5. Các bước thực hiện
2.1.2.4. Hiện tượng ảo cảnh
- Ảo cảnh là hiện tượng mắt ta có thể nhìn thấy những cảnh vật tuy ở trên mặt đất nhưng lại có vị trí lơ lửng trên không hoặc nhìn thấy những cảnh vật ở ngoài phạm vi giới hạn nhìn thấy của mắt.
- Hiện tượng ảo cảnh liên quan đến sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng trong môi trường khí quyển khi có sự biến đổi rất nhanh của mật độ không khí theo độ cao. Người ta phân biệt hai trường hợp ảo cảnh: ảo cảnh trên và ảo cảnh dưới.
- Hiện tượng ảo cảnh dưới
+ Trong trường hợp này, ta nhìn thấy cảnh vật bị đảo ngược trở lại và hạ xuống thấp hơn so với vị trí thực của nó. Ảo cảnh dưới do hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong môi trường không khí khi mật độ tăng nhanh theo độ cao.
+ Đó là trường hợp ban ngày các sa mạc nhiệt đới, mặt đường nhựa vào trưa hè….mặt đất bị nung nóng dữ dội làm cho không khí sát đất loãng ra tới mức mật độ của nó trở nên nhỏ hơn hẳn so với lớp không khí trên cao, lớp không khí nằm sát mặt đất này phản xạ các tia sáng như một mặt nước, ở đây xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
+ Do đó, các tia sáng truyền từ ngọn cây hay cảnh vật từ lớp không khí trên cao tới mắt người theo một đường cong quay bề lồi xuống dưới. Nếu ta nhìn thấy cảnh vật theo tiếp tuyến ở cuối quỹ đạo của các tia sáng thì sẽ thấy cảnh vật bị lộn ngược trở lại tương tự như khi nhìn chúng qua mặt gương trên mặt đất.
Hình 2.19: Ảo cảnh dưới
+ Ví dụ: Các dân tộc ở Bédouin (Aráp) sống ở những sa mạc Bắc Phi và Trung Á thường lưu truyền những câu chuyện về những người khách đi trong sa mạc. Lúc họ đang mệt nhoài vì nóng bức và khát nước thì họ thấy hiện ra trước mắt họ một ốc đảo xanh tươi với những cây tỏa bóng mát bên hồ nước lung linh cạnh những tòa nhà xung quanh đầy người và gia súc. Người lữ khách chỉ nhọc công vô ích khi cố gắng rảo bước đi mau: vùng ốc đảo tưởng như có thể vươn tay ra là chạm tới kia phút chốc đã lùi xa rồi biến đi đâu mất vào trong lòng sa mạc hoang vu. Đó là những ảo cảnh thực sự hiện hữu do không khí nóng bên sa mạc gây ra khiến cho người quan sát có thể trông thấy những vật thể ở cách xa họ hàng trăm kilomet.
Hình 2.20: Ảo cảnh trên sa mạc
+ Ảo cảnh không chỉ có ở trong sa mạc. Có lúc người dân sống ở vùng ven biển phía Nam nước Anh đã nhìn thấy cả một thành phố với những làng chài sống ở bên kia eo biển La Manche của nước Pháp hiện ra rõ mồn một ngay trước mắt họ. Lý do là vào những ngày nắng im gió, có khi ở gần mặt đất hoặc mặt nước hình thành một lớp không khí nóng ổn định, tức là mật độ nhỏ hơn lớp không khí bên trên. Các tia sáng đi xiên từ phía trên xuống là đi vào môi trường có mật độ quang học giảm. Nếu lớp không khí này đủ dày thì ở lớp đó có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần: các tia sáng sau khi đi được một khoảng nào đó lại bị uốn cong mà ra khỏi nó về phía trên. Vì vậy, ta thấy ảo cảnh của chúng ở phía dưới chúng.
+ Những ngày nắng nóng, các xe ô tô chạy trên đường nhựa thẳng tắp cũng có thể gặp ảo cảnh. Những người lái xe bỗng thấy mặt đường láng bóng như vừa có mưa và lấp loáng phía trước những nhà cửa, vườn cây, người và gia súc, rối phút chốc biến mất như chưa hề xuất hiện.
- Hiện tượng ảo cảnh trên
+ Vào những ngày hè lặng gió, ta nhìn ra mặt biển thấy những dải núi xa xa, cả con thuyền và thị trấn….Dưới ánh nắng Mặt Trời gay gắt, nhiệt độ của nước cũng khó tăng lên. Lúc ấy, tầng không khí trên mặt biển có hiện tượng trên nóng dưới lạnh, làm cho mật độ không khí tầng trên nhỏ còn tầng dưới lớn.
