ก่อนหน้านี้พี่กริฟฟินได้อธิบายเกี่ยวกับข้อสอบ GED Science ทั้ง 3 หัวข้อหลัก ได้แก่ Life Science, Earth and Space Science และ Physics (ในหัวข้อโมเลกุล) กันไปคร่าว ๆ แล้ว ในวันนี้จะมาอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำถามในหัวข้อฟิสิกส์เรื่อง “สมบัติของคลื่น” กันแบบคร่าว ๆ เนื่องจากในเรื่องนี้ไม่ได้ออกสอบเยอะ แต่เป็นอีกหนึ่งหัวข้อน่ารู้สำหรับการทำข้อสอบ GED Science
คลื่น คืออะไร?
ก่อนที่จะไปพูดถึงเรื่องของสมบัติของคลื่น พี่กริฟฟินก็ขอชี้แจงก่อนว่า คลื่น (Waves) ที่กำลังจะพูดถึงนี้ไม่ได้หมายถึงคลื่นทะเลเท่านั้น เพราะคลื่นที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้ หมายถึง ปรากฏการณ์การส่งผ่านหรือถ่ายโอนพลังงานจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยเมื่อเกิดการรบกวน (Disturbance) สภาวะสมดุลทางฟิสิกส์ของตัวกลาง (อาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สก็ได้) จะเกิดการสั่นของอนุภาคภายในตัวกลางและกระจายออกสู่บริเวณโดยรอบ ทำให้เกิดคลื่นขึ้น เช่น คลื่นเสียง, คลื่นผิวน้ำ (คลื่นทะเล หรือการเกิดคลื่นเมื่อโยนหินลงน้ำ), คลื่นในเส้นเชือก เป็นต้น ซึ่งความเร็วของคลื่นก็จะขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นและความเฉื่อยของตัวกลาง
องค์ประกอบของคลื่น
สันคลื่น (Peaks) คือ ตำแหน่งสูงสุดของคลื่น หรือตำแหน่งที่มีการกระจัดเชิงบวกสูงสุด
ท้องคลื่น (Troughs) คือ ตำแหน่งต่ำสุดของคลื่น หรือตำแหน่งที่มีการกระจัดเชิงลบต่ำสุด
แอมพลิจูด (Amplitude) คือ ระยะการกระจัดสูงสุดของคลื่น
ความยาวคลื่น (Wavelength) คือ ระยะระหว่างสันคลื่น โดยใช้สัญลักษณ์ λ แทนความยาวคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m – metre)
ความถี่ (Frequency) คือ จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่ง ใช้สัญลักษณ์ f มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ (Hz – Hertz)
คาบ (Period) คือ ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ครบ 1 ลูก หรือเวลาที่แหล่งกำเนิดคลื่น/ตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านครบ 1 รอบ ใช้สัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาที
อัตราเร็วคลื่น คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ใน 1 หน่วยเวลา ใช้สัญลักษณ์ v มีหน่วยเป็น เมตร/วินาที
เมื่อพิจารณาจากความหมายของคาบและความถี่ของคลื่น จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
\(T = \frac{1}{f}\)และเนื่องจากในเวลา T วินาที คลื่นเคลื่อนที่ได้ λ เมตร จึงสรุปได้ว่า
v = fλ
คุณสมบัติของคลื่นมีอะไรบ้าง
ในส่วนของสมบัติของคลื่น จะมีอยู่ด้วยกัน 4 คุณสมบัติหลักด้วยกัน ได้แก่ การสะท้อน (Reflection), การหักเห (Refraction), การเลี้ยวเบน (Diffraction) และการแทรกสอด (Interference) โดยที่สมบัติการสะท้อนและหักเหเป็นสมบัติร่วมของทั้งคลื่นและอนุภาค ส่วนสมบัติการแทรกสอดและเลี้ยวเบนเป็นสมบัติเฉพาะของคลื่น
