Cơ sở vật lí tập 6,quang học và vật lý lượng tử

Kết quả là ánh sáng phàn xạ không chứa th à n h phần song song và do vậy được phân cực hoàn toàn vuông góc với m ật phảng tới ở đây là m ặt phầng của tra n g giấy.. Tia khúc xạ bị phân

DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL WALKER

Cir sd vật lí

TẬP SÁU

QUANG HỌC VÀ VẬT LÍ LƯỢNG TỬ

HOÀNG HỮU THƯ (Chủ biên)

(Tái bản lần thứ ha)

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC

Cleveland State University

JOHN VVILEY & SONS, INC,

Lời nhà xuất bản

Bộ sách "O/ sở vật lí" này do Vụ đào tạo Đại học - Bộ Giáo dục và Đào tạo và

Tỉ'ường Đại học Tổng hợp Hà nội (củ) tổ chức dịch từ cuốn sách "Eundamentals of Physics" cùa các tác già David Halliday, Robert Resnick và ổearl Walker do P G S Hoàng Hữu Thư chủ trì Việc dịch và cho x u ấ t bản bộ sách này n à m trong chù trương triền khai chương trình m ục tiéii <1993 - 1996) n hầm xây dựn g hệ thống giảo trinh dại học.

Bộ sách này gôm 49 chương, mỗi chương gồm nhiều tiết Ò cuôì mỗi chương có

p kầ n "Ồn tập và tóm tắt'' n h ằm giúp sinh viên n ắ m chác nội d u n g cơ bản của chương Trong mổi chương ngoài p h à n nội d u n g lí thuyết còn có các ''Mục chù chốư dược cáu trúc một cách ỉiợp lí d ể cuốn hút, hướng dẫn sinh viên trong quả trình suy luận, Ngoài

ra, trong bộ sách còn có các tiểu luận do các nhà khoa học có tên tuồi viết Thông qua các tiều luận cùa bộ sách người dọc sẽ tháy được những ứng d ụ n g quan trọng củữ Vặt

li trong dời sống hàng ngày.

Đé thuận tiện cho việc in án và sử dụng, bộ sách dịch này dở được chia thành sáu tập và dược p k ả n công dịch nh ư sau :

Tập ỉ : Cơ học - ĩ gòm 10 chương do PG S Ngô Quốc Quýnh và Đào K im Ngọc Tập 2 : Cơ học “ l ỉ gôm 8 chương do P G S Ngô Quốc Quýnh và P G S P T S Phơn Vãn Thích

Tập 3 : N h iệt động học gồm 4 chương do P G S P T S N gu yễn Viết K ín h

Tập 4 : Điện học “ I, gôm 7 chương do G S Đ ầm Trung Đồn ưà P G S P T S Lê Khác Bình Tập 5 : Điện học “ II, gồm 9 chương do G S Đàm Trung Đôn và P G S P T S Lê Khắc Bình Tập 6 gồm :

Q u a n g h ọ c v à t ì i u y ế t t ư o n g d ố i ( có 4 c h ư ơ n g ) d o P O S P T S P h a n V a n T h í c h d ị c h

- Vật lí ỉương tủ (có 7 chương) do Ô, Phạm Vản Thiều dịch

Trong tập 6 này, người dọc sẽ dược cung cáp những kiến thức cơ bản nhát v'è quang hình học, giao thoa, nhiễu xạ, thuyết tương dối, sau đó ỉầ vật li lượng tử, nguyên tử, hạt nhản và cuối cùng là năng lượng ỉxạt nhân.

Theo chủ trương của Vụ dào tạo Đại học Bộ giáo dục và Đào tạo, bộ sách này dược dùng làm tài liệu giảng dạy uà học tập ỏ giai đoạn 1 (Đại học dại cương) của các trương Dại học và Cao đẳng trong toàn quốc.

Bộ sàch này củng là tài liệu tham khảo hữu ích cùa các cán bộ k i tk u ậ t và cán bộ nghiên cứu các ngành có liên quan với Vật lí và các giáo viên các trường p h ổ tỉiông.

Bộ sách được xu ấ t bản làn đâu nẽn chắc không tránh khỏi m ột số thiếu sót Chứng tôi hoan nghênh các n h ậ n xét, p h ê bĩnh cho bộ sách từ các dộc già d ể các làn xuát bản sau bộ sách được hoàn thiện hơn.

Thư góp ý xin gủi uế n h a XI VI' HAN ( Ỉ I A O 1)1 c , S i Tràn H ưng Dạo Hà Nôi.

NHÀ XUẤT BẨN GIÁO DỤC

QUANG HÌNH HỌC 39

Bức iranh ''mội quán rượii â Polies - Bergère" cùa E douard M aneí được khán giủ m ã i m ã i yêu thích từ khi nó được vể năm Ĩ882 Một p h à n sự hấp dãn của hức tranh là nét tương p h ả n giữa m ột củ lụa đã sản sàng đ ê tiêu khiển và m ột

cô hầu hàn vối đôi m ẩt lộ vè m ệt mòi Tuy nhiên, sự hấp dãn còn d o m ột sai lệch tê nhị so vói thực tê m à M anet dã che giấu trong hức tranh - m ộ t sự sai lệch gây nên m ột cảm giác là lạ cùa quang cánh ngay cả írưóc khi bạn nhận biết

1.C$VẬTLÝ« eJN

3 9 -1 QUANG HÌNH HỌC

Nếu bạn dự một buổi hòa nhạc ngoài trời và

một người nào đó chán trước m ặ t bạn, bạn vẫn

còn cd th ể nghe thấy tiếng nhạc nhưng bạn

không th ể nhìn thấy sân khấu Tại sao có sự

khác nhau như vậy giữa sdng âm và sdng ánh

sáng ? Chúng ta giài thích điéu đó bằng sự việc

là do bước sdng của âm (vào khoảng Im) cùng

cờ với vật cản tro n g lúc đó bước sóng của ánh

sáng (khoảng 500nm hoặc 5.10"^m) thì lại rất

bé (so với vật cản)

