Tia sáng

34

TIA SÁNG X. Rachlis

Gần đây, nhà xuất bản Mir đã xuất bản một cuốn sách khoa học nhỏ nổi tiếng của X. Rachlis, “Vật lý trong bồn tắm”. Chúng tôi đặt ở đây một trong những chương của cuốn sách này. Bản dịch của nó được thực hiện bởi P.I. Khỏa thân.

Ở cuối số tạp chí này, trong phần “Bài đánh giá, Thư mục”, bạn có thể đọc một câu chuyện ngắn về cuốn sách này.

Đổ đầy nước vào bồn tắm sao cho độ sâu của nó đạt khoảng 10 cm. Hãy tắt vòi và đợi cho đến khi hết sóng lắng xuống rồi nhìn xuống. Ở đó chúng ta sẽ nhìn thấy hình ảnh khuôn mặt của mình gần giống như trong gương thật, chỉ có sương mù hơn một chút. Hãy làm cho nó sáng hơn bằng cách chiếu sáng khuôn mặt bằng đèn pin.

Bây giờ chúng ta hãy cố gắng cẩn thận véo nước bằng ngón tay. Bạn thấy đấy, hình ảnh đã bị bóp méo - lúc đầu nó run rẩy, lắc lư, sau đó dần dần dịu đi và trở lại bất động. Bây giờ nó đã có dạng ban đầu. Hãy đun sôi nước mạnh hơn. Bây giờ hình ảnh đã hoàn toàn biến mất.

Tại sao mặt nước lại cần có ảnh phản chiếu? Và tại sao nó không vắng bóng như trong một tấm gương bình thường? Tại sao hình ảnh trở nên sáng hơn nếu bạn đưa đèn pin vào mặt? Tại sao nó biến mất khi mặt nước trở nên gồ ghề?

Một cách hay để làm rõ tất cả những câu hỏi này là bắt đầu bằng cách chiếu đèn pin lên mặt nước, sau đó tắt đèn phòng tắm trước. Tốt nhất nên đặt một ống bìa cứng dài khoảng 30 cm ở phía trước đèn pin. Nếu bất kỳ ai trong số các bạn không thể có được một ống làm sẵn, bạn có thể tự làm bằng cách cuộn vài tờ giấy lại và cố định phần cuối bằng băng dính.

Trong một ống như vậy, một chiếc đèn pin tạo ra một chùm ánh sáng gần như không phân kỳ, như trong Hình 1. Hãy hướng chùm tia này xuống mặt nước và xem điều gì xảy ra với nó.

Để bắt đầu, chúng ta sẽ giữ đèn pin ở một góc. Ánh sáng có bị phản xạ từ mặt nước không? Có một số cách để kiểm tra điều này. Một trong số đó là cố gắng tìm một điểm sáng trên bức tường nước. Thậm chí có thể nhìn thấy một chùm phản xạ khác, đặc biệt nếu có các hạt bụi trong không khí. Bạn có thể cố gắng tự mình tạo ra một đám mây “bụi nguyên chất” - để làm được điều này, bạn cần rải bột talc mịn nhất vào không khí để tăng chùm tia phản xạ. bạn có thể sử dụng

35

Cơm. 2.

Có một cách khác: nếu ai đó trong gia đình hút thuốc, hãy yêu cầu anh ta thổi khói vào chùm tia phản xạ. Các hạt bụi hoặc khói trong không khí phản chiếu ánh sáng về phía mắt và chùm tia trở nên nhìn thấy được.

Nếu bạn đưa lòng bàn tay ra gần nơi chùm ánh sáng chạm vào mặt nước, trên đó sẽ xuất hiện một điểm sáng - điều này có nghĩa là chùm ánh sáng phản xạ đi qua đó. Giơ tay ở giữa để theo tia sáng, cuối cùng chúng ta sẽ chạm vào một điểm sáng trên tường.

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn góc chiếu của chùm tia tới mặt nước, sau đó thử xác định xem nó bị phản xạ ở góc nào. Với mục đích này, tốt nhất nên sử dụng phương pháp phát hiện chùm tia bằng bột talc hoặc khói. Có thể nói gì về góc mà chùm tia chạm tới mặt nước và góc phản xạ của nó? Họ rõ ràng là giống nhau.

