คลื่น

คลื่นน้ำในบ่อน้ำ, เสียงพูด, แสงจากดาวไกล — ทั้งหมดคือคลื่นที่นำพลังงานจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวดูดกลืน. ส่วนนี้ครอบคลุมเนื้อหา AQA GCSE Physics 8463, หัวข้อ 4.6 คลื่น.

วิธีการทดสอบหัวข้อนี้ในการสอบ:

• ใบงาน 2 มีหัวข้อนี้อยู่. $T = 1/f$, $v = f\lambda$ และการขยายภาพ อาจถูกให้ไว้ในตารางสูตร; ตรวจสอบรอบการสอบ.
• การสะท้อน (RP9), เสียง, คลื่นการตรวจจับ, เลนส์, แสงที่มองเห็นได้ และรังสีของวัตถุดำเป็น เฉพาะฟิสิกส์; เสียงและการตรวจจับเป็น เฉพาะ HT เท่านั้น; ส่วนหนึ่งของคุณสมบัติ EM เป็น เฉพาะ HT เท่านั้น
• การทดลองที่ต้องทำ: RP8 (ความเร็วคลื่นในถาดคลื่นและของแข็ง) RP9 (การสะท้อนและการหักเห, ฟิสิกส์เท่านั้น), และ RP10 (การดูดกลืนและการแผ่รังสีอินฟราเรดโดยพื้นผิว).
• คุณต้อง วาดแผนภาพเส้นแสง สำหรับการสะท้อน การหักเห และเลนส์

คลื่นยาวตามทางแสดงถึง ส่วนหนาแน่นสูง (อนุภาคถูกบีบอัด) และ ส่วนหนาแน่นต่ำ (อนุภาคกระจายตัว)

หลักฐานว่าคลื่นเดินทาง ไม่ใช่วัสดุ: คลื่นน้ำเคลื่อนผ่านบ่อน้ำแต่อนุภาคสั่นสะเทือนรอบตำแหน่งสมดุล, โดยไม่มีการขนส่งมวลสารโดยรวมในโมเดลนี้. ลูกบอลลอยเด้งขึ้นลงเมื่อคลื่นผ่าน; อนุภาคอากาศสั่นสะเทือนเมื่อเสียงผ่าน.

• ความเร็วคลื่นคือความเร็วที่ พลังงานถูกถ่ายโอน ผ่านตัวกลาง
• อ่านค่าความยาวคลื่นและความยาวแอมพลิจูดได้จากแผนภาพที่มีป้ายกำกับโดยตรง

ตัวอย่างวิธีทำ คลื่นน้ำมีความถี่ 2.0 Hz และความยาวคลื่น 0.35 m

ตัวอย่างวิธีทำ (kHz). เสียงที่มีความถี่ 4.0 kHz เดินทางด้วยความเร็ว 330 m/s.

• เปลี่ยนหน่วย: $f = 4000$ Hz
  $$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{330}{4000} = 0.0825 \approx 8.3\times10^{-2}\ \text{m}$$

การวัดความเร็วของคลื่น (RP8)

• คลื่นripple: มอเตอร์แบบแท่งตรงสร้างหน้าคลื่นเป็นเส้นตรง วัดระยะผ่านหลายช่วงยอดคลื่นต่อยอดคลื่นเต็มๆ บนผิวน้ำโดยใช้สเกลที่ปรับค่าได้แล้วหารด้วยจำนวนช่วง หากวัดลวดลายที่ฉายภาพให้แก้ไขตามการขยายขนาด วัดเวลาผ่านหลายรอบเต็มๆ ที่จุดคงที่: $f=N/t$, แล้ว $v=f\lambda$. รักษาความลึกของน้ำให้คงที่และทำซ้ำ.
• คลื่นในของแข็ง: ขับเคลื่อนเชือกตึงด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาณ ปรับความถี่ให้ได้ลูกคลื่นนิ่งชัดเจน; ลูกคลื่นแต่ละลูกคือครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น สำหรับ $n$ ลูกคลื่นบนความยาว $L$, $\lambda=2L/n$. อ่านค่า $f$ จากเครื่องกำเนิดและคำนวณ $v=f\lambda$; ควบคุมแรงดึงและชนิดของเชือก.
• ความเร็วเสียง: วัดระยะตั้งฉาก $d$ จากกำแพงขนาดใหญ่. จับเวลาช่วง $t$ จากเสียงดังฉับพลันไปจนถึงเสียงสะท้อน; เสียงเดินทาง $2d$, ดังนั้น $v=2d/t$. ทำซ้ำและหาค่าเฉลี่ย; บันทึกเสียงด้วยอิเล็กทรอนิกส์ลดข้อผิดพลาดเวลาตอบสนอง. ทางเลือกอื่นคือใช้เครื่องตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์สองตัวห่างกันเป็นระยะที่วัดได้สำหรับเวลาเดินทางทางเดียว

