หน่วยการเรียนรู้ที่ 3 เรื่อง คลื่น ( waves )

1. หน่วยการเรียนรู้ที่ 3เรื่อง คลื่น (waves) วิทยาศาสตร์ (ว 40216) ฟิสิกส์ ม.6

2. คลื่น (waves) • 1. คลื่น (waves) • 2. สมบัติของคลื่น (property of waves) • 3. คลื่นเสียง (sound waves) • 4. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic)

3. 3. คลื่นเสียง (sound waves)

4. ผลการเรียนรู้ • 1. อธิบายความหมายและการเกิดคลื่นเสียงได้ • 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นการกระจัดและคลื่นความดันได้ • 3. คำนวณหาอัตราเร็วของคลื่นเสียงในตัวกลางต่าง ๆ ได้ • 4. อธิบายสมบัติของคลื่นเสียงได้ • 5. บอกเงื่อนไขของการได้ยินคลื่นเสียงได้ • 6. คำนวณหาพลังงาน กำลัง ความเข้ม และระดับความเข้มของคลื่นเสียงได้ • 7. อธิบายมลภาวะของคลื่นเสียงได้ • 8. อธิบายการเกิดบีตส์ ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์และคลื่นกระแทกได้

5. 3. คลื่นเสียง (sound waves) • 1. คลื่นเสียง • 2. คลื่นการกระจัดและคลื่นความดัน • 3. อัตราเร็วเสียง • 4. สมบัติของคลื่นเสียง • 4.1 การสะท้อนของคลื่นเสียง • 4.2 การหักเหของคลื่นเสียง • 4.3 การแทรกสอดของคลื่นเสียง • 4.4 การสั่นพ้อง • 4.5 การเลี้ยวเบนของคลื่นเสียง • 5. คลื่นเสียงกับการได้ยิน • 5.1 หูคนและกลไกลการได้ยิน • 5.2 ความเข้มและความดังของเสียง • 6. การเกิดบีตส์ • 7. ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ • 8. คลื่นกระแทก

6. 1. คลื่นเสียง (Sound waves) • คลื่นเสียงเกิดจากการสั่นสะเทือน เช่น • เคาะส้อมเสียง • ตีกลอง • ตีระฆัง http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l4c.html

7. 2. คลื่นการกระจัดและคลื่นความดัน • ไม่มีคลื่นเสียงผ่านเข้ามาในตัวกลาง โมเลกุลของตัวกลางจะอยู่นิ่ง และมีระยะห่างระหว่างโมเลกุลเท่า ๆ กัน • ขณะที่เสียงผ่านตัวกลาง ทำให้โมเลกุลของตัวกลางนั้นสั่นในแนวขนานกับความเร็วเสียง • ถ้ากำหนดให้ • โมเลกุลสั่นไปทางขวามีการกระจัด = + y • โมเลกุลสั่นไปทางซ้ายมีการกระจัด = - y

8. 2. คลื่นการกระจัดและคลื่นความดัน • กราฟการกระนัดของโมเลกุล เรียกว่า คลื่นการกระจัด • บริเวณที่โมเลกุลสั่นเข้าหากัน เรียกว่า ส่วนอัด (compression) • บริเวณที่โมเลกุลสั่นหนีจากกัน เรียกว่า ส่วนขยาย (rarefaction) • ระยะระหว่างส่วนขยาย-ส่วนขยาย = ระยะระหว่างส่วนอัด-ส่วนอัด = ความยาวคลื่น = λ http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

9. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

10. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

11. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

12. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l1c.html

13. 3. อัตราเร็วเสียง • อัตราเร็วเสียงในตัวกลางไม่เท่ากัน • สมการคำนวณหาอัตราเร็วเสียงในอากาศได้ V = 331 + 0.6t = fλ • เมื่อ V คือ อัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ t 0C มีหน่วยเป็น m/s • t คือ อัตราอุณหภูมิของอากาศ มีหน่วยเป็น 0C • f คือ ความถี่เสียง มีหน่วยเป็น Hz • λ คือ ความยาวคลื่นเสียง มีหน่วยเป็น m

14. อัตราเร็วเสียงในตัวกลางอัตราเร็วเสียงในตัวกลาง • v solids > v liquids > v gases • v = 331 m/s + (0.6 m/s/C)*T

