Lab9 grp5 week

กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year ปฏิบัตกิ ารที่ 9 การวัดความเร็วแสง (Measuring the velocity of light) Members Group#5: นายรัฐพงศ์ นางสาวฤทัยชนก นายวรายุทธ ช่วยชู แก้ววิรัตน์ ศรี เทพ ID: 581031331 ID: 581031332 ID: 581031333 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year ปฏิบัติการที่ 9 การวัดความเร็วแสง (Measuring the velocity of light) คาถามการทดลอง (Question from Observation) 1. เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่แตกต่างกัน ความเร็ วแสงจะแตกต่างกันอย่างไร 2. เมื่อความเร็ วแสงต่างกัน ค่าดัชนีหกั เหของตัวกลางจะแตกต่างกันอย่างไร สมมติฐาน (Hypothesis) 1. ถ้าแสงเคลื่อนที่ในตัวกลางที่ต่างกันแล้วความเร็ วแสงจะแตกต่างกัน 2. ถ้าความเร็ วแสงต่างกันแล้วค่าดัชนีหกั เหของตัวกลางจะแตกต่างกัน วัตถุประสงค์ (Objectives) 1. เพื่อหาค่าความเร็ วแสงในตัวกลางชนิดต่าง ๆ 2. เพื่อหาความสัมพันธ์ของความเร็ วแสงว่าเกี่ยวข้องกับสิ่ งใดบ้าง ทฤษฎี (Theories) แสง (Light) แสดงสมบัติ เ ป็ นทั้ง คลื่ น และอนุ ภ าค แสงในสมบัติ ค วามเป็ นคลื่ น เรี ย กว่า คลื่ น แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves) และแสงในสมบัติของอนุภาค เรี ยกอนุภาคแสงว่า โฟตอน (Photon) ในสุ ญญากาศแสงจะเคลื่อนที่เป็ นเส้นตรงในรู ปแบบของรังสี ด้วยความเร็ วสู งมาก รังสี ของแสงเดินทางใน สุ ญญากาศด้วยความเร็ ว 186,000 ไมล์ (297,600 กิโลเมตรต่อวินาที) เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้นว่าแสงเดิ นทางได้ เร็ วแค่ไหน ลองพิจารณาระหว่างดวงอาทิตย์และโลกของเราคือ 93,000,000 ไมล์ แสงใช้เวลาเดินทางเพียง 8 นาที แม้วา่ แสงจะเดิ นทางเป็ นเส้นตรงแต่รังสี ของแสงสามารถถู กทาให้เบี่ยงเบนหรื อหักเหได้ เมื่อแสง เคลื่อนที่ผา่ นน้ าหรื อผ่านแก้ว รังสี ของแสงจะเอียงเป็ นมุมต่าง ๆ ได้ หลังจากรังสี แสงทะลุ ผา่ นวัตถุ ขา้ งต้น แล้ว รังสี จะเคลื่ อนในแนวตรงอีกถึ งแม้ว่าทิศทางของรังสี จะเปลี่ยนไปจากเดิ มก่อนที่จะเคลื่อนที่ผ่านแก้ว หรื อน้ า ซึ่ งความเร็ วแสงในตัวกลางต่างๆ จะมีค่าไม่เท่ากัน และทุกความเร็ วแสงจะมีค่าน้อยกว่าความเร็ ว แสงในสุ ญญากาศ ความเร็ วแสงที่ได้จากสมการแมกซ์เวลล์ ดังต่อไปนี้ c = 1 ε 0μ 0 (9.1) กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year เมื่อ ε 0 = 8.854  10−12 F/m เป็ นค่าคงที่สนามไฟฟ้า μ 0 = 1.257 10 − 6 H/m เป็ นค่าคงที่สนามแม่เหล็ก ความเร็ วแสงในตัวกลางใด ๆ มีค่าเป็ น v= 1 (9.2) εμ ε = relative permitivity ของตัวกลาง μ = relative permeability ดัชนีหกั เหของกลางเป็ นผลหารระหว่างความเร็ วแสงในสุ ญญากาศและความเร็ วแสงในตัวกลาง n = c εμ = L ε 0μ 0 cM (9.3) โดย μ = 1 สาหรับสารโปร่ งแสงมากที่สุด n คือ ค่าดัชนีหก ั เหในตัวกลาง คือ ความเร็ วแสงในสุ ญญากาศ c คือ ความเร็ วแสงในตัวกลาง c แสง (Light) ก็เป็ นการแผ่รังสี แม่เหล็กไฟฟ้าในบางส่ วนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ า หมายถึง แสง ที่มองเห็นได้ ซึ่ งตามนุษย์มองเห็นได้และทาให้เกิดสัมผัสการรับรู ้ภาพโดยแสงที่มองเห็นได้ปกติมีความยาว คลื่นอยู่ในช่ วง 400–700 นาโนเมตรซึ่ งอยู่ระหว่าง อินฟราเรดและอัลตราไวโอเล็ต มีแหล่งกาเนิ ดจากดวง อาทิ ตย์ ดาวฤกษ์ แร่ ต่า งๆ เช่ น แร่ ฟ ลู ออไรต์ (fluorite) แร่ อดาไมท์ (adamite) เป็ นต้น และ จากมนุ ษ ย์ สร้างขึ้นเช่น หลอดไฟ กองไฟ สารเรื องแสง เป็ นต้น คุ ณสมบัติปฐมภูมิของแสงที่มองเห็ นได้ คือ ความเข้ม ทิศทางการแผ่ สเปกตรัมความถี่หรื อความ ยาวคลื่น และโพลาไรเซชัน (polarization) ส่ วนความเร็ วในสุ ญญากาศของแสง 299,792,458 เมตรต่อวินาที เป็ นค่าคงตัวมูลฐานหนึ่งของธรรมชาติ แสงที่มองเห็นได้มีการแผ่และดูดซับในโฟตอนและแสดงคุณสมบัติ ของทั้งคลื่ นและอนุ ภาค คุ ณสมบัติน้ ี เรี ยก ทวิภาคของคลื่ น –อนุ ภาค การศึกษาแสง ที่เรี ยก ทัศนศาสตร์ เป็ นขอบเขตการวิจยั ที่สาคัญในวิชาฟิ สิ กส์สมัยใหม่ L M อัต ราเร็ วของแสง (speed of light) ในสุ ญญากาศ มี นิย ามว่า เท่ า กับ 299,792,458 เมตรต่ อ วิ น าที (หรื อ 1,079,252,848.8 กิ โลเมตรต่อชัว่ โมง หรื อประมาณ 186,282.397 ไมล์ต่อวินาที หรื อ 670,616,629.4 ไมล์ต่อชัว่ โมง) ค่านี้ เขียนแทนด้วยตัว c ซึ่ งมาจากภาษาละตินคาว่า celeritas (แปลว่า อัตราเร็ ว) และเรี ยกว่า เป็ นค่ า คงที่ ข องไอน์ส ไตน์ แสงเป็ นสิ่ ง ที่ แปลกประหลาดนั่นคื อไม่ ว่า ผูส้ ั ง เกตจะเคลื่ อนที่ หรื อหยุ ด นิ่ ง Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year ไม่วา่ จะอยูใ่ นสถานที่ใด ด้วยเงื่อนไขใด อัตราเร็ วของแสงที่ผสู ้ ังเกตคนนั้นวัดได้ จะเท่าเดิมเสมอ ซึ่ งขัดกับ ความรู ้สึกของคนทัว่ ไป แต่เป็ นไปตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพ ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ การหักเหของแสง (Refraction)คือ การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง เมื่อแสงเคลื่อนที่จาก ตัว กลางชนิ ด หนึ่ ง ไปยัง อี ก ตัว กลางชนิ ด หนึ่ ง ที่ มี ค วามหนาแน่ น แตกต่ า งกัน สาเหตุ ที่ ท าให้ แ สงหัก เห เนื่ องจากอัตราเร็ วของแสงในตัวกลางทั้งสองไม่เท่ากัน แต่ความถี่ของแสงยังคงเท่าเดิ ม การหักเหของแสง เกิดขึ้นตรงผิวรอยต่อของตัวกลาง โดยสมบัติเกี่ยวกับการหักเหของแสงเรี ยกว่า ค่าดรรชนีหกั เห ค่ าดรรชนีหักเห (Refractive index) ในตัวกลางใดๆ คื อ อัตราส่ วนระหว่างอัตราเร็ วของแสงใน สุ ญญากาศกับอัตราเร็ วของแสงในตัวกลางนั้นๆ n= เมื่อ c v คือ อัตราเร็ วแสงในสุ ญญากาศ มีค่า 3x108 m/s v คือ อัตราเร็ วแสงในตัวกลางนั้นๆ n สมการการเคลื่อนทีใ่ น 1 มิติ s = vt เวลา (Time, t) การที่จะทราบว่าวัตถุเคลื่อนที่หรื อไม่ จะเริ่ มจากการสังเกตวัตถุน้ นั ในช่วงเวลาหนึ่ ง ซึ่ งจุดที่เริ่ มสังเกตจะนับเวลาเริ่ มต้น ณ จุดนั้นมีค่า t = 0 จากนั้นเมื่อเวลาผ่านไป วัตถุจะมีการเปลี่ยนตาแหน่ง ช่ ว งเวลาที่ สั ง เกตจะเป็ นเวลาที่ ว ตั ถุ เ คลื่ อ นที่ ซ่ ึ งถ้า ไม่ ท ราบค่ า แน่ น อนจะใช้ t แทนช่ ว งเวลาดัง กล่ า ว โดยมีหน่วยเป็ นวินาที (s) การกระจัด (Displacement, d) หมายถึ ง การที่ วตั ถุ เคลื่ อ นที่ จากที่ ห นึ่ ง ไปยัง อี ก ที่ หนึ่ ง โดยการ เคลื่อนที่จากตาแหน่งเริ่ มต้นไปยังตาแหน่งสุ ดท้าย โดยมีทิศทางจัดเป็ นปริ มาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็ นเมตร (m) ความเร็ ว (velocity) คือ ระยะการเปลี่ยนแปลงการกระจัดหรื อระยะการเปลี่ยนตาแหน่งที่เกิดขึ้นใน หนึ่งหน่วยเวลา เป็ นปริ มาณเวกเตอร์ มีหน่วยเป็ นเมตร / วินาที กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year คลื่น รู ปที่ 1 แสดงลักษณะของคลื่น ที่มา http://mammatheng.blogspot.com/p/1.html คาบ (period) คือ ช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ผา่ นตาแหน่งใดๆ ครบหนึ่ งลูกคลื่น แทนด้วยสัญลักษณ์ T มีหน่วยเป็ นวินาทีต่อรอบ (s) ความถี่ (Frequency) คือ จานวนรอบที่อนุภาคสั่นใน 1 วินาที มีหน่วยเป็ นรอบต่อวินาที หรื อ เฮิรตซ์ (Hertz , Hz) แทนด้วย f โดยที่คาบและความถี่มีความสัมพันธ์ดงั นี้ f = 1 T หรื อ T = 1 f ความยาวคลื่น (Wavelength) คือ ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได้ในช่วงเวลาของ 1 คาบ แทนด้วย λ บางทีความยาวคลื่ นคือระยะจากระหว่างจุด 2 จุดที่อยู่ถดั กัน ซึ่ งมีลกั ษณะเหมือนกัน เช่ น จากจุด X ถึง Y หรื อจากจุด C ถึง D ดังภาพ ลักษณะที่เหมือนกัน เรี ยกว่า มีเฟสตรงกัน (inphase) ความสัมพันธ์ระหว่าง ความยาวคลื่น (  ) ความถี่ของคลื่น ( v ) และความเร็ วของคลื่น ( c ) ดังนี้ c = v c คือ ความเร็ วของคลื่นแสงในสุ ญญากาศ มีค่า = 3 x 108 m/s Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year จาก c = v ดังนั้น = v= c v c  เฟสของคลื่น เป็ นการบอกตาแหน่ ง ต่างๆบนคลื่ น โดยบอกเป็ นมุ มในหน่ วยองศาหรื อเรเดี ย น ลัก ษณะของคลื่ นสามารถน ามาเขี ย นในรู ป ของคลื่ น รู ป ไซน์ ไ ด้ ดัง นั้น ต าแหน่ ง ต่ า งๆบนคลื่ น รู ป ไซน์ สามารถระบุเป็ นตาแหน่งในหน่วยองศาหรื อเรเดียนได้ ซึ่ ง 1 เรเดียน เท่ากับ 57.3 องศา มุม 360 องศาเทียบ ได้เท่ากับ 2π เรเดียน รู ปที่ 2 แสดงเฟสของคลื่น ที่มา http://mammatheng.blogspot.com/p/1.html การบอกมุมเฟส (Phase angle) เป็ นการบอกตาแหน่ งของคลื่ นหรื อเฟสนั้น นิ ยมบอกด้วยค่าของ มุมเป็ นองศาหรื อเทอมของ π เรเดี ยนก็ได้โดย π เรเดี ยน = 180 องศา ซึ่ งจะใช้แกน y หรื อ แกน x ก็ได้ แต่ที่นิยมกันเขานิยมใช้แกน x เป็ นตัวบอกมุมเฟส ดังเช่น รู ปที่ 3 แสดงเฟสบนคลื่นต่อเนื่อง กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year ที่มา http://preephysics.info/page36.html การบอกมุมเฟสไม่นิยมบอกค่าเกิ น 360 องศา และไม่นิยมบอกเกิ น 2 เรเดียม โดยบอกจานวน รอบเข้าร่ วมด้วยนัน่ เอง เช่น มุมเฟสเป็ นรอบที่ 3 มุม 90 องศา เป็ นต้นเราสามารถหามุมเฟสได้จาก  = 2n  หรื อ  = 2n T เฟสตรงกัน (Inphase) กรณี วตั ถุเคลื่อนที่ในแนววงกลมซ้ ารอยเดิม เมื่อวัตถุเคลื่อนที่มาถึงจุดๆ หนึ่ งแต่คนละรอบ ณ จุดๆ นั้นถื อว่ามี เฟสตรงกัน ดังนั้น ณ ตาแหน่ งใดๆ 2 ตาแหน่ ง ที่มีเฟสต่ างกัน 0,2 ,4 ,... เรเดียน ถือว่าเป็ นตาแหน่ งทีเ่ ฟสตรงกัน  = 2n หรื อ ตาแหน่งที่มีการกระจัดเท่ากันนัน่ เอง เฟสตรงข้ างกัน (Out of phase) ในกรณี ที่วตั ถุเคลื่อนที่ในแนววงกลม เมื่อวัตถุเคลื่อนที่มาถึงจุด 2 จุด ที่อยูค่ นละด้านของ เส้นผ่านศูนย์กลางวงกลมเดี ยวกัน ถื อว่าจุด 2 จุดนั้น มีเฟสตรงข้ ามกัน เช่ น จุด A กับ D มีเฟสตรงข้ามกัน ทานองเดียวกับการเคลื่ อนที่แบบซิ มเปิ้ ลฮาร์ มอนิ ก จุด A/ กับ D/ มีเฟสตรงข้ามกัน ดังนั้น ณ ตาแหน่ งใดๆ 2 ตาแหน่ ง ที่มีเฟสต่ างกัน  ,3 ,5 ,... เรเดียน ถื อว่ าเป็ นตาแหน่ งที่เฟสตรงข้ ามกัน  = (2n − 1) หรื อตาแหน่งที่มีขนาดของการกระจัดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้าม เลนส์ (Lens) คือ วัตถุโปร่ งใสที่มีผวิ หน้าโง ส่ วนใหญ่ทามาจากแก้วหรื อพลาสติกชนิดของเลนส์ เลนส์นูน (Convex Lens) คือ เลนส์ที่มีลกั ษณะตรงกลางหนากว่าส่ วนขอบ ดังภาพ เลนส์นูนสองหน้า เลนส์นูนแกมระนาบ เลนส์นูนเเกมเว้า รู ปที่ 4 เลนส์ นูนแต่ ละชนิด เลนส์นูนทาหน้าที่รวมแสงขนานให้เข้ามารวมกันที่จุดโฟกัส และเลนส์นูนทาหน้าที่รวมแสงกระจัด กระจายจากจุดโฟกัส ให้ขนาน ดังภาพ กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year รู ปที่ 5 แสดงการรวมแสงขนานของเลนส์นูนและแสดงการรวมแสงกระจัดกระจายของเลนส์นูน ค่ าคงที่ 𝑣𝑎𝑖𝑟 = 2.998 × 108 𝑚/𝑠 𝑣𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛 = 1.9× 10 𝑣𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑛𝑎𝑖𝑟 𝑛𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑛𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛 8 = 2.262 × 10 𝑚/𝑠 = 1 = 1.335 = 1.597 8 𝑚/𝑠 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 อุปกรณ์การทดลอง (Apparatus) อุปกรณ์ 1.เครื่ องรับ-ส่ งสัญญาณ 2.ออสซิลโลสโคป 3.สายเคเบิลสกรี นหัวต่อแบบ BNC ยาว 15000 mm 4.เลนส์นูน 5.สเกลวัด ความยาว 150 cm 6.แท่งเรซิ น (แท่งยางสังเคราะห์) 7.ท่อใส่ น้ า 8.กระจกสะท้อนแสง วิธีการและขั้นตอนการทดลอง (Procedures and Methodologies) ตอนที่ 1 หาความเร็วแสงและดัชนีหักเหในอากาศ 1.ติดตั้งอุปกรณ์ ดังรู ปที่ 7 4th year จานวน 1 เครื่ อง จานวน 1 เครื่ อง จานวน 2 เส้น จานวน 2 อัน จานวน 1 อัน จานวน 1 อัน จานวน 1 อัน จานวน 2 อัน -ปรับความถี่จาก 50.1 MHz.( ควอทซ์มีความเสถียร ) ให้ลดลงไปประมาณ 50 kHz. เพื่อให้ เครื่ องส่ ง-รับสัญญาณ สามารถแสดงค่าบนออสซิ โลสโคป -วางเลนส์ นู น ให้แ สงเดิ น ทางออกเป็ นเส้ น ขนาน และวางเลนส์ รั บ แสงเข้า ให้ต รงกบ เซนเซอร์รับแสง 2.ตั้งค่าการแสดงผลคลื่ นรู ปไซน์ในออสซิ ลโลสโคป ให้ง่ายต่อการสังเกต โดยปรับให้คลื่ นของ ทั้งตัวส่ งสัญญาณแสงและตัวรับสัญญาณแสงให้แสดงผลมีเฟสตรงกัน 3.เลื่อนกระจกหักเหแสงตามแนวแสงพร้ อมทั้งสังเกตลักษณะของคลื่ นไซน์ในออสซิ ลโลสโคป โดยเลื่ อ นจนกว่า เฟสของคลื่ น ไซน์ ข องทั้ง ตัว ส่ ง สั ญ ญาณแสงและตัว รั บ สั ญ ญาณแสงมี เ ฟสต่ า งกัน  (โดยปรับค่า  ให้กว้างเพื่อสังเกตจุดตัดของคลื่นทั้ง 2 ลาได้ชดั เจน) 4.วัดระยะทั้งหมดที่เลื่อนได้ ( X l ) จะได้ระยะทางทั้งหมดที่แสงเคลื่อนที่ผา่ น s = 2Xl 5.เนื่ องจากเฟสของทั้งตัวส่ งสัญญาณแสงและตัวรั บสัญญาณแสงมี เฟสต่างกัน  ดังนั้นหาเวลา ที่แสงใช้ในการเคลื่อนที่ได้จาก t= T 1 = 2 2f 6.คานวณหาความเร็ วของแสงในอากาศได้จาก vair = s 4Xl = = 4Xl f t T กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 7.