(ฟิสิกส์เท่านั้น) เสียงเปลี่ยนสื่อ: ที่ขอบเขตที่หยุดนิ่งพร้อมแหล่งกำเนิดที่หยุดนิ่ง ความถี่จะคงที่ ถ้าความเร็วเปลี่ยนแปลง ความยาวคลื่นจะเปลี่ยนแปลงในอัตราส่วนเดียวกันเนื่องจาก $\lambda=v/f$.

ที่ขอบเขต พลังงานตกกระทบบางส่วนอาจถูก สะท้อน, ดูดกลืน และ ส่งผ่าน:

• การสะท้อนแบบ specular: จากพื้นผิวเรียบ เป็นทิศทางเดียว;
• การสะท้อนแบบ diffuse: จากพื้นผิวขรุขระ แพร่กระจาย;
• การดูดกลืน: พลังงานคงอยู่ในวัสดุ; การส่งผ่าน: ผ่านออกไปด้านอื่น

สร้างแผนภาพรังสีการสะท้อน: เส้นฉาก ตั้งฉากกับพื้นผิวที่จุดตกกระทบ; มุมตกเท่ากับมุมสะท้อน — วัดทั้งสองมุมจากเส้นฉาก

RP9: ชนแสงจากกล่องลำแสงไปยังกระจกแบน / พื้นผิวขรุขระ; ตัดเส้นรังสีตกและรังสีสะท้อนด้วยดินสอ วัดมุมด้วยโปรเทคเตอร์; สำหรับการหักเห ให้ส่องแสงผ่านบล็อกแก้วแล้วตัดเส้นทางการหักเหที่แต่ละขอบเขต

เสียงเดินทางผ่านของแข็งเป็นการสั่นสะเทือน ในหู คลื่นเสียงทำให้เยื่อหูและส่วนอื่นๆ สั่นสะเทือน → การสั่นสะเทือนส่งผ่านโครงสร้างหูและแปลงเป็นสัญญาณที่สมองตีความ การทำงานนี้เกิดขึ้นในช่วงความถี่จำกัด: การได้ยินของมนุษย์ครอบคลุม 20 Hz ถึง 20 kHz. ตัวอย่างการแปลง: ไดอะแฟรมไมค์, หนังกลอง, กระจกสั่นเมื่ออยู่ใกล้ลำโพงเบส

• อัลตราโซนิก: ความถี่เกิน 20 kHz; ถูกสะท้อนบางส่วนที่ขอบเขตระหว่างสื่อ; เวลาเสียงสะท้อนให้ระยะถึงขอบเขต ($s = vt$, โดยเส้นทางมักไป-กลับ) การใช้ประโยชน์: การตรวจครรภ์ด้วยแพทย์ (ไม่มีการไอออนไนซ์ หลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากการไอออนไนซ์ของรังสีเอกซ์), การตรวจสอบความเสียหายในอุตสาหกรรม
• คลื่นไหวสะเทือน: แผ่นดินไหวสร้าง คลื่น P (ตามยาว) และ คลื่น S (ตามขวาง) ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกันผ่านโลก; คลื่น P ผ่านของเหลวได้ แต่คลื่น S ไม่สามารถ — เขตเงาแสดงโครงสร้างชั้นของโลก การวัดความลึกด้วยเสียงสะท้อน ใช้พัลส์อัลตราโซนิก/เสียงเพื่อทำแผนที่พื้นทะเล

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดเป็น คลื่นขวาง ถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวดูดกลืน They สร้าง สเปกตรัมต่อเนื่อง และเดินทางด้วยความเร็ว เท่ากันในสุญญากาศ (ประมาณเท่ากันในอากาศ) ($3\times10^8$ m/s). จากความยาวคลื่นยาวไปสั้น:

ตาตรวจพบเฉพาะแสงที่มองเห็นได้ — ซึ่งเป็นช่วงแคบๆ

อันตราย: UV ทำให้ผิวเสื่อมสภาพก่อนวัยและเพิ่มความเสี่ยงมะเร็งผิวหนัง; รังสีเอกซ์และรังสีแกมมามีความเป็นไอออน — สามารถกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมและก่อให้เกิดมะเร็ง ปริมาณรังสี ในหน่วยซีเวอร์วัดความเสี่ยงต่อความเสียหาย (1000 mSv = 1 Sv; จำหน่วยไม่จำเป็น) สรุปข้อมูลจากค่าปริมาณรังสี