Thí nghiệm đđ chứng tỏ rằng cd những trưổng

hợp mà sóng th ể hiện g án đúng như là chúng

chuyển động theo đường th ẳn g nên bị vật cản

chặn lại, và tạo nên bóng rõ n ét của vật cản

đó Chỉ cần là những v ật cản m à các sóng này

gặp phải - như gương hay th ấu kính - có kích

thước lớn hơn nhiều so với bước sdng Đối với

sdng ánh sáng, trư ờ ng hợp đặc biệt cđ ích này

là nội dung của chương này

39-2 s ự PHẨN XẠ VÀ KHÚC XẠ

H Ì N H 39- ỉ (a) Ảnh chụp sự phàn xạ và khúc xụ cùa niội chĩim

Hỉnh 39-1 cho thấy một chùm ánh sáng bị

cùa chùm khúc xa hôn trong Ihùy linh khỏng đưoc

đó là chùm sáng đi xa khỏi m ậ t phảng như nẩy

m ặt phảng k h ú c x ạ ; đi qua bé m ặt vào thủy

tinh Trừ trường hợp chùm sáng tới thẳng góc với bề m ặt thủy tinh, ánh sáng ỉuôn

luôn thay đổi phương tru y ền khi đi q ua m ặt đđ ; với lí do đd chùm sáng tới được nói

là đâ bị "gảy" khi đi qu a m ặt thủy tinh

Ta hảy dùng hỉnh vẽ trê n để định nghĩa một số đại lượng cấn thiết Trong hỉnh

3 9 - Ib chúng ta biểu diễn chùm tới, chùm phản xạ và khúc xạ như n hữ ng tia Nhửng tia này là những đường th ẳ n g vẽ vuông gđc với m ặ t sóng và xác định phương chuyển

Cấn nhớ rằn g mỗi m ột gdc trê n được đo giữa pháp tuyến với bé m ặt và tia tương

cho thấy sự phàn xạ và khúc xạ được quy định bởi các định luật sau đây :

Định luật về phản xạ : Tia phản xạ nầm trong mát phẲng tới và

Đ ịn h l u ậ t v ề k h ú c x ạ : Tia khúc xạ nằm trong mầt phảng tới và

còn n-, là chiết suất của môi trường 2 Phương trình 39“ 2 được gọi là định luật Snell.

Như sau này chúng ta sẽ thảo luận trong mục 40-2, chiết s u ất của một chất bằng

ti số — ’ với c là v ậ n tỗc á n h s á n g t r o n g c hân không còn V là vậ n tốc á n h s á n g t r o n g

môi trư ờng đang xét

Bảng 39” 1 cho chiết

su ất của chân không và

của một số chát thông

không n được định nghỉa

nghĩớng nhùng góc khác nỉum đẻ phàn x;i un hiỌu rađa lín Irên hay xiiíSng dilcii chứ khổng ph;kì hổi véMrạin rađa.

Chiết su ất của các chất phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng, không kể chân không Hình 3Õ“2 cho sự phụ thuộc của chiết suất thạch anh nóng chảy vào bước sóng

Với định nghỉa vé chiết su ất

như đà cho, sự phụ thuộc này

chứng tỏ rằng ánh sáng có

bước sóng khác nhau sẽ có

tốc độ khác nhau tro n g môi

trư ờ n g đang xét Điều đó

sá n g m àu đỏ) Điểu đố cd n ghía là khi ánh sá n g t r ắ n g khúc xạ qua một bé m ặ t thì

xanh đỏ thì sẽ bị lệch n h ữ n g góc n ằm giữa hai khoảng cách ấy.

Bước sóng

H ÌN H 3 9 - 2 Chiết suất cùa Ihạch anh nóng chày phụ Ihuộc vào bưỏc sóng Ảnh sàng bưóc sóng ngắn có chiết suất lỏn hơn nên khi đi vào thạch anh bị lệch nhiếu hơn s o vói ánh sáng có bưỏc sóng dài.

Plì/tp

H ÌN H 3 9 -3

Sự tán sắc của ánh sáng irắng Thành phắn xanh bị khúc xạ mạnh hơn thành phẩn đỏ (a) Khi đi từ khỏng khí vào thùy linh thành phần xanh có góc khúc xạ nhỏ hờn (b) Khi đi lừ Ihủy tinh vào không khí Ihành phần xanh có góc khúc xạ ión hơn.

Trên hình 3 9 -3 a một tia á n h sán g t r á n g tro n g không khí đến đập trên một m ậ t

Do th àn h phán xanh bị khúc xạ nhiều hơn th à n h p h ẩn đỏ, góc khúc xạ

m ột tia ánh sán g trắ n g tro n g thủy tinh đến đập trê n m ậ t p hân cách thủy tinh - không khí Một lán nửa th àn h phán xanh bị khúc xạ m ạ n h hơn th à n h p hán đò, n h ư ng bây giờ 0 ^ >

Để làm tă n g sự tán sác chúng ta có th ể d ù n g một lảng kính bàng thủy tinh rán

với tiết diện hỉnh tam giác như hình vẽ 39 -4 Sự tá n sác ỏ m ậ t phảng thứ n h ất (phía

h ạt mưa với niột góc hơi

cao trê n báu trời hơn là

màu tru n g gian thỉ đến

từ nhửng góc giữa hai m àu

đỏ “ xanh T ấ t cả những

hạt m ưa gửi những m àu

sác được tách ra đến chú n g ta dưới một góc khoảng 42^ từ m ột điểm trục đối với m ặ t trời Nếu như mưa to và trời khá s á n g ch ú n g t a sẽ th ấy một cung tròn có màu, m àu

đỏ ò trê n m àu xanh ở dưới Cái cẩu vồng m à bạn nhìn th ấy là của riêng bạn vì người khác sẽ n hận được án h s á n g từ n h ữ ng h ạ t m ưa khác

Ánh sáng trắng

Cb)

HÌNH 3 9 - 4 (a) Một lăng kính phân lích ánh sáng irÁng thánh các mãn Ihành phấn, (h) Sự tán sắc xAy ra ò mặt thử nhất và được tăng cUting đ niỹl Ihứ haí.

i c s v Ạ t l ý « c j n

Á n h s á n g m ặ l i n i i Cìiọi mrric

(D)

HÌNU 39 -5 (a) Cầu v ỏ n g Ihưòriị; l à I I I Ộ I c u n g tròn t;,ii một diẻm n a o đ ó đ ổ i i l ĩ ộ n V í í i i n ậ i đ á t ' ĩ r n n g d i ố i i kiộn b i n h thUdag

