แสงที่ผ่านเลนส์
สำหรับหัวข้อนี้ แนะนำให้อ่านหน้าเสริมก่อนนะครับ ได้อธิบายเรื่องพื้นฐานของรังสีแสงและภาพไว้นะครับ
แสงที่ผ่านเลนส์
เลนส์
สิ่งที่เรียกว่าเลนส์นั้นคือสิ่งที่ถูกนำมาใช้ในแว่นตา กล้องถ่ายรูป และ กล้องโทรทรรศน์เป็นต้น เป็นสิ่งที่ทำให้ภาพขยายใหญ่ขึ้น・เล็กลงครับ ใช้ประโยชน์จากความต่างของดัชนีหักเหของแก้ว(หรือพลาสติกต่าง ๆ ) และของอากาศ ทำให้รังสีแสง##หักเหไปตามที่เราต้องการ และทำให้มัดของรังสีแสงตีบเข้า・กระจายออกได้ครับ เพื่อที่จะให้ภาพปรากฏอย่างชัดเจนจึงให้ขอบด้านข้างของเลนส์มีรูปทรงเป็นโค้งทรงกลมครับ
แบบที่ส่วนตรงกลางป่องออกเรียกว่า เลนส์นูนครับ
แบบที่ส่วนตรงกลางเว้าเข้าไปเรียกว่า เลนส์เว้าครับ
ที่ศึกษาในระดับมัธยมปลายคือเลนส์##tl 2 ชนิดนี้ครับ นอกเหนือจากนี้ ยังมีเลนส์อีกหลายชนิด อาทิเช่น เลนส์ที่มีด้านหนึ่งเป็นผิวเรียบแทนที่จะเป็นผิวโค้งทรงกลม หรือเลนส์ที่มีรูปร่างเหมือนกับใบเลื่อยคันธนู (Fresnel Lens)
จุดโฟกัส
เส้นตรงที่ผ่านจุดศูนย์กลางของเลนส์และตั้งฉากกับผิวของเลนส์เรียกว่า แกนแสง (แกนมุขสำคัญ) ครับ
ดังในรูปด้านซ้ายมือ เมื่อฉายรังสีแสงที่ขนานกับแกนแสงของเลนส์นูนจากทางด้านซ้าย รังสีแสงจะหักเหที่เลนส์ และเดินทางผ่านจุด \(1\) จุดที่อยู่บนแกนแสงทางด้านขวาครับ เรียกจุด \(\rm{F}\) นี้ว่า จุดโฟกัสของเลนส์นูน และเรียกระยะ \(f\)จากจุดศูนย์กลางของเลนส์ว่า ระยะโฟกัสครับ
ตอนนี้ ถ้าพิจารณาอย่างรัดกุมแล้ว หากว่าแสงที่ใช้เป็นแสงขาวแล้ว จะเกิด##การกระเจิงแสงขึ้นครับ และทำให้ไม่สามารถรวมแสงให้อยู่ที่จุด ๆ เดียวได้จริง ๆ แต่ว่าเราจะละเลยประเด็นปัญหานี้ไปครับ
และถ้าหากจะพูดแบบรัดกุมขึ้นไปอีก ต่อให้เราใช้แสงสีเดียวแล้วก็ตามจะเกิดปัญหาที่เรียกว่าความคลาดของไซเดล (Seidel Aberrations) ขึ้นครับ ทำให้ไม่สามารถรวมแสงเอาไว้ที่จุด ๆ เดียวไม่ได้ครับ
ในกรณีที่ฉายแสงเข้าจากทางด้านขวาก็เช่นเดียวกัน แสงจะถูกรวมอยู่ที่ตำแหน่งทางด้านซ้ายซึ่งห่างออกไปเท่ากันครับ มีจุดโฟกัสอยู่ทั้งสองฝั่งของเลนส์ครับ
ยิ่งเลนส์หนามากเท่าไหร่ (ยิ่งรัศมีความโค้งของผิวทรงกลมมากขึ้นเท่าไหร่) ระยะโฟกัสก็จะสั้นขึ้นเท่านั้น
เมื่อเลนส์หนาขึ้น หรือผิวของเลนส์ราบเอียงมากขึ้นเท่าไหร่ รังสีแสงก็จะถูกหักมากขึ้นเท่านั้นครับ