พื้นผิวอินฟราเรด (RP10)

เปรียบเทียบการแผ่รังสีอินฟราเรดจากพื้นผิวต่างๆ ของคิวบ์เลสลี่ที่มีน้ำร้อน ใช้เครื่องตรวจจับอินฟราเรดแบบไม่สัมผัสอยู่ที่ ระยะและมุมเดียวกัน จากแต่ละด้าน; รักษาสีน้ำให้คงที่มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ลบค่าพื้นหลังหากจำเป็น ทำซ้ำและเปรียบเทียบค่าเฉลี่ย หลีกเลี่ยงการสัมผัสพื้นผิวร้อน พื้นสีดำด้านและโลหะมันวางมีความ emissivity ต่างกัน; สีที่มองเห็นไม่ได้กำหนดการแผ่รังสีอินฟราเรดเพียงอย่างเดียว

เพื่อเปรียบเทียบ การดูดกลืน ให้วางภาชนะที่มีพื้นผิวต่างกันแต่เหมือนกันทุกอย่างไว้ใต้แหล่งกำเนิดอินฟราเรดเดียวกัน ควบคุมระยะแหล่งกำเนิด เวลาการเปิดรับ อุณหภูมิเริ่มต้น มวลน้ำ และวัสดุภาชนะให้เท่ากัน บันทึกการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและทำซ้ำ การเพิ่มขึ้นที่มากกว่าภายใต้การควบคุมเหล่านี้บ่งชี้ถึงการดูดกลืนที่มากขึ้น การทดลองการแผ่รังสีและการดูดกลืนวัดปริมาณที่ต่างกัน; อย่าตีความค่าเครื่องตรวจจับว่าเป็นอุณหภูมิ

(HT) การสั่นสะเทือนในวงจรไฟฟ้าสร้างคลื่นวิทยุ คลื่นวิทยุที่ถูกดูดกลืนก่อให้เกิดกระแสสลับในวงจรรับสัญญาณที่มีความ ความถี่เดียวกัน การเปลี่ยนแปลงในนิวเคลียสของสารสามารถสร้างรังสีแกมมาได้

(HT) สารดูดกลืน ส่งผ่าน หักเหง หรือสะท้อนรังสี EM ในลักษณะที่แตกต่างกันตามความยาวคลื่น; การหักเหมาจากการ การเปลี่ยนแปลงความเร็ว ระหว่างสาร. แสดงการหักเหบนแผนภาพรังสี (โค้งเข้าหาเส้นปกติเมื่อช้าลงที่มุมเอียง; ไม่มีการเปลี่ยนทิศทางที่มุมตกตั้งฉาก) และบน แผนภาพหน้าคลื่น (หน้าคลื่นอยู่ใกล้กันมากขึ้นในสื่อที่ช้ากว่า)

เลนส์สร้างภาพโดยการ หักเห แสง:

• ลensedแบบนูน: รังสีขนานจะรวมกันที่ จุดโฟกัสหลัก; ความยาวโฟกัส = ระยะจากเลนส์ถึงจุดโฟกัส; ภาพเป็นจริงหรือลวงได้
• เว้า: รังสีกระจาย; สำหรับวัตถุจริง ภาพจะเป็น ภาพเสมือน, ตั้งตรง และเล็กกว่าวัตถุ

กฎวาดเส้นรังสี (ใช้สองเส้นหาตำแหน่งภาพ): รังสีขนานกับแกนหักเหผ่านจุดโฟกัส (เลนส์นูน) หรือดูเหมือนมาจากจุดโฟกัส (เลนส์เว้า); รังสีผ่านศูนย์กลางเลนส์เดินทางตรงต่อไป

• อัตราส่วน, ไม่มีหน่วย; ใช้ความสูงทั้งสองเป็นมิลลิเมตรหรือเซนติเมตรอย่างใดอย่างหนึ่ง

ตัวอย่างวิธีทำ. วัตถุมีความสูง 5.0 มิลลิเมตร เกิดภาพมีความสูง 20 มิลลิเมตร

สีสเปกตรัมสอดคล้องกับช่วงของความยาวคลื่น (แดงยาวที่สุด, ม่วงสั้นที่สุดในย่านที่มองเห็นได้) ผสมผสานของความยาวคลื่นสามารถสร้างสีที่รับรู้ได้เช่นกัน

