ฟิสิกส์ 2 ระดับมหาวิทยาลัย (Light and...

Example

ส ำนกพมพ SCIENCE PUBLISHING

ฟสกส 2 ระดบมหำวทยำลย งำย...เวยเฮย !!! Light and Optics

ผชวยศาสตราจารยสชาต สภาพ

สงวนลขสทธ © 2557 ตามพระราชบญญตลขสทธ

หำมลอกเลยนแบบ หรอถำยเอกสำรจ ำนวนมำก โดยไมไดรบอนญำต

พมพและจดจ ำหนำยโดย

ส ำนกพมพ SCIENCE PUBLISHING

111/258 ต.พมลราช อ าเภอบางบวทอง จงหวดนนทบร11110 โทรศพท 084 - 0919310 แฟกซ 02 - 5493745 E - mail [email protected]

ขอมลทำงบรรณำนกรมของส ำนกหอสมดแหงชำต

สชาต สภาพ.

ฟสกส 2 ระดบมหาวทยาลย 132 หนา. 1. แสง. I. ชอเรอง. 535 ISBN 978-616-361-106-2

Example

ค ำน ำ

ฟสกส 2 ระดบมหาวทยาลย เรองแสงน เรยบเรยงขนเพอใชในการเรยนการสอนของสาขาวชาฟสกส คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลยราชมงคลธญบร เนองจากเนอหาวชาฟสกสของทกมหาวทยาลยใกลเคยงกนมาก ดงนนหนงสอเลมนจงสามารถใชในการเรยนการสอนของทกมหาวทยาลย หนงสอนพยายามสอสารกบผอานดวยภาษางายๆ คณตศาสตรทใชกพยายามท าทกขนตอน หนงสอนมราคาแพงไปบางเนองจากท าระบบถายเอกสาร ทมตนทนสง หวงวาผอานคงจะเขาใจและยงคงใหการสนบสนน และถำทำนตองกำรหนงสอทเปน e-book

สำมำรถดำวโหลดไดท 4dbook.com และถาทานผ อานพบขอผดพลาด หรอม

ขอเสนอแนะทจะท าใหหนงสอนสมบรณขน แนะน าไดท [email protected] จะขอบพระคณเปนอยางสง หนงสอนส าเรจไดดวยความชวยเหลอจาก ผ ชวยศาสตราจารยวฒนา เดชนะ มหาวทยาลยราชภฏสงขลา รองศาสตราจารยวชระ รอดสมฤทธ ผชวยศาสตราจารยจรส บณยธรรมา (ครวทยาศาสตรดเดนระดบอดมศกษา) ทไดใหค าแนะน าทมประโยชน และชวยน าเนอหาบางสวนของหนงสอนขนเวบไซตฟสกสราชมงคล นอกจากนนยงไดรบความชวยเหลอจากผบรหารมหาวทยาลย ฯ ทกระดบชน ทสนบสนนสงเสรมการท าผลงานวชาการ และสงเสรมการใหบรการทางวชาการแกชมชนและสงคม จงขอขอบพระคณทกทานมา ณ โอกาสน สชาต สภาพ โทรศพท 084-0919310

Example

สำรบญ หนำ

บทท 13 ทศนศาสตรเชงเรขาคณต 1 13.1 ธรรมชาตของแสง 1 13.2 การประมาณรงสดานแสงเชงเรขาคณต 3 13.3 การสะทอนและการหกเห 4 13.4 ดชนหกเหของแสง 8 13.5 การสะทอนกลบหมด 11 13.6 หลกของฮอยเกนส 12 13.7 ภาพทเกดจาก กระจกเงาราบ 13 13.8 ภาพทเกดจากกระจกโคง 16 13.9 ภาพทเกดจากการหกเหของแสง 22 13.10 เลนสบาง 28 13.11 ความคลาดของเลนส 35 13.12 ทศนอปกรณ 38 13.13 นยนตาและการมองเหน 45 โจทยแบบฝกหด 47 บทท 14 ทศนศาสตรเชงกายภาพ 50 14.1 การแทรกสอดของแสงทผานสลตค 51 - การท าใหเกดแหลงก าเนดแสงอาพนธ 2 แหลง 52 - รปแบบการแทรกสอดทเกดจากสลตทมหลายชอง 65 - การเปลยนเฟสเนองจากการสะทอน 69 - การแทรกสอดทเกดจากการสะทอนหกเห และแทรกสอดของฟลมบาง 70 - วงแหวนนวตน 78 14.2 การเลยวเบนของแสง 83 - การเลยวเบนทรกลม 96

