แสง และการมองเห็น
เนื้อหาที่จะต้องเรียนรู้ ความหมายของแสงในทางฟิสิกส์ คุณสมบัติของแสง การสะท้อน การหักเห การแทรกสอด การเลี้ยวเบน การมองเห็น ทัศนูปกรณ์
แสง คืออะไร? แสง มีคุณสมบัติเป็นทั้งคลื่น และอนุภาค เมื่อพิจารณาแสงเป็นคลื่น แสงจะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นแสงระหว่าง 380-750 nm. ซึ่งระดับ ความยาวคลื่นแสงแต่ละช่วงจะมีสีต่างๆกัน ตั้งแต่สีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด พลังงานสูงสุด ไปจนถึงสีแดงซึ่งมี ความยาวคลื่นยาวที่สุด และมีพลังงานต่ำที่สุด
เมื่อแสงทำตัวเป็นคลื่น จะมีคุณสมบัติของคลื่นครบทุกประการ ได้แก่ มีการสะท้อน มีการหักเห มีการแทรกสอด มีการเลี้ยวเบน
ตัวอย่างปรากฏการณ์สะท้อนของแสง
ตัวอย่างการหักเหของแสง
ตัวอย่างการแทรกสอดของแสง
ตัวอย่างการเลี้ยวเบนของแสง
ภาพลวงตา
แสง มีคุณสมบัติของอนุภาค ร่วมด้วย เราเรียกอนุภาคของแสงว่า โฟตอน (photon) ปรากฏการณ์เกี่ยวกับอนุภาคของแสง ได้แก่ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกส์ (photoelectric) เป็น ปรากฏการณ์ที่แสงทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในวัตถุหลุดออกมาได้ ซึ่งปรากฏการณ์นี้อธิบายโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (เนื้อหาเชิงลึกจะยังไม่เรียนในระดับชั้นนี้)
แหล่งกำเนิดแสง (light source) แหล่งกำเนิดแสง คือ วัตถุใดๆที่ปล่อยพลังงานแสงออกมา ซึ่งพลังงานแสงอาจถูกเปลี่ยนรูปมาจากพลังงาน เคมี เช่น แสงจากดวงอาทิตย์ มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น แสงจากหลอดไฟฟ้า มาจากพลังงานไฟฟ้า เปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อน และพลังงานความร้อนเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานแสง พลังงานแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด อาจมีหลายระดับ ซึ่งแต่ละระดับจะให้สีต่างกัน ถ้า แหล่งกำเนิดปล่อยพลังงานแสงออกมาครบทุกสี สีของแสงแต่ละสีจะผสมกันกลายเป็น แสงขาว แสงขาว ไม่ใช่ แสงสีขาว แต่หมายถึงแสงที่รวมสีทุกๆสีของแสง
ความถี่ของแสง ความยาวคลื่นของแสง และความเร็วแสง
ตัวกลาง (medium) ตัวกลาง หมายถึง บริเวณที่แสงเคลื่อนที่ผ่านไป อาจจะเป็นอากาศ น้ำ หรือแม้กระทั่งสุญญากาศ แสง เมื่อเคลื่อนที่ในตัวกลางที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน จะมีความเร็วแตกต่างกันไปด้วย โดยแสงจะมี ความเร็วสูงสุดเมื่อเคลื่อนที่ผ่านไปในสุญญากาศ ความเร็วของแสงในสุญญากาศ มีค่า 3× 10 8 เมตรต่อวินาที ความเร็วของแสงจะเปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิในตัวกลางเปลี่ยนไปด้วย
ตัวกลางโปร่งแสง ตัวกลางโปร่งใส ตัวกลางทึบแสง ให้นักเรียนจำแนกชนิดของตัวกลางที่แสงเคลื่อนที่ผ่าน จากวัสดุในห้องเรียน มาอย่างน้อย ชนิดละ 5 ชิ้น
แม่สีของแสง แม่สีของแสง มี สามสี คือ แดง น้ำเงิน และเขียว
