CÁC QUI LUẬT CHÍNH về QUĨ đạo TIA SÁNG TRONG môi TRƯỜNG

Xem ở đoạn sau khi nói về mô hình con mắt ước lược TẠO ẢNH TẠI MẮT NGƯỜI Cận điểm & viễn điểm • Cận điểm là khoảng cách điểm vật gần mắt nhất mà mắt tức thủy tinh thể có thể điều tiết để

CÁC QUI LUẬT CHÍNH VỀ QUĨ ĐẠO TIA SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG

Định luật khúc xạ ánh sáng Đường đi tia sang qua mặt phẳnng phân giới 2

môi trường chiết suất khác nhau

Hiện tượng phản xạ toàn phần

Góc tới hạn Ứng dụng hiện tượng pxạ toàn phần

Mặt cầu khúc xạ Xem ở đoạn sau khi nói về mô hình con mắt ước lược

TẠO ẢNH TẠI MẮT NGƯỜI

Cận điểm & viễn điểm

• Cận điểm là khoảng cách điểm vật gần mắt nhất mà mắt (tức thủy tinh thể)

có thể điều tiết để tạo ảnh điểm trên võng mạc Mắt tốt thường có cận điểm cách mắt 25 cm

• Viễn điểm của mắt là khoảng cách điểm vật xa mắt nhất mà mắt (tức thủy tinh thể) thư giãn hoàn toàn có thể tạo ảnh điểm trên võng mạc.Mắt bình thường có viễn điểm ở xa vô cùng

Cận thị Phân loại

Cận thị : viễn điểm không phải xa vô cùng Mắt thư giãn hoàn toàn, chùm tia song song hội tụ tại một điểm trước võng mạc

Kính bổ trợ: kính phân kì để nhìn xa

Cận thị “trục” :

- Quang hệ giác mạc + thủy tinh thể khi thư giãn tối đa có độ tụ như mắt bình thường

- Khoảng cách võng mạc – thủy tinh thể lớn hơn bình thường do bẩm sinh hoặc mắc phải (mắt dài ra)

- Khoảng cách võng mạc – thủy tinh thể bình thường

- Độ tụ nhỏ nhất của quang hệ giác mạc + thủy tinh thể (khi mắt thư giãn tối đa) lớn hơn mức bình thường

- Một số lí do cơ bản

 độ cong giác mạc quá lớn

 khả năng điều tiết thủy tinh thể kém đi, cơ vòng không thể giãn đến mức cần thiết (biên độ giãn max giảm)

 chiết suất các chất dịch thay đổi

Viễn thị Lão thị

Ảnh của vật ở khoảng cách tương ứng cận điểm đối với người mắt tốt rơi ra sau võng mạc Thí dụ ảnh của vật ở cách mắt 25 cm rơi ra sau võng mạc

Mắt viễn thị nhìn xa tốt nhưng khi nhìn ở xa vô cùng vẫn phải điều tiết (không thư giãn hoàn toàn)

Kính bổ trợ : kính hội tụ để nhìn gần

Loạn thị

• Mắt nhìn vật ở mọi khoảng cách đều bị mờ

• Mắt nhìn một điểm lại ra thành một đoạn thẳng hoặc một quầng nhòe

• Nguyên nhân: độ cong giác mạc không đều Hiếm hơn, độ cong của thủy tinh thể không đều

• Ví dụ : trường hợp loạn thị đơn giản nhất là loạn thị đều có qui tắc, thay vì là mặt cầu , giác mạc có dạng như mặt lồi của cái thìa hay quả bóng bầu dục

• Khắc phục: đeo kính là thấu kính trụ

• Trường hợp loạn thị đều, cần xác định phương của 2 trục vuông góc mà độ cong giác mạc là lớn nhất và nhỏ nhất Số đo độ loạn thị khi đó sẽ là hiệu số độ tụ lớn nhất và nhỏ nhất của giác mạc

• Độ tụ của thấu kính trụ theo phương song song trục hình trụ bằng 0 D, độ tụ theo phương vuông góc trục hình trụ khác không và trị tuyệt đối bằng số đo độ loạn đã được nói ở trên, dương nếu là trụ hội tụ, âm nếu là trụ phân kì