เมื่อฉายรังสีของแสงที่ขนานกับแกนแสงเข้าทางด้านซ้ายของเลนส์เว้าแล้ว รังสีแสงจะหักเหที่เลนส์และกระจายออกไปครับ ถ้าต่อเส้นของรังสีแสงเหล่านี้ออกไปทางฝั่งตรงข้าม มันจะไปรวมกันที่จุด ๆ หนึ่งบนแกนแสงครับ จุดนี้คือจุดโฟกัสของเลนส์เว้าครับ
ในกรณีของเลนส์เว้าก็มีจุดโฟกัสอยู่สองฝั่งเช่นเดียวกัน และระยะโฟกัสทั้งสองฝั่งก็เท่ากันด้วยครับ
จริง ๆ แล้วมีเลนส์ที่ระยะโฟกัสสองฝั่งไม่เท่ากันอยู่ครับ แต่เพราะว่ายากเกินไปจึงไม่เรียนในฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายครับ
การย้อนทางของแสง
หากว่าฉายแสง ในทิศทางตรงข้ามกับเส้นทางที่แสงเดินทางผ่านมาแล้วครั้งหนึ่ง แสงจะเดินทางกลับไปตามทางนั้นแบบเป๊ะ ๆ ครับ เรียกว่าการย้อนทางของแสงครับ
จะไม่เดินทางไปในเส้นทางอื่นครับ
การสะท้อนที่เกิดจากกระจกก็เช่นเดียวกันครับ
ภาพที่เกิดจากเลนส์
เวลาที่จะคิดว่า "รังสีแสงที่เดินทางออกมาจากวัตถุนั้น เมื่อเดินทางผ่านเลนส์แล้วจะสร้างภาพขึ้นมาแบบใด" นั้น ถ้าเราพิจารณาเพียงรังสีแสงที่มีเส้นทางการเดินทางชัดเจน 3 เส้น จากในบรรดารังสีแสงที่มีอยู่เป็นอนันต์เส้น แล้วจะเข้าใจได้ง่ายขึ้นครับ
（เลนส์นูน）
（1）รังสีแสงที่ขนานกับแกนแสงนั้น เมื่อเดินทางผ่านเลนส์นูนแล้วจะผ่าน จุดโฟกัส
ได้อธิบายไปด้านบนแล้วครับ
（2）รังสีแสงที่ผ่านจุดศูนย์กลางเลนส์นูน จะเดินทางต่อไปตรง ๆ ถ้าพูดแบบรัดกุมแล้ว จะเกิดการหักเหขึ้นในเลนส์ที่มีความหนาครับ แต่ว่าในฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายจะคิดว่าเลนส์นั้นไม่มีความหนาครับ
（3）รังสีแสงที่ผ่านจุดโฟกัส เมื่อเดินทางผ่านเลนส์แล้วจะเดินทางขนานไปกับแกนแสง
(เลนส์เว้า)
（1）รังสีแสงที่ขนานกับแกนแสงนั้น เมื่อเดินทางผ่านเลนส์เว้าแล้ว จะเดินทางไปราวกับว่าออกมาจากจุดโฟกัสซึ่งอยู่ด้านหน้าเลนส์
（2）รังสีแสงที่ผ่านจุดศูนย์กลางเลนส์เว้า จะเดินทางต่อไปตรง ๆ
（3）รังสีแสงที่มุ่งไปในทิศทางของจุดโฟกัสที่อยู่หลังเลนส์นั้น เมื่อเดินทางผ่านเลนส์เว้า
จะเดินทางขนานไปกับแกนแสง
สำหรับเลนส์นูนนั้น ภาพ BB’ที่เกิดขึ้นจากวัตถุ AA’ซึ่งวางอยู่ในจุดที่อยู่ไกลกว่าจุดโฟกัส จะเป็นไปตามรูปด้านซ้ายครับ เนื่องจากภาพBB’นั้นเป็นภาพเป็นภาพที่เหมือนกับการนำAA’มากลับหัว จึงเรียกว่า ภาพหัวกลับ ครับ
หากว่านำฉากมาวางไว้ที่ตำแหน่งนี้จะปรากฏภาพขึ้นจริง ๆ ดังนั้นจึงเรียกภาพนี้ว่า ภาพจริง ครับ ภาพที่จะไม่ปรากฏขึ้นแม้ว่าจะนำฉากมารับไว้ก็ตามเรียกว่า ภาพเสมือนครับ
ภาพจริง = ภาพหัวกลับ
↕ ↕
ภาพเสมือน = ภาพหัวตั้ง
เป็นความสัมพันธ์แบบนี้ครับ
