คุยกันต่อเรื่องตา แบบจำลองตา การสะท้อนและหักเหของแสง

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

ถ้าสงสัยว่าไม่เห็นรูปหรือวิดีโอ เข้าไปดูที่เว็บ http://witpoko.com/ นะครับ ส่วนใหญ่ถ้าอ่านในเมล์จะไม่เห็นวิดีโอครับ

(คราวที่แล้วเรื่อง “เริ่มเรียนเรื่องตา การทดลองลูกบอลตก และหลอดกระดาษจอมพลัง” ครับ)

วันอังคารที่ผ่านมานี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมและกลุ่มบ้านเรียนเฟิร์น  วันนี้เด็กประถมต้นได้ส่งการบ้านวาดรูปส่วนประกอบตา ดูวิดีโอจำลองการมองเห็นของสัตว์ต่างๆ (เหยี่ยว แมว หมา ผึ้ง หนู) ได้เห็นว่าภาพเกิดที่จอรับภาพด้านในหลังตาเกิดอย่างไร (เป็นภาพกลับหัว) โดยดูจากอุปกรณ์จำลองทำจากโคมกระดาษ แว่นขยาย และถุงก๊อบแก๊บ ได้เห็นภาพสิ่งประดิษฐ์ประมาณแปดสิบปีมาแล้วเพื่อช่วยฟังหาเครื่องบิน ส่วนเด็กประถมปลายได้ดูการสะท้อนแสงเลเซอร์ และได้เข้าใจว่ามุมการสะท้อนแสงมีความสัมพันธ์อย่างไร (มุมตก = มุมสะท้อน) ได้รู้จักจานสะท้อนแบบพาราโบลิค ได้รู้จักดาวเทียมแบบที่โคจรไปพร้อมๆกับโลกหมุน (Geosynchronous orbit) ได้เห็นการหักเหของแสงผ่านปริซึม และเมื่อแสงผ่านอากาศไปแก้วไปน้ำ ได้เห็นว่าแสงสีต่างๆกันหักเหไม่เท่ากัน ทำให้เราเห็นสีรุ้งได้ เด็กๆทั้งสองระดับชั้นได้ดูคลิปการยกและเคลื่อนย้ายสิ่งของเล็กๆด้วยคลื่นเสียงด้วยครับ

สำหรับเด็กประถมต้น ก่อนอื่นเด็กๆส่งการบ้านที่ให้ไปวาดรูปส่วนประกอบต่างๆของตาครับ เด็กๆไปหาดูรูปในอินเตอร์เน็ตและวาดตามได้ จากนั้นผมก็นอกเรื่องให้เด็กๆดูคลิปวิดีโอนี้แล้วให้เด็กๆเดาว่าคืออะไรครับ:

เด็กๆดูสองรอบแล้วก็เริ่มเดาได้ครับว่าเป็นการใช้คลื่นเสียงยกและขยับสิ่ง ของเล็กๆไปมา ผมอธิบายเพิ่มว่านักประดิษฐ์เขาส่งคลื่นเสียงจากหลายๆลำโพงเข้าจนเกิดเป็นคลื่นนิ่ง (Standing Wave) ส่วนตรงกลางที่วัตถุลอยอยู่จะเป็นส่วนที่อากาศสั่นน้อยหรือไม่สั่นขณะที่ รอบๆมีการสั่นของอากาศเยอะ ทำให้วัตถุลอยอยู่ในบริเวณที่อากาศไม่ค่อยสั่น

ต่อจากนั้นเด็กๆก็ได้ดูวิดีโออีกอัน โดยผมเริ่มให้ดูตอนเวลา 1:24 นาทีจนจบก่อน แล้วให้เด็กๆเดาว่าคืออะไร:

มีเด็กบางคนเดาว่าน่าจะเป็นรังมดซึ่งก็เป็นอย่างนั้นจริงๆ ตกลงมันคือวิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ไปสำรวจรังมด (ที่เขาบอกว่าเป็นรังร้าง) โดยเทปูนซีเมนต์เหลวๆลงไปหลายตัน รอให้ปูนแข็งตัว แล้วขุดดูว่ารังมดมีลักษณะอย่างไร รังนี้อลังการมากครับ

จากนั้นเด็กๆก็ได้ดูวิดีโอจำลองว่าสัตว์ต่างๆเห็นภาพอย่างไรครับ:

ผมแปลคำอธิบายให้เด็กๆฟังว่าเหยี่ยวมองเห็นรายละเอียดได้มากกว่าคน เห็นชัดตอนกลางวัน มองไม่ค่อยเห็นตอนมืด แมวไม่เห็นสีแดง แต่มองได้กว้าง เห็นได้ดีในที่แสงน้อยๆ หมามองเห็นคล้ายๆแมว แต่มองไม่กว้างเท่า ผึ้งเห็นสีเขียวๆ น้ำเงินๆ และอุลตร้าไวโอเล็ตที่เป็นสีที่ตาคนมองไม่เห็น นอกจากนี้ตาของผึ้งและแมลงต่างๆเป็นตาประกอบจึงน่าจะเห็นสิ่งต่างๆเป็นจุดๆ คล้ายๆภาพโมเสค หนูมองไม่เห็นสีและมองได้ใกล้ๆเท่านั้น มองในที่มืดๆได้ดี

ภาพขยายให้เห็นตาประกอบของแมลงชัดๆครับ หาในกูเกิลด้วยคำว่า insect compound eyes

ผมถามเด็กๆว่ารู้ไหมว่าทำไมเราคิดว่าสัตว์มันน่าจะมองเห็นอย่างไร เด็กๆไม่ทราบ ผมจึงบอกว่านักวิทยาศาสตร์ดูส่วนประกอบของตาสัตว์แต่ละอย่าง เช่นในตาจะมีเซลล์ที่รับแสงสีต่างๆได้ เช่นตาคนจะมีเซลล์โคนสามชนิดที่รับสีพวกแดง เขียว น้ำเงินได้ แต่ในแมวกับหมาจะมีเซลล์สองชนิดที่รับเขียว กับน้ำเงิน แต่ไม่มีแดง ส่วนหนูไม่มีเซลล์ที่รับสีได้ มีแต่เซลล์ที่รับความสว่างของแสงได้ ส่วนผึ้งก็มีเซลล์ที่รับแสงพวกเขียว น้ำเงิน และอุลตร้าไวโอเลตได้

หลังจากเราดูวิดีโอเสร็จ เราก็คุยกันต่อเรื่องตาโดยผมวาดรูปคร่าวๆให้เด็กเห็นเลนส์และจอรับภาพ (เรตินา Retina) แล้วชี้ให้เห็นว่าแสงเข้ามาทางเลนส์แล้วไปตกที่เรตินา

 ภาพตาครับ

แล้วผมก็เอาแว่นขยาย โคมกระดาษ และถุงพลาสติกขุ่น (ถุงก๊อบแก๊บ) มาจำลองตาโดยให้แว่นขยายแทนเลนส์ตา โคมกระดาษเป็นลูกตา และถุงพลาสติกขุ่นเป็นจอรับภาพเรตินาครับ แล้วส่องตาจำลองไปดูวิวภายนอก แล้วให้เด็กๆดูภาพที่ตกที่ “เรตินา” (หรือถุงพลาสติก) กันครับ เด็กๆสังเกตได้ว่าภาพที่ปรากฎที่ “เรตินา” เป็นภาพกลับหัวครับ

 
 
 
 
เห็นต้นไม้กลับหัวครับ
เห็นต้นไม้กลับหัวครับ

พอดูตาจำลองเสร็จยังมีเวลาอีกหน่อย เด็กๆจึงได้ดูอุปกรณ์ช่วยฟังเสียงเครื่องบินเมื่อประมาณแปดสิบปีมาแล้วก่อนที่จะมีเรดาร์ตรวจหาเครื่องบินครับ ดูที่ลิงค์นี้ครับ