BÀI TOÁN MẤU 39-1

Một chùm ánh sáng tới đập trẽn m ặt phảng nhẵn của một tản g thạch anh nóng chảy tạo một góc 31,25‘’ đối với pháp tuyến Chùm này gổm ánh sáng của hai bước

trên là 1,4697 và 1,4619 Chiết suất của không khí có th ể lấy bằng 1,0003 đối với cả

phương trinh 39-2

(chiết su ất cùa thạch anh đối với bước sđng này) vào 712 và thay các số liệu khác đã

biết để có ;

l,0003sin31,25'’ = l,4697siníí

Thành phấn có bước sóng ngắn hơn ứng với chiết su ất lớn hơn sẽ có góc khúc xạ

nhò hơn và như vậy bị lệch một góc lớn hơn

3 9-3 PHẨN XA TOÀN PHAN

Không khí

Hình 39” 6 vẽ các tia xuất

thủy tinh đến đập lên m ật phân

cách giữa thủy tinh và không

khí Đối với tia a vuông gdc với

mặt phân cách một phấn của

ánh sáng phản xạ trở lại từ mật

phân cách, phần còn lại đi qua

mật phân cách mà không thay

đổi phương

Đối với n hữ ng tia từ b đến

e, có góc tới đến niật phân cách

lớn dấn, vẫn có sự phản xạ và

khúc xạ ở m ặt phân cách Khi

^óc tới tãnR dần và ^ríc khúc

xạ cũng tảng, đối với tia e góc

đó là 90^* nghỉa là tia khúc xạ hướng doc theo m ật phân cách, góc tới trong trường

tia f vá tia g sẽ không có tia khúc ,xạ và toàn bộ ánh sáng sẽ bị phàn xạ Hỉệu ứng

náy được gọi là p h ả n x ạ t o à n p h ẩ n

để tỉnì được : sinớ^ = /i2SÌn90‘^\

lilNU

ỉ * h à n x : ì 1(’ in phần cùa ánh sáng lừ mộl nguổn diem s XHV ra dõi Víi(

trong phương trìn h trên Điéu đó chi cho chúng ta ràn g phản xạ toàn phấn không th ể

xảy ra khi ánh sáng tới nàm trong môi trường có chiết s u ấ t bé hơn Nếu nguốn s

cách không khí - thủy tinh (kể cả f và g) sẽ vừa phản xạ vừa khúc xạ trê n m ật

phân cách

11

I llN l 1 ¥)~1 Mõi sdi tỊU^íng học laiyón ánh Ni.ng đilM vào một đđu

n;ỉV sa n g d â u b ổ n kia c ù a sỢi q u a n g niã k h ô n g là m niAÌ m á i nhiéu

ánh sáng lịLiiỉ, ihanh sỢi vi rằng phần ỉ(ín ánh sáng phàn xạ loim

p h ần nhiéii lần clí.K.' Iheo các ỉh à n h của sỢi quang.

xạ lo à n phần ỏ m ậl phán cách thủy tinh -

k h ô n g k hí đ e t r ỏ I h a n h l i a p ỉ ì à n XÍJ r.

Hiện tượng phản xạ toàn p hần có nhiểu ứng dụng tro n g công nghệ y học Thí dụ,

sợi quang (hình 39-7) vào tro n g họng bệnh nhân Ánh sáng đưa vào đáu ngoài của một bd phản xạ toàn p h ần nhiều lẩn ở trong sợi quang, mặc dù bó giây làm cho đường

đi của ánh sáng cd cong queo án h sáng vẫn đến được đoạn cuối để dpi sáng bên trong của dạ dày Một p hẩn á n h sán g phản xạ từ thành trong của dạ dày đi ngược lại trong

bd thứ hai theo kiểu như bd th ứ nhất, và được thu nhận để chuyển th àn h hinh ảnh trẽ n m ộ t m àn vô tuyến đ ể cho-người tháy thuốc cd th ể nhìn thấy

BÀI TOÁN MẤU 3 9 - 2

Hình 3 9 -8 cho m ột lãng kính tam giác bảng thủy tinh đặt tro n g không khí Một tia tới vuông gdc với một m ặ t được phản xạ toàn phấn trên m ặt phân cách thủy tinh -

và thay th ế chiết su ất n của th ủ y tinh cho riị chúng ta tỉm được gdc giới hạn

39«4 PHÂN c ự c DO PHẨN XẠ

Tia tới

Ban có thể tang hay g iả m độ sáng khi bạn nhìn ánh sán g m ậ t trời phản xạ từ m ặt

nước chảng hạn khi quay tròn một bản phân cực (như một kính râ m phân cực) Xung

phản cực toàn phẩn hay một phán do quá trình phàn xạ từ một m ặt phảng

Hình 39-9 cho thấy một tia sáng tới không phân

cực đập trén một m ặt thủy tinh Các vectơ điện của

ánh sáng có th ể phân tỉch th à n h những thành p h ả n

vuông gác fvuông góc với m ặt phẳng tới), biểu diễn

bàng những chấm trê n hình 39-9) và những thầnh

pỉiãn song song (nằm trong m ặ t phẳng tới) biểu diễn

bằng những mũi tên Đối với ánh sáng tự nhiên hai

th à n h phấn này có độ lớn bằng nhau

Với m ột góc đặc biệt gọi là góc Brevvster ớg thành

phẩn song song cùa tia tới bị khúc xạ hoàn toàn Kết

quả là ánh sáng phàn xạ không chứa th à n h phần song

song và do vậy được phân cực hoàn toàn vuông góc

với m ật phảng tới (ở đây là m ặt phầng của tra n g

giấy) Tia khúc xạ bị phân cực một phấn nó bao gổm

một thành phán song song khá m ạnh và một thành

phán vuông góc yếu,

Đối với thủy tinh hay những vật liệu điện môi khác (xem p hẩn 27-6) có m ột góc

đó chứng tỏ rằn g ánh sáng phản xạ từ thủy tinh dưới góc B rew ster sẽ phân cực hoàn

toàn với mật phảng dao động th ẳ n g góc với m ặt phẳng tới ( mặt phảng của hình

39-9) Do chỗ những th àn h phần song song của tia tới áuờì góc Rrovvator không th ể

phán xạ nên chúng sẽ khúc xạ hoàn toàn Đối với những góc tới khác, ánh sáng phản

xạ bị phân cực một phấn vỉ ràng thay vì không cd phản xạ thỉ nay lại cd sự phản xạ mội ít thành phấn song song

