แสง สีรุ้ง ปริซึม การสะท้อนภายใน ใยแก้วนำแสง ปรับปรุงปืนลม

เมื่อวันอังคารผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์กับเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมเป็นครั้งสุดท้ายของเทอมครับ เด็กประถมต้นได้คุยกันเรื่องสีรุ้งว่าจริงๆมันมีสีเยอะมากแต่เราตั้งชื่อให้แค่เจ็ดสี ได้ดูการเลี้ยวเบนของแสงผ่านปริซึม ได้คุยกันว่าเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางต่างๆกัน ความเร็วของแสงจะเปลี่ยนไป และจะมีการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ ได้คุยกันเรื่องการสะท้อนภายในเมื่อแสงทำมุมที่เหมาะสมในตัวกลาง และการประยุกต์หลักการนี้ไปส่งข้อมูลในใยแก้วนำแสง เด็กประถมปลายได้พยายามปรับปรุงปืนลมกระสุนโฟมจากสองสัปดาห์ที่แล้ว ได้เห็นว่าวิถีกระสุนตกลงเพราะแรงโน้มถ่วง และการตั้งศูนย์เล็งว่าทำได้อย่างไรครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ คราวที่แล้วเรื่อง “คลิปหุ่นยนต์สุดเจ๋ง ดูทิศทางการเดินทางของแสง ทำปืนลมยิงกระสุนโฟม” ครับ)

สำหรับเด็กประถมต้น ผมเอาปริซึม (Prism) มาให้เด็กๆดูครับ เอามารับแสงแดดอย่างนี้:

แสงแดดวิ่งผ่านปริซึมกลายเป็นหลายๆสีครับ
แสงแดดวิ่งผ่านปริซึมกลายเป็นหลายๆสีครับ

ผมถามเด็กๆว่าเห็นสีอะไรบ้าง เด็กๆบอกว่าเป็นสีรุ้ง ผมถามว่ารุ้งมีกี่สี เด็กๆก็บอกว่ามีเจ็ดสี ผมเลยให้นับดู เด็กๆนับอย่างยากลำบากมากครับ เพราะจริงๆแล้วสีที่ออกมามันมีเยอะมาก มีหลายสีหลายเฉด แต่เราจำๆกันมาว่ามีเจ็ดสีเพราะเราตั้งชื่อสีมาเรียกสีต่างๆเหล่านี้แค่เจ็ดสีเท่านั้น

จริงๆสีที่เราเห็นเป็นสิ่งที่เกิดในสมองเราเท่านั้น เราเห็นสีต่างๆเพราะมีแสงเข้ามาในตาเรา แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างๆกัน (ความถี่คือจำนวนครั้งที่คลื่นสั่นต่อวินาที)  ตาเรามีเซลล์รับแสงสามชนิดที่ตอบสนองกับแสงความถี่ต่างๆ เซลล์รับแสงเหล่านี้จะส่งสัญญาณไปที่สมองเราขึ้นกับว่าแสงความถี่ต่างๆเข้ามาเยอะแค่ไหน แล้วสมองก็จะแปลสัญญาณเหล่านี้ว่าสิ่งที่เราเห็นมีสีอะไรบ้าง (จริงๆตาเรามีเซลล์รับแสงสี่ชนิด แต่มีแค่สามชนิดที่ตอบสนองเป็นสี อีกชนิดหนึ่งตอบสนองกับความสว่างเท่านั้น ผมเคยบันทึกเรื่องตาและเซลล์ต่างๆเหล่านี้ไว้แล้วที่ “คุยกับเด็กๆเรื่องตา ภาพลวงตา เซลล์ร็อดและเซลล์โคน” ถ้าสนใจเชิญเข้าไปดูนะครับ)

จากนั้นผมก็ฉายแสงเลเซอร์ใส่ปริซึม จะเห็นว่าแสงเปลี่ยนทิศทางเมื่อวิ่งผ่านปริซึม การเปลี่ยนทิศทางนี้ก็เพราะความเร็วแสงในปริซึมต่างกับความเร็วแสงข้างนอก

ปกติแสงจะมีความเร็วไม่เท่ากันเมื่อวิ่งผ่านตัวกลางต่างๆ แสงจะวิ่งเร็วสุดประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีเมื่อวิ่งผ่านสูญญากาศ เมื่อวิ่งผ่านอากาศความเร็วก็จะลดลงไปประมาณ 90 กิโลเมตรต่อวินาที (เหลือ 299,700 ก.ม./วินาที) เมื่อวิ่งผ่านน้ำความเร็วจะเหลือประมาณ 225,600  เมื่อวิ่งผ่านแก้วจะเหลือประมาณ 200,000 เมื่อวิ่งผ่านเพชรจะเหลือประมาณ 125,000  กิโลเมตรต่อวินาที  อัตราส่วนความเร็วของแสงในสูญญากาศต่อความเร็วของแสงในตัวกลาง เรียกว่าดัชนีหักเหของแสงในตัวกลางนั้นๆ ดังนั้นดัชนีหักเหของสูญญากาศก็คือ 1 ดัชนีของน้ำคือ 1.33  ดัชนีของแก้วคือ 1.5 และดัชนีของเพชรคือ 2.4 ดัชนีเหล่านี้เป็นค่าประมาณทั้งนั้น เพราะจริงๆแล้วแสงความถี่ต่างกันจะมีดัชนีต่างกันด้วย (นั่นทำให้แสงกระจายเป็นสีรุ้งได้เพราะแสงความถี่ต่างๆกันเปลี่ยนทิศทางไม่เท่ากัน)

