Benjamin Crowell: Quang học Phần 3 pps

BenjaminCrowell: Quanghọc - Phần 3 1.3 Mô hình tia sáng Các mô hình ánh sáng Hãy lưu ý cách thức tôi đã miêu tả không chính thức sự chuyển độngcủa ánh sáng với hình ảnh thể hiện ánhsángcó dạng đường thẳngtrên tranggiấy. Chính thức hơn thì đây đượcgọi là môhình tia sáng. Môhình tiacủaánh sángcó vẻ tự nhiênmột khichúng ta tự thuyết phụcbản thân mìnhrằng ánhsángtruyền đi trong không gian, và quan sát những hiện tượngnhư nhữngchùm tiasáng mặt trời chiếu xuyên qua khetrốngtrênnhững đám mây. Đã từngnêu ra khái niệm ánh sáng là một sóng điện từ, bạn biếtrằng ánh sáng khôngphải làsự thật tối hậu về ánhsáng, nhưng mô hình tia sángthì đơngiảnhơn, và trong mọi trườnghợp, khoa họcluôn xử lí nhữngmôhình của thực tại, chứ khôngxử lí bản chất tối hậu của thực tại. Bảngdưới đây tómtắt bamô hìnhánh sáng. h/ Ba mô hình ánh sáng Mô hình tia sáng là mộtmô hìnhthông dụng. Bằng cách sử dụng nó, chúng ta có thể nói về đường đi của ánhsáng mà không bận tâmtới bất kì sự mô tả đặc biệt nào của cái gì đang chuyển động dọc theo đường đi đó. Chúng ta sẽ sử dụngmô hình tia đơn giản,xinhđẹp ấytrong đa phần tập sáchnày, vàvới nó chúng ta có thể phân tích rất nhiều dụng cụ và hiện tượng. Chođến chương cuối thì chúngta mớibàn về quang họcsóng, mặc dù trong những chương giữa, thỉnhthoảng tôi sẽ phân tíchcùng một hiệntượngvới môhìnhtia lẫn môhình sóng. Lưu ý rằng những phátbiểu về khả năng áp dụng của nhữngmô hình khác nhau chỉ là nhữngchỉ dẫnthô.Chẳng hạn, những hiệu ứnggiao thoasóng thường là cóthể phát hiệnra, nếu nhỏ, khiánh sáng đi qua mộtvật chắnhơi lớn hơn bước sóng một chút. Đồng thời, điều kiện khi chúngta cần môhình hạtthật ra có nhiều cái phảilàm với thang năng lượng hơn làthang khoảngcách, mặc dùcả haiđều có liên quan. Độc giả thận trọngcó thể để ý thấy mô hình sóng làcần thiết ở những thang đo nhỏ hơn bước sóng của ánhsáng (vào cỡ 1 micromet đốivới ánh sáng nhìn thấy),và mô hìnhhạt là cần thiết ở thang nguyên tử hoặc nhỏ hơn (mộtnguyêntử tiêu biểu có kíchcỡ chừng 1 nanomet hoặc tương đương). Điều này gợiý rằng ở những thang bậc nhỏ nhất, chúngta cần cả môhình sóngvà mô hìnhhạt. Chúng có vẻ không tương thíchvới nhau, vậy làm thế nào chúngta có thể sử dụng chúng đồngthời? Câu trả lời làchúng không hẳn là khôngtương thích như thoạt trông như thế. Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt, nhưngsự hiểu rõ trọn vẹn của phát biểu rõ ràngphi trực giác nàylà mộtchủ đề cho tậptiếp theotrong bộ sáchnày. i/ Các thí dụ của sơ đồ tia sáng Sơ đồ tia sáng Cho dù không biết làm thế nào sử dụng mô hình tiasángđể tính toán mọi thứ bằng số,nhưng chúng ta cóthể học được rất nhiều thứ bằng cách vẽ ra sơ đồ tia sáng.Chẳng hạn, nếu bạnmuốn hiểu làm thế nào kínhmắt giúp bạnnhìn rõnét, thì mộtsơ đồ tia sáng là nơi thích hợp để bắt đầu. Nhiều họcsinhsợ sử dụng sơ đồ tia sángtrong quang học và thayvàođó chỉ hamhọc thuộc lòng haythaysố vào công thức. Vấnđề xảy ravới chuyện học thuộc lòng và thay số là chúng có thể làm lu mờ cái thật sự đang diễn ra, và dễ đưa tớisai lầm. Thường thì cách tốt nhất làvẽ một sơ đồ tia sáng trước, sauđó tính toánbằng số,và kiểm tra lại kết quả số của bạn xemcó phù hợp với cái bạn thu được từ sơ đồ tia sáng hay không. j/ 1. Đúng. 2. Sai: hàm ý rằng sự phản xạ khuếch tán chỉ cho một tia từ mỗi điểm phản xạ. 3. Đúng: nhưng phức tạp đến mức không cần thiết. Hình j trình bàymộtsố chỉ dẫnsử dụng sơ đồ tia sángsaocho hiệu quả. Các tia sángbẻ cong khi chúng đira khỏi bề mặt của nước (mộthiện tượng chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơnở phần sau).Cáctia sángcó vẻ như xuất phát từ một điểm phía trênvị trí thật sự của con cá vàng,một hiệu ứng quenthuộc với những ai đã từng đi câu cá.  