Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng pptx

Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ: Năm 1864,trong bài báo “Một lý thuyếtđộng lực về trường điện từ”, Maxwellđã tổng hợp các kiến thứcvề điện và từ đã được các nhà vật lý xâydựng trước đó thành một hệ gồm 4 phương trình, mỗi phương trình chỉ dài vỏnvẹn mộtdòngvà được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học cô đọng. Bốnphương trình nàyđượchậu thế biết đếnvới tên gọi “Hệ phương trình Maxwell”: - Phương trìnhthứ nhất mô tả định luật Gauss,cho biết đường sức điệnxuất phát hoặc kết thúc ở các điện tích. Phương trình thứ hai môtả các đường sức của cảm ứng từ là khép kín hoặc đi ra xavô tận,từ đó không có cái gọi là“từ tích” hay“đơn cực từ”. - Hai phương trình cònlại mô tả sự kết hợp giữa điện vàtừ: từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy, đến lượt mình điệntrường biến thiên cũng sinhra từ trường xoáy. Từ các phươngtrình trên, Maxwellđã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng sóngđiện từ thực chất cũng chínhlà sóngánh sáng. Bởithứ nhất, ông đã dựa vào các phương trìnhđể vẽ ramột kịch bản về cuộc hônnhân giữa điện và từ, theođó điện và từ trở thành mộtcặp thốngnhất không thể tách rời. Chúng là haithànhphần của sóng đệntừ lan truyền trong khônggian dưới dạng sóng ngang, tức các đỉnh vàcác hõm sóngnằm trong một mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng(hìnhvẽ). Thứ hai, vào năm1873,Maxwellđã tính toán chính xácvận tốc truyềnsóng điện từ, đáp số này hoàn toàntrùng khớp vớivận tốc ánh sáng. Tronglịch sử vật lý, Newtonđã thốngnhất trời và đất quađịnhluật vạn vật hấp dẫn thì đến lượt Maxwellđã thống nhấtkhôngchỉ điện và từ mà còn cả quanghọc, ông được coi là nhà thốngnhất vĩ đại thứ hai của vật lý học Ánh sáng - lưỡngtính sónghạt Cho đến đầu thế kỉ XIX, quan niệm ánhsáng là sóng đã thựcsự được xác nhận,đặc biệt là saukết luận củaMaxwellkhẳngđịnhánh sánglà sóngđiện từ với vận tốc là 300.000km/s. Nhưngmột vấn đề được đặt ralúc nàylà vận tốc nàycủa ánh sáng được tínhsovới cái gì?Các phươngtrình củaMaxwell không trả lời được chocâu hỏi này. Đi theo vết chân của Newton, Maxwellnghĩ hoàn toàn tự nhiên rằng ánh sáng lan truyềnvới vận tốc 300.000 km/slà sovới một chất ête tĩnh choán đầy trong vũ trụ. Nhưng ête ở đây được làm từ gì? Nó bắt nguồn từ đâu vàcó những tính chất gì? Theo các quanđiểm của các nhà khoa học khẳngđịnhánh sánglà sóngtừ trước cho đến cuối thế kỉ 18, ta có thể thấy đượcvấn đề giải mã chất “ête” trongkhông gian là một vấn đề rất đáng để quan tâm. Chất “ête” được đặtra như một môi trường để truyền sóngánh sáng. Các nhà khoa học banđầu đã đề xuấtsóng ánh sáng như sóng âm, tức phải làsóng dọc, nhưng với phát hiện củaAugustin Fresnel về hiện tượng phân cực ánh sáng đã dẫn đến nhận địnhánh sáng phải là sóng ngang.Như vậy, chất “ête” phảilà chất rắnđể có thể lan truyền được sóngngang, nghĩa