ฟิสิกส์ ม.5: ตะลุยโจทย์แสงเชิงรังสี พร้อมเฉลย!
สวัสดีครับน้องๆ ม.5 ทุกคน! วันนี้พี่มีโจทย์ฟิสิกส์เรื่องแสงเชิงรังสี พร้อมเฉลยละเอียดมาให้น้องๆ ได้ฝึกทำกันจุใจไปเลย โจทย์เหล่านี้จะช่วยให้น้องๆ เข้าใจ concepts ต่างๆ เกี่ยวกับแสงได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการสะท้อน การหักเห เลนส์ หรือเครื่องมือทางทัศนศาสตร์ต่างๆ ถ้าพร้อมแล้วก็ไปลุยกันเลย!
ทำไมต้องแม่นเรื่องแสงเชิงรังสี?
แสงเชิงรังสี ถือเป็นพื้นฐานสำคัญมากๆ ในวิชาฟิสิกส์เลยนะ guys เพราะมันเป็นจุดเริ่มต้นของการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ทางแสงต่างๆ รอบตัวเรา ไม่ว่าจะเป็นการมองเห็น การทำงานของแว่นตา กล้องถ่ายรูป หรือแม้แต่เทคโนโลยีที่ซับซ้อนกว่านั้นอย่างพวกอุปกรณ์ทางการแพทย์ต่างๆ ถ้าเราไม่เข้าใจหลักการพื้นฐานของแสงเชิงรังสีแล้ว การเรียนฟิสิกส์ในระดับที่สูงขึ้นก็จะยากลำบากมากๆ เลยล่ะ
นอกจากนี้ ความเข้าใจในเรื่องแสง ยังมีประโยชน์ในการสอบเข้ามหาวิทยาลัยด้วยนะ ข้อสอบ PAT 2 หรือวิชาสามัญฟิสิกส์ มักจะมีโจทย์เกี่ยวกับแสงเชิงรังสีออกมาให้น้องๆ ได้ประลองฝีมือกันอยู่เสมอ การฝึกทำโจทย์เยอะๆ จะช่วยให้น้องๆ คุ้นเคยกับรูปแบบของโจทย์ และสามารถทำข้อสอบได้อย่างมั่นใจมากยิ่งขึ้น
ที่สำคัญที่สุด การเรียนฟิสิกส์ไม่ใช่แค่การท่องจำสูตรหรือ definitions ต่างๆ นะ แต่เป็นการทำความเข้าใจหลักการและนำไปประยุกต์ใช้ในการแก้ปัญหาต่างๆ ได้จริง ซึ่งการฝึกทำโจทย์นี่แหละที่จะช่วยให้น้องๆ พัฒนาทักษะการคิดวิเคราะห์และการแก้ปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพ
โจทย์ปัญหาแสงเชิงรังสี พร้อมเฉลยละเอียด
มาเริ่มตะลุยโจทย์กันเลยดีกว่า! พี่ได้รวบรวมโจทย์ที่น่าสนใจและครอบคลุมเนื้อหาสำคัญๆ มาให้น้องๆ ได้ฝึกทำกัน โจทย์แต่ละข้อจะมีเฉลยละเอียดพร้อมคำอธิบาย เพื่อให้น้องๆ เข้าใจแนวคิดและวิธีการแก้ปัญหาได้อย่างชัดเจน
โจทย์ข้อที่ 1: แสงเดินทางจากอากาศเข้าสู่แก้วที่มีดัชนีหักเห 1.5 ถ้ามุมตกกระทบเท่ากับ 30 องศา จงหามุมหักเห
เฉลย: จากกฎของสเนลล์ (Snell's Law) ที่ว่า n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂ เมื่อ n₁ คือดัชนีหักเหของตัวกลางที่ 1, θ₁ คือมุมตกกระทบ, n₂ คือดัชนีหักเหของตัวกลางที่ 2, และ θ₂ คือมุมหักเห
ในที่นี้ n₁ = 1 (อากาศ), θ₁ = 30°, n₂ = 1.5 (แก้ว) ดังนั้น
1 * sin(30°) = 1.5 * sin(θ₂) sin(θ₂) = sin(30°) / 1.5 = 0.5 / 1.5 = 1/3 θ₂ = arcsin(1/3) ≈ 19.47°
ดังนั้น มุมหักเหมีค่าประมาณ 19.47 องศา