1. การสะท้อน (Reflection)
เป็นการเปลี่ยนทิศทางการเดินทางของคลื่น เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดไปสู่จุดปลายสุดของตัวกลาง หรือกระทบกับสิ่งกีดขวาง แล้วเกิดการสะท้อน หรือกระดอนกลับมาหาตัวกลางเดิม โดยมุมตกกระทบที่เกิดขึ้น จะเท่ากับมุมสะท้อนของคลื่น (θi=θr) นอกจากนี้ รังสีตกกระทบ, เส้นปกติ และรังสีสะท้อนจะอยู่ในระนาบเดียวกัน
ตัวอย่างการสะท้อนกลับของคลื่น เช่น ภาพสะท้อนในกระจก, ภาพสะท้อนบนผืนน้ำ หรือเสียงสะท้อนกลับในถ้ำ เป็นต้น
2. การหักเห (Refraction)
เป็นปรากฏการณ์ที่จะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเดินทางผ่านตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีคุณสมบัติต่างกัน ทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเปลี่ยนไปจากเดิม (เบนออกจากทิศทางเดิม) เนื่องจากอัตราเร็วและความยาวของคลื่นมีความแตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การหักเหของคลื่นจะยังคงความถี่เดิมเอาไว้ ไม่ได้มีการเปลี่ยนแปลงแต่อย่างใด
โดยเราสามารถหาความสัมพันธ์ของปริมาณต่าง ๆ ในการหักเหของคลื่นในตัวกลางทั้งสองได้ เมื่อ
θ คือ มุมระหว่างทิศทางของคลื่นกับเส้นปกติ
v คือ อัตราเร็วของคลื่น
λ คือ ความยาวคลื่น
n คือ ดัชนีหักเหของตัวกลาง
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก (ดัชนีหักเหสูงกว่า) ไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย (ดัชนีหักเหต่ำกว่า) คลื่นจะเบนออกจากเส้นปกติ (รูป i) และในทางกลับกัน หากคลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าคลื่นจะเบนเข้าหาเส้นปกติ (รูป ii)
3. การเลี้ยวเบน (Diffraction)
หรือที่บางคนอาจเรียกว่า “การแพร่กระจายของคลื่น” หรือ “การเบี่ยงเบนของคลื่น” เป็นคุณสมบัติเฉพาะของคลื่นที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปพบเจอกับตัวกลางหรือสิ่งกีดขวางที่ไม่สามารถเคลื่อนผ่านได้ จึงเกิดการเลี้ยวเบนของคลื่นที่มีการเคลื่อนที่ไปตามขอบของสิ่งกีดขวาง หรือเคลื่อนที่ผ่านช่องขนาดเล็ก (Slit) ทำให้คลื่นแตกกระจายออกไปโดยรอบ เสมือนกับเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นใหม่ แต่ยังคงมีอัตราเร็วและความถี่ของคลื่นเท่าเดิม
4. การแทรกสอด (Interference)
เป็นปรากฏการณ์การรวมตัวกันของคลื่นต่อเนื่องจากแหล่งกำเนิดคลื่นสองแหล่ง ซึ่งมีความถี่หรือมีคุณสมบัติเหมือนกัน เคลื่อนที่มาบรรจบกัน และเกิดการซ้อนทับหรือการแทรกสอดระหว่างคลื่นต่อเนื่องทั้งสอง โดยจะแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ ได้แก่
การแทรกสอดแบบเสริม : เกิดจากการที่สันคลื่นมาบรรจบกับสันคลื่นหรือท้องคลื่นบรรจบกับท้องคลื่น ทำให้เกิดการเสริมกันของตัวคลื่น หรือที่เรียกว่า ปฏิบัพ (Antinode)
\(\lvert S_1P – S_2P \rvert = n\lambda\)dsinθ = nλ
โดยที่ n = 0,1,2,…
การแทรกสอดแบบหักล้าง : ซึ่งเกิดจากส่วนที่เป็นสันคลื่นเคลื่อนที่มาบรรจบกับส่วนที่เป็นท้องคลื่นจนเกิดการหักล้างกันของตัวคลื่นจนทำให้มีค่าแอมพลิจูดเท่ากับ 0 หรือที่เรียกว่า บัพ (Node)