Hãy thử thay đổi độ nghiêng của chùm tia. Hình 2 thể hiện một số trường hợp phản xạ điển hình. Nếu một chùm ánh sáng đi vào nước với một góc nhỏ, như trong Hình 2a, sự phản xạ từ bề mặt xảy ra cũng ở một góc nhỏ như vậy. Nếu góc giữa chùm sáng và mặt nước lớn hơn như trên Hình 2.6 thì chùm tia phản xạ cũng lệch khỏi mặt nước một góc lớn. Nếu chùm tia gần như đi thẳng xuống dưới, như trong Hình 2.8, thì nó sẽ bị phản xạ gần như thẳng đứng lên trên.

Bây giờ chúng ta hãy hướng chùm ánh sáng xiên về phía mặt nước để tạo thành một điểm sáng trên tường. Trong trường hợp này, bề mặt của nước sẽ hơi không bằng phẳng (dùng ngón tay chạm vào nó vài lần). Điều gì sẽ xảy ra với bốn điểm phản chiếu REM trên tường? Hãy nhìn xem, nó giãn ra, nó trở nên mờ nhạt, nó biến dạng, nó run rẩy và lắc lư.

Nhiều tia sáng (chùm rất hẹp) do đèn pin phát ra chiếu xuống mặt nước ở một góc gần như nhau. Nếu mặt nước phẳng lặng thì nó sẽ phản xạ tất cả các tia sáng ở những góc như nhau, tức là tất cả các tia sáng đều bị phản xạ tương ứng và chùm ánh sáng sẽ vẫn được thu lại như cũ. Đó là lý do tại sao khi nhìn vào bề mặt của mắt, một điểm sáng nhỏ hình thành trên tường.

Khi chúng ta “làm xáo trộn” mặt nước, những gợn sóng hình thành trên bề mặt của nó. Và mặc dù các tia phản xạ vẫn rời khỏi bề mặt ở cùng một góc mà tia tới tới từng phần của nước, nhưng giờ đây mỗi phần của bề mặt luôn thay đổi vị trí của nó (Hình 3). Do đó, góc của từng chùm ánh sáng riêng lẻ đối với mặt nước liên tục thay đổi và chùm tia mỗi lần bị phản xạ ở một vị trí khác nhau trên tường. Chùm ánh sáng nhảy lên, giãn ra - nó trở nên nhỏ hơn và lớn hơn, tùy thuộc vào mức độ xáo trộn của bề mặt nước.

Vì vậy, chỉ có mắt trên bề mặt mới có thể tạo ra sự phản chiếu tập trung. Trên bề mặt nhẵn, phản xạ phân tán theo mọi hướng.

36

Cơm. 3.

Tại sao một hình ảnh phản chiếu hình thành trên bề mặt? Giả sử ai đó nhìn xuống nước, cố gắng nhìn thấy hình ảnh phản chiếu của một vật nhỏ A trong đó (Hình 4). Trong ảnh, mắt B của người đang nhìn được phóng to lên rất nhiều - điều này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn điều gì đang xảy ra với ánh sáng. Giả sử tia sáng mặt trời chiếu vào vật A và bị nó phản xạ.

Theo quy định, các vật thể không có mắt như bề mặt nước tĩnh lặng hoặc gương. Nói chung, nếu có những điểm bất thường trên bề mặt vật thể chỉ bằng 1/25.000 centimet thì đây đã là

Cơm. 4.

đủ để phản chiếu ánh sáng theo mọi hướng. Hãy tưởng tượng vật A có những bất thường như vậy. Ví dụ, hãy xem xét các tia sáng mặt trời B và Γ phản xạ từ một vật thể. Chúng sẽ đến từ mặt nước, như được thể hiện bằng chữ D và E, và cuối cùng sẽ đi vào mắt của B.

Hãy chú ý cách các tia B và Γ phân kỳ khi chúng nghiêng về phía mặt nước. Sau khi được phản chiếu từ bề mặt, mỗi góc ở một góc khác nhau, chúng tiếp tục phân kỳ cho đến khi chạm vào mắt. Mắt không thể biết được tia thực sự đến từ đâu. Đối với anh ta, có vẻ như họ đang đi ra khỏi điểm F, nằm dưới mặt nước. Nói cách khác, mắt nhìn thấy hình ảnh hoặc hình ảnh của một vật thể dưới mặt nước.

