Benjamin Crowell: Quang học - Phần 4 docx

Benjamin Crowell: Quang học - Phần 4 1.4 Cơ sở hình học của sự phản xạ phản chiếu Để làm thay đổi chuyển độngcủa một vật, chúngta sử dụng lực. Có cáchnào tác dụnglực lên một chùm ánhsáng haykhông?Cácthí nghiệm cho thấy điện trường và từ trường không làm lệch hướng chùm ánh sáng, chonên rõ ràng ánh sáng không có điện tích. Ánh sáng cũng không có khối lượng, vì thế cho đến thế kỉ 20 người ta tinrằng nócũng miễn dịch với trườnghấpdẫn. Einstein dự đoánrằng những chùm ánhsángsẽ bị lệch chútít bởitrường hấpdẫn mạnh,và người ta đã chứng minhông đúngvới những quansát ánhsángsao đi quagần mặt trời,nhưng rõ ràngđó chẳng phải là cái làmchogương vàthấu kính hoạt động! Nếu chúngta nghiên cứuánhsáng bị lệch như thế nào bởi một cáigương, chúng ta sẽ nhận thấy quá trình đó phứctạp khủngkhiếp, nhưngkết quả cuối cùng thì đơngiảnđến bấtngờ. Cái thật sự xảy ra là ánh sáng cấu thành từ điện trường và từ trường, vànhững trường này làm gia tốc các electron tronggương. Năng lượng của chùm ánh sáng ngaytức thời biếnđổi thànhđộngnăng của các electron, nhưng vì cácelectron đang tăngtốc nên chúngtái phát xạ ánh sáng, biến đổiđộng năng của chúng trở lại thành năng lượngánhsáng. Chúng ta trông đợiđiều này mang lạimộttình huốngrất lộn xộn,nhưng đủ bất ngờ, các electron chuyểnđộng với nhauđể tạo ra mộtchùm ánh sáng mới, phản xạ, tuân theohai quyluật đơn giản:  Góc củatia phản xạ bằngvới góc của tiatới.  Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến(vuônggóc). Mặtphẳng này đượcgọi là mặtphẳng tới. k/ Cơ sở hình học củasự phản xạ phản chiếu Góc phản xạ và góc tớicó thể xác định sovới pháp tuyến, như góc B và Ctrên hình, hoặc so với mặt phản xạ, như góc A và gócD. Có một quy ước đã tồn tại hàng trămnăm rằngngười ta đo góc so với pháp tuyến, nhưngquytắc hai góc bằng nhau ở trên có phát biểulà B =C hoặc A = D đều hợp lí. Hiện tượng phảnxạ chỉ xảy ra tại ranhgiới giữa haimôi trường,giốngnhư sự thay đổi tốc độ ánhsángkhi đi từ môi trườngnày sang môi trườngkhác. Như chúngta đã thấy trongtập3 củabộ sách này, đây là cách màmọi loạisóng hànhxử. Đa số mọi ngườithấy bất ngờ trướcthực tế rằng ánhsáng cóthể bị phảnxạ ngược từ một môi trường kémđặc hơn. Chẳng hạn, nếu bạn lặn xuống và nhìn ngược lên mặtnước, bạn sẽ nhìn thấyảnh phản xạ của chính bạn. Tự kiểm tra Từng sơ đồ dưới đây biểu diễn hai tia khác nhauđang bị phảnxạ từ cùng một điểm trên mặt gương. Sơ đồ nào đúng,và sơ đồ nào khôngđúng? Tính thuận nghịch của chiều truyền tia sáng Thựctế sự phản xạ phản chiếu biểu hiện những góc tới và gócphản xạ bằn nhau cónghĩa là có mộtsự đối xứng: nếu tronghình trên, tiasáng đi từ phải sang thayvì từ trái sang, thìcác góc sẽ trôngy hệt như vậy. Đây khônghẳnlà mộtchi tiết vô nghĩa về sự phảnxạ phảnchiếu. Nó là một biểuhiện của một thực tế rất sâu sắc và quan trọng về tự nhiên, đó làcác định luật vật lí khôngphân biệt giữa quá khứ và tươnglai. Đạnđại bácvà các hànhtinh có quỹ đạo thuận nghịchtự nhiên như nhau, và các tia sángcũng thế. Loại đối xứng này đượcgọi là đốixứng nghịch đảo thời gian. Thôngthường, đối xứngnghịchđảothời gian là mộtđặc trưng của bất kìquá trìnhnào khôngliên quanđếnnhiệt. Thí dụ, các hànhtinh khôngchịu masát khi chúng chuyểnđộng trongkhônggian trống rỗng,nên không có sự nóng lên do ma sát. Vì thế, chúng ta trông đợi những phiên bản nghịchđảo thời gian của quỹ đạo của chúngtuân theocác địnhluật vật lí, vàđúng như thế.Trái lại, một quyểnsách trượttrên bàn thật sự phát sinhnhiệtdo