là môi trường etephải có một mật độ cứng nhất định. Nhưng bằngcách nào mà Trái đất lại có thể chuyển độngtrong mộtmôi trườngcứngnhư vậy mà không bị chậm lại và va vào Mặt Trời? Bằngcách nào mà ête lại cóthể cùng lúc vừalà một chất rắn đàn hồilại vừalà một chất lỏng tinhtế được? Đó chính là những vấn đề khiến cho cácnhà khoahọc cuối thế kỉ XIX quan tâm? Có hay không có một môi trường đặc biệt“ête” trongsự lan truyền của sóng ánh sáng? Năm 1887,nhàvật lý người Mỹ, AlbertMichelson (1852-1931), và đồngnghiệp của ông là Edward Morley(1838-1923)đã thực hiệnmột thí nghiệm tàitình để kiểmtra sự tồn tại củaête. Haiông đã chế tạo một dụngcụ gọi là giaothoa kế, dựa trên nguyên lýgiao thoa của ThomasYoung.Tronggiao thoa kế này, một chùm sáng có một tần số duy nhất được chia làm haichùm. Haichùm này đi theo haicon đườngkhác nhaunhưngcó cùng chiều dài, một theophương chuyển động của trái đất, một theophươngvuônggóc rồi sauđó kết hợp với nhau.Đúng ở thời điểm chúng tách khỏi nhau, haichùmtia hoàn toàntrùng khít vớinhau, nhưng khi chúng kết hợp thì sự kết hợpphụ thuộc vào vận tốc của haichùmtia ở thời điểm đó. Nếu có xét đến sự chuyển độngcủaTrái đất thì chắc chắn là vậntốc của 2 chùm tia này làkhác nhau,nhưng kết quả thu được lại hoàntoàn khác, haichùm tiavẫn trùng khít như lúcbị tách ra, điều đó có nghĩa vận tốc ánh sáng truyền theo2 phươngkhác nhau là không thayđổi. Trong dự đoán, với giaothoa kế của mình, Michelson và Morleyvề nguyêntắc có thể đo được các chênh lệch với cỡ vận tốc khoảng 1,5km/s,tức là một phần haimươi vậntốc của Tráiđất qua chất etegiả thuyết. Nhưngrõ ràngsau nhiều lầnthực hiệnthí nghiệm thì haiông đã kết luận rằng vận tốc ánh sáng không thayđổi dù nó lantruyền theo phương nào đi nữa. Sau thí nghiệm của Michelsonvà Morley,con người dần phảichấp nhận rằng chất “ete” chỉ là sản phẩmbởi trítưởng tượng, dùrằng có nhiều nhàkhoahọc đã cố gắngđể “cứu” lấy kháiniệmnày. Và mọi chuyện dừng lại ở đó, cho đếnkhi Albert Einstein(1879-1955) đã khẳngđịnh mộtnguyên nhân thật đơngiản để lí giải vấn đề trên, ông cho rằng môi trường ête làkhônghề tồn tại, các sóngánhsáng, khác với các sóng khác, khôngcầnphải có một môi trường để lan truyền. Ánhsángcó thể lan truyền trong một không gian hoàn toàn trống rỗng. VàEinsteinđã giải thích quan điểm của mìnhbằngthuyếttương đối hẹpcủa mình Như vậy cho đến năm1905, conngười đã cómột cái nhìn đúng đắn hơn về sóng ánh sáng, vàđặc biệt đó là loại bỏ đượckhái niệm về môi trường “ete”như các nhà khoa họctrướcđây vẫn thường đề cập đến. Nhưng cũngtrong chính năm đó,một luồng gió mới lại thổi tới trong vấn đề bảnchất củaánh sángvới một công trình của chínhAlbertEinsteinvề “Hiệu ứng quang điện”. Hiệu ứngquangđiệnlà một hiện tượng trong đó các electron thoát ra khỏi bề mặt của một tấm kimloại khicó ánhsángchiếu vào. Theo như quan điểm cổ điển thì với cườngđộ ánh sángcàng mạnh thì electrongngày càngtích tụ đượcnhiều năng lượng để bứcra khỏi kimloại, nhưng trên thực tế thí nghiệm lại không phải như vậy. Einsteinđã nhận thấy rằng, nếu chiếumột ánhsáng có tần số thấp vàomột kim loại, thì hiệu ứng vẫn không thể xảy ra,dù chiếu với cường độ mạnh baonhiêu đi nữa. Ngượclại khi chiều ánh sáng với tần số cao, như ánh sáng cựctím thì hiệu ứng lại lập tức xảy ramà không cần khoảngthời gian để electrontích lũy năng lượng. Để giải thíchvề hiện tượng kì lạ này, Einstein đã đặt vấn đề cần xemxét lại bản chất của ánh sáng. Ông đã đưa ra mộtgiả thuyết táo bạo rằnghiệuứng quangđiện chỉ có thể giải thích được nếu sóng ánhsángbị kimloại hấp thụ không phải là một sóng liên tục mà đượccấuthànhtừ các“hạt” haycác lượngtử nănglượngxácđịnh. Năng lượngnày khôngthể tùy tiện lấy bất kì, mà đúngbằngmột bội số của tần số. Einsteinđã khai triển thuyếtlượng tử của Plankvà đưa ra thuyết photon,chorằng năng lượngánh sáng tập trungtrong nhữnghạt nhỏ gọi là photonhayquangtử. Trongkhuôn khổ giả thuyết này thì Einstein đã giải thích đượctất cả các sự kiện thực nghiệm quansát được. Như vậy, một lầnnữa ánhsáng lại được khẳng địnhvề bản chất hạt của nó,tuy nhiênta có thể thấy quanniệm“hạtánh sáng” do Einstein đưa ra làkhác với quanniệm trước đây của Newton,đó khôngphải là nhữnghạt cơ học đơn giảnnhư quan niệm củaNewton mà có những thuộc tính riêng của nó. Nhờ vào giả thuyết về lượng tử ánh sáng này Einsteinđã hoàn toàn giải thích được 3 thí nghiệm của mình về hiệu ứngquang điện.Chính “Hiệu ứngquang điện” này là công trình đã mang đếncho Einsteingiải thưởngNobel chứ khôngphải là “Thuyết tương đối hẹp” như nhiều người vẫn thường lầm tưởng. Sau đó hơn 10năm, trong thậpniên 1920,lí thuyết của Einstein về tính chất hạt của ánh sáng một lầnnữa được củng cố bởi các thí nghiệm củanhàvật lí người Mĩ ArthurH.Compton, người chứngminh được photoncó xung lượng, một yêu cầu cần thiết để củng cố lí thuyếtvật chất và nănglượng cóthể hoán đổicho nhau, hiệu ứng đó sau nàyđược gọi là hiệu ứng Compton. Đó là hiện tượng xảy rakhi Comptonnghiên cứusự khuếch tán (haytán xạ) tiaX bởi graphit (thanchì). Trong thí nghiệm củamình, ôngnhận thấykhi cho một chùmtia X cóđộ dài sóng l đi qua một khối graphit, chùm tia bị khuếchtán. Khi khảo sát chùm tia khuếch tán ở một góc khuếch tán j nhờ máy quangphổ, người ta thấy ngoài vạch ứng vớiđộ dài sóng l cònmột vách ứng với độ dàisóng l’ lớn hơn l. Comptonđã giải thíchhiện tượng này bằng sự va chạmgiữa photonvới electron của chất khuếch tán, trong đó ông photonnhư một hạt có tính cơ học. Nếu thừa nhận ánhsángcó bản chất sóng thì Comptonsẽ không thể giải thíchđược hiện tượngđã xảy ra, chỉ khi chấp nhậnánh sáng có bản chấthạt, và sử dụng thuyết photon củaEinsteinthì ông mới có thể giải thích được trọn vẹn hiệntượng. Như vậy, cho đến đầu thế kỉ thứ 20 tồn tại một câu hỏi đặt ra chocác nhàkhoahọc: bản chất của ánh sánglà sóng hayhạt. Trước khihiện tượng