Ánh sáng — Tốc độ, phản xạ, khúc xạ và quang phổ

Trong vật lý, ánh sáng là bức xạ điện từ. Những ý chính mà học sinh thường cần nắm khá đơn giản: ánh sáng có tốc độ cố định trong chân không, nó phản xạ tại bề mặt, khúc xạ khi đi vào một môi trường mới, và ánh sáng nhìn thấy chỉ là một phần rất nhỏ của quang phổ điện từ.

Trong chân không, ánh sáng truyền với tốc độ

$$c \approx 3.00 \times 10^8\ \mathrm{m/s}$$

Tại mặt phân cách, một phần ánh sáng có thể phản xạ, một phần có thể khúc xạ, và một phần có thể vừa phản xạ vừa khúc xạ. Điều đó phụ thuộc vào vật liệu và góc tới.

Nếu bạn muốn nắm nhanh, hãy nhớ bốn ý sau:

• ánh sáng có một tốc độ xác định trong chân không
• phản xạ nghĩa là tia sáng vẫn ở trong cùng môi trường và bật lại từ một bề mặt
• khúc xạ nghĩa là tia sáng đi vào một môi trường mới và đổi hướng
• quang phổ mô tả cách sắp xếp ánh sáng theo bước sóng hoặc tần số

Ánh Sáng Có Nghĩa Gì Trong Vật Lý

Trong vật lý nhập môn, ánh sáng được xem là một sóng điện từ. Trong vật lý hiện đại, nó cũng thể hiện tính chất giống hạt, nhưng với phản xạ, khúc xạ và quang phổ nhìn thấy, mô hình sóng thường là điều bạn cần trước tiên.

Hệ thức trong chân không là

$$c = \lambda f$$

trong đó $\lambda$ là bước sóng và $f$ là tần số. Bước sóng ngắn hơn nghĩa là tần số cao hơn. Vì vậy ánh sáng nhìn thấy màu lam-tím có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy màu đỏ.

Trong một vật liệu, ánh sáng thường truyền chậm hơn so với trong chân không. Trong mô hình nhập môn tiêu chuẩn,

$$v = \frac{c}{n}$$

trong đó $n$ là chiết suất của vật liệu. Hệ thức này là mô hình nhập môn tiêu chuẩn cho ánh sáng trong vật liệu, và nó giải thích vì sao hiện tượng khúc xạ xảy ra.

Phản Xạ: Cùng Môi Trường, Góc Bằng Nhau

Phản xạ xảy ra khi ánh sáng gặp mặt phân cách và vẫn ở trong môi trường ban đầu. Gương phẳng là ví dụ đơn giản nhất.

Định luật phản xạ là

$$\theta_i = \theta_r$$

trong đó góc tới và góc phản xạ đều được đo từ pháp tuyến, không phải từ bề mặt. Nếu bạn đo từ bề mặt thì cách thiết lập đã sai ngay từ trước khi bắt đầu tính.

Khúc Xạ: Môi Trường Mới, Tốc Độ Mới

Khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi sang một môi trường khác và đổi hướng vì tốc độ của nó thay đổi. Quy tắc chính là định luật Snell:

$$n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2$$

Nếu ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất lớn hơn, nó lệch về phía pháp tuyến. Nếu nó đi vào môi trường có chiết suất nhỏ hơn, nó lệch ra xa pháp tuyến, miễn là hiện tượng khúc xạ vẫn xảy ra.

Trong một bài toán mặt phân cách thông thường, tần số được xem là không đổi còn tốc độ và bước sóng sẽ điều chỉnh theo môi trường mới. Vì vậy ánh sáng từ cùng một nguồn không trở thành màu khác chỉ vì nó đi vào thủy tinh.

Ví Dụ Có Lời Giải: Ánh Sáng Từ Không Khí Vào Thủy Tinh

Giả sử ánh sáng đi từ không khí vào thủy tinh với

$$n_1 = 1.00, \qquad n_2 = 1.50, \qquad \theta_1 = 30^\circ$$

Trước hết tìm tốc độ trong thủy tinh:

$$v = \frac{c}{n} = \frac{3.00 \times 10^8}{1.50} = 2.00 \times 10^8\ \mathrm{m/s}$$

Bây giờ tìm góc khúc xạ bằng định luật Snell:

$$1.00 \sin 30^\circ = 1.50 \sin \theta_2$$

Vì $\sin 30^\circ = 0.5$,

$$0.5 = 1.50 \sin \theta_2$$

nên

$$\sin \theta_2 = \frac{1}{3}$$

và do đó

$$\theta_2 = \sin^{-1}\left(\frac{1}{3}\right) \approx 19.5^\circ$$

Kết quả này hợp lý về mặt vật lý. Ánh sáng truyền chậm lại trong thủy tinh và lệch về phía pháp tuyến vì thủy tinh có chiết suất lớn hơn.

Quang Phổ Nhìn Thấy: Các Màu Nằm Ở Đâu

Từ "quang phổ" có thể mang hai nghĩa gần nhau.

Theo nghĩa rộng trong vật lý, quang phổ điện từ là toàn bộ dải từ sóng vô tuyến đến tia gamma. Ánh sáng nhìn thấy chỉ là một dải hẹp bên trong đó.

Trong quang học thông thường, quang phổ nhìn thấy là dải các bước sóng nhìn thấy được, thường thấy khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính hoặc các giọt nước. Ánh sáng đỏ nằm ở đầu có bước sóng dài hơn của vùng nhìn thấy, còn ánh sáng tím nằm ở đầu có bước sóng ngắn hơn. Giới hạn chính xác của vùng nhìn thấy không hoàn toàn sắc nét, nhưng một khoảng gần đúng thường dùng là khoảng $400$ đến $700\ \mathrm{nm}$ trong chân không.

Những Lỗi Thường Gặp Khi Làm Bài Về Ánh Sáng

Xem ánh sáng nhìn thấy là toàn bộ ánh sáng

Ánh sáng nhìn thấy chỉ là một phần của quang phổ điện từ.

Đo góc từ bề mặt

Các góc phản xạ và khúc xạ được đo từ pháp tuyến.

Cho rằng ánh sáng luôn lệch về phía pháp tuyến

Điều đó chỉ xảy ra khi nó đi vào môi trường có chiết suất lớn hơn.

Nhầm lẫn giữa tốc độ, tần số và bước sóng

Trong một môi trường, tốc độ có thể thay đổi. Tại mặt phân cách, quang học nhập môn thường giữ tần số không đổi và để bước sóng thay đổi.

Phản Xạ Và Khúc Xạ Được Ứng Dụng Ở Đâu

Những ý tưởng này giải thích gương, kính mắt, máy ảnh, kính hiển vi, cầu vồng, sợi quang và nhiều dụng cụ đo lường. Ngay cả các hệ quang học nâng cao cũng thường dựa trên cùng những câu hỏi cốt lõi: ánh sáng đang truyền nhanh đến đâu ở đây, và điều gì xảy ra khi nó gặp một mặt phân cách?

Thử Một Bài Tương Tự

Hãy đổi ví dụ từ không khí-vào-thủy tinh thành thủy tinh-vào-không khí hoặc không khí-vào-nước và dự đoán hướng lệch trước khi tính. Nếu bạn muốn thử phiên bản riêng với các góc hoặc chiết suất mới, GPAI Solver là bước tiếp theo thực tế.