Khi mắt bạn nhận ánh sáng m ặt trời phản xạ bạn thấy một chấm sáng (chói) trê n mặt phẩng, ở đó có sự phản xạ Nếu như m ặt phẳng ấy n ằm n g an g như hỉnh 3 9 -9 ánh sáng phản xạ sẽ bị phân cực ngang hoàn toàn hay một phẩn Để khử bỏ án h sáng chói ấy từ những m ặt phảng nằm ngang người ta láp các m át kính râm phân cực để phương phân cực nằm thảng đứng

Thành phàn vuông goc Thành phàn song songHỈNlỉ w 9

Định luật Brewster

Đối với ánh sáng tới dưới góc Brewstẹr_gg thực nghiệm cho th á y các tia phản xạ

và Idiúc xạ yuông._góc yớị nhau Do tia phàn xạ trong hình 3 9 - 9 phản xạ dưới góc

13

Hai góc này củng liên hệ với nhau theo phương trình 39-2 Tùy ý chọn chỉ số 1

tron g phương trìn h 3 9 -2 cho vật liệu chứa tia tới và tia phàn xạ, chúng ta có được

từ phương trình

Phối hợp các phương trìn h trê n sẽ dẫn đến :

nên

(cấn nhớ r ằ n g chi số tro n g phương trình 39-4 không còn tùy ý do ý nghỉa cũng

như theo quy ước của chúng ta)

O ịị - tg''^ n (Định luật Brewster) (39-5)

Đó là d ạng đơn giản của phương trìn h 39-4 và được biết như là d ị n h l u ậ t B r e w s t e r

Dịnh luật và góc Oịị m a n g tên ông David Brewster người đà tìm thấy bằng thực nghiêm

Cd lẽ thí nghiệm q u a n g học đơn giàn nh ất của chúng ta là nhỉn vào một cái gương

gương ph ản g m ột khoảng p

Ánh sán g tới gương được biểu diễn bằng n hữ ng tia xuất p h á t từ o Sự phản xạ

của ánh sá n g ấy được biểu diễn bàng Tihững tia phản xạ từ gương Nếu chúng ta kéo

dài các tia phản xạ vể phía sau, chúng

ta sẽ thấy các tia kéo dài ấy gặp nhau

tại niột điểm ở sau gương và cách gương

để cho ánh sáng như x u ấ t phát từ giao

đ iểm của các tia p h ản xạ Và cái mà

bạn thấy là ánh I của vật o Va những

tia phản xạ không phải thực sự đi qua

giao điểm, ảnh được gọi là ả n h ả o (Tên

gọi "ảo" được chọn đ ể p hân biệt loại ánh

này với ả n h t h ậ t ) với ảnh th ậ t các tia

phải đi qua một giao điểm

Hình 39-11 vẽ haị tia chọn từ chùm

tia trong hinh 3 9 -10 Một tia đập vuông

góc trên gương tại điểm 6 Tia kia đập

trê n gương tại một đ iểm tùy ý a, làm một

góc tới Đ với pháp tuyến tại điểm ấy.

Hai tam giác vuồng aOba và aỉba có

chung canh ab và ba góc bằng nhau nên

l ^ - p

Chỉ những tia sáng nào nằm khá

gán với nhau mới có t h ể đi vào m á t

sau khi phản xạ trê n gương Đối với

vị trí của mắt như hỉnh 39“ 12, chỉ

một vùng nhỏ của gương gẩn điểm a

(một vùng nhỏ hơn là con ngươi m ắ t

của chúng ta) là có ích để hình th ành

ảnh, Bạn có th ể thí nghiệm với một

ảnh của một vật nhò như đầu m ú t

của cây bút chỉ Saư đó di chuyển

đầu ngón tay của bạn trên m ặt gương

caơ đến khi bạn không th ể nhìn thấy

ảnh nữa Chi fììột phẩn nhỏ của gương

ậưùi đẩu ngón tav bạn là được dùng

để cho bạn thấy được ảnh

íllN M 39-11

Hai tia lừ hình 3 9 - 10 Tia Oa íàm một

gó c tùy ý & vói pháp tuyến cùa mặt

Một phán cùa cáj m.i bạn nhm Irong kmh van h(ìi-i i:i ‘inỉi !ỉií;

tiế p cùa cái nià nỏ nảiiì (1 phiH ciiíSi cùng : p h ấn co n ịại gôii; I iv

ành nià đưỢc tạo ra bỏi các gương, khi nhìn trực Itép inn đ;ii tltK theo kinh vạn hoa H òi trong kinh v;jn hoa này cõ bao nhièii giídiiị: phang và chũng đưíỊc s.lp xếp như tíìế nao *

Gương

ÍIỈNII V >Ỉ2

sau khi phàn xạ irỏri gildng Chì niột phan nhò cùa giítlng xiing quanh a Ịíí co liồn quan đến sự phàn xạ ổy Ánh sáng hĩnh như xuắl phái íừ điẻm / ỏ sau gưong.

Vật có kích thước lớn

Trong hình 3 9 -1 3 m ột vật có kích thước lớn o được biểu diễn b ần g một mũi tên

th ản g đứng, cách gương phẳng môt khoảng cách p Mỗi m ột ph ẩn nhỏ của vật trước

16

1

ánh sáng phản xạ từ gương, bạn sẽ nhìn th ấy một ảnh ảo

/, đó là tậ p hợp n h ữ ng ả n h ảo của các p h ấn của vật và

ảnh này như nằm ở phía sau và cách gương một khoảng

I Các khoảng cách i và p được liên hệ bởi phương trìn h

39-7

Chúng ta cũng có thê’ xác định được ản h của một vật

cd kích thước như chú n g ta đã làm với m ột v ật hình điểm

tron g hình 3 9 -1 0 : chúng ta vẽ vài tia sá n g x u ất phát từ

đỉnh của vật đến đập trê n gương, xong vẽ các tia phản xạ

tương ứng, và kéo dài ch ún g vể ph ía sau gương đến khi

chúng gập n h a u để có được ả n h đỉnh của vật Chúng ta cũng làm tương tự đối với những tia x u ấ t ph át từ chân của vật

Như hình 3 9 -1 3 cho thấy ch ú ng ta tim được ảnh ảo I có cùng phương và độ lớn

H ÌN ll 3 9 -1 3 Mộí vậi có kich Ihikíc o đặi thẳng dứng và ảnh Ao ĩ của nó qua gưcing.