Example

สำรบญ หนำ

14.3 เกรตตงเลยวเบน 98 - ก าลงแยกของสลต และรวงกลม 103 14.4 การโพลาไรซของคลนแสง 109 14.5 การท าแสงไมโพลาไรซใหเปนแสงโพลาไรซ 111 14.6 กฎของมาลส หรอกฏโคไซนก าลงสอง 115 14.7 บทประยกตเกยวกบแสงโพลาไรซ 121 โจทยแบบฝกหด 125 ประวตผ เรยบเรยง 132

%%%%%%%%%%%%%%%%%

Example

ผชวยศาสตราจารยสชาต สภาพ คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

บทท 13 ทศนศาสตรเชงเรขาคณต (Geometric Optics)

ทศนศาสตรหมายถงวชาฟสกสแขนงหนงทศกษาเกยวกบเรองของแสง ทศนศาสตรแบงเปนทศนศาสตรเชงเรขาคณต และทศนศาสตรเชงกายภาพ โดยททศนศาสตรเชงเรขาคณต เปนการศกษาปรากฏการณของแสงในระดบมหภาค เชน การสะทอนแสง และการหกเหของแสงทศนศาสตรเชงเรขาคณตใชเสนตรงทตงฉากกบหนาคลนของแสง เพอแทนเสนทางการเคลอนทของแสงเสนตรงนเรยกวารงสของแสง ทศทางของเสนรงสจะเปลยนไป เมอแสงมการเปลยนตวกลาง สวนทศนศาสตรเชงกายภาพเปนการศกษาปรากฏการณของแสงในระดบจลภาคหรอระดบทใกลเคยงความยาวคลนแสง เชน การแทรกสอด การเลยวเบน โพลาไรเซชน และการกระเจงของแสง เปนตน

13.1 ธรรมชาตของแสง

ในศตวรรษท 17 คนทวไปเชอวา แสงเปนล าอนภาคเลกๆ ทแหลงก าเนดแสงปลอยออกมา โดยอนภาคเหลานนเคลอนทออกจากแหลงก าเนดแสงในแนวเสนตรง และจะผานวตถโปรงใสได แตถาอนภาคเหลานนตกกระทบวตถทบแสงจะสะทอนกลบออกมา นกวทยาศาสตรทแสดงตวชดเจนวาสนบสนนแนวความคดวาแสงเปนอนภาคคอ เซอร ไอแซคนวตน เขาไดอธบายวาแสงเปนสายธารของอนภาค วตถทเรามองเหนจะปลอยอนภาคออกมา อนภาคดงกลาวเมอเขามาในดวงตาจะกระต นความรสกในการมองเหน ปรากฎการณตางๆ ของแสงดวย ทฤษฎ

Example

ฟสกส 2 ระดบมหาวทยาลย เรอง แสง - 2


อนภาค นกวทยาศาสตรในยคนน สวนใหญยอมรบทฤษฎทวาแสงเปนอนภาค ตอมาเรมมนกวทยาศาสตรบางสวนคดมความคดวาแสงไมนาจะเปนอนภาคแตควรจะเปนคลน พรอมกบสามารถอธบายการสะทอน และการหกเหของแสงโดยใชทฤษฎคลนไดนกวทยาศาสตรผนนก คอนกวทยาศาสตรชาวดชทชอวา ฮอยเกนส แตในตอนนนกมขอโตแยงอยหลายอยาง เชน คลนทรจกกนสมยนน เชน คลนในเสนเชอก คลนเสยง คลนน า ตองอาศยตวกลางแต แสงเดนทางไปในทตางๆ ไดโดยไมจ าเปนมตวกลาง นอกจากนนแลวคลนสามารถเลยวเบนได แตแสงเลยวเบนไมได (ความรสกในสมยนน)

