คลื่นในฟิสิกส์: ความหมาย ประเภท สูตร

คลื่นเป็นการรบกวนที่แพร่กระจายผ่านอวกาศโดยไม่มีการเคลื่อนย้ายสสาร มีเพียงพลังงานเท่านั้น

ธาตุที่ทำให้เกิดคลื่นเรียกว่าแหล่งกำเนิด เช่น หินที่โยนลงไปในแม่น้ำจะทำให้เกิดคลื่นเป็นวงกลม

คลื่นวงกลมบนพื้นผิวของของเหลว

ตัวอย่างของคลื่น ได้แก่ คลื่นทะเล คลื่นวิทยุ เสียง แสง เอ็กซ์เรย์ ไมโครเวฟ เป็นต้น

ส่วนของฟิสิกส์ที่ศึกษาคลื่นและลักษณะของคลื่นเรียกว่า undulatory

ลักษณะของคลื่น

ในการจำแนกลักษณะของคลื่น เราใช้ปริมาณต่อไปนี้:

• แอมพลิจูด: สอดคล้องกับความสูงของคลื่น กำหนดโดยระยะห่างระหว่างจุดสมดุล (พัก) ของคลื่นกับยอด โปรดทราบว่า "ยอด" หมายถึงจุดสูงสุดของคลื่น ในขณะที่ "หุบเขา" หมายถึงจุดต่ำสุด
• ความยาวคลื่น: แสดงด้วยอักษรกรีก lambda (λ) คือระยะห่างระหว่างหุบเขาหรือยอดสองหุบเขาที่ต่อเนื่องกัน
• ความเร็ว: แสดงด้วยตัวอักษร (v) ความเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับตัวกลางที่คลื่นกำลังแพร่กระจาย ดังนั้นเมื่อคลื่นเปลี่ยนตัวกลางการแพร่กระจาย ความเร็วของคลื่นก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้
• ความถี่: แทนด้วยตัวอักษร (f) ในระบบสากล ความถี่จะถูกวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) และสอดคล้องกับจำนวนการสั่นของคลื่นในช่วงเวลาที่กำหนด ความถี่ของคลื่นไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวกลางในการแพร่กระจาย แต่ขึ้นอยู่กับความถี่ของแหล่งกำเนิดที่สร้างคลื่นเท่านั้น
• เวลาที่แน่นอน: แทนด้วยตัวอักษร (T) ระยะเวลาที่สอดคล้องกับเวลาของความยาวคลื่น ในระบบสากล หน่วยวัดคาบเป็นวินาที

ประเภทของคลื่น

ส่วนเรื่อง ธรรมชาติมีสองประเภทของคลื่น:

• คลื่นกล: เพื่อให้เกิดการแพร่กระจาย คลื่นกลต้องการสื่อวัสดุ เช่น คลื่นเสียงและคลื่นบนเชือก
• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า: ในกรณีนี้ ไม่จำเป็นต้องมีสื่อวัสดุสำหรับการแพร่กระจายของคลื่น เช่น คลื่นวิทยุและแสง

การจำแนกคลื่น

ตามที่ ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นแบ่งออกเป็น:

• คลื่นมิติเดียว: คลื่นที่กระจายไปในทิศทางเดียว
  ตัวอย่าง: คลื่นบนเชือก
• คลื่นสองมิติ: คลื่นที่แพร่กระจายในสองทิศทาง
  ตัวอย่าง: คลื่นแพร่กระจายบนพื้นผิวของทะเลสาบ
• คลื่นสามมิติ: คลื่นที่แพร่กระจายในทุกทิศทางที่เป็นไปได้
  ตัวอย่าง: คลื่นเสียง

คลื่นยังสามารถจำแนกตาม ทิศทางการสั่นสะเทือน:

• คลื่นตามยาว: การสั่นสะเทือนของแหล่งกำเนิดขนานกับการกระจัดของคลื่น
  ตัวอย่าง: คลื่นเสียง

• คลื่นขวาง: แรงสั่นสะเทือนตั้งฉากกับการแพร่กระจายคลื่น
  ตัวอย่าง: โบกบนสตริง

สูตร

ความสัมพันธ์ระหว่างคาบและความถี่

คาบเป็นค่าผกผันของความถี่

ดังนั้น:

ความเร็วในการขยายพันธุ์

ความเร็วยังสามารถคำนวณเป็นฟังก์ชันของความถี่ แทนที่ช่วงเวลาสำหรับค่าผกผันของความถี่

เรามี:

ตัวอย่าง

คาบและความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นที่มีความถี่ 5Hz และความยาวคลื่น 0.2 ม. เป็นเท่าใด

เนื่องจากคาบเป็นค่าผกผันของความถี่ ดังนั้น:

ในการคำนวณความเร็วเราใช้ความยาวคลื่นและความถี่ดังนี้:

ปรากฏการณ์ลูกคลื่น

การสะท้อน

คลื่นที่แพร่กระจายในตัวกลางบางอย่างเมื่อเผชิญกับสิ่งกีดขวางอาจได้รับผลกระทบจากการสะท้อน นั่นคือ เพื่อย้อนกลับทิศทางการแพร่กระจาย

เมื่อสะท้อนกลับ ความยาวคลื่น ความเร็วการแพร่กระจาย และความถี่ของคลื่นจะไม่เปลี่ยนแปลง

