ตะลุยโจทย์ฟิสิกส์ ม.5 เรื่องแสง พร้อมเฉลยละเอียด!

สวัสดีครับน้องๆ ม.5 ทุกคน! วันนี้พี่จะพาน้องๆ มาตะลุยโจทย์ฟิสิกส์เรื่องแสงกันแบบจัดเต็ม พร้อมเฉลยละเอียดทุกข้อ เพื่อให้น้องๆ เข้าใจเนื้อหาและนำไปประยุกต์ใช้ในการสอบได้อย่างมั่นใจ! เรื่องแสงเป็นบทที่สำคัญมากๆ ในวิชาฟิสิกส์ ม.5 เพราะเป็นพื้นฐานที่สำคัญในการเรียนเรื่องทัศนอุปกรณ์และปรากฏการณ์ทางแสงต่างๆ ดังนั้นการฝึกทำโจทย์เยอะๆ จะช่วยให้น้องๆ แม่นยำในเนื้อหาและพร้อมรับมือกับทุกสนามสอบแน่นอน ไปลุยกันเลย!

โจทย์ปัญหาเรื่องแสงพร้อมเฉลยละเอียด

โจทย์ข้อที่ 1: การสะท้อนของแสง

โจทย์: แสงจากแหล่งกำเนิดแสงหนึ่งเดินทางไปยังกระจกเงาเรียบ ทำมุมตกกระทบ 30 องศา จงหา

1. มุมสะท้อน
2. มุมที่รังสีตกกระทบทำกับผิวของกระจก

เฉลย:

1. จากกฎการสะท้อนของแสง มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน ดังนั้นมุมสะท้อนจึงเท่ากับ 30 องศา

2. มุมที่รังสีตกกระทบทำกับผิวของกระจก = 90 องศา – มุมตกกระทบ = 90 – 30 = 60 องศา

อธิบายเพิ่มเติม: น้องๆ ต้องจำให้แม่นเลยนะว่ากฎการสะท้อนบอกว่ามุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ และมุมทั้งสองวัดจากเส้นแนวฉากที่ลากตั้งฉากกับผิวของกระจก ณ จุดที่แสงตกกระทบ โจทย์ข้อนี้เป็นโจทย์พื้นฐานที่เน้นการทำความเข้าใจกฎการสะท้อนของแสง ถ้าน้องๆ เข้าใจคอนเซ็ปต์นี้แล้ว ข้อต่อไปก็จะง่ายขึ้นเยอะเลยครับ

ทำไมข้อนี้ถึงสำคัญ: ข้อนี้เป็นเหมือนการวอร์มอัพให้น้องๆ คุ้นเคยกับคำศัพท์และคอนเซ็ปต์พื้นฐานเกี่ยวกับการสะท้อนของแสง การเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบ มุมสะท้อน และผิวของกระจก จะเป็นประโยชน์อย่างมากในการทำโจทย์ที่ซับซ้อนขึ้นในภายหลัง นอกจากนี้ การฝึกวาดภาพประกอบโจทย์จะช่วยให้น้องๆ เห็นภาพรวมของสถานการณ์และวิเคราะห์โจทย์ได้ง่ายขึ้นด้วยนะ

โจทย์ข้อที่ 2: การหักเหของแสง

โจทย์: แสงเดินทางจากอากาศเข้าสู่แก้วที่มีดรรชนีหักเห 1.5 ถ้ามุมตกกระทบในอากาศเท่ากับ 45 องศา จงหามุมหักเหในแก้ว

เฉลย:

จากกฎของสเนลล์: n1sinθ1 = n2sinθ2

• n1 = ดรรชนีหักเหของอากาศ ≈ 1
• θ1 = มุมตกกระทบในอากาศ = 45 องศา
• n2 = ดรรชนีหักเหของแก้ว = 1.5
• θ2 = มุมหักเหในแก้ว (สิ่งที่เราต้องการหา)

แทนค่าในสมการ: 1sin45° = 1.5sinθ2

sinθ2 = sin45° / 1.5 = (√2 / 2) / 1.5 ≈ 0.471

θ2 = arcsin(0.471) ≈ 28.1 องศา

ดังนั้น มุมหักเหในแก้วมีค่าประมาณ 28.1 องศา

อธิบายเพิ่มเติม: ข้อนี้เป็นตัวอย่างการใช้กฎของสเนลล์ในการคำนวณมุมหักเห น้องๆ ต้องจำกฎของสเนลล์ให้ได้แม่นๆ เลยนะ และต้องระวังเรื่องหน่วยของมุมด้วย โดยทั่วไปเราจะใช้หน่วยเป็นองศา นอกจากนี้ น้องๆ ต้องเข้าใจความหมายของดรรชนีหักเหด้วย ดรรชนีหักเหเป็นค่าที่บอกว่าแสงเดินทางในตัวกลางนั้นๆ ได้ช้าลงกี่เท่าเมื่อเทียบกับความเร็วแสงในสุญญากาศ

