แว่นขยายวิทยาศาสตร์

แว่นขยายวิทยาศาสตร์ เป็นเครื่องมือชิ้นเล็กๆที่เด็กนักเรียนที่เพิ่งเข้าสู่ระบบการศึกษาแทบจะรู้จักเป็นชิ้นแรกเลย ไม่ว่าจะเอาไปส่องดูสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กต่างๆ ทั้งพืชและสัตว์ แมลงตัวเล็กๆ เรียกได้ว่าแทบจะเปิดโลกให้กับเด็กๆได้รู้จักสิ่งใหม่ๆที่มีอยู่รอบตัวเราอยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งถือว่าเรื่องแว่นขยายมีความสำคัญมากจนมีการบรรจุให้มีการเรียนการสอนเรื่องแว่นขยายตั้งแต่ระดับชั้นอนุบาลหรือประถมกันเลย โดยเน้นการเรียนเรื่องแว่นขยายว่าสามารถนำไปใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง ผมยังจำได้ดีสมัยที่ยังเป็นเด็กที่เอาแว่นขยายมารับแสงแดด แล้วส่องไปยังใบไม้หรือกระดาษแล้วทำให้ไฟสามารถติดขึ้นมาได้ มันเป็นเหมือนเวทย์มนต์ที่สามารถทำได้ครั้งแรกสำหรับเด็กๆเลย ทำให้เราสนุกไปกับการเล่นแว่นขยายเพื่ออยากรู้อยากเห็นสิ่งใหม่ๆตามนิสัยของเด็กๆในตอนนั้น

จากหลักการของแสงสามารถใช้แว่นขยายวิทยาศาสตร์ใช้ทำอะไรได้บ้าง

เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าแว่นขยาย ทำมาจากเลนส์นูน Convex lens ที่มีความหนานูนมากที่สุดบริเวณตรงกลาง ซึ่งเนื่องจากความหนาของเลนส์ในแนวระนาบตามรูปจะเห็นว่า จะเป็นคล้ายรูปรักบี้ ที่จะมีความหนามากที่สุดตรงกลาง ซึ่งโดยปกติแท่งวัสดุที่เป็นแก้วหรือวัสดุที่มีความใส จะมีความสามารถในการหักเหแสงหรือให้แสงสามารถทะลุผ่านออกไปได้ แต่แสงที่ทะลุผ่านออกไปได้นั้นเราจะเห็นว่าบางครั้งแสงก็ไม่ได้ทะลุไปตรงๆ บางครั้งก็มีการหักเหออกไปเป็นมุมต่างๆ ลักษณะแบบนี้เพราะว่าแสงมีความสามารถในการหักเหแสงได้ เมื่อผ่านวัสดุที่มีความหนาแน่นหรือถ้ามองดูในแนวระนาบก็คือ ความหนานูนในแต่ละตำแหน่งของของระนาบนั่นเอง

ดังนั้นเมื่อแสงผ่านแว่นขยายซึ่งเป็นเลนส์นูนที่มีแนวระนาบที่เป็นเหมือนรูปรักบี้ ที่มีความหนานูนสูงที่สุดตรงกลางทำให้แนวแสงแทบจะสามารถทะลุไปในแนวตรงๆได้ เมื่อเทียบตำแหน่งระนาบตรงปลายด้านซ้ายหรือด้านขวาของรูปรักบี้ ที่มีความนูนที่ต่ำมากๆแสงก็จะหักเหออกไปได้มากที่สุดตามรูป (ดูที่รูปด้านบนประกอบนะครับ)

แต่อย่าลืมนะครับ ว่าแสงมีอยู่ทุกที่ไม่ว่าจะเป็น

1. แสงจากดวงอาทิตย์หรือหลอดไฟที่ทะลุผ่านแว่นขยายไปยังวัตถุที่เราจะมอง ซึ่งจะเป็นแนวแสงเหมือนภาพประกอบด้านบน
2. แสงที่ตกกระทบกับวัตถุแล้วแล้วผ่านเลนส์นูนหรือแว่นขยาย แล้วค่อยมาที่ส่วนของการรับภาพก็คือดวงตาของเรานั่นเอง

