บทที่ 4

 บทที่ 4  พลังงานนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์ 

พลังงานนิวเคลียร์เป็นพลังงานที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และมนุษย์สามารถสร้างหรือผลิตขึ้นมาเองได้ พลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ได้แก่ ปฏิกิริยาฟิวชัน ซึ่งเกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ ส่วนพลังงานนิวเคลียร์ที่มนุษย์สามารถผลิตขึ้นมา ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู เครื่องเร่งอนุภาค สารไอโซโทป และระเบิดปรมาณู พลังงานนิวเคลียร์สามารถ ปลดปล่อยออกมาในรูปของอนุภาคและรังสี เช่น รังสีแกมมา อนุภาคเบตา อนุภาคแอลฟา และอนุภาคนิวตรอน พร้อมกับปล่อยพลังงานอื่น ๆ ออกมาด้วย เช่น พลังงานความร้อน พลังงานแสง พลังงานรังสี พลังงานกล และพลังงานอื่น ๆ 

ชนิดของพลังงานนิวเคลียร์ 
พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจากแร่กัมมันตภาพรังสี จะปล่อยออกมาเมื่อมีการแยกหรือการรวม หรือเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสภายในอะตอม ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ แบ่งได้เป็น 4 ชนิด คือ

1.ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission) เป็นพลังงานที่เกิดจากการแตกตัว หรือแยกตัวของธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม พลูโตเนียม เมื่อถูกชนด้วยอนุภาคนิวตรอน เช่น ระเบิดปรมาณู

2.ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion) เป็นพลังงานที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุเบา เช่น การรวมตัวของธาตุ H กับ He บนดวงอาทิตย์

3.ปฏิกิริยาที่เกิดจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี (Redioactivity) ได้แก่ ยูเรเนียม เรเดียม พลูโตเนียม ฯลฯ ธาตุเหล่านี้จะปลดปล่อยรังสีและอนุภาคต่าง ๆ ออกมา เช่น อนุภาคแอลฟา อนุภา8

เบตา รังสีแกมมา และอนุภาคนิวตรอน

4. ปฏิกิริยาที่ได้จากเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุ (Particale Accelerrator) เช่น โปรตอนอิเล็กตรอน ดิวทีเรียม และอัลฟา

รูปแบบของพลังงานนิวเคลียร์ 

สามารถถูกจัดแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ตามลักษณะวิธีการปลดปล่อยพลังงานออกมา คือ

พลังงานนิวเคลียร์ที่ถูกปลดปล่อยออกมาในลักษณะเฉียบพลัน เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ควบคุมไม่ได้ (Uncontrolled nuclear reactions) พลังงานของปฏิกิริยาจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว เป็นเหตุให้เกิดการระเบิด (Nuclear explosion) สิ่งประดิษฐ์ที่ใช้หลักการเช่นนี้ ได้แก่ ระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) หรือระเบิดไฮโดรเจน และหัวรบนิวเคลียร์แบบต่าง ๆ (ของอเมริกาเรียกว่าจรวด Pershing, ของรัสเซียเรียกว่า จรวด SS-20) 

พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งควบคุมได้ ในปัจจุบันปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งควบคุมได้ตลอดเวลา (Controlled nuclear reaction) ซึ่งมนุษย์ได้นำเอาหลักการมาพัฒนาขึ้นจนถึงขั้นที่นำมาใช้ประโยชน์ในระดับขั้นการค้าหรือบริการสาธารณูปโภคได้แล้ว มีอยู่แบบเดียว คือ ปฏิกิริยาฟิชชันห่วงโซ่ของไอโซโทปยูเรเนียม -235 และของไอโซโทปที่แตกตัวได้ (Fissile isotopes) อื่น ๆ อีก 2 ชนิด (ยูเรเนียม -233 และพลูโตเนียม -239) สิ่งประดิษฐ์ซึ่งทำงานโดยหลักการของปฏิกิริยาฟิชชันห่วงโซ่ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ซึ่งมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู (Nuclear reactors) 