การเกิดสีของวัตถุ สีที่ปรากฏบนวัตถุต่างๆ เกิดจาก แสงขาว ส่องกระทบวัตถุ และวัตถุดูดกลืนพลังงานแสงบางช่วงสี และ ปล่อยพลังงานแสงออกมาบางช่วงสี ซึ่งแสงสีที่ปล่อยออกมาทำให้เราเห็นวัตถุเป็นสีต่างๆ เช่น การที่เห็น วัตถุมีสีเหลือง แสดงว่า วัตถุนั้น ดูดกลืนแสงสีน้ำเงินไว้ และปล่อยแสงสีเขียวกับแดงออกมา จึงเห็นวัตถุมีสี เหลือง เป็นต้น วัตถุที่มีสีดำ หมายความว่าอย่างไร และวัตถุที่มีสีขาว หมายความว่าอย่างไร
คุณสมบัติการสะท้อนของแสง แสง มีสมบัติการสะท้อน เมื่อคลื่นแสงตกกระทบผิวหน้าของตัวกลางใหม่ จะสะท้อนกลับในตัวกลางเดิม โดย มุมตกกระทบ เท่ากับ มุมสะท้อน
การสะท้อนของแสงที่ผิววัตถุลักษณะต่างๆ
การทดลอง เรื่อง การสะท้อนของแสง
การทดลอง เรื่อง การสะท้อนของแสง
กระจกเงาราบ กระจกเงาโค้งเว้า กระจกเงาโค้งนูน กระจกเงาราบ หรือกระจกเงาระนาบ คือ กระจกที่ด้านหนึ่งฉาบโลหะที่มีความวาวแสง เช่น ปรอท ทำให้มี คุณสมบัติสะท้อนแสงได้ดี กระจกเงาระนาบ ผิวของกระจกจะเป็นระนาบเดียวกันทั้งหมด กระจกเงาโค้ง ในระดับชั้นนี้จะศึกษาสมบัติของกระจก ที่มีส่วนโค้งเป็นส่วนหนึ่งของวงกลม ดังนั้นกระจกเงา โค้ง จะมีจุดศูนย์กลางความโค้ง หรือจุดศูนย์กลางวงกลม (center: c) อยู่ด้วย โดยที่ กระจกเงาโค้งเว้า จุด c จะอยู่ด้านหน้ากระจก ส่วนกระจกเงาโค้งนูน จุด c จะอยู่บริเวณหลังกระจก หน้ากระจก คือ บริเวณที่แสงตกกระทบ หรือ บริเวณที่วางวัตถุไว้
การเกิดภาพบนกระจกเงาราบ
การเกิดภาพบนกระจกเงาโค้ง
ตัวแปรต่างๆที่ต้องทราบเกี่ยวกับการคำนวณเรื่องกระจกโค้ง ระยะวัตถุ (s) หมายถึง ระยะทางที่วัดจากวัตถุไปจนถึงผิวสะท้อนของกระจก ในการคำนวณระยะวัตถุมีค่าเป็นบวก เสมอ ระยะภาพ (s’) หมายถึง ระยะทางที่วัดจากภาพไปจนถึงผิวสะท้อนของกระจก ในการคำนวณมีค่าเป็น + เมื่อเป็น ภาพจริง และมีค่าเป็น – เมื่อเป็นภาพเสมือน ขนาดวัตถุ (h) หมายถึง ความยาวของวัตถุที่ตั้งฉากกับจุดกึ่งกลางผิวสะท้อนของกระจก ในการคำนวณขนาดวัตถุมี ค่าเป็นบวกเสมอ ขนาดภาพ (h’) หมายถึง ความยาวของภาพที่ตั้งฉากกับจุดกึ่งกลางผิวสะท้อนของกระจก ในการคำนวณมีค่าเป็น + เมื่อเป็นภาพจริง มีค่าเป็น – เมื่อเป็นภาพเสมือน ระยะโฟกัส (f) หมายถึง ระยะทางที่วัดจากจุดกึ่งกลางผิวสะท้อนมาจนถึงจุดโฟกัส มีค่าเป็น + เมื่อเป็นกระจกเงา โค้งเว้า และมีค่าเป็น – เมื่อเป็นกระจกเงาโค้งนูน กำลังขยายของภาพ หมายถึง อัตราส่วนระหว่างระยะภาพต่อระยะวัตถุ หรือ ขนาดของภาพต่อขนาดของวัตถุ มีค่า เป็น + หรือ – ก็ได้
สูตรในการคำนวณเรื่องกระจกโค้ง สูตรในการหาระยะโฟกัส ระยะภาพ และระยะวัตถุ 1 𝑓 = 1 𝑠 + 1 𝑠′ สูตรในการหากำลังขยายของภาพ m= 𝑠′ 𝑠 = 𝑠 ′ −𝑓 𝑓 = 𝑓 𝑠−𝑓 = ℎ′ ℎ
ภาพจริง ภาพเสมือน และกำลังขยายของภาพ เมื่อรังสีของแสงที่สะท้อนจากกระจก หรือรังสีของแสงที่หักเหผ่านเลนส์ สองเส้น ตัดกัน จะทำให้เกิดภาพ (Image) รังสีของแสง ที่ออกจากวัตถุ ถ้าเป็น กระจก เส้นที่หนึ่ง ขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญ สะท้อนกลับมาหน้ากระจกไปที่ จุดโฟกัส เส้นที่สอง ออกจากวัตถุ ผ่าน ไปยังจุดศูนย์กลางความโค้ง ของกระจก เลนส์ เส้นที่หนึ่ง ขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญ หักเหผ่านเลนส์แล้วไปหลังเลนส์ ไปที่ จุดโฟกัส เส้นที่สอง ออกจากวัตถุ ผ่านไปยัง จุดกึ่งกลางเลนส์
