การหักเหของคลื่น (Refraction)

การหักเหของคลื่น(Refraction)

[49] รูปที่ 32 การหักเหของคลื่นผิวน้ำ

   คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง
มีผลให้เกิดการเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น ตรงบริเวณผิวรอยต่อของตัวกลางทั้งสอง
โดยที่มีความถี่ของคลื่นคงเดิม แต่อัตราเร็ว และความยาวคลื่นเปลี่ยนไป
ในที่นี้เราจะศึกษาคลื่นน้ำ
ถ้าหากเราสร้างคลื่นต่อเนื่องที่เป็นคลื่นเส้นตรงเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งไปยังบริเวณสอง
ซึ่งมีความลึกแตกต่างกัน

   ในน้ำลึกความเร็ว (v) และความยาวคลื่น()จะมากกว่าในน้ำตื้น

การหักเหของคลื่น(Refraction)

พิจารณาการหักเหของคลื่นน้ำที่รอยต่อของน้ำลึกกับน้ำตื้น

รูปที่ 33 แสดงการหักเหของคลื่น

จากรูปที่ 33 จะเห็นว่า
- หน้าคลื่นตกกระทบและหน้าคลื่นหักเห จะทำมุมกับเส้นรอยต่อระหว่างตัวกลาง
- รังสีตกกระทบและรังสีหักเห จะทำมุมกับเส้นปกติ

รูปที่ 34 แสดงการหักเหของคลื่น

จากรูปที่ 34 จะเห็นว่า
- ถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากน้ำลึก -> น้ำตื้น มุมหักเหจะเบนเข้าหาเส้นปกติ
- ถ้าคลื่นเคลื่อนที่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก มุมหักเหจะเบนเข้าออกจากเส้นปกติ
ในการหักเหลักษณะนี้จะทำให้แนวการเคลื่อนที่ของคลื่นเปลี่ยนไป เกิดมุมตกกระทบ (₁) และ
มุมหักเห (₂) จากการทดลองพบว่า อัตราส่วนของค่าไซน์ของมุมกระทบ (sin₁) ต่อค่าไซน์ของมุมหักเห (sin₂) ของตัวกลางน้ำลึกและน้ำตื้นคู่หนึ่งๆ จะมีค่าคงตัว

= ค่าคงตัว

และค่าคงตัวนี้จะเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วคลื่น และจะเท่ากับอัตราส่วนของความยาวคลื่น

ดังนั้น   = =    --> เรียกว่ากฎของสเนลล์ (Snell 's law)

มุมวิกฤติ (Critical Angle , c)
    คือมุมตกกระทบใดๆ ที่ทำให้่มุมหักเหเป็น 90 องศา (เกิดได้กรณีที่น้ำ้เคลื่อนที่ี่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก)

การสะท้อนกลับหมด
    เกิดเมื่อมุมตกกระทบโตกว่ามุมวิกฤติทำให้เกิดการสะท้อนกลับหมด
(เกิดได้กรณีที่น้ำ้เคลื่อนที่ี่จากน้ำตื้น -> น้ำลึก)

[34] รูปที่ 35 แสดงการเกิดมุมวิกฤติ และการสะท้อนกลับหมด

คลื่นน้ำชุดหนึ่งเคลื่อนที่จากบริเวณน้ำลึกไปยังบริเวณน้ำตื้นแล้วไม่เบี่ยงเบน ถ้าความยาวคลื่นในเขตน้ำลึกยาว 1 เซนติเมตร ความยาวคลื่นในเขตน้ำตื้นยาว 0.75 เซนติเมตร ความเร็วคลื่นในเขตน้ำลึกมีค่าเป็นกี่เท่าของความเร็วในเขตน้ำตื้น
     วิธีทำ จากโจทย์ ₁ = 1 cm = 0.01 m
                           ₂ = 0.75 cm = 0.0075 m
                            v₁ = ?v₂

             จาก = =

                  จะได้ =

                          

            อัตราเร็วคลื่นน้ำในเขตน้ำลึกเป็น เท่าของอัตราเร็วคลื่นในน้ำตื้น

คลื่นน้ำเส้นตรงในถาดคลื่นเคลื่อนที่จากบริเวณ (1) ไปบริเวณ (2) ซึ่งมีความลึกต่างกัน
การหักเหมีลักษณะดังรูป ถ้าแหล่งกำเนิดคลื่นมีความถี่เป็น 6 เฮิรตซ์ และหน้าคลื่นน้ำที่อยู่ถัดกันในบริเวณ(1)
ห่างกัน 0.02 เมตร จงหาอัตราเร็วของคลื่นน้ำในบริเวณ (2)

วิธีทำ จากโจทย์ ₁= 45°
                      ₂= 30 °
                      ₁ = 0.02 m
                       v₂ = ?

         จาก =

                                                             

                     อัตราเร็วของคลื่นน้ำในบริเวณ (2) มีค่าเท่ากับ 0.085 เมตร/วินาที