การสะท้อน (ฟิสิกส์)
บทความนี้อาจขยายความได้โดยการแปลบทความที่ตรงกันในภาษาอังกฤษ คลิกที่ [ขยาย] เพื่อศึกษาแนวทางการแปล
|
การสะท้อน (อังกฤษ: reflection) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงทิศทางของหน้าคลื่นที่รอยต่อของตัวกลางสองชนิดและทำให้หน้าคลื่นหันกลับไปยังฝั่งของตัวกลางชนิดแรก ตัวอย่างเช่น การสะท้อนของแสง คลื่นน้ำ คลื่นเสียง โดยอยู่ภายใต้ กฎการสะท้อน ที่กล่าวว่า ที่พื้นผิวใด ๆ มุมตกกระทบ (θi) จะมีค่าเท่ากับมุมสะท้อน (θr) ณ จุดที่เกิดการสะท้อนนั้น กระจกเงาเป็นตัวอย่างหนึ่งของการสะท้อนที่เป็นระเบียบของแสง
สำหรับการสะท้อนของคลื่นเสียงทำให้เกิดการกังวานของเสียง ซึ่งเป็นหลักการสำคัญที่ใช้ในระบบวิเคราะห์ตำแหน่งของวัตถุในลักษณะเดียวกับค้างคาว ในทางธรณีวิทยา การสะท้อนของคลื่นมีส่วนสำคัญในการศึกษาคลื่นไหวสะเทือน การสะท้อนของคลื่นยังสามารถพบเห็นได้ในคลื่นน้ำ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การสะท้อนมีความสำคัญในระบบโทรคมนาคม ติดต่อ สื่อสารผ่านคลื่นวิทยุ และสำหรับการสำรวจด้วยเรดาร์
การสะท้อนของแสง
แก้
การสะท้อนของแสง (Reflection) เป็นปรากฏการณ์ที่แสงมีการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ที่บริเวณรอยต่อของตัวกลาง 2 ชนิด โดยแสงจะเคลื่อนที่ย้อนกลับไปในตัวกลางเดิม
แสงอาจเกิดการสะท้อนสมบูรณ์ (specular reflection) เช่นการสะท้อนผ่านกระจกเงา หรือสะท้อนไม่สมบูรณ์ (diffuse reflection) ซึ่งสูญเสียภาพเชิงฟิสิกส์แต่อนุรักษ์พลังงาน ขึ้นกับชนิดของตัวกลางทึบแสงซึ่งแสงเกิดการสะท้อน
ลำแสง
แก้แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง เดินทางในรูปคลื่นด้วยอัตราเร็วสูง 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แหล่งกำเนิดแสงมีทั้งแหล่งกำเนิดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น แสงดวงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งพลังงานของสิ่งมีชีวิต แหล่งกำเนินแสงที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น แสงสว่างจากหลอดไฟ เป็นต้น
เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านกลุ่มควันหรือฝุ่นละออง จะเห็นเป็นลำแสงเส้นตรง และสามารถทะลุผ่านวัตถุได้ วัตถุที่ยอมให้แสงเคลื่อนที่ผ่านเป็นเส้นตรงไปได้นั้น เราเรียกวัตถุนี้ว่า วัตถุโปร่งใสเช่น แก้ว อากาศ น้ำ เป็นต้น ถ้าแสงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุบางชนิดแล้วเกิดการกระจายของแสงออกไป โดยรอบ ทำให้แสงเคลื่อนที่ไม่เป็นเส้นตรง เราเรียกวัตถุนั้นว่า วัตถุโปร่งแสง เช่น กระจกฝ้า กระดาษไข พลาสติกฝ้า เป็นต้น ส่วนวัตถุที่ไม่ยอมให้แสงเคลื่อนที่ผ่านไปได้ เราเรียกว่า วัตถุทึบแสง เช่น ผนังคอนกรีต กระดาษแข็งหนา ๆ เป็นต้น วัตถุทึบแสงจะสะท้อนแสงบางส่วนและดูดกลืนแสงบางส่วนไว้ทำให้เกิดเงาขึ้น การสะท้อนของแสง (Reflection) เมื่อแสงเดินทางมากระทบวัตถุแสงจะสะท้อนกลับไปยังตัวกลางเรียกว่าการสะท้อน การสะท้อนของแสงทำให้เกิดมุมตกกระทบคือมุมที่แสงตกกระทบทำกับเส้นตั้งฉากกับกระจก และมุมสะท้อนคือมุมที่แสงสะท้อนทำกับเส้นตั้งฉากกับกระจก
กฎของการสะท้อนกล่าวว่า “เมื่อเกิดการสะท้อนแสงทุกครั้งมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ”
การสะท้อนของแสงเมื่อตกกระทบพื้นผิววัตถุที่เรียบ เกิดขึ้นเมื่อลำแสงตกกระทบไปยังพื้นกระจกหรือพื้นผิวที่ขรุขระจะส่งผลให้แสงสะท้อนกลับไปคนละทิศละทาง
รังสีตก กระทบ (Incident Ray) คือ รังสีของแสงที่พุ่งเข้าหาพื้นผิวของวัตถุ
รังสีสะท้อน (Reflected Ray) คือ รังสีของแสงที่พุ่งออกจากพื้นผิวของวัตถุ
