Waves in a Ripple Tank — KP Science simulation

ความเร็ว 1.0x

I. Stroboscope Strobe: OFF ◎ วงกลม 📏 วัดค่าเอง

📏 วัดความยาวคลื่น (λ)

จุด 1: — จุด 2: —

ระยะ: — cm

ความถี่ (f)

8.0

ความลึกน้ำ (h)

10.0

ความเร็วคลื่น (v)

—

cm/s

ความยาวคลื่น (λ)

—

🔬 การทดลอง

📊 โหมดบันทึก

📏 วัดค่าเอง 🤖 อัตโนมัติ

〰️ ชนิดหน้าคลื่น

💡 สโตรโบสโคป

เปิดสโตรโบสโคป

N Slits/s Hz

≈ 20 รอบ/15 วินาที (6 ช่อง)

🎵 ความถี่เครื่องกำเนิดคลื่น

f Hz

🌊 ความลึกน้ำ

Deep mm

Shallow mm

แสดงแผ่นกระจก

📐 แอมพลิจูด

A %

📋 ตารางข้อมูล

📈 กราฟ λ vs f

ความยาวคลื่น (cm) vs ความถี่ (Hz)

💡 คำแนะนำ

คลิกบน canvas เพื่อวางจุดวัดระยะ 2 จุด แล้วอ่านระยะทางระหว่างสันคลื่น

📋 วิธีการทดลอง — Waves in a Ripple Tank

🔧 การจัดอุปกรณ์

ตั้งถังคลื่น

เติมน้ำลึก 7 mm ปรับระดับถังให้เรียบสม่ำเสมอ เช็ดขอบถังด้วยนิ้วเปียกเพื่อป้องกันคลื่นสะท้อนจากขอบ

ใน simulation: ตั้งค่าความลึกน้ำที่แผงควบคุม ระดับน้ำสม่ำเสมอทั่วถัง

ทดสอบพัลส์

จุ่มนิ้วลงกลางถังแล้วยกขึ้น สังเกตรูปร่างคลื่น — คลื่นจะแผ่ออกเป็นวงกลมจากจุดที่จุ่ม ลอยชิ้นไม้ก๊อกเล็กๆ บนน้ำ สังเกตว่าไม้ก๊อก กระดกขึ้นลง แต่ไม่ได้เคลื่อนที่ไปตามคลื่น

คลื่นแผ่ออกเป็นวงกลม ความเร็วเท่ากันทุกทิศทาง

ตั้งเครื่องกำเนิดคลื่น

ติดตั้งเครื่องกำเนิดคลื่นไฟฟ้าที่ขอบถัง ให้ลูกปัดจุ่มน้ำเป็นจังหวะสม่ำเสมอ ปรับตำแหน่งหลอดไฟเพื่อฉายภาพคลื่นลงบนจอกระดาษขาวใต้ถัง

ใน simulation: คลิก "เริ่ม" เพื่อสร้างคลื่นต่อเนื่อง

I. การสอบเทียบสโตรโบสโคป (Stroboscope Calibration)

วัดความยาวคลื่นด้วยสโตรโบสโคป

มองคลื่นผ่านสโตรโบสโคป 6 ช่อง หมุนสโตรโบสโคปจนคลื่นบนจอดู "หยุดนิ่ง" เริ่มจากความเร็วรอบต่ำสุดที่ทำให้คลื่นนิ่ง → นี่คือ ความยาวคลื่นจริง

ที่ N = 8 slits/s: λ = 3.1 cm (ค่าจริง) / ที่ N = 16: λ ปรากฏ ≈ 1.6 cm / ที่ N = 24: λ ปรากฏ ≈ 1.0 cm

บันทึกข้อมูลหลายค่า

เพิ่มความเร็วรอบสโตรโบสโคปทีละขั้น บันทึก N (slits/s) และ λ ที่เห็น (cm) ทำ 7 trials

ความยาวคลื่นปรากฏจะสั้นลงเมื่อหมุนสโตรโบสโคปเร็วขึ้น (เป็นภาพลวงตาจากการมองเป็นจังหวะ)

II. ความยาวคลื่น vs ความถี่ (λ vs f)

ปรับความถี่และวัดความยาวคลื่น

ปรับเครื่องกำเนิดคลื่นให้สร้างคลื่นที่ความถี่ต่างๆ (8, 10, 12, 14, 16, 18 Hz) ใช้สโตรโบสโคปหาความเร็วรอบต่ำสุดที่ทำให้คลื่นนิ่ง แล้ววัดความยาวคลื่นจากจอ

λ จะลดลงเมื่อ f เพิ่มขึ้น (สัมพันธ์แบบผกผัน: λ = v/f)

III. ความเร็วคลื่น vs ความลึกน้ำ (Speed vs Depth)

เปรียบเทียบน้ำลึก vs น้ำตื้น

เติมน้ำลึก 10 mm วางแผ่นกระจกในถังโดยรองด้วยวอชเชอร์ให้น้ำเหนือกระจกลึกเพียง 1 mm เปิดเครื่องกำเนิดคลื่นที่ 8 Hz วัดความถี่และความยาวคลื่นทั้งในน้ำลึกและน้ำตื้น