ดังนั้นเราจะเห็นว่าแสงมีอยู่ 2 ทางคือ

ตามข้อ

1)  แนวแสงจากบนลงล่าง แสงจากดวงอาทิตย์หรือหลอดไฟที่ทะลุผ่านแว่นขยายไปยังวัตถุที่เราจะมอง (เกิดการรวมแสงที่จุดโฟกัส ซึ่งเป็นเส้นแสงทุกเส้น ที่ผ่านการหักเหโดยผ่านวัสดุใสที่มีความนูนหรือเลนส์นูนมารวมกัน )

2)  แนวแสงจากล่างขึ้นบน แสงที่กระทบกับวัตถุแล้วผ่านการหักเหจากวัสดุใสที่มีความนูน ก่อนที่จะเดินทางมาที่ดวงตาของเรา (ทำให้เห็นภาพขยายของวัตถุ)

 

วิธีใช้แว่นขยายวิทยาศาสตร์

1.ใช้ในการรวบรวมพลังงานจากแสง เพื่อนำไปใช้ประโยชน์

จากหลักการของแสง

ในข้อ 1) เราจะให้แสงจากดวงอาทิตย์ผ่านเลนส์ของแว่นขยายแล้วให้เกิดการหักเหแสง ซึ่งแสงจะมีเส้นทางการเดินทางของมันและจะค่อยๆบีบลำแสงให้เป็นแนวที่ค่อยๆแคบ และจะรวมเป็นจุดที่เล็กที่สุด ซึ่งก็คือจุดโฟกัสนั่นเอง และถ้าหากแสงยังคงไม่มีวัตถุอะไรมารับหรือมาบัง มันก็จะเดินทางต่อไปแต่แนวเส้นแสงก็จะค่อยๆเริ่มฉีกออกไปเรื่อยๆตามในรูป

ดังนั้น สิ่งที่สำคัญที่สุดที่เราจะใช้ประโยชน์จากการเดินทางของแสง ก็คือจุดโฟกัส Focal Point (จุดที่แสงมารวมตัวกัน) และ  ระยะโฟกัส Focal Length ระยะระหว่างเลนส์นูนกับแนวระนาบที่จะมารับแสง

ซึ่งจุดโฟกัสและระยะโฟกัสจะมีความสัมพันธ์กัน พูดง่ายๆก็คือระยะที่เราค่อยๆเอาแว่นขยายกดลงไปใกล้กระดาษ แล้วทำให้แสงที่เกิดขึ้นในกระดาษเป็นจุดที่มีขนาดเล็กที่สุดท่าที่จะทำได้ เมื่อแสงในกระดาษมีขนาดเล็กที่สุดก็จะเป็นจุดที่มีความเข้มแสงมากที่สุดนั่นเอง ซึ่งเหตุการณ์นี้เองเราจะทราบว่าเราได้จุดโฟกัสแล้ว คราวนี้เรามาดูระยะระหว่างกระดาษและแว่นขยาย นั้นก็คือระยะโฟกัสนั่นเอง

เนื่องจากจุดโฟกัสเป็นจุดที่มีความเข้มแสงมากที่สุด เราจะเห็นได้จากความสว่างจ้าของแสงจะสว่างมากที่สุด การที่แสงมีความจ้าออกมาได้มากที่สุดได้นั้นแสดงว่า แสงในขณะนั้นมีพลังงานที่มากที่สุด เนื่องจากการรวมแสงในทุกๆเส้นแสงของแว่นขยายที่เราใช้ในขณะนั้น ว่าจะสามารถรวมพลังงานของแสงได้มากที่สุดเท่าใด