B ứ c tr a n h ”F o lie s B ergère" củ a M anet

Trong bức tra n h "Quán rượu ỏ Polies Bergère" bạn nhìn thấy quang cảnh của quán

do phản xạ qu a một gương lớn đ ặ t tr ê n tường ở phía sau cô hầu bàn, tuy nhiên sự phản xạ co' ba chỗ sai khtí n h ậ n thấy Trước tiên chú ý đến những cái chai ở phía trái M anet đả vẽ ản h p h ản xạ của chúng qua gương nhưng đâ dịch chuyển chỗ của chúng xa bàn hơn là tro n g thực tế

Bây giờ chú ý đến ản h p h ản xạ của cô hấu bàn Do chỗ tầm nhìn của bạn trực diện với cô hầu, ảnh p h ản xạ của cô phải ở ngay phía sau nên bạn chỉ có thê’ nhìn thấy một p hấn nhỏ (hay không có p h ấn nào) của ảnh cô hầu bàn, tuy vậy M anet đã

vẽ ảnh phản xạ dịch h ẳn vé bên phải Cuối cùng chú ý đến ảnh phản xạ của một người ở trước m ật cô hấu Người đó có th ể là bạn, vì rằn g ảnh phản xạ cho thấy người đó phải trực diện với cô h ầ u và n h ư vậy người đó cũng chính là khán giả của bức tranh Bạn đang xem bức t r a n h cúa M anet và nhin thăy ảnh phản xạ của minh dịch hẳn vé phía bên phải Hiệu ứng này gây r a cảm giác là lạ vỉ rằng đo' không phải điéu mà chúng t a chờ đợi sẽ nhìn thấy ở bức tra n h hoặc trong gương phầng

BÀI TOÁN MẤU 3 9 -4

Bây giờ ch ú n g ta sẽ xem cái gỉ sẽ xảy ra với ảnh khi m ặ t của gương bị cong Đặc biệt chúng ta sẽ xét m ột gương cẩu m à đơn giản là m ột phẩn nhỏ của m ặt cáu Gương phẳng thực chất là m ột gương cẩu có bán kính cong rấ t lớn

Ta hây b ắ t đ ầu với m ột gương p h ản g (hình 39-15a) trước hết chúng ta làm cho nó

lõm đổi với người q u an s á t (ở bên trái) n h ư n g với bán k í n h cong r còn khá lớn như

hỉnh 39-15b Chú ý rằ n g c là tâ m của m ặ t cong nầm bên trái như vẽ trê n hình 39-15b

So sánh với gương p h ản g có hai vấn đé xảy ra Thứ n h ất ảnh di chuyển phía sau

gương ra xa hơn (do i cđ giá trị âm lớn hơn) Thứ hai độ lớn của ảnh tă n g lên Đối với gương p h ẳ n g độ lớn của ảnh hoàn toàn b ằng cõ với vật Đối vối gương lõm ảnh

Ĩớĩi hơn vật Đó là nguyên tác của gương hóa tra n g và gương cạo râu, nd hơi lõm để

phông to m ật người soi Góc phân kỳ các tia phản xạ tro n g hỉnh 3 9 ~ ĩ5 b tương đỏi

được nhiéu hơn

Nếu như chúng ta làm cong gương phảng để cò được m ật Vòi vé phía người quan

sát như hỉnh 39-15c, ảnh sẽ chuyển lại gán gương hơn và co lại Loại gương lối này được dùng tro n g gương hậu bên phải của ô tô

Kareem Abdul - Ja b b a r cao 218 cm (7’2”) Hỏi cấn

một gương đ ậ t th ẳ n g đứng cao bao nhiêu để cho

ông ta có th ể thấy được toàn bộ độ cao của mình ?

(iiẢl Trong hình 39-14, độ cao của đỉnh đáu

các điểm ơ và c Gương chi cẩn có một độ cao

th ản g đứng H giữa các điểm ấy là đủ

= 109cm (Đáp số)

Như vậy chỉ cắn gương không lớn hơn một nửa

độ cao của người Kết quả này không phụ thuộc

vào khoảng cách của n ^ ờ i đến ^ ơ n g , (Nếu ban có môt cái giínng rao h àng người han

có th ể thí nghiệm bằng cách dùng một tờ báo để chắn phấn của gương không tham gia vào việc tạo ảnh của bạn Bạn sẽ thấy ràn g phần đo' đúng bằng n ử a chiểu cao cùa bạn Gương có kích thước dưới điểm c sẽ cho phép bạn quan sát ảnh của sàn nhà

trục này đi qua tâm c của m ật cong và đỉnh c của gương, cho đến khi vật thực tế

là ở xa vô cực đối với gương lõm Các tia sáng đến gương bây giờ sẽ song song với

Hình 39 - 15

íb ) Nếu gưtỉng dtííic Iiốn cong đè trỏ thành ĩõm ảnh sẽ di chuyển Xii giídng hrin và trỏ nổn líín hdn.

nhau và với trụ c chính (hình

39~16a) Hơn nữa, các tia

phản xạ sẽ đi qua một điểm

chung F tạo nên ành điểm

của vật 0 ò đấy Trong thực

tế gương sẽ tạo nên một ảnh

điểm ở tại F với bất kỳ vật

nào nằm xa vô cực đối với

gương dọc theo trục chính

Điểm F được gọi là t i ê u

d i ể m cùa gương và khoảng

cách của nó đến tâm của

gương gọi là t i ê u c ự f của

gương

Nếu chúng ta cũng làm

xạ để qua m ột điểm chung m à thay vào đó chúng

phân kỳ (hình 39-16b) Tuy nhiên nếu m ắt chúng

ta th u nhận một ít ánh sáng phản xạ Thì ánh

sáng ấy hỉnh như xuất phát từ một điểm ở phía

sau gương Điểm cảm nhận ấy là tiêu điểm F của

gương lồi và khoảng cách từ điểm ấy đến gương

là t i ê u c ự f của gương.