พลังงานนิวเคลียร์จากสารกัมมันตรังสี สารกัมมันตรังสีหรือสารรังสี (Radioactive material) คือสารที่องค์ประกอบส่วนหนึ่งมีลักษณะเป็นไอโซโทปที่มีโครงสร้างปรมาณูไม่คงตัว (Unstable isotipe) และจะสลายตัวโดยการปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของรังสีแอลฟา รังสีบีตา รังสีแกมมา หรือรังสีเอกซ์รูปใดรูปหนึ่ง หรือมากกว่าหนึ่งรูปพร้อม ๆ กัน ไอโซโทปที่มีคุณสมบัติดังกล่าวนี้เรียกว่า ไอโซโทปกัมมันตรังสี หรือไอโซโทปรังสี (Radioisotope)

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ 
คือ โรงไฟฟ้าพลังความร้อนชนิดหนึ่งใช้ความร้อนทำให้น้ำเดือดกลายเป็นไอน้ำไปหมุนกังหัน เพื่อหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำการผลิตไฟฟ้า ความแตกต่างอยู่ที่แหล่งกำเนิดความร้อนซึ่งได้มาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์แทนที่จะเป็นการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง น้ำมัน ถ่านหิน หรือก๊าซธรรมชาติ 

เชื้อเพลิง 
ใช้แร่ยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงแต่ต้องผ่านกระบวนการแปลงสภาพ ให้เป็นเม็ดรูปทรงกระบอกขนาดกว้าง และสูง 1x1 เซนติเมตร บรรจุเรียงกันไว้ในแท่งแล้วมัดรวมกันไว้เป็นมัด ๆ เสียก่อน จากนั้นจึงจะนำไปใช้งานได้โดยใส่ไว้ภาชนะที่เรียกว่า เตาปฏิกรณ์เพื่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์และความร้อน การใส่เชื้อเพลิงอาจจะกระทำเป็นรายวันหรือปีละครั้งซึ่งขึ้นอยู่กับประเภทของโรงไฟฟ้า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดใหญ่ใช้แร่ยูเรเนียมดิบประมาณปีละ 200 ตัน (แปลงสภาพแล้วเหลือเพียง 30 ตัน) ภูมิภาคที่มีแร่ยูเรเนียมเป็นจำนวนมาก ได้แก่ อเมริกาเหนือ อัฟริกา ออสเตรเลีย และยุโรป สำหรับในเอเชียก็มีรวมทั้งโลกมีแร่ยูเรเนียมประมาณ 14 ล้านตัน ซึ่งมีมากพอที่จะใช้อีกเป็นร้อย ๆ ปี 
ผลกระทบสิ่งแวดล้อม 
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อย 

• ไม่มีเสียงดังเลย
• ไม่มีเขม่า ควัน หรือก๊าซต่าง ๆ ที่จะทำให้อากาศเสีย เนื่องจากไม่มีการเผาไหม้
• ไม่มีก๊าซที่จะทำให้เกิดฝนกรดและภาวะเรือนกระจก
• น้ำที่ปล่อยออกมาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ไม่มีรังสี และมีสภาพเหมือนกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทั่ว ๆ ไป
• มีแผนและมีมาตรการป้องกันผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นตลอดเวลา

หาความรู้เพิ่มเติมที่

บทที่ 3

บทที่ 3 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

3.1 ลักษณะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
    เป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้า (E) และสนามแม่เหล็ก(B) มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ จึงสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้

กฎมือขวา  ให้นิ้วชี้ไปตามแกนสนามไฟฟ้า กำนิ้วที่เหลือลงมาทางสนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือจะแสดงการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

    - การเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก

    - การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า

3.2. สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สิ่งที่ควรรู้

    1. ถ้าเรียงลำดับสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากความยาวคลื่นจากมากไปน้อย จะได้ วิทยุ ไมโครเวฟ อินฟาเรด แสง อัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมม่า

    2. ความเร็ซในการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ มีค่าเท่ากับ 3x10 กำลัง 8เมตร/วินาที

    3. ความสัมพันธ์ระหว่าง ความยาวคลื่น ความถี่ และความเร็ว เป็นดังนี้

C = ความเร็วของคลื่นแสง มีค่า = 3 x 10 ⁸ m/s หรือ เขียนหน่วยเป็น ms^-1

    ^{4. แสง มีความยาวคลื่น 400 nm - 700 nm เรียงจากความยาวคลื่นจากน้อยไปมาก คือ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง}