quang điện xuấthiện con người có thể dễ dàng tinchắc rằng ánh sánglà sóngđiện từ với các hiện tượng liên quanđến sự truyềncủa ánhsángnhư giao thoa, nhiễu xạ,…Tuynhiên chođến đầu thế kỉ 20, với lí thuyết sóng ánh sángcon người sẽ không thể lí giải được cho các hiện tượng về sự tương tác giữa ánhsángvà vật chất như hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton… Để có được đáp án cho những hiện tượngnày, con người sẽ phải chấp nhận quan điểm hạt photoncủa Einstein. Vậy ánh sáng thựcchất là sóng hay hạt? Cùng khoảngthời gian nghiên cứu củaCompton,một nhà khoahọc người Pháp LouisVictor-deBrogliecho rằngtất cả vật chất và bức xạ đều cónhững tính chất vừa giốngsóngvừa giốnghạt. Dưới sự chỉ dẫn của MaxPlanck,De Broglieđã ngoại suy côngthức nổi tiếng của Einstein liên hệ khối lượng với nănglượng chứa luôn hằng số Planck: E = mc2 = hf Trongđó :E là năng lượng của hạt, mlà khối lượng, c là vận tốcánh sáng, h là hằng số Planck, vàf là tần số. Công trình của De Broglie,liênhệ tần số của mộtsóng với nănglượng và khối lượng của mộthạt, mang tínhcơ sở trong sự phát triển của một lĩnh vực mớicuối cùng sẽ dùng để giảithích bản chất vừa giống sóng vừagiống hạt của ánh sáng. Đó chínhlà ngành cơ học lượng tử. Quađó ta thấy, vấn đề đặt ra ở thế kỉ 20 khi tìmhiểu về ánh sáng khôngphải là sự tranh chấp giữa hai quanđiểmđể xác định quan điểmnào đúng mà lại là sự thống nhất chúng lại trongmột lí thuyết mới. Ngày naychúng ta công nhận ánh sáng có lưỡng tính sóng– hạt. Hai tính chất nàycùngtồn tại trong một thể thống nhấtlà ánh sáng và tùy điều kiện củahiện tượng khảo sát, bản chất này hay bản chất kia của ánh sáng được hiện ra. Tacó thể coi”sóngvà hạt làhai tính phụ nhaucủa ánh sáng.Giữa hai mặt sóng và hạtcủa ánh sáng có những liên hệ, có tính thống nhất, chứ không hoàn toànlà haimặt độc lậpvới nhau.Cho đến đầu thế kỉ 20, việc thừa nhậnsự kết hợp hai bản chất sóng và hạt đã giúp con người hiểu đượcmột cách bao quát các đặc tính của ánhsáng. Ánh sángkhông là sóng và cũng chẳng là hạt, nói ánhsáng làlưỡngtính sóng– hạt thực chất cácnhà khoahọc muốnđề cập đến ánh sáng như một đối tượng mới trong vật lí học mà bản chấtcủa nó vừa giống sóng vừa giốnghạt. Quanđiểm này đã thực sự khép lại nhữngcuộc tranhluận về bản chất ánh sáng làsóng hayhạt. Nhiệm vụ của vật lí học về ánh sáng làtìm hiểu về cái bản chất vô cùngđặc biệt này, vàhơn thế nữa,đối tượng“lưỡng tính sóng- hạt” không chỉ tồn tại ở ánh sáng mà còn được suy rộngra cho các hạt vật chất, như ta đã biết trong lí thuyết củaDeBroglie. Kết luận sư phạm: Qúatrình hình thành cácquan điểm về bản chất cảu ánh sáng được tóm tắt bằng hình sauđây: Quabiểu đồ sự phát triển các quanđiểm về bản chất ánh sáng,ta có thể thấy rõ đây là một quátrình phát triển theo đúng như quy luật phát triển của vật lí học, đó là một quá trình tiến hóatừ thấp đến cao,trải qua nhữnggiai đoạn biến đổi cách mạng xenkẽ với