เรียนฟิสิกส์กับครูชิตชัย

          เมื่อเรามองเห็นวัตถุที่อยู่ในน้ำจะมองเห็นเหมือนตื้นขึ้นมาจากที่เป็นจริง เนื่องจากการเกิดการหักเหในน้ำดังรูป เราเห็นรังสีสองรังสี คือ มาจากจุด O และเสมือนว่ามาจากจุด I ดังนั้นผู้สังเกตจะเห็นภาพเสมือนที่ I

          จากรูป วัตถุอยู่ในน้ำตรงจุด C ลึก AC ถ้ามองวัตถุนี้จากอากาศ ปรากฏว่ามีการหักเหของแสงทำให้เห็นวัตถุตื้นขึ้นมาอยู่ที่ B ลึกปรากฏเท่ากับ AB

ดังนั้น จึงอาจเขียนได้ว่า

ถ้าพิจารณากรณีที่มุมมองไม่โตมากนัก หมายถึง กรณีที่ θ1 และ θ2 เป็นมุมเล็กๆ เราจะได้ว่า AB OB และ AC OC

ดังนั้นได้

แต่

และ

ดังนั้นได้

เมื่อ n₁ และ n₂ เป็นดรรชนีหักเหของน้ำหรือตัวกลาง 1 และอากาศหรือตัวกลาง 2 ตามลำดับ

ในการทดลองฟิสิกส์บางเรื่องอาจต้องใช้เวลาในการเก็บข้อมูล เช่น ในการเก็บข้อมูลความเข้มของแสงอาทิตย์ที่ตกบนพื้นที่รับแสงในเวลาหนึ่งวัน หรือหนึ่งสัปดาห์หรือต้องการวัดความเร็วของลมในหนึ่งวันหรือหนึ่งสัปดาห์ ฯลฯ การเก็บข้อมูลเช่นนี้เป็นงานที่ต้องใช้เวลามาก ผู้ทดลองอาจต้องออกแบบการเก็บข้อมูล โดยจัดเก็บทุกนาที ทุกสามนาที หรือทุกครึ่งชั่วโมง แต่ถึงแม้ว่าจะทำอย่างไรก็ตาม ยังไม่อาจเก็บข้อมูลได้ละเอียด เพราะผู้ทดลองเองจะต้องพักผ่อนหรือต้องทำกิจกรรมอื่นและถ้าจะให้เพื่อนช่วยก็ต้องมีการแบ่งงานกันทำซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องใช้เวลามาก และถ้าต้องการเก็บข้อมูลในเวลากลางคืน ก็ยิ่งเป็นเรื่องที่ยุ่งยากมากขึ้นไปอีก
ดังที่กล่าวมานี้ เป็นการเก็บข้อมูลที่ต้องใช้เวลานาน แต่สำหรับการทดลองบางเรื่องผลเกิดขึ้นรวดเร็วมากจนผู้ทดลองมิอาจอ่านข้อมูลด้วยวิธีธรรมดาทัน เช่น การวัดอัตราเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆ การคายประจุของตัวเก็บประจุ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว การบันทึกข้อมูลไปพร้อมกับการอ่านข้อมูลจากเครื่องมือวัดนั้นกระทำได้ยาก หรือมิอาจกระทำได้เลย
ในการเก็บข้อมูลดังกล่าวจึงต้องใช้เครื่องมือวัดแบบพิเศษที่สามารถทำงานได้ดี ในเวลาที่สั้นมากหรือในเวลาที่นานมาก ดังตัวอย่างที่ยกมาแล้ว การใช้คอมพิวเตอร์ร่วมกับการทดลองฟิสิกส์จึงเป็นวิธีการหนึ่งที่จะช่วยผู้ทดลองในการเก็บข้อมูล และนอกจากนี้ คอมพิวเตอร์ยังช่วยในการวิเคราะห์ แสดงภาพ หรือกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆ ทางกายภาพให้เราสามารถสรุปความสัมพันธ์แบบคณิตศาสตร์ได้
โดยทั่วไปเราสามารถใช้ตัวรับรู้ วัดปริมาณทางกายภาพ ในรูปของการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้า ระหว่างสายตัวนำสองสายที่ต่อกับตัวรับรู้ สายหนึ่งจะเรียกว่าสายสัญญาณ และอีกสายเรียกว่าสายดิน (ground, GND) การเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้โดยทั่วไปจะเป็นแบบต่อเนื่อง คือเป็นแบบอนาลอกดังแสดงในรูป 1 (ล่าง)