1. คลื่นวิทยุ  มีความถี่ช่วง 10⁴ - 10⁹ Hz( เฮิรตซ์ ) ใช้ในการสื่อสาร คลื่นวิทยุมีการส่งสัญญาณ 2 ระบบคือ

1.1 ระบบเอเอ็ม มีช่วงความถี่ 530 - 1600 kHz( กิโลเฮิรตซ์ ) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุเรียกว่า "คลื่นพาหะ" โดยแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง  

ในการส่งคลื่นระบบ A.M. สามารถส่งคลื่นได้ทั้งคลื่นดินเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงขนานกับผิวโลกและคลื่นฟ้าโดยคลื่นจะไปสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา จึงไม่ต้องใช้สายอากาศตั้งสูงรับ

1.2 ระบบเอฟเอ็ม มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้ากับคลื่นพาหะ โดยความถี่ของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง 

ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่างเดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถ่ายทอดและเครื่องรับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ 

2. คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟมีความถี่ช่วง 10⁸ - 10¹² Hz มีประโยชน์ในการสื่อสาร แต่จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ในการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะ ๆ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้นสัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ดาวเทียมนำสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ

เนื่องจากไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำไปใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน เรียกอุปกรณ์ดังกล่าวว่า เรดาร์ โดยส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำให้ทราบระยะห่างระหว่างอากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้ 

3. รังสีอินฟาเรด รังสีอินฟาเรดมีช่วงความถี่ 10¹¹ - 10¹⁴ Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10^-3 - 10^{-6 เมตร ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟาเรดสามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้ และใช้เป็นการควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลกับเครื่องรับโทรทัศน์ได้} 

4. แสง แสงมีช่วงความถี่ 10¹⁴Hz หรือความยาวคลื่น 4x10^-7 - 7x10^{-7 เมตร เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับได้}


5. รังสีอัลตราไวโอเลต  หรือ รังสีเหนือม่วง มีความถี่ช่วง 10¹⁵ - 10¹⁸ Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลต สามารถทำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน 

6. รังสีเอกซ์ รังสีเอกซ์ มีความถี่ช่วง 10¹⁶ - 10²² Hz มีความยาวคลื่นระหว่าง 10^-8 - 10^{-13 เมตร ซึ่งสามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์คือ การเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก}

7. รังสีแกมมา ามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และสามารถกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ มีอำนาจทะลุทะลวงสูง

บทที่ 2

บทที่ 2 คลื่นเสียง

2.1 การเกิดเสียงและการเคลื่อนที่ของเสียง
    -  เสียงเป็นคลื่นกล เพราะมีสมบัติการสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยงเบน
    -  เสียงเป็นคลื่นกลตามยาว เพราะต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่  ตัวกลางสั่นขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น
    -  โมเลกุลของอากาศในบริเวณที่เป็นส่วนอัดจะมีมากกว่าเดิม ทำให้ความดันของอากาศบริเวณส่วนอัดมีค่าเพิ่มขึ้น
    -  โมเลกุลของอากาศในบริเวณที่เป็นส่วนขยายจะมีมากกว่าเดิม ทำให้ความดันของอากาศบริเวณส่วนอัดมีค่าลดลง

2.2 ความถี่ อัตราเร็ว และความยาวคลื่น

2.2.1. ความถี่ของเสียง ใช้บอกระดับเสียง ความถี่สูงจะมีระดับเสียงสูงและแหลม ถ้ามีความถี่ต่ำจะมีระดับเสียงต่ำและทุ้ม
    -  มนุษย์ทั่วไปได้ยินเสียงในช่วงความถี่ 20 - 20000 เฮิรตซ์
    -  ความถี่ต่ำกว่า 20 เฮิรตซ์ เรียกว่า อินฟาโซนิก เช่น การสื่อสารของช้าง
    -  ความถี่สูงกว่า 20000 เฮริตซ์ เรียกว่า อัลตราโซนิค เช่น การหาอาหารของค้างคาว โลมา วาฬ