โจทย์ข้อที่ 2: วางวัตถุไว้หน้าเลนส์นูนที่มีความยาวโฟกัส 10 cm โดยวัตถุอยู่ห่างจากเลนส์ 15 cm จงหาตำแหน่งของภาพ ชนิดของภาพ และกำลังขยาย
เฉลย: จากสูตรของเลนส์ (Lens Formula) ที่ว่า 1/f = 1/v + 1/u เมื่อ f คือความยาวโฟกัส, v คือระยะภาพ, และ u คือระยะวัตถุ
ในที่นี้ f = 10 cm, u = 15 cm ดังนั้น
1/10 = 1/v + 1/15 1/v = 1/10 - 1/15 = (3 - 2) / 30 = 1/30 v = 30 cm
ดังนั้น ภาพเกิดขึ้นที่ระยะ 30 cm หลังเลนส์
ชนิดของภาพ: เนื่องจาก v เป็นบวก แสดงว่าเป็นภาพจริง
กำลังขยาย (Magnification): m = -v/u = -30/15 = -2
ดังนั้น กำลังขยายเท่ากับ -2 ซึ่งหมายความว่าเป็นภาพจริง หัวกลับ และมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุ 2 เท่า
โจทย์ข้อที่ 3: ชายคนหนึ่งมองวัตถุใต้น้ำ โดยวัตถุอยู่ลึกจากผิวน้ำ 2 เมตร เขาจะเห็นวัตถุอยู่ที่ความลึกเท่าไร ถ้าดัชนีหักเหของน้ำเท่ากับ 4/3
เฉลย: ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการหักเหของแสง เมื่อแสงเดินทางจากน้ำสู่อากาศ ภาพที่เห็นจะตื้นกว่าความเป็นจริง
ความลึกปรากฏ (Apparent Depth) = ความลึกจริง (Real Depth) / ดัชนีหักเหของน้ำ
ในที่นี้ ความลึกจริง = 2 เมตร, ดัชนีหักเหของน้ำ = 4/3 ดังนั้น
ความลึกปรากฏ = 2 / (4/3) = 2 * (3/4) = 1.5 เมตร
ดังนั้น ชายคนนั้นจะเห็นวัตถุอยู่ที่ความลึก 1.5 เมตร
โจทย์ข้อที่ 4: จงอธิบายหลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และส่วนประกอบที่สำคัญ
เฉลย: กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Optical Microscope) เป็นเครื่องมือที่ใช้ขยายภาพของวัตถุขนาดเล็กที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า โดยอาศัยหลักการหักเหของแสงผ่านเลนส์
ส่วนประกอบที่สำคัญ:
- เลนส์ใกล้วัตถุ (Objective Lens): เป็นเลนส์ที่อยู่ใกล้กับวัตถุมากที่สุด มีหน้าที่ขยายภาพวัตถุให้เป็นภาพจริงหัวกลับ
- เลนส์ใกล้ตา (Eyepiece Lens): เป็นเลนส์ที่ผู้ใช้มองผ่าน มีหน้าที่ขยายภาพจากเลนส์ใกล้วัตถุให้เป็นภาพเสมือนหัวตั้ง เพื่อให้ผู้ใช้สามารถมองเห็นภาพที่ขยายได้
- แหล่งกำเนิดแสง (Light Source): ให้แสงสว่างส่องผ่านวัตถุ เพื่อให้สามารถมองเห็นภาพได้ชัดเจน
- แท่นวางวัตถุ (Stage): เป็นที่สำหรับวางวัตถุที่ต้องการศึกษา
- ปุ่มปรับภาพหยาบ (Coarse Adjustment Knob) และปุ่มปรับภาพละเอียด (Fine Adjustment Knob): ใช้สำหรับปรับระยะโฟกัสของเลนส์ เพื่อให้ได้ภาพที่คมชัด
หลักการทำงาน:
แสงจากแหล่งกำเนิดแสงส่องผ่านวัตถุ จากนั้นเลนส์ใกล้วัตถุจะทำหน้าที่ขยายภาพวัตถุให้เป็นภาพจริงหัวกลับ ภาพนี้จะถูกขยายอีกครั้งโดยเลนส์ใกล้ตา ทำให้ได้ภาพเสมือนหัวตั้งที่มีขนาดใหญ่กว่าวัตถุมาก ผู้ใช้ก็จะสามารถมองเห็นภาพที่ขยายนี้ได้ผ่านเลนส์ใกล้ตา