หลายคนคงจะงงว่า ทำไมผมถึงพูดแบบนี้ เรายังสามารถเพิ่มความเข้มแสงและให้พลังงานแสงเพิ่มขึ้นไปได้อีกเหรอ ผมจะบอกว่า สามารถทำได้ครับ ให้ลองนึกภาพตามง่ายๆนะครับ โดยดูจากรูปด้านบน เราจะเห็นเส้นแสงสีแดงหลายๆเส้น ผมถามต่ออีกทีว่า ถ้าอยากให้เส้นสีแดงมีหลายๆเส้นมากว่าเดิมจะทำยังไงได้ครับ หลายคนน่าจะตอบถูกแล้วนะครับ ก็ทำให้ลูกรักบี้ที่เป็นเลนส์นูนมันกว้างๆขึ้นซิ เส้นแสงก็จะได้เข้ามามากๆ  ใช่ครับ ง่ายๆแค่นี้เอง ก็แค่เพิ่มขนาดของเลนส์นูนที่ยังคงเป็นแนวทรงรูปรักบี้ให้มีขนาดใหญ่ขึ้นเองครับ ก็จะรับแสงได้มากๆแล้ว พลังงานก็จะเพิ่มมากขึ้น

คราวนี้มาเข้าเรื่องกันต่อเลย เผื่อใครมีเด็กเล็กๆแล้วอยากสอนให้ลูกๆเข้าใจเรื่องประโยชน์ของแสงกับแว่นขยาย เราทราบแล้วว่าแสงที่สว่างที่สุดก็คือจุดที่มีพลังงานมากที่สุด ซึ่งแสงที่มีพลังงานมากที่สุดก็คือแสงจากดวงอาทิตย์ เพราะเป็นแสงที่ประกอบไปด้วยช่วงคลื่นหลายความถี่ ทำให้มีพลังงานปล่อยอกมาในทุกๆช่วงคลื่น แต่ถ้าเป็นพวกแสงปรุงแต่งที่เกิดจากการสร้างขึ้นเช่นแสงจากหลอดไฟฮาโลเจน ฟลูออเรสเซนต์ หรือ LED พวกนี้จะมีแค่บางความถี่นะครับ พลังงานจึงไม่เท่ากับแสงจากดวงอาทิตย์

ดังนั้นแสงจากดวงอาทิตย์ให้พลังงานที่มากที่สุดแล้วจากแสงที่เราสามารถพบเจอได้ในชีวิตประจำวัน โดยเฉพาะช่วงกลางวันที่มีความเข้มแสงสูงที่สุด เมื่อเราใช้แว่นขยายที่มีขนาดหน้ากว้างที่มากพอ มาทำการรวมแสงให้เกิดจุดโฟกัสที่จุดที่เราต้องการจะปล่อยพลังงานลงไปในจุดๆนั้น ก็จะทำให้เกิดความร้อนและเมื่อความร้อนสะสมมากพอก็จะสามารถเกิดการจุดไฟขึ้นมาได้

 2.ใช้ในการขยายภาพของวัตถุที่มีขนาดเล็ก

จากหัวข้อในด้านบนที่บอกว่า แสงมี 2 เส้นทางการเดินทาง คราวนี้เรามาดูเส้นทางในข้อที่ 2 กันนะครับ (แสงที่กระทบกับวัตถุแล้วผ่านการหักเหจากวัสดุใสที่มีความนูน ก่อนที่จะเดินทางมาที่ดวงตาของเรา) 

จริงๆในหัวข้อนี้เราควรจะพูดถึงแว่นขยายกันก่อน แต่ผมขอยกตัวอย่างแสงที่มาจากกล้องจุลทรรศน์แทนก่อนนะครับ เพราะว่าเราจะได้เห็นชัดๆกันว่า (แสงที่กระทบกับวัตถุแล้วผ่านการหักเหจากวัสดุใสที่มีความนูน ก่อนที่จะเดินทางมาที่ดวงตาของเรา) จากรูปด้านบนแหล่งกำเนิดจากจะมาจากทางด้านล่าง ผ่านผ่านสไลด์หรือวัตถุแล้วแสงก็จะผ่านเลนส์ต่างๆ ซึ่งก็คือเลนส์นูนทั้งหมดนั่นเองก่อนที่แสงจะเดินทางสู่ดวงตาของเรา และเมื่อเรามองที่เลนส์ใกล้ตาของกล้องจุลทรรศน์เราก็จะเห็นภาพที่ขยายของวัตถุตามจำนวนเลนส์ที่มีอยู่ในกล้องจุลทรรศน์ ทำให้เกิดภาพที่มีกำลังขยายที่มากกว่าแว่นขยาย เพราะส่วนใหญ่แว่นขยายมักจะมีเพียงแค่เลนส์เดียว

