แสงเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่ทำจากโฟตอน โฟตอนเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของแสงที่ตามองเห็น คุณรู้หรือไม่ว่าแสงเป็น สิ่งที่เร็วที่สุดในจักรวาล? เนื่องจากแสงประกอบด้วยอนุภาคไร้มวลซึ่งเรียกว่าโฟตอนที่ทำให้มันเป็นสิ่งที่เร็วที่สุดในจักรวาล แสงเดินทางในสุญญากาศด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที แสงมีลักษณะเฉพาะเนื่องจากมีอยู่ในสองรูปแบบที่แตกต่างกันมากในเวลาเดียวกัน รูปแบบหนึ่งคืออนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าโฟตอน อีกรูปแบบหนึ่งคือคลื่น วิธีคิดที่ง่ายที่สุดเกี่ยวกับแสงก็คือคลื่น
แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงจนกระทบกับวัตถุที่จะโค้งงอหรือสะท้อนกลับ คุณสมบัติของแสงที่เดินทางเป็นเส้นตรงนี้เรียกว่า การแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง
คุณเคยสังเกตลำแสงที่ส่องเข้ามาในห้องมืดของคุณผ่านทางรูเล็กๆ หรือไม่? ใช่ คุณจะเห็นลำแสงเดินทางเป็นเส้นตรง
ให้เราดำเนินการทดลองพื้นฐานบางอย่างเพื่อพิสูจน์ว่า แสงเดินทางเป็นเส้นตรง
การทดลองที่ 1:
วัตถุที่จำเป็น: เทียนไข ไม้ขีดไฟ ท่อตรงกลวงเล็กๆ และท่อโค้งกลวงเล็กๆ
จุดเทียนแล้วมองดูเปลวเทียนผ่านท่อตรง ที่นี่มองเห็นแสงเทียน
ทีนี้ลองมาดูเปลวไฟที่ลอดท่อที่โค้งงอกัน เปลวไฟจะไม่ปรากฏแก่เรา
ข้อสังเกต: มองไม่เห็นเปลวไฟผ่านท่อโค้ง การทดลองนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรงและถูกบังหากพบสิ่งกีดขวางขวางทาง
การทดลองที่ 2:
วัตถุที่ต้องการ: ฉากที่เหมือนกันสามฉากและเทียนหนึ่งเล่ม
เจาะรูตรงกลางของตะแกรงทั้ง 3 นี้แล้วติดไว้บนโต๊ะด้านหลังอีกอันดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง วางเทียนไว้ที่ด้านหนึ่งของตะแกรงเหล่านี้ และมองผ่านอีกด้านหนึ่งของตะแกรงทั้งสาม
1.ลองดูที่เปลวเทียน ปรับรูตะแกรงและจุดเทียนเพื่อให้คุณเห็นเปลวไฟผ่านตะแกรงเหล่านี้
2. ตอนนี้เลื่อนหน้าจอใด ๆ ไปด้านข้างและพยายามดูเปลวเทียน มันจะมองไม่เห็น
ข้อสังเกต เมื่อรูทั้ง 3 รูและเปลวไฟอยู่ในแนวเดียวกัน เราจะมองเห็นเปลวไฟได้ ทันทีที่หน้าจอใดหน้าจอหนึ่งหยุดการจัดตำแหน่ง เปลวไฟจะมองไม่เห็น สิ่งนี้เป็นไปได้ก็ต่อเมื่อแสงเดินทางเป็นทางตรง ไม่ใช่ทางซิกแซก
1. การก่อตัวของเงา: เมื่อใดก็ตามที่แสงถูกบดบังด้วยสารทึบแสง เงาก็จะเกิดขึ้น มีรูปร่างเหมือนกับวัตถุแม้ว่าจะมีขนาดต่างกันก็ตาม
2. การก่อตัวของอุปราคา: ผลที่ตามมาอีกอย่างหนึ่งของการเดินทางของแสงในเส้นทางตรงคือการมีอยู่ของสุริยุปราคาและจันทรุปราคา คุณรู้หรือไม่ว่าทำไมโลก ดวงจันทร์ และดวงอาทิตย์ต้องอยู่ในแนวเส้นตรงจึงจะทำให้เกิดสุริยุปราคาได้ แสงจากดวงอาทิตย์ไม่สามารถอ้อมดวงจันทร์ได้ หากแสงแดดส่องไม่ถึงดวงตาของคุณ คุณก็มองไม่เห็นดวงอาทิตย์
3. การก่อตัวของกลางวันและกลางคืน: หากแสงอาทิตย์ไม่เคลื่อนตัวเป็นเส้นตรง แสงจะโค้งไปรอบโลกและจะมีแสงแดดในตอนกลางคืน
4. กล้องรูเข็ม: กล้องรูเข็มขึ้นอยู่กับการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง ให้เราดูวิธีการทำงาน กล้องรูเข็มเป็นอุปกรณ์ง่ายๆ ที่ประกอบด้วยกล่องเล็กๆ ที่ทาสีดำด้านใน และมีรูเล็กๆ ขนาดเท่าเข็มหมุดที่ปลายด้านหนึ่ง อีกด้านหนึ่งมีหน้าจอกระดาษลอกลายหรือกระจกฝ้าสำหรับดู หากคุณหันด้านที่มีรูไปทางต้นไม้ที่อยู่ไกลออกไปหรือบางทีอาจจะเป็นเทียนไข แล้วมองไปที่หน้าจอฝั่งตรงข้าม คุณจะสังเกตเห็นภาพ ภาพอาจเบลอขึ้นอยู่กับว่าวัตถุอยู่ไกลหรือใกล้แค่ไหน แต่สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับภาพคือการกลับหัวหรือที่เราพูดกันในทางฟิสิกส์ว่าภาพกลับหัว การผกผันนี้เป็นสิ่งที่พิสูจน์ว่าแสงเดินทางเป็นเส้นตรง
แสงเดินทางจากยอดไม้ (จุด A) และตกที่จุด X บนหน้าจอ รังสีจากด้านล่างของต้นไม้ (จุด B) ตกบน Y ดังนั้น XY จึงเป็นภาพต้นไม้กลับด้านที่ลดลงบนหน้าจอ หากหน้าจอถูกแทนที่ด้วยฟิล์มถ่ายภาพ จะสามารถถ่ายภาพต้นไม้ได้
เส้นทางของแสงจะเปลี่ยนได้อย่างไร?
ด้านล่างนี้คือสาเหตุที่ทำให้แสงเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางตรงของมัน:
(i) กระทบพื้นผิวแล้วกระดอนกลับ สิ่งนี้เรียกว่าการสะท้อน
(ii) ผ่านจากตัวกลางโปร่งใสหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งและเปลี่ยนทิศทาง ตัวอย่างเช่น เมื่อแสงผ่านจากอากาศสู่น้ำ แสงจะเปลี่ยนความเร็ว ซึ่งทำให้แสงโค้งงอ สิ่งนี้เรียกว่าการหักเห
(iii) แสงเข้าไปในวัตถุแต่ไม่ผ่าน พื้นผิวสีดำดูดซับแสงเกือบทั้งหมด สิ่งนี้เรียกว่าการดูดซึม