รูป 1 สัญญาณอนาลอกและสัญญาณดิจิตอล

แต่การวิเคราะห์โดยคอมพิวเตอร์นั้นทำงานแบบดิจิตอล ดังรูป 1 (บน) คือมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของสัญญาณกับ GND เพียงสองค่าเท่านั้น คือ สูงกับต่ำ (บางรุ่นใช้ 5 โวลต์ กับ 0 โวลต์) ดังนั้น เราจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอก ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า ADC (Analog digital converter) ปัจจุบันมีการออกแบบ IC ที่ทำหน้าที่เป็น ADC เช่น IC เบอร์ ADC0804, ADC0809 โดยสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกจะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล และความละเอียดของการเปลี่ยนขึ้นอยู่กับจำนวนบิต (bit) ของ ADC นั้นๆ

ADC แบบ 4   บิต จะมีความละเอียด 16 ขั้น

ADC แบบ 8   บิต จะมีความละเอียด 256 ขั้น

ADC แบบ 12 บิต จะมีความละเอียด 4096 ขั้น

ADC แบบ 16 บิต จะมีความละเอียด 65536 ขั้น

รูป 2 Analog digital converter แบบ 8 บิต

ตัวอย่างเช่น สัญญาณไฟฟ้าขนาดไม่เกิน 1 โวลต์ถูกเปลี่ยนโดย ADC แบบ 4 บิต จะมีความละเอียด 16 ขั้น แต่ถ้าใช้ ADC แบบ 16 บิต จะให้ความละเอียดสูงถึง 65,536 ขั้น นั่นคือความถูกต้องของการเปลี่ยนแปลงจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนบิต ทำให้สัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลมีความใกล้เคียงกับสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกมากขึ้น ดังเช่น เครื่องเสียงแบบดิจิตอล CD (Compact disc) เลเซอร์ดิสก์ (LASER disc) การสื่อสารแบบดิจิตอล การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง

รูป 3 การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง

สำหรับการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล ให้กลับมาเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกนั้น สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า DAC (Digital Analog Converter) ซึ่งมีรายละเอียดคล้ายกับ ADC
โดยสรุปเราสามารถใช้คอมพิวเตอร์เก็บข้อมูลการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ไม่เฉพาะแต่ในวิชาฟิสิกส์เท่านั้น ปริมาณทางกายภาพใดๆ ก็ตามที่สามารถเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าสามารถให้คอมพิวเตอร์เก็บข้อมูลได้ทั้งสิ้น แต่ในทางปฏิบัติจะมีรายละเอียดทางเทคนิคอีกมาก
งานทางอิเล็กทรอนิกส์นับเป็นงานที่พัฒนามาจากความรู้ทางฟิสิกส์ของแข็งและฟิสิกส์ยุคใหม่ จนนับเป็นงานทางเทคโนโลยีด้านหนึ่ง และความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ก็สามารถนำไปใช้กับงานทางวิทยาศาสตร์ได้ทุกแขนง ไม่ว่าจะเป็นฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา โดยเฉพาะทางด้านเครื่องมือวัด การจัดเก็บข้อมูล การวิเคราะห์ข้อมูล แสดงให้เห็นว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคโนโลยีมีความเกี่ยวพันและส่งเสริมซึ่งกันและกัน

     ความหมายของตัวรับรู้ทางไฟฟ้า คือ วัสดุหรือสารที่มีการตอบสนองต่อปริมาณทางกายภาพ การตอบสนองนี้มีผลทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวรับรู้มีการเปลี่ยนแปลง สามารถนำตัวรับรู้มาสร้างเป็นเครื่องวัดปริมาณทางกายภาพได้
ตัวอย่างของการใช้วัสดุอิเล็กทรอนิกส์เป็นตัวรับรู้