เกรด 8 · ปรากฏการณ์แสง
การเดินทางของแสง
รังสีแสง การเดินทางเป็นเส้นตรง เงามืด และเงามัว
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
ไฟฉายที่เสมือนแหล่งจุดให้เงาคม ส่วนแหล่งแสงใหญ่ให้ขอบเงาพร่า เส้นไม่กี่เส้นบนภาพจะช่วยทำนายได้หรือไม่ว่าบริเวณใดยังมีแสงถึง?
รังสีบอกทิศทาง
วางวัตถุทึบแสงระหว่างแหล่งเล็กกับฉาก รูปร่างเงาชี้ให้เห็นแบบจำลองง่าย ๆ ว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรงในตัวกลางโปร่งใสสม่ำเสมอ เส้นที่บอกทิศการเดินทางเรียกว่ารังสีแสง เป็นเส้นในภาพ ไม่ใช่ลวดบางที่มีตัวตน แบบจำลองนี้ใช้ได้เมื่อพฤติกรรมคลื่นไม่สำคัญ คำว่า ‘สม่ำเสมอ’ หมายถึงสมบัติตัวกลางไม่เปลี่ยนตามตำแหน่ง
ลำแสงมีความกว้าง
ไฟฉายปล่อยลำแสงที่มีความกว้างจำกัด แทนด้วยรังสีหลายเส้น ในลำแสงกระจาย รังสีห่างกันมากขึ้น ในลำแสงลู่เข้า รังสีเข้าใกล้กัน ส่วนลำแสงขนานในแบบจำลองอุดมคติมีระยะห่างแทบคงเดิม รังสีหนึ่งเส้นบอกทิศภายในลำแสง ไม่ใช่วัตถุที่เห็นแยกได้ หากจะเห็นลำแสงจากด้านข้าง ต้องมีแสงเข้าตา เช่น หลังจากกระเจิงโดยฝุ่นในอากาศ
เงามืด
เลือกจุดบนฉากแล้วนึกว่ามองจากจุดนั้นไปยังแหล่งกำเนิด หากวัตถุทึบแสงบังทางตรงทั้งหมดจากแหล่งนั้น จุดนี้อยู่ในเงามืดของแหล่งนั้น สร้างขอบเขตด้วยรังสีที่เฉียดขอบสิ่งกีดขวาง เงาไม่จำเป็นต้องดำสนิท เพราะแสงสะท้อนจากผนังหรือแหล่งอื่นอาจถึงได้ ภาพอย่างง่ายตัดเส้นทางเพิ่มเติมเหล่านี้ออกเพื่อแสดงสาเหตุทางเรขาคณิตของเงา
เหตุใดขอบเงาจึงพร่าได้
แหล่งใหญ่ปล่อยแสงจากหลายจุด สำหรับจุดหนึ่งบนฉาก วัตถุอาจบังแหล่งเพียงบางส่วน รังสีจากส่วนที่เหลือยังถึงได้ นี่คือเงามัว เมื่อเงื่อนไขอื่นเหมือนกัน ยิ่งบังแหล่งมาก จุดนั้นยิ่งรับแสงจากแหล่งนี้น้อยลง เมื่อลดขนาดแหล่งให้เกือบเป็นจุด เงามัวแคบลงและขอบคมขึ้น ความพร่าในที่นี้เกิดจากขนาดแหล่ง ไม่ใช่รังสีเลี้ยวอ้อมวัตถุ
สร้างขอบเขตเงามัว
ในหน้าตัดที่เลือก ให้ใช้จุดปลายสุดของแหล่งกำเนิด ลากเส้นตรงจากแต่ละจุดผ่านขอบวัตถุทึบแสงไปถึงฉาก ตรวจบริเวณระหว่างขอบเขต หากแหล่งถูกบังทั้งหมดเป็นเงามืด บังบางส่วนเป็นเงามัว เห็นทั้งหมดเป็นบริเวณสว่างเต็มที่ เมื่อฉากไกลขึ้นหรือขนาดแหล่งเปลี่ยน ทั้งความกว้างเงามัวและการมีเงามืดอาจเปลี่ยน จึงใช้ภาพสำเร็จรูปเพียงภาพเดียวแทนเรขาคณิตจริงไม่ได้
แสงมีอัตราเร็วจำกัด
เส้นทางตรงไม่ได้หมายความว่าเดินทางทันที ในสุญญากาศ c ≈ 3·10⁸ м/с ส่วนอัตราเร็วในตัวกลางโปร่งใสทั่วไปใช้ v และสำหรับแสงที่มองเห็นมีค่าน้อยกว่า c ในเวลาเท่ากัน ยิ่งอัตราเร็วมากยิ่งเดินทางไกล ในห้อง เวลาหน่วงน้อยมากจนรับรู้โดยตรงไม่ได้ แต่ระยะไกลมีผลสำคัญ ค่า c ใช้กับสุญญากาศ ไม่ใช่กับแก้วหรือน้ำโดยอัตโนมัติ
