fizikzauglom

เกรด 11 · การสั่นและคลื่น

คลื่น

ความยาวคลื่น อัตราเร็ว ความถี่ เฟส และสัญญาณสะท้อน

22 นาที10 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ทุ่นลอยสั่นขึ้นลงแทบอยู่กับที่ แต่สันคลื่นเคลื่อนออกไปไกล ต่อมาคลื่นสะท้อนกลับมาหาเรา จะอธิบายอัตราเร็วของรูปคลื่น การหน่วงระหว่างการสั่น และระยะถึงจุดสะท้อนได้อย่างไร?

ทุ่นกับสันคลื่นทุ่นสันคลื่นเคลื่อนสิ่งใดเคลื่อนตามคลื่น?
ทุ่นขึ้นลงแทบอยู่กับที่ ขณะที่สันคลื่นเคลื่อนเข้าหาฝั่ง รูปคลื่นที่เคลื่อนตามผิวจึงเป็นคนละสิ่งกับการเคลื่อนที่เฉพาะที่ของน้ำ

คลื่นส่งต่อการรบกวน

ในคลื่นกล บริเวณข้างเคียงของตัวกลางส่งต่อการรบกวนกัน ในแบบจำลองอย่างง่าย แต่ละส่วนสั่นรอบตำแหน่งของตนขณะที่พลังงานแผ่ต่อไป อัตราเร็วคลื่น v อธิบายการเคลื่อนที่ของเฟส เช่น สันคลื่น ซึ่งต่างจากความเร็วของอนุภาค ทุ่นอาจหยุดชั่วขณะที่ตำแหน่งสูงสุด แต่สันคลื่นยังเคลื่อนต่อ คลื่นผิวน้ำจริงอาจทำให้น้ำเคลื่อนที่เพิ่มเติม แบบจำลองง่ายนี้แยกให้เห็นการส่งต่อหลักที่เกิดจากการสั่น

อัตราเร็วสองอย่างที่ต่างกันอนุภาคสั่นคลื่นเคลื่อนด้วยอัตราเร็ว vส่งพลังงาน ไม่ขนสสารโดยรวม
อนุภาคสั่นรอบตำแหน่งของตน ขณะที่การรบกวนและพลังงานแผ่ผ่านตัวกลาง อัตราเร็วคลื่นกับอัตราเร็วอนุภาคเป็นคนละปริมาณ

ระยะที่เคลื่อนในหนึ่งคาบ

ถ่ายภาพคลื่นที่เป็นคาบ ความยาวคลื่น λ คือระยะตามทิศการแผ่ระหว่างจุดที่ใกล้กันที่สุดและมีเฟสตรงกัน ในหนึ่งคาบ T สันคลื่นเคลื่อนไปยังตำแหน่งเดิมของสันถัดไป จึงเคลื่อนระยะ λ ตาม v=\lambda/T=\lambda\nu เมื่อ λ เป็นเมตร T เป็นวินาที และ ν เป็นเฮิรตซ์ จะได้ v เป็น m/s คาบคือการซ้ำตามเวลาที่จุดเดียว ส่วนความยาวคลื่นคือการซ้ำในอวกาศ ณ เวลาเดียว อย่าสับสนการวัดสองอย่างนี้

λทิศทางคลื่น
ความยาวคลื่น λ คือระยะระหว่างจุดที่อยู่ใกล้กันที่สุดและมีเฟสตรงกัน เช่น สันคลื่นที่ติดกัน คลื่นส่งผ่านการรบกวน ส่วนอนุภาคของตัวกลางสั่นรอบตำแหน่งของตนเอง

ความถี่สูงขึ้น ความยาวคลื่นสั้นลง

ให้แหล่งกำเนิดสั่นถี่ขึ้นสองเท่า โดยอัตราเร็วคลื่นเท่าเดิม สันคลื่นเกิดถี่ขึ้นแต่เคลื่อนด้วยอัตราเร็วเดิม ระยะห่างจึงลดลง โดย \lambda=v/\nu เหลือครึ่งหนึ่ง ข้อสรุปนี้ใช้เมื่อ v คงที่ ในตัวกลางที่มีการกระจาย อัตราเร็วเองขึ้นกับความถี่ จึงใช้กฎเดิมเพียงอย่างเดียวหาการเปลี่ยน λ ไม่ได้ ความสัมพันธ์ v=λν ยังใช้ได้ แต่ต้องระบุเงื่อนไขการเปรียบเทียบให้ครบ

λ = v / νλที่ความถี่ νλ / 2ที่ความถี่ 2νตัวกลางกำหนดอัตราเร็ว: ตรวจเงื่อนไข
ที่อัตราเร็วเดียวกัน การสั่นถี่ขึ้นทำให้ระยะระหว่างสันคลื่นลดลง ตัวกลางกำหนดอัตราเร็ว ต้องตรวจเงื่อนไขว่าอัตราเร็วคงที่ได้หรือไม่

