More Related Content
Similar to CH8 คลื่นและคลื่นเสียง.pdf (8)
CH8 คลื่นและคลื่นเสียง.pdf
- 1. 10/12/55
1
เอกสารประกอบการสอน
407-11-15 หลักฟิสิกส์ (Principles of Physics)
กลุ่มเรียน CSS15541N
ปีการศึกษา 2/2555
บทที่ 8
คลื่นและคลื่นเสียง
อาจารย์ผู้สอน: ดร. พนิดา หล่อวงศ์ตระกูล
ติดต่อทาง email: dang_phy@hotmail.com
ห้องทํางาน: อาคาร 17 ชั้น 3
โทร: 081-645-3095
เอกสารอ้างอิง
• R.A.Serway,Jewett, Physics for scientist and engineers, 6th
Ed., Brook/Cole, Singapore, 2004.
• เว็ปไซต์ต่างๆ เช่น
http://www.rmutphysics.com/
http://kruweerajit1.blogspot.com/
http://thegeniusphysics.blogspot.com/
http://science.sut.ac.th/physics/
- 2. 10/12/55
2
ชนิดของคลื่น
เราแบ่งคลื่นออกเป็น 2 ชนิด ตามลักษณะการเคลื่อนที่ของ
อนภาคตัวกลางขณะคลื่นเคลื่อนที่ผ่าน
อนุภาคตวกลางขณ คลนเคลอนทผาน
1.คลื่นตามยาว
2.คลื่นตามขวาง
่
หรือพิจารณาลักษณะของการทําให้เกิดคลื่น แบ่งได้ 2 ลักษณะ
1.คลื่นดล เกิดจากการสั่นของแหล่งกําเนิดในช่วงเวลาสั้นๆ
2.คลื่นต่อเนื่อง แหล่งกําเนิดมีการสั่นอย่างต่อเนื่อง
http://etorgerson.wordpress.com/2011/04/12/mechanical‐waves‐day‐2/
ชนิดของคลื่น
1. คลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) คือ คลื่นที่ทําให้อนุภาคของ
ั สั่ ใ ิ ี ั ั ิ ื่ ื่ ่ ื่
ตวกลางสนในทศทางเดยวกนกบทศทางการเคลอนของคลน เชน คลน
เสียง, คลื่นในสปริง เป็นต้น
- 3. 10/12/55
3
ชนิดของคลื่น
2. คลื่นตามขวาง (Transverse Wave) คือ คลื่นที่ทําให้อนุภาคของ
ตัวกลางสั่นในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนของคลื่น เช่น คลื่น
นํ้า, คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น เป็นต้น
ส่วนประกอบคลื่น
ความยาวคลื่น (): ความยาวของคลื่น 1 คลื่น เป็นระยะทางที่วัดระหว่างจุดสองจุดที่สั้น
ที่สุดบนคลื่นที่เฟสตรงกัน ในระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตร (m)
อัมปลิจูด(A): การกระจัดสูงสุดของการสั่นของอนุภาคจากระดับปกติ ในระบบ SI มีหน่วย
เป็นเมตร (m)
มุมเฟส (): มุมที่ใช้กําหนดตําแหน่งบนคลื่นขณะที่เคลื่อนที่ ในระบบ SI มีหน่วยเป็น
เรเดียน (Radian ; rad)
- 4. 10/12/55
4
ส่วนประกอบคลื่น
ความถี่ (f ): จํานวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา ในระบบ SI มีหน่วย
เป็น วินาที-1(s-1) หรือ เฮิร์ทซ์ (Hz)
คาบการเคลื่อนที่ (T): เวลาที่คลื่น 1 คลื่น เคลื่อนที่ผ่านจุดใด ๆ ในระบบ SI มีหน่วย
เป็นวินาที (s)
อัตราเร็วของคลื่น (v) ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลาและเนื่องจาก
ขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ไปด้วย อัตราเร็วค่าหนึ่ง เฟสของคลื่นก็เคลื่อนที่ไปด้วยอัตราเร็ว
เท่ากัน ดังนั้นในบางครั้งจึงเรียกว่า อัตราเร็วเฟส ( Phase Speed) ของคลื่น ใน