\(\lvert S_1P – S_2P \rvert = (n – \tfrac{1}{2})\lambda\)dsinθ = nλ
โดยที่ n = 1,2,3,…
กำหนดให้ P คือ จุดที่เราสนใจ
S1,S2 คือ แหล่งกำเนิดคลื่น
d คือ ความกว้างของสลิต (Slit)
ตัวอย่างข้อสอบ GED Science เรื่องสมบัติของคลื่น
ตัวอย่างที่ 1 :
ข้อนี้ตอบ B 2.8×10¹⁴ Hz
เนื่องจากโจทย์กำหนดให้หาความถี่ของแสงที่วัสดุที่ใช้สร้างเลเซอร์สีเขียวใช้งาน “ก่อน” ที่จะเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ซึ่งจากโจทย์ระบุว่า
ความเร็วแสงมีค่าเท่ากับ 300,000,000 เมตรต่อวินาที หรือ 300,000,000,000,000 นาโนเมตรต่อวินาที
ความยาวคลื่นแสงสีเขียว มีค่าเท่ากับ 532 นาโนเมตร
แต่วัสดุที่ใช้สร้างเลเซอร์สีเขียวจะต้องปล่อยแสงที่ความยาวคลื่นเท่ากับ 532×2 = 1064 นาโนเมตรในตอนแรก ดังนั้นเมื่อแทนค่าลงในสมการจะได้ว่า
$$
\nu = \frac{C}{\lambda}
= \frac{300,000,000,000,000}{1064}
= 281,954,887,218.0451
$$
ซึ่งเมื่อปัดเศษและเขียนในรูปแบบย่อ ก็จะเห็นว่าตัวเลือก B ใกล้เคียงกับคำตอบมากที่สุด จึงตอบ B นั่นเอง
ตัวอย่างที่ 2 :
ข้อนี้ตอบ C เนื่องจากโจทย์ระบุว่าคลื่นโซนาร์เดินทางด้วยความเร็ว 1,000 เมตรต่อวินาที และกำหนดว่าใช้เวลาทั้งหมด 4 วินาทีในการที่คลื่นโซนาร์เดินทางไปถึงใต้ทะเลและ “สะท้อนกลับ” จึงต้องนำเอา 4 x 1000 และหารด้วย 2 ดังนั้น จุดที่เรือจอดอยู่นั้นมีความลึกที่ 2,000 เมตร
เตรียมพร้อมทำข้อสอบ GED Science แบบรอบเดียวผ่านกับ House of Griffin
ข้อสอบ GED Science นั้นมีทั้งหมด 3 หัวข้อหลัก ได้แก่ ชีววิทยา, วิทยาศาสตร์โลกและอวกาศ และฟิสิกส์ ซึ่งหัวข้อ “คลื่นและสมบัติของคลื่น” จะจัดอยู่ในข้อคำถามหมวด Physics ที่มีจำนวนข้อสอบโดยรวมอยู่ที่ 40% หรือคิดเป็นจำนวนประมาณ 13-16 ข้อจากจำนวนข้อสอบทั้งหมด ถึงแม้ว่าเรื่อง “คลื่นและสมบัติของคลื่น” อาจพบไม่บ่อยในข้อสอบ GED Science แต่ก็เป็นหนึ่งในหัวข้อที่ไม่ควรมองข้าม เพราะอาจเป็นจุดเล็ก ๆ ที่ทำให้คะแนนเพิ่มขึ้นได้นั่นเอง อย่างไรก็ตาม น้อง ๆ ก็ควรที่จะแบ่งเวลาการอ่านสอบและทดลองทำข้อสอบ GED Practice Test ใน 3 หัวข้อหลักของ GED Science อย่างครอบคลุม เพื่อที่จะได้สามารถลงสอบ GED Ready ให้ผ่านได้ในรอบแรก และนำเอาผลสอบที่ได้มาวิเคราะห์จุดที่ควรอ่านเสริมเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการสอบ GED Science รอบจริง
ลองทำข้อสอบ GED Science จาก GED Official ได้ ที่นี่
ถ้าน้องคนไหนลองอ่านสอบ หรือลองทำข้อสอบ GED ด้วยตัวเองแล้วมีข้อสงสัยและอยากได้คำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญ ก็สามารถปรึกษาพี่ ๆ House of Griffin ได้เลย โดยนอกจากจะมีครูผู้เชี่ยวชาญที่พร้อมให้ความรู้และแนะนำการติวสอบ GED ทั้ง 4 รายวิชา (GED Science, GED RLA, GED Math และ GED Social Studies) แล้ว ยังมีทีมวิชาการที่พร้อมช่วยเหลือน้อง ๆ ทุกคนอย่างเต็มที่แบบ All-in-one Service ตั้งแต่เริ่มต้นให้คำแนะนำเกี่ยวกับการสอบไปจนถึงรับวุฒิ GED เลย