ma sát vì nóchuyển động chậm dần, và do đó, không cógì bấtngờ khi loại chuyển động này không cóvẻ tuân theo đối xứngnghịch đảo thời gian. Mộtquyển sách nằmyên trên một cái bàn bằng phẳng khôngbao giờ tự động bắt đầu trượt, nhậnvào nănglượng nhiệt vàbiến đổinó thành độngnăng. Tương tự, tình huống duynhất chúng ta quan sát thấy từ trước đến nay, trong đó ánh sáng không tuântheo đối xứng nghịch đảo thời gianlà sự hấpthụ, quá trìnhliên quan đến nhiệt. Da của bạn hấp thụ ánh sáng nhìn thấytừ mặt trời đến vànónglên, nhưngchúngta chưabao giờ quan sát thấyda của người nào phát sáng,biến đổi năng lượng nhiệt thànhánh sáng nhìn thấy. Da người thật sự phát ánh sáng trongvùnghồng ngoại, nhưngđiều đó không có nghĩa rằng tình huống đó là đối xứng. Chodùda của bạn hấp thụ tiahồng ngoại, nhưngbạn không phát ra ánh sáng nhìn thấy, vì dacủa bạn không đủ nóng để phát xạ trong vùng phổ nhìn thấy. Những sự bất đối xứng hiển nhiên liênquan đến nhiệt này khôngphải là những sự bất đối xứngthậtsự trong các địnhluật vật lí. Độcgiả quan tâmcó thể thamkhảo thêm về vấn đề này trongchương tự chọn nhiệt độnglực học ở tập 2 của bộ sách này. Ví dụ 1. Lần theo tia sáng trên máy vi tính Người ta có thể sử dụng một số kĩ thuật để tạo ra những khung nhìn nhân tạo trong đồ họa máy tính. Hình l thể hiện một khung cảnh như vậy, tạo bằng kĩ thuật xây dựng những sơ đồ tia sáng rất chi tiết trên máy vi tính. Kĩ thuật này yêu cầu rất nhiều phép tính toán, và do đó quá chậm để dùng cho video game và phim động trên máy tính. Một thủ thuật tăng tốc tính toán là khai thác tính thuận nghịch của chiều truyền tia sáng. Nếu người ta lần theo mỗi tia sáng phát ra bởi mỗi bề mặt phản xạ, thì chỉ một phần nhỏ trong số đó thật sự đi vào “camera” ảo, và do đó gần như toàn bộ nỗ lực tính toán sẽ bị lãng phí. Thay vào đó, người ta có thể bắt đầu một tia từ camera, lần theo nó ngược thời gian, và nhìn xem nó đi từ đâu tới. Với kĩ thuật này, không có sự lãng phí công sức nữa. l/ bức ảnh được tạo rahoàn toàn bằngmáy tính,bằng cách tính toánmột sơ đồ tia sáng phức tạp. Câu hỏi thảo luận m/ Câu hỏi thảo luậnB n/ Câu hỏi thảo luậnC A. Nếu mộttia sángcó vectorvận tốc vớicác thành phần c x và c y , thì điều gì sẽ xảy rakhinó bị phản xạ từ một bề mặt nằm dọc theotrụcy? Hãyđảm bảo câu trả lời của bạn không hàm ý một sự thay đổivận tốc của tiasáng. B. Hãy khái quát hóasự lí giải củabạn ở câu A, điều gì sẽ xảy ra với thành phần vận tốc của tiasáng đi tới mộtgóc hẹp,như minh họatrên hình, và chịu hai sự phảnxạ? C. Ba tấmkim loại xếp vuông góc nhaunhư trên hìnhtạo thành cái gọi là một góc radar.Giả sử góc radarđó là lớn so với bướcsóng của sóng radar,để cho mô hình tia sáng có ý nghĩa. Nếu góc radar nằmchìm trong các tia radar,ít nhất thì một phần củachúng sẽ chịu ba sự phảnxạ. Hãy khái quát hóa sự lí giải của bạn thêmmột lầnnữa từ hai câu hỏi thảo luận ở trên,điều gì sẽ xảy ra với ba thành phần vận tốc của một tianhư vậy? Góc radarcó ích choứngdụng gì? . Benjamin Crowell: Quang học - Phần 4 1 .4 Cơ sở hình học của sự phản xạ phản chiếu Để làm thay đổi chuyển độngcủa một vật,. radar,ít nhất thì một phần củachúng sẽ chịu ba sự phảnxạ. Hãy khái quát hóa sự lí giải của bạn thêmmột lầnnữa từ hai câu hỏi thảo luận ở trên,điều gì sẽ xảy ra với ba thành phần vận tốc của một. địnhluật vật lí. Độcgiả quan tâmcó thể thamkhảo thêm về vấn đề này trongchương tự chọn nhiệt độnglực học ở tập 2 của bộ sách này. Ví dụ 1. Lần theo tia sáng trên máy vi tính Người ta có thể sử dụng