ทำไมข้อนี้ถึงสำคัญ: โจทย์ข้อนี้จะช่วยให้น้องๆ เข้าใจถึงปรากฏการณ์การหักเหของแสง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่แสงเปลี่ยนทิศทางเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่แตกต่างกัน การหักเหของแสงเป็นสิ่งที่อธิบายการเกิดภาพลวงตาต่างๆ เช่น การมองเห็นวัตถุที่อยู่ในน้ำแล้วดูเหมือนว่าวัตถุนั้นอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง นอกจากนี้ การหักเหของแสงยังเป็นหลักการทำงานของเลนส์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์ทางทัศนศาสตร์ต่างๆ เช่น กล้องถ่ายรูป กล้องโทรทรรศน์ และแว่นตา

โจทย์ข้อที่ 3: เลนส์นูน

โจทย์: วางวัตถุสูง 5 เซนติเมตร ห่างจากเลนส์นูนที่มีความยาวโฟกัส 10 เซนติเมตร เป็นระยะ 15 เซนติเมตร จงหา

1. ตำแหน่งของภาพ
2. ขนาดของภาพ
3. ชนิดของภาพ

เฉลย:

1. จากสูตรเลนส์: 1/f = 1/v + 1/u

• f = ความยาวโฟกัส = 10 เซนติเมตร
• u = ระยะวัตถุ = 15 เซนติเมตร
• v = ระยะภาพ (สิ่งที่เราต้องการหา)

แทนค่าในสมการ: 1/10 = 1/v + 1/15

1/v = 1/10 – 1/15 = 1/30

v = 30 เซนติเมตร

ดังนั้น ตำแหน่งของภาพอยู่ห่างจากเลนส์ 30 เซนติเมตร

2. จากสูตรกำลังขยาย: M = -v/u = hi/ho

• M = กำลังขยาย
• hi = ความสูงของภาพ (สิ่งที่เราต้องการหา)
• ho = ความสูงของวัตถุ = 5 เซนติเมตร

แทนค่าในสมการ: M = -30/15 = -2

hi = M * ho = -2 * 5 = -10 เซนติเมตร

ดังนั้น ขนาดของภาพเท่ากับ 10 เซนติเมตร (เครื่องหมายลบแสดงว่าเป็นภาพจริงหัวกลับ)

3. ชนิดของภาพ: เนื่องจาก v เป็นบวก และ M เป็นลบ ดังนั้นภาพเป็นภาพจริง หัวกลับ และมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุ

อธิบายเพิ่มเติม: โจทย์ข้อนี้เป็นการประยุกต์ใช้สูตรเลนส์และสูตรกำลังขยายในการคำนวณหาตำแหน่ง ขนาด และชนิดของภาพที่เกิดจากเลนส์นูน น้องๆ ต้องจำสูตรทั้งสองให้ได้ และต้องเข้าใจความหมายของเครื่องหมายบวกและลบในสูตรด้วย เครื่องหมายบวกของ v หมายถึงภาพจริง ส่วนเครื่องหมายลบหมายถึงภาพเสมือน เครื่องหมายบวกของ M หมายถึงภาพหัวตั้ง ส่วนเครื่องหมายลบหมายถึงภาพหัวกลับ

ทำไมข้อนี้ถึงสำคัญ: เลนส์นูนเป็นอุปกรณ์ทางทัศนศาสตร์ที่สำคัญและมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน การเข้าใจหลักการทำงานของเลนส์นูนจะช่วยให้น้องๆ เข้าใจการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น กล้องถ่ายรูป กล้องโทรทรรศน์ แว่นขยาย และแว่นสายตา นอกจากนี้ การทำโจทย์เกี่ยวกับเลนส์นูนยังช่วยให้น้องๆ พัฒนาทักษะการแก้ปัญหาและการวิเคราะห์ ซึ่งเป็นทักษะที่สำคัญในการเรียนวิทยาศาสตร์

โจทย์ข้อที่ 4: การแทรกสอดของแสง

โจทย์: แสงความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร ส่องผ่านสลิตคู่ที่มีระยะห่างระหว่างสลิต 0.1 มิลลิเมตร จงหาระยะห่างระหว่างแถบสว่างที่อยู่ติดกันบนฉากที่วางห่างจากสลิตคู่ 1 เมตร

เฉลย:

จากสูตรการแทรกสอดของแสง: Δy = λL/d

• Δy = ระยะห่างระหว่างแถบสว่างที่อยู่ติดกัน (สิ่งที่เราต้องการหา)
• λ = ความยาวคลื่นของแสง = 500 นาโนเมตร = 500 x 10^-9 เมตร
• L = ระยะห่างระหว่างสลิตคู่กับฉาก = 1 เมตร
• d = ระยะห่างระหว่างสลิตคู่ = 0.1 มิลลิเมตร = 0.1 x 10^-3 เมตร