Để phân biệt, tiêu điểm cd thực của gương lõm,

được gọi là t i ê u d iể m t h ự c nằm ở phía R cùa

gương còn tiêu điểm cùa gương lổi được gọi là t i ê u

d iể m ả o nằm ở phía V của gương Hơn nữa, tiêu

cự f của gương lõm được lấy là một đại lượng dương

í ' ò n e ủ ĩ \ g ư r í T i g I n i l à m ộ t đ ạ i l ư ợ n g â m D ố i v ớ i h a i

loại gương, tiêu cự f liên hệ với bán kính cong r của gương bởi công thức :

trong đó r là dương đối với gương lõm, âm đối với gương lồi.

Nếu chúng ta đặt một vật o ỏ p h ía trong tiêu điềm của gương lõm, nghỉa là giữa gương và tiêu điểm F của nd, một người quan sát có th ể nhìn thấy ảnh ảo của o trong gương về phía ào V, cùng chiéu với 0 (hình 3 9 - 1 7a)

Nếu chúng ta dịch vật ra xa khỏi gương cho đến khi vật n àm ở tiêu điểm thì ảnh của nó dịch chuyển xa dấn khỏi gương đến vô cực (hỉnh 39-17b) Ẩnh bây giò sẽ không còn rõ ràng n ữ a vì những tia phàn xạ trê n gương đễu song song với nhau m à không giao nhau để tạo nên ảnh của 0 kể cả những tia kéo dài vé phía sau gương

Nếu chúng ta tiếp tục di chuyển vật xa khỏi tiêu điểm, nghỉa là cách xa gương một khoảng lớn hơn tiêu cự, những tia phàn xạ bởi gương sẽ hội tụ đ ể tạo n ên một

ảnh ngược chiểu với o vể phía thực R, ảnh này di chuyển từ vô cực đến, tro n g khi

(r)

(c) Nêu gưving vUuk uỏn cung dc irỏ ỉhành

lòi ành sẽ di chuyổn gần hOn và irỏ nôn

19

chúng ta di chuyển và xa dán tiêu

điểm F vé phía trái (hinh 39-17c)

Nếu chúng ta đặt một tờ giấy tại vị

trí của ảnh, ảnh sẽ hiện lên tờ giấy

Người ta nói ảnh được hội tụ trê n tờ'

giấy Chúng ta sẽ gọi loại ảnh này -

loại có th ể xu ất hiện thực sự trên

niòt mật nào đó - ià ả n h t h ự c

để phân biệt với ảnh ảo Các tia sáng

thưc sự đi qua ảnh thực và ảnh này

nằm ở phía thực R của gương,

khoảng cách i của ảnh thực đến gương

là môt đại lượng dương, ngược với

(b) Trong mội gưimg ỉổi lia sáng úu song SDĩig co vè rứuí phàn kv

từ m ội tiêu điém ào F vé phía V cù;í

r.h ú n g tíí có th ể th ử lại phưrtng

trinh 39-10 bàng cách cho r lớn đến

có th ể thừ phương trin h 3 9 -9 bằng cách cho p vô cùng lớn, phương trỉn h rút lại th àn h

I = f, nghỉa là ảnh xu ất hiện tại tiêu điểm như hình 39-16

Kích thước của vật hay ảnh khi đo vuông góc với trục chính cùa gương được gọi

là dộ cao của chúng Trong hỉnh 39” 15 và 39-17 chiểu dài của mũi tên o và / biểu diễn độ cao h của vật và độ cao / i ’ của ảnh “ Tỷ số h ’lh gọi là d ộ p h ó n g d ạ i d à i

m do gương gây ra Tuy nhiên, theo quy ước, độ phóng đại dài lúc nào cũng m ang dấu dương hay m ang dấu âm để chỉ cho trường hợp ảnh và vật cùng chiéu (+) hay ngược chiêu (-)

Do đó mà chúng ta nói công thức cho m như sau.

\m \ = ^ (đô phdng đai doc) (39-11)

Trong phẩn 3 9-7 chúng t a sẽ chứng minh rằng độ phóng đại dài cũng có th ể viết dưới dạng

Đối với gương phảng i ~ - p nên

39-12 dùn g cho mọi gương phảng, lõni

hay lổi Tuv nhiên khi dùng những

phương trỉn h ấy chúng ta cần phải chú

ý cần th ậ n đến dấu của những đại lượng

p, ỉ, r, f và m có m ặt tron g công thức

Quy tắc của chúng ta vể dấu là :

Dương với phía thực R và cùng chiểu.

Àm với phía ảo V và ngược chiểu.

BÀI TOÁN MẤU 3 9 -5

Một gương lổi có bán kính cong 22cm

ảnh ở đâu ?

GíÁi Như hình 39-15c cho thấy : tâm

của gương nằm ở phía ảo V của gương.

kỉnh cong r sẽ âm Do đó từ phương

Do ản h nằm ở phía sau gương, cách

gương 6,2cm nên ành là ành ào

đại dài là bao nhiêu ?

GlẢi Từ phương trìn h 39-12 chúng

ta có

Bên áo

íf)nÌNí í 3V-17

ào / cùa nó.

(b) Vậi ò lại tiôu điẻm F.

(c) Vật ồ ngoài tiêu điẻm và ảnh thật I cùa nó

3 9 -7 VẼ TIA SÁNG

trong bốn tia đậc biệt sau đây :

1“ Tia ban đấu song song với trục chính phản xạ và đi qua tiêu điểm (tia 1 hỉnh 39-18a)

2 - Tia đi qua tiêu điểm phàn xạ từ gương đi song song với trục chính (tia 2 hỉnh 39-18a)

3 - Tia đi qua tâxn c phàn xạ từ gương đi ngược lại (tia 3 hlnh 39-18b)

4 “ Tia tới đỉnh gương phàn xạ đối xứng với tia tới qua trục chính (tia 4 hinh 39-18b)

Bên ảo

HÌNH 3 9 -1 8 (a b) Có ihò vẽ bôn tia đ ẻ tim ành cùa một vậi qua một gương lỏm Dổi vỏi vị irí của vẠỉ như hĩnh vẽ, ảnh sẽ \ h

ảnh ihực, ngược chiéu và nhò hơn vậi.

