5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN LUẬN VĂN
1.3.2.5Một số hiện tượng bắt gặp liên quan
1.3.2.5.1Hiện tượng ảo ảnh quang học
Thƣờng xảy ra ở hai trƣờng hợp:
* Trƣờng hợp chiết suất không khí càng lên cao càng tăng (ảo tƣợng xứ nóng):
Ví dụ: Khi ngƣời đi trên sa mạc nóng bỏng, họ thấy từ xa một vũng nƣớc có in hình bóng cây. Nhƣng khi đi lại gần, họ chỉ thấy cây mọc trên cát khô.
Ta có thể giải thích nhƣ sau: Lớp không khí gần mặt cát trên sa mạc nhận nhiệt tỏa ra từ mặt cát nóng nên gồm nhiều lớp không khí nóng có chiết suất tăng dần theo độ cao, càng lên cao chiết suất càng tăng. Với tia sáng từ đỉnh A của cây truyền qua lớp không khí trên cao có chiết suất n1 xuống lớp không khí phía dƣới có chiết suất n2, sẽ bị gãy khúc với góc khúc xạ lớn hơn góc tới (n1 > n2). Tia sáng này bị gãy khúc liên tiếp đến khi gặp lớp khí mà tại đó góc tới lớn hơn góc giới hạn, thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần và và hắt lên. Do bề dày lớp không khí mỏng nên đƣờng gãy khúc trở thành đƣờng cong đi xuống và rồi đi lên đến mắt ngƣời quan sát B. Nhƣ vậy, ngƣời quan sát đồng thời sẽ thấy đỉnh của cây do các tia sáng trực tiếp từ đỉnh của cây truyền tới mắt và nhìn thấy ảnh đối xứng với đỉnh của cây qua mặt đất do các tia sáng phản xạ toàn phần. Nên ngƣời quan sát nhìn thấy một vũng nƣớc có in hình bóng cây. Tùy theo gradien của nhiệt độ theo chiều từ dƣới lên trên là lớn hay nhỏ mà khoảng cách AB (từ cây đến ngƣời quan sát) có thể từ vài chục mét đến vài trăm kilômét.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 24 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Hình 1.19: Hiện tƣợng ảo ảnh trên sa mạc
Một hiện tƣợng thƣờng thấy: vào những ngày nóng nực mùa hè, ngƣời đi đƣờng thƣờng nhìn thấy vũng nƣớc trên mặt đƣờng nhựa ở xa phía trƣớc, nhƣng khi lại gần thì thấy mặt đƣờng vẫn khô ráo. Vũng nƣớc mà ngƣời đi đƣờng nhìn thấy chỉ là ảnh phản chiếu của bầu trời trên con đƣờng nhựa quá nóng. Hiện tƣợng đó cũng đƣợc giải thích tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng trên.
* Trƣờng hợp chiết suất không khí càng lên cao càng giảm (ảo tƣợng xứ lạnh)
Ví dụ: Ở xứ lạnh, về mùa đông, ban ngày, các lớp không khí ở tiếp giáp mặt biển, hay tuyết trên mặt đất có nhiết độ thấp do đó có mật độ thấp và chiết suất lớn. Những lớp không khí ở trên cao đƣợc sƣởi ấm bởi mặt trời do đó có mật độ nhỏ, chiết suất nhỏ. Nếu có một tia sáng xuất phát ra từ một điểm A trên mặt đất đi lên dƣới góc tới đủ lớn thì lên đến một lớp không khí trên cao nó xẽ bị phản xạ toàn phần và bẻ cong đi xuống vào mắt ngƣời quan sát B (ngƣợc lại với trƣờng hợp trên). Vì vậy có thể nhìn thấy một số vật nằm ở khuất dƣới đƣờng chân trời lại đƣợc nhìn thấy trên bầu trời (nhƣ con tàu hoặc hòn đảo hiện trên bầu trời). Do độ cong của các tia qua các lớp không khí có chiết suất thay đổi rất yếu nên hiện tƣợng ảo ảnh này thƣờng xảy ra ở vùng nƣớc rộng. Khoảng cách AB có thể lên đến vài trăm kilômét.
