ฟิสิกส์สัปยุทธ์ ข้อโคมเปร่งแสง (Radiant Lantern) นครพนมวิทยาคม

   โรงเรียนนครพนมวิทยาคม ได้ส่งนักเรียนเข้าร่วมการแข่งขันในโครงการฟิสิกส์สัปยุทธ์ โดยมีนักเรียนห้องเรียนพิเศษวิทยาศาสตร์เป็นแกนนำในการทำกิจกรรมซึ่งมีครูเป็นผู้ให้คำปรึกษา และโรงเรียนให้การสนับสนุนเป็นอย่างดี ขอขอบคุณ ณ ทีนี้

สำหรับผู้เขียนก็พึ่งได้สัมผัสกับรายกายนี้เป็นครั้งแรก ซึ่งตลอดเวลาที่เข้าอยู่ในทีมครูที่ปรึกษาก็คอยสังเกตอยู่ห่างๆ ว่าเขาเตรียมนักเรียนอย่างไรเกี่ยวกับการทดลอง การนำเสนอ การซักคานและการวิพากษ์วิจารณ์ นอกจากนั้น ได้มีโอกาสเป็นที่ปรึกษาในโจทย์ข้อที่ถือว่าไม่ยากและไม่ง่ายเกินไป นั่นคือ ข้อโคมเปล่งแสงนั้นเอง (Radian Lantern) ซึ่งก็ได้เรียนรู้อย่างมากเช่นกัน และนั่นจะเป็นหัวข้อที่ผมจะมาเขียนในวันนี้ครับ

ปัญหา

   “When taking a picture of a glowing lantern at night, a number of rays emanating from the center of the lantern may appear in the pictures. Explain and investigate this phenomenon.”

ในการถ่ายภาพโคมที่เปล่งแสงในเวลากลางคืน บนภาพอาจปรากฏรังสีแสงจานวนหนึ่งแผ่ออกจากบริเวณกลางโคม จงอธิบายและ สืบเสาะปรากฏการณนี้.

 

   ก่อนอื่นขอบอกว่าแต่ละปัญหาที่เขาให้มาเป็นปัญหาที่ทางส่วนกลางได้คัดมาแล้ว กล่าวคือ ต้องเป็นปัญหาที่สามารถปฏิบัติการได้ในโรงเรียน ไม่ใช้อุปกรณ์ขั้นสูงเกินไป และไม่เป็นอันตรายเกินไป เช่น พวกที่ใช้พลังงานสูง เป็นต้น นอกจากนั้น ไม่ใช่ว่าจะให้โจทย์มาเปล่าๆ แล้วให้งมเข็มในมหาสมุทรเอาเอง แต่ทางส่วนกลางก็ได้แนบลิ้งค์เพื่อให้เป็นแหล่งความรู้อ้างอิงอีกด้วยครับ

โจทย์ข้อนี้เป็นเรื่องเกี่ยวกับการถ่ายภาพครับ ถ้าเราถ่ายภาพตอนกลางคืนด้วยการปรับเลขโฟกัสหลายๆ ค่าเราจะเห็นไฟมีแฉกออกมาครับ ซึ่งขอเรียกว่าปรากฏการณ์ดาว (Star effect) เบื้องต้นจากแหล่งความรู้อ้างอิงที่เขาให้มาจะบอกด้วยว่า ปรากฏการณ์นี้เกิดจากส่วนประกอบหนึ่งของกล้องที่เรียกว่า ไดอะแฟรม (Diaphragm) หรือตัวกรองแสงทำให้แสงเกิดการแทรกสอดเป็นสาเหตุของสิ่งนี้ โดยเราจะมาศึกษากันครับว่ามันแทรกสอดอย่างไร

ลำดับ

1. ปก--> สามารถใช้เป็นการแนะนำสถานที่ท่องเที่ยวที่สำคัญของจังหวัดได้

2. โจทย์

3. ตัวอย่างปรากฏการณ์ดาว--> สามารถไปถ่ายในที่ๆ เป็นแหล่งท่องเที่ยวตอนกลางคืนได้ครับ สำหรับโรงเรียนเราเลือกเป็นลานพญาศรีสัตตนาคราช

4. หลักการทำงานของกล้อง--> กล้องถ่ายรูปทั่วไปมีอุปกรณ์ต่างๆ หลายอย่าง เช่น เลนส์ shutter เป็นต้น แต่ในขั้นตอนการอธิบายก็พยายามชี้ให้เห็นว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้เพื่อมีไดอะแฟรม ทำหน้าที่เป็นเหมือนสลิตเดี่ยว

5. ทฤษฎีรูรับแสง--> f-number=f/D

6. ภาพถ่ายตอนกลางคืน-->ถ้าเปลี่ยน f-number ขนาดต่างๆ แล้ว ภาพที่ออกมาเป็นอย่างไร ผลปรากฏว่า F/22=1.0mm แสดงแฉกความชัดของแฉกได้ดีกว่า F/6.3=3.5mm