รป 13.1 ฮอยเกนส อธบายการหกเห และการสะทอนของแสงดวยทฤษฎคลน

ตอมาในป ค.ศ. 1801 โทมส ยงพบวา แสงสามารถแทรกสอดซงกนและกนไดเหมอนกบคลนน าและคลนเสยง บรเวณไหนมการแทรกสอดแบบเสรมกน บรเวณนนกจะสวาง บรเวณไหนมการแทรกสอดแบบหกลางกน บรเวณนนกจะมด ซงอนภาคจะไมมสมบตแบบน หลายปตอมาเฟรสเนลไดท าการทดลองเรองการแทรกสอดและเลยวเบนของแสง ในป1850 Jean Foucault พบวาอตราเรวแสงในแกวและของเหลวนอยกวาในอากาศ ซงตามแบบการจ าลองอนภาค อตราเรวของแสงในแกวและของเหลวสงกวาในอากาศ กท าใหแนวความคดวาแสงเปนอนภาคเรมสนคลอนลงไป ตอมาแมกสเวล กพบวาแสงเปนคลนแมเหลกไฟฟาชนดหนง ตอมาในศตวรรศท 19 สถานการณพลกผนอก เมอพบปรากฎการณของแสงบางอยางทไมสามารถอธบายไดดวยทฤษฎของคลน เชน ปรากฎการณโฟโตอเลกทรค ปรากฎการณคอมตน แนวความคดเดมทเชอวาแสงเปนอนภาคกกลบมาอกครงหนง ปจจบนยอมรบวาแสงมสมบตคคอ เปนไดทงคลนและทงอนภาค แนวความคดดงกลาวนเกดขนมาในศตวรรษท 20 เกดขนหลงจากทมการพฒนาวชากลศาสตรควอนตม

Example



13.2 การประมาณรงสดานแสงเชงเรขาคณต

ในการศกษาเกยวกบแสงเชงเรขาคณต จะถอวาแสงมความยาวคลนนอยมากเมอเทยบกบวตถหรอสงของตางๆทแสงเกยวของดวย เมอเปนไปตามเงอนไขดงกลาวกมาตองสนใจเกยวกบการแทรกสอดและเลยวเบนของแสง และแสงกจะเคลอนทเปนเสนตรงในตวกลางทมเนอเดยวกน การศกษาปรากฏการณของแสงทมพนฐานวา แสงเดนทางเปนเสนตรงในตวกลางเนอเดยวกน เรยกวา “ ทศนศาสตรเชงเรขาคณต ” ดงนน ทศนศาสตรเชงเรขาคณต จงใชไดในขอบเขตจ ากด ดงทกลาวแลว แตกถอไดวาใชไดด และสะดวกกวาการอธบายโดยคดวาแสงเปนคลน

รป 13.2 รงสของแสงตงฉากกบหนาคลน

แสงเชงเรขาคณต ศกษาเกยวกบการเคลอนทของแสง โดยใหรงสของแสงเปนตวแทนของล าแสงรงสหนง

กอนอนนกศกษาควรรจกสมบตของแสง บางประการ ดงน 1) ถาชอง 2 ชองทแสงผานใหญกวาความยาวคลนของแสงมากๆ แสงจะไมมการ