คราวนี้เรามาดูทางเดินของแสงของแว่นขยายกัน แต่ครั้งนี้ผมจะกลับทิศของแสงแล้ว โดยจะเปลี่ยนจากล่างขึ้นบน เพราะเราจะต้องมองดูวัตถุจากด้านบนผ่านแว่นขยาย โดยให้แสงจากวัตถุผ่านเลนส์นูนแล้ววิ่งเข้ามาสู่ตาของเรา

จากรูปถ้าเรามองดู ระยะโฟกัส Focal Length ซึ่งจะเป็นระยะที่เริ่มจากเลนส์นูน Convex Lens ไปจนถึงจุดโฟกัส ระยะตรงนี้แหละครับ ที่เราจะสามารถเห็นภาพที่ขยายใหญ่ขึ้นมาได้ ซึ่งหลักการของการมองภาพขยาย เราไม่จำเป็นต้องไปดูที่จุดโฟกัสนะครับ 

ถ้าหากดูจากรูป ลองจินตนาการโดยการ เลื่อนดวงตาลงไปเรื่อยๆเราก็จะเห็นภาพที่มีขนาดใหญ่ขึ้น โดยดูจากเส้นสีแดงในรูปนะครับ

ซึ่งการใช้แว่นขยายที่ทำให้ภาพวัตถุขยายได้มากๆนั้นจะขึ้นกับความหนานูนของเลนส์เป็นสำคัญ และยิ่งเลนส์เมื่อมีความนูนมาก ก็จะทำให้ระยะทั้งของดวงตาไปถึงเลนส์นูน และระยะเลนส์นูนไปถึงวัตถุก็จะสั้นลงด้วย

หลายครั้งเราจะเห็นว่าบางทีเวลาใช้เลนส์ขยายกำลังขยายสูงๆหลายๆเท่า อย่างเช่นลูปที่ใช้ส่องเพชรหรือส่องพระ แทบจะต้องเอาตาชิดกับเลนส์กันไปเลย แต่ก็ต้องขอบอกไว้ก่อนนะครับ ว่ายิ่งมองวัตถุโดยใช้กำลังขยายมากๆ อย่างเช่นมองผ่านลูปจะต้องใช้กล้ามเนื้อตาเป็นอย่างมาก ทำให้ตาเราปวดได้ครับ ดังนั้นการมองแว่นขยายที่มีกำลังขยายมากๆจะทำให้เราเวียนหัวได้

 

สรุป : แว่นขยายวิทยาศาสตร์ เป็นเครื่องมือที่เป็นเหมือนกุญแจให้เด็กๆสามารถเปิดประตูไปสู่โลกอันกว้างใหญ่ให้ได้เรียนรู้สิ่งอื่นๆได้อีกมากมาย และที่สำคัญความรู้ในเรื่องของแสง พลังงานของแสง เลนส์ กำลังขยาย สิ่งเหล่านี้จะทำให้เด็กๆได้รับความรู้และประสบการณ์ใหม่ๆอันน่าตื่นเต้น อย่างการจุดไฟด้วยแว่นขยายวิทยาศาสตร์อันเล็กๆที่อยู่ในมือ รวมไปถึงสามารถเอาความรู้ที่ได้ไปใช้ในชีวิตประจำวันด้วย และยังสามารถต่อยอดความรู้ไปจนถึงการใช้แว่นขยายที่อัพเกรดไปจนกลายเป็นกล้องจุลทรรศน์ ก็จะเป็นเกิดเปิดโลกอีกโลกหนึ่งที่ดวงตามนุษย์จะไม่สามารถเห็นได้