเสียง, คล่ืนนํา้, คล่ืนในเสน้เชือก เป็นตน้

1.2 คล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) คือ คล่ืนท่ีไม่ตอ้งอาศัยตัวกลางในการเคล่ือนท่ี เช่น คล่ืนแสง, คล่ืนวิทย ุเป็นตน้




2. แบง่ชนิดของคล่ืน โดยพิจารณาทิศทางของการเคล่ือนท่ีของคล่ืนและของตวักลางท่ี ถกูรบกวน สามารถแบง่ไดเ้ป็น 2 ชนิดคือ

2.1 คล่ืนตามขวาง (Transverse Wave) คือ คล่ืนท่ีทาํใหอ้นภุาคของตวักลางท่ีคล่ืนเคล่ือนท่ีผา่นมีการเคล่ือนท่ีไปกลบัในทิศทางท่ีตัง้ฉากกบัทิศทางการเคล่ือนของคล่ืน เช่น คล่ืนนํา้, คล่ืนในเสน้เชือก เป็นตน้

2.2 คล่ืนตามยาว (Longitudinal Wave) คือ คล่ืนท่ีทาํใหอ้นภุาคของตวักลางท่ีคล่ืนเคล่ือนท่ีผา่นมีการเคล่ือนท่ีไปกลบัในทิศทางท่ีเดียวกนักบัทิศทางการเคล่ือนของคล่ืน เช่น คล่ืนเสียง, คล่ืนในสปรงิ เป็นตน้







3. แบง่ตามความตอ่เน่ืองของแหลง่กาํเนิดแบง่ออกได ้ 2 ชนิด

3.1 คล่ืนดล ( PuLse Wave ) เป็นคล่ืนท่ีเกิดจากแหลง่กาํเนิดสั่น หรอืการรบกวนตวักลางเป็นช่วงเวลาสั่น ๆ ทาํใหเ้กิดคล่ืนเพียง 1 หรอื 2 คล่ืน แผอ่อกไป เช่น การนิว้จุ่มท่ีผิวนํา้เพียงครัง้หรอื 2 ครัง้

3.2 คล่ืนตอ่เน่ือง ( Continuous Wave ) เป็นคล่ืนท่ีเกิดจากแหลง่กาํเนิดสั่น หรอืการรบกวนตวักลางอยา่งตอ่เน่ือง ทาํใหเ้กิดคล่ืนแผอ่อกไปเป็นขบวนอยา่งตอ่เน่ือง เช่น การเกิดคล่ืนผิวนํา้เน่ืองจากแหลง่กาํเนิดติดกบัมอเตอร ์หรอืการสบดัเชือกอยา่งตอ่เน่ือง



สว่นประกอบของคล่ืน


1. Wave Length – λ2. Frequency – f3. Period - T4. Speed – v5. Phases Angle- Φ6. Amplitude - A


1. ความยาวคลื่น Wave Length - λ หมายถึง ความยาวของคลื่น 1 คลื่น เป็นระยะทางท่ีวดัระหวา่งจดุสองจดุท่ีสัน้ท่ีสดุบนคลื่นท่ีเฟสตรงกนั ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร m

2. ความถ่ี Frequency - f หมายถงึ จาํนวนคล่ืนท่ีเคล่ือนท่ีผา่นจดุใด ๆ ในหนึง่หนว่ยเวลา ในระบบ SI มีหนว่ยเป็น วินาที-1s-1 หรอื เฮิรท์ซ์ Hz

3. คาบการเคล่ือนท่ี Period - T หมายถงึ เวลาท่ีคล่ืน 1 คล่ืน เคล่ือนท่ีผา่นจดุใด ๆ ในระบบ SI มีหนว่ยเป็นวินาที s4. อตัราเรว็ของคล่ืน Speed - v หมายถงึ ระยะทางท่ีคล่ืนเคล่ือนท่ีไดใ้นหนึง่หนว่ยเวลาและเน่ืองจากขณะท่ีคล่ืน

เคล่ือนท่ีไปดว้ย อตัราเรว็คา่หนึง่ เฟสของคล่ืนก็เคล่ือนท่ีไปดว้ยอตัราเรว็ เทา่กนั ดงันัน้ในบางครัง้จงึเรยีกวา่ อตัราเรว็เฟส Phase Speed ของคล่ืน ในระบบ SI มีหนว่ยเป็นเมตรตอ่วินาที ms-1

5. มมุเฟส Phases Angle- Φ หมายถงึ มมุท่ีใชก้าํหนดตาํแหนง่บนคล่ืนขณะท่ีเคล่ือนท่ี โดยมีความสมัพนัธก์บัการกระจดัของการเคล่ือนท่ีของคล่ืน ในระบบ SI มีหนว่ยเป็นเรเดียน Radian rad