เลยวเบนและไมแทรกสอด เชน เมอฉายไฟฉายไปทหนาตางหรอประต แสงจะไมมการเลยวเบนและแทรกสอด

2) ถาชอง 2 ชอง ทแสงผานมขนาดเทากบหรอเลกกวาความยาวคลนของแสง จะมการเลยวเบนและแทรกสอดของแสง ถาเอาฉากมารบกจะเหนแถบมดและแถบสวาง

Example



d d

รป 13.3 สมบตของแสง ทควรร

เพมเตม ในยคแรกๆ นกวทยาศาสตรไมเคยคดวาแสงเปนคลน เนองจากไมสามารถทดลองใหเหนการเลยวเบนและการแทรกสอดของแสงได

13.3 การสะทอนและการหกเห

กฎการสะทอน

มมตกกระทบ = มมสะทอน

รป 13.4 มมตกกระทบ = มมสะทอน

แสงทสะทอนทวตถผวเรยบจะขนานกนแสงทสะทอนทวตถผวขรขระจะไมขนานกน การสะทอนแบบนเรยกวาการสะทอนแบบกระจาย ดงรป 13.5

Example



(a) (b)

รป 13.5 (a) แสงทสะทอนทวตถผวเรยบ (b) แสงทสะทอนทวตถผวขรขะ

การสะทอนของแสงท าใหเกดภาพลวงตาไดหลายอยาง

รป 13.6 ภาพลวงตาทเกดจากการสะทอนของแสง

Example



แบบทดสอบ

1) ถา มม 1 เทากบ 60 องศาแลวมม 2 เทากบกองศา

……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ดภาพขางลาง คงจะชวยใหท าไดงายขน

รป 13.7 การสะทอนของแสงเปนไปตามกฎการสะทอน

การหกเหของแสง

เมอแสงเคลอนทจากตวกลางหนงเขาไปยงอกตวกลางหนง จะมการทะลผานและการสะทอนกลบพรอมๆ กน และถามมตกกระทบไมเทากบศนยแสงจะเปลยนทศทางหรอทเรยกวาการหกเห ดงรป 13.8

Example



รป 13.8 การทะลผานและการสะทอนกลบ

การหกเหของแสงเกดขนเนองจาก เมอแสงเคลอนทจากตวกลางหนงเขาไปยงอกตวกลางหนง ความเรวจะเปลยน ความสมพนธระหวางมมตกกระทบ มมหกเห และความเรวในตวกลางทงสองเปนดงน

2 2

1 1

sin

sin

v

v

(13 - 1)

สมการ (13 - 1) คอกฎของสเนลล

การหกเหของแสงท าใหเกดภาพลวงตาได ดงรป 13.9

รป 13.9 ภาพลวงตาทเกดจากการหกเหของแสง

Example



13.4 ดชนหกเหของแสง

ดชนหกเหของแสง เปนคาทบอกถงปรมาณการเปลยนแปลงทศทางของคลนแสง เมอเดนทางผานตวกลางทมคาดชนหกเหตางกน ดชนหกของแสงในตวกลางตาง ๆ มกจะขนกบความหนาแนนของตวกลางนน โดยสารทมความหนาแนนสงมกจะมดชนหกเหสงดวย ดชนหกเหของแสงในสารตาง ๆ จะขนกบอณหภม และโดยทวไปแลว ดชนหกเหของแสงจะมคานอยลงเมออณหภมสงขน

รป 13.10 การหกเหของแสงเมอเดนทางจากตวกลางหนงไปยงอกตวกลางหนง

ทางเดนของแสงในรป 13.10 สามารถยอนกลบได คอถาเราฉายแสงจากตวกลางท 2 ในทศท ามมตกกระทบ 2 กจะไดมมหกเหเปน 1 ถาทราบมมตกกระทบและมมหกเห สามารถหาดชนหกเหของตวกลางท 2 ไดจากกฎของสเนลลคอ

1 1 2 2sin sinn n (13 - 2)

หรอหาดชนหกเหของตวกลางท 2 ไดจากสมการ

cn

v (13 - 3)