2.2.2. อัตราเร็วของเสียง ขึ้นอยู่กับสภาพตัวกลาง เช่น อุณหภูมิ ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น เป็นต้น อัตราเร็วเสียงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่มีอุณหภูมิสู.จะมีค่ามากกว่าตัวกลางที่มีอุณภูมิต่ำ

2.2.3. อัตราเร็วเสียงในอากาศ จะแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณภูมิในหน่วยเคลวิน
    -  อุณหภูมิมาก อัตราเร็วมาก
    -  อุณภูมิน้อย อัตราเร็วน้อย
    -  ขณะอุณภูมิ + องศาเซลเซียส อัตราเร็วเสียงจะมีค่าประมาณ 331 เมตร/วินาที

สูตรนี้จะให้ค่าใกล้เคียงความจริง เมื่ออุณภูมิมีค่าไม่เกิน 45 องศาเซลเซียส

2.3 คุณสมบัติของเสียง

2.3.1. การสะท้อน  เมื่อคลื่นเสียงตกกระผิวรอยต่อระหว่างตัวกลาง หรือตัวกลางขนิดเดียวกันแต่อุณหภูมิต่างกัน หรือตกกระทบสิ่งกีดขวางที่มีขนาดเท่ากันกับหรือโตกว่าความยาวคลื่นเสียงนั้น จะเกิดการสะท้อนเสียง

    1. เมื่อคลื่นเสียงตกกระทบ ความถี่ ความเร็ว ความยาวคลื่น และแอมพลิจูด จะสะท้อนออกของเดิม

    2. การเคลื่อนที่จากตัวกลางหนาแน่นน้อย ไป มาก การกระจัดที่สะท้อนมีเฟสตรงข้าม

    3. การเคลื่อนที่จากตัวกลางหนาแน่นมาก ไป น้อย การกระจัดที่สะท้อนจะมีเฟสคงเดิม

    4. ถ้าเสียงที่สะท้อนกลับมาสู๋หูของเราช้ากว่าเสียงที่ตะโกนออกไปเกินกว่า 0.1 วินาที หูของเราจะสมารถแยกเสียงตะโกนและเสียงที่สะท้อนกลับมาได้ เราเรียกว่า การเกิดเสียงก้อง

    5. จากความรู้การสะท้อนของเสียง นำไปสร้างเครื่อวโซนาร์ ใช้หาความลึกของทะเล หาฝูงปลาในทะเล สร้างเครื่องอัลตราซาวด์ 

2.3.2. การหักเห คลื่นเสียงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางความเร็วและความยาวคลื่น แต่ความถี่คลื่นยังคงที่ กล่าวคือเมื่อเสียงเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย (อากาศ) เข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า(น้ำ)  เสียงจะหักเหออกจากเส้นตั้งฉาก หลักการนี้ใช้อธิบาย การเห็นฟ้าแลบ แต่ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เพราะเมื่อเกิดฟ้าแลบ แม้จะมีเสียงเกิดขึ้นแต่เราไม่ได้ยินเสียง ทั้งนี้เพราะอากาศใกล้พื้นดินมีอุณหภูมิสูงกว่าอากาศเบื้องบน ทำให้การเคลื่อนที่ของเสียงเคลื่อนที่ได้ในอัตราที่ต่างกัน คือ เคลื่อนที่ในอากาศที่มี อุณหภูมิสูงได้เร็วกว่าในอากาศที่มีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น เสียงจึงเคลื่อนที่เบนขึ้นทีละน้อยๆ จนข้ามหัวเราไป จึงทำให้ไม่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง

    1. บริเวณที่มีอุณภูมิสูง เสียงจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วมากกว่าบริเวณที่มีอุณภูมิต่ำ

    2. เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณภูมิสูงไปสู่บริเวณที่มีอุณภูมิต่ำ คลื่นเสียงจะหักเหเข้าเส้นแนวฉาก

    3. เสียงเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณภูมิต่ำไปสู่บริเวณที่มีอุณภูมิสูกว่า เสียงจะหักเหออกจาเส้นแนวฉาก

