Wave Reflection — KP Science simulation

วิธีการทดลองและบันทึกผล

A. การสะท้อนจากผิวสะท้อนหน้าตรง (Flat Barrier) — มีการวัด

ตั้งค่าเริ่มต้น

เลือกชนิดคลื่น "หน้าตรง" และผิวสะท้อน "หน้าตรง" ตั้งค่าความถี่ 10 Hz แอมพลิจูด 70% กดปุ่ม ▶ เริ่ม

สังเกตการสะท้อนที่มุมต่างๆ

ปรับ slider มุมผิวสะท้อน (α) ไปที่ 0°, 15°, 30°, 45°, 60° ตามลำดับ สังเกตทิศทางของคลื่นสะท้อน (สีส้ม) ที่เปลี่ยนไป

สังเกต: เมื่อ α เพิ่มขึ้น มุมระหว่างหน้าคลื่นตกกระทบ (สีฟ้า) และหน้าคลื่นสะท้อน (สีส้ม) จะเพิ่มขึ้นด้วย

วัดมุมด้วยเครื่องวัดมุม (โหมด Manual)

ตรวจสอบว่าอยู่ในโหมด Manual กดปุ่ม 📐 เครื่องวัดมุม จะปรากฏวงกลมวัดมุม 360° บน canvas

ลากตรงกลาง = เลื่อนตำแหน่ง — วางให้จุดศูนย์กลางตรงกับจุดที่คลื่นกระทบผิวสะท้อน
ลากที่ขอบ = หมุน — หมุนให้เส้น 0°-180° ตรงกับเส้น Normal
อ่านค่า θ_i (มุมระหว่าง Normal กับทิศคลื่นตกกระทบ) และ θ_r (มุมระหว่าง Normal กับทิศคลื่นสะท้อน)

บันทึกผลการทดลอง

พิมพ์ค่า α, θ_i, θ_r ที่วัดได้ลงในตาราง แล้วกดปุ่ม 💾 บันทึก ระบบจะคำนวณ % ผิดพลาด ให้อัตโนมัติ (เทียบ |θ_i − θ_r| กับ α) ทำซ้ำสำหรับทุกมุมที่ต้องการ

ถ้าวัดถูกต้อง: θ_i ≈ θ_r ≈ α และ % ผิดพลาดใกล้ 0%

วิธีการบันทึกผล

โหมด Manual: ใช้เครื่องวัดมุม 360° ลากไปวางที่จุดตกกระทบ หมุนให้ตรง Normal แล้ววัดมุมจากสเกล พิมพ์ค่าลงในตาราง ช่องทั้ง 3 (α, θ_i, θ_r) กรอกตัวเลขได้
โหมด Auto: สลับ toggle เป็น Auto ระบบจะแสดง θ_i, θ_r arcs บน canvas และเติมค่าให้อัตโนมัติเมื่อกดบันทึก
กดปุ่ม 📥 CSV เพื่อดาวน์โหลดข้อมูลเป็นไฟล์

B. การสะท้อนจากผิวโค้งวงกลม (Curved Barrier) — สังเกตรูปแบบ

คลื่นหน้าตรง + ผิวเว้าวงกลม

เลือกผิวสะท้อน "วงกลม" เลือก เว้า (Concave) ใช้คลื่น หน้าตรง กดเริ่ม สังเกตคลื่นสะท้อน (สีส้ม)

คลื่นหน้าตรงสะท้อนจากผิวเว้า → รวมตัว (converge) เข้าหาจุดโฟกัส (F สีเขียว) แล้วกระจายออก

คลื่นวงกลม + ผิวเว้าวงกลม

สลับเป็นคลื่น วงกลม (แหล่งกำเนิดอยู่กลาง canvas) สังเกตรูปแบบคลื่นสะท้อน

คลื่นวงกลมสะท้อนจากผิวเว้า → รวมตัวที่จุดภาพ (image point) ตามสมการกระจก 1/v + 1/u = 2/R แล้วกระจายออก

สลับเป็นนูน (Convex)