Example



เราไดทราบแลววาเมอคลนเคลอนทจากตวกลางหนงไปยงอกตวกลางหนง ความเรวและความยาวคลนจะเปลยนไป แตสงทไมเปลยนแปลงคอ ความถ ทงนเนองจากเมอคลนเคลอนทมาถงตวกลางใหม หนาคลนกคอหนาคลนเดม ดงนนความถจงเทาเดม

รป 13.11 หนาคลนเคลอนทผานรอยตอ

ความเรวของแสงในตวกลางใดๆ

เราไดทราบแลววาความเรวของแสงในสญญากาศมคามากทสด และเมอแสงเคลอนทผานตวกลางอนๆ อตราเรวจะลดลง เราสามารถอธบายการลดลงของความเรวแสงในตวกลางอนๆ ไดดงน

รป 13.12 อตราเรวของแสงในตวกลางทไมใชสญญากาศ

ใหลกศรทางดานซายมอ แทนแสงทเดนทางในสญญากาศ เมอแสงเดนทางเขามาในตวกลางใดๆ กจะชนกบอะตอมของตวกลางนนๆ สมมตวาแสงชนอะตอม A กอน อะตอม A กจะดดกลนพลงงานของแสงสวนหนง พลงงานนกจะท าใหอเลกตรอนในอะตอมสน การสนของอเลกตรอนกจะมการปลอยแสงออกมา การดดกลนและการปลอยรงสท าใหอตราเรวของแสงในตวกลางมคาลดลง แลวกระบวนนกบอะตอมท B ในล าดบตอไป เปนอยางนไปเรอยๆ

Example



การกระจายและปรซม

ทกคนไดทราบแลววา แสงแตละสมดชนหกหไมเทากน แสงสมวงมดชนหกเหมากทสดแสงสแดงมดชนหกเหนอยทสด

รป 13.13 การหกเหของแสงขาวเมอผานปรซม

รป 13.14 ความสมพนธระหวางดชนกบความยาวคลนแสง

รงกนน า

รงกนน าเกดจากการหกเหและการกระจายของแสง ในการศกษาการเกดรงกนน า เรมจากการศกษาการหกเหและการกระจายของแสง จากละอองน า 1 ละออง ดงน

รป 13.15 การหกเหและการกระจายของแสง ในละอองน า

Example



ใหแสงขาวเขามาทางดานบนของละอองน า แสงสมวงจะหกเหมากทสดแสงสแดงจะหกเหนอยทสด เมอแสงทงสองเดนทางไปถงผวในของละอองน าจะสะทอนกลบเขามา และหกเหออกมา ดงรป 13.15 มมระหวางแสงขาวกบแสงสมวงทมความเขมมากทสดคอ 40° และมมระหวางแสงขาวกบแสงสแดงทมความเขมมากทสดคอ 42°

รป 13.16 รงกนน า

หมายเหต รงกนน า เปนสงทไมมอยจรง ถาไมมแสงกไมมรงกนน า

13.5 การสะทอนกลบหมด (Total Reflection)

การสะทอนกลบหมดจะเกดขนไดเมอแสงเคลอนทจากตวกลางทมดชนหกเหมากกวาไปตวกลางทมดชนหกเหนอยกวา เชน เมอแสงเดนทางจากน าสอากาศ ดงรป13.17

รป 13.17 การสะทอนกลบหมดของแสง

Example



มมตกกระทบทเลกทสดทท าใหเกดการสะทอนกลบหมดเรยกวา “ มมวกฤต ”

รป 13.18 มมวกฤต

บทประยกตการสะทอนกลบหมด

หลกการเกยวกบการสะทอนกลบหมด น ามาประยกตใชท าสายไฟเบอรออปตก ทแสงสามารถเดนทางในสายนแลวออกมาทางปลายสายอกดานหนงได ดงรป 13.19

รป 13.19 การสะทอนกลบหมดในใยแกวน าแสง

Example



13.6 หลกของฮอยเกนส(Huygen 's principle)

