การสอนเรื่องคลื่นด้วยกูเกิล เอิร์ธ (Google Earth)

          การเรียนเรื่องคลื่นเป็นเรื่องที่น่าสนใจและสนุกเพราะเราสามารถสังเกตคลื่นได้บ่อยๆในชีวิตประจำวัน แต่ปัญหาก็คือในการเรียนเราจะสามารถสร้างคลื่น สังเกตและเก็บบันทึกค่าต่างๆของคลื่นอย่างแม่นยำได้อย่างไร ซึ่งโรงเรียน สถานศึกษาหลายแห่งได้ใช้ถาดคลื่นน้ำ (ripple tank) ในการแก้ปัญหาดังกล่าว ถาดคลื่นน้ำคืออุปกรณ์ที่ใช้สาธิตคุณสมบัติของคลื่นโดยใช้คลื่นน้ำ ถาดคลื่นน้ำมีลักษณะแสงสามารถผ่านได้ง่ายเช่นพลาสติกใสมีก้นไม่ลึกมากนักบรรจุน้ำอยู่จำนวนหนึ่ง โดยมีแหล่งกำเนิดคลื่นและมีแหล่งกำเนิดแสงอยู่ด้านบนฉายแสงลงมายังถาดคลื่นน้ำ เมื่อเกิดคลื่นน้ำจะสามารถเห็นลักษณะของคลื่นที่ฉากรับด้านล่างของถาดคลื่นน้ำได้อย่างชัดเจน

 

          โดยถ้าทำการค้นคว้าพบว่ามีงานวิจัยเรื่องถาดคลื่นน้ำหลายบทความด้วยกันที่น่าสนใจ ยกตัวอย่างเช่นเป็นบทความของคนไทยเองจากมหาวิทยาลัยราชภัฏเชียงรายได้ตีพิมพ์ลงในวารสารระดับนานาชาติ โดย Meechai Thepnurat และคณะได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง “Using a smartphone application to measure the properties of water waves in the DIY Ripple Tank experiment set” ลงในวารสาร Physics Education เมื่อวันที่ 13 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2020 ในบทความนี้ได้นำเสนอว่าในการทำการทดลองเรื่องคลื่น การสังเกตและแสดงความถี่ของคลื่นไม่ใช่เรื่องง่ายนัก จึงได้สร้างถาดคลื่นน้ำแบบ DIY (ย่อมาจาก Do it yourself ซึ่งแปลว่าทำด้วยตัวคุณเองหมายถึงการสร้างสรรค์ ซ่อม ดัดแปลงสิ่งต่างๆแบบที่เราสามารถทำได้โดยไม่ต้องพึ่งพาผู้เชี่ยวชาญ) และใช้แอปพลิเคชัน PhyPhox และ Strobe Light Tachometer ในสมาทโฟนเพื่อวัดคุณสมบัติของคลื่นน้ำ จุดเด่นของงานวิจัยนี้คืออธิบายวิธีการสร้างถาดคลื่นน้ำที่ไม่ยากมากเกินไปนักและการประยุกต์ใช้สมาทโฟนในการทดลอง นอกจากถาดคลื่นน้ำยังมีอีกหลายวิธีในการศึกษาเรื่องคลื่นและหนึ่งในวิธีดังกล่าว หลายคนอาจจะคาดไม่ถึงนั่นคือการใช้กูเกิล เอิร์ธ (Google Earth)


          กูเกิล เอิร์ธ คือโปรแกรมคอมพิวเตอร์แสดงแผนที่ของโลกโดยใช้ภาพถ่ายจากดาวเทียม (satellite imagery) เริ่มมีการใช้โปรแกรมนี้กันตั้งแต่ปี ค.ศ. 2001 โดยผู้ใช้งานสามารถสำรวจพื้นที่ต่างได้ทั่วโลก ผู้เขียนใช้ลองสำรวจบ้านที่พักอาศัยหรือใช้สำรวจเพื่อหาข้อมูลภูมิประเทศก่อนออกไปเดินทางท่องเที่ยวจริงก่อนเสมอนับว่ามีประโยชน์มาก นอกจากกูเกิล เอิร์ธจะใช้งานในด้านแผนที่ ธรณีวิทยา และภูมิศาสตร์แล้ว ยังสามารถนำมาใช้สอนบทเรียนเรื่องคลื่นในทางฟิสิกส์ได้อีกด้วย Fabrizio Logiurato ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง “Teaching waves with Google Earth” ลงในวารสาร Physics Education ในปีค.ศ. 2012 เพื่อสาธิตการใช้ภาพ ข้อมูลจากกูเกิล เอิร์ธในการสอนบทเรียนเนื้อหาเกี่ยวกับคลื่น นับว่า Logiurato เป็นคนช่างสังเกตและมีความคิดสร้างสรรค์มาก