ภาพจริง รังสีของแสงตัดกันจริง ถ้าเกิดกับอุปกรณ์เพียงชิ้นเดียว จะมีลักษณะ หัวกลับ กับวัตถุ สามารถเอาฉาก มารับภาพได้ เกิดกับ กระจกเว้า และ เลนส์นูน เท่านั้น ถ้าเป็นกระจกเว้า จะเกิดหน้ากระจก (เพราะแสงสะท้อนกลับมาที่หน้ากระจก) ถ้าเป็นเลนส์นูน จะเกิดหลังเลนส์ (เพราะแสงเข้าไปในเลนส์แล้วหักเหที่หลังเลนส์)
ภาพเสมือน รังสีของแสงไม่ได้ตัดกัน เพียงแค่ต่อรังสีของแสงด้วยเส้นประให้มาตัดกัน ถ้าเกิดกับอุปกรณ์เพียงชิ้นเดียว จะมีลักษณะ หัวตั้ง เหมือนกับวัตถุ อุปกรณ์ชนิดไหนก็เกิดภาพเสมือนได้ ถ้าเป็นกระจก จะเกิด หลังกระจก (แสงเข้าไปในกระจกไม่ได้ ต้องต่อเส้นประให้ไป ตัดกันหลังกระจก) ถ้าเป็นเลนส์ จะเกิด หน้าเลนส์ (แสงหักเหเข้าไปในเลนส์หมด ต้องต่อเส้นประให้ มาตัดกันหน้าเลนส์)
กำลังขยายของภาพ กำลังขยายของภาพ หมายถึง อัตราส่วนระหว่างระยะภาพ ต่อ ระยะวัตถุ หรือ ขนาดภาพ ต่อ ขนาดวัตถุ กำลังขยายมีค่ามากกว่า 1 แสดงว่า ภาพมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุ ซึ่งจะทำให้ระยะของภาพ ยาวกว่า ระยะ วัตถุ ไปด้วย (เราจะเห็นภาพ อยู่ไกลจากกระจกมากกว่าระยะวัตถุจริง) กำลังขยายมีค่าน้อยกว่า 1 แสดงว่า ภาพมีขนาดเล็กกว่าวัตถุ ซึ่งเราจะเห็นภาพอยู่ใกล้กับกระจกมากกว่า ระยะวัตถุจริงด้วย กำลังขยายมีค่าเท่ากับ 1 พอดี แสดงว่า ภาพที่เกิดในกระจกและวัตถุมีขนาดเท่าๆกันพอดี และระยะภาพ กับระยะวัตถุก็เท่ากันพอดี
กระจกสะท้อน เลนส์หักเห
คุณสมบัติการหักเหของแสง แสง มีคุณสมบัติการหักเห เมื่อคลื่นแสงเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางเดิม ไปสู่ตัวกลางใหม่ ที่มีความ หนาแน่นแตกต่างจากตัวกลางเดิม แสงจะหักเหทำมุมกับแนวการเคลื่อนที่เดิม ณ ตำแหน่ง ผิวสัมผัสของตัวกลางทั้งสอง และแสงจะทำมุมหักเห กับแนวเส้นปกติ ดังรูป
ปรากฏการณ์การหักเหของแสง
ปรากฏการณ์หักเหของแสง
การเกิดรุ้งกินน้ำ
การหักเหของแสงผ่านเลนส์นูน และเลนส์เว้า
การเกิดภาพของเลนส์นูน และเลนส์เว้า เลนส์นูน สามารถเกิดภาพจริง หรือภาพเสมือนก็ได้ ขึ้นอยู่กับระยะวัตถุ ส่วนเลนส์เว้า เกิด ภาพเสมือนได้เท่านั้น ไม่ว่าจะวางวัตถุไว้ที่ตำแหน่งใดหน้าเลนส์ การเขียนภาพที่เกิดจากเลนส์ คล้ายกันกับการเขียนภาพที่เกิดกับกระจกโค้ง และใช้สูตรการ คำนวณสูตรเดียวกันกับเรื่องกระจกโค้ง
ทัศนูปกรณ์ ทัศนูปกรณ์ หมายถึง อุปกรณ์ช่วยการเห็น เช่น กล้องโทรทรรศน์ กล้องจุลทรรศน์ หลักการของทัศนูปกรณ์ ใช้คุณสมบัติของแสง ได้แก่ การสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการ เลี้ยวเบน ในการผลิตอุปกรณ์ต่างๆ
หลักการของกล้องโทรทรรศน์
กล้องดูดาว
หลักการของกล้องจุลทรรศน์
นัยน์ตาและการมองเห็น
นัยน์ตาและการมองเห็น
Rod cell Cone cell
Rod cell Cone cell
สายตาสั้น สายตายาว สายตาปกติ สายตาสั้น สายตายาว
สายตาสั้น สายตายาว