ระบบ SI มีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที (ms-1)
ความสัมพันธ์ระหว่าง ความถี่ (f), คาบ(T),
ความยาวคลื่น (), อัตราเร็วเร็ว (v)
• ความสัมพันธ์ของคาบ (T) และความถี่คลื่น (f)
ความสมพนธของคาบ (T) และความถคลน (f)
• ความสัมพันธ์ของความถี่ (f) ความยาวคลื่น () และ อัตราเร็วเร็ว (v)
f
1
T
• ความสมพนธของความถ (f), ความยาวคลน () และ อตราเรวเรว (v)
f
v
- 5. 10/12/55
5
ต.ย. คลื่นต่อเนื่องขบวนหนึ่งมีความถี่ 90 Hz ขณะเวลาหนึ่งมีลักษณะดังรูป ถ้าแกน
x และแกน y แทนระยะทางในหน่วยเซนติเมตร จงหาอัมปลิจูด ความยาวคลื่น คาบ
อัตราเร็วคลื่น ตามลําดับ
เฟสของคลื่น
เฟสของคลื่นเป็นการบอกตําแหน่งต่างๆ บนคลื่น โดยบอกเป็นมุมในหน่วย
องศาหรือเรเดียน
โดยตําแหน่งของคลื่นที่เคลื่อนที่ครบ 1 รอบ สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่เป็น
วงกลมครบ 1 รอบเช่นกัน
- 6. 10/12/55
6
สมบัติของคลื่น
แบ่งสมบัติของคลื่นกล เป็น 4 ประการ ได้แก่
• การสะท้อน
• การหักเห
• การเลี้ยวเบน
• การแทรกสอด
สมบัติของคลื่น
การสะท้อน เกิดจากการที่คลื่นเคลื่อนที่กระทบตัวกลางใหม่แล้วมีการ
เคลื่อนที่กลับมายังตัวกลางเดิม
กฎการสะท้อน รังสีตกกระทบ เส้นปกติ รังสีสะท้อน ต้องอยู่ในระนาบ
เดียวกัน โดย มุมตกกระทบ (i) = มุมสะท้อน (r)
- 7. 10/12/55
7
สมบัติของคลื่น
การหักเหของคลื่น เกิดเมื่อคลื่นมีการเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปยังตัวกลางใหม่
โดยทําให้ ความเร็ว ความยาวคลื่น และทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป
จาก ดิม ต่ความถี่ยังคง ท่า ดิม
จากเดม แตความถยงคงเทาเดม
คลื่นเดินทางจากตัวกลางโปร่งไปยังตัวกลางที่ทึบกว่า คลื่นเดินทางจากตัวกลางทึบไปยังตัวกลางที่โปร่งกว่า
การหักเหของคลื่นเป็นไปตาม “กฎของสเนลล์”
พิจารณาคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่ 1
สมบัติของคลื่น
ไปตัวกลางที่ 2 จะได้ความสัมพันธ์ตาม
กฎของสเนลล์ ดังนี้
1
2
2
1
2
1
2
1
n
n
v
v
sin
sin
โดย ดัชนีหักเหของตัวกลางใดๆ (n) คือ
อัตราส่วนระหว่างความเร็วของแสงในสุญญากาศ (c)
ต่อความเร็วของแสงในตัวกลางใดๆ (v)
v
c
n (โดย c = 3 x 108 m/s)
- 8. 10/12/55
8
สมบัติของคลื่น
มุมวิกฤติ (c) : มุมตกกระทบที่ทําให้เกิดมุมหักเหมีค่าเป็น 90 องศา
่
นั่นคือ
จะได้
1
2
2
1
2
1
o
c
n
n
v
v
90
sin
sin
1
1
2
1
2
1
1
2
1
1
c
n
n
sin
v
v
sin
sin
ต.ย. คลื่นผิวน้ํามีความถี่ 12 Hz เคลื่อนที่จากบริเวณน้ําลึกสู่บริเวณน้ําตื้น ด้วยความเร็ว 0.18
m/s โดยหน้าคลื่นตกกระทบทํามุม 45 องศา กับเส้นรอยต่อน้ําลึกกับน้ําตื้น
ก. เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านเส้นรอยต่อน้ําลึกกับน้ําตื้น มุมหักเหเป็นเท่าใด กําหนดความยาวคลื่นในน้ํา
ตื้นเท่ากับ 1 ซ.ม.