คานวณหาดัชนีหกั เหของแสงในตัวกลางได้จาก n= c v รู ปที่ 6 วิธีการต่ออุปกรณ์การทดลองหาความเร็ วแสงในอากาศ รู ปที่ 7 การติดตั้งอุปกรณ์การทดลองเรื่ อง Measuring the velocity of light 4th year กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year ตอนที่ 2 หาความเร็วแสงและดัชนีหักเหในตัวกลาง 1.ตั้งค่าการแสดงผลคลื่ นรู ปไซน์ในออสซิ ลโลสโคป ให้ง่ายต่อการสังเกต โดยปรับให้คลื่ นของ ทั้งตัวส่ งสัญญาณแสงและตัวรับสัญญาณแสงให้แสดงผลมีเฟสตรงกัน 2.เลื่ อนกระจกหักเหแสงตามแนวแสงพร้ อมทั้งสังเกตลักษณะของคลื่ นไซน์ในออสซิ ลโลสโคป โดยเลื่อนจนกว่าเฟสของคลื่นไซน์ของทั้งตัวส่ งสัญญาณแสงและตัวรับสัญญาณแสงมีเฟสต่างกัน  (โดย ปรับค่า  ให้กว้างเพื่อสังเกตจุดตัดของคลื่นทั้ง 2 ลาได้ชดั เจน) 3.วัดระยะทั้งหมดที่เลื่อนได้ ( X l ) และวัดความยาวของแท่งเรซิ น ( X m ) จะได้ระยะทางทั้งหมดที่ แสงเคลื่อนที่ผา่ น s = 2Xl 4.เนื่ องจากเฟสของทั้งตัวส่ งสัญญาณแสงและตัวรับสัญญาณแสงมีเฟสต่างกัน  ดังนั้นหาเวลาที่ แสงใช้ในการเคลื่อนที่ได้จาก t= T 1 = 2 2f 5.คานวณเวลาที่แสงเคลื่อนที่ในอากาศ tair = 2Xl − Xm s = vair vair 6.คานวณเวลาที่แสงเคลื่อนที่ในตัวกลาง tm = ttotal − tair 7.คานวณหาความเร็ วของแสงที่เคลื่อนที่ในตัวกลางได้จาก vre sin = Xm s = tm ttotal − tair 8.คานวณหาดัชนีหกั เหของแสงในตัวกลางได้จาก n= c v 9.ทาซ้ าข้อ 1-8 โดยเปลี่ยนตัวกลางจากแท่งเรซิ นเป็ นท่อน้ า รู ปที่ 8 แสดงการวัดหาความเร็ วแสงในแท่งเรซิ นหรื อในท่อใส่ น้ า กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year ตารางบันทึกผล ตารางที่ 1 แสดงความเร็วแสงและค่ าดัชนีหักเหในตัวกลางชนิดต่ างๆ ความเร็วแสง x ( m) 2x𝑙 X m (v : m / s ) ตัวกลาง ครั้งที่ 1 ครั้งที่ 2 ครั้งที่ 3 เฉลีย่ ( m) ( m) 2 อากาศ 1.485 1.498 1.485 1.489 2.979 0 2.978 × 108 น้ า 1.33 1.335 1.333 1.333 2.667 1.01 2.277×108 เรซิน 1.4 1.42 1.4 1.4 2.813 0.285 1.886×108 หมายเหตุ *ตอนหาอัตราเร็ วแสงในอากาศมีตวั กลางเพียงอย่างเดียว คือ อากาศ จึงไม่มี X m คานวณผล ** ความถี่ของสั ญญาณแสง 50 MHz ** 1. - ความเร็วแสงในอากาศ หาความเร็ วแสงในอากาศ จาก 𝑣𝑎𝑖𝑟 = จะได้ - 𝑠 𝑡 = 4𝑋𝑙 𝑇 = 4𝑋𝑙 𝑓 1 𝑣𝑎𝑖𝑟 = 4(1.489𝑚) × (50 × 106 ) 𝑣𝑎𝑖𝑟 = 2.978 × 108 m/s 𝑠 หาร้อยละความคลาดเคลื่อน จาก เปอร์เซ็นความคลาดเคลื่อน เปอร์เซ็นความคลาดเคลื่อน เปอร์เซ็นความคลาดเคลื่อน = =| | 𝑉𝑎𝑖𝑟,𝑒𝑥𝑝 −𝑣𝑎𝑖𝑟,𝑠 𝑡𝑎𝑛 𝑑 𝑣𝑎𝑖𝑟,𝑠 𝑡𝑎𝑛 𝑑 | × 100% (2.978×108 )−(2.998×108 ) (2.998×108 ) = 0.667% | × 100% __________________________________________ ค่ า ความคลาด เคลื่อน (%) 0.667 0.663 0.737 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 2. 4th year ความเร็วแสงในนา้ - เวลาที่แสงเคลื่อนที่ท้ งั หมด 𝑡all = - T 1 1 = = = 1×10-8 𝑠 2 2f 2×50×106 1 𝑠 เวลาที่แสงเคลื่อนที่ในอากาศ 𝑡air = 𝒕air = - 2x1 - x𝑚 𝑣air (2.667m) - (1.01m) 2.978×108 𝑚/𝑠 𝑡air = 5.564 × 10−9 𝑠 เวลาที่แสงเคลื่อนที่ในน้ า 𝑡𝑚 = 𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑡𝑎𝑖𝑟 𝑡𝑚 = (1 × 10-8 𝑠)-( 5.564 × 10−9 𝑠) 𝑡𝑚 = 4.436×10−9 𝑠 - หาความเร็ วแสงในน้ า 𝑣water = 𝑣water = 𝑋𝑚 𝑡𝑚 1.01 𝑚 4.436×10−9 𝑠 𝑣water = 2.277×108 m/s - ร้อยละความคลาดเคลื่อนความเร็ วแสงในน้ า % ความคลาดเคลื่อน % ความคลาดเคลื่อน = | (2.277× 108 )-(2.262 × 108 ) (2.262 × 108 ) = 0.663 % __________________________________________ | ×100% กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 3. ความเร็วแสงในเรซิน - เวลาที่แสงเคลื่อนที่ท้ งั หมด T 𝑡all = = 2 - 1 2f เวลาที่แสงเคลื่อนที่ในอากาศ 𝑡air = 𝑡air = = 4th year 1 1 2×50×106 𝑠 = 1×10-8 𝑠 2x1 - x𝑚 𝑣air 2.813m - 0.285m 2.978 × 108 𝑚/𝑠 𝑡air = 8.489 × 10-9 𝑠 - เวลาที่แสงเคลื่อนที่ในเรซิน 𝑡𝑚 = t total - t air t m = (1 × 10-8 s)-( 8.489 × 10-9 s) - หาความเร็ วแสงในเรซิน 𝑡𝑚 = 1.511×10-9 𝑠 𝑣resin = 𝑣resin = 𝑋𝑚 𝑡𝑚 0.285m 1.511×10-9 𝑠 𝑣resin = 1.886×108 m/s - ร้อยละความคลาดเคลื่อนความเร็ วแสงในเรซิน %ความคลาดเคลื่อน %ความคลาดเคลื่อน = | (1.886 × 108 )−(1.9× 108 ) = 0.737% (1.9 × 108 ) __________________________________________ | ×100% กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 4th year ตารางที่ 2 ค่ าดัชนีหักเหในตัวกลางชนิดต่ างๆ ตัวกลาง ความเร็วแสง (v : m / s ) ดัชนีหักเห (n) อากาศ นา้ อากาศ 2.978 × 108 1.0067 1.317 1.578 4. 2 2.277×108 1.886×108 ดัชนีหักเหของอากาศ - หาดัชนีหก ั เหในอากาศ 𝑐 n=𝑣 air 2.998×108 m/s n = 2.978 × 108m/s - n =1.0067 ร้อยละความคลาดเคลื่อนความเร็ วแสงในอากาศ % ความคลาดเคลื่อน % ความคลาดเคลื่อน = | = 1.0067-(1) 1 0.666 % | ×100% __________________________________________ 5. ดัชนีหักเหของนา้ - หาดัชนี หก ั เหในน้ า n= n= c vwater 2.998×108 m/s 2.277 × 108 m/s n = 1.317 ค่ าความคลาดเคลื่อน (%) 0.4 1.348 1.189 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ Adv.Phys.Lab 2018 - 4th year ร้อยละความคลาดเคลื่อนดัชนีหกั เหในน้ า % ความคลาดเคลื่อน %ความคลาดเคลื่อน = | 1.317-1.335 1.335 = 1.348 % | ×100% __________________________________________ 6. ดัชนีหักเหของเรซิน - หาดัชนีหกั เหในเรซิน n= 𝑐 n= 𝑣resin 2.998×108 𝑚/𝑠 1.886 × 108 𝑚/𝑠 n = 1.590 - ร้อยละความคลาดเคลื่อนดัชนีหกั เหในเรซิน %ความคลาดเคลื่อน %ความคลาดเคลื่อน 1.590 -1.597 = | = 1.597 0.438 % | ×100% __________________________________________ Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year อภิปรายผลการทดลอง จากการทดลอง พบว่า อัต ราเร็ ว แสงในตัว กลางสามชนิ ด คื อ อากาศ น้ า และเรซิ น มี ค่ า เป็ น 2.978 × 108 ,2.277×108 และ 1.886 × 108 m / s ตามลาดับ และคานวณหาค่าดัชนีหก ั เหของแสงใน ตัวกลางทั้งสามชนิ ดได้เป็ น 1.0067,1.317 และ 1.590 ตามลาดับ จะเห็ นได้ว่าตัวกลางทั้งสามชนิ ดอยู่ใ น สถานะที่แตกต่างกัน คือ แก๊ส ของเหลว และของแข็ง ซึ่ งตัวกลางแต่ละชนิ ดก็มีความหนาแน่ นแตกต่างกัน ตามสถานะของสสาร คือ 𝜌air <ρwater <ρresin โดยตัวกลางที่มีความหนาแน่ นต่ าแสงจะสามารถเคลื่อนที่ดว้ ย อัตราเร็ วที่สูง และตัวกลางที่มีความหนาแน่ นสู งแสงจะเคลื่ อนที่ดว้ ยอัตราเร็ วที่ต่า เรี ยงลาดับอัตราเร็ วของ แสงในตัวกลางได้เป็ น 𝑣𝑎𝑖𝑟 > 𝑣𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 > 𝑣𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛 และจะเห็นได้วา่ เมื่อตัวกลางที่แสงเคลื่อนที่ดว้ ยอัตราเร็ ว สู ง จ ะ มี ค่ า ดั ช นี หั ก เ ห ต่ า ตั ว ก ล า ง ที่ แ ส ง เ ค ลื่ อ น ที่ ด้ ว ย อั ต ร า เ ร็ ว ต่ า จ ะ มี ค่ า ดั ช นี หั ก เ ห สู ง คือ 𝑛𝑎𝑖𝑟 < 𝑛𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 < 𝑛𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛 ซึ่งเป็ นไปตามสมาการ 𝑛 = 𝑣𝑐 จากผลการทดลองอัต ราเร็ ว แสงในตัว กลางสามชนิ ด คื อ อากาศ น้ า และเรซิ น มี ค่ า ร้ อ ยละ ความคลาดเคลื่อนเป็ น 0.667 ,0.663 และ 0.737 ตามลาดับ และค่าดัชนีหกั เหของแสงในตัวกลางทั้งสามชนิ ด มีค่าร้อยละความคลาดเคลื่ อนเป็ น 0.666 1.348 และ 0.438 ตามลาดับ โดยค่าความคลาดเคลื่อนที่เกิ ดขึ้ นมี สาเหตุหลายสาเหตุดงั นี้ 1. เนื่องมาจากออสซิ ลโลสโคปวัดแสงที่กลับเข้าสู่ ตวั รับสัญญาณมีแอมพลิจูดไม่เท่าเดิม 2. แสงไม่เข้าสู่ เครื่ องรับสัญญาณมากเพียงพอ 3. เมื่ อเลื่ อนกระจกสัญญาณที่ ปรากฎบนออสซิ ลโลสโคปมี ค่าความต่ างเฟสของแสงไม่เท่า กับ 𝜋 พอดี สรุปผลการทดลอง จากการทดลองค่าความเร็ วแสงในอากาศมีค่ามากที่สุด รองลงมาคือความเร็ วแสงในท่อเติมน้ าและ ความเร็ วแสงในท่อเรซิ นมี ค่ าน้อยที่ สุด เนื่ องจากตัวกลางทั้ง 3 สถานะ มี ค่าความหนาแน่ นของโมเลกุ ล ที่แตกต่างกัน ซึ่ งค่าความหนาแน่นจะส่ งผลต่อความเร็ วของแสง ก็คือ ถ้าค่าความหนาแน่นมาก ค่าความเร็ ว แสงก็จะลดลง ส่ วนค่าดัชนีหกั เหในอากาศมีค่าเท่ากับ 1 ซึ่ งจะพบว่า ค่าดัชนีหกั เหในแท่งเรซิ นมีค่ามากที่สุด รองลงมาคือดัชนีหกั เหในท่อน้ าเติมและค่าดัชนีหกั เหของอากาศ ดังนั้นเมื่อแสงเดิ นทางผ่านตัวกลางที่สถานะต่างกันความเร็ วแสงจะแตกต่างกันและเมื่อความเร็ ว แสงต่างกันก็จะทาให้ค่าดัชนีหกั เหของตัวกลางจะแตกต่างกันด้วย Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year ข้ อเสนอแนะ 1. การวางเลนส์นูนต้องวางให้ได้เท่ากับระยะโฟกัสเพื่อลดค่าความคลาดเคลื่อน 2. การอ่านค่าความต่างเฟสจากออสซิ ลโลสโคปควรตั้งค่าให้แอมพลิจูดที่ระยะเท่ากับศูนย์มีค่า เท่ากันและตรงกันที่ก่ ึงกลางของจอแสดงผลของออสซิ ลโลสโคป 3. การวัดระยะต้องมีความแม่นยา 4. เนื่องจากเวลาที่แสงใช้ในการเคลื่อนที่น้ น ั เร็ วมากดังนั้นการหาเวลาที่แสงเคลื่อนที่ควรมีความ ละเอียดที่มากกว่าทศนิยมสองตาแหน่ง Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year การนาความรู้ จาก Lab ไปประยุกต์ ใช้ (How to Apply) กระบวนการกาเนิดแสงของสปอร์ ตไลท์ LED หลอด LED หลอดไฟนวัตกรรมใหม่ที่ผา่ นการศึกษาและทดลองจากผูเ้ ชี่ยวชาญมาหลายขั้นตอนจน ทาให้หลอดไฟประเภทนี้ ได้รับการยืนยันว่ามีจุดเด่นหลายประการทั้งประหยัดพลังงาน มีอายุการใช้งานที่ ยาวนาน และเป็ นมิตรต่อสิ่ งแวดล้อม ดังนั้นผูผ้ ลิ ตส่ วนมากจึงนาหลอดไฟ LED ไปใส่ ในโคมไฟประเภท ต่ า งๆทั้ง ดาวน์ ไ ลท์ LED โคมไฟถนน LEDไฮเบย์ LED รวมไปถึ ง สปอร์ ต ไลท์ LEDที่ มี ใ ห้ เ ลื อ กทั้ง สปอร์ตไลท์ LED100wสปอร์ตไลท์LED 150wสปอร์ตไลท์ LED200w หลอด LED หนึ่ งในส่ วนประกอบหลักที่อยูภ่ ายในสปอร์ ตไลท์ LED เป็ นหลอดไฟขนาดเล็ก แต่มี หลักการทางานแตกต่างจากหลอดไส้ เนื่ องจากไม่มีการเผาไหม้ของไส้หลอดเหมือนอย่างหลอดไส้ หรื อ หลอดไฟแบบเก่ า ในสปอร์ ตไลท์ LED ดั ง นั้ นการท างานของสปอร์ ตไลท์ LED จึ ง ไม่ ก่ อ ให้ เ กิ ด ความร้อน โดยแสงสว่างจะเกิดจากชิ ปตัวเล็กๆ ที่อยูภ่ ายในสปอร์ ตไลท์LED ชิ ปนี้ มีไว้เพื่อให้ไฟฟ้ าวิ่งผ่าน ซึ่ ง เกิ ดจากการเคลื่ อนตัวของอิ เล็ ก ตรอนที่ อยู่ภายในหลอดLED ภายในสารกึ่ ง ตัวนา ซึ่ ง เป็ นวัส ดุ แบบ เดียวกับที่ใช้ในการทาทรานซิ สเตอร์ ดงั นั้นการทางานของหลอด LED ในสปอร์ ตไลท์ LED150w จึงทางาน ได้รวดเร็ ว สามารถติ ดไฟได้ง่ า ยท าให้ภายในตัวหลอดไม่ เกิ ดความร้ อน ดัง นั้นหลอดLED ที่ อยู่ภายใน สปอร์ตไลท์ LED จึงมีอายุการใช้งานที่ยาวนานมากกว่าสปอร์ ตไลท์แบบเดิม เนื่องจากไม่ปล่อยความร้อนจึง ทาให้อุปกรณ์ สามารถยืดอายุการใช้งานได้ยาวนานมากขึ้ น ซึ่ งแสงสว่างที่ ได้ยงั มี ปริ มาณที่ มากและไม่มี ความร้ อนเหมื อ นอย่า งสปอร์ ตไลท์แบบเดิ ม อี ก ทั้ง สปอร์ ตไลท์ LEDยัง ไม่ ต้องใช้ไ อปรอทในการผลิ ต กระแสไฟฟ้ า หรื อไม่ ต้อ งฉาบสารเรื องแสงเหมื อ นสปอร์ ต ไลท์ LED แบบเดิ ม นอกจากนี ภ ายใน สปอร์ตไลท์ LED ยังไม่มีโลหะหนักซึ่ งเป็ นสาเหตุหลักที่ทาให้เกิดภาวะโลกร้อน และทาให้เกิดมลพิษทั้งต่อ ตนเอง ครอบครัวและสิ่ งแวดล้อม Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year นอกจากนี้ เรายังนาหลอด LED ไปเป็ นส่ วนประกอบของเครื่ องใช้ไฟฟ้ าประเภทต่างๆ ตั้งแต่ตูเ้ ย็น ตู ้แช่ โทรทัศ น์ โทรศัพ ท์มื อถื อ หน้าจอคอมพิ ว เตอร์ เครื่ อ งซัก ผ้า ไฟรถยนต์ และกิ จกรรมด้า นความ บันเทิง สื่ อโฆษณาต่างๆ ที่ให้แสงและสี ที่คมชัดเหมือนจริ งและนาไปใช้กบั หน่ วยงานต่างๆทั้งภายในและ ภายนอกอาคาร ตั้งแต่โรงพยาบาล พิพิธภัณฑ์ ภาคอุ ตสาหกรรม โรงงาน โกดัง รวมถึ งห้องต่างๆภายใน อาคาร เช่น ห้องนอน ห้องประชุม เป็ นต้น จากประโยชน์ที่มากมายทาให้ในปัจจุบนั หลอด LED กาลังได้รับความนิยมเป็ นอย่างมากและคาดว่า น่าจะเพิ่มมากขึ้นในอนาคต เพราะจุดเด่นด้านการประหยัดพลังงาน และจุดเด่นด้านอื่นๆที่หลากหลายต่าง ให้ ก ารยอมรั บ ทั้ ง นี้ ฝ่ ายผลิ ต หลายแห่ ง ได้ อ อกมายื น ยัน และให้ ก ารยอมรั บ หลอด LED รวมถึ ง สปอร์ ตไลท์ LED ที่คาดว่าในอนาคตทุกแห่ งน่ าจะมี แต่การใช้สปอร์ ตไลท์ LED 200w และยกเลิกการใช้ สปอร์ตไลท์แบบเดิมไปโดยอัตโนมัติ Adv.Phys.Lab 2018 กศ.บ. ฟิ สกิ ส์ 4th year อ้างอิง เฉลิมชัย มอญสุ ขา. (2551). สรุ ปฟิ สิ กส์ ม.ปลาย. กรุ งเทพฯ : เดอะบุคส์. ธงชัย สุ ธีร์ศกั ดิ์. (2547). ฟิ สิ กส์แผนใหม่เบื้องต้น. ภูเก็ต : มหาวิทยาลัยสงขลานคริ นทร์ . ปรี ยา อนุพงษ์องอาจ. (ม.ป.ป.). แสง.สื บค้นเมื่อ 31 ส.ค. 2561 ,จาก http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/62/light1/ligh_1.htm มหาวิทยาลัยมหิดล. คาบและความถี่. สื บค้นเมื่อ 31 ส.ค. 2560, จาก http://www.atom.rmutphysics.com/charud/scibook/wave5/equation/equation.html ศักดิ์นริ นทร์ นัตริ ลม. (2559).สรุ ปฟิ สิ กส์ ม.ปลาย. กรุ งเทพฯ : ซี เอ็ดยูเคชัน่ . สถาบันส่ งเสริ มการสอนวิทยาศาสตร์ และคณิ ตศาสตร์ . (2555). หนังสื อเรี ยนรายวิชาเพิม่ เติม ฟิ สิ กส์เล่ม 3. กรุ งเทพฯ : สานักพิมพ์ สกสค. สมพงษ์ ใจดี. (2551).ฟิ สิ กส์มหาวิทยาลัย 4. กรุ งเทพฯ : สานักพิมพ์บริ ษทั ธรรมดาเพรส จากัด.