น้ำลึก: v ≈ 25 cm/s / น้ำตื้น: v ≈ 21 cm/s — คลื่นเดินทางช้าลงในน้ำตื้น

📝 วิธีบันทึกผลใน Simulation

โหมดวัดค่าเอง (📏): คลิก 2 จุดบนสันคลื่นใน canvas เพื่อวัดระยะทาง → บันทึกค่าในตารางด้วยตัวเอง
โหมดอัตโนมัติ (🤖): ค่า λ, v จะคำนวณให้อัตโนมัติ พร้อมเติมค่าในตาราง
เคล็ดลับ: วัดระยะทาง 5 ลูกคลื่น แล้วหารด้วย 5 จะได้ค่า λ ที่แม่นยำขึ้น

📐 ทฤษฎี — คลื่นในถังคลื่น

🌊 สมการคลื่น

คลื่นน้ำในถังคลื่นเป็นคลื่นผิวน้ำที่แผ่ออกจากแหล่งกำเนิด สัมพันธ์พื้นฐาน:

v = f × λ

ตัวแปร

v = ความเร็วคลื่น (cm/s)
f = ความถี่ (Hz)
λ = ความยาวคลื่น (cm)

ความสัมพันธ์

เมื่อ v คงที่:
f เพิ่ม → λ ลด
f ลด → λ เพิ่ม
λ แปรผกผันกับ f

คลื่นวงกลมแผ่ออกจากแหล่งกำเนิดจุด — ระยะระหว่างสันคลื่น = λ

💡 หลักการสโตรโบสโคป

สโตรโบสโคปเป็นแผ่นวงกลมที่มีช่องเปิด (slits) กระจายเท่าๆ กัน เมื่อหมุนและมองผ่านช่อง จะเห็นภาพเป็นจังหวะ (เหมือนภาพนิ่งหลายๆ ภาพ)

เมื่อ อัตราการเห็นภาพ (N slits/s) เท่ากับ ความถี่คลื่น (f Hz):
คลื่นจะดู "หยุดนิ่ง" เพราะแต่ละครั้งที่มองผ่านช่อง คลื่นเคลื่อนที่ไปพอดี 1 ความยาวคลื่น → ตำแหน่งเดิม!

N = f → เห็นคลื่นนิ่ง → วัด λ จริงได้

ซ้าย: N = f (เห็นคลื่นนิ่ง, λ จริง) / ขวา: N = 2f (λ ปรากฏ = λ/2)

เมื่อหมุนสโตรโบสโคปเร็วขึ้น (N = 2f, 3f, ...): แต่ละครั้งที่มองผ่านช่อง คลื่นเคลื่อนที่ไปเพียง λ/2, λ/3, ... → ระยะระหว่างสันที่เห็นจะสั้นลง (เป็น ภาพลวงตา ไม่ใช่ λ จริง)

λ_{ปรากฏ} = λ_จริง × (f / N)

📊 ความสัมพันธ์ λ กับ f

เมื่อความเร็วคลื่นคงที่ (ความลึกน้ำเท่าเดิม) ความยาวคลื่นแปรผกผันกับความถี่:

λ = v / f

กราฟ λ vs f — เส้นโค้งไฮเปอร์โบลา (ผกผัน) | v ≈ 25 cm/s

ข้อมูลจากการทดลอง:
f = 8 Hz → λ = 3.1 cm → v = 24.8 cm/s
f = 10 Hz → λ = 2.5 cm → v = 25.0 cm/s
f = 18 Hz → λ = 1.4 cm → v = 25.2 cm/s
→ v ≈ 25 cm/s (คงที่) ✓

🏊 ความเร็วคลื่น vs ความลึกน้ำ

สำหรับคลื่นน้ำตื้น (ความลึก < λ/2) ความเร็วขึ้นกับความลึก:

v = √(g × h)

น้ำลึก (10 mm)

f = 8 Hz
λ = 3.1 cm
v = 25 cm/s

น้ำตื้น (1 mm)

f = 8 Hz
λ = 2.6 cm
v = 21 cm/s

คลื่นชะลอตัวและ λ สั้นลงเมื่อเข้าสู่บริเวณน้ำตื้น (ความถี่คงที่)

ผลที่สังเกตได้:
• ความถี่ไม่เปลี่ยน (กำหนดโดยแหล่งกำเนิด)
• ความเร็วลดลงในน้ำตื้น (v = √(gh))
• ความยาวคลื่นสั้นลง (λ = v/f, f คงที่ แต่ v ลด → λ ลด)
• สันคลื่นเบียดกันมากขึ้นในบริเวณน้ำตื้น

📉 การกระจายพลังงาน

เมื่อคลื่นวงกลมแผ่ออกจากแหล่งกำเนิดจุด พลังงานกระจายไปตามเส้นรอบวง ทำให้แอมพลิจูดลดลงตามระยะทาง:

A ∝ 1/√r

โดย r คือระยะจากแหล่งกำเนิด — ยิ่งไกลจากจุดกำเนิด สันคลื่นยิ่งจางลง