    4. ในเวลากลางวันพื้นโลกจะมีอุณภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่ระดับสูงจากพื้นโลกขึ้นไปทำให้เสียงหักเหขึ้นสู่ที่สูง ส่วนในเวลากลางคืนอุณหภูมิที่พื้นโลกจะต่ำกว่าอุณภูมิที่ระดับสูงกว่าพื้นโลกทำให้เสียงหักเหลงสู่พื้น

2.3.3. การแทรกสอด  ถ้าแหล่งกำเนิดเสียง 2 แหล่ง ที่มีแอมพลิจูด และความถี่เท่ากัน ซึ่งมีเฟสตรงกันหรือต่างกันคงตัว เคลื่อนที่มาซ้อมทับกัน แล้วทำให้เกิดจุดปฏิบัพ (เสียงดัง) และจุดบัพ (เสียงค่อย) สลับกัน

2.3.4. การเลี้ยวเบน นอกจากการหักเหของเสียงที่เกิดขึ้น เมื่อผ่านตัวกลางต่างชนิดกันแล้วยังมีการเลี้ยวเบนได้ การเลี้ยวเบนของเสียงมักจะเกิดพร้อมกับการสะท้อนของเสียง เสียงที่เลี้ยวเบน จะได้ยินค่อยกว่าเดิม เพราะพลังงานของเสียงลดลง

ในชีวิตประจำวันที่เราพบได้อย่างเสมออย่างหนึ่งคือการได้ยินเสียงของผู้อื่นได้โดยไม่เห็นตัวผู้พูด เช่น ผู้พูดอยู่คนละด้านของมุมตึก ปรากฏการณ์ดังนี้ แสดงว่าเสียงสามารถเลี้ยวเบนได้  การอธิบายปรากฏการณ์นี้สามารถจะกระทำได้โดยใช้หลักการของฮอยเกนท์อธิบายว่า ทุกๆจุดบนหน้าคลื่นสามารถทำหน้าที่เป็นต้นกำเนิดคลื่นอันใหม่ได้  ดังนั้นอนุภาคของอากาศที่ทำหน้าที่ส่งผ่านคลื่นเสียงตรงมุมตึกย่อมเกิดการสั่น ทำหน้าที่เหมือนต้นกำเนิดเสียงใหม่ ส่งคลื่นเสียงไปยังผู้ฟังได้ 

2.4. เสียงและการได้ยิน

2.4.1. บีตส์ จะเกิดเมื่อเสียง 2 ชุด ที่มีความถี่ต่างกันเล็กน้อย จากแหล่งกำเนิดเสียงประเภทเดียวกันหรือคนละประเภทก็ได้ เคลื่อนที่มาแทรกสอดกันจะเป็นเสียงดังเสียงค่อยสลับกันเป็นจังหวะคงตัว

สมมุติให้ f1 และ f2 แทนความถี่ของเสียงจากแหล่งกำเนิดสองเสียงที่มีความถี่ต่างกันไม่เกิด 7 เฮิรตซ์ เมื่อมาซ้อมทับกันแล้วจะทำให้เกิดบีตส์

2.4.2. ความเข้มเสียง คือ กำลังเสียงที่แหล่งกำเนิดเสียงส่งออกไปต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ของหน้าคลื่นวงกลม

เมื่อ  I  แทน  ความเข้มเสียง ตำแหน่งต่างๆ มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร

        P แทน  กำลังเสียงของแหล่งกำเนิดเสียง มีหน่วยเป็นวัตต์

        A แทน  พื้นที่ของหน้าคลื่นทรงกลม มีหน่อยเป็นตารางเมตร

        R แทน  ระยะจากแหล่งกำเนิดเสียถึงตำแหน่งที่ต้องการหาความเข้มเสียง มีหน่วยเป็น เมตร

สิ่งที่ควรรู้

    1. เสียงค่อยที่สุดที่มนุษย์สามารถได้ยินมีความเข้มเสียง 10 กำลัง -12 วัตต์ต่อตารางเมตร

    2. เสียงดังที่สุดที่มนุษย์ปกติสามารถทนฟังได้ โดยไม่เป็นอันตราย มีความเข้มเสียงเป็น 1 วัตต์ต่อตารางเมตร

2.4.3. ระดับความเข้มเสียง คือ ปริมาณที่ใช้บอกความดังเสียง โดยเทียวความเข้มเสียงที่ต้องการวัด กับความเข้มเสียงที่ค่อยที่สุดที่คนปกติได้ยิน

โดย คือความเข้มของเสียง มีหน่วยเป็นเดซิเบล

I คือความเข้มของเสียง

I₀ คือความเข้มของเสียงต่ำสุดที่มนุษย์จะได้ยิน คือ 10^-12 วัตต์/ตารางเมตร

2.4.4. ปรากฎการณ์ดอปเพลอร์ และคลื่นกระแทก

    ปรากฎการณ์ดอปเพลอร์ของเสียง คือ ผู้ฟังได้ยินเสียงที่มีความถี่เปลี่ยนไปจากความถี่ของแหล่งกำเนิดเสียง

    คลื่นกระแทก คือ หน้าคลื่นที่เคลื่อนที่มาเสริมกันในลักษณะที่เป็นคลื่นวงกลมซ้อนเรียงกันไป แหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วของคลื่นในตัวกลาง

    a. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด น้อยกว่า อัตราเร็วของเสียง

    b. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด เท่ากับ อัตราเร็วเสียง

    c. อัตราเร็วแหล่งกำเนิด มากกว่า อัตราเร็วเสียง

2.4.5. คุณภาพเสียงและเสียงดนตรี แหล่งกำเนิดเสียงต่างๆขณะสั่น จะให้เสียงซึ่งมี่ความถี่มูลฐานและฮาร์มอนิกต่างๆ ออกมาพร้อมกันเสมอ แต่จำนวนฮาร์มอนิกและความเข้มเสียงจะแตกต่างกันไป จึงจะทำให้ลักษณะของคลื่นเสียงแตกต่างกันสำหรับแต่ละแหล่งกำเนิดที่ต่างกัน โดยจะมีลักษณะเฉพาะตัวที่ต่างกัน

บทที่1

บทที่ 1 คลื่นกล

1.1 ความหมายและประเภทของคลื่น

    คลื่น คือ การส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งโดยไม่นำพาสสารไปพร้อมกับพลังงาน มีสมบัติการสะท้อน การหักเห การเลี้ยงเบน และการแทรกสอด

    การจำแนกคลื่นตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ
1.คลื่นกล เป็นคลื่นที่อาศับตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นเสียง คลื่นผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น
2.คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่อนที่ไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ได้แก่ คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ คลื่นอินฟาเรด คลื่นแสง คลื่นอัลตราไวโอเล็ต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา

    จำแนกคลื่นตามทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นและการสั่นของอนุภาคตัวกลาง แบ่งเป็น 2 แบบ คือ
1.คลื่นตามขวาง คือ คลื่นที่มีทิศทางการสั่นของอนุภาคตัวกลางตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นผิวน้ำ คลื่อนในเส้นเชือก

2. คลื่นตามยาว คือคลื่นที่มีทิศการสั่นของอนุภาคตัวกลางขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่เกิดจากการอัดลวดสปริงแล้วปล่อย

หมายเหตุ คลื่นแม่เหลกไฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง เพราะสนามไฟฟ้า-สนามแม่เหล็กสั่นตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น

1.2 ส่วนประกอบของคลื่น

1.สันคลื่น เป็นตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางบวก จุด g

2.ท้องคลื่น เป็นตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือเป็นตำแหน่งที่มีการกระจัดสูงสุดในทางลบ จุด e

3.แอมพลิจูด ( A ) เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ วัดจากระดับปกติไปถึงสันคลื่นหรือไปถึงท้องคลื่น

4.การกระจัด คือ ระยะที่วัดจากแนวสมดุลไปยังตำแหน่งใดๆบนคลื่น

    - ตำแหน่งที่สูงกว่าแนวสมดุล การกระจัดจะเป็นบวก

    - ตำแหน่งที่ต่ำกว่าแนวสมดุล การกระจัดจะเป็นลบ

5.ความยาวคลื่น คือ ระยะห่างระหว่างสันคลื่นกับสันคลื่นที่อยู่ติดกัน หรื ท้องคลื่นกับท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน หรือระยะห่างระหว่างความยาวในคลื่น 1 ลูก