15. แบบฝึกหัด (น. 183) • 1. จงหาอัตราเร็วเสียงในอากาศที่อุณหภูมิ 15 0C (340m/s) • 2. จงหาอัตราเร็วของส่วนอัด และอัตราเร็วของส่วนขยาย เมื่อคลื่นเสียงมีความถี่ 1,000 Hz และมีความยาวคลื่น 0.4 m(400m/s) • 3. จงหาความถี่ของเสียงกระดิ่งในอากาศที่อุณหภูมิ 15 0C เมื่อเสียงมีความยาวคลื่น 2 m (170Hz)

16. 4. สมบัติของคลื่นเสียง • 4.1 การสะท้อนของคลื่นเสียง • 4.2 การหักเหของคลื่นเสียง • 4.3 การแทรกสอดของคลื่นเสียง • 4.4 การสั่นพ้อง • 4.5 การเลี้ยวเบนของคลื่นเสียง

17. 4.1 การสะท้อนของคลื่นเสียง • การสะท้อนเป็นไปตามกฎการสะท้อนของคลื่นอื่น ๆ คือ 1. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ รังสีสะท้อน อยู่บนระนาบเดียวกัน 2. มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน • 1) เสียงสะท้อนกลับ (echo) • 2) อัลทราซาวด์และการประยุกต์ใช้งาน • 1. โซนาร์ (sonar) • 2. อัลทราซาวด์ (ultrasound)

18. Sonar (sound navigation and ranging) มีความถี่ในช่วง 20,000 - 50,000 Hz เช่น เสียงค้างคาว สุนัข ปลาโลมา เป็นต้น http://www.mod.uk/dpa/projects/sonarenvir/sonar_types.htm

19. Ultrasound http://blue.utb.edu/sonography/home.html http://www.washington.edu/newsroom/news/images/ultrasound/

20. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 4. ในอุณหภูมิ 200 เราต้องยืนห่างจากกำแพงใหญ่อย่างน้อยเท่าไร จึงจะได้ยินเสียงสะท้อนกลับ • (v = 343 m/s) • (L = 17.15 m)

21. 4.2 การหักเหของคลื่นเสียง คลื่นเสียงหักเหได้ เป็นไปตามกฎการหักเห เช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ ดังนี้ กฎข้อที่ 1 รังสีตกกระทบ รังสีหักเห และเส้นปกติอยู่บนระนาบเดียวกัน กฎข้อที่ 2 เป็นไปตามกฎของสเนลล์ดังนี้

22. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 5. เสียงเคลื่อนที่จากอากาศที่อุณหภูมิ 15 C0 ไปสู่อากาศที่อุณหภูมิ 90 C0 ด้วยมุมตกกระทบ 30 0 จงหามุมหักเห (sin-1 (0.566)) • 6. เสียงเคลื่อนที่จากอากาศด้วยความเร็ว 750 m/s ไปสู่น้ำ ถ้าเสียงเคลื่อนที่ในน้ำได้เร็ว 1,500 m/s จงหามุมวิกฤติ (300)

23. 4.3 การแทรกสอดของคลื่นเสียง • 1. ใช้แหล่งกำเนิดเสียงอาพันธ์ 2 แหล่ง • S1P - S2P = nλ ……….. antinode • S1P - S2P = (n - ½ )λ ……….. node • d = n (λ/2) , เมื่อ d = ระยะห่างระหว่าง S1S2 • 2. ใช้แหล่งกำเนิดเสียง 1 แหล่งและตัวสะท้อนเสียง • การคำนวณเหมือนกับลำโพง 2 ตัวหันหน้าเข้าหากัน นั่นคือ ใช้สมการ • d = n (λ/2) , เมื่อ n เป็นจำนวนลูพในช่วงระยะ d และ λ เป็นความยาวคลื่นเสียง

24. 4.3 การแทรกสอดของคลื่นเสียง • เสียงเป็นคลื่นตามยาว เกิดการแทรกสอดเช่นเดียวกับคลื่นอื่น ๆ ถ้ามีคลื่นอาพันธ์ 2 ขบวนรวมกัน • ได้คลื่นเสียงลัพธ์เป็นคลื่นนิ่ง โดยที่ • จุดปฏิบัพ (antinode) จะมีเสียงดังที่สุด • จุดบัพ (node) จะมีเสียงเบาที่สุด

25. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 7. ลำโพง 2 ตัวให้คลื่นเสียงมีความยาวคลื่น 0.5 m ชายคนหนึ่งอยู่ห่างจากลำโพงเป็นระยะ 7 , 5 m ตามลำดับ ชายคนนี้จะได้ยินเสียงอย่างไร (จุดปฏิบัพ ได้ยินเสียงดังที่สุด) • 8. ลำโพง 2 ตัวให้คลื่นเสียงมีความยาวคลื่น 0.4 m ชายคนหนึ่งอยู่ห่างจากลำโพงเป็นระยะ 7 , 6 m ตามลำดับ ชายคนนี้จะได้ยินเสียงอย่างไร (จุดบัพ ได้ยินเสียงเบาที่สุด) • 9. ลำโพง 2 ตัวให้คลื่นเสียงมีความยาวคลื่น 0.5 m และเฟสตรงกัน วางหันหน้าเข้าหากันอยู่ห่างกัน 1 m จงหาจำนวนบัพและปฏิบัพระหว่างลำโพงทั้งสอง (บัพ 4 จุด , ปฏิบัพ 3 จุด) • 10. ลำโพงตัวหนึ่งให้คลื่นเสียงมีความยาวคลื่น 0.5 m ไปสะท้อนที่ตัวสะท้อน ซึ่งห่างจาก 1 m จงหาจำนวนบัพและปฏิบัพระหว่างลำโพงกับตัวสะท้อน (บัพ 4 จุด , ปฏิบัพ 3 จุด)

26. 4.4 การสั่นพ้อง • การสั่นพ้อง (resonance) หรือการกำทอน คือ การที่ระบบสั่นอย่างรุนแรงเมื่อมีความถี่ภายนอกที่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของระบบมาใส่ให้ระบบนั้น เช่น • การสั่นของมวลที่ผูกติดกับปลายสปริง • การแกว่างของลูกตุ้มนาฬิกา

27. คำนิยาม ในกรณีที่มีความถี่ธรรมชาติหลายค่า • 1. ความถี่มูลฐาน (fundamental) คือ ความถี่ของเสียงต่ำสุดของความถี่ธรรมชาติ • 2. ฮาร์โมนิก (harmonics) คือ การสั่นที่มีความถี่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่มูลฐาน เช่น ถ้าให้ความถี่มูลฐานเป็น 50 รอบ/วินาที ฮาร์โมนิกที่ 2 หมายความว่า มีความถี่เป็นสองเท่าของความถี่มูลฐาน คือ 100 รอบ/วินาที • 3. โอเวอร์โทน (overtone) คือ การสั่นที่มีความถี่สูงขึ้นจากความถี่มูลฐาน โดยเป็นจำนวนเต็มเท่าความถี่มูลฐาน

28. harmonics http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l4d.html

29. harmonics http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l4d.html

30. harmonics http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l4c.html

31. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l5b.htmlhttp://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l5b.html

32. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 11) จงหาความถี่ของส้อมเสียงที่จ่อปากหลอดกำทอน แล้วเกิดกำทอนโอเวอร์โทนที่ 1 ตามรูป น.193 ถ้าขณะนั้นเสียงมีอัตราเร็ว 340 m/s(1,700 Hz)

33. 4.5 การเลี้ยวเบนของคลื่นเสียง • คลื่นเสียงจะเคลื่อนที่อ้อมสิ่งกีดขวางได้ • เช่น เสียงจากลำโพงเมื่อผ่านขอบผนังห้องมีคลื่นเสียงบางส่วนเลี้ยวเบนอ้อมขอบผนังห้องได้

34. 5. คลื่นเสียงกับการได้ยิน • 5.1 หูคนและกลไกลการได้ยิน • 5.2 ความเข้มและความดังของเสียง ความถี่ของเสียงที่คนปกติได้ยิน f = 20 – 20,000 Hz ความเข้มเสียงที่คนปกติได้ยิน I = 10-12 W/m2 ถึง 1 W/m2

35. 5.1 หูและการได้ยิน • หูคนเรามี 3 ส่วน คือ • 1. หูส่วนนอก • 2. หูส่วนกลาง • 3. หูส่วนใน • หูมีกระดูก 3 ชิ้น ได้แก่ • 1. กระดูกค้อน • 2. กระดูกทั่ง • 3. กระดูกโกลน