ขอบเขตของแบบจำลองรังสี
แบบจำลองรังสีอธิบายวัตถุใหญ่ได้ดีเมื่อขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นแสงมาก หากทำช่องแคบมาก การทำนายด้วยเส้นตรงอย่างเดียวอาจไม่ตรงกับสิ่งที่เห็น เพราะแสงแสดงสมบัติคลื่น นี่บอกขอบเขตการใช้ ไม่ได้ลบล้างการคำนวณเงาทั่วไปที่สำเร็จ ในบทนี้พิจารณาสิ่งกีดขวางใหญ่ และแยกเงามัวจากแหล่งที่มีขนาดออกจากผลของคลื่น
จุดใดมองเห็นแหล่งกำเนิด
จากจุดหนึ่งบนฉาก วัตถุบังแหล่งกำเนิดทั้งหมด จากอีกจุดเห็นแหล่งครึ่งหนึ่ง จุดใดอยู่ในเงามืดและจุดใดในเงามัว?
ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1
ที่จุดแรกแหล่งถูกบังทั้งหมด จึงไม่มีเส้นทางตรงจากแหล่งถึงจุดนี้ เป็นเงามืด แบบจำลองไม่คิดแสงกระเจิงเพิ่มเติม
ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2
ที่จุดที่สองเห็นแหล่งครึ่งหนึ่ง จึงมีทางตรงบางเส้นเปิดอยู่ เป็นเงามัว คำว่า ‘ครึ่งหนึ่ง’ ไม่ได้ทำให้เป็นเงามืด และยังไม่กำหนดค่าความส่องสว่างแน่นอนหากไม่มีข้อมูลความสว่างของแหล่ง
ตรวจสอบผลลัพธ์
จุดแรกอยู่ในเงามืด จุดที่สองอยู่ในเงามัว กรณีแรกแหล่งถูกบังทั้งหมด กรณีที่สองถูกบังเพียงบางส่วน
ใจความสำคัญ · 1
รังสีเป็นแบบจำลองทิศทาง ใช้อธิบายการเดินทางเป็นเส้นตรงในตัวกลางสม่ำเสมอภายใต้การประมาณเชิงเรขาคณิต
ใจความสำคัญ · 2
เงามืดกับเงามัวต่างกันตรงที่จากจุดนั้นมองเห็นแหล่งที่เลือกมากน้อยเพียงใด
ใจความสำคัญ · 3
ลำแสงจริงมีความกว้าง และแสงใช้เวลาที่ไม่เป็นศูนย์ในการเดินทาง
บทเรียนถัดไป
เมื่อรังสีพบพื้นผิวอาจสะท้อนได้ ต่อไปจะสร้างรังสีสะท้อนและภาพในกระจก
แนวคิดพื้นฐาน
การแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง
ในตัวกลางโปร่งใสที่เป็นเนื้อเดียวกัน แสงเดินทางเป็นเส้นตรงที่เรียกว่ารังสีแสง
ความตรงของรังสีที่อธิบายการก่อตัวของเงาและช่วยให้เราสร้างขอบเขตของพื้นที่ที่มีแสงสว่างได้
เงามืดและเงามัว
เงามืดเป็นบริเวณที่แสงจากแหล่งไม่ถึง ส่วนเงามัวรับแสงจากแหล่งที่มีขนาดเพียงบางส่วน
ขนาดแหล่งกำเนิดและตำแหน่งสัมพันธ์ของวัตถุกับฉากกำหนดขอบเขตเงามืดและเงามัวรอบมัน
ลำแสง
ลำแสงเป็นกลุ่มของรังสีและสามารถมาบรรจบกัน แยกออก หรือขนานกันได้
รังสีเป็นแบบจำลองเรขาคณิตของทิศทางที่แสงเดินทาง ส่วนลำแสงจริงมีความกว้างจำกัดเสมอ
ปริมาณทางฟิสิกส์
อัตราเร็วแสง
vอัตราเร็วที่แสงเดินทางในตัวกลางที่เลือก ในสุญญากาศใช้สัญลักษณ์ c
หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