• ฟิลเตอร์ ดูดกลืนบางความยาวคลื่นและส่งผ่านความยาวคลื่นอื่น (ฟิลเตอร์สีแดงส่งผ่านแสงสีแดง)
• สีของวัตถุ ทึบแสง = ความยาวคลื่นที่มัน สะท้อนอย่างเข้ม; ส่วนที่เหลือถูกดูดกลืน ภายใต้แสงสีขาว พื้นผิวที่สะท้อนทุกความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ทั้งหมดอย่างเข้มจะปรากฏเป็นสีขาว; หนึ่งดูดกลเกือบทั้งหมดจะปรากฏเป็นสีดำ ทำนายกรณีแสงสีจากความยาวคลื่นที่มีอยู่จริง
• วัตถุ โปร่งแสง/กึ่งโปร่งแสง ส่งผ่านแสงได้
• การสะท้อนแบบ specular กับ diffuse (จากหัวข้อการสะท้อน) อธิบายว่าทำไมพื้นผิวเรียบสีแดงจึงดูเงางามแต่กระดาษดูด้าน

วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ แผ่รังสีความร้อน และสามารถดูดกลืนรังสีอินฟราเรดได้ ที่อุณหภูมิในชีวิตประจำวัน การแผ่รังสีส่วนใหญ่จะเป็นรังสีอินฟราเรด วัตถุยิ่งร้อนมากเท่าไร จะแผ่รังสีออกมามากต่อวินาทีเท่านั้น

วัตถุดำสมบูรณ์ ดูดกลืนรังสีตกกระทบทั้งหมด — ไม่มีการสะท้อน ไม่มีการส่งผ่าน — และ (ตัวดูดกลืนดี = ตัวแผ่รังสีดี) จึงเป็น ตัวแผ่รังสีที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้

ความเข้มและการกระจายความยาวคลื่น ของรังสีที่แผ่ออกมาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของร่างกาย: ร้อนขึ้น → ความเข้มเพิ่มขึ้น, และจุดสูงสุดเลื่อนไปยังความยาวคลื่นสั้นลง

(HT) ในโมเดลที่การแผ่รังสีเป็นการถ่ายโอนพลังงานสุทธิเพียงอย่างเดียว วัตถุที่มีอุณหภูมิคงที่จะ ดูดกลืนในอัตราเดียวกันกับการแผ่รังสี สำหรับวัตถุจริง ต้องพิจารณาการนำความร้อนและการพาความร้อนด้วย

ในโมเดลที่พิจารณาเฉพาะการแผ่รังสี การดูดกลืนมากกว่าการแผ่รังสี → อุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิของโลก ขึ้นอยู่กับสมดุลของการดูดกลืนและการแผ่รังสี รวมถึงการสะท้อนกลับสู่อวกาศ — ใช้เพื่ออธิบายภาวะโลกร้อนและตัวอย่างแบบค่าสะท้อนแสงของน้ำแข็ง และอ่านแผนภาพมาตรฐาน

• นิยามแอมพลิจูด ความยาวคลื่น ความถี่ ระยะเวลา; ใช้ $T = 1/f$ และ $v = f\lambda$ พร้อมพหุภาค
• อธิบาย RP8 ในอ่างripple และบนเชือก; อธิบายวิธีการวัดความเร็วเสียง
• (ฟิสิกส์เท่านั้น) วาดแผนภาพการสะท้อนและการหักเหของแสงพร้อมเส้นฉาก; RP9
• อธิบาย RP10 ด้วยระยะทาง อุณหภูมิ และการได้รับรังสีที่ควบคุมไว้; แยกแยะการแผ่รังสีออกจากการดูดกลืน
• ท่องลำดับสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า; เชื่อมโยงการใช้งานและความเสี่ยงพร้อมเหตุผล; เปรียบเทียบข้อมูลปริมาณรังสี
• (ฟิสิกส์เท่านั้น) วาดแผนภาพรังสีเลนส์ (นูน/เว้า); การขยายเป็นอัตราส่วนไม่มีหน่วย
• (ฟิสิกส์เท่านั้น) อธิบายสีจากการสะท้อน, การใช้ฟิลเตอร์จากการส่งผ่านแสง
• (ฟิสิกส์เท่านั้น) การแผ่รังสีของวัตถุดำ, การดูดกลืน และการสมดุลการแผ่รังสีของโลก (HT)