6. แอมพลจิดู Amplitude - A หมายถงึ การกระจดัสงูสดุของการสั่นของอนภุาคจากระดบัปกติ คา่ของแอมปลจิดูจะบอกคา่พลงังานของคล่ืนโดยพลงังานจะแปรโดยตรงกบัแอมปลจิดู ในระบบ SI มีหนว่ยเป็นเมตร m










y

θ

Sin=opp/hyp

sinθ =yA

y A= sinθ

Aϕ

θ ω=

=radians

st t

( )y A t= sin ω

( )y A t' sin= +ω ϕ

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

t (s)

Am

plitu

de

90o phase angleπ/2 radian phase angle

π/2 π 3π/2 2π


สมการคลื่น𝑦𝑦 x, t = Asin(𝑘𝑘𝑘𝑘 − 𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝜑𝜑)

โดย

𝑦𝑦 x, t คือ การกระจดัในแนวแกน y ณ ตาํแหน่ง x ใดๆ และ ณ เวลา t ใดๆ มีหน่วยเป็น เมตร mA คือ แอมปลิจดูของคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร mλ คือ ความยาวของคลื่น 1 คลื่น มีหน่วยเป็นเมตร mk คือ เลขคลื่น โดย k = 2π/λ มีหน่วยเป็น m-1

f คือ จาํนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผา่นจดุใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น s-1 หรอื เฮิรท์ซ์ HzT คือ เวลาที่คลื่น 1 คลื่น เคลื่อนที่ผ่านจดุใด ๆ มีหน่วยเป็นวินาที sω คือ ความถ่ีเชิงมมุ โดย ω = 2π/T มีหน่วยเป็น s-1

v คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนท่ีไดใ้นหนึ่งหน่วยเวลามีหน่วยเป็นเมตรตอ่วินาที ms-1

Φ คือ มมุที่ใชก้าํหนดตาํแหน่งบนคลื่นขณะที่เคลื่อนที่ มีหน่วยเป็นเรเดียน Radian radวิชาฟิสิกสท์ั่วไป 1 - ฟส105 14


ตวัอยา่งท่ี 1

จงหาสมการคล่ืน


𝑦𝑦 x, t = Asin(𝑘𝑘𝑘𝑘 − 𝜔𝜔𝜔𝜔 + 𝜑𝜑)




















ตวักลางท่ี 1 ตวักลางท่ี 2


การสะทอ้น
















การหกัเห



ตวักลางท่ี 1 สิ่งกีดขวาง

การเลีย้วเบน



ตวักลางท่ี 1 สิ่งกีดขวาง

การแทรกสอด








กฎการสะทอ้น



กฎการสะทอ้น



ตวัอยา่งการใชห้ลกัการสะทอ้น




มีแมวทัง้หมดก่ีตวั ?




















การสะทอ้นของคล่ืน



การรวมตวักนัของคล่ืน










การบ้าน



การบ้าน








































































การเลีย้วเบน


สมบติัของคล่ืนเหมือนกนัทกุประการ เคล่ือนท่ีผ่านเขา้ไปในบริเวณตวักลางเดียวกนัจะรวมกนัโดยตรงทัง้แอมพลจิดู ขนาดและเฟส

ผ ล ท่ี ไ ด้ เ รี ย ก ว่ า เ กิ ด ก า ร แ ท ร ก ส อ ด(Interference) ถา้ตาํแหน่งท่ีรวมกนันัน้มีเฟสตรงกนัจะไดค้่าแอมพลิจดูหรือความเขม้สงูสดุ เรียกว่า การแทรกสอดแบบเสรมิ (Constructive Interference)

ถา้อยู่ในตาํแหน่งท่ีมีเฟสตรงกนัขา้มกนั จะไดค้่าความเข้มตํ่ าสุด เ รี ยกว่ า การแ ท รกสอดแ บบหักล้า ง(Destructive Interference)





λθ na =sin

λθ

+=

21sin na

แถบมืด

แถบสว่าง










คล่ืนท่ีมาตกกระทบ A และ B มีเฟสเดียวกนั เม่ือผา่นสลทิ A และสลทิ B มายงัตาํแหน่งตา่งๆบนฉากมีระยะทางตา่งๆกนัจงึเกิดเฟสตา่งกนั จะเกิด คลืน่ชนิดเสริมกัน







เกรตติง (Grating) หมายถงึ แผน่ท่ีมีจาํนวนสลทิมากกวา่สองสลทิขึน้ไปเรยีงขนานกนั เม่ือใหแ้สงขนานผา่นเกรตติงจะเกิดเป็นริว้รอยของการแทรกสอดโดยมีระยะหา่งระหวา่งความเขม้สงูสดุเช่นเดียวกบัสลทิคู ่โดยตาํแหน่งความเขม้สงูสดุ





































บทท่ี 8 การสัน่และคล่ืนเสียง


Documents

ฟิสิกส์ทั่วไป 1 105)€¦ · วิชาฟิสิกส์ทั่วไป 1 -ฟส105 5. บทที่ 8 คลื่น และคลื่นเสียง