• Theo qui tắc cộng độ tụ của hệ quang học (minh họa dưới đây) Thí dụ : Ta

bố trí trục hình trụ PHÂN KÌ của kính hỗ trợ tật loạn trùng phương mà giác mạc có

độ cong nhỏ nhất, độ tụ tổng cộng theo phương này vẫn là độ tụ của giác mạc

•

• Thấu kính trụ khi đó sẽ cân bằng chênh lệch độ tụ không đều của giác mạc,

Các bài tập về kính bổ trợ mắt tật áp dụng công thức thấu kính mỏng

Công thức thấu kính mỏng

f s

s

1

1 '

1

= +

D = 1 / f – độ tụ của thấu kính, đơn vị m-1 hay diop

s dấu (+) nếu là vật thật , dấu (-) nếu vật ảo

s’ dấu (+) nếu là ảnh thật , dấu (-) nếu là ảnh ảo

f dấu (+) đối với thấu kính hội tụ , dấu (-) đối với thấu kính phân kì

Chú ý: Một vật thật không nằm trong khoảng nhìn rõ của mắt tật qua thấu kính hỗ trợ tạo ảnh ảo nằm trong khoảng nhìn rõ của mắt, do đó

+ vật luôn là vật thật à s > 0

+ ảnh qua thấu kính luôn là ảnh ảo à s ’< 0

Bài tập minh họa

1 - Khoảng nhìn rõ của một người là 15 – 50 cm Người đó phải đeo kính có độ tụ bao nhiêu để nhìn xa bình thường

2 - Kính phải có độ tụ bao nhiêu cho ngươi viễn có khoảng cực cận 100 cm làm việc trên máy tính có màn hình cách mắt 50 cm ( coi khoảng cách từ kính đeo đến

Khả năng phân ly của mắt

Góc α min – góc nhìn vật tối thiểu mà mắt có thể phân biệt được hai điểm đầu cuối của vật – gọi là góc phân ly tối thiểu của mắt

Mắt bình thường ở điều kiện chiếu sáng tốt có góc phân ly tối thiểu là 1 phút

Thị lực

• Nghịch đảo của α min (tính theo phút) gọi là thị lực của mắt Thị lực T =

1/αmin thường qui về n/10

• Mắt bình thường có thị lực là 10/10 do α min là 1 phút

• Mắt các loài chim săn mồi như đại bàng, chim ưng có thể bằng 7÷10 lớn hơn mắt người

• D – khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 điểm mắt phân biệt được, L –k/c từ mắt đến đối tượng T có thể tính như sau

α min ≈ D / L (radian) = 3439 D / L (phút)

T = 1/ α min =1/3439 (L / D)

MẶT CẦU KHÚC XẠ (MCKX) VÀ CON MẮT ƯỚC LƯỢC

Tạo ảnh bởi mặt cầu khúc xạ

(có nhiều qui định về dấu khác nhau trong các công thức, ở đây trình bầy qui định về dấu trong các bài tập)

(*)

Lưu ý: TRONG CÁC BÀI TẬP VỀ MẮT ĐƯỢC MÔ HÌNH HÓA NHƯ MỘT

MẶT CẦU KHÚC XẠ TỔNG HỢP ( VIẾT TẮT LÀ MCKX) – MỌI ĐẠI

LƯỢNG TRONG CÔNG THỨC TRÊN ĐỀU MANG DẤU (+) VÌ VẬT LUÔN

LÀ THẬT TẠO ẢNH THẬT TRÊN VÕNG MẠC

R

n

n s

n s

n + = ' −

' '

n’ – chiết suất môi trường chất lỏng tổng hợp trong mô hình MCKX tổng hợp của mắt lấy là 1,33

n – chiết suất môi trường không khí ngoài mắt lấy là 1

MCKX có hai tiêu cự (tương ứng đường truyền tia sáng đi từ phía nào) nhưng trong mô hình con mắt ước lược ta chi cần quan tâm tiêu cự của MCKX được mô

tả trong hình vẽ ở trên tức tia sáng đi từ ngoài mắt (trái) vào trong mắt (phải)

Chùm tia song song hội tụ tại điểm F’ cách đỉnh O là f ’ – tiêu cự ta quan tâm

'

'

' '

' '