7. เปรียบเทียบจริงและทดลอง-->เรานำเอาแฉกที่ถ่ายจากไฟจริง และแฉกที่เกิดจากการทดลองของเรามาเทียบกันและมีลักษณะที่คล้ายกัน จึงคิดว่าถ้าเราแสดงแฉกที่ได้จากการทดลองจะสามารถแสดงแนวคิดและการสรุปได้ดีกว่าที่ใช้จากกล้อง

8. ภาพการตั้งการทดลองด้วยช่องสลิตสี่เหลี่ยม (เป็นช่องสลิตที่ทำขึ้นด้วยกระดาษอ่อนสีดำที่มีด้านละ 1 mm และต้องใช้กล่องจุลทรรศน์ส่องเวลาประกอบกัน อนึ่ง แนวคิดนี้ได้จากการแลกเปลี่ยนเรียนรู้กันกับโรงเรียนจุฬาภรณ์ราชวิทยาลัย มุกฯ) ยิงเลเซอร์ใส่ แล้ววัดความเข้มแสงที่ฉาก จากนั้น นำเอากราฟความเข้มแสงที่ได้ไปเทียบกับกราฟที่ได้จากการการทดลองที่คล้ายกันด้วยสลิตเดี่ยว สลิตคู่และมัลติสลิต โดยผลจากการเปรียบเทียบปรากฏว่าเข้ากันได้กับกราฟของสลิตเดี่ยวครับ จึงพอสรุปได้ว่ามันเป็นการแทรกสอดแบบสลิตเดี่ยว และเราก็จะสามารถใช้ทฤษฎีของสลิตเดี่ยวมาอธิบายได้ครับ

9. เป็นการตั้งแนวคิดการทดลองโดยศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดไดอะแฟรมและความเข้มแสงซึ่งได้เรียงลำดับ ดังนี้

   - การตั้งการทดลอง-->คล้ายการทดลองด้วยสลิตเดี่ยว แนวคิดคือ ถ้าขนาดรูรับแสงเพิ่มขึ้นจะทำให้แถบที่ติดกับแถบสว่างกลาง เช่น แถบสว่างแรกหรือลำดับสอง ชิดกันกับแถบสว่างกลางทำให้มองเห็นไม่ชัดเจน ซึ่งจะอธิบายภาพจริงที่เกิดจากการหมุนไดอะแฟรมค่าต่ำๆ เช่น F/6.3 เป็นต้น

   - ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง-->ในทฤษฎีการแทรกสอดของฟรานโฮเฟอร์ (Fraunhofer diffraction)

   - การทดลอง ขนาดช่องรับแสง 3 ขนาดกับ ความเข้มแสง แล้วแสดงผลการทดลองเป็น 3 กรณีเล็ก กลาง และใหญ่ และนำทั้ง 3 ค่าที่ได้มาวาดกราฟเพื่อเปรียบเทียบระหว่าง ขนาดรูสลิตและระยะระหว่างจุดศูนย์กลางถึงแถบสว่างแรก

   - สรุปการทดลอง และควรนำทฤษฎีด้านบนเหล่านั้น (F-number, ความเข็มแสงจากฟานโฮเฟอร์) มาอธิบาย หรือถ้าเป็นไปได้ทำแอนนิเมชันหรือกราฟฟิคดีๆ ประกอบการอธิบายที่ดีจะมีผลต่อคะแนนครับ

10. การทดลองตอนที่ 2 : ศึกษาจำนวนเหลี่ยมที่ส่งผลต่อรูปแบบการเลี้ยวเบนและจำนวนแฉกของแสง

   สมมิฐาน : ถ้าจำนวนเหลี่ยมของช่องว่างต่างกันจะส่งผลต่อจำนวนแฉกของแสงที่ต่างกัน

   ตัวแปรต้น : จำนวนเหลี่ยมของช่องว่าง สามเหลี่ยม สี่เหลี่ยม ห้าเหลี่ยม หกเหลี่ยม

ตัวอย่างสลิตเดี่ยวสามเหลี่ยม

ตัวแปรตาม : จำนวนแฉกของแสง

ตัวแปรควบคุม : ความเข้มแสงเลเซอร์ ระยะรับแสง

    -ทำการทดลองตามที่กำหนดไว้และผลที่ได้ดังนี้

   วิเคราะห์ผลการทดลอง ใช้ทฤษฎีการแทรกสอดในสลิตเดี่ยวมาอธิบาย เช่น กรณีของสลิตรูป 4 เหลี่ยม ซึ่งมี 2 แนว คือแนวตั้งและแนวนอน นั่นคือมีสลิตเดี่ยวประกอบกัน 2 ตัวทำให้ได้แฉกเป็น 4 แฉก

   สำหรับกรณีของ 3 เหลี่ยม เราคิดว่าบริเวณฐานสามเหลี่ยมกับจุดยอดของสามเหลี่ยมเป็นคู่สลิตอันหนึ่ง ดังนั้น หากเราคิดทั้ง 3 ด้าน จะได้คู่สลิต 3 คู่ และให้แฉกเป็น 6 แฉกดังผลการทดลอง และกรณีอื่นๆ ก็อภิปรายผลคล้ายๆ กันนี้

ท่านผู้อ่านท่านใด มีข้อแนะนำดีๆ เชิญแนะนำในคอมเมนส์เลยครับ 

ขอบคุณ