36. Anatomy of the human ear. http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l2d.html

37. Anatomy of the human ear. http://en.wikipedia.org/wiki/Eustachian_tube

38. เสียงที่คนปกติได้ยิน • คนปกติได้ยินเสียงอยู่ในช่วงความถี่ 20-20,000 Hz • ถ้าใช้ความถี่เป็นเกณฑ์จะแบ่งระดับเสียง (pitch) ได้ 2 ระดับ คือ • 1. เสียงสูง หรือเสียงแหลม (trebel) • 2. เสียงต่ำ หรือเสียงทุ้ม (bass)

39. เสียงคู่แปด (octave) http://www.christian-music-contest.com/recording-studio-design-1.html

40. 5.2 ความเข้มและความดังของเสียง • คนปกติจะได้ยินเสียงที่มีความเข้ม 10-12 – 1 W/m2 • ความเข้มเสียงมีหน่วยเป็น เดซิเบล (decible : dB) • ตั้งเป็นเกียรติกับ Alexander Graham Bell ผู้ประดิษฐ์โทรศัพท์เป็นคนแรก

41. Alexander Graham Bell http://www.24hourmuseum.org.uk/nwh_gfx_en/ART18568.html

42. ระดับความเข้มของเสียงระดับความเข้มของเสียง http://www.homepowersystems.net/store.asp?pid=2572&catid=19580

43. ความเข้มของเสียง • ความเข้มของเสียง คือ กำลังเสียงที่ตกกระทบในแนวตั้งฉากกับพื้นที่ ของหน้าคลื่นของทรงกลม 1 ตารางหน่วย ความเข้มสูงสุดที่มนุษย์ ทนได้ คือ 1 W/m2 • I = ความเข้มเสียง มีหน่วยเป็น วัตต์/ตารางเมตร (W/m2) • P = กำลัง มีหน่วยเป็น วัตต์ (W) • R = ระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง (m) • ระดับความเข้มของเสียง • I = ความเข้มของเสียง หน่วยเป็น W/m2 • I0 = ความเข้มของเสียงต่ำสุดที่คนเราจะได้ยิน 10-12 W/m2 • β = ระดับความเข้มเสียง หน่วยเป็น เดซิเบล (dB)

44. ตัวอย่างแบบฝึกหัด • 12) เสียงมีกำลังเสียง 6 x 10-3W ผ่านตั้งฉากหน้าต่างที่มีพื้นที่ 0.3 m2 จงหาความเข้มของเสียงนี้ (2 x 10-2W/m2) • 13) เสียงมีความเข้ม 2 x 10-2W/m2 ตกตั้งฉากพื้นที่ 5 x 10 -5m2 เป็นเวลา 20 s จงหาพลังงานของเสียงนี้ (2 x 10-5J) • 14) เสียงแผ่ออกจากจุดกำเนิดเสียง ซึ่งหน้าคลื่นจะเป็นทรงกลม ถ้าผู้ฟังอยู่ห่างจากจุดกำเนิดเสียง 5 m ได้รับความเข้มเสียง 3 x 10-2W/m2 ถามว่า จุดกำเนิดเสียงมีกำลังงานเท่าไร (9.4 W) • 15) เสียงมีความเข้มเสียง 2 x 10-2 W/m2 จะมีระดับความเข้มเสียงเท่าไร (103.01 dB) • 16) เสียงมีระดับความเข้ม 50 dB จะมีความเข้มเสียงเท่าไร (10-7W/m2)

45. 6. การเกิดบีตส์ • บีตส์ (beats) เกิดจากการแทรกสอดของคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่างกันไม่เกิน 7 Hertz • ความถี่บีตส์ คือ จำนวนครั้งของเสียงดังที่ได้ยินใน 1 วินาที • fb = f1 - f2 ; fb = ความถี่บีตส์ • ความถี่บีตส์ หาได้จากผลต่างของความถี่ของคลื่นเสียงทั้งสอง • ความถี่ที่หูได้ยิน • f1 , f2 = ความถี่ของคลื่นทั้งสอง

46. http://www.kr.ac.th/ebook2/jonkol/05.html

49. Beats • Beats are the periodic and repeating fluctuations heard in the intensity of a sound when two sound waves of very similar frequencies interfere with one another. • The beat frequency refers to the rate at which the volume is heard to be oscillating from high to low volume.

50. Beats http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/sound/u11l3a.html#beats