(c ti) Bổn ũa Ulơng tự đối vói irưòng hỢp gUổng lổi DíSi vói gưđng lồi ành luổn luỏn ào hưỏng cùng chiẻii vỏi

Ấnh của điểm đang xét sẽ là giao điểm của hai tia đặc biệt m à chúng ta chọn Ẩnhcủa vật cd th ể tìm được do xác định được ảnh của hai hay nhiểu hơn hai điểm của

hình 3 9 - lS c và 39-18d

Độ phóng dại

xạ từ điểm c làiiì những góc bằng nhau với trục của gương tại điểm ấy.

Hai tam giác abc và edc trong hình đổng dạng với nhau nên chúng ta có th ể viết

de cd

ab ca

Đại lượng bên trái (không kể dấu) là độ phóng đại dàỉ m của gương Do chỗ chúng ta

muốn quy ước ả n h ngược chiéu cd độ phóng đại âm nên chúng ta định nghĩa một cách

m ~ ~ ~ (độ phóng đại), (39-13)

là phương trình 3 9 -1 2 mà chúng ta đã th ừ a n h ận không chứng minh

39-8 CÁC MẶT c X u KHÚC XẠ (LƯÓNG CHÂT CÂU)

Bây giờ chúng ta chuyển từ phản xạ trên các m ậ t sang khúc xạ qua các mặt Trong

hinh 3 9 -1 9 a các tia sáng từ điểm vật o bị chặn bởi m ặt cấu lối khúc xạ có bán kính

r Mặt cáu chia không gian th àn h hai môi trường : một môi trường chứa ánh sáng tới

theo trụ c chính

n, n-y

Phương trìn h này rất tổng quát, nd đúng cho trư ờ ng hợp m ặt khúc xạ lổi (hlnh

Quy tác vé dấu cho trường hợp khúc xạ qua một m ặ t cáu giống như trong trường

hợp gương cấu Tuy nhiên có sự khác nhau là đối với gương thì phía thực (ở đó ảnh thực được tạo nên) cùng phía với phía mà ánh sán g tới bị phản xạ hướng tới còn đối

với m ặt khúc xạ thì phía thực cùng phía với phía ánh sáng tới bị khúc xạ hướng tới (hình 3 9 -2 0 giúp làm rõ sự phân biệt ấy) Điều đd chứng tỏ rằng tro n g hỉnh 39-19

khoảng cách vật p được lấy dấu dương như đối với gương ngay cả khi v ật ở phía ảo V.

BÀI TOÁN MẤU 3 9 -6

n-, = 1,9 Vật đật ở phía trái của điểm c , m ột khoảng 19 cm, dọc theo trục chính.

23

^ I Ảnhdì^

Ị ■ ị 'MWfinmĩ'ìĩ-'- Ậ

cẩu trong hình 3 9 -1 9 a nằm vé phía thực R Sau

khi giải phương trìn h trê n đối với i chúng ta tìm

được

Ấnh sáng thực sự đi qua ảnh điểm I, như vậy

ảnh là thực ; dấu của i và vị trí của ảnh nằm ở

phía thực R của m ặt khúc xạ chứng tỏ điều đđ

Nhớ rằng Hị luôn luôn gắn cho môi trư ờ n g cùng

phía với ánh sáng tới đối với m ặ t khúc xạ

R ; Bẽn thực

A n h ihưc

Ánh sáng tới

Anh sáng phàn xa

(

V - Bên áo Ành ào

Ảnh sáng tới ^

HÌNH 3 9 -2 0 (a) Những ảnh Ihực đưọc hình thành nằm cũng

(h) khác phía đổi vtii các mặi khúc xạ và cát lăng kính.

3 9 -9 THẤU KÍNH MỎNG

Tháu kính là một vật tro n g suốt với hai m ặ t khúc xạ mà trục chính của chúng trù n g nhau ; Trục chung ấy là trục chính của thấu kính Khi một th ấu kính được không khí bao bọc, ánh sáng khúc xạ từ không khí vào thấu kính đi qua thấu kính

và sau đó khúc xạ trở lại vào không khí Nếu như các tia sáng lúc đẩu song song với trục chính của th ấ u kính và thấu kính làm cho các tia này hội tụ lại, th ấu kính như

th ế là t h ấ u k ỉ n h h ộ i t ụ Nếu ngược lại th ấ u kính làm cho các tia phân kỳ thỉ thấu kinh là t h ẩ u k í n h p h â n kỳ

ở đây chúng ta xét một trường hợp đặc biệt cúa tháu k in h mỏng, đó là thấu kỉnh

mà độ dày của nd nhỏ so với khoảng cách vật, khoảng cách ảnh và kể cả hai bán kính cong của th ấu kính Với loại thấu kính như vậy - như chúng ta sẽ chứng minh trong mục 39-11 - các đại lượng trên sẽ liên hệ với nhau bởi cống thức

đối với gương cáu Phương trinh 39-16 hay còn được gọi là phương trình của thợ làm

thổu kinh, Nó liên hệ tiêu cự của thấu kính với chiết s u ấ t n của nguyên liệu làm

thấu kính và bán kính cong của hai m ặt thấu kính

trường mà chiết s u ấ t không phải bàng một thì phương trìn h 3 9 -1 6 vẫn còn cd giá trị

^tk

Chung ta chi cân thay th ế n trong công thức ây b à n g - Quy tảc vê dãu cũng

^niỏi triíòng

giống như trư ờ ng hợp gương và m ặt cấu khúc xạ

Hinh 3 9 - 2 l a cho thấy một tháu k ỉn h mỏng hội tụ Khi các tia song song với trục

chính cùa th ấu kính đi qua thấu kính chúng sẽ khúc xạ hai lẩn như hỉnh vẽ 39“ 21b

ta có th ể chứng m inh rằn g tiêu cự f của thẩu kính hội tụ m ang dấu dương.