Một dòng ánhsáng thật ra không bị hạn chế với một số lượng hữu hạn những đường hẹp. Chúngta chỉ vẽ nó như thế thôi. Tronghình j/1,cần chọnmột số hữu hạn tiasángđể vẽ (5 tia),chứ không vẽ số lượng vô hạn tia như lí thuyết sẽ đi ra từ điểm đó.  Có mộtxu hướng không đúnglà hìnhdungcác tiasáng như nhữngvật thể. TrongquyểnQuang học của ông, Newtonđã nêu ra cảnh giác với độc giả về sự nhầmlẫn này, ông nói rằng một số người “xem sự khúc xạ của cáctia sáng là sự bẻ cong hay phân tách chúng khichúngđi từ môi trườngnàyra môi trường khác”. Một tia sáng là một sự ghi lại đường đi mà ánh sáng đã truyền qua,chứ khôngphải một đối tượngvật chất có thể bị bẻ conghay phân tách.  Trênlí thuyết, các tia sáng cóthể tiếp tục kéodài vôhạn về quá khứ hoặc tương lai,nhưng chúng ta nênvẽ các đường cóchiều dài hữu hạn.Tronghình j/1, một lựachọnđúng đắnđó là nơi bắtđầu và kết thúccác tia sáng. Khôngcó điểm nào trong phần kéo dài của những tia sáng ngoài phần hình vẽ, vì chẳng có cái gì mớimẻ và hấp dẫn xảy ravới chúng hết. Còn có một lí do hợp lí nữa để bắt đầu chúng sớmhơn, trước khibị phản xạ bởi con cá, vì hướng của các tia phản xạ khuếch tán là ngẫu nhiên và khôngcó liên quantới hướngcủanhữngtia tới ban đầu.  Khi biểu diễn sự phản xạ khuếch tán trongsơ đồ tiasáng, nhiềuhọc trò có suy nghĩ tránh vẽ quá nhiều tia tỏara từ cùng một điểm. Thôngthường, như trong thí dụ j/2,cái bị hiểu lầmlà ánh sángchỉ có thể phản xạ từ hướng này sang hướngkhác. Một khó khăn nữa đi cùng với sự phản xạ khuếch tán, thídụ j/3, làxu hướng nghĩ rằng ngoài việc vẽ nhiều tia tỏa ratừ một điểm, chúngta cũng nên vẽ nhiều tia đến từ nhiều điểm. Trong hìnhj/1, việc vẽ nhiều tia tỏa ra từ một điểm manglại thông tin hữu ích, chochúng ta biết rằng,chẳnghạn, con cá được nhìn từ bất kìgóc nào. Việc vẽ nhiều tập hợp tia,như tronghình j/3,khôngcung cấp thêm cho chúng ta thôngtin hữu ích gìnữa, vàchỉ làm cho bứctranh trong thídụ này rối rắmthêm mà thôi. Lí do duynhấtđể vẽ tập hợp nhiều tia sángtỏara từ nhiều hơn một điểm là nếu có nhữngcái khác nhau đang xảy ravới nhữngtập hợp tiakhác nhau đó. Câu hỏi thảo luận A. Giả sử một con cá sử dụng một công cụ thông minhđể săn người. Hãy vẽ sơ đồ tia sáng thể hiện con cá phải hiệu chỉnh mục tiêu của nó như thế nào. Lưu ý rằng mặc dù các tia sáng lúcnày đi từ không khí vàonước, nhưng quytắc áp dụngvẫn như cũ: tia sáng ở gần pháp tuyến với bề mặt hơn khichúng ở trong nước, và những tia sáng đi tớiranh giới không khí-nướcvới góc thấp là bị bẻ cong nhiều nhất. . BenjaminCrowell: Quanghọc - Phần 3 1 .3 Mô hình tia sáng Các mô hình ánh sáng Hãy lưu ý cách thức tôi đã miêu tả không. đầu. Nhiều họcsinhsợ sử dụng sơ đồ tia sángtrong quang học và thayvàođó chỉ hamhọc thuộc lòng haythaysố vào công thức. Vấnđề xảy ravới chuyện học thuộc lòng và thay số là chúng có thể làm lu. tia đơn giản,xinhđẹp ấytrong đa phần tập sáchnày, vàvới nó chúng ta có thể phân tích rất nhiều dụng cụ và hiện tượng. Chođến chương cuối thì chúngta mớibàn về quang họcsóng, mặc dù trong những chương