การหักเหของแสง

การหักเหของแสงคือการเปลี่ยนทิศทางของแสงเมื่อแสงเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีความแตกต่างกันในค่าดัชนีหักเหของแสง ซึ่งทำให้เราสามารถอธิบายปรากฏการณ์หลายๆ อย่างได้ในชีวิตประจำวันอย่าง ขนาดของภาพที่เล็ก หรือ ใหญ่ขึ้นเมื่อมองผ่านวัตถุผิวโค้งอย่างเลนส์นูน และ เลนส์เว้า ตำแหน่งของปลาในบ่อที่ดูเหมือนกับอยู่ตื้นกว่าปกติ ตำแหน่งของวัตถุทีอยู่เหนือน้ำที่ดูเหมือนกับอยู่เหนือผิวน้ำมากกว่าเดิม

 

ตั้งแต่มนุษย์ได้รู้จักกับการหักเหของแสง ก็ได้พยายามที่จะหาวิธีการคำนวณมุมของแสงที่เบี่ยงเบนไปจากเดิมหลังจากที่ได้เคลื่อนที่เข้าสู่ตัวกลางใหม่ ประวัติความเป็นมานั้นสามารถย้อนไปได้ถึงปีที่ 62 ของการเผยแผ่ศาสนาคริสต์ และสูตรการคำนวณที่ใช้หามุมของการหักเหของแสงก็ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ที่ชื่อเคลาดิอุส พโทเลมี (Claudius Ptolemy) ใน 100 ปีถัดมา ซึ่งสูตรการคำนวณของพโทเลเป็นสูตรที่ใช้ได้เฉพาะกับมุมตกกระทบที่มีค่าน้อยๆ และใช้ได้กับการหักเหของแสงระหว่างน้ำกับอากาศ แก้วกับน้ำ และอากาศกับแก้วเท่านั้น

แต่สำหรับสูตรการคำนวณค่ามุมหักเหของแสงที่เรารู้จักกันในชื่อกฎของสเนลล์ (Snell’s Law) สามารถใช้กับตัวกลางคู่ใดก็ได้ที่เรารู้ค่าดัชนีหักเหของแสง n₁และ n₂ของตัวกลาง และรู้ค่ามุมตกกระทบของแสงในตัวกลางที่ 1 (q₁) กฎการหักเหของแสงนี้ได้ถูกคิดค้นมากว่า 300 ปีแล้ว และสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

 

n₁sinq₁ = n₂sinq₂

 

เมื่อแสงเคลื่อนที่อยู่ในตัวกลางที่มีค่าดัชนีหักเหของแสงมากกว่าตัวกลางรอบข้าง แสงสามารถตกกระทบด้วยมุมที่เท่ากับมุมวิกฤต (Critical Angle) ซึ่งจะทำให้แสงหักเหอยู่ระหว่างรอยต่อของตัวกลางทั้งสอง เมื่อมุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤตจะทำให้แสงเกิดการสะท้อนกลับหมดลงไปที่ตัวกลางแรกที่เคลื่อนที่อยู่ จากกฎของสเนลล์เราสามารถคำนวณหาค่ามุมวิกฤตได้ด้วยการกำหนดให้มุม q₂ เท่ากับ 90 องศา ก็จะสามารถหาค่า q₁ ที่มีค่าเท่ากับมุมวิกฤตของตัวกลางทั้งสองได้

 

ตัวอย่างการประยุกต์การหักเหของแสงในปัจจุบันครอบคลุมตั้งแต่สิ่งของง่ายๆ ที่เราใช้ในชีวิตประจำวันไปจนถึงอุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ยกตัวอย่างเช่น

• การตรวจสอบความหวาน ความเค็ม ปริมาณแอลกอฮอล์ ในผลิตภัณฑ์อย่างน้ำผลไม้ และ เครื่องดื่มที่มีแอลกอฮอล์ เพื่อใช้ในการควบคุมคุณภาพ ก็อาศัยเครื่องมือที่เรียกว่า รีแฟรกโตมิเตอร์ (Refractometer)

• การเก็บลายพิมพ์นิ้วมือโดยไม่ต้องเปื้อนหมึกอย่างที่เจ้าหน้าที่ใช้เก็บตอนที่เราทำบัตรประชาชน โดยใช้การสะท้อนกลับหมดของแสงมาผสมผสานเข้ากับการกระเจิงของแสงที่ร่องของลายนิ้วมือเรา

• การหักเหของแสงผ่านเลนส์นูน และ เลนส์เว้า นำมาเพื่อปรับขนาดของภาพ หรือ ใช้ปรับสายตาเพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น

• การหักเหของแสงผ่านเลนส์ทรงกระบอก (Cylindrical Lens) ที่สามารถเปลี่ยนแสงเลเซอร์ที่มีหน้าตัดเป็นวงกลมหรือวงรีให้เป็นเส้นแสง สามารถนำใช้ทำอุปกรณ์ตีเส้นด้วยแสง สำหรับใช้ช่วยในการติดตั้งป้ายโฆษณา ป้ายงานพิธี การปูกระเบื้อง และ การติดตั้งเฟอร์นิเจอร์

• การเดินทางของแสงในเส้นใยแก้วนำแสงที่เกิดการสะท้อนกลับหมดของแสงภายในเส้นใยแก้ว ทำให้สามารถส่งข้อมูลจำนวนมากผ่านแสงจากปลายด้านหนึ่งไปยังปลายอีกด้านหนึ่ง

• การหักเหของแสงผ่านพื้นผิวโค้งนูนที่มีลวดลายตามที่ต้องการ สามารถนำมาทำเป็นอิฐแก้วสำหรับใช้ตกแต่งอาคาร และเพื่อให้แสงจากภายนอกเข้าไปในอาคารได้

• การหักเหของแสงผ่านพื้นผิวโค้งเล็กๆ นำมาทำเป็นหน้ากากไฟหน้า และ ไฟท้ายของยานพาหนะเพื่อให้ผู้ขับขี่ที่ตามหลังมาเห็นได้ชัดเจนกว่าเดิม

• อุปกรณ์ตรวจคุณภาพของเพชรที่เรียกว่าไฟร์สโคป (Firescope) ได้ใช้หลักการหักเหของแสงมาตรวจแสงที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวที่ได้มีการตัดและขัด ซึ่งเพชรที่มีรูปทรงและคุณภาพที่ถูกต้องจะมีลวดลายการหักเหของแสงผ่านพื้นผิวต่างๆ ได้อย่างเหมาะสม

 

[กฤษฎา]

ข้อมูลไม่เพียงพอ ใช้ไม่ได้เพราะที่อยากได้คือ ทฤษฎีการหักเหของแสงผ่านเลนส์นูน

[ศรัณย์]

คงต้องศึกษาเพิ่มเติมเอาเองอาจเป็นหนังสือเรียนระดับ ม.ปลาย หรือ ระดับ ป.ตรี ครับ...เพราะบทความนี้ต้องการสื่อให้เห็นว่า "การหักเหของแสง" ไม่ใช่เรื่องยาก และเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของเรา

[พัทธ์ธีรา]

ขอบคุณสำหรับข้อมูลดีๆนะคะ

การบ้านวิชาวิทยาศาสตร์ ม.3 ของหนูมีให้ยกตัวอย่างเครื่องมือที่อาศัยหลักการหักเหของแสงและการสะท้อนกลับหมดของแสงในการทำงาน พอดีเลย ^^

ขอบคุณอีกครั้งค่า (-/l\-)

[chain]

ขอบคุนงับ

[ไม่บอก]

---

ก็พอได้คะ