สูตรฟิสิกส์ ม.5 เรื่องเสียงที่ควรจำก่อนเข้าห้องสอบ

“เสียง” คือหนึ่งในเนื้อหาบทสำคัญของวิชาฟิสิกส์ระดับ ม.5 รวมถึงเรื่องเสียงยังมีการนำไปออกข้อสอบสำหรับใช้เข้ามหาวิทยาลัยอยู่บ่อย ๆ ด้วย ดังนั้น ถ้าน้อง ๆ เข้าใจเรื่องเสียงอย่างกระจ่าง ก็ย่อมมีโอกาสที่จะได้คะแนนมากขึ้นในการสอบ บทความนี้จึงจะมาบอกเช็กลิสต์ว่าในฟิสิกส์ ม.5 เรื่องเสียงมีหัวข้ออะไรบ้างที่ควรจำให้ขึ้นใจ เพื่อนำไปต่อยอดหาคอร์สฟิสิกส์ ม.5 เพื่อเตรียมตัวเข้าสู่สนามสอบได้อย่างตรงจุด

Table of Contents 

• ธรรมชาติของเสียง
• ความเร็วเสียง
  • ความเร็วเสียงในอากาศที่ 0°C ≈ 331 m/s
  • ความเร็วเสียงในน้ำ: v ≈ 1,500 m/s
  • ความเร็วเสียงในเหล็ก v ≈ 5,000 m/s
• ความถี่และความยาวคลื่นของเสียง
• ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง
• ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect)
• ตัวอย่างข้อสอบ

ธรรมชาติของเสียง

ขอเริ่มต้นเนื้อหาเรื่องเสียงฟิสิกส์ ม.5 ด้วยการสรุปธรรมชาติของเสียง โดยสิ่งที่น้อง ๆ ต้องจำให้แม่นคือ 

• เสียงเป็นคลื่นตามยาว (Longitudinal Wave) ซึ่งถือเป็นลักษณะสำคัญของเสียง โดยคลื่นตามยาวหมายถึงการสั่นของอนุภาคในตัวกลางจะอยู่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ลองนึกภาพสปริงที่ถูกดึงยืดและหดกลับไปมา น้อง ๆ จะเห็นว่าอนุภาคเคลื่อนที่ไปในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น 
• ต้องมีตัวกลางในการเคลื่อนที่ อีกหนึ่งคุณสมบัติสำคัญของเสียง โดยเสียงไม่สามารถเดินทางในสุญญากาศได้ ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่เสมอ ไม่ว่าจะเป็นอากาศ น้ำ หรือของแข็ง นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมในอวกาศเราถึงไม่ได้ยินเสียงใด ๆ เลย 

ความเร็วเสียง

เรื่องต่อที่จะพูดถึงก็คือ ความเร็วเสียง โดยมีประเด็นสำคัญดังนี้

• ความเร็วเสียงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง น้อง ๆ ต้องจำไว้เลยว่า ความเร็วเสียงไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่หรือความยาวคลื่น แต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่เคลื่อนที่ผ่าน เช่นตัวอย่างดังต่อไปนี้
• ความเร็วเสียงในอากาศที่ 0°C: v ≈ 331 m/s เป็นค่าที่น้อง ๆ ควรจำไว้ให้แม่น เพราะมักจะเจอในโจทย์บ่อย ๆ แต่ก็อย่าลืมว่าถ้าอุณหภูมิเปลี่ยน ความเร็วเสียงก็จะเปลี่ยนด้วย
• ความเร็วเสียงในน้ำ: v ≈ 1,500 m/s 
• ความเร็วเสียงในเหล็ก v ≈ 5,000 m/s เร็วที่สุดในบรรดาตัวกลางที่ยกตัวอย่างมา เป็นเหตุผลว่าทำไมเวลาเราแนบหูกับรางรถไฟ ถึงได้ยินเสียงรถไฟที่กำลังมาได้เร็วกว่าการฟังผ่านอากาศ

ความถี่และความยาวคลื่นของเสียง

• ความถี่ (f) และความยาวคลื่น (λ) มีความสัมพัทธ์กับความเร็วเสียง (v) ตามสมการ v = fλ ถือเป็นสูตรฟิสิกส์ ม.5 เรื่องเสียงที่ใช้บ่อยมากในการแก้โจทย์ ถ้าเรารู้ค่าใดค่าหนึ่ง เราก็สามารถหาอีกสองค่าที่เหลือได้

