🌊

การหักเหของคลื่นน้ำในถาดคลื่น

Refraction of Water Waves in a Ripple Tank — Experiment 33

KP Science simulation
กด ▶ เพื่อเริ่ม
🔬 เลือกการทดลอง
การทดลอง I: คลิก 📏 วัด แล้วคลิก 2 จุดบนยอดคลื่นเพื่อวัด λ ทั้งน้ำลึกและน้ำตื้น
ตัวแปรควบคุม
f ความถี่ Hz
θ มุมขอบ °
D น้ำลึก mm
S น้ำตื้น mm
⏩ ความเร็ว ×
ค่าวัด (อัตโนมัติ)
λ น้ำลึก
—
λ น้ำตื้น
—
v น้ำลึก
—
v น้ำตื้น
—
λS/λD
—
θ หักเห
—
ตารางบันทึกข้อมูล
ครั้งfλDλSλS/λD
วัด
λS/λD
auto
%err

📋 วิธีการทดลอง: การหักเหของคลื่นน้ำในถาดคลื่น

การทดลอง I — วัดความยาวคลื่น (λ)

1
เลือก I. วัด λ แล้วกด ▶ เริ่ม ตั้ง มุมขอบ = 0° เพื่อให้คลื่นผ่านขอบเขตตั้งฉาก (ไม่หักเห)
2
กดปุ่ม 📏 วัด แล้วคลิกจุดที่ 1 บนยอดคลื่น (สันคลื่นสีสว่าง) ในบริเวณน้ำลึก แล้วคลิกจุดที่ 2 บนยอดคลื่นถัดไป — ระบบจะแสดงระยะทาง (cm) นั่นคือ λD
3
ทำเช่นเดียวกันในบริเวณน้ำตื้น เพื่ออ่านค่า λS
4
กดปุ่ม "+ เพิ่มแถว" แล้วพิมพ์ค่า λD และ λS ที่วัดได้ลงในตาราง — ระบบจะคำนวณ λS/λD เทียบกับค่ามาตรฐาน (auto) และ %error ให้อัตโนมัติ
5
เปลี่ยนความถี่ (f) แล้วทำซ้ำขั้นตอน 2-4 อย่างน้อย 5 ครั้ง ที่ความถี่ต่างกัน (เช่น f = 8, 10, 12, 14, 16 Hz)
6
สังเกตว่าอัตราส่วน λS/λD คงที่ทุกความถี่หรือไม่ และ %error เทียบกับค่ามาตรฐานเป็นเท่าไร

การทดลอง II — วัดอัตราเร็วด้วย Stroboscope

1
เลือก II. Strobe แล้วกด ▶ เริ่ม — จะปรากฏตัวปรับ Stroboscope 2 ตัว (น้ำลึกและน้ำตื้น)
2
ปรับ ความถี่ Strobe น้ำลึก (D) ค่อย ๆ เลื่อนจนคลื่นในบริเวณน้ำลึกดูหยุดนิ่ง — เมื่อตรงจะแสดง "✅ คลื่นหยุดนิ่ง!" ค่าที่อ่านได้คือความถี่ของคลื่นน้ำลึก
3
ปรับ ความถี่ Strobe น้ำตื้น (S) จนคลื่นในบริเวณน้ำตื้นหยุดนิ่งเช่นกัน — ค่าที่ได้คือความถี่ของคลื่นน้ำตื้น
4
กด "🔦 บันทึกค่า Strobe" — ระบบจะบันทึก fstrobe,D และ fstrobe,S แล้วคำนวณ v = f × λ สำหรับแต่ละบริเวณ พร้อม %error
5
ทำซ้ำที่ความถี่ต่าง ๆ แล้วสังเกตว่า vS/vD ≈ λS/λD หรือไม่ (Hint: ความถี่คลื่นน้ำลึกและน้ำตื้นควรเท่ากัน เพราะ f คงที่ข้ามขอบเขต)

การทดลอง III — วัดมุมตกกระทบและมุมหักเห

1
เลือก III. วัดมุม แล้วตั้งมุมขอบ ≥ 15° (เช่น 30°) เพื่อให้เห็นการหักเหชัดเจน แล้วกด ▶ เริ่ม
2
กดปุ่ม "👁 แสดง/ซ่อน" เพื่อแสดงโปรแทรกเตอร์ 360° บน canvas
3
ลากตรงกลาง (จุดสีชมพู) เพื่อเลื่อนโปรแทรกเตอร์ไปที่จุดตัดขอบเขต หรือกด "🎯 จับที่ขอบเขต" เพื่อให้ snap อัตโนมัติ
4
ลากขอบวงกลมเพื่อหมุนโปรแทรกเตอร์ ให้เส้น 0° (เส้นส้มประ) ขนานกับเส้นตั้งฉากของขอบเขต
5
อ่านมุม θi (มุมที่คลื่นน้ำลึกทำกับเส้น 0°) และ θr (มุมที่คลื่นน้ำตื้นทำกับเส้น 0°) จากสเกลองศา แล้วกรอกลงตาราง
6
ระบบจะคำนวณ sin θr/sin θi แล้วเทียบกับ λS/λD ตามกฎสเนลล์ พร้อม %error