6.ความถี่ ( f ) หมายถึง จำนวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือ เฮิรตซ์ (Hz)  จาก cd   โดย f = 1/T

7.คาบ ( T ) หมายถึง ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งใด ๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s/รอบ )  โดย  T = 1/f 

8.ความเร็วคลื่น (v) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที บางครั้งควาวเร็วคลื่น ถูกเรียกว่า ความเร็วเฟส

9.เฟส คือ มุมที่ใช้บอกตำแหน่งของการกระจัดของคลื่น 

1.3 ถาดคลื่น

ถาดคลื่น ใช้ในการศึกษาลักษณะและสมบัติของคลื่น

    - น้ำมาก ความยาวคลื่นมาก

    - น้ำน้อย ความยาวคลื่นน้อย

สันคลื่นรวมแสงจากโคมไฟ (แถบสว่าง)

ท้องคลื่นรวมแสงจากโคมไฟ (แถบมืด)

รังสีคลื่น คือ ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น

1.4 สมบัติของคลื่น

1.4.1 การสะท้อน จะเกิดเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางแล้วเปลี่ยนทิศทางกลับสู่ตัวกลางเดิม

คลื่นกระทบจะมีมุมเท่ากับมุมสะท้อน

    - รังสีกระทบ คือ เส้นแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นกระทบ

    - รังสีสะท้อน คือ เส้นแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่อนสะท้อน

    - เส้นปกติ คือ เส้นตั้งฉากกับตัวสะท้อนที่ตำแหน่งคลื่นกระทบตัวสะท้อน

    - มุมกระทบ คือ มุมที่มีรังสีตกกระทบทำกับเส้นแนวปกติ (มุมที่หน้าคลื่นตกกระทบทำกับผิวสะท้อน)

    - มุมสะท้อน คือ มุมที่รังสีสะสอนทำกับเส้นแนวปกติ (มุมที่หน้าคลื่นสะท้อนทำกับผิวสะท้อน)

สิ่งที่ควรรู้ ความถี่ ความยาวคลื่น และอัตราเร็วของคลื่นสะท้อน จะมีค่าเท่ากับความถี่ ความยาวคลื่น และอัตราเร็วของคลื่นตกกระทบเสมอ

การสะท้อนคลื่นในเส้นเชือก

(ก) การสะท้อนของคลื่นในเส้นเชือกปลายอิสระ (คล้อยปลายไว้หลวมๆ) คลื่นสะท้อนจะมีเฟสเหมือนคลื่นตกกระทบ

การกระจัดตกกระทบเป็นบวก การกระจัดสะท้อนเป็นบวก (ไม่กลับเฟส)

(ข) การสะท้อนปลายตรึงแน่น (มัดปลายแน่นๆ) คลื่นสะท้อนจะมีเฟสตรงกันข้ามกับคลื่นตกกระทบ

การกระจัดตกกระทบเป็นบวก การกระจัดสะท้อนเป็นลบ (กลับเฟส)

(ค)  การสะท้อนของเชือกสองเส้นต่อกัน

(ค.1) คลื่นจากเชือกเส้นใหญ่ไปเส้นเล็ก จะสะท้อนเฟสกลับมีเฟสตรงกันข้าม และแอมพลิจูดลดลง

(ค.2) คลื่นจากเชือกเส้นใหญ่ไปยังเชือกเส้นเล็ก จะสะท้อนกลับมีเฟสเหมือนเดิม และแอมพลิจูดลดลง

1.4.2 การหักเห การที่คลื่นน้ำเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่ง(บริเวณหนึ่ง) ไปสู่อีกตัวกลางหนึ่ง(อีกบริเวณหนึ่ง) ทำให้อัตราเร็วเปลี่ยนไปแต่ความถี่เท่าเดิม

