กระจกเว้า

นิยามของกระจกเว้า

กระจกชนิดหนึ่งที่ใช้กันในชีวิตประจำวันคือกระจกเว้า กระจกเว้าเป็นกระจกรูปทรงโค้ง โดยพื้นผิวกระจกจะสะท้อนแสงโค้งกลับไปด้านหลัง

การใช้งานกระจกเว้า

หากคุณต้องการสังเกตผิวหน้าของคุณให้ชัดเจนและละเอียดมากขึ้น ให้เอาใบหน้าแนบกับพื้นผิวของกระจกเว้า

กระจกเว้าสะท้อนแสง ทำให้ภาพใบหน้าของคุณดูใหญ่ขึ้น และมองเห็นรูขุมขนบนผิวหน้าได้ชัดเจนขึ้น ภาพใบหน้าของคุณจะดูใหญ่กว่าใบหน้าจริง เพราะกระจกเว้าขยายภาพ โดยจะเกิดขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างใบหน้ากับกระจกเว้าน้อยกว่าระยะโฟกัสของกระจก เนื่องจากสามารถขยายภาพได้ กระจกเว้าจึงมักใช้โดยผู้หญิงในการแต่งหน้า และโดยผู้ชายในการโกนหนวด

กระจกยังใช้ในไฟฉายและไฟหน้าของรถยนต์ด้วย การใช้กระจกในไฟฉาย ไฟหน้าของรถยนต์ หรือไฟสปอตไลท์อื่นๆ มีจุดประสงค์เพื่อปรับลำแสงให้ขนานกัน เพื่อให้แสงทั้งหมดส่องตรงไปข้างหน้า หากคุณเปิดฝาครอบกระจกด้านหน้าของไฟฉายและปล่อยกระจกเว้าออก ไฟฉายที่ได้จะมีแสงกระจายออกไปทุกทิศทางและไม่สามารถส่องสว่างวัตถุหรือพื้นผิวถนนในระยะไกลได้

นอกจากจะใช้ในไฟฉายหรือไฟสปอตไลท์แล้ว กระจกยังใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์อีกด้วย ในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ กระจกเว้าจะรวบรวมแสงแดด และแสงทั้งหมดจะถูกส่งไปยังจุดโฟกัสของกระจก ซึ่งที่จุดโฟกัสนี้จะวางกระจกเว้าไว้ในภาชนะ แสงแดดจะใช้ในการระเหยน้ำในภาชนะ และไอน้ำจะถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนกังหันเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า

จุดโฟกัสของกระจกเว้า

หากพื้นผิวของกระจกเว้าที่สะท้อนแสงหันไปทางวัตถุที่อยู่ไกลมาก เช่น ดวงอาทิตย์ ลำแสงที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์จะขนานกับแกนหลักของกระจกเว้า ดังแสดงในรูปด้านล่าง แกนหลักเป็นเส้นตรงสมมติที่ตั้งฉากกับจุดศูนย์กลางของพื้นผิวกระจกเว้า ในรูปด้านล่าง เส้นแกนหลักจะทับซ้อนกับจุดตัดของรังสีแสงสะท้อนทั้งหมด

เมื่อลำแสงตกกระทบพื้นผิวกระจกเว้า ลำแสงแต่ละลำจะเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสง ระหว่างลำแสงตกกระทบและลำแสงสะท้อน จะมีเส้นปกติที่ตั้งฉากกับพื้นผิวกระจกซึ่งลำแสงผ่าน แต่เส้นปกตินี้ไม่ได้แสดงในภาพ

มุมระหว่างรังสีแสงตกกระทบกับเส้นตั้งฉากจะมีค่าเท่ากับมุมระหว่างรังสีแสงสะท้อนกับเส้นตั้งฉาก ต่างจากกระจกเงาราบที่มีพื้นผิวเรียบ ทำให้เส้นตั้งฉากทุกเส้นมีทิศทางเดียวกัน แต่เส้นตั้งฉากของกระจกเว้าจะไม่เป็นทิศทางเดียว เพราะพื้นผิวกระจกเว้าโค้ง ไม่เรียบ รังสีสะท้อนทั้งหมดจะตัดกันที่จุดหนึ่งซึ่งตรงกับแกนหลัก เรียกว่าจุดโฟกัส (F) กล่าวอีกนัยหนึ่ง จุดโฟกัสคือจุดภาพของวัตถุที่อยู่ไกลจากพื้นผิวกระจกเว้ามาก เช่น ดวงอาทิตย์และดวงดาว

ตามกฎการสะท้อนของแสง ทิศทางของลำแสงหรือรังสีแสงสามารถกลับทิศทางได้ ตรงกันข้ามกับภาพก่อนหน้า หากสมมติว่าแหล่งกำเนิดแสงอยู่ที่จุดโฟกัสของกระจกเว้า ลำแสงที่เปล่งออกมาจากวัตถุจะสะท้อนโดยพื้นผิวของกระจกเว้า ทิศทางของลำแสงสะท้อนจะขนานกับแกนหลักของกระจกเว้า นี่คือหลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการใช้กระจกเว้าในไฟฉาย ไฟหน้าของรถยนต์ หรือไฟสปอตไลท์อื่นๆ รวมถึงการใช้กระจกเว้าในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