1.3.2.5.2Vẻ đẹp rực rỡ của kim cương
Kim cƣơng là một tinh thể đối xứng có cấu trúc lập phƣơng và chứa những nguyên tử cacbon bậc 4. Khối lƣợng riêng của kim cƣơng là 3,52 g/cm³.
Chiết suất của kim cƣơng rất lớn n =2,42. Khi kim cƣơng ở trong không khí, góc giới hạn của tia sáng tới bề mặt của viên kim cƣơng thƣờng có giá trị khá nhỏ ( ighcỡ 240). Nên khi tia sáng rọi tới một mặt, nó sẽ bị khúc xạ, đi vào trong viên kim cƣơng và bị phản xạ toàn phần nhiều lần giữa các mặt của viên kim cƣơng trƣớc khi ló ra ngoài, nên ta thấy ánh sáng từ viên kim cƣơng lóe ra rất sáng.
Kim cƣơng có khả năng tán sắc tốt, do có chiết suất biến đổi nhanh với bƣớc sóng ánh sáng. Điều này giúp kim cƣơng biến những tia sáng trắng thành những màu sắc lấp lánh nhiều màu, tạo nên sức hấp dẫn riêng của kim cƣơng khi là một món trang sức.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 25 SVTH: Quách Thùy Dƣơng Hình 1.20: Kim cƣơng sáng lấp lánh
1.3.2.5.3 Cầu vồng
Trƣớc hoặc sau cơn mƣa hay bên cạnh thác nƣớc, không khí chứa nhiều giọt nƣớc hình cầu. Ánh sáng mặt trời khúc xạ vào bên trong giọt nƣớc, phản xạ toàn phần ở mặt phân cách giữa không khí và giọt nƣớc rồi khúc xạ trở ra .
Hình 1.21: Hiện tƣợng cầu vòng
1.3.3 Hiệu ứng quang điện
Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực đƣợc nhúng trong dung dịch dẫn điện đƣợc chiếu sáng vào năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn.
Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ. Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov (1839-1896) đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xây dựng nên các định luật quang điện.
Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng nhƣ các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lƣợng tử vừa đƣợc công bố vào năm 1900 của Max Planck. Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lƣỡng tính sóng - hạt của ánh sáng.
1.3.3.1 Hiện tượng
Khi bề mặt của một tấm kim loại đƣợc chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngƣỡng (tần số ngƣỡng này là giá trị đặc trƣng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lƣợng từ các photon và sinh ra dòng điện
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 26 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
(gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngƣỡng bởi điện tử không đƣợc cung cấp đủ năng lƣợng cần thiết để vƣợt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dƣới tác dụng của bức xạ điện từ đƣợc gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi đƣợc chiếu sáng với tần số vƣợt trên tần số ngƣỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, ngƣời ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
1.3.3.2 Các định luật quang điện và giải thích
Có nhiều ngƣời đƣa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng. Albert Einstein là ngƣời giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lƣợng tử ánh sáng. Heinrich Hertz và Stoletov là những ngƣời nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập các định luật quang điện.
- Ở mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cƣờng độ dòng quang điện (cƣờng độ dòng điện tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỉ lệ thuận với cƣờng độ chùm sáng tới.
- Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dƣới tần số đó, hiện tƣợng quang điện không xảy ra. Tần số này đƣợc gọi là tần số ngƣỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó.
- Ở trên tần số ngƣỡng, động năng cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cƣờng độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ.
- Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dƣới 10−9 giây. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Albert Einstein đã sử dụng Thuyết lƣợng tử để lý giải hiện tƣợng quang điện. Mỗi photon có tần số f sẽ tƣơng ứng với một lƣợng tử năng lƣợng có năng lƣợng
, h: là hằng số Planck.