ข. ความถี่ของคลื่นในน้ําตื้นเท่ากับที่เฮิรตซ์
- 10. 10/12/55
10
สมบัติของคลื่น
การเลี้ยวเบนของคลื่น (diffraction) เกิดเมื่อคลื่นจากแหล่งกําเนิดเดินทางไปพบสิ่งกีดขวางที่มี
ลักษณะเป็นขอบหรือช่อง คลื่นส่วนที่กระทบสิ่งกีดขวางจะสะท้อนกลับมา คลื่นบางส่วนที่ผ่านไปได้ที่
ขอบหรือช่องเปิด จะสามารถแผ่จากขอบของสิ่งกีดขวางเข้าไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น คล้ายกับ
คลื่นเคลื่อนที่อ้อมผ่านสิ่งกีดขวาง
คุณสมบัติของคลื่น เช่นความยาวคลื่น ความถี่ และความเร็วยังคงมีขนาดเท่าเดิม
http://kruweerajit1.blogspot.com/p/tre.html
หลักของฮอยเกนส์ : ทุกๆจุดบนหน้าคลื่นถือเป็นต้นกําเนิดคลื่นใหม่ได้
คลื่นเสียง
ธรรมชาติของเสียง
พลังงานเสียงจากต้นกําเนิดเสียง เมื่อแผ่มาถึงผู้ฟังโดยอาศัยการถ่ายโอนพลังงานการสั่น
ู
จากตัวกําเนิดเสียงผ่านอากาศมายังหูผู้ฟังแต่ถ้าไม่มีอากาศเป็นตัวกลางรับถ่ายโอน
พลังงาน เราจะ ไม่ได้ยินเสียงเลย แสดงว่า เสียงจากแหล่งกําเนิดเสียงต้องอาศัย
ตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงาน การสั่นของแหล่งกําเนิดเสียงนั้นไปยังที่ต่าง ๆ
สุนัขจิ้งจอกหูค้างคาว (Bat-eared fox) มีหูที่มีความไวต่อเสียงเพียง
เล็กน้อยได้
- 11. 10/12/55
11
คลื่นเสียง
ลักษณะการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอากาศจะอยู่ในรูปของคลื่นตามยาว
ลักษณะของคลื่นเสียง ประกอบด้วย 2 ส่วนคือ ส่วนอัด และส่วนขยาย
อัด ขยาย
http://www.mediacollege.com/audio/01/sound‐waves.html
http://thegeniusphysics.blogspot.com/p/3.html
การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลาง
การเคลื่อนที่ของเสียงผ่านตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง ความถี่จะมีค่าคงที่ โดยความเร็วของ
คลื่นเสียงจะขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางและอุณหภูมิ
ตารางแสดงอัตราเร็วเสียงในตัวกลางต่างๆ ที่อุณหภูมิต่างๆ
ๆ ุ ู ๆ
อัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิใดๆ
เป็นไปตามความสัมพันธ์ ดังนี้
v อัตราเร็วเสียงในอากาศที่อณหภมิ t ใดๆ
t
6
.