          ถ้าบางทีเราไม่ค่อยมีเงิน อยากไปเที่ยวที่ไหนแต่ขาดแคลนทุนทรัพย์เราก็สามารถไปเที่ยวโดยใช้กูเกิล เอิร์ธได้ เมื่อลองสำรวจพื้นที่ต่างๆเราจะพบว่าปรากฏการณ์ธรรมชาติที่หลากหลายที่ถูกบันทึกไว้ภาพถ่ายจากดาวเทียมของกูเกิล เอิร์ธ รวมถึงคลื่นน้ำตามสถานที่ต่างๆด้วย จากความรู้ทางทฤษฎีเรื่องคลื่นถ้าความลึกของน้ำมากกว่าความยาวคลื่นของคลื่นและความยาวคลื่นยาวมากกว่า 1 เมตร ความเร็วเฟส ความเร็ววัฏภาค (phase velocity หมายถึงระยะทางที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งของคลื่นเคลื่อนที่ไปได้ใน 1 หน่วยเวลาในทิศเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่นนั้น) จะเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของความยาวคลื่น ตามความสัมพันธ์
                                             

          ในกรณีคลื่นมีขนาดเล็กเช่นในถาดคลื่นน้ำ แรงตึงผิว (ภาษาอังกฤษคือ surface tension หมายถึงแรงที่เกิดขึ้นบนผิวของของเหลวเพื่อที่จะลดพื้นที่ผิว  วัดเป็นแรงต่อหน่วยความยาวบนผิวของของเหลวนั้น) มีอิทธิพลมากกว่าความโน้มถ่วง จะเป็นกรณีที่เรียกว่าคลื่นขนาดจิ๋ว (capillary waves) ความเร็วเฟสจะสามารถหาได้ตามความสัมพันธ์

          และในกรณีน้ำตื้นมากๆ ความลึก d น้อยกว่าความยาวคลื่นมากๆ เราต้องเน้นพิจารณาแรงเสียดทานที่ด้านล่างพื้นทะเลจะมีอิทธิพลมาก ความเร็วเฟสจะสามารถหาได้ตามความสัมพันธ์

           ในบทความกล่าวว่าโดยปรกติ นักเรียนมักชอบรูปของคลื่นที่เกิดในธรรมชาติจริงๆมากกว่ารูปในตำรา หรือรูปที่วาด Logiurato จึงคิดว่ารูปถ่ายคลื่นในธรรมชาติที่พบในกูเกิล เอิร์ธนั้นก็น่าสนใจเช่นกันสำหรับนำมาใช้ในการเรียนโดยเขาพบว่าภาพที่ได้จากกูเกิล เอิร์ธแสดงคุณสมบัติครบทั้งสี่คุณสมบัติของคลื่นคือการสะท้อน (reflection) การหักเห (refraction) การเลี้ยวเบน (diffraction) การแทรกสอด (interference) 


          ตามหลักฮอยเกนส์ (Huygens’ principle) หลักการที่กล่าวว่าแต่ละจุดบนหน้าคลื่นเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวงกลมคลื่นใหม่ซึ่งเคลื่อนที่ออกไปด้วยอัตราเร็วเท่ากับอัตราเร็วของคลื่นเดิม นี่เป็นเหตุผลของการเกิดการเลี้ยวเบนของคลื่น ซึ่งเรามักจะสังเกตเห็นคุณสมบัตินี้เมื่อความยาวคลื่นมีขนาดใกล้เคียงกับช่อง (aperture) ที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านยกตัวอย่างเช่นในรูปที่ 1 แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นผ่านช่องเดี่ยว ในรูปนี้แสดงการสร้างการป้องกันการกัดเซาะของชายฝั่งของมนุษย์ โดยที่มีการเปลี่ยนจากคลื่นระนาบ (plane wave) กลายเป็นคลื่นวงกลม (circular wave) ในรูปที่ 2 แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นส่งพลังงานไปยังหน้าคลื่นวงกลม (circular wavefront) ทำให้เกิดการกัดเซาะของชายหาดเป็นวงกลม ในรูปที่ 3 เป็นอีกหนึ่งตัวอย่างของการเลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อเจอสิ่งกีดขวาง เมื่อคลื่นน้ำเคลื่อนที่มายังบริเวณที่ตื้นขึ้นทำให้เกิดแรงเสียดทานที่ด้านล่างพื้นทะเลทำให้คลื่นเคลื่อนที่ช้าลง จาก (3) บริเวณที่ตื้นขึ้นจะมีการเคลื่อนที่ช้าลงและความยาวคลื่นลดลง มันยังสามารถเปลี่ยนทิศทางและเกิดการหักเหของคลื่นได้ โดยเมื่อหน้าคลื่นเคลื่อนที่ไปยังชายฝั่งที่เป็นเส้นตรงที่มุมหนึ่ง คลื่นจะพยายามที่จะเคลื่อนที่ให้ขนานกับชายฝั่งดังในในรูปที่ 4 แสดงการหักเหของคลื่นเมื่อหน้าคลื่นเคลื่อนที่เข้าใกล้ชายฝั่ง 