+ Nếu có một người đứng trên bờ biển quan sát ở điểm A giữa biển có một hòn đảo nhỏ. Do ánh sáng phát ra từ tầng không khí có mật độ lớn hướng lên phía trên có mật độ nhỏ nên ánh sáng bị lệch hướng (góc khúc xạ dần dần lớn) và tiến theo đường cong AC. Khi ánh sáng tới C, góc tới lớn hơn góc giới hạn nên xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Ánh sáng từ C bị phản xạ từ tầng không khí có mật độ nhỏ đi vào tầng không khí
có mật độ lớn, tia sáng sẽ tiến gần phương pháp tuyến theo đường cong CO đi vào mắt người quan sát. Đó là trường hợp cảnh vật được nâng cao lên trong không khí và ảnh không bị lộn ngược trở lại. Ảo cảnh xuất hiện trong trường hợp mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao.
Hình 2.21: Ảo cảnh trên
+ Ảo cảnh trên xuất hiện trong trường hợp mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao. Trong trường hợp này, quỹ đạo của tia sáng truyền từ vật tới mắt người bị uống vồng lên phía trên và ảnh của vật được nâng cao lên so với vị trí thực của nó. Điều này giải thích vì sao người dân miền biển có khi nhìn thấy cả những hòn đảo hình như ngày thường chìm dưới nước.
+ Mật độ không khí giảm nhanh theo độ cao tính từ mặt đất. Do đó các tia sáng đi từ các ngôi sao ở xa trên bầu trời khi đi tới mắt ta đã bị khúc xạ mà “cong” đi, khiến cho ta nhìn thấy chúng ở vị trí cao hơn vị trí thực của chúng so với đường chân trời. Chính vì thế mà ta nhìn thấy mặt trời trước khi chúng mọc và sau khi chúng đã lặn dưới đường chân trời.
+ Ta cũng không nhìn thấy các vật ở trên mặt đất hoàn toàn ở đúng vị trí của chúng.
+ Nguyên nhân: Do không thuần nhất về mặt quang học của không khí, mật độ không khí phụ thuộc vào nhiệt độ :
RT
Áp suất p thay đổi theo độ cao nhưng với mỗi độ cao thì nó không đổi. Nhưng nhiệt độ T của không khí ở cùng một độ cao có thể khác nhau: cánh đồng, biển nước, đồi núi,…. Kết quả là các lớp tia sáng đi qua các lớp không khí không thuần nhất bị “uốn” khúc và sẽ nhìn thấy các vật thể chuyển chỗ, khi thì lên cao, khi thì xuống thấp, lúc lại sang bên.
+ Đặt biệt: Lớp không khí nóng không chỉ là “gương” đối với sóng ánh sáng cũng có thể là một “gương âm”. Nó tạo ra ảo cảnh âm thanh đưa đến tai ta những âm thanh từ
rất xa, giống như một thứ tiếng vọng, nhưng không hình thành do phản xạ âm mà do khúc xạ âm.
+ Người dân ở một vài vùng ven bờ biển nước Pháp thì quả quyết rằng có khi họ đã nghe được tiếng chuông nhà thờ từ đâu đó tận….châu Mỹ ở phía bên kia Đại Tây Dương. + Nhà vật lí người Anh J.Tyndall đã từng nhận xét khi nhắc lại những điều các chiến sĩ tham gia cuộc chiến tranh Pháp – Phổ năm 1871: họ nghe thấy tiếng súng đại bác nổ ở cách xa hàng chục kilomet, trong khi những người ở gần trận địa lại chẳng hề nghe thấy. Đó cũng là nguyên nhân khiến người dân Pháp nghe được tiếng chuông ở tận bên kia bờ Đại Tây Dương.
2.2 CÁC HIỆN TƯỢNG TÁN XẠ (KHUẾCH TÁN)
2.2.1 Dùng bóng đèn mờ có lợi gì hơn bóng đèn trong suốt?
- Dùng đèn điện có bóng thuỷ tinh trong suốt có hai điều bất tiện :
+ Dây tóc bóng đèn có độ chói lớn, khi sử dụng phải treo cao hoặc phải dùng chao đèn che khuất dây tóc.
+ Nếu ta nhìn vào mặt được rọi sáng, chẳng hạn trang sách, trong ánh sáng tán xạ từ trang sách có một phần ánh sáng tán xạ cho ảnh biến dạng của dây tóc và làm lóa mắt, khó đọc sách.
- Ngược lại đối với bóng đèn mờ, ánh sáng như toả ra từ khắp mặt ngoài của bóng, độ chói của nguồn giảm đi rất nhiều, nhìn thẳng vào bóng đèn ít bị lóa. Mặc khác dưới ánh sáng tán xạ của bóng điện mờ các vật phản xạ ít hơn, đọc sách dễ chịu hơn.