0
331
vt
vt อตราเรวเสยงในอากาศทอุณหภูม t ใดๆ
(m/s)
t อุณหภูมิของอากาศ (องศาเซลเซียส, oC)
- 12. 10/12/55
12
ต.ย. คนงานซ่อมรางรถไฟเคาะรางรถไฟ ปรากฏว่าผู้ที่อยู่ห่างออกไประยะหนึ่ง ได้
ยินเสียงเมื่อเวลาผ่านไป 2 วินาที ถ้าผู้ฟังแนบหูกับทางรถไฟ เขาจะได้ยินเสียง
ก่อนหรือหลังกว่านี้เท่าใด และเขายืนห่างจากคนงานรถไฟเป็นระยะทางเท่าใด
กําหนดให้ อุณหภูมิขณะนั้นเท่ากับ 15 oC และอัตราเร็วของเสียงในเหล็ก 5130
m/s
สมบัติของเสียง
การสะท้อนของเสียง เป็นสมบัติที่สําคัญขอเสียง เมื่อเสียงเคลื่อนที่กระทบ
ิ่ ี ิ ้ ั ํ ใ ้ไ ้ ิ ี ี ั้ ึ่
สิงกีดขวางจะเกิดการสะท้อนกลับมา ทําให้ได้ยินเสียงอีกครังหนึง
ปกติเสียงที่ผ่านไปยังสมองจะติดประสาทหูประมาณ 1/10 วินาที ดังนั้น
เสียงที่สะท้อนกลับมาสู่หูช้ากว่าเสียงที่ตะโกนออกไปเกิน 1/10 วินาที
หจะสามารถแยกเสียงตะโกนและเสียงสะท้อนกลับมาได้ เรียกว่า “การ
หูจะสามารถแยกเสยงตะโกนและเสยงสะทอนกลบมาได เรยกวา การ
เกิด echo”
- 13. 10/12/55
13
ต.ย. เรื้อลําหนึ่งจอดอยู่ในหมู่เกาะที่มีหน้าผาสูง เมื่อเปิดหวูดคน
ในเรื่อได้ยินเสียงภายหลังเปิดหวูด 1 นาที ถามว่าเรื่อห่างจากหน้า
ผากี่เมตร (ถ้าอัตราเร็วเสียงเท่ากับ 335 m/s)
สมบัติของเสียง
การหักเหของเสียง เมื่อคลื่นเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง
หนึ่งจะเกิดการหักเห เช่นปรากฏการณ์การเห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้า
้ ้ ่ ้ ่
ร้อง ทั้งนี้เนื่องจากชั้นบรรยากาศมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน อัตราเร็วของเสียงในที่
สูงๆ (อุณหภูมิต่ํา) จะมีอัตราเร็วที่น้อยกว่าบริเวณใกล้ผิวโลก (อุณหภูมิสูง)
ทําให้เกิดการหักเหของเสียงฟ้าร้องขึ้นไปในอากาศตอนบน ถ้าเสียงเกิดการ
หักเหกลับขึ้นไปหมด จึงทําให้ เราเห็นฟ้าแลบแต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้องนั่นเอง
การเลี้ยวเบนของเสียง เสียงอาจเกิดการเลี้ยวเบนหากตกกระทบช่องหรือสิ่งกีด
ขวางบางส่วน เช่น การได้ยินเสียงที่มุมตึก
- 15. 10/12/55
15
ต.ย. เครื่องยนต์เครื่องหนึ่งมีกําลังเสียง 100 วัตต์
ความเข้มเสียงที่ระยะห่าง 10 เมตรมีค่าเป็นเท่าใด
การได้ยิน
ระดับความเข้มเสียง (L): การบอกความดังของเสียงนิยมบอกในรูปของ
ระดับความเข้มเสียง ในหน่วย เดซิเบล (dB)
ระดบความเขมเสยง ในหนวย เดซเบล (dB)
ระดับความเข้มเสียงค่อยสุดที่มนุษย์สามารถได้ยิน คือ 0 dB
ระดับความเข้มเสียงมากสุดที่มนุษย์สามารถทนฟังได้และเป็นอันตราย คือ 120 dB
ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มเสียง (I) และระดับความเข้มเสียง (L)
o
I
I
log
10
L
Io ความเข้มเสียงต่ําสุดที่มนุษย์สามารถได้ยิน = 10-12 W/m2
- 17. 10/12/55
17
ระดับเสียง
เสียงอาจจะแบ่งระดับเสียงตามความถี่
่ ่
เสียงที่มีความถี่น้อย ---> เสียงทุ้ม
เสียงที่มีความถี่สูง ---> เสียงแหลม
การแบ่งระดับเสียงดนตรีทางวิทยาศาสตร์
คุณภาพเสียง
ลักษณะของคลื่นเสียงที่แตกต่างกันสําหรับแต่ละแหล่งกําเนิดที่ต่างกันซึ่งจะ
