การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างค่าดัชนีหักเหและความหนาแน่นของสาร

ชื่อผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
  • ณภัทร พิชญ์ภพ

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
  • รัชภาคย์ จิตต์อารี

สถาบันการศึกษาที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์

ระดับการศึกษา

โครงงานในระดับการศึกษาประกาศนียบัตรวิชาชีพ

หมวดวิชา

โครงงานในสาขาวิชาฟิสิกส์

วันที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

01 มกราคม 2541

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

การอธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติต่างๆนั้น ย่อมต้องอาศัยการนำข้อมูลทั้งหมดเท่าที่มีอยู่มารวมกัน แล้วนำไปวิเคราะห์เพื่อหาข้อสรุปอย่างถูกต้อง ซึ่งจะเห็นว่าการเชื่อมโยงข้อมูลต่างๆเข้าด้วยกันเป็นสิ่งสำคัญ อันจะนำไปสู่คำตอบที่ถูกต้องดังนั้นโครงงานชิ้นนี้จึงมีจุดมุ่งหมายที่จะศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างค่าดัชนีหักเหและความเข้มข้นของสารซึ่งเป็นปริมาณพื้นฐานสองอย่างที่มีความเกี่ยวข้องกับการเกิดปรากฏการณ์ต่างๆเป็นจำนวนมาก โดยปริมาณทั้งสองนี้สามารถทำการวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน การหาความสัมพันธ์ของปริมาณทั้งสองจะนำไปสู่การอธิบายการเคลื่อนที่ของแสงผ่านตัวกลางได้ดียิ่งขึ้น อีกทั้งยังช่วยในการบ่งบอกถึงลักษณะแนวโน้มของปริมาณหนึ่งจากการวัดอีกปริมาณหนึ่งแทน ซึ่งจะทำให้เพิ่มความสะดวกในการระบุคุณสมบัติของสารในกรณีที่เราไม่สามารถวัดปริมาณใดปริมาณหนึ่งได้ ขอบเขตของการศึกษาอยู่ที่สารละลายที่หาได้ทั่วไปในชีวิตประจำวันและสามารถปรับความเข้มข้นได้ง่าย สำหรับวิธีการศึกษานั้น ใช้การปรับความเข้มข้นของสารละลายตัวอย่างในระดับต่างๆ แล้ววัดค่าดัชนีหักเหแล้วจึงนำผลที่ได้มาวาดกราฟเพื่อหาความสัมพันธ์และนำความสัมพันธ์ดังกล่าวไปวิเคราะห์หาข้อสรุป ซึ่งได้ใช้วิธีการวัดค่าดัชนีหักเหที่แตกต่างกันวิธีเพื่อนำมาเปรียบเทียบความถูกต้องของผลการวัด ได้แก่วิธีการวัดการกระจัดแล้วนำไปแทนในสมการที่นำไปสู่ค่าดัชนีหักเห และวิธีการวัดค่ามุมเบี่ยงเบนน้อยสุดแล้วนำไปแทนนสมการเพื่อหาค่าดัชนีหักเหเช่นเดียวกันซึ่งเมื่อนำค่าที่ได้จากการวัดทั้งสองวิธีมาวิเคราะห์แล้วจึงบันทึกเป็นผลการทดลอง ผลการศึกษาพบว่าแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของค่าดัชนีหักเหเป็นไปในทิศทางเดียวกับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้น โดยลักษณะความสัมพันธ์เป็นแบบเชิงเส้นซึ่งอัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าดัชนีหักเหจะใกล้เคียงกันจนกระทั่งสารละลายมีสภาพอิ่มตัว หลังจากนั้นการเปลี่ยนแปลงจะไม่คงที่ ซึ่งอธิบายได้ว่ามีโมเลกุลของตัวถูกละลายที่ไม่ละลายน้ำอยู่ในสารละลาย ส่งผลให้การเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางของสารไม่เป็นไปในลักษณะเดิม สำหรับกรณีปกติซึ่งความสัมพันธ์เป็นแบบเชิงเส้นนั้น อธิบายได้ว่าค่าดัชนีหักเหที่เพิ่มขึ้นเกิดจากอัตราเร็วของแสงที่ช้าลงเมื่อผ่านตัวกลางจาก snell’s law) ซึ่งความเร็วที่ลดลงเกิดจากเวลาที่แสงใช้เดินทางผ่านตัวกลางมากขึ้น เมื่อความเข้มข้นของตัวกลางเพิ่มขึ้นก็ส่งผลให้แสงเดินทางผ่านอนุภาคจำนวนมากขึ้น การดูดซับและถ่ายเทพลังงานก็ย่อมเกิดบ่อยครั้งขึ้นทำให้ใช้เวลามากขึ้นนั่นเอง แต่ยังคงมีสารละลายบางชนิดที่แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของปริมาณทั้งสองไม่สม่ำเสมอและไม่เป็นไปในทางเดียวกัน ซึ่งจะทดลองเพื่อหาข้อสรุปต่อไป จากผลการศึกษา ทำให้เราสามารถนำความรู้ดังกล่าวไปใช้ในการตรวจสอบความเข้มข้นของสารละลาย โดยการวัดค่าดัชนีหักเห ซึ่งอาจเป็นวิธีที่สะดวกกว่าการวัดความเข้มข้นโดยตรงทั้งนี้ก็เพื่อบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารซึ่งอาจมีผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพ ทำให้นำสารนั้นๆ ไปใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการนำไปใช้ที่เห็นในปัจจุบันคือการหาค่าดัชนีหักเหเพื่อวัดความถ่วงจำเพาะของสารละลายในแบตเตอรี่ซึ่งสัมพันธ์กับความเข้มข้นการวัดความเข้มข้นของสารที่อยู่ในออร์แกเนลล์ต่างๆของเซลล์ การวัดความหนาแน่นของผลึกหรือฟิล์มบางที่ใช้ประดิษฐ์วัสดุสารกึ่งตัวนำ เป็นต้นซึ่งการประยุกต์ใช้ที่มีประสิทธิภาพย่อมเกิดจากความรู้ที่หลากหลาย ดังนั้นจึงอาศัยการพัฒนาทฤษฎีและหลักการต่างๆ ต่อไป สำหรับข้อจำกัดของการศึกษาคือ การวัดค่าดัชนีหักเหเมื่อเปลี่ยนความเข้มข้นไปเพียงเล็กน้อย ซึ่งจะส่งผลให้ค่าดัชนีหักเหที่เปลี่ยนแปลงไปมีค่าน้อยมากจนกระทั่งเกินความละเอียดของเครื่องมือ จึงไม่สามารถนำข้อมูลมาวิเคราะห์อย่างละเอียด รวมถึงการทดลองเกี่ยวกับกรดที่มีความเข้มข้นสูงๆ ซึ่งมีความอันตราย ทำให้ไม่สามารถปรับความเข้มข้นได้มากนัก ทั้งนี้ในการดำเนินการศึกษาต่อควรคำนึงถึงปัจจัยอื่นๆที่ส่งผลต่อค่าดัชนีหักเห และทดลองกับสารชนิดอื่นๆ เพื่อรับรองความถูกต้องของข้อมูล อันจะนำไปสู่การประยุกต์ใช้ที่หลากหลายและเกิดประโยชน์มากขึ้น