เปลี่ยนเป็น นูน (Convex) ทดลองทั้งคลื่นหน้าตรงและวงกลม สังเกตความแตกต่าง

คลื่นสะท้อนจากผิวนูน → กระจายออก (diverge) เสมอ ดูเหมือนมาจากจุดโฟกัสเสมือนด้านหลังผิวสะท้อน

ลากเลื่อนตำแหน่ง

ใช้เมาส์ลากผิวสะท้อนไปยังตำแหน่งต่างๆ ใน canvas เพื่อสังเกตรูปแบบที่เปลี่ยนไป กดปุ่ม ↺ Reset Position เพื่อเซตกลับตำแหน่งเดิม

C. การสะท้อนจากผิวพาราโบลา (Parabolic Barrier) — สังเกตรูปแบบ

คลื่นหน้าตรง + พาราโบลาเว้า

เลือกผิวสะท้อน "พาราโบลา" เลือก เว้า ใช้คลื่น หน้าตรง สังเกตจุดโฟกัส (F สีชมพู)

คลื่นหน้าตรงสะท้อนจากพาราโบลาเว้า → รวมตัวที่จุดโฟกัส (F) เดียวอย่างสมบูรณ์ (ไม่มี spherical aberration ต่างจากผิวทรงกลม)

คลื่นวงกลม + พาราโบลาเว้า

สลับเป็นคลื่น วงกลม (แหล่งกำเนิดอยู่กลาง canvas) สังเกตว่าคลื่นสะท้อนรวมตัวที่จุดภาพแล้วกระจายออก

เปรียบเทียบเว้ากับนูน

สลับเป็น นูน (Convex) ทดลองทั้งคลื่นหน้าตรงและวงกลม เปรียบเทียบรูปแบบการกระจายของคลื่นสะท้อนกับผิวเว้า

ผิวนูนจะกระจายคลื่นออกเสมอ — ตรงข้ามกับผิวเว้าที่รวมคลื่นเข้าหาจุดโฟกัส

คลื่นผิวน้ำในถังคลื่น (Water Surface Waves)

คลื่นผิวน้ำเป็นคลื่นกลที่เคลื่อนที่บนผิวรอยต่อระหว่างน้ำกับอากาศ โดยอนุภาคของน้ำเคลื่อนที่เป็นวงกลม (ในน้ำลึก) หรือวงรี (ในน้ำตื้น)

ความเร็วคลื่นผิวน้ำตื้น: v = √(g × h) เมื่อ g = ความเร่งโน้มถ่วง (9.8 m/s²), h = ความลึกของน้ำ
สมการคลื่น: v = fλ เมื่อ f = ความถี่, λ = ความยาวคลื่น

v = √(gh) v = fλ

ในถังคลื่น (ripple tank) น้ำลึกประมาณ 5-10 mm ทำให้ความเร็วคลื่นต่ำพอที่จะสังเกตพฤติกรรมต่างๆ ได้ชัดเจน เช่น การสะท้อน การหักเห การแทรกสอด และการเลี้ยวเบน

คลื่นหน้าตรง (Plane wave)

สร้างจากแท่งสั่นยาวจุ่มในน้ำ หน้าคลื่นเป็นเส้นตรงขนาน ทิศการเคลื่อนที่ตั้งฉากกับหน้าคลื่น

คลื่นวงกลม (Circular wave)

สร้างจากแหล่งกำเนิดจุด (point source) เช่น หยดน้ำ หรือปลายแท่งจุ่ม หน้าคลื่นเป็นวงกลมแผ่จากจุดกำเนิด

กฎการสะท้อนของคลื่นผิวน้ำ (Law of Reflection)

เมื่อคลื่นผิวน้ำเคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวาง (เช่น ท่อยาง แผ่นกั้น) คลื่นจะสะท้อนกลับ โดยปฏิบัติตามกฎการสะท้อน:

กฎข้อที่ 1: มุมตกกระทบ (θ_i) เท่ากับ มุมสะท้อน (θ_r) เสมอ — วัดจากเส้นตั้งฉาก (Normal) กับผิวสะท้อน
กฎข้อที่ 2: หน้าคลื่นตกกระทบทำมุมกับผิวสะท้อนเท่ากับหน้าคลื่นสะท้อนทำมุมกับผิวสะท้อน