            กูเกิล เอิร์ธยังมีความสามารถวัดระยะทางได้ ซึ่งผู้เขียนใช้ประจำเวลาไปปั่นจักรยานเสือหมอบระยะทางไกล โดยในบทความนี้ Logiurato ได้ใช้ความสามารถนี้วัดคัดความยาวคลื่นและคำนวณหาอัตราเร็วคลื่นในน้ำลึกโดยใช้ (1) ยกตัวอย่างเช่น λ=100 m จะได้ v_phase=12.5 m s^-1 หรือถ้าเราทราบระดับความลึกของน้ำได้เราก็สามารถคำนวณอัตราเร็วของคลื่นโดยใช้ (3) ยกตัวอย่างเช่น d=1 m จะได้ v_phase=3.1 m s^-1 ในรูปที่ 5 แสดงการสะท้อนของคลื่นจากสิ่งกีดขวางที่ชายฝั่ง ซึ่งในเรื่องการสะท้อนของคลื่นกูเกิล เอิร์ธสามารถยืนยันกฎการสะท้อนคือมุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อนเสมอ ในรูปที่ 6 แสดงการแทรกสอดของคลื่นที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของเรือสองลำ

          จะเห็นได้ว่ากูเกิล เอิร์ธสามารถแสดงคุณสมบัติของคลื่นได้หลากหลายและมีข้อมูลต่างๆที่แสดงและสามารถนำมาคำนวณหาค่าต่างๆของคลื่นได้อีก ผู้เขียนเป็นคนที่ชอบใช้กูเกิล เอิร์ธเป็นประจำแต่ยังไม่ได้สังเกตเรื่องนี้แบบที่ Logiurato ทำเลย เมื่อลองสำรวจบริเวณชายฝั่งต่างๆจากกูเกิล เอิร์ธพบว่ามีปัญหาคือหลายแห่ง ภาพมีคุณภาพต่ำมองได้ไม่ชัด บางแห่งภาพชัดแต่มองไม่เห็นการเกิดคลื่นได้อย่างชัดเจน ฉะนั้นจะพบว่าการสังเกตคลื่นค่อนข้างที่จะท้าทายแต่โลกแสนกว้างใหญ่มีพื้นที่ให้ค้นหามากมาย ขอเพียงพยายามอย่างไม่ย่อท้อแบบตำนานพระมหาชนกว่ายฝ่าเกลียวคลื่นกลางทะเลจะถึงฝั่ง เราก็จะสามารถค้นพบภาพแสดงคุณสมบัติคลื่นแบบที่ Logiurato ยกตัวอย่างมาในบทความนี้ได้เช่นกัน ซึ่งนอกจากนักเรียนจะได้เรียนรู้เรื่องคลื่น ยังจะช่วยให้เด็กนักเรียนฝึกการค้นหา ฝึกการสังเกต และความอดทนทำต่อไปอย่างไม่ย่อท้ออีกด้วย
 
 

อ้างอิง

• Logiurato, F. (2012). Teaching Waves with Google Earth. Physics Education, 47(1), 73.
• Thepnurat, M., Nikonphan, P., Mungkhalad, S., Saphet, P., Supawan, K., & Tong-on, A. (2020). Using a smartphone application to measure the properties of water waves in the DIY Ripple Tank experiment set. Physics Education, 55(3), 035011.
• http://www.marine.tmd.go.th/thai/oceanwave-thai.html