Chương 1
Quang học – Các định luật về ánh sáng
Khi chúng ta ngắm nhìn bầu trời đêm, chúng ta thấy ánh sáng phát ra từ hàng nghìn ngôi sao khác nhau. Chúng ta thấy Mặt trăng và các hành tinh lung linh với ánh sáng mặt trời phản xạ. Toàn bộ vũ trụ ngập trong ánh sáng. Nhưng ánh sáng là gì, và những định luật tự nhiên nào mô tả hành trạng của nó?
Ngành vật lí học nghiên cứu ánh sáng được gọi là quang học. Một số nhà khoa học vĩ đại nhất thế giới, trong đó có Newton, Huygens, Maxwell và Einstein, đã nghiên cứu quang học, nỗ lực tìm hiểu các định luật về ánh sáng.
Một định luật mô tả hành trạng của ánh sáng đã được người ta biết tới hơn hai nghìn năm rồi. Các nhà triết học Hi Lạp không biết ánh sáng là cái gì, nhưng họ thật sự biết nó truyền đi theo đường thẳng. Định luật phản xạ ánh sáng phụ thuộc vào thực tế này. Khi ánh sáng bật ra khỏi một cái gương hay một bề mặt khác, đây được gọi là sự phản xạ. Khi bạn nhìn thấy mình ở trong gương là bạn đang nhìn ánh sáng phản xạ từ mặt của bạn đến gương rồi sau đó phản hồi vào mắt của bạn. Định luật phản xạ phát biểu rằng: Góc tới bằng với góc phản xạ.
Góc tới là góc của ánh sáng chiếu lên trên một bề mặt phản chiếu. Góc phản xạ là góc của tia sáng bật ra khỏi bề mặt đó. Định luật phản xạ phát biểu rằng hai góc đó luôn luôn bằng nhau. Nếu ánh sáng chiếu lên một cái gương ở góc 45 độ, thì nó sẽ phản xạ khỏi gương ở góc 45 độ. Điều tương tự luôn đúng cho dù ánh sáng chiếu lên với một góc bằng bao nhiêu cũng vậy.
Bạn có thể dễ dàng trông thấy tác dụng của định luật này bằng cách sử dụng một cái gương nhỏ, một đèn pin dạng flash, vài miếng bìa cứng và băng dính, thêm một ít bụi phấn hoặc bột mì. Vẽ một đường thẳng lên chính giữa miếng bìa vuông. Sau đó gấp miếng bìa làm đôi theo đường vẽ này. Trên miếng bìa thứ hai, đặt đầu thấu kính của đèn flash lên, vẽ theo đường rìa của nó. Cắt dọc theo đường rìa mới vẽ, sau đó khoét một cái lỗ nhỏ ngay chính giữa hình mới cắt. Dùng nó bọc thấu kính của đèn flash lại, dùng keo dính dán cố định luôn. Lỗ nhỏ đó sẽ cho bạn một chùm ánh sáng hẹp khi bạn bật đèn flash lên.
Bạn có thể nhìn thấy đường đi của ánh sáng phản xạ bằng cách rải bột mịn vào trong không khí.
Đặt cái gương lên trên bàn. Dựng đứng miếng bìa đã gấp nếp lên trên bàn phía sau gương, đường gấp nếp canh ngay khoảng giữa của gương. Miếng bìa này sẽ cho bạn một đường thẳng đứng dùng để so sánh góc của các chùm tia sáng. Rải một lượng rất nhỏ bụi phấn hoặc bột mì vào trong không khí để làm cho chùm sáng đèn flash có thể nhìn thấy rõ. Đóng cửa phòng và cửa sổ lại, rồi chiếu ánh sáng lên chính giữa của gương.
Lưu ý chùm ánh sáng phản xạ khỏi gương ở góc bằng với góc nó đi tới gương. Cho dù góc bạn chiếu chùm sáng flash là bao nhiêu cũng vậy. Góc của ánh sáng phản xạ khỏi gương sẽ luôn luôn khớp với góc ánh sáng chiếu tới.
Ánh sáng truyền đi theo đường thẳng. Nhưng ánh sáng cũng bẻ cong khi nó truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác. Nếu bạn dựng một cái bút chì vào trong cốc nước, thì cái bút chì trông như bị bẻ cong khi nó đi vào trong nước.
Tất nhiên, cái bút chì thật ra không hề bị cong. Nó trông cong đi vì ánh sáng truyền vào nước bị bẻ cong. Sự bẻ cong ánh sáng như thế này được gọi là sự khúc xạ. Lưu ý rằng cái bút chì chỉ trông như bị cong tại bề mặt của nước, còn ở trong nước và trong không khí vẫn bình thường. Sự khúc xạ chỉ xảy ra tại ranh giới giữa hai môi trường trong suốt.
Mỗi chất trong suốt làm bẻ cong ánh sáng ở những góc nhất định có thể dự đoán trước. Sự khúc xạ xảy ra vì ánh sáng truyền đi ở những tốc độ khác nhau trong những chất khác nhau. Lượng khúc xạ phụ thuộc vào độ chênh lệch tốc độ ánh sáng trong hai môi trường trong suốt đó. Độ chênh lệch tốc độ ánh sáng trong hai chất càng lớn thì ánh sáng sẽ bị bẻ cong càng nhiều khi đi qua giữa chúng.
Ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn truyền trong nước. Khi ánh sáng đi từ không khí vào nước, nó chuyển động chậm lại. Và vì nó chuyển động chậm lại, nên nó còn bị khúc xạ, hay bị bẻ cong. Ánh sáng truyền trong thủy tinh còn chậm hơn nữa. Khi ánh sáng đi từ không khí vào thủy tinh, nó bị cong nhiều hơn nữa. Một cái bút chì đặt một phần ở phía sau một miếng thủy tinh dày sẽ trông bị cong nhiều hơn so với một cái bút chì đặt một phần trong nước.
Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học
Paul Fleisher
Trần Nghiêm dịch
![[Sách] Sóng - Các nguyên lí của ánh sáng, điện và từ học](/bai-viet/images/2011/08/song-nguyenli.bmp)