ให้เสียงที่มีลักษณะเฉพาะตัวที่ต่างกัน มีความถี่มูลฐานและฮาร์มอนิกต่าง ๆ ออกมา
พร้อมกันเสมอ แต่จํานวนฮาร์มอนิกและความเข้มเสียงจะแตกต่างกันไป คณภาพ
พรอมกนเสมอ แตจานวนฮารมอนกและความเขมเสยงจะแตกตางกนไป คุณภาพ
เสียง ช่วยให้เราสามารถแยกประเภทของแหล่งกําเนิดเสียงได้
- 19. 10/12/55
19
ปรากฏการณ์ของเสียง
ปรากฏการณ์บีตส์ (Beat)
• เป็นปรากฏการณ์จากการแทรกสอดของคลื่นเสียง 2 ขบวนที่มี
ฏ
ความถี่ต่างกันเล็กน้อยและเคลื่อนที่อยู่ในแนวเดียวกันเกิดการรวม
คลื่นเป็นคลื่นเดียวกัน ทําให้แอมพลิจูดเปลี่ยนไป เป็นผลทําให้เกิด
เสียงดังค่อยสลับกันไปด้วยความถี่ค่าหนึ่ง
• ความถี่ของบีตส์ หมายถึงเสียงดังเสียงค่อยที่เกิดขึ้นสลับกันในหนึ่ง
่ ช่ ี่ ี ส์ ่ ั 10 ่ ิ ี
หนวยเวลา เชน ความถของบตสเทากบ 10 รอบตอวนาท
หมายความว่าใน 1 วินาทีเสียงดัง 10 ครั้งและเสียงค่อย 10 ครั้ง
ความถี่บีตส์ (fB) = f = f1 – f2
ปรากฏการณ์บีตส์ (Beat)
คลื่นขบวนที่ 1
f1= 296 Hz
คลื่นขบวนที่ 2
f1= 310 Hz
ื่
ผลรวมของคลืน
2 ขบวน
ความถี่บีตส์ (fB) = f = f1 – f2 = 296– 310= 4 Hz
- 20. 10/12/55
20
การกําทอน (Resonance)
เป็นปรากฏการณ์ที่มีแรงไปกระทําให้วัตถุสั่นหรือแกว่ง โดยความถี่ของแรง
กระทํา(ความถี่กระตุ้น)ไปเท่ากับความถี่ธรรมชาติของวัตถุ จะทําให้วัตถุ
้ ่ ่ ่ ้ ่
นั้นสั่นด้วยแอมปลิจูดที่มากที่สุด เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การสั่นพ้อง หรือ
การกําทอน (resonance)
วีดิโอคลิป - สะพานทาโคมาแนโรว์
ในอเมริกา พังทลายลงเนื่องจากลม
่
ทีพัดมากระทบกับสะพาน มี
ความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของ
การสั่นของสะพาน จึงทําให้สะพาน
แกว่งแรงขึ้น จนพังในที่สุด
http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/88/wave.html
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (The Doppler Effect)
เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการรับคลื่นของผู้ฟังหรือผู้สังเกต อัน
เนื่องมาจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันของแหล่งกําเนิดคลื่นหรือการ
่ ่
เคลื่อนที่ของผู้ฟัง “ความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างผู้ฟังกับแหล่งกําเนิดไม่
เท่ากับศูนย์”
ลักษณะของคลื่นเสียงเมื่อแหล่งกําเนิดหยุดนิ่ง ลักษณะของคลื่นเสียงเมื่อแหล่งกําเนิดเคลื่อนที่
- 21. 10/12/55
21
ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (The Doppler Effect)
ความยาวคลื่นมาก
ความถี่ต่ํา
ความยาวคลื่นน้อย
ความถี่สูง
คลื่นกระแทก (Shock wave)
เกิดขึ้นเมื่อแหล่งกําเนิดคลื่นเคลื่อนที่เร็วกว่าอัตราเร็วคลื่นในตัวกลางนั้น
เช่น คลื่นกระแทกของคลื่นที่ผิวน้ําขณะที่เรือกําลังวิ่ง
หรือคลื่นเสียงก็เกิดขึ้นเมื่อเครื่องบินบินเร็วกว่าอัตราเร็วของเสียง
ในอากาศ
โดยแนวหน้าคลื่นที่ถูกอัดมีลักษณะเป็นรูปตัว V (V-shape)
เครื่องบิน F-18 บินทะลุกําแพงเสียง ( A Sonic Boom )