Benjamin Crowell: Quang học - Phần 6

Tóm tắt chương 1

Từ khóa chọn lọc

sự hấp thụ	cái xảy ra khi ánh sáng đi tới vật chất và nhường đi một phần năng lượng của nó
sự phản xạ	cái xảy ra khi ánh sáng đi tới vật chất và bật trở ra, giữ lại ít nhất là một phần năng lượng của nó
phản xạ phản chiếu	sự phản xạ từ một bề mặt nhẵn, trong đó tia sáng đi ra với góc bằng với góc nó đi vào
phản xạ khuếch tán	sự phản xạ từ một bề mặt gồ ghề, trong đó một tia sáng tới bị phân chia thành nhiều tia phản xạ yếu hơn, loe ra theo mọi hướng
pháp tuyến	đường thẳng vuông góc với một bề mặt tại một điểm cho trước

Kí hiệu

c	tốc độ ánh sáng

Tóm tắt

Chúng ta có thể hiểu những hiện tượng liên quan đến ánh sáng mà không phải sử dụng những mô hình phức tạp như mô hình sóng hoặc mô hình hạt ánh sáng. Thay vào đó, chúng ta mô tả ánh sáng theo đường đi của nó, cái chúng ta gọi là tia sáng. Mô hình tia sáng có ích khi ánh sáng đang tương tác với những đối tượng vật chất lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng. Vì một bước sóng của ánh sáng nhìn thấy là quá nhỏ so với kích cỡ những vật mà ta hay gặp, nên mô hình tia sáng có ích trong nhiều trường hợp thực tế.

Chúng ta nhìn thấy vạn vật vì ánh sáng đi từ chúng vào mắt của chúng ta. Những vật phát sáng có thể gửi ánh sáng trực tiếp đến mắt chúng ta, nhưng chúng ta còn thấy những vật không tự phát sáng qua ánh sáng từ một nguồn khác bị vật đó phản xạ.

Nhiều tương tác của ánh sáng và vật chất có thể hiểu bằng cách xem xét cái xảy ra khi ánh sáng đi tới ranh giới giữa hai chất khác nhau. Trong tình huống này, một phần ánh sáng bị phản xạ (dội trở lại) và một phần đi vào môi trường mới. Điều này không có gì bất ngờ - nó là hành trạng tiêu biểu đối với sóng, và ánh sáng là sóng. Năng lượng ánh sáng còn có thể bị vật chất hấp thụ, tức là biến đổi thành nhiệt.

Một bề mặt nhẵn tạo ra sự phản xạ phản chiếu, trong đó tia phản xạ đi ra với góc hợp với pháp tuyến bằng với góc của tia tới hợp với pháp tuyến. Một bề mặt gồ ghề mang lại sự phản xạ khuếch tán, trong đó một tia sáng bị chia thành nhiều tia phản xạ yếu hơn tỏa ra theo nhiều hướng.

Bài tập

Vẽ một sơ đồ tia sáng thể hiện tại sao một nguồn phát sáng nhỏ (thí dụ một ngọn nến) tạo ra cái bóng sắc nét hơn một nguồn phát sáng lớn hơn (thí dụ đèn ống dài huỳnh quang).
Máy thu định vị toàn cầu (GPS) là một dụng cụ cho bạn biết bạn đang ở đâu bằng cách thu tín hiệu vô tuyến định giờ từ vệ tinh. Nó hoạt động bằng cách đo thời gian truyền tín hiệu, liên quan đến khoảng cách giữa bạn và vệ tinh. Bằng cách tìm vùng với một vài vệ tinh khác nhau theo kiểu này, nó có thể cho bạn biết vị trí của bạn trong không gian ba chiều với sai số chỉ vài mét. Phép đo độ trễ thời gian đó phải chính xác như thế nào để xác định vị trí của bạn theo kiểu chính xác như vậy?
Hãy ước tính tần số của một sóng vô tuyến có bước sóng bằng với kích cỡ của một nguyên tử (khoảng một nm). Xem lại phần bài học điện và từ của bạn, một sóng như vậy sẽ nằm trong vùng nào của phổ điện từ (tia hồng ngoại, tia gamma...)?
Máy bay ném bom Stealth được thiết kế với những bề mặt nhẵn, phẳng. Tại sao bề mặt như vậy khiến nó khó bị radar phát hiện?
Hình ở trang sau thể hiện một cái gương cong (parabol) với ba tia sáng song song đi về phía nó. Một tia đi tới dọc theo trục chính của gương. (a) Hãy vẽ chính xác, và tiếp tục vẽ các tia sáng cho đến khi chúng chịu sự phản xạ thứ hai. Để vẽ thật chính xác, bạn nên photocopy trang in và vẽ pháp tuyến tại mỗi điểm nơi tia sáng bị phản xạ. Bạn có để ý thấy gì không? (b) Hãy nêu một thí dụ của một ứng dụng thực tế cho dụng cụ này. (c) Bạn có thể sử dụng cái gương này như thế nào với một bóng đèn nhỏ để tạo ra một chùm tia sáng song song truyền sang bên phải?
Cư dân của hành tinh Wumpus chơi bi-a bằng những tia sáng trên một cái bàn 11 cạnh với những cái gương làm thành phản xạ, như thể hiện trên hình ở trang sau. Hãy vẽ chính xác đường cơ với một cái thước để làm sáng tỏ thông tin tiềm ẩn. Để vẽ chính xác, bạn nên photocopy trang in và vẽ pháp tuyến tại mỗi nơi tia sáng đi tới thành bàn.

Sơ đồ tia sáng