โจทย์ข้อที่ 5: จงอธิบายปรากฏการณ์การเกิดรุ้งกินน้ำ และเงื่อนไขที่ทำให้เกิดรุ้งกินน้ำ
เฉลย: รุ้งกินน้ำ (Rainbow) เป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่เกิดจากการหักเหและการสะท้อนของแสงอาทิตย์ในหยดน้ำในอากาศ ทำให้เกิดเป็นแถบสีต่างๆ ปรากฏบนท้องฟ้า
หลักการเกิดรุ้งกินน้ำ:
- แสงหักเหเข้าสู่หยดน้ำ: เมื่อแสงอาทิตย์เดินทางเข้าสู่หยดน้ำ แสงจะหักเหเนื่องจากความแตกต่างของดัชนีหักเหระหว่างอากาศและน้ำ
- แสงสะท้อนภายในหยดน้ำ: แสงที่หักเหเข้าไปในหยดน้ำจะสะท้อนกับผิวด้านในของหยดน้ำ
- แสงหักเหออกจากหยดน้ำ: เมื่อแสงสะท้อนออกมาจากหยดน้ำ แสงจะหักเหอีกครั้งขณะเดินทางออกจากหยดน้ำ
- การกระจายแสง: การหักเหของแสงแต่ละสีจะแตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้แสงสีต่างๆ แยกออกจากกันและปรากฏเป็นแถบสีรุ้ง
เงื่อนไขที่ทำให้เกิดรุ้งกินน้ำ:
- แสงอาทิตย์: ต้องมีแสงอาทิตย์ส่องมาด้านหลังผู้สังเกต
- หยดน้ำในอากาศ: ต้องมีหยดน้ำในอากาศ เช่น หลังฝนตก หรือบริเวณน้ำตก
- ตำแหน่งของผู้สังเกต: ผู้สังเกตจะต้องอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม โดยมีแสงอาทิตย์อยู่ด้านหลัง และมีหยดน้ำอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม
Tips & Tricks พิชิตโจทย์แสงเชิงรังสี
- จำสูตรให้แม่น: สูตรต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแสงเชิงรังสี เช่น กฎของสเนลล์ สูตรของเลนส์ กำลังขยาย เป็นสิ่งที่ต้องจำให้ได้ เพื่อนำไปใช้ในการแก้ปัญหา
- วาดรูปช่วย: การวาดรูปประกอบโจทย์จะช่วยให้น้องๆ เห็นภาพรวมของสถานการณ์ และเข้าใจโจทย์ได้ง่ายขึ้น
- ฝึกทำโจทย์หลากหลาย: การฝึกทำโจทย์หลายๆ แบบจะช่วยให้น้องๆ คุ้นเคยกับรูปแบบของโจทย์ และสามารถนำความรู้ไปประยุกต์ใช้ได้
- ทำความเข้าใจ concepts: อย่าเน้นแต่การจำสูตร แต่ต้องทำความเข้าใจหลักการและ concepts ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแสงเชิงรังสี
- ทบทวนสม่ำเสมอ: การทบทวนเนื้อหาอย่างสม่ำเสมอจะช่วยให้น้องๆ ไม่ลืมสิ่งที่ได้เรียนรู้ไป
สรุป
เป็นยังไงกันบ้างครับน้องๆ กับโจทย์ฟิสิกส์เรื่องแสงเชิงรังสีที่พี่นำมาฝากกันในวันนี้ หวังว่าน้องๆ จะได้ความรู้และเทคนิคต่างๆ กลับไปใช้ในการเรียนและการสอบนะครับ อย่าลืมฝึกทำโจทย์เยอะๆ และทบทวนเนื้อหาอย่างสม่ำเสมอ แล้วน้องๆ จะเก่งฟิสิกส์ได้อย่างแน่นอน! ถ้ามีคำถามหรือข้อสงสัยอะไรเพิ่มเติม สามารถสอบถามพี่ได้เลยนะครับ :)