các quátrình tiến hóayên tĩnh. Quá trình học tập vàsángtao của học sinhcũngvậy. Kiến thức phải đượcxây dựng từ thấp đến cao,từ đơn giản đến phức tạp, từ kém bản chất đến bản chất. Khôngthể nóng vội duy ý chí đưa kiến thức mộtcáchồ ạt đi vào bảnchất củasự việcngay. Như thế học sinh sẽ không thể hiểu được bảnquá trìnhbản chất của sự vật,hiện tượngvậtlý. Không những thế quá trìnhhọctập học sinh cũngnhư vậy đó là một quá trìnhtiến hóa từ thấp đến cao cũngcó những giaiđoạn các em bùng nổ tư duy, năng lựcsáng tạo được phát triển toàn diện, tuy nhiên cũngcó những giaiđoạn các empháttriển êmđềm,giáo viên không nênnóngvội, vội vàng ép các em sángtạo, vội vàngbắt épcác em phải thật phát triểnhơn nữa. Giáoviên nên có phương pháp sư phạm hợplý, giúp cho học sinhtừ từ vượt qua giai đoạn này. Đặc biệt đây là giaiđoạn để các em ôn lại kiếnthức cũng cố kiếnthức đã đượccác em nhận thứctrongquá trìnhbùng nổ tư duy trong giai đoạn trước. Đây là giaiđoạn hếtsức quantrọngtrong quá trình nhậnthức các em. Đây làgiai đoạn củngcố xem xét lại nội dungkiếnthức cũ và chuẩn bị tiền đề cơ sở vật chất cho giai đoạn phát triển tiếp theo về mặt tư duy của các em. Dođó người giáo viênphải có biện phápđể giúp các emtronggiai đoạn này, để các emcủng cố được kiến thứcđã học, tạo tiền đề cho bước nhảyvọtvề tư duy trong giai đoạn tiếp theo. Nhìn vàođồ thị chúngta nhận thấy quá trình đi đến đượcnền tảng kiến thức mới bao giờ cũng xuất phát từ nền tảng kiến thứccũ. Kiến thức cũ ở đây khôngchỉ các kiếnthức trongngànhkhoa họcđó mà đôi khi cả những kiến thức đượcrút ra từ các ngành khoa học khác. Do đó trong quá trình giảng dạy, người giáo viên không được xemnhẹ phần nào, không đượcxem phần nàykhông thi Đại Học, hay không thi Tốt Nghiệprồi chúng ta sẽ dạy qua loa. Sự phát triển bền vững chính là sự phát triển hài hòa của tất cả các mặt của học sinh:về cả kiến thức tự nhiên xã hội,thể lực….Cùng với đó làmột kế hoạch giảngdạykhoa họcxuyên suốtvàliên tục trong quá trìnhdạy học Đối với các quanniệmvề bản chất ánh sáng, học sinh sẽ được tiếp cận nhữngkiến thức đó trong chương trìnhvật lí lớp 12,cụ thể là ở chương VI và chươngVII. Tựa đề trong chươngVI là “Sóng ánh sáng”và chương VII là “Lượng tử ánh sáng”. Như vậy trongchươngtrình học, họcsinh sẽ được biết quan niệm về bản chất ánh sáng là sóng, từ thời kì sóng ánh sáng được hồi sinh đầu thế kỉ XIX cho đến thế kỉ XX với những công trìnhcủa Einstein, ánh sángcó lưỡng tính sóng-hạt. Học sinh khitìm hiểu về ánh sáng chỉ có thể nhìnnhận về bản chất của nótrong một giaiđoạn ngắn, các emđã không có đượccái nhìntổngquát nhất về sự phát triển các quan điểm về bản chất ánh sáng. Đối với cácem học sinhthìNewton là một nhàbáchọc lỗi lạc và rất quanthuộc,các em không thể nào khôngnhớ đến 3 định luật của Newton, nhưng các emlại khôngđượcbiết đến đóng góp củaông trongngành quang học. Tuy lí thuyết củaNewton khôngphải là mộtlí thuyết hoàn toàn đúng đắn nhưng nó cũng đã thể hiện những nhìn nhận đầu tiêncủa con người có tính chất khoahọc về bản chấthạt của ánh sáng. Theo như ý kiến của bảnthân,em nghĩ rằng trong quá trình giảng dạy của mình, bản thân người giáoviên nênđưa những thôngtin về lí thuyết hạt của Newton vào những bài họcvề ánh sáng, songsong với quá trìnhgiảngdạy về lí thuyết sóng ánh [...]