ความเข้มเสียงและระดับความเข้มเสียง

• ความเข้มเสียง (I) คือพลังงานเสียงที่ตกตั้งฉากบนพื้นที่หนึ่งหน่วยในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น W/m² นี่คือนิยามที่น้อง ๆ ต้องจำให้ได้ และที่สำคัญคือสูตร I = ^P⁄_A = ^P⁄_4πR² โดยที่ P คือกำลังเสียง, A คือพื้นที่ผิวทรงกลมที่มีรัศมี R
• ระดับความเข้มเสียง (β) วัดในหน่วยเดซิเบล (dB) คำนวณได้จากสูตร β = 10log ^I⁄_I0 โดย I₀ คือความเข้มเสียงอ้างอิง มีค่าเท่ากับ 10^⁻12 W/m² ซึ่งเป็นความเข้มเสียงต่ำสุดที่หูมนุษย์ได้ยิน

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect)

น้อง ๆ เคยสังเกตไหมว่าเวลารถพยาบาลวิ่งผ่านเรา เสียงที่เราได้ยินจะเปลี่ยนไป ? ซึ่งสิ่งนี้คือปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ โดยมีสิ่งที่ต้องจำให้แม่นดังนี้

• เป็นปรากฏการณ์ที่ความถี่ของเสียงที่ผู้ฟังได้ยินเปลี่ยนไป เมื่อแหล่งกำเนิดเสียงและผู้ฟังเคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน
• สูตรฟิสิกส์ ม.5 เรื่องเสียงเกี่ยวกับปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ที่ต้องจำคือ f' = f₀ [^u-V_L⁄_u-VS] โดย
  • f' คือความถี่ที่ผู้ฟังได้ยิน
  • f คือความถี่ต้นกำเนิด
  • u คือความเร็วเสียงในอากาศ
  • V_Lคือความเร็วผู้ฟัง
  • V_S คือความเร็วของแหล่งกำเนิดเสียง

ตัวอย่างโจทย์ พร้อมแสดงวิธีหาคำตอบ

1. แมลงตัวหนึ่งบินหนีในแนวเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ 0.1 เมตร/วินาที ออกจากชายคนหนึ่งซึ่งยืนนิ่งในที่โล่ง อยากทราบว่าชายคนนั้นจะได้ยินเสียงการบินของแมลงได้นานกี่วินาที ถ้าอัตราพลังงานเสียงที่แมลงส่งออกมาในขณะบินมีค่า 4 10^-12 วัตต์ ถ้าเสียงที่เบาที่สุดที่หูมนุษย์อาจได้ยินมีความเข้ม 10^-12 วัตต์

คำตอบ: 10 วินาที โดยมีวิธีคิดดังต่อไปนี้

2. ณ จุดหนึ่ง เสียงจากเครื่องจักรมีระดับความเข้มเสียงวัดได้ 50 เดซิเบล จงหาความเข้มเสียงจากเครื่องจักร ณ จุดนั้น กำหนดให้ความเข้มเสียงที่เริ่มได้ยินเป็น 10^-12 วัตต์

คำตอบ: 10^-7 W/m² โดยมีวิธีคิดดังต่อไปนี้

3. ปล่อยก้อนหินลงไปในบ่อลึก 20 เมตร พบว่าอีก 2.06 วินาทีต่อมาได้ยินเสียงหินกระทบก้นบ่อ อัตราเร็วของเสียงที่ได้จากข้อมูลอยู่ที่เท่าไร

คำตอบ: 333 m/s โดยมีวิธีคิดดังต่อไปนี้

4. วางกระดิ่งไฟฟ้าที่ส่งเสียงดังตลอดเวลา และหลอดไฟฟ้าที่ให้แสงสว่างในครอบแก้วที่ภายในเป็นสุญญากาศ จะเกิดสถานการณ์ใดขึ้น

คำตอบ: ไม่ได้ยินเสียงกระดิ่ง แต่เห็นแสงจากหลอดไฟฟ้า เนื่องจากเสียงต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ ในขณะที่แสงเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องมีตัวกลาง

น้อง ๆ ม.5 อยากปูพื้นฐานฟิสิกส์ให้แน่นต้องมาที่ Applied Physics

นอกจากเรื่องเสียงฟิสิกส์ ม.5 แล้ว น้อง ๆ คนไหนอยากได้สรุปและการปูพื้นฐานวิชาฟิสิกส์ในชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 ให้แน่น เข้าใจครอบคลุมครบทุกบทเรียน เพิ่มโอกาสได้คะแนนสูงในการสอบทุกสนาม เลือกเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.5 ที่ Applied Physics ที่จะช่วยสรุปและอธิบายบทเรียนวิชาฟิสิกส์ยาก ๆ ให้เข้าใจง่ายยิ่งขึ้น ไม่เน้นท่องจำ แต่เน้นความเข้าใจ

ต้องการสอบถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับคอร์สเรียน โทรเลยที่ 02-3060867, 02-3060868, 02-3060869 และ 085-4925599 หรือแอดไลน์ @appliedphysics (มี @ ด้วย)