- Tuy nhiên trong phòng khách ở các khách sạn, phòng đợi ở các nhà ga, sân bay, ngoài các bóng đèn mờ, hoặc đèn ống huỳnh quang, người ta vẫn thường thắp thêm một số bóng đèn dây tóc, vì, chỉ dưới ánh sáng đèn điện dây tóc, kim cương, hột xoàn, mặt đá... trên nữ trang mới lấp lánh mạnh.
2.2.2 Vì sao thủy tinh màu khi vụn vỡ thành hạt nhỏ thì những hạt nhỏ này có màu trắng? có màu trắng?
- Thuỷ tinh màu là thuỷ tinh pha thêm hoá chất hấp thụ một số màu và chỉ cho một số ánh sáng đơn sắc đi qua. Chẳng hạn thuỷ tinh màu đỏ hấp thụ các tia lục, lam, tím và hầu như chỉ cho tia đỏ truyền qua.
- Nhìn ánh sáng truyền qua thuỷ tinh ta sẽ thấy màu của nó. Nhưng nếu nhìn ánh sáng phản xạ và tán xạ trên mặt thuỷ tinh thì rất khó phân biệt được thủy tinh màu gì.
- Sự hấp thụ những tia đơn sắc của thuỷ tinh màu còn phụ thuộc vào khoảng cách truyền qua môi trường tức là vào bề dày của thuỷ tinh. Nếu thuỷ tinh càng dày, ánh sáng càng bị hấp thụ nhiều, thì màu thủy tinh càng sẫm.
- Khi thủy tinh màu bị vỡ vụn thành hạt nhỏ, ánh sáng truyền qua một số hạt nhưng không bị hấp thụ bao nhiêu, sau đó phản xạ và tán xạ từ các hạt khác và mắt ta
nhìn thuỷ tinh vỡ vụn do ánh sáng phản xạ và tán xạ ấy. Đó là lý do tại sao dưới ánh sáng trắng ta thấy thủy tinh dù có màu gì, khi vỡ vụn vẫn trở thành màu trắng.
- Đối với các chất lỏng có màu, hiện tượng xảy ra cũng tương tự. Nếu ta làm chất lỏng đó thành bọt thì bọt gì cũng có màu trắng chẳng hạn bia màu vàng, bọt bia lại có màu trắng.
2.2.3 Vì sao mắc một ngọn đèn ở giữa sân để đọc sách ta thấy kém sáng hơn khi ngồi đọc sách trong phòng cùng với ngọn đèn ấy mặc dù khoảng cách giữa đèn khi ngồi đọc sách trong phòng cùng với ngọn đèn ấy mặc dù khoảng cách giữa đèn và sách là như nhau ?
- Muốn đọc sách ta phải bảo đảm một độ rọi cần thiết. (Độ rọi cần thiết để đọc sách khoảng 30 lux). Thắp đèn ở ngoài sân để đọc sách thì độ rọi của đèn chỉ do ánh sáng từ đèn trực tiếp chiếu tới. Nếu thắp đèn trong nhà, thì ngoài ánh sáng trực tiếp từ đèn, còn ánh sáng tán xạ từ trần nhà, tường cũng ” rọi ” tới trang sách. Do đó, độ rọi lớn hơn mặc dầu cường độ sáng của ngọn đèn, khoảng cách từ đèn tới trang sách như nhau.
- Chính vì vậy trần nhà thường được quét vôi trắng để tán xạ ánh sáng tốt hơn, tức là để làm tăng độ rọi trong phòng. Còn tường nhà thường được quét vôi vàng hoặc lục nhạt để tán xạ ánh sáng vàng, lục dịu mắt (mắt ta dễ nhạy cảm với ánh sáng vàng hoặc lục nhạt).
2.2.4 Màu sắc của bầu trời
Hình 2.22: Màu sắc của bầu trời
Do khuếch tán ánh sáng Mặt Trời trong các điều kiện khí quyển có độ trong suốt thay đổi mà từng vùng của bầu trời có màu sắc khác nhau: có khi là màu trắng đục, có khi là màu xanh lơ, có khi là màu xanh thẫm hay tím ngát…. Những màu sắc đó của bầu trời do thành phần tỉ lệ của các tia sáng khuếch tán quyết định.
Theo lý thuyết Rayleigh, trong khí quyển sạch (không có các hạt xon khí lớn), hệ số tán xạ tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng. Do vậy, những tia sáng có bước sóng ngắn như tia tím, xanh lam,…bị khuếch tán mạnh gấp nhiều lần những tia có bước sóng dài như tia đỏ. Hơn nữa, trong ánh sáng Mặt Trời chứa nhiều tia xanh nhất (cực đại phổ phát xạ Mặt Trời ở bước sóng 0,475m), do đó ánh sáng khuếch tán chứa nhiều
những tia xanh, tím… chúng pha trộn với nhau để tạo ra màu xanh lam đặc trưng của bầu trời trong những ngày trong sáng.