แสงในรูปคลื่น

แสงส่งต่อการสั่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก และเดินทางได้โดยไม่ต้องมีตัวกลางวัตถุ ในสุญญากาศ c\approx3\cdot10^8\,\text{м/с} และ c=\lambda\nu ที่อัตราเร็วเดียวกัน ความถี่สูงกว่าหมายถึงความยาวคลื่นสั้นกว่า ในสสารต้องใช้อัตราเร็วแสงของสสารนั้น หากใช้ c จะได้ความยาวคลื่นในสุญญากาศ ความต่างนี้สำคัญเมื่อศึกษาการหักเหต่อไป

Eλc = λν
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ต้องมีตัวกลางวัตถุ ในสุญญากาศ อัตราเร็ว c เชื่อมความยาวคลื่นกับความถี่ตาม c = λν ภาพแสดงองค์ประกอบตามขวางหนึ่งองค์ประกอบของสนาม ไม่ใช่เส้นทางของโฟตอน

เฟสใช้เปรียบเทียบอะไร

สองจุดอาจมีคาบเท่ากันแต่ถึงจุดสูงสุดต่างเวลากัน ความต่างเฟส Δφ หน่วยเรเดียนอธิบายความเหลื่อมนี้ การเปลี่ยน 2π คือครบหนึ่งรอบ สถานะจึงตรงกันอีกครั้ง ส่วนการเลื่อน π ให้สถานะตรงข้าม เช่น สันกับท้องคลื่น สถานะยังตรงกันเมื่อเลื่อนเป็นศูนย์หรือจำนวนเต็มเท่าของ 2π เฟสเปรียบเทียบทั้งตำแหน่งและช่วงการเคลื่อนที่ภายในรอบการสั่น

ความต่างเฟสสันคลื่นตรงกันΔφ = 2πสันตรงข้ามท้องคลื่นΔφ = πหนึ่งรอบคือ 2π เรเดียนเฟสเปรียบเทียบสถานะการสั่น
เฟสบอกว่าการสั่นดำเนินถึงช่วงใดของรอบ หนึ่งรอบเต็มเท่ากับสองพายเรเดียน สันคลื่นที่ตรงกันต่างกันหนึ่งรอบเต็ม ส่วนสันกับท้องคลื่นต่างกันครึ่งรอบ

ผลต่างทางเดิน

คลื่นอาพันธ์สองขบวนมาถึงจุดหนึ่งตามทางที่ยาวต่างกัน ทางที่ยาวกว่าทำให้เฟสเดียวกันมาถึงช้ากว่า ระยะเพิ่มทุก λ เท่ากับหนึ่งรอบเต็ม ผลต่างทางเดิน d จึงทำให้เกิดความต่างเฟส \Delta\varphi=2\pi d/\lambda โดย d เป็นเมตรและ d/λ ไม่มีหน่วย เมื่อ d เพิ่มเป็นสองเท่า ความต่างเฟสเพิ่มเป็นสองเท่า ที่ d=λ สถานะกลับมีเฟสตรงกัน แม้ทางหนึ่งจะยาวกว่าจริง

λทิศทางคลื่น
คลื่นสองขบวนมีความยาวคลื่นและความถี่เท่ากัน แต่มีสันคลื่นที่ตำแหน่งต่างกัน การเลื่อนในอวกาศสอดคล้องกับความต่างเฟส ส่วนการแยกเส้นขึ้นลงทำไว้เพื่อเปรียบเทียบง่ายเท่านั้น

เงื่อนไขของความสัมพันธ์นี้

สมการนี้เปรียบเทียบคลื่นความถี่เดียวกันในตัวกลางเดียวกันและเริ่มด้วยเฟสตรงกัน เครื่องหมายขึ้นกับลำดับการลบทางเดิน ที่ d=λ/2 ความต่างเฟสมีขนาด π หากแหล่งกำเนิดมีความต่างเฟสเริ่มต้น ต้องบวกค่านั้นด้วยเครื่องหมายที่สอดคล้องกัน หากตัวกลางต่างกันต้องคำนึงถึงการสะสมเฟสที่ต่างกันด้วย ระยะทางเรขาคณิตเท่ากันจึงไม่ได้หมายความว่าสัญญาณที่มาถึงมีเฟสตรงกันเสมอ