ฮอยเกนสกลาววา “ ทกๆ จดบนหนาคลน ถอไดวาเปนแหลงก าเนดใหม ซงแผออกไปทกทศทางดวยอตราเรวเทาเดม หนาคลนใหมคอผวทสมผสกบหนาคลนลกใหม ”

รป 13.20 หลกของฮอยเกนส

13.7 ภาพทเกดจาก กระจกเงาราบ

จะแสดงใหเหนวาภาพทเกดขนในกระจกเงาราบ ระยะภาพจะมคาเทากบระยะวตถ ไดดงน ใหวตถทเปนจด วางอยทจด O หนากระจก หางจากกระจกเปนระยะทาง p ระยะทางน จะเรยกวาระยะวตถ ดงรป 13.21

รป 13.21 ภาพทเกดขนทกระจกเงาราบ

Example



จะหาต าแหนงทเกดภาพในกระจกได โดยการใหมรงสของแสง 3 เสน พงออกจากวตถไปยงกระจก รงสทง 3 กจะสะทอนออกมาจากกระจก โดยมมสะทอนเทากบมมตกกระทบ ถาตอแนวรงสสะทอนนออกไป แนวรงสทตอออกไปจะไปตดกนทจดๆ หนงหลงกระจก จดนนกคอจดทเกดภาพ ก าหนดใหจดนนชอวาจด I ดงรป 13.21 ใหระยะจาก I ถงกระจกมคาเทากบ q ระยะ q นกคอระยะภาพนนเอง จากรป สามารถแสดงใหเหนไดวา

ระยะภาพ = ระยะวตถ

p q

พจารณา วตถทมความสง h วางอยหนากระจก หางจากกระจกเปนระยะทาง p ใหรงสของแสงเสนท 1 พงออกจาก P ในแนวราบตกกระทบกระจกทจด Q แลวสะทอนกลบในแนวเดม รงสของแสงเสนท 2 พงออกจาก P ไปกระทบกระจกทจด R แลวสะทอนกลบออกมาก ถาตอแนวรงสสะทอนออกไป แนวรงสทตอออกไปจะไปตดกนทจดๆ หนงหลงกระจก จดนนกคอจดทเกดภาพ (Image) ดงรป 13.22 ใหระยะจากภาพถงกระจกเทากบ q

รป 13.22 ภาพทเกดจากกระจกเงาราบ

จากรป 13.22 สามารถแสดงใหเหนไดวา

ระยะภาพ = ระยะวตถ

p q

จากความรทางเรขาคณต จะพสจนไดวาความสงของภาพ กบความสงของวตถ มขนาดเทากน ดงนนก าลงขยายของกระจกเงาราบเทากบ 1

Example



ก าลงขยายของกระจกเงาราบ ( )h

Mh

(13 - 4)

ภาพทเกดจากกระจกเงาระนาบ 2 บาน วางท ามมกน

วางวตถหนากระจกเงาระนาบ 2 บาน ทวางท ามมตอกน ดงรป 13.23

รป 13.23 วตถวางอยระหวางกระจกเงาระนาบ 2 บาน ทวางท ามมกน

จะเกดภาพหลายภาพในกระจก เนองจากภาพในกระจกหนงจะท าหนาทเปนวตถของกระจกอกกระจกหนง เปนอยางนไปเรอยๆ จนกวาจะมภาพสดทายทอยพนแนวการเกดภาพของกระจกอกกระจกหนง

สตรทใชในการค านวณหาจ านวนภาพทเกดขน

3601

o

n

(13 - 5)

เมอ n คอ จ านวนภาพทเกดขน คอ มมทกระจกเงาระนาบท ามมตอกน คา n ถาเปนจดทศนยม ใหปดเศษขน

Example

ฟิสิกส์ 2 ระดับมหาวิทยาลัย (Light and...

Documents

Transcript of ฟิสิกส์ 2 ระดับมหาวิทยาลัย (Light and...