อุปกรณ์หน้าตาแปลกๆประมาณนี้ครับ

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมก็ให้ดูวิดีโอการยกของด้วยเสียงและรังมดเหมือนกันครับ ให้เด็กๆดูแล้วทายว่าคืออะไร เด็กๆก็พอเดาได้ครับ แล้วเราก็ดูภาพกลับหัวที่ “เรตินา”ของแบบจำลองตากัน จากนั้นเราก็คุยกันเรื่องการสะท้อนและหักเหของแสงต่อครับ

ผมเริ่มโดยส่องแสงเลเซอร์เข้าไปที่กระจกที่ติดผนังห้องอยู่ครับ ให้เด็กๆสังเกตภาพของผมในกระจกและลำแสงเลเซอร์ในกระจกว่ามันสัมพันธ์กับตัวผมจริงๆและลำแสงเลเซอร์จริงๆอย่างไร (เราต้องมีฝุ่นผงในอากาศบ้างเพื่อจะได้เห็นลำแสงครับ เราเอาหมอนรองนั่งมาตบๆให้มีฝุ่นลอยมาครับ)

 
 

เด็กๆสังเกตได้ว่าเจ้าลำแสงเลเซอร์ที่สะท้อนออกมาจากกระจก มันเหมือนเป็นเส้นตรงเดียวกันกับภาพแสงเลเซอร์ในกระจกที่ภาพตัวผมในกระจกส่องออกมาเลยดังในรูปข้างล่างนี้ครับ:

หลังจากขยับเลเซอร์ไปมา และเอาปากกาสองแท่งมาแทนทิศทางของแสงที่วิ่งเข้าหากระจกและที่สะท้อนออกมา เราก็สรุปได้ว่ามุมที่วิ่งเข้าไปและมุมที่สะท้อนออกมามีความสัมพันธ์กันแบบเป็นสมมาตร ถ้าลากเส้นสมมุติที่ตั้งฉากกับกระจก มุมระหว่างเส้นสมมุตินั้นกับทิศทางที่แสงวิ่งเข้า จะเท่ากับมุมระหว่างเส้นสมมุตินั้นกับทิศทางที่แสงสะท้อนออก หรือที่เรียกกันสั้นๆว่า “มุมตก = มุมสะท้อน” นั่นเอง

ใช้ปากกาสีน้ำเงินแทนแสงวิ่งเข้าไปหากระจก ใช้ไม้บรรทัดแทนกระจก และใช้ปากกาสีแดงแทนแสงสะท้อน เส้นบนพื้นปูกระเบื้องแทนเส้นสมมุติที่ตั้งฉากกับกระจกตรงที่แสงโดนกระจก  

ต่อจากนั้นผมก็เอาถาดพายที่ทำจากแผ่นอลูมิเนียมบางๆให้เด็กๆดู ชี้ให้เด็กๆเห็นว่าถาดโค้งๆสะท้อนแสงเหมือนมีแผ่นกระจกเล็กๆที่เอียงไม่เท่ากันอยู่ติดๆกันเต็มไปหมด ดังนั้นเมื่อแสงวิ่งเข้าไปกระทบบริเวณต่างๆในถาด แสงก็จะสะท้อนไปในทิศทางต่างๆกันขึ้นกับว่าจุดที่แสงกระทบถาดอยู่บริเวณไหนของถาด ถ้าเราทำรูปทรงถาดให้มีความพอดี เราสามารถสะท้อนแสงที่วิ่งตรงๆจากหน้าถาดให้สะท้อนเข้าไปรวมกันในจุดเดียวกันได้ นักคณิตศาสตร์ค้นพบรูปทรงถาดที่สามารถรวมแสงเข้าจุดเดียวกันได้มาเป็นพันปีแล้ว รูปทรงนั้นมีชื่อว่าพาราโบลา และเราก็ใช้รูปทรงนี้สร้างเป็นจานรับสัญญาณดาวเทียมดังที่เห็นได้ทั่วไปตามหลังคาบ้าน