แทนค่าในสมการ: Δy = (500 x 10^-9 * 1) / (0.1 x 10^-3) = 0.005 เมตร = 5 มิลลิเมตร

ดังนั้น ระยะห่างระหว่างแถบสว่างที่อยู่ติดกันบนฉากเท่ากับ 5 มิลลิเมตร

อธิบายเพิ่มเติม: โจทย์ข้อนี้เป็นการประยุกต์ใช้สูตรการแทรกสอดของแสงในการคำนวณหาระยะห่างระหว่างแถบสว่างที่อยู่ติดกัน น้องๆ ต้องจำสูตรนี้ให้ได้ และต้องระวังเรื่องหน่วยด้วย โดยทั่วไปเราจะใช้หน่วยเป็นเมตร นอกจากนี้ น้องๆ ต้องเข้าใจว่าการแทรกสอดของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากการรวมกันของคลื่นแสงตั้งแต่สองคลื่นขึ้นไป ทำให้เกิดแถบสว่างและแถบมืดสลับกัน

ทำไมข้อนี้ถึงสำคัญ: การแทรกสอดของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่แสดงให้เห็นถึงสมบัติความเป็นคลื่นของแสง การเข้าใจปรากฏการณ์นี้จะช่วยให้น้องๆ เข้าใจถึงธรรมชาติของแสงได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น นอกจากนี้ การแทรกสอดของแสงยังเป็นหลักการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เกรตติง (diffraction grating) ซึ่งใช้ในการแยกแสงออกเป็นสเปกตรัม

โจทย์ข้อที่ 5: การเลี้ยวเบนของแสง

โจทย์: แสงความยาวคลื่น 600 นาโนเมตร ส่องผ่านช่องแคบที่มีความกว้าง 2 ไมโครเมตร จงหามุมที่แถบมืดแรกปรากฏ

เฉลย:

จากสูตรการเลี้ยวเบนของแสง: asinθ = mλ

• a = ความกว้างของช่องแคบ = 2 ไมโครเมตร = 2 x 10^-6 เมตร
• θ = มุมที่แถบมืดแรกปรากฏ (สิ่งที่เราต้องการหา)
• m = อันดับของแถบมืด = 1 (สำหรับแถบมืดแรก)
• λ = ความยาวคลื่นของแสง = 600 นาโนเมตร = 600 x 10^-9 เมตร

แทนค่าในสมการ: (2 x 10^-6)sinθ = 1 * (600 x 10^-9)

sinθ = (600 x 10^-9) / (2 x 10^-6) = 0.3

θ = arcsin(0.3) ≈ 17.5 องศา

ดังนั้น มุมที่แถบมืดแรกปรากฏมีค่าประมาณ 17.5 องศา

อธิบายเพิ่มเติม: โจทย์ข้อนี้เป็นการประยุกต์ใช้สูตรการเลี้ยวเบนของแสงในการคำนวณหามุมที่แถบมืดแรกปรากฏ น้องๆ ต้องจำสูตรนี้ให้ได้ และต้องระวังเรื่องหน่วยด้วย โดยทั่วไปเราจะใช้หน่วยเป็นเมตร นอกจากนี้ น้องๆ ต้องเข้าใจว่าการเลี้ยวเบนของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่แสงเบี่ยงเบนไปจากแนวตรงเมื่อผ่านสิ่งกีดขวางที่มีขนาดเล็ก หรือผ่านช่องแคบ

ทำไมข้อนี้ถึงสำคัญ: การเลี้ยวเบนของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่แสดงให้เห็นถึงสมบัติความเป็นคลื่นของแสงอีกเช่นกัน การเข้าใจปรากฏการณ์นี้จะช่วยให้น้องๆ เข้าใจถึงธรรมชาติของแสงได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น นอกจากนี้ การเลี้ยวเบนของแสงยังเป็นหลักการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์ ซึ่งใช้ในการขยายภาพวัตถุขนาดเล็ก

สรุป

เป็นยังไงกันบ้างครับน้องๆ กับโจทย์ฟิสิกส์เรื่องแสงที่พี่นำมาฝากในวันนี้ หวังว่าน้องๆ จะได้ฝึกฝีมือและเข้าใจเนื้อหาเรื่องแสงมากขึ้นนะครับ อย่าลืมกลับไปทบทวนเนื้อหาและทำโจทย์เพิ่มเติมเยอะๆ นะครับ เพื่อเตรียมตัวให้พร้อมสำหรับการสอบ ไฟติ้ง! ขอให้น้องๆ ทุกคนประสบความสำเร็จในการเรียนนะครับ! หากมีข้อสงสัยหรืออยากให้พี่ทำโจทย์เรื่องอะไรเพิ่มเติม สามารถคอมเมนต์บอกได้เลยนะครับ แล้วเจอกันใหม่ในบทความหน้าครับ บ๊ายบาย!