* Năng lƣợng mà điện tử hấp thụ đƣợc sẽ đƣợc dùng cho 2 việc:
- Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vƣợt qua công thoát ) - Cung cấp cho điện tử một động năng ban đầu:
Nhƣ vậy, theo định luật bảo toàn năng lƣợng, ta có thể viết phƣơng trình: (1.7)
Do động năng luôn mang giá trị dƣơng, do đó, hiệu ứng này chỉ xảy ra khi: Có nghĩa là hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi:
(1.8) : Chính là giới hạn quang điện của kim loại.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 27 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Trong nhiều vật liệu, hiệu ứng quang điện ngoài không xảy ra mà chỉ xảy ra hiện tƣợng quang điện trong (thƣờng xảy ra với các chất bán dẫn). Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lƣợng của photon đủ lớn (lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lƣợng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng). Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn. Hiệu ứng này đƣợc sử dụng trong các photodiode, phototransitor, pin mặt trời...
1.3.3.4 Ứng dụng của hiệu ứng quang điện
- Pin mặt trời, photodiode, phototransistor...
- Các sensor ghi ảnh (ví dụ nhƣ sử dụng trong các CCD camera), các cảm biến quang học, các ông nhân quang điện...
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 28 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Chƣơng 2: LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT VẬT LÝ ĐẦU TIÊN VỀ ÁNH SÁNG THỜI CỔ VÀ TRUNG ĐẠI
Bộ phận vật lý học đƣợc hình thành và xây dựng từ thế kỉ XVI đến cuối thế kỉ thứ XIX đƣợc gọi là vật lý học cổ điển. Từ đầu thế kỉ XX, khi bắt đầu hình thành một bộ phận vật lý học mới, với một lĩnh vực nghiên cứu mới, với những nguyên lý, những khái niệm cơ bản mới khác hẳn với vật lý học cũ (cổ điển), và đƣợc gọi là vật lý học hiện đại.
Triết học tự nhiên thời cổ đại và trung đại coi thế giới tự nhiên và cả bản thân của loài ngƣời là do các thần linh hoặc chúa trời tạo ra và điều khiển hằng ngày. Mọi tri thức cũng đều do chúa ban phát cho con ngƣời, bản thân con ngƣời không có khả năng tự tìm ra chân lí. Trái lại, vật lý học cổ điển coi thế giới tự nhiên là thế giới vật chất, vận động theo những quy luật chính của bản thân nó, không do thần linh nào tạo ra và điều khiển. Con ngƣời với lí trí của mình và với một phƣơng pháp đúng đắn có khả năng nhận thức đƣợc quy luật của thế giới vật chất, vận dụng chúng trong kĩ thuật, sản xuất và đời sống để phục vụ lợi ích của mình. Vật lý học cổ điển bác bỏ sự can thiệp của tôn giáo, của bất kì thế lực hoặc uy quyền cá nhân vào các vấn đề khoa học.
Thế kỉ XVII và XVIII là thời đại của cơ học Niutơn, nội dung của quyết định luận của cơ học Niutơn ―ta có thể áp dụng các định luật của cơ học để xác định một cách đơn giá mọi trạng thái tƣơng lai của cơ hệ‖- quyết định luận nâng cao vai trò của khoa học, đồng thời nâng cao vai trò của con ngƣời biết vận dụng khoa học để làm chủ hiện tại và tƣơng lai của mình, và phủ nhận vai trò của các thần linh can thiệp tuỳ tiện vào các hiện tƣợng thiên nhiên.
Một định luật vật lý là một sự khái quát hoá một cách khoa học trên các quan sát thực nghiệm. Chúng là các kết luận đƣợc rút ra từ thực tiễn, hay các giả thuyết đƣợc kiểm nghiệm bởi các thí nghiệm vật lý. Mục đích cơ bản của bản của khoa học nói chung hay vật lý nói riêng là mô tả tự nhiên bởi hệ thống các định luật nhƣ vậy.
2.1 THỜI CỔ ĐẠI
Từ thời nguyên thủy, con ngƣời cũng tích lũy đƣợc những tri thức về cây cối, các động vật xung quanh, thời tiết, khí hậu, … Nhƣng những tri thức đó chỉ là những kinh nghiệm sống, rời rạc và không có hệ thống. Trong thời kì này, do cuộc sống hết sức chật vật, thấp kém, nên khoa học chƣa có điều kiện phát triển.
2.1.1 Sự phát sinh những tri thức khoa học
Tình hình trên đã thay đổi kể từ khi con ngƣời biết trồng trọt, chăn nuôi, con ngƣời có thể đạt đƣợc những vụ gặt ổn định trên cùng một địa điểm, trong nhiều năm liên tục. Và từ 4000 năm TCN, hình thành quốc gia chiếm hữu nô lệ, đó là cái nôi của khoa học hiện đại. (chế tạo công cụ lao động mới, phát triển sản xuất, nền kinh tế phát triển hơn, cơ cấu xã hội phức tạp hơn). Do nền kinh tế phát triển, năng suất lao động đƣợc nâng cao, một số ngƣời đã đƣợc giải phóng khỏi lao động chân tay, trở thành những ngƣời lao động trí óc.
- Thiên văn học là môn khoa học đầu tiên của nhân loại đã từ sản xuất mà xuất hiện. Song song với thiên văn học cũng xuất hiện khoa chiêm tinh.
GVHD: Ths. Nguyễn Hữu Khanh 29 SVTH: Quách Thùy Dƣơng
Nhìn chung, thời cổ đại đã có tri thức mầm mống của toán học và thiên văn học, nhƣng chƣa có mầm mống của vật lý học.
2.1.2 Khoa học phƣơng đông cổ đại
Từ thế kỉ XVIII – XII TCN, ngƣời Trung Quốc đã làm ra lịch; Thế kỉ XI TCN, đã biết dùng đồng hồ mặt trời; Thế kỉ III TCN, biết dùng la bàn; 105, Thái Luấn chế ra giấy.
Các nhà toán học: Trƣơng Sƣơng (TK I TCN), Cảnh Thọ Xƣơng (TK II TCN) phát biểu phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình bậc nhất và dùng số âm trong phép tính, mô tả đƣợc phƣơng pháp khai căn bậc 2, bậc 3, giải phƣơng trình bậc 2…; Tổ Xung Chi (TK V TCN) tính đƣợc giá trị gần đúng của pi là 355/133.
Ngƣời Ai Cập và ngƣời Babilon cũng đã đạt trình độ toán học khá cao. Tuy nhiên, quan niệm của họ vẫn là quan niệm thiếu hệ thống, hoang đƣờng, dựa trên thần thọai và tôn giáo, những quan niệm khác nhau về thế giới ở Ai Cập và Babilon không có khả năng tập hợp lại đƣợc thành những trƣờng phái rõ rệt.
Trái lại, ở Trung Quốc đã diễn ra một cuộc đấu tranh về triết học. Cuối TK VI, đầu TK V TCN đã phát sinh học thuyết của Khổng Tử, có tính luân lý – chính trị. TK V, xuất hiện thuyết của Lão Tử về ―đạo‖ (là một học thuyết tiến bộ, nhƣng về sau đã bị biến thành một tôn giáo). TK III – II TCN, xuất hiện thuyết ngũ hành ở Trung Quốc (mầm mống của quan niệm duy vật thế giới), nhƣng về sau thuyết ngủ hành bị xuyên tạc thành một thuyết huyền bí, mang nội dung mê tính. TK II TCN, xuất hiện học thuyết về ―khí‖, coi nhƣ là cơ sở của vũ trụ… về sau cũng bị bóp méo thành thuyết huyền bí, mê tín. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở Ấn Độ, 1000 năm TCN có tƣ tƣởng cho rằng vũ trụ ko bao gồm gì khác ngoài vật chất… Khoảng vài trăm năm TCN, có những trƣờng phái duy vật, giải thích những hiện tƣợng trong vũ trụ bằng quan niệm nhân quả và nguyên tử luận,chống lại cách giải thích của tôn giáo.
Nhƣ vậy ở phƣơng đông cổ đại đã xuất hiện những mầm mống ban đầu của khoa học, nhƣng trong điều kiện phong kiến đã hình thành và củng cố những thuyết mang tính duy vật dần biến thành những thuyết huyền bí, bị mai một và không đóng góp nhiều vào sự phát triển của khoa học.
2.1.3 Giai đoạn mở đầu của khoa học cổ đại. Triết học tự nhiên cổ Hy lạp
TK VI TCN, Hy Lạp cổ đại (quê hƣơng của khoa học hiện đại) đã có điều kiện thuận lợi cho khoa học phát triển, mọi tri thức khoa học của con ngƣời lúc ấy đƣợc tập