θ_i = θ_r

คลื่นผิวน้ำในถังคลื่น — มุมตกกระทบ = มุมสะท้อน (วัดจากเส้น Normal)

ในถังคลื่น สามารถเห็นหน้าคลื่นตกกระทบ (สีฟ้า) และหน้าคลื่นสะท้อน (สีส้ม) พบกันที่ผิวสะท้อน โดยทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นตั้งฉากกับหน้าคลื่นเสมอ

การสะท้อนจากผิวหน้าตรง (Flat Barrier)

คลื่นหน้าตรงสะท้อนจากแผ่นกั้นหน้าตรง — หน้าคลื่นตกกระทบและสะท้อนสมมาตรรอบเส้น Normal

ในถังคลื่น เมื่อวางท่อยางเป็นแนวตรงเป็นสิ่งกีดขวาง:

คลื่นหน้าตรง ตกกระทบผิวสะท้อนที่เอียงทำมุม α → สะท้อนเป็นคลื่นหน้าตรง โดย θ_i = θ_r = α
คลื่นวงกลม ตกกระทบผิวสะท้อนหน้าตรง → คลื่นสะท้อนมีลักษณะเหมือนมาจาก แหล่งกำเนิดเสมือน (virtual source) ที่เป็นภาพสะท้อนของแหล่งกำเนิดจริงผ่านผิวสะท้อน

เมื่อเพิ่มมุมระหว่างสิ่งกีดขวางกับหน้าคลื่น มุมระหว่างคลื่นตกกระทบกับคลื่นสะท้อนก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

การสะท้อนจากผิวโค้ง (Curved Barriers)

ในถังคลื่น สามารถดัดท่อยางให้เป็นรูปโค้งต่างๆ เพื่อศึกษาการสะท้อนจากผิวโค้ง:

ผิวสะท้อนเว้า (Concave)

ดัดท่อยางเป็นรูปโค้งเว้า คลื่นหน้าตรงที่ตกกระทบจะสะท้อนรวมตัวเข้าหา จุดโฟกัส (F) ที่ระยะ f = R/2 จากผิว เมื่อ R คือรัศมีความโค้ง

ที่จุดโฟกัส น้ำจะสั่นแรงมาก (amplitude สูงสุด) เพราะคลื่นรวมตัวกัน

ผิวสะท้อนนูน (Convex)

ดัดท่อยางเป็นรูปโค้งนูน คลื่นที่ตกกระทบจะสะท้อน กระจายออก (diverge) ราวกับมาจากจุดโฟกัสเสมือนด้านหลังผิวสะท้อน

ทำให้มองเห็นคลื่นกระจายกว้างขึ้น คล้ายกระจกนูนที่ให้มุมมองกว้าง

เปรียบเทียบ: คลื่นผิวน้ำสะท้อนจากผิวเว้า (ซ้าย) รวมตัวที่ F / ผิวนูน (ขวา) กระจายออก

การสะท้อนจากผิวพาราโบลา (Parabolic Barrier)

ถังคลื่น: คลื่นหน้าตรง → รวมที่จุดโฟกัส | คลื่นจากจุดโฟกัส → สะท้อนเป็นคลื่นหน้าตรง

ดัดท่อยางเป็นรูปพาราโบลา ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษที่สังเกตได้ในถังคลื่น:

คลื่นหน้าตรง → พาราโบลาเว้า: คลื่นผิวน้ำที่สะท้อนจะรวมตัวที่จุดโฟกัสเดียวอย่างสมบูรณ์ (ไม่มี spherical aberration)
คลื่นจากจุดโฟกัส → พาราโบลาเว้า: จุ่มนิ้วสร้างคลื่นวงกลมที่จุดโฟกัส คลื่นสะท้อนจะเป็นหน้าตรงโดยประมาณ (กระบวนการย้อนกลับ)

ในการทดลองจริง สังเกตว่าผิวพาราโบลารวมคลื่นได้ดีกว่าผิวทรงกลม เพราะทุกจุดบนพาราโบลาสะท้อนคลื่นหน้าตรงไปยังจุดโฟกัสเดียวกันพอดี ต่างจากทรงกลมที่มีความคลาดเคลื่อน (spherical aberration)