'

f

n R

n

n hay

n n

R

n f

s

−

=

=

⇒

∞

=

Thay vào công thức tạo ảnh bởi MCKX (*) ở đầu ta có công thức tạo ảnh khác phục vụ cho các tính toán liên quan đến mô hình MCKX của con mắt ước lược

'

' '

'

f

n s

n s

n

= +

Mô hình MCKX tổng hợp của con mắt ước lược

– Tương đương mặt cầu tưởng tượng ngăn cách môi trường không khí với môi trường chất lỏng tổng hợp bên trong mắt

– f ’ là tiêu cự của MCKX trong mô hình con mắt ước lược, f ’ thay đổi tùy

theo sự điều tiết của thủy tinh thể mắt

– Mắt tốt khi thư giãn hoàn toàn có tiêu cự f ’ max = 20 mm và võng mạc của

mắt nằm trên mặt phẳng tiêu của MCKX

– Tham khảo: Đối với mắt tốt khi thư giãn hoàn toàn MCKX tưởng tượng có

bán kính cong R = 5mm, đỉnh O cách giác mạc 2mm, và cách võng mạc 20

mm, chiết suất của môi trường chất lỏng trong mắt là 1,33 Tiêu cự của MCKX này

mm n

n

R n

1 33 , 1

5 33 ,

1 '

'

−

×

=

−

=

Bài tập minh họa:

1 - Viễn điểm của một người là 50 cm Tính tiêu cự của con mắt ước lược của người này lúc thư giãn hoàn toàn Biết khoảng cách từ đỉnh con mắt ước lược tới võng mạc là 2cm và chiết suất môi trường bên trong mắt là 1,333

Gợi ý: vật ở khoảng cách 50 cm khi mắt thư giãn hoàn toàn tạo ảnh rơi trên võng

mạc à f ’ max=?

2 - Một người trước đây mắt tốt nay bị cận và có khoảng cực viễn 50 cm Được biết rằng tật cận thị của người này không liên quan đến khả năng điều tiết của mắt

mà chỉ do chiều dài trục trước sau của mắt đã bị thay đổi Vậy khi bị cận độ dài trục trước-sau của mắt tăng lên bao nhiêu so với khi còn tốt?

Gợi ý : Khi thư giãn hoàn toàn mắt người đó vẫn có tiêu cự như khi chưa bị cận f

’max Nhưng võng mạc giờ đây cách đỉnh lưỡng chất cầu của con mắt ước lược một k/c lớn hơn khi mắt còn tốt Ta coi f ’ max của người này cũng giống như một

con mắt tốt điển hình khác là 2 cm (hơn kém chút ít không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tính toán) Giờ đây, mắt đã hơi “thuỗn” ra nên khi thư giãn hoàn toàn, vật

cách mắt 50 cm mới tạo được ảnh rơi đúng vào võng mạc à s’ = ? à so sánh với

f ’max

SỰ PHÁT QUANG VÀ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA VẬT CHẤT

PHỔ HẤP THỤ và PHỔ PHÁT XẠ

Xem them về các mức năng lượng của phân tử, nguyên tử trong giáo trình thực tập

HUỲNH QUANG LÂN QUANG

LASER

Ánh sáng thường

 Ánh sáng của các nguồn sáng thường:

 Không đơn sắc: có nhiều bước sóng do tương ứng với vô số các bước

chuyển mức năng lượng có thể của phân tử cấu thành môi trường phát xạ (xem hình minh họa sự phát xạ ở trên)

 Các tia sáng không đồng pha: mỗi photon truyền đi có tính chất sóng điện

từ nghĩa là ngoài bước sóng còn được đặc trưng bởi phase φ Hình dung theo thuyết các mức năng lượng như sau, các phân tử khác nhau từ mức năng lượng kích thích nhảy xuống mức thấp hơn vào những thời điểm khác nhau

 Phương truyền không đồng nhất: các photon phát ra theo phương ngẫu

nhiên bất kì

 Từ những tính chất đó, sự tập trung năng lượng của chùm sáng không có

Ánh sáng đặc biệt

 Chùm sáng đặc biệt (kì vọng thu được) ngược lại sẽ có những tính chất

 Độ đơn sắc cao, gần như đơn sắc

 Đồng pha

 Đồng hướng

 Mục đích thu được chùm sáng như thế để tập trung năng lượng vào những điềm nhỏ à tạo ra những hiệu quả đặc biệt (phá hủy)