การทดลอง IV — เปรียบเทียบอัตราส่วน (มุม vs ความยาวคลื่น)

1
เลือก IV. เทียบ แล้วตั้งมุมขอบตามต้องการ กด ▶ เริ่ม — ในการทดลองนี้มีทั้ง 📏 เครื่องมือวัดระยะ และ 📐 โปรแทรกเตอร์ ให้ใช้พร้อมกัน
2
วัด θi และ θr ด้วยโปรแทรกเตอร์ แล้ววัด λD และ λS ด้วยเครื่องมือวัดระยะ — กรอกค่าทั้ง 4 ลงในตาราง
3
ระบบจะคำนวณ sin θr/sin θi และ λS/λD แล้วเปรียบเทียบ:
• %error ระหว่างอัตราส่วนทั้งสอง (ตามกฎสเนลล์ ควรเท่ากัน)
• %error ของแต่ละอัตราส่วนเทียบกับค่ามาตรฐาน (auto)
4
ทำซ้ำที่มุมและความถี่ต่าง ๆ เพื่อตรวจสอบว่า sin θr/sin θi ≈ λS/λD ≈ vS/vD ทุกสภาวะ
💡 Hint: ตามกฎสเนลล์: sin θr/sin θi = λS/λD = vS/vD — อัตราส่วนทั้งสามควรได้ค่าเท่ากัน ถ้าวัดถูกต้อง ค่า %error ที่ต่ำแสดงว่าการวัดมีความแม่นยำสูง

📝 วิธีบันทึกผลการทดลอง

  1. โหมดวัดค่าเอง (Manual): วัดค่าด้วยเครื่องมือบน canvas → กด "+ เพิ่มแถว" → พิมพ์ค่าที่วัดได้ → ระบบคำนวณ ratio + %error ให้
  2. โหมดอัตโนมัติ (Auto): กดปุ่ม "⚡ บันทึกอัตโนมัติ" → ระบบจะเติมค่าจากการคำนวณทั้งหมดให้ (ใช้ตรวจสอบคำตอบ)
  3. กด "📥 CSV" เพื่อดาวน์โหลดข้อมูลเป็นไฟล์ตารางได้ทุกเมื่อ

🌊 การหักเหของคลื่น (Wave Refraction) คืออะไร?

การหักเห (Refraction) คือปรากฏการณ์ที่คลื่นเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่เมื่อเคลื่อนผ่านขอบเขตระหว่างตัวกลาง 2 ชนิดที่มีความเร็วคลื่นต่างกัน

ในถาดคลื่น เมื่อคลื่นน้ำเคลื่อนจากน้ำลึกไปยังน้ำตื้น (เหนือแผ่นแก้ว) ความเร็วคลื่นจะลดลง ทำให้ความยาวคลื่นสั้นลงด้วย แต่ความถี่ยังคงเท่าเดิม

📏 ความสัมพันธ์ v = fλ

ความเร็วคลื่น เท่ากับ ผลคูณของความถี่กับความยาวคลื่น:

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

เมื่อคลื่นข้ามขอบเขต ความถี่ (f) คงที่ แต่ v ลดลง → λ ลดลงด้วย:

vD/vS = λD/λS = คงที่
D = deep (น้ำลึก) | S = shallow (น้ำตื้น)

📐 กฎของสเนลล์ (Snell's Law)

เมื่อคลื่นตกกระทบขอบเขตที่ทำมุม คลื่นจะหักเหตามกฎของสเนลล์:

sin θi / sin θr = vD / vS = λD / λS
θi = มุมตกกระทบ | θr = มุมหักเห (วัดจากเส้นตั้งฉาก)

• คลื่นเข้าตัวกลางที่เร็วน้อยกว่า → หักเหเข้าหาเส้นตั้งฉาก (θr < θi)

• คลื่นเข้าตัวกลางที่เร็วมากกว่า → หักเหออกจากเส้นตั้งฉาก

🔬 ทำไมถึงเกิดการหักเห?

เมื่อหน้าคลื่นตกกระทบขอบเขตที่ทำมุม ส่วนของหน้าคลื่นที่ถึงน้ำตื้นก่อนจะชะลอตัวลง ขณะที่ส่วนที่ยังอยู่ในน้ำลึกยังเคลื่อนที่เร็ว ทำให้หน้าคลื่นบิดเบนทิศทาง