ตัวอย่างคือเมื่อมีคนตะโกนในหุบเขาและได้ยินเสียงสะท้อนของเขาในไม่กี่วินาทีต่อมา

เราสามารถเห็นภาพของเราเองบนพื้นผิวที่ขัดเงาได้ผ่านการสะท้อนแสง

ภาพที่สะท้อนบนผิวน้ำอันเงียบสงบของทะเลสาบ

การหักเห

การหักเหเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเปลี่ยนตัวกลางการแพร่กระจาย ในกรณีนี้ อาจมีการเปลี่ยนแปลงค่าความเร็วและทิศทางการแพร่กระจาย

คลื่นบนชายหาดหักขนานกับชายฝั่งอันเนื่องมาจากปรากฏการณ์การหักเหของแสง การเปลี่ยนแปลงของความลึกของน้ำ (ตัวกลางในการแพร่กระจาย) ทำให้ทิศทางของคลื่นเปลี่ยนไปทำให้ขนานกับฝั่ง

การเลี้ยวเบน

คลื่นไปรอบ ๆ สิ่งกีดขวาง เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น เราบอกว่าคลื่นถูกเลี้ยวเบน

การเลี้ยวเบนทำให้เราได้ยิน เช่น คนที่อยู่อีกฟากหนึ่งของกำแพง

เมื่อผ่านสิ่งกีดขวางคลื่นจะกระจายออกไป

การรบกวน

เมื่อคลื่นสองคลื่นมาบรรจบกัน จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างแอมพลิจูดที่เรียกว่าการรบกวน

การรบกวนอาจเป็นแบบสร้างสรรค์ (แอมพลิจูดที่เพิ่มขึ้น) หรือแบบทำลายล้าง (แอมพลิจูดที่ลดลง)

คลื่นนิ่ง

คลื่นนิ่งเกิดจากการทับซ้อนของคลื่นคาบที่มีทิศทางเท่ากันและตรงกันข้าม

เมื่อเกิดการรบกวนอย่างสร้างสรรค์และทำลาย พวกมันจะแสดงจุดที่สั่นและจุดอื่นๆ ที่ไม่สั่น

เราสามารถสร้างคลื่นนิ่งบนเชือกที่มีปลายคงที่ ตัวอย่างเช่น บนสายกีตาร์

รู้ทั้งหมดเกี่ยวกับ:

• คลื่นเสียง
• ความเร็วของเสียง
• ความเร็วแสง
• พลังงาน
• คลื่นความโน้มถ่วง
• สูตรฟิสิกส์

แบบฝึกหัดสอบเข้า

1. (ENEM - 2016)

คลื่นไฟฟ้าหัวใจ การตรวจที่ใช้ในการประเมินสถานะของหัวใจของผู้ป่วย เป็นบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าของหัวใจในช่วงระยะเวลาหนึ่ง รูปนี้แสดงถึงการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจของผู้ป่วยผู้ใหญ่ที่ไม่สูบบุหรี่ที่พักผ่อนแล้วในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิพอเหมาะ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ อัตราการเต้นของหัวใจระหว่าง 60 ถึง 100 ครั้งต่อนาทีถือว่าปกติ

จากการตรวจคลื่นไฟฟ้าหัวใจ พบว่าอัตราการเต้นของหัวใจของผู้ป่วยคือ

ไม่ธรรมดา.
b) เหนือค่าในอุดมคติ
c) ต่ำกว่าค่าในอุดมคติ
ง) ใกล้ขีดจำกัดล่าง
จ) ใกล้ถึงขีดจำกัดบน

ดูคำตอบ

ทางเลือก c) ต่ำกว่าค่าในอุดมคติ

2. (ENEM 2013)

เมื่อเดินทางโดยเครื่องบิน ขอให้ผู้โดยสารปิดอุปกรณ์ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยหรือการรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขั้นตอนนี้ใช้เพื่อกำจัดแหล่งกำเนิดรังสีที่อาจรบกวนการสื่อสารทางวิทยุของนักบินกับหอควบคุม

คุณสมบัติของคลื่นที่ปล่อยออกมาซึ่งแสดงให้เห็นถึงขั้นตอนที่นำมาใช้คือความจริงที่ว่า

ก) มีเฟสตรงข้าม
b) เป็นทั้งเสียง
c) มีความเข้มผกผัน
d) อยู่ในช่วงเดียวกัน
จ) มีความถี่ใกล้เคียง

ดูคำตอบ

ทางเลือก e) มีความถี่ใกล้เคียง

3. (ENEM 2013)

การแสดงทั่วไปของแฟน ๆ ในสนามฟุตบอลคือเม็กซิกันโอลา ผู้ชมเส้นโดยไม่ต้องออกจากที่และไม่เคลื่อนไหวด้านข้างยืนและนั่งประสานกับผู้ที่อยู่ติดกัน ผลรวมกระจายไปทั่วผู้ชมสนาม ก่อตัวเป็นคลื่นที่ก้าวหน้า ดังที่แสดงในภาพประกอบ

คาดว่าความเร็วการแพร่กระจายของ "คลื่นมนุษย์" นี้คือ 45 กม./ชม. และแต่ละช่วงของการแกว่งจะมีคน 16 คนซึ่งยืนขึ้นและนั่งอย่างเรียบร้อยและเว้นระยะห่างกัน 80 ซม.
ในโอลาเม็กซิกันนี้ ความถี่คลื่นในหน่วยเฮิรตซ์ มีค่าใกล้เคียงกับ

ก) 0.3
ข) 0.5
ค) 1.0
ง) 1.9
จ) 3.7

ดูคำตอบ

ทางเลือก c) 1.0