ม.5/1 เรื่อง คุณสมบัติทั่วไปของคลื่นกล

ใบความรู้เรื่อง คุณสมบัติคลื่นกล รายวิชา ฟิสิกส์เพิ่มเติม รหัสวิชา ว.31201 ปีการศึกษา 2564 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 ห้อง 1-2

ช่องทางติดต่อสื่อสารกับผู้เรียน ( / ) Facebook ( / ) Line ( ) Google Hangout ( ) Zoom ( ) Google Classroom ( ) ติดต่อโดยตรง (ส่งใบงานถึงบ้าน) มาตรฐาน ว 5.1 เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับการด ารงชีวิต การเปลี่ยนรูปพลังงาน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารและพลังงาน ผลของการใช้พลังงานต่อชีวิตและสิ่งแวดล้อม มีกระบวนการสืบเสาะหาความรู้ สื่อสารสิ่งที่เรียนรู้และน าความรู้ไปใช้ประโยชน์มาตรฐานการเรียนรู้ช่วงชั้น ม.4-6 ส ารวจตรวจสอบ และอธิบายเกี่ยวกับสมบัติของคลื่นกล ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และความยาวคลื่น 3. กิจกรรมการเรียนรู้ 3.1 .ให้นักเรียนศึกษาเนื้อหาการค้นหาความรู้ทางฟิสิกส์ (สรุปเนื้อหาท าลงกระดาษรายงาน หรือ ฉีกปกกลางของสมุดเล่มที่เหลือใช้ ส่งในชั่วโมงแรกที่ท าการเรียนปกติ OnSite) 1. คลื่นกล (ชุดการเรียนรู้ที่1 ในเว็บไซต Click์) การกระเพื่อมขึ้นลงของน้ าในสระ เสียงของเครื่องดนตรี การกระตุกเชือกขึ้นลงเมื่อเชือกขึงตึงในแนวราบ เหล่านี้เป็นตัวอย่างของปรากฏการณ์คลื่น เช่น รูปที่ 4.1

แสดงให้เห็นถึงคลื่นน้ าที่เกิดจากการทิ้งวัตถุให้ตกกระแทกผิวน้ า เราจะเห็นการกระเพื่อมขึ้นลงของผิวน้ าแผ่กระจายออกไป คลื่นสามารถแบ่งเป็น 2 พวกใหญ่ๆ คือ ก. คลื่นกล เป็นคลื่นที่เกิดในตัวกลางยืดหยุ่น (ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) โดยเกิดจากการใช้แรงกระตุ้น สามารถถ่ายโอนพลังงานกลได้ เช่น คลื่นน้ า คลื่นเชือก คลื่นเสียง เป็นต้น เราสามารถพิจารณาคลื่นกลโดยดูการเคลื่อนที่ของตัวกลางซึ่งจะท าให้แบ่งคลื่นกลเป็น 2 ชนิดดังนี้ - คลื่นตามขวาง เป็นคลื่นที่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นตั้งฉากกับการสั่นของตัวกลาง ได้แก่ คลื่นเชือก คลื่นน้ า เป็นต้น ดังรูปที่ 2 ถ้าเราดึงเชือกแล้วกระตุกเชือกขึ้นลงในแนวดิ่ง (แกน Y) จะเกิดคลื่นเชือกเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็ว v จะเห็นว่ามวลของเชือกเล็ก ๆ เช่น ตรงจุด A สั่นขึ้นลงในแกน Y ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น รูปท 2 ี่ลักษณะส าคัญของคลื่นตามขวางและคลื่นตามยาว