เส้นปกติ (Normal) คือ เส้นที่ลากตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุตรงจุดที่แสงกระทบ
มุมตกกระทบ (Angle of Incidence) คือ มุมที่รังสีตกกระทบทำกับเส้นปกติ
มุมสะท้อน (Angle of Reflection) คือ มุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ
กฎการสะท้อน
แก้
กฎการสะท้อนของแสง ( Law of Reflection )
- มุมตกกระทบคือมุมที่รังสีตกกระทบ (Incident ray) ทำกับเส้นปกติ (Normal) ของผิวสะท้อน
- มุมสะท้อน (Reflected ray) คือมุมที่รังสีสะท้อนทำกับเส้นปกติ
กลไกของการสะท้อน
แก้จากความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลาสสิก แสงถูกจัดให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของแมกซ์เวลล์ ด้วยหลักการนี้สามารถอธิบายกลไกการสะท้อนของแสงได้ กล่าวคือ คลื่นแสงซึ่งตกกระทบลงบนผิวของวัตถุทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเกิดการโพลาไรซ์ในระดับอะตอม (หรือการสั่นของอิเล็กตรอนในกรณีของโลหะ) ซึ่งส่งผลให้อนุภาคเหล่านี้เกิดการแผ่คลื่นทุติยภูมิในทุกทิศทาง ซึ่งทำให้เกิดหลักการของออยเกนส์และเฟรชเนลซึ่งอธิบายว่าคลื่นทุติยภูมิเหล่านี้เองคือการสะท้อนแบบสมบูรณ์กลับสู่ตัวกลางที่หนึ่งและการหักเหเข้าสู่ตัวกลางที่สอง
ในกรณีของฉนวนไฟฟ้าเช่นแก้ว สนามไฟฟ้าจากคลื่นแสงที่เกิดปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนในแก้ว อิเล็กตรอนที่สั่นเหล่านี้สร้างสนามไฟฟ้าขึ้นและกลายเป็นตัวส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การหักเหของแสงในแก้วที่สังเกตได้เป็นคลื่นลัพธ์ที่ได้จากการรวมคลื่นตกกระทบเข้ากับคลื่นที่ปล่อยออกมาจากการสั่นของอนุภาคของแก้วในทิศทางเดียวกันกับคลื่นตกกระทบ ในขณะที่คลื่นจากการสั่นของอนุภาคของแก้วในทิศตรงกันข้ามทำให้เกิดการสะท้อนที่สังเกตได้ การแผ่รังสีของอนุภาคของตัวกลางนี้เกิดขึ้นทั่วไปในแก้วแต่ผลลัพธ์ที่ได้เทียบเท่ากับการสะท้อน ณ พื้นผิวแต่เพียงอย่างเดียว
ในปัจจุบัน แสงถูกอธิบายด้วยหลักการของควอนตัม ซึ่งพิจารณาแสงที่สามารถอยู่ในรูปของอนุภาค ริชาร์ด เฟยน์แมนได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการสะท้อนของแสงไว้อย่างน่าสนใจในหนังสือ QED: The Strange Theory of Light and Matter
การสะท้อนของคลื่น (reflection)
แก้การสะท้อนของคลื่นเป็นปรากฏการณ์ที่สำคัญประการหนึ่งของคลื่น ถือได้ว่าเป็นสมบัติของคลื่นอย่างหนึ่ง จะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบสิ่งกีดขวาง หรือเปลี่ยนตัวกลางในการเคลื่อนที่ โดยคลื่นที่เคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางเรียกว่า คลื่นตกกระทบ และคลื่นที่สะท้อนออกมาเรียกว่าคลื่นสะท้อน การสะท้อนของคลื่นต้องเป็นไปตามกฏการสะท้อนของคลื่น ดังนี้
กฏการสะท้อนคลื่น
1. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ
2. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ รังสีสะท้อน อยู่ในระนาบเดียวกัน
ผลของการสะท้อนของคลื่นที่ควรทราบ คือ
1. ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ
2. อัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ
3. ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ
คุณสมบัติการสะท้อนของคลื่น
1. ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ
2. อัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ
3. ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ
การสะท้อนของเสียง