เมื่อแสงวิ่งผ่านตัวกลางต่างชนิดกันที่มีดัชนีหักเหของแสงต่างกัน ทิศทางของแสงจะเปลี่ยนไป (ถ้าสนใจเพิ่มเติมดูที่นี่นะครับ) เช่นในรูปนี้ เราฉายแสงเลเซอร์สีเขียว ผ่านน้ำและปริซึม ก็จะเห็นการเปลี่ยนทิศทางอย่างชัดเจน:

แสงวิ่งผ่านน้ำและปริซึมแก้ว เปลี่ยนทิศทางเพราะดัชนีหักเหของน้ำและแก้วไม่เท่ากัน
แสงวิ่งผ่านน้ำและปริซึมแก้ว เปลี่ยนทิศทางเพราะดัชนีหักเหของน้ำและแก้วไม่เท่ากัน
ถ้ามีปริซึมแก้วหลายอัน ก็ทำให้แสงเปลี่ยนทิศทางไปมากๆได้
ถ้ามีปริซึมแก้วหลายอัน ก็ทำให้แสงเปลี่ยนทิศทางไปมากๆได้

เวลาเราฉายแสงให้ผ่านน้ำเข้าสู่อากาศ ทิศทางของแสงในอากาศจะลู่เข้าหาผิวน้ำ ถ้าเราฉายแสงในทิศทางเฉียงมากพอ แสงจะลู่เข้าหาผิวน้ำมากขึ้นเรื่อยๆจนไม่วิ่งทะลุผิวน้ำ แต่จะสะท้อนกลับลงมาในน้ำ ปรากฎการณ์นี้เรียกว่าการสะท้อนกลับทั้งหมด (Total internal reflection) เราลองทำการทดลองแล้วดูปรากฎการณ์นี้ครับ:

การสะท้อนกลับภายในน้ำ
การสะท้อนกลับทั้งหมดภายในน้ำ

การสะท้อนกลับภายในตัวกลางแบบนี้เป็นหลักการของสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่าใยแก้วนำแสง (Optical fiber) ซึ่งเป็นแก้วหรือพลาสติกคุณภาพสูง ใสมาก และถูกรีดให้มีขนาดเล็กมาก เล็กกว่าเส้นผม (แต่ถูกหุ้มด้วยเปลือกจนมีขนาดใหญ่ขึ้นหน่อย จะได้ทนทาน) ถ้าเราปล่อยแสงใส่ปลายด้านหนึ่ง แสงจะเดินทางเข้าไปในใยแก้ว โดยสะท้อนอยู่ภายในจนไปออกที่ปลายอีกข้างหนึ่ง ใยแก้วนำแสงเป็นสายส่งสัญญาณหลักสำหรับข้อมูลในอินเทอร์เน็ตเวลาส่งไกลๆข้ามประเทศหรือข้ามทวีป

ผมเอาใยแก้วนำแสงแบบทำจากพลาสติกมาส่องแสงเลเซอร์ที่ปลายข้างหนึ่ง แล้วให้เด็กๆสังเกตว่ามีแสงออกอีกข้างหรือเปล่าครับ:

ลองส่องแสงใส่เส้นใยนำแสงกันครับ
ลองส่องแสงใส่เส้นใยนำแสงกันครับ

ผมเจอคลิปการผลิตที่น่าสนใจด้วยครับ แต่ไม่มีเวลาโชว์ให้เด็กดู:

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมคุยกันเรื่องการปรับปรุงปืนลมกระสุนโฟมที่ประดิษฐ์ไปเมื่อสองสัปดาห์ที่แล้ว เราเห็นว่ากระสุนโฟมจะตกไปเรื่อยๆเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ถ้าจะเล็งให้โดนเป้า ช่องที่เราใช้เล็ง หรือศูนย์จะต้องไม่วางขนานกับลำกล้อง แต่ต้องทำมุมกดลงเข้าหาปลายลำกล้อง เพื่อให้จุดที่เราเล็งตรงกับระยะที่กระสุนโฟมตกลง ถ้าระยะทางไปถึงเป้าใกล้กว่าหรือไกลกว่าระยะทางที่เราตั้งศูนย์ไว้ เราก็ต้องเล็งชดเชย ไม่งั้นกระสุนจะสูงไปหรือต่ำไปเมื่อเดินทางไปถึงเป้า

ลักษณะแนวเล็งและลำกล้องจะเป็นอย่างนี้ครับ ดูอันบนที่ถูกต้องนะครับ:

ภาพจาก http://aesirtraining.com/home/wp-content/uploads/2011/05/Trajectory.jpg
ภาพจาก http://aesirtraining.com/home/wp-content/uploads/2011/05/Trajectory.jpg

จากนั้นเด็กๆก็แยกย้ายหัดเล็งและเล่นปืนลมกันครับ ยิงกันโดนเป้าเยอะเหมือนกัน:

One thought on “แสง สีรุ้ง ปริซึม การสะท้อนภายใน ใยแก้วนำแสง ปรับปรุงปืนลม”

Leave a Reply

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