- คลื่นตามยาว เป็นคลื่นที่ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นอยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของตัวกลาง ได้แก่ คลื่นในสปริง คลื่นเสียง เป็นต้น ดังรูปที่ 2 ถ้าเราอัดและยืดสปริงในแนวแกน X จะเกิดคลื่นในสปริง ลักษณะเป็นช่วงอัดและขยายเคลื่อนที่ออกไปในสปริงด้วยความเร็ว v จุดหนึ่งบนสปริง เช่นที่จุด B จะสั่นกลับไปกลับมาในแนวเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ข. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นที่เกิดจากการเหนี่ยน าของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสลับต่อเนื่องกันไปและเคลื่อนที่ไปโดยไม่จ าเป็นต้องอาศัยตัวกลาง ด้วยอัตราเร็วสูงมากประมาณ 3 10 เมตรต่อ8วินาที ได้แก่ คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ คลื่นโทรทัศน์ รังสีอินฟาเรด แสง รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจัดเป็นคลื่นตามขวางเพราะมันสามารถเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า โพลาไรเซชัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดได้เฉพาะกับคลื่นตามขวางเท่านั้น คลื่นตามยาวไม่สามารถเกิดโพลาไรเซชัน ชนิดของคลื่นแบ่งตามลักษณะเฉพาะตว ัคลื่นดลรูปวงกลม (circular pulse) คลื่นแบบนี้จะมีแนวหน้าคลื่นเพียงแนวเดียวเป็นรูปวงกลมแผ่กระจายออกไป คลื่นดลเส้นตรง (straight pulse) คลื่นแบบนี้จะมีแนวหน้าคลื่นเพียงแนวเดียวเป็นเส้นตรงแผ่กระจายออกไป คลื่นตอเนื่อง ่(continuous wave) คลื่นแบบนี้จะถูกส่งออกมาจากแหล่งก าเนิดอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา อาจมีลักษณะเป็นวงกลมหรือเส้นตรงได้

การถ่ายโอนพลังงานของคลื่นกลในชีวิตประจ าวันของเราได้พบกับปรากฏการณ์แบบคลื่นเสมอ เช่น การโยนก้อนหินลงไปในน้ าท าให้เกิดคลื่นน้ ากระจายออกไปเป็นวงๆ หรือการแกว่งเชือกโดยปลายข้างหนึ่งของเชือกถูกผูกตรึงไว้ ดังรูป รูปที่ 3 แสดงการเคลื่อนที่คลื่นน้ าเกิดจากการรบกวนแหล่งก าเนิดคลื่นที่เกิดขึ้นแผ่กระจายไปบนผิวน้ า ส่วนประกอบของคลื่นได้แก่ รูปที่ 6 แสดงส่วนประกอบของคลื่นผิวน้ า สันคลื่น(Crest) คือ ต าแหน่งสูงสุดของคลื่นมีกระจัดมากที่สุดในทางบวก และมีเฟสตรงกัน ท้องคลื่น(Crest) คือ ต าแหน่งสูงสุดของคลื่นมีกระจัดมากที่สุดในทางลบ และมีเฟสตรงกัน

แอมพลิจด (Amplitude)ู เป็นระยะการกระจัดมากสุด ทั้งค่าบวกและค่าลบ ความยาวคลื่น (wave length ; )������ คือ ระยะห่างระหว่างสันคลื่นที่ติดกัน หรือระยะห่างระหว่างท้องคลื่นที่ติดกัน หรือ ระยะห่างระหว่างจุด 2 จุดที่มีเฟสตรงกัน และอยู่ใกล้กันมากที่สุด ความยาวคลื่นแทนด้วยสัญลักษณ์ มี������หน่วยเป็นเมตร (m) หน้าคลื่น (wave surface) คือ เส้นต่อจุดที่มีเฟสตรงกันของสันคลื่น รังสี (ray) คือ แนวเส้นตรงที่ลากตั้งฉากกับหน้าคลื่นว่า รังสีของคลื่นจะแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นหน้าคลื่นจะเดินทางไปข้างหน้าด้วยความเร็วจ ากัดค่าหนึ่ง คาบ (period) คือ ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านต าแหน่งใดๆ ครบหนึ่งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็นวินาทีต่อรอบ (s) ความถี่ (frequency) คือ จ านวนลูกคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านต าแหน่งใดๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา แทนด้วยสัญลักษณ์มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที (s ) หรือ เฮิรตซ์ -1Hertz (Hz) อัตราเร็วคลื่น(Velocity, v) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ได้ในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที ในช่วงหนึ่งคาบเวลาของการสั่นของแหล่งก าเนิด จะท าให้หน้าคลื่นเดินทางไปได้เป็นระยะทางค่าหนึ่งซึ่งเท่ากับ และความถี่คลื่น (f) จะเท่ากับความถี่ของการสั่นของแหล่งก าเนิดคลื่น เมื่อคลื่นผิวน้ าเคลื่อนที่ขึ้นลงครบหนึ่งรอบ คลื่นผิวน้ าจะเคลื่อนที่ได้หนึ่งลูกหรือได้ระยะทางเท่ากับหนึ่งความยาวคลื่น ถ้าคลื่นผิวน้ ามีความถี่ f ดังนั้น������ใน 1 วินาที คลื่นผิวน้ าจะเคลื่อนที่ได้ระยะทาง f ซึ่งก็คือ อัตราเร็วคลื่น v ดังนั้น ������ = ������������ หรือ ������ =������������ 1f

ถ้าพิจารณาที่ผิวน้ าเมื่อเวลาผ่านไปครบหนึ่งคาบ ผิวน้ าจะเคลื่อนที่ขึ้นลงแนวดิ่งได้หนึ่งรอบ และ ถ้าคลื่นไม่มีการสูญเสียพลังงาน แอมพลิจูดของคลื่นจะมีค่าคงตัว จึงกล่าวได้ว่า ผิวน้ ามีการเคลื่อนที่แบบ ฮาร์มอนิกอย่างง่ายครบหนึ่งรอบพอดี โดย ณ เวลาหนึ่งผิวน้ าจะอยู่ที่ต าแหน่งหนึ่งของรอบ จึงเรียกว่า มีในเฟสหนึ่ง เฟสของคลื่นการบอกมุมเฟส (Phase angle) เฟส : ค าที่ใช้ก าหนดต าแหน่งของการเคลื่อนที่ที่มีลักษณะเป็นรอบบอกเป็นมุม เช่น ดังรูปที่ 5 จุด a, b, c, d, e บนคลื่นมีเฟส 0 , 90 , 180 , 270 , และ 360 เป็นต้น รูปที่ 7 แสดงต าแหน่งมุมเฟส เฟส 0 : จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น 0 จะอยู่บนระดับปกติ และจะเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เช่น จุด a ในรูปที่ 7 เฟส 90 : จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น 90 จะอยู่บนสันคลื่น และจะเคลื่อนที่ลงเมื่อเวลาผ่านไป เช่น จุด b ในรูปที่ 7 เฟส 180 : จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น 180 จะอยู่บนระดับปกติ และจะเคลื่อนที่ลงเมื่อเวลาผ่านไป เช่น จุด c ในรูปที่ 7 เฟส 270 : จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น 270 จะอยู่ที่ท้องคลื่น และจะเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เช่น จุด d ในรูปที่ 7