แก้เสียงมีการสะท้อนเหมือนกับคลื่น เป็นไปตามกฏการสะท้อน โดยที่เมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก จะมีการสะท้อนของคลื่นเสียงเกิดขึ้นซึ่งเฟสจะเปลี่ยนไป 180 องศา แต่ถ้าเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยจะมีการสะท้อนเพียงบางส่วนซึ่ง การสะท้อนนี้คลื่นเสียงจะมีเฟสเท่าเดิม
เงื่อนไขการเกิดการสะท้อนของเสียง
แก้คลื่นเสียงซึ่งเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย ไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก เช่น คลื่นเสียงเคลื่อนที่ในอากาศไปชนผิวสะท้อนที่เป็นของแข็ง คลื่นเสียงจะเกิดการสะท้อนโดยคลื่นสะท้อนจะมีเฟสเปลี่ยนไป 180º คล้ายกับการสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือกที่ปลายตรึง
คลื่นเสียงซึ่งเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก ไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย เช่น การเดินทางของคลื่นเสียงจากน้ำไปยังอากาศ เนื่องจากอากาศมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ คลื่นที่สะท้อนกลับมาในน้ำจะมีเฟสเหมือนเดิม ซึ่งคล้ายกับการสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือกปลายอิสระ
ผลของการสะท้อนของคลื่นที่ควรทราบ คือ
- ความถี่ของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นตกกระทบ
- อัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับอัตราเร็วและความยาวคลื่นของคลื่นตกกระทบ
- ถ้าการสะท้อนไม่สูญเสียพลังงาน จะได้แอมพลิจูดของคลื่นสะท้อนมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของคลื่นตกกระทบ
สมบัติการสะท้อนของเสียง
- การสะท้อนของเสียง จะเกิดขึ้นได้เมื่อ “ตัวสะท้อนมีขนาดใหญ่กว่า หรือ เท่ากับ ความยาวคลื่นเสียง”
- สำหรับมนุษย์สามารถยกเสียงสะท้อนได้ ก็ต่อเมื่อ “ เวลาที่เสียงออกจากแหล่งกำเนิด กับเวลาที่เสียงสะท้อนกลับมายังแหล่งกำเนิดเสียงหรือผู้ฟังต่างกันอย่างน้อย 1/10 วินาที หรือคิดเป็นระยะทางประมาณ 17 เมตร”
การสะท้อนของเสียงถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างมากมาย ดังตัวอย่างที่นำเสนอต่อไปนี้
การหาความลึกของทะเล การหาฝูงปลา การตรวจจับเรือดำน้ำหรือวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำ โดยส่งสัญญาณเสียงโซนาร์ออกไป แล้วจับเวลาที่สัญญาณเสียงสะท้อนกลับมา แล้วจึงนำมาคำนวณหาความลึกของทะเล
# โซนาร์ : เสียงที่มีความถี่สูง พบว่า ความยาวคลื่นเสียงจะสั้น ถ้าหากำเนิดคลื่นเสียงไปกระทบกับวัตถุที่มีขนาดเท่ากับหรือใหญ่กว่าความยาวคลื่นเสียงที่มาตกกระทบ จะเกิดการสะท้อนของคื่นเสียงนั้น
หลักการทำงานของเครื่องโซนาร์
เริ่มต้นจากเครื่องโซนาร์ส่งเสียงที่มีความถี่สูงเกินกว่าหูมนุษย์จะได้ยิน (คลื่นเหนือเสียง) ผ่านไปในน้ำ เสียงนั้นมีความถี่ประมาณ 50,000 เฮิรตซ์ เมื่อเสียงนั้นเดินทางไปกระทบวัตถุ เช่น เรือดำน้ำ หรือพื้นทะเล ก็จะสะท้อนกลับมาเข้าเครื่องรับ โดยการวัดช่วงเวลาที่เสียงเดินทางไปและกลับ ก็จะสามารถคำนวณหาระยะทางของวัตถุจากความเร็วของคลื่นเสียงใต้น้ำได้ และสมการที่ใช้คำนวณคือ
s = vt
# เสียงก้อง : เนื่องจากมนุษย์สามารถบันทึกเสียงที่ได้ยิน ติดอยู่ในประสาทหูได้นานประมาณ 0.1 วินาที ดังนั้น ถ้าตะโกนออกไป เสียงสะท้อนจะกลับสู่หูช้ากว่าเสียงที่ตะโกนออกไป ภายในเวลา 0.1 วินาทีขึ้นไป จะเกิดเสียงก้อง นั่นคือถ้าตะโกนก่อน จากนั้นเงียบ แล้วจะได้ยินเสียงที่ตะโกนตามมาภายหลัง
ดูเพิ่ม
แก้อ้างอิง
แก้แหล่งข้อมูลอื่น
แก้- Acoustic reflection เก็บถาวร 2019-01-04 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- Diffraction Grating Equations
- How to build a diffraction spectrometer
 | บทความฟิสิกส์นี้ยังเป็นโครง คุณสามารถช่วยวิกิพีเดียได้โดยการเพิ่มเติมข้อมูล |