จากคำอธิบายข้างต้น สรุปได้ว่า หากมีแหล่งกำเนิดแสงอยู่ที่จุดโฟกัสของกระจกเว้า

ลำแสงที่เปล่งออกมาจากวัตถุจะสะท้อนจากพื้นผิวของกระจกเว้า โดยลำแสงสะท้อนจะขนานกับแกนหลักของกระจกเว้า ในทางกลับกัน ถ้าวัตถุอยู่ไกลมาก ภาพของวัตถุจะอยู่ที่จุดโฟกัสของกระจกเว้า ถ้าวัตถุที่อยู่ไกลมากมีภาพอยู่ที่จุดโฟกัส แล้วถ้าวัตถุอยู่ห่างจากพื้นผิวของกระจกเว้ามากหรืออยู่ใกล้ ภาพของวัตถุจะอยู่ที่ไหน? เพื่อให้เข้าใจเรื่องนี้ โปรดศึกษาหัวข้อเรื่องการเกิดภาพโดยกระจกเว้า

ระยะโฟกัสของกระจกเว้า

ระยะโฟกัส (f) คือระยะห่างระหว่างจุดโฟกัส (F) กับพื้นผิวกระจกเว้า ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายวิธีการหาระยะโฟกัสของกระจกเว้าโดยใช้รังสีแสงตกกระทบและรังสีแสงสะท้อน

จุด C คือจุดศูนย์กลางความโค้งของกระจกเว้า ความยาวโฟกัสของกระจกเว้าคือ f (ความยาวโฟกัส = f = FQ) และรัศมีของความโค้งของกระจกเว้าคือ r (รัศมีของความโค้ง = r = CQ = CP)

รังสีแสงตกกระทบกระจกเว้าที่จุด P แล้วสะท้อนไปยังจุดโฟกัส F เส้นประ CP คือเส้นตั้งฉาก รังสีแสงตกกระทบและรังสีแสงสะท้อนเป็นไปตามกฎการสะท้อนของแสง โดยที่มุมตกกระทบ (θ) เท่ากับมุมสะท้อน (θ) และมุมนี้เท่ากับมุมของสามเหลี่ยม PCQ (θ) มุมของสามเหลี่ยม PCQ เท่ากับมุมของสามเหลี่ยม CPF ดังนั้น สามเหลี่ยม PFC เป็นสามเหลี่ยมด้านเท่า เนื่องจากสามเหลี่ยม PFC เป็นสามเหลี่ยมด้านเท่า ความยาวของ PF จึงเท่ากับความยาวของ CF สมมติว่าความกว้างของกระจกน้อยกว่ารัศมีของความโค้งของกระจก ความยาวของ PF จึงถือว่าเท่ากับความยาวของ FQ เนื่องจาก CF = PF และ PF = FQ ดังนั้น CQ = 2 CF = 2 FQ โดยที่ CQ = r = รัศมีของความโค้งของกระจกเว้า และ FQ = f = ความยาวโฟกัสของกระจกเว้า ดังนั้น จึงสรุปได้ว่า รัศมีของความโค้งของกระจกเว้า (r) = 2 เท่าของความยาวโฟกัส (f) ของกระจกเว้า ในทางคณิตศาสตร์:

r = 2f หรือ f = r / 2

การสร้างภาพโดยกระจกเว้า

กระจกเงาราบสามารถสร้างภาพเสมือนได้เท่านั้น ในขณะที่กระจกเว้าสามารถสร้างได้ทั้งภาพจริงและภาพเสมือน ภาพของวัตถุจะเป็นภาพจริงหรือภาพเสมือน ขึ้นอยู่กับระยะห่างของวัตถุจากพื้นผิวของกระจกเว้า

และเรื่องนี้ได้อธิบายไว้โดยละเอียดในหัวข้อเรื่องการเกิดภาพโดยกระจกเว้าแล้ว

ภาพจริง

ภาพจะถือว่าเป็นภาพจริงก็ต่อเมื่อลำแสงสะท้อนผ่านจุดที่ภาพนั้นตั้งอยู่ ถ้าวางจอรับภาพไว้ในตำแหน่งที่มีภาพจริง ลำแสงก็จะปรากฏบนจอรับภาพ และลำแสงนี้จะมีรูปร่างเหมือนวัตถุ การที่กระจกเว้าสามารถสร้างภาพจริงได้นั้นเป็นเหตุผลที่ทำให้มีการใช้กระจกเว้าในกล้องโทรทัศน์ทางดาราศาสตร์ ส่วนเลนส์นั้น คุณคงทราบดีว่าความสามารถของเลนส์ในการสร้างภาพจริงเป็นเหตุผลที่ทำให้มีการใช้เลนส์ในกล้องโทรทัศน์แบบออปติคอล

ภาพเสมือนจริง

ภาพจะเรียกว่าภาพเสมือน หากลำแสงสะท้อนไม่ผ่านจุดที่ภาพนั้นตั้งอยู่ ถ้าวางจอรับภาพในตำแหน่งที่มีภาพเสมือนอยู่ จะไม่มีลำแสงปรากฏให้เห็นบนจอ ภาพเสมือนนั้นไม่มีอยู่จริง แต่ดวงตาของมนุษย์มองเห็นลำแสงเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง ทำให้ดูเหมือนว่าแสงกำลังเคลื่อนที่ตรงมาจากจุดที่ภาพนั้นตั้งอยู่