เฟส 360 : จุดบนคลื่นที่มีเฟสเป็น 360 จะเหมือน เฟส 0 เช่น จุด e ในรูปที่ 5 เฟสตรงกัน : จุดบนคลื่นคู่ใดที่มีเฟสตรงกัน จะต้อง - การกระจัดของจุดคู่นั้นเท่ากัน - เคลื่อนที่ทางเดียวกัน - อยู่ห่างกันเป็นระยะ n ; n = 1, 2, 3,… เฟสตรงข้ามกัน : จุดบนคลื่นคู่ใหม่ที่มีเฟสตรงข้ามกัน จะต้อง - การกระจัดเท่ากันแต่เครื่องหมายตรงข้าม - เคลื่อนที่ตรงข้ามกัน - อยู่ห่างกันเป็นระยะ n    12 ;n = 1, 2, 3,… หน้าคลื่น : แนวของสันคลื่นหรือห้องคลื่นซึ่งมีเฟสตรงกัน แนวหน้าคลื่นต้องตั้งฉากกับทิศฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสมอ การหาเฟสของจุดบนคลน ื่ เป็นการบอกต าแหน่งของคลื่นหรือเฟสนั้น นิยมบอกด้วยค่าของมุมเป็นองศาหรือเทอมของ เรเดียนก็ได้ โดย เรเดียน = 180 องศา ซึ่งจะใช้แกน y หรือ แกน x ก็ได้ แต่ที่นิยมกันเขานิยมใช้แกน x เป็นตัวบอกมุมเฟส ดังเช่น รูปที่ 9 แสดงมุมเฟสของคลื่น

การบอกมุมเฟสไม่นิยมบอกค่าเกิน 360 องศา และไม่นิยมบอกเกิน 2 เรเดียน โดยบอกจ านวนรอบเข้าร่วมด้วยนั่นเอง เช่น มุมเฟสเป็นรอบที่ 3 มุม 90 องศา เป็นต้น เราสามารถหามุมเฟสได้จาก หรือ เมื่อ เป็นเฟสของจุดบนคลื่นที่จุด Y มีหน่วยเปน เรเดียน ็ เป็นความยาวคลื่น มีหน่วยเป็น เมตร x เป็นระยะของจุดบนคลื่นจากจุดที่มีเฟสเป็น 0 มีหน่วยเป็น เมตร เข้าเรียนรู้ผ่านเว็บไซต์ Clickนักเรียนสามารถเข้าเรียนและส่งงานผ่านเว็บไซต์ได้เลยเช่นกันครับแล้วแต่สะดวก

สรุปเนื้อหา

เข้าดูการใช้ความรู้ทางฟิสิกส์ อธิบายลักษณะของคลื่นกลClickใบงาน 1.ให้นักเรียนสรุปเนื้อหาลงในกระดาษรายงาน หรือฉีกปกกลางของสมุดเล่มเก่า แล้วใช้กล้องโทรศัพท์ของนักเรียนถ่ายอัพโหลดลงใน Google Form 2.ท าแบบทดสอบวัดความรู้ (ท าการทดสอบไม่จ ากัดจ านวนครั้ง จนกว่าจะพอใจคะแนนเกณฑ์ผ่านที่ 6 คะแนน)

ห้องส่งงาน 1.ให้นักเรียนสรุปเนื้อหาลงในกระดาษรายงาน หรือฉีกปกกลางของสมุดเล่มเก่า แล้วใช้กล้องโทรศัพท์ของนักเรียนถ่ายอัพโหลดลงใน Google Form ก าหนดส่งวัน วันเสาร์ที่ 5 มิถุนายน 2564 แบบส่งงานของนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปที่ 5/1ีClick++ ตรวจสอบการส่งงานชั้นมัธยมศึกษาปที่ 5/1 ีClick แบบส่งงานของนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปที่ 5/2ีClick++ ตรวจสอบการส่งงานชั้นมัธยมศึกษาปที่ 5/2 ีClick2.ท าแบบทดสอบวดความรู้ (ท าการทดสอบไม่จ ากัดจ านวนัครั้ง จนกว่าจะพอใจคะแนน) ก าหนดส่งวัน วันเสาร์ที่ 5 มิถุนายน 2564 แบบทดสอบและตรวจสอบคะแนน เข้าทาแบบทดสอบนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5/1Click++ ตรวจสอบคะแนนชั้นมัธยมศกษาปท 5/1 ึีี่Clickเข้าทาแบบทดสอบนักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5/2Click++ ตรวจสอบคะแนนชั้นมัธยมศกษาปท 5/2 ึีี่Click

เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง Nampleeksuksa School ClickPhysicsNampleeksuksa ClickVDO Physicslearning Click