... biết chỉnh sửa để có những giả thiết mới thích hợp hơn Như vậy thông qua cách giảng dạy về ánh sáng mà có lồng ghép giảng dạy về sự hình thành các quan điểm về bản chất của ánh sáng là một cách dạy để nâng cao tầm hiểu biết đồng thời khơi dậy trong các em học sinh ý thức tư duy sáng tạo, biết tự tìm tòi và không chỉ đi theo một lối mòn đã đặt ra ... được cách tư duy đúng đắn khi tìm hiểu về một vấn đề Đó là cần phải có sự tư duy sáng tạo ra những giả thuyết để từ đó giải thích vấn đề rồi kiểm chứng những giả thiết đó Bản thân học sinh sẽ phải thấy được rằng khi giải thích một vấn đề mà giả thiết đã đặt ra chưa thỏa mãn hoàn toàn thì các em cần phải biết chỉnh sửa để có những giả thiết mới thích hợp hơn Như vậy thông qua cách giảng dạy về ánh sáng. .. thể tự xây dựng cho mình một cách dạy thích hợp nhất, một cấu trúc bài hấp dẫn và kích thích được sự thích thú ở học sinh, từ đó các em sẽ có được sự chủ động tự tìm hiểu những vấn đề thú vị đó - Bên cạnh đó, xét về mặt giáo dục tư duy và ý thức, cách giảng dạy của giáo viên như vậy sẽ hướng học sinh đến cách nhìn đúng đắn về quá trình phát triển của một lí thuyết vật lí Các em sẽ nhận thức được để.. .sáng của Huyghens, Young, Fresnel…Không chỉ thế người giáo viên còn nên làm rõ sự “mâu thuẫn” của hai lí thuyết này và quá trình “đấu tranh” để khẳng định tính đúng đắn của thuyết sóng Như vậy học sinh sẽ có được một cách nhìn thích thú về ánh sáng Hiện nay, cách dạy học đang được khuyến khích đó là dạy theo hướng phát huy tính... với các em học sinh, được tiếp nhận một kiến thức vật lí, các em cần thiết phải biết, hiểu và cả trân trọng những lí thuyết đó, đặc biệt người giáo viên càng phải có nhiệm vụ là cung cấp cho học sinh những ứng dụng thực tế của kiến thức đó, để các em càng hiểu rõ được tầm quan trọng trong việc khám phá ra những kiến thức đó Việc giảng dạy cho học sinh về quá trình phát triển này còn có tác dụng giúp các . củaDeBroglie. Kết luận sư phạm: Qúatrình hình thành cácquan điểm về bản chất cảu ánh sáng được tóm tắt bằng hình sauđây: Quabiểu đồ sự phát triển các quan iểm về bản chất ánh sáng, ta có thể thấy rõ đây là. thì các em cần phải biết chỉnh sửa để có nhữnggiả thiết mới thích hợphơn. Như vậy thông quacách giảng dạy về ánh sángmà có lồngghép giảng dạy về sự hình thành cácquan điểm về bản chất của ánhsáng. Lược sử hình thành các quan điểm về bản chất ánh sáng Ánh sáng: cuộc hôn phối giữa điện và từ: Năm 1864,trong bài báo “Một lý thuyếtđộng lực về trường điện từ”, Maxwellđã tổng hợp các kiến