เอาถาดอลูมิเนียมกลมๆให้ดู
ดูเส้นสีฟ้าที่แทนทิศทางที่แสงวิ่งเข้าๆมาตรงๆแล้วสะท้อนที่ผิวจานพาราโบลาแล้วเข้าไปรวมตัวกันที่จุดเดียว (ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/File:Parabola_with_focus_and_arbitrary_line.svg)

พอพูดถึงจานรับสัญญาณดาวเทียมก็เลยคุยต่อเรื่องดาวเทียมที่โคจรไปรอบโลกด้วยเวลาเท่าๆกับที่โลกหมุนซะเลย ถ้าดาวเทียมโคจรอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรโลกและห่างจากผิวโลกออกไปประมาณ 35,786 กิโลเมตร และดาวเทียมโคจรในทิศทางเดียวกับโลกหมุน ดาวเทียมจะวิ่งครบวงโคจรด้วยเวลาเท่ากับที่โลกหมุนพอดี คนบนโลกจึงเห็นดาวเทียมพวกนี้ลอยอยู่ในตำแหน่งคงที่บนท้องฟ้า ดาวเทียมที่เป็นแบบนี้เรียกว่า Geosynchronous Satellite (Geo = โลก Synchronous = ใช้เวลาเท่ากัน Satellite = ดาวเทียม) วงโคจรนี้เรียกว่า Geosynchronous Orbit หรือ Geostationary Orbit ดาวเทียมพวกนี้จะเป็นดาวเทียมที่เราใช้ในการสื่อสาร ใช้ส่งสัญญาณโทรทัศน์ลงมาให้เราเอาจานไปรับหรือใช้เป็นดาวเทียมทางอุตุนิยมวิทยาตรวจดินฟ้าอากาศ

เพื่อให้เด็กๆเห็นทิศทางของแสงได้ชัดขึ้นผมจึงเอาถาดแก้วใส่น้ำแล้วใส่นมลงไปหยดสองหยด แล้วส่องไฟเข้าไปในถาด แสงจะโดนอนุภาคของนมในน้ำแล้วสะท้อนเข้าตาเราทำให้เห็นทิศทางที่แสงเดินทางชัดเจน

ใส่น้ำในถาดแก้วแล้วหยดน้ำนมไปสักหยดสองหยดจะทำให้เราสังเกตทิศทางแสงได้ชัดขึ้นครับ

พอเห็นทิศทางแสงได้ชัดแล้ว ผมก็เอาแท่งแก้วรูปสามเหลี่ยมที่เรียกว่าปริซึมมาวางขวางแสง เราจะเห็นแสงที่วิ่งผ่านปริซึมเปลี่ยนทิศทางอย่างชัดเจนครับ

โดยปกติเมื่อแสงวิ่งผ่านวัสดุต่างๆกัน ความเร็วของแสงในวัสดุนั้นๆจะไม่เท่ากัน และแสงก็จะเปลี่ยนทิศทางด้วยครับ แสงสีต่างๆจะเปลี่ยนทิศทางไม่เท่ากัน หลักการนี้ถูกค้นพบโดยไอแซค นิวตันที่พบว่าแสงขาวๆจากดวงอาทิตย์เมื่อวิ่งผ่านปริซึมจะกระจายเป็นสีรุ้งเพราะแสงสีต่างๆเปลี่ยนทิศทางไม่เท่ากันครับ ผมทดลองเอาเลเซอร์สีเขียวและสีแดงฉายผ่านปริซึมแต่วางตำแหน่งไม่ค่อยดี ถ่ายรูปมามองไม่ชัดเท่าไร ไว้โอกาสหน้าจะลองใหม่ครับ

ต่อไปนี้คือบรรยากาศและบันทึกการเรียนรู้ของเด็กๆครับ อัลบั้มเต็มอยู่ที่นี่นะครับ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *