Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 8) ppt

Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 8) Định luật nghịch đảo bình phương Một số định luật tự nhiên quantrọng đều tuântheo mộtkhuôn mẫu chung. Khuôn mẫu này được gọi là định luật nghịch đảobình phương.Lực hấp dẫnhành xử theokiểu này. Lực điện vàlực từ cũng thế. Cường độ ánh sáng cũngvậy. Chẳng phải ngẫu nhiên mà những định luật nàylại giống nhau.Sauđây là lời giải thích tại sao định luậtnghịch đảo bình phươnglại áp dụngđượccho quá nhiều loại lực khác nhau như thế. Trongtất cả những định luật nghịch đảo bình phương, độ lớncủa lựcmà định luật đó mô tả tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến nguồn sinhra lực. Khi haiđại lượng là tỉ lệ nghịch, nếu số đo này giảm thì số đo kia sẽ tăng. Độ lớn của lực giảm khi khoảng cáchtănglên. Tuy nhiên, trong tấtcả các định luật nghịch đảo bình phương,độ lớn của lực giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cáchđến tâmcủa lực. Cường độ ánh sáng tuân theo mộtđịnh luật nghịch đảobìnhphương.Cường độ của ánh sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đếnnguồnsáng. Khi bạn đi ra mộtnguồn sáng,độ sángcủa ánh sáng phát ra từ nguồnđó giảm đi.Hãy sử dụngánh sánglàm thí dụ để xem tại sao có quá nhiều lực khácnhau lại tuântheo một khuôn mẫu này. Hãy tưởng tượng một nguồn sáng như một bóng đèn điện nhỏ xíu ở giữa một không gianlớn, tối đen. Ánhsángtừ nguồntỏa ra mọi hướng,giốngnhư một cái bong bóng đangdãn nở. Cường độ ánh sáng đượcđo theo đơnvị lumen. Giả sử nguồnsáng của chúng ta đang sản sinhra tổngcộng1.000 lumenánh sáng. Hãy hìnhdung một mặt cầuvới bán kính 1 mét bao xungquanhnguồnsáng trên.Ánh sáng từ nguồn phát ra rọi sáng phầnbên trong của mặt cầu. Hỏi ánhsáng đó phải rọisáng diện tích bằngbao nhiêu? Diện tích bề mặt củamột khối cầuđược tính bằng cáchnhân 4với p (pi, hay3,14)nhânvới bình phương bán kính củakhối cầu. A = 4 × p × r 2 Vì thế, khối cầucủa chúng ta có diện tích bề mặt là 12,6mét vuông. 1.000 lumen ánhsáng do bóngđèn tạo ra sẽ phân bố đều trên 12,6métvuôngbề mặt đó. Phép chia tổng lượng ánh sángcho số lượngmét vuông trênkhối cầusẽ cho chúng ta biết có bao nhiêu ánhsángrọi lênmỗi métvuông. Khi chúngta chia 1.000 lumen cho12,6mét vuông,ta tìmđược mỗimét vuông đượcrọi khoảng80 lumen ánh sáng. Giả sử chúng ta tăng gấp đôi bán kínhcủa mặt cầubao xung quanhnguồn sáng của chúng ta. Bạn sẽ thấy rằng1.000 lumenánh sáng sẽ phân bố trên một diện tíchlớn hơnnhiều. Mặt cầu mới có bán kính 2 mét. Để tính tổngdiện tích bề mặt,một lần nữa chúng ta nhân 4 × p ×r 2 . Mặt cầu mới củachúng ta có diện tích 50,2 mét vuông.Bánkính của mặt cầu mới chỉ gấp đôi bán kínhcủa mặt cầuthứ nhất.Nhưng diện tích của mặt cầu thứ hai gấp bốn lầndiện tích của mặt cầu thứ nhất.Đó làvì diện tích của mặt cầu được tính trên bình phươngcủa bán kính. Nguồn sáng của chúng ta vẫnđang tạo ra lượng ánhsáng như cũ: 1.000 lumen. Nhưngở khoảngcách này, lượngánh sáng như cũ đó đang rọilên một mặt cầu diện tích 50,2 mét vuông. Chonênmỗi métvuôngchỉ nhận khoảng20 lumen ánh sáng. Giá trị này chỉ bằng một phần tư lượng ánhsángmà mỗi mét vuông nhận được ở mặt cầu thứ nhất. Khoảng cách từ nguồn sángđến mặt cầu đã tăng lênhai lần, nhưng cường độ ánh sáng chỉ còn bằng một phần tư. Đây là mối liên hệ nghịch đảo bình phương. Điều tươngtự vẫn đúngnếu bánkính tăng lên 3 mét. Mộtlầnnữa chúng ta nhân4 × p × r 2 . Mặt cầu thứ ba của chúngta có diệntích bề mặt 113 mét vuông. Bán kínhcủa mặt cầu này bằng ba lần bánkính của mặt cầu ban đầu, nhưng diện tích của mặtcầu thứ ba lớn gấp chín lần. 1.000lumenánh sáng củachúng ta phân tán trên 113 mét vuông bề mặt. Mỗimét vuôngthuộcmặt cầuthứ ba của chúngta nhậnkhoảng 9 lumenánh sáng.Giá trị này bằngmộtphần chín lượng ánh sáng mà mỗimét vuôngnhậnđược ở mặt cầu thứ nhất. Khoảng cách từ tâm đếnmặt cầu giờ tăng lên ba lần, nhưng cườngđộ ánh sángchỉ bằng một phần chín. Lượngánh sángnhư nhau, khinó tỏa ratừ mộtnguồn, rọi lên một diện tích mỗilúc một tăng dần. Tất nhiên, nhữngmặt cầu đó không thật sự tồn tại. Những mặt cầutưởng tượng đó cho chúng tamột cách hìnhdung tại sao cườngđộ ánh sáng giảm nhanh hơnnhiều khi khoảng cách tănglên. Đó là vìtổng nănglượng phải phântán trên một diện tích tăng lên nhanh chóng. Thậmchí, bạn cóthể thấy định luật nghịch đảo bình phương này xảy ravới đôi mắtcủa bạn. Hãy đánh dấunhững khoảngcách 10, 20và 30mét từ một điểm0 trong sân nhà bạn hoặc trênvỉa hè gần nhà bạn. Khi trời tối, hãy đứng trên điểm 0 của bạn. Nhờ một ai đó đứngvới một đèn flash tại vạch10 mét. Hãy nhìn cường độ ánh sáng. Yêu cầu ngườiđó di chuyển đếnvạch 20 mét, rồi vạch30 mét, và sosánh cái bạn nhìnthấy. Mặc dù bạnkhôngcó khả năng đo cường độ ánh sángnếu như trong tay bạn không có mộtmáy đo ánh sáng rất nhạy, nhưng bạn sẽ có thể nói cường độ ánh sáng giảm đinhanh khi người hỗ trợ bạn di chuyển raxa. Bạn có thể hình dung lực hấpdẫn phân tán từ tâm của trái đất(hay bất kì khối lượng nào khác) theo kiểu giống như ánh sángtỏa ra từ một nguồn sáng. Bạn có thể hình dungtrườngđiện từ tỏa ra từ một nguồn theo kiểu giống như vậy. Hãy hình dung mỗi lực tỏa ra từ nguồncủa nó giốngnhư một cái bọt dãn nở mãi mãi. Mốiliên hệ nghịch đảo bình phương đúng đối với tất cả những lựcnày bởivì chúng đều phân tán đềutheo mọi hướngtừ tâm điểm nơi chúngsinh ra.Khi bạn càng tiến xatâm điểmđó, thì tác dụngcủa những lựcnày phântán trênmột diện tích lớn hơnnhiều. . Sóng: Các nguyên lí của Ánh sáng, Điện và Từ học (Phần 8) Định luật nghịch đảo bình phương Một số định luật tự nhiên quantrọng. tấtcả các định luật nghịch đảo bình phương,độ lớn của lực giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cáchđến tâmcủa lực. Cường độ ánh sáng tuân theo mộtđịnh luật nghịch đảobìnhphương.Cường độ của ánh sáng. ánh sáng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách đếnnguồnsáng. Khi bạn đi ra mộtnguồn sáng, ộ sángcủa ánh sáng phát ra từ nguồnđó giảm đi.Hãy sử dụngánh sánglàm thí dụ để xem tại sao có quá nhiều