การจัดประสบการณ์ทางวิทยาศาสตร์เพื่อเด็กปฐมวัย: บันทึกการเรียนรู้ ครั้งทึ่ 9 วันที่ 16 สิงหาคม 2554

ให้ดูวีดิโอ เรื่อง เเสง

แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง เดินทางในรูปเคลื่อนที่มีอัตราเร็วสูง สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่บนโลกไม่สามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่มีแสง แหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญที่สุดของเราคือดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม เราสามารถผลิตแสงได้เองเช่นกันโดยใช้ไฟฟ้า

ถ้าลำแสงผ่านควันหรือฝุ่นละออง จะเห็นลำแสงนี้เป็นเส้นตรงด้วยอัตราเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แสงสามารถผ่านวัตถุบางชนิดได้ แต่แสงไม่สามารถผ่านวัตถุทึบแสงได้ เช่น แผ่นเหล็ก ผนังคอนกรีต กระดาษหนาๆ เป็นต้น วัตถุทึบแสงจะสะท้อนแสงบางส่วนและดูดกลืนแสงไว้บางส่วน และเกิดเงาได้เมื่อใช้วัตถุแสงกั้นลำแสงไว้ วัตถุโปร่งใส หมายถึง วัตถุที่ยอมให้แสงเคลื่อนที่เป็นตรงเส้นผ่านไปได้ เช่น อากาศ น้ำ เป็นต้น เราสามารถมองผ่านวัตถุโปร่งใส เห็นสิ่งต่างๆได้ (ภาพที่ 12.1) แสงสามารถผ่านวัตถุโปร่งใสได้ เช่น กระจกฝ้า กระดาษฝ้า พลาสติกฝ้า วัตถุเหล่านี้ จะกระจายแสงออกไปโดยรอบ ทำให้แสงเคลื่อนที่ไม่เป็นเส้นตรงเมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัตถุโปร่งแสง
ภาพที่ 12.1 แสดงวัตถุโปร่งใส (วัชรา ทับอัตตานนท์ : 2543, 15)

แสงจากดวงอาทิตย์เป็นแสงขาว ซึ่งประกอบด้วยแสง 7 สี ผสมอยู่ด้วยกัน เราสามารถใช้ปริซึมแยกลำแสงขาวออกเป็นแสงทั้ง 7 สีได้ โดยจะเห็นเป็นแถบของแสงสีทั้งหมดเรียงติดกัน เราเรียกว่า สเปกตรัม (Spectrum) ในธรรมชาติสิ่งที่มีสมบัติเป็นปริซึม ได้แก่ หยดน้ำฝน ละอองไอน้ำ โดยภายหลังจากฝนตกเมื่อแสงแดดส่องกระทบหยดน้ำฝนหรือละออง ไอน้ำ เราจะมองเห็นแสงแดดเป็นแถบสีทั้ง 7 สี ปรากฏขึ้นบนท้องฟ้า ที่เรียกว่า รุ้งกินน้ำ (ภาพที่ 12.2) สำหรับในอากาศหรือสูญอากาศ แสงทั้ง 7 สี จะเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 3 x 10⁸ เมตรต่อวินาที เท่ากันทุกสี แต่หากเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง เช่น แก้ว กระดาษ พลาสติก แสงแต่ละสีจะมีอัตราเร็วในการเคลื่อนที่ไม่เท่ากัน โดยจะมีอัตราเร็วน้อยกว่าการเคลื่อนที่ในสุญญากาศ(สุญญากาศ คือ บริเวณที่ว่างเปล่าปราศจากอากาศ) เมื่อแสงเคลื่อนที่จากอากาศไปยังตัวกลาง หรือจากตัวกลางไปยังอากาศ หรือเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง 2 ชนิด จะทำให้อัตราเร็วของแสงและทิศการเคลื่อนที่ของแสงเปลี่ยนไป เราเรียนว่า แสงเกิดการหักเห ในตัวกลางที่หนาแน่นนั้น แสงสีแดงจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าสีม่วง ทำให้แสงสีแดงเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่น้อยกว่าแสงสีม่วง ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการกระจายแสงสีขาวออกเป็น 7 สี นั้นเอง
ภาพที่ 12.2 การแสดงการกระจายของแสงขาว (บุญถึง แน่นหนา : 2544, 60)
เราอาจใช้แสงเพียง 3 สีรวมกันเป็นแสงขาวได้ เรียกว่า สีปฐมภูมิ(primarycolours) ได้แก่ แสงสีน้ำเงิน แสงสีเขียว และแสงสีแดง เมื่อมีปฐมภูมิทั้ง 3 นี้รวมกันจะได้แสงขาว (ภาพที่ 12.3) ถ้านำแสงสีปฐมภูมิ 2 สี มารวมกันจะได้ สีทุติยภูมิ(secondary colours) ซึ่งแสงของสีที่จะได้จากการผสมสีทุติยภูมิจะมีความแตกต่างกันในระดับความเข้มสีและความสว่างของแสง
ภาพที่ 12.3 แสดงแสงขางประกอบด้วยแม่สีทั้งสามตามสัดส่วนที่เหมาะสม (บุญถึงแน่นหนา : 2544, 62)
เรามองเห็นวัตถุโปร่งแสงด้วยตังเองไม่ได้เพราะมีแสงส่องมากระทบและสะท้อนจากวัตถุนั้นเข้าสู่นัยน์ตาของเรา และสีของวัตถุก็ขึ้นอยู่กับคุณภาพของแสงที่สะท้อนนั้นด้วย โดยวัตถุสีน้ำเงินจะสะท้อนออกไปมากที่สุด สะท้อนแสงสีค้างเคียงออกไปบ้างเล็กน้อย และดูดกลืนแสงสีอื่น ๆ ไว้หมด ส่วนวัตถุสีแดงจะสะท้อนแสงสีแดงออกไปมากที่สุด มีสีข้างเคียงสะท้อนออกไปเล็กน้อยและดูดกลืนแสงสีอื่น ๆ ไว้หมดสำหรับสีดำจะดูดกลืนทุกแสงสีและสะท้อนกลับได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น
ภาพที่ 12.4 แสดงการมองเห็นสีแดง (มานี จันทามล, 2545 : 103)
แสงที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง เมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่ต่างกัน จะเกิดการหักเห แต่จะผ่านเป็นเส้นตรงเมื่อเดินผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นเท่ากันหรือเป็นตัวกลางชนิดเดียวกัน เลนส์และปริซึมเป็นอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของลำแสงที่ส่องผ่าน ต่างกันตรงที่ปริซึมสามารถแยกลำแสงที่ส่องผ่านออกเป็นแสงสีต่างๆ ตามองค์ประกอบของแสงนั้น ๆ หรือที่เรียกว่า สเปกตรัม (spectrum) (ภาพที่ 12.5)
ภาพที่12.5 แสดงปริซึมแยกลำแสง เรียกว่า สเปกตรัม (บุญถึง แน่นหนา : 2544,62)

แสงเมื่อเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังตัวกลางอีกชนิดหนึ่งที่เป็นตัวกลางโปร่งใสและมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน ความเร็วในการเดินทางของแสงจะเปลี่ยนไป เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อย แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ ถ้าแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปหาตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยแสงจะหักเหออกจาเส้นปกติ ดังนั้นแสงเมื่อเดินทางในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมาก ความเร็วของแสงจะลดลง จึงทำให้ลำแสงเบนไปจากแนวเดิม เรียกว่า แสงเกิดการหักเห (ภาพที่ 12.6)
ภาพที่ 12.6 แสดงการหักเหแสงในตัวกลางต่างกัน (ยุพา วรยศ, 2547 : 127)

ภาพที่ 12.7 แสกงการหักเหของแสง (บุญถึง แน่นหนา, 2544 : 56)
แสงเมื่อเดินทางตกกระทบผิวหน้าของวัตถุอันหนึ่ง เช่น แสงเดินทางจากอากาศมากระทบแก้วโปร่งใส แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับ อีกส่วนหนึ่งจะเดินทางผ่านเข้าไปในแก้ว และแสงจะหักเหเข้าหาเส้นปกติ เมื่อแสงเดินทางออกจากแก้วมาสู่อากาศ แสงจะหักเหออกจากเส้นปกติ ลำแสงก่อนตกกระทบแก้ว และลำแสงที่ออกจากแก้วจึงมีลักษณะขนานกัน เมื่อจุ่มหลอดดูดลงไปในน้ำที่บรรจุอยู่ในถ้วยแก้วจึงมองดูเหมือนกับว่าหลอดดูดส่วนที่จมอยู่ในน้ำโค้งงอ มีขนาดใหญ่กว่าส่วนที่อยู่เหนือน้ำ และปลาย ล่างสุดของหลอดดูดสูงขึ้นมากันแก้วที่เป็นเช่นนี้เพราะแสงจากหลอดดูดเกิดการหักเห ขณะเดินทางผ่านน้ำผ่านแก้ว และผ่านอากาศมาเข้าตาของเรา (ภาพที่ 12.7 ก) การหักเหของแสงทำให้เรามองเห็นภาพของวัตถุอันหนึ่งที่จมอยู่ก้นสระน้ำอยู่ตื้นกว่า ความเป็นจริง (ภาพที่ 12.7 ข) ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะแสงจากก้นสระว่ายน้ำจะหักเหเมื่อเดินทางจากน้ำสู่อากาศ ทั้งนี้เพราะความเร็วของแสงที่เดินทางในอากาศเร็วกว่าเดินทางในน้ำ จึงทำให้้แสงช่วงที่ออกจากน้ำสู่อากาศหักเหออกจากเส้นปกติ จึงทำให้เห็นภาพของวัตถุอยู่ตื้นกว่าความเป็นจริง (ภาพที่ 12.8)
ภาพที่ 12.8 แสดงการหักเหของแสงทำให้เราเห็นวัตถุใต้น้ำผิด ไปจากค่าความจริง (บุญถึง แน่นหนา : 2544, 56)

แสงที่เดินทางจากตัวกลางที่โปร่งแสงไปสู่ตัวกลางที่โปร่งใส เช่น จากแก้วไปสู่อากาศ ถ้ามุมตกกระทบน้อย กว่า 42 องศา แสงบางส่วนจะสะท้อนกลับและบางส่วนจะทะลุออกอากาศ แต่ถ้าที่มุมแก้วตกกระทบแก้วกับ 42 องศา แสงจะสะท้อนกลับคืนสู่แก้วหมดไม่มีแสงออกจากอากาศเลย ลักษณะเช่นนี้เรียกว่า การสะท้อนกลับหมด นั้นคือ รอยต่อแก้วกับอากาศทำหน้าที่เสมือนการตกกระทบที่จะทำให้แสงสะท้อนกลับหมด ซึ่งจะมีค่าแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลาง (ภาพที่ 12.9)

ภาพที่ 12.9 แสดงการสะท้อนกลับหมด (บุญถึง แน่นหนา, 2544 : 56)
เมื่อแสงตกกระทบวัตถุ แสงบ่างส่วนจะสะท้อนจากวัตถุ ถ้าแสงสะท้อนจากวัตถุเข้าสู่นัยน์ตาจะเกิดการมองเห็นและรับรู้เกี่ยวกับวัตถุนั้นได้

ภาพที่ 12.10 แสดงการสะท้อนของแสง (มานี จันทวิมล, 2545 : 103)
จากรูป เมื่อแสงตกกระทบวัตถุทึบแสงผิงเรียบสามารถใช้เส้นตรงและหัวลูกศรแสดงทิศทางของรังสีตกกระทบและรังสีสะท้อน เมื่อลากเส้นทางเดินของแสงเมื่อตกกระทบวัตถุจะเกิดมุม 2 มุม โดยเรียกมุมอยู่ระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นปกติกว่า”มุมตกกระทบ” และเรียกมุมที่อยู่ระหว่างรังสีสะท้อนกับเส้นปกติว่า”มุมสะท้อน” (ภาพที่12.10) ซึ่งการสะท้อนแสงบนผิววัตถุอธิบายได้ด้วย กฎการสะท้อน ดังนี้ 1. รังสีตกกระทบ เส้นปกติ และรังสีสะท้อนอยู่ในระนาบเดียวกัน 2. มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน เมื่อแสงตกกระทบวัตถุผิวเรียบเกิดการสะท้อนของแสงอย่างเป็นระเบียบ แต่ถ้าแสงตกกระทบพื้นผิวขรุขระ แสงสะท้อนจะสะท้อนอย่างกระจัดกระจายดัง (ภาพที่ 12.11)
ภาพที่ 12..11 แสดงการสะท้อนของแสง (บุญถึง แน่นหนา : 2544, 53)
มุมวิกฤต (criticsl angle) เป็นมุมตกกระทบค่าหนึ่งทำให้เกิดมุมหักเหมีค่าเป็น 90 องศา มุมวิกฤตจะเกิดขึ้นได้เมื่อรังสีตกกระทบผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า เช่น เมื่อแสงผ่านแก้วสู่อากาศด้วยมุมวิกฤต จะทำให้แนวรังสีหักเหทับอยู่บนรอยต่อของตัวกลางทั้งสอง การสะท้อนกลับหมด (total reflection) เกิดจากการเดินทางของแสงจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า เมื่อแสงเคลื่อนที่ถึงรอยต่อระหว่างตัวกลางจะเกิดการสะท้อนกลับสู่ตรงกลางเดิม การสะท้อนกลับหมดจะเกิดขึ้นเมื่อมุมตกกระทบมีค่ามากกว่ามุมวิกฤต ทำให้ลำแสงไม่หักเหเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า แต่เกิดการสะท้อนกลับหมดแทน เช่น การสะท้อนกลับหมดของแสงในเส้นใยนำแสงในการแสดงดนตรีบนเวที (ภาพที่ 12.12)
ภาพที่ 12.12 แสดงการสะท้อนกลับมาของแสง (บุญถึง แน่นหนา, 2544 : 53)
มิราจ (mirage) หรือภาพลวงตา เป็นปรากฏการณ์ซึ่งเกิดจากการหักเหของแสงเนื่องจากชั้นของอากาศที่แสงเดิมทางผ่านมีอุณหภูมิต่างกัน แล้วเกิดการสะท้อนกลับหมด เช่น - การมองเห็นต้นไม้กลับหัว - การมองเห็นเหมือนมีน้ำหรือน้ำมันนองพื้นถนน ในวันที่มีอากาศร้อนจัด (ภาพที่ 12.13) - การมองเห็นภาพบิดเบี้ยว เนื่องจากไอของความร้อนขยายตัวลอยสูงขึ้นจากผิวถนน
ภาพที่ 12.13 แสดงการเกิดภาพลวงตา (บุญถึง แน่นหนา, 2544 : 57)