ไม่เพียงแต่ส่วนปลายยอดของวัตถุ(เทียน)เท่านั้น แต่หากว่าพิจารณาภาพที่เกิดจากส่วนกลางและส่วนฐานของเทียน ตามหลัก (1), (2), (3) แล้ว จะได้ดังรูปด้านซ้ายมือ ดังนั้นผมคิดว่าจะเห็นว่าเกิดเป็นภาพหัวกลับขึ้นจริง ๆ นะครับ
ในกรณีนี้ ไม่ได้หมายความว่ามีรังสีแสงกำเนิดออกมาเพียงแค่ทีละ 3 เส้นเท่านั้น แต่ว่ามีรังสีแสงเป็นอนันต์เดินทางผ่านเลนส์ และสร้างเป็นภาพขึ้นครับ
(1), (2), (3) นี้คือตัวแทน 3 เส้นซึ่งจะช่วยให้คิดง่าย ๆ เวลาที่คิดคำนวณครับ
(ลองดูหน้าเสริมด้วยนะครับ)
ทีนี้ อีกประเด็นที่อาจจะสับสนงงงวยได้ก็คือคำถามที่ว่า “ตอนที่ไม่มีฉากวางอยู่ จะมองเห็นภาพตรงนั้นหรือไม่” คำตอบคือ มองไม่เห็นครับ
ยกตัวอย่างเช่น หากมองเลนส์จากจุด B ซึ่งเป็นตำแหน่งที่จะเกิดภาพของเปลวไฟ เราจะเห็นเลนส์เป็นสีแดงทั่วทั้งเลนส์ครับ
หากเรามองเลนส์จากจุด B’ ซึ่งเป็นตำแหน่งที่จะเกิดภาพของตัวแท่งเทียน เราจะเห็นเลนส์เป็นสีเทาทั่วทั้งเลนส์ครับ
หากเรามองเลนส์จากตำแหน่งที่ไกลมาก ๆ จะมองเห็นเทียนกลับหัวอยู่ที่บริเวณครึ่งล่างของเลนส์ครับ รังสีแสงจากเลนส์ที่ไปถึงตานั้นคือรังสีแสงที่ขนานกับแกนแสง (รังสีแสงที่เดินทางผ่านจุดโฟกัสทางด้านหน้าเลนส์) เพียงอย่างเดียวครับ รังสีแสงที่นอกเหนือจากนั้นจะเดินทางออกไปทางด้านบนหรือด้านล่างเสียก่อนและไม่มาถึงดวงตาครับ
แม้ว่าจะมองเลนส์จากจุดที่ไม่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งที่เกิดภาพเลย ก็จะไม่ปรากฏอะไรขึ้นครับ
พอจะจับทางได้ไหมครับ ผมอาจจะอธิบายเกินจำเป็นไปทำให้กลายเป็นทำให้งงแทน แต่คำถามเกี่ยวกับเลนส์ในฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายนั้นจะไม่ค่อยให้คิดเกี่ยวกับเรื่องที่ว่าตาคนจะมองเห็นเป็นอย่างไรครับ เรื่องหลักคือการคิดว่ารังสีแสงที่ออกจากวัตถุจะเดินทางอย่างไรเมื่อผ่านเลนส์มาครับ คำว่า "ภาพ" นี้โผล่มาบ่อยครั้ง แต่จริง ๆ แล้วมันเป็นเรื่องทางทฤษฏี ไม่ได้หมายความว่าหากมนุษย์มองไปที่จุดนั้นแล้วภาพจะลอยขึ้นมาให้เห็นได้ครับ อยากจะให้ระลึกเรื่องนี้เอาไว้ด้วยนะครับ
การละเลยความหนาของเลนส์
ในฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายนั้น มักจะมีการคิดว่าเลนส์ไม่มีความหนาอยู่บ่อย ๆ แต่จะชี้แจงก่อนว่าไม่จริงนะครับ
จริง ๆ แล้วเป็นแบบนี้
แต่ถือว่าเป็น
แบบนี้นะครับ
นอกจากนี้ยัง
วาด
เป็น
และวาด
เป็น
เป็นต้นครับ
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น