Trường hợp khí quyển có nhiều vật chất lơ lửng lớn như: hạt bụi, mây, sương mù,… thì mức độ khuếch tán của các tia màu là đồng đều nhau, do đó bầu trời có màu trắng đục.
Hiện tượng khuếch tán ánh sáng trong khí quyển cũng làm cho màu sắc Mặt Trời thay đổi theo thời gian trong ngày.
+ Lúc sáng sớm và chiều tối trong những ngày có khí quyển trong sạch, ta thấy Mặt Vì các tia sáng Mặt Trời phải xuyên qua khí quyển trên một chặng đường dài để đến mắt người quan sát. Trên chặng đường dài đó, các tia có bước sóng ngắn như tia tím, xanh lam, xanh lục do bị khuếch tán mạnh mà suy yếu hoàn toàn, chỉ còn những tia đỏ ít bị suy yếu hơn và vẫn tiếp tục đến mắt người.
+ Vào lúc giữa trưa, khi Mặt Trời cao nhất, các tia sáng xuyên qua khí quyển bằng con đường ngắn nhất, do đó các tia tím, xanh lam, xanh lục cũng ít bị suy yếu gần như các tia khác. Cho nên, ta thấy tia mặt trời có màu sáng rực. Đó là màu sắc tổng hợp của quang phổ Mặt Trời .
Mây (cũng như tuyết) gồm những hạt nước có kích thước khác nhau. Các hạt nhỏ tán xạ các tia sáng màu bước sóng ngắn trong quang phổ ánh sáng Mặt Trời, còn các hạt nước lớn hơn tán xạ các tia sáng màu bước sóng dài hơn.
Khi trời khô hanh, độ ẩm trong không khí thấp thì các hạt nước có kích thước nhỏ tụ hợp lại thành những đám mây chỉ hấp thụ ít năng lượng của các tia sáng mà tán xạ tất cả các màu của quang phổ, làm cho mây và tuyết có màu trắng.
Khi độ ẩm của không khí tăng cao, các hạt nước trở thành nhiều hơn và tụ hợp thành nhiều giọt lớn hơn. Phần ánh sáng màu có bước sóng dài hơn bị tán xạ mạnh hơn. Cho nên bầu trời có nhiều tia màu đỏ, cam, vàng, lục và sự pha trộn các tia đó khiến cho bầu trời trở thành xám xịt.
Lúc mây dày đặc các giọt nước lớn thì nó hấp thụ hầu hết các tia sáng Mặt Trời và chuyển thành màu đen. Đó cũng là lúc có mưa dông.
2.2.5 Hiện tượng hoàng hôn và bình minh
Hiện tượng bầu trời vẫn còn được chiếu sáng và mặt đất vẫn còn thừa hưởng ánh sáng đó từ bầu trời sau khi Mặt Trời đã lặn xuống dưới đường chân trời. Đó là hiện tượng hoàng hôn. Khi Mặt Trời càng lặn xuống sâu dưới đường chân trời thì tia sáng truyền đến vị trí người quan sát càng yếu, ánh sáng hoàng hôn càng yếu dần cho đến khi Mặt Trời lặn sâu dưới đường chân trời một góc h0 = -180 thì ánh sáng hoàng hôn nhường chỗ cho đêm tối. Hiện tượng hoàng hôn xảy ra vào lúc giao thời chuyển từ ban ngày sang ban đêm (Hình 2.23.b). Hiện tượng tương tự như vậy nhưng xảy ra vào lúc giao thời chuyển từ đêm sang ngày. Đó là hiện tượng bình minh (Hình 2.23.a).
Giải thích:
Hình 2.23.a: Cảnh bình minh
Hình 2.24: Sơ đồ giải thích hiện tượng hoàng hôn
M là vị trí người quan sát trên mặt đất vào thời điểm hoàng hôn. Đường thẳng HH’ tiếp tuyến với bề mặt trái đất tại điểm M biểu thị đường chân trời (Hình 2.24).
Sau khi Mặt Trời lặn xuống dưới đường chân trời ở vị trí S, theo nguyên lý truyền thẳng của ánh sáng thì phần B của bầu trời nằm bên trái tia sáng tiếp tuyến với mặt đất ST không còn được mặt trời chiếu sáng trực tiếp nữa. Các tia sáng Mặt Trời chiếu trực tiếp lên phần A của bầu trời sẽ bị khuếch tán theo mọi hướng. Do đó ánh sáng lan tràn sang một vùng của phần B bầu trời, và điểm M nằm trên mặt đất cũng nhận được ánh