กฎของสเนลล์

    มุมตกกระทบ คือมุมที่คลื่นตกกระทบกระทำกับเส้นปกติ หรือมุมที่หน้าคลื่นตกกระทบทำกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง
    มุมหักเห คือ มุมที่ทิศคลื่นหักเหกระทำกับเส้นปกติ หรือมุมที่หน้าคลื่นหักเหกระทำกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง
    ถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่ 1 เข้าสู่ตัวกลางที่ 2 จะได้กฎสเนลล์ดังนี้

d คือ ความลึกของน้ำ

สิ่งที่ควรรู้

1.เมื่อคเคลื่อนที่มาถึงรอยต่อระหว่างน้ำลึกกับน้ำตื้น จะมีคลื่นเคลื่อนที่หักเหผ่านรอยต่อ และจะมีคลื่นส่วนหนึ่งเกิดการสะท้อนเข้าไปสู่ตัวกลางเดิม โดยคลื่นสะท้อนจะมีแอมพลิจูดลดลง

2.สมบัติการหักเหของคลื่น จะมีความเร็วคลื่นและความยาวคลื่นเปลี่ยนไป แต่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นอาจจะเปลี่ยนหรือคงเดิมก็ได้

    - ถ้าทิศของคลื่นตกกระทบตั้งฉากกับรอยต่อหรือหน้าคลื่นตกกระทบขนานกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ทิศของคลื่นที่หักเหผ่านไปในอีกตัวกลางหนึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลง

    - ถ้าทิศของคลื่นตกกระทบทำมุมกับรอยต่อหรือหน้าคลื่นตกกระทบทำมุมกับรอยต่อระหว่างตัวกลาง ทิศของคลื่นที่หักเหผ่านไปอีกตัวกลางหนึ่งจะเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

3.จากกฎของสเนลล์ถ้ามุมตกกระทบมากกว่าศูนย์

    - ในน้ำลึก คลื่นจะมีความเร็วมาก ความยาวคลื่นมาก มุมตกกระทบหรือมุมหักเหจะมาก

    - ในน้ำตื้น คลื่นจะมีความเร็วน้อย ความยาวคลื่นน้อย มุมตกกระทบหรือมุมหักเหจะน้อย

1.4.3 การแทรกสอด จากแหล่งกำเนิคคลื่นสองแหล่งที่มีความถี่เท่ากันและเฟสตรงกัน เคลื่อนที่มาพบกัน จะเกิดการซ้อนทับระหว่างคลื่นต่อเนื่องทั้งสองขบวนนั้น เกิดเป็นแนวมืดส่วางสลับกัน เรียกว่า ลวดลายการแทรกสอด ปรากฏการณ์เช่นนี้เกิดจาก การแทรกสอดของคลื่น

          - การแทรกสอดแบบเสริมกัน สันคลื่นของคลื่นทั้งสองมารวมกัน หรือ ท้องคลื่นของคลื่นทั้งสองมารวมกัน จะเกิด สันคลื่นที่สูงกว่าเดิม และท้องคลื่นที่ลึกกว่าเดิม จะเรียกว่า ปฏิบัพ (Antinode) 

          - การแทรกสอดแบบหักล้าง สันคลื่นจากแหล่งกำเนิดหนึ่งมารวมกับท้องคลื่นอีกแหล่งกำเนิดหนึ่ง จะเกิด สันคลื่นต่ำกว่าเดิม และท้องคลื่นตื้นกว่าเดิม จะเรียกว่า บัพ (Node) โดยตำแหน่งนั้นน้ำกระเพื่อมน้อยหรือไม่กระเพื่อมเลย

1.4.4 การเลี้ยวเบน

  ถ้ามีสิ่งกีดขวางกั้นการเคลื่อนที่ของคลื่นเพียงบางส่วน จะพบว่ามีส่วนหนึ่งแผ่จากขอบของสิ่งกีดขวางไปทางด้านหลังของสิ่งกีดขวางนั้น การที่มีคลื่นปรากฏอยู่ทางด้านหลังของแผ่นกั้นคลื่นในบริเวณของทิศทางเดิมของคลื่นนั้น เรียกว่า การเลี้ยงเบนของคลื่น

สิ่งที่ควรรู้

1.การเลี้ยวเบนของคลื่นยังคงมีความยาวคลื่น ความถี่ และอัตราเร็วเท่าเดิม

2.เมื่อความถี่ของคลื่นน้ำต่ำหรือความยาวคลื่นมาก คลื่นจะอ้อมสิ่งกีดขวางไปได้ไกลกว่าเมื่อใช้ความถี่สูง

3.แอมพลิจูดของคลื่นที่เลี้ยวเบนไปจะลดลง