Đồng pha, đẳng hướng vs Loạn pha, loạn hướng

Nguyên lý phát LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - khuếch đại ánh sáng

bằng sự phát xạ được kích thích (hay là sự phát xạ cảm ứng)

 Để thu được LASER

Tập trung (giam) các điện tử bị kích thích của các nguyên tử trên một mức năng lượng Mức năng lượng này phải là mức siêu bền để có thời gian tập trung nhiều nguyên tử phân tử

Sau đó kích thích cho tất cả các nguyên tử được tập trung trên mức siêu bền nói trên đồng loạt nhảy xuống một mức khác thấp hơn

 Kết quả của quá trình trên là đồng thời thu được: 1) các photon cùng một bước sóng do phát xạ có được từ một bước chuyển giữa 2 mức năng lượng xác định 2) các photon đồng pha do bước chuyển của các điện tử xảy ra đồng thời

Để thu được LASER ta cần một số điều kiện bắt buộc

1 – Môi trường tạo LASER (trong hình vẽ là “active medium” : không phải môi trường vật chất nào cũng có các mức năng lượng siêu bền Qua quá trình tìm kiếm

và dự đoán dựa trên cơ sở khoa học mới tìm ra được các môi trường tạo LASER Hồng ngọc (ruby) là vật chất đầu tiên có khả năng phát LASER

2 – Bơm năng lượng (trong hình vẽ “energy pump”) cấp năng lượng để các nguyên

tử, phân tử nhảy lên mức kích thích, thường là dùng năng lượng điện

3 – Bộ quang cộng hưởng gồm các tấm gương phản xạ (toàn phần và một phần) để khuếch đại và đồng thời thu được chùm LASER định hướng

SỰ ĐẢO NGƯỢC MẬT ĐỘ CƯ TRÚ và SỰ PHÁT XẠ CẢM ỨNG

 trong một khối vật chất nhỏ (vi phân dV) nhiều nguyên tử (hoặc phân tử) cùng lúc ở mức năng lượng cao E1 siêu bền, trong khi chỉ có ít nguyên tử khác nằm ở mức năng lượng E0 thấp hơn là không tự nhiên Nguyên tử, phân tử luôn có xu hướng lập tức chuyển về mức thấp nhất có thể

 Tự nhiên là theo công thức thống kê N(E cao) / N (E thấp) = exp (-∆E/kT)

 Việc tạo ra tình trạng N (E cao) >> N (E thấp) được gọi là sự đảo ngược mật

độ cư trú, được thực hiện trong kĩ thuật LASER bằng bơm năng lượng

 Sau đấy chiếu photon kích thích có năng lượng đúng bằng chênh lệch bước chuyển ta cần vào môi trường đã được tạo ra sự đảo ngược mật độ cư trú à kích hoạt sự nhảy đồng loạt các nguyên tử (hoặc phân tử) khác nhau

đang ở mức năng lượng cao siêu bền xuống mức năng lượng thấp hơn

(không nhất thiết là mức cơ bản)

 Khi nhảy đồng loạt xuống nhờ photon kích thích như thế thu được các

photon phát ra à đó là sự phát xạ cảm ứng (LASER)

 Về cơ bản bằng cách như trên ánh sáng LASER được tạo ra Một chi tiết quan trọng phải có là hộp cộng hưởng gồm có các tấm gương phản xạ có mục đích tạo chùm tia đồng hướng và khuếch đại chùm tia

Tại sao chùm LASER có tính chất đốt nóng cao?

 Do là một chùm sáng đơn sắc và đồng pha, theo hiện tượng chồng chập các sóng nói chung, gồm cả sóng điện từ à phát xạ cảm ứng có tính kết hợp (chỉ bổ sung cho nhau chứ không triệt tiêu nhau) à sự tập trung năng lượng cao

 Ngoài ra do chùm tia LASER có định đẳng hướng tạo thành một chùm tia rất mảnhàsự tập trung năng lượng vào một diện tích rất nhỏà mật độ năng lượng caoà khả năng đốt nóng