เงื่อนไขการใช้เดียวกันความถี่เดียวกันตัวกลางตรงกันเฟสเริ่มต้นΔφ = 2π d / λเมื่อ d = λ/2 ได้ Δφ = πถ้าแหล่งกำเนิดต่างเฟสกันต้องรวมความต่างนั้นด้วย
ความสัมพันธ์ระหว่างผลต่างทางเดินกับความต่างเฟสใช้กับคลื่นความถี่เดียวกันในตัวกลางเดียวกันและเริ่มด้วยเฟสตรงกัน หากแหล่งกำเนิดต่างเฟสตั้งแต่ต้น ต้องบวกความต่างนั้นแยกต่างหาก

สัญญาณสะท้อน

เรดาร์ส่งพัลส์และวัดเวลา t จนรับสัญญาณสะท้อน หากเครื่องส่งและรับอยู่ใกล้กันและเป้านิ่งอยู่ห่าง S สัญญาณเดินทางประมาณ 2S จึงได้ S=ct/2 โดย S เป็นเมตรและ t เป็นวินาที อัตราเร็วในอากาศประมาณ c เมื่อเวลาหน่วงเป็นสองเท่า ระยะที่หาได้ก็เป็นสองเท่า การหารสองมาจากรูปเส้นทาง ไม่ใช่เพราะอัตราเร็วลดลงเมื่อสะท้อน

ขาไปขากลับd = cΔt / 2
เรดาร์วัดเวลาหน่วงของสัญญาณสะท้อน ในเวลานี้แสงเดินทางเป็นสองเท่าของระยะถึงเป้า จึงได้ d = cΔt/2

ใช้เหตุผลเดียวกันกับเสียงสะท้อน

สำหรับเสียงสะท้อน รูปเส้นทางเดียวกันให้ S=vt/2 แต่ v คืออัตราเร็วเสียงในตัวกลางนั้น การแทนด้วยอัตราเร็วแสงจะทำให้คำตอบต่างไปหลายลำดับขนาด หากเครื่องมือมีเวลาหน่วงที่ทราบค่า ต้องลบออกก่อนเพื่อให้เหลือเฉพาะเวลาเดินทาง หากเครื่องส่งกับรับอยู่ห่างกันหรือเป้ากำลังเคลื่อนที่ ต้องตรวจสอบเส้นทางก่อนหารครึ่งโดยตรง

S = v t / 2tสัญญาณเสียงสะท้อนเวลาที่วัดได้ทางไปกลับ: 2Sลบเวลาหน่วงเครื่องมือก่อน
สัญญาณสะท้อนเดินทางระยะถึงสิ่งกีดขวางสองครั้ง จึงหารเวลาที่วัดได้ด้วยสอง หากทราบเวลาหน่วงของเครื่องมือ ต้องลบออกก่อน

พิจารณาทีละขั้น

เสียงสะท้อนกลับมา 0.40 s หลังส่งเสียงสั้น ๆ อัตราเร็วเสียงเท่ากับ 340 m/s จงหาระยะถึงกำแพงที่อยู่นิ่ง

ค่าที่ทราบแหล่งกำเนิดกำแพงเสียงขาไปเสียงสะท้อนกลับt = 0,40 сv = 340 м/сระยะถึงกำแพง — ?
เสียงสั้นสะท้อนกลับมาหลังสี่ส่วนสิบวินาที อัตราเร็วเสียงเท่ากับสามร้อยสี่สิบเมตรต่อวินาที ต้องการหาระยะถึงกำแพงที่อยู่นิ่ง

ลองดูตัวอย่าง · 1

สัญญาณเดินทางไปยังกำแพงนิ่งแล้วกลับถึงผู้ฟังที่อยู่ใกล้แหล่งกำเนิด เวลา 0.40 s รวมทั้งขาไปและขากลับ

เส้นทางที่เสียงเดินทางSSเส้นทางรวม = 2Sเวลา 0.40 s รวมทั้งสองขาจึงต้องหารระยะทางรวมด้วยสอง
เวลาที่วัดรวมการเดินทางถึงกำแพงแล้วกลับมา เสียงจึงเดินทางเป็นสองเท่าของระยะถึงกำแพง

ลองดูตัวอย่าง · 2

ระยะทางรวม vt = 340 × 0,40 = 136 м

ระยะทางรวมv t = 340 · 0,40136 мนี่คือเส้นทางไปกลับ
คูณอัตราเร็วเสียงด้วยเวลาที่วัดได้ จะได้ระยะทางรวมหนึ่งร้อยสามสิบหกเมตร

ลองดูตัวอย่าง · 3

ระยะทางขาเดียว r = vt/2 = 136/2 = 68 м

ระยะถึงกำแพงS = 136 / 268 мหารระยะทางรวมด้วยสอง
ครึ่งหนึ่งของระยะทางรวมคือระยะถึงกำแพง เท่ากับหกสิบแปดเมตร

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ · 4

ตรวจสอบ: 68/340 = 0,20 с สำหรับขาเดียว จึงใช้เวลาไปกลับ 0.40 s การสะท้อนในตัวกลางเดิมไม่ได้ทำให้อัตราเร็วเหลือครึ่งหนึ่ง

ตรวจสอบt0,20 с0,20 сถึงกำแพงขากลับ68 / 340 = 0,20 с ต่อขารวมเป็น 0.40 s ตามที่วัด
เสียงใช้เวลาขาละสองส่วนสิบวินาที รวมไปกลับสี่ส่วนสิบวินาที ตรงกับที่วัดได้

ตรวจสอบผลลัพธ์

ระยะถึงกำแพง r = 68 м ในเวลา 0.40 s เสียงเดินทางรวม 136 m ตามเส้นทางไปกลับ

ใจความสำคัญ · 1

คลื่นส่งต่อการรบกวน การเคลื่อนที่ของสันคลื่นกับอนุภาคจึงมีความเร็วต่างกัน

ใจความสำคัญ · 2

v=λν เชื่อมการซ้ำในอวกาศกับเวลา ส่วนทางเดินที่เพิ่มขึ้นเปลี่ยนเฟส

ใจความสำคัญ · 3

เวลาของสัญญาณสะท้อนรวมเส้นทางทั้งหมด ในรูปแบบง่าย ระยะถึงเป้านิ่งเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะทางรวม

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

ต่อไปจะศึกษาการเปลี่ยนทิศของรังสีแสงที่รอยต่อระหว่างตัวกลาง

แนวคิดพื้นฐาน

2 แนวคิด

คลื่น

การแผ่ของการสั่นผ่านอวกาศ โดยส่งต่อพลังงานแต่ไม่มีการขนส่งสสารโดยรวม

อนุภาคของตัวกลางจะสั่นไปรอบๆ ตำแหน่งของมัน และรูปร่างของการรบกวนและพลังงานจะแพร่กระจายไปในระยะไกล

ความต่างเฟส

ปริมาณที่บอกความเหลื่อมระหว่างการสั่นสองชุด

เมื่อความต่างเฟสเป็นศูนย์ การสั่นเกิดสอดคล้องกัน เมื่อความต่างเฟสเป็น π การสั่นอยู่ในสถานะตรงข้ามกัน

ปริมาณทางฟิสิกส์

4 ปริมาณ

อัตราเร็วคลื่น

v

อัตราเร็วการแผ่ของเฟสคลื่น

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

อัตราเร็วแสงในสุญญากาศ

c

อัตราเร็วขีดจำกัดของการส่งอันตรกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

ความต่างเฟส

\Delta\varphi

ความเหลื่อมเฟสระหว่างการสั่นสองชุด

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

ผลต่างทางเดิน

d

ผลต่างของระยะทางที่คลื่นซึ่งนำมาเปรียบเทียบเดินทาง

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

สูตรบทเรียน

4 สูตร

อัตราเร็วคลื่นกล

v=\lambda\nu

อัตราเร็วคลื่นเท่ากับความยาวคลื่นคูณความถี่

อัตราเร็วคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

c=\lambda\nu

ในสุญญากาศ ความยาวคลื่นกับความถี่ของแสงเชื่อมโยงกันด้วยอัตราเร็วแสง

ความต่างเฟสกับผลต่างทางเดิน

\Delta\varphi=\frac{2\pi d}{\lambda}

ความต่างเฟสแปรผันตรงกับผลต่างทางเดินและแปรผกผันกับความยาวคลื่น

หาระยะทางจากเวลาหน่วงสัญญาณ

S=\frac{ct}{2}

ระยะทางเท่ากับครึ่งหนึ่งของเส้นทางสัญญาณไปและกลับ

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

คลื่นและการเคลื่อนที่ของตัวกลาง

λ = v/ν; y = A sin[2π(x/λ − νt)]

คลื่นตามขวางฮาร์มอนิกในตัวกลางสม่ำเสมอ ไม่มีการหน่วงหรือการกระจาย จุดที่ทำเครื่องหมายมี x = 2 m คงที่และเคลื่อนที่ในแนวขวางเท่านั้น

เมื่อ v = 4 m/s ถ้าเพิ่มความถี่จาก 1 เป็น 2 Hz ความยาวคลื่นจะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

0-0.622-0.314060.3180.62y, мx, м
y

ผลการคำนวณ

λ
4 м
T
1 с
y(2 м)
0 м
อธิบายผล

สันคลื่นเคลื่อนไปทางขวา แต่จุดของตัวกลางเคลื่อนขึ้นลง เมื่ออัตราเร็วคลื่นคงที่ การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าทำให้ระยะระหว่างสันคลื่นเหลือครึ่งหนึ่ง

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