Nếu như á n h sáng đi qua thấu kính trong hỉnh 39-2 l a từ phải sang trái thì ánh

Hình 39"21c cho thấy m ột tháu k ín h mỏng p h â n kỳ, Khi những tia sáng song song

vớì trục chính đi qu a th ấu kính, sự khúc xạ hai lần qu a th ẵu kính làm cho chúng phân kỳ Mặc dù bây giờ các tia không đi qua một điểm chung để tạo nên một tiêu

điểm thực, nhưng khi kéo

dài các tia chúng sẽ đi

ảo với tiêu cự f.

niạt cong thứ n h ất (trái) và

mật cong thứ hai (phải),

tương ứng Cj bây giờ nằm

vé phỉa ảo nên Tị là âm còn

là dương Dùng phương

trỉnh 39-16 chúng ta có

thể chứng minh rằng tiêu

cự f của thấu kính phân kỳ

là âm Một tiêu điểm ảo

t h ứ 2 n à m đ ố i x ứ n g v ớ i Một ngọn lửa đang đưtỊc nhom lOn bằng cách hội tụ áoh sãng ín^i Ircn

sẽ phân kỳ khi qua m ộl tháu kính phân kỳ Đ ưòng kéo dài cùa các tia phAn kỵ sẽ đi qua mộl tièii cliểni ào

ịđ). Sự phỏng đại thấu kính ò hinh (c)

Hỉnh 3 9 -22 a cho thấy một vật

kính hội tụ T hấ u kính tạo nên

một ảnh thực /, ngược chiểu với

vật ở phía thực R cùa thấu kính

Khi vật đ ặ t ở tro n g tiêu điểm

trước một thấu kính phân kì Thấu

kính phân kl chỉ có th ể tạo nên

ảnh ảo bất kể vật đ ậ t ở trong hay

ờ ngoài tiéu điểm

của tháu kính hội tụ hay phân kì

được tính theo công thức 39-11 và

39“ 12 giống như cho gương lồi hay

gương lõm

V é t i a

một thấu kính hội tụ Bằng cách

vẽ, chúng ta có t h ể xác định vỊ

trí của ảnh cho mọi điểm của vật

(như đỉnh cùa mũi tên trê n hlnh

39~23a) bằng cách vẽ hai trong ba

t ì u đ ặ c b i ộ t

1 Tia ban đ ẩ u song song với

trụ c chính của th ấ u kính sẽ đi qua

tiêu điểm F-, (tia 1 trong hình

39-23a)

2 Tia ban đ áu đi qua tiêu điểm

Fị sẽ đi ra khỏi th ấ u kính song

song với trục chính (tia 2 hỉnh 39-23a)

3 Tia ban đ ấu đi trự c tiếp qua quang tâ m của thấu kính sẽ đi ra khỏi thấu kính

m à không th ay đổi hướng (tia 3 hình 39-23a) vì rằn g hai m ặt bên của thấu kính

hướng các tia đi vào gán như song song với nhau.

Ấnh cua m ột điểm trên vật được xác định tại vỊ trí mà các tia cắt nhau ở cách xa

th ấ u kính Ấnh của hai điểm trên vật thường là đủ để xác định àn h của vật

Hình 39 -2 3 b cho thấy sự kéo dài của ba tia đặc biệt có th ể dùng để xác định ảnh của một vật đ ặ t ở phía tro n g tiêu điểm của một th ấ u kính hội tụ như th ế nào Chú

ỵ rằng việc vẽ tia 2 đòi hỏi có sự điểu chỉnh ch ú t ít Bạn cẩn điểu chỉnh việc vẽ cà

HỈNH 3 9 -2 2 (a) Một ảnh thực ngiíỢc chiểu / dưtic lạo nởn do một ihÁu kinh hội

tụ khi vậ( () đ ặ l n g o à i liỄii đ i ẻ m /' j ( h) A n h / lã à n h c ù n g c h ié u vỏị

vậ! o khi vật o đặl ỏ phía irong tiốu ưiêm í^c*) Một thầi kinh phAn

kỹ tạo nOn một ành ào / cùa vậ! o, cùng chỉéu V(íi vật o, bất ké vậi

o riằm ỏ trong hay ồ ngoài tiôu diểm cùa (h.ÍLi kính.

27

ba tia để dùng chúng xác định ảnh đật

(ở đâu đó) trước một thấu kính phân kì

(hình 39-23c)

Hệ hai thấu kinh

Khi một vật o được đ ậ t trước một

hệ hai thấu kính mà trục chính của

chúng trù n g nhau, chúng ta có th ể xác

định ảnh cuối cùng của hệ (đd là ảnh

tạo bởi thấu kính ở xa vật hơn) bằng

cách giài quyết theo từng giai đoạn Giả

ta xem ảnh tìm được ở giai đoạn 1 như

là vật của tháu k í n h 2 Nếu như vật

mới này nằm ở bên kia thấu kính 2,

được lấy dấu âm (chú ý ngoại lệ này

đối với quy tác dấu khi vật nằm khác

(c)

HINÍỈ

Ba lia đặc biệl cho phép chúng ta dũng dể XHC định

vj iri của ành do tháu kính mỏng tạo nẻn.

phía v ớ i nguổn sáng) Nểí'u không, p2

(cuối cùng) do th ấu kính 2 tạo nên bằng cách dùng phương trỉn h 39-15 hay bàng cách

vẽ tia (Chúng ta có th ể dùng phương pháp giải theo từng giai đoạn cho trữòng hợp nhiều hơn hai th ấ u kính, hoặc khi một gương được thay t h ế cho th ấu kính 2)

rn-y do hai th ấ u kính tạo nên.

BÀI TOÁN MẤU 3 9 -7

tinh cd chiết s u ấ t n = 1,65 Tính tiêu cự.

thu đươc

f ( r j r ^ ) ^ ^ 4 2 c m -42cm )

Tiêu cự dương chứng tỏ rằng, theo điểu mà chúng ta đã ndi ở trên, ánh sáng tới song song với trục chính sau khi khúc xạ qua thấu kính sẽ hội tụ để tạo nên một tiêu điểm thực

42cm và n - 1,65.

BÀI TOÁN MẤU 3 9 - 8

Trong hỉnh 39“24a một vật Oj đật trước hai th ấu kính mỏng đổng trục 1 và 2 với

tiêu cự /^Ị = + 24cm và /"t - + 9,0cm Khoảng cách hai thấu kính L = lOcni vật đặt

2 và tìm ảnh Oj tạo nên bởi thấu kính 1 duy nhất Phương trỉn h 39-15 viết cho thấu kinh 1 là

Kết quả này chứng tỏ rà n g ảnh I cách thấu kính 1 một khoảng 8cm và là ảo (chúng

ta có th ể phỏng đoán là ảnh ảo khi chú ý ràng vật nàm trong tiêu điểm của thấu

có cùng chiéu vói vật như cho thấy tro n g hinh 39-246

2.CSVÀTLỶ*.B.*(