Trong hầu hết các trường hợp, vật thể lớn hơn vật thể A, được hiển thị trong Hình 4. Nhưng điều này không làm thay đổi lý do hợp lý. Mỗi điểm của một vật thể lớn cho hình ảnh riêng của nó. Trong mắt, hình ảnh của tất cả các điểm này kết hợp thành một hình ảnh trông giống hệt như vật thể.

Tất nhiên, để tạo ra một hình ảnh như vậy, bạn cần một bề mặt phản chiếu rất thông minh cho phép các tia được phản xạ theo cách mà sau khi phản xạ, chúng được định vị tương đối với nhau giống như trước khi phản xạ. Đây là cách nó hoạt động trên bề mặt mắt và bề mặt không bằng phẳng sẽ làm biến dạng hình ảnh hoặc phản xạ các tia một cách ngẫu nhiên.

Bất kỳ bề mặt mắt nào cũng phản chiếu ánh sáng giống như bề mặt mắt của nước. Hầu hết các gương đều được làm bằng kính rất bắt mắt, mặt sau được phủ một lớp mỏng chất phản chiếu tốt (hoặc kim loại khác). Một chiếc bàn được đánh bóng tốt hoặc sàn nhà được đánh bóng cũng tạo ra sự phản chiếu của gương, kính cửa sổ cũng vậy. Có thể phục vụ như một tấm gương

37

các mặt sáng bóng tự động. Nhưng bề mặt cong của chúng phản chiếu ánh sáng ở một góc khác so với bề mặt phẳng, nên hình ảnh có vẻ bị méo.

Bây giờ chúng ta hãy thử trả lời câu hỏi: tại sao hình ảnh trong nước không rõ nét như trong gương? Điều này là do một số lý do. Hãy lấy đèn pin một lần nữa và chiếu sáng bồn tắm chứa đầy nước. Có phải tất cả ánh sáng đều bị phản xạ? Không, một phần của nó, và một phần lớn hơn, xuyên qua nước và chiếu sáng đáy bồn tắm.

Tỷ lệ năng lượng ánh sáng phản xạ từ nước rất nhỏ – khoảng 10%. Đối với tấm gương, hình ảnh ngược lại được quan sát thấy ở đó. Một lớp kim loại nằm ở mặt sau của gương phản chiếu phần lớn ánh sáng chiếu vào nó – khoảng 95%. Đây là lý do tại sao ảnh chúng ta nhìn thấy trong gương thường sáng hơn nhiều so với ảnh trên mặt nước.

Lý do thứ hai khiến hình ảnh trong nước có vẻ tối hơn đối với chúng ta là khi chúng ta nhìn vào bồn tắm, chúng ta đang dùng đầu chặn ánh sáng. Ánh sáng từ chiếc đèn treo trên trần nhà hoặc ánh sáng mặt trời chiếu qua cửa sổ chỉ có thể chiếu vào mặt theo đường vòng - đầu tiên nó đến từ tường, từ sàn nhà hoặc từ tường của bồn tắm. Không cần phải nói, vì khuôn mặt được chiếu sáng nên hình ảnh trở nên mờ. Khi chúng ta treo đèn pin lên mặt, một phần ánh sáng sẽ được phản chiếu trực tiếp từ mặt, sau đó đi xuống nước và kết quả là hình ảnh trở nên sáng hơn.

Thanh thẳng cong

Điều gì xảy ra với ánh sáng không phản chiếu từ bề mặt nước tắm? Để trả lời câu hỏi này chúng ta tiếp tục với thí nghiệm sau. Hãy đổ nước tắm, như cách tắm thông thường, rồi hạ một cây gậy thẳng xuống nước, hơi nghiêng. Bây giờ, nếu chúng ta nhìn vào cây gậy, nó không còn xuất hiện thẳng đối với chúng ta nữa: phần của nó ở trong nước dường như bị uốn cong lên trên (Hình 5).

Chà, nếu bạn lấy cây gậy ra khỏi nước thì sao? Khi đó phần bị gãy sẽ lại hoàn toàn thẳng và phần ngâm trong nước dường như vẫn cong lên trên.

Bây giờ chúng ta hãy lấy cây gậy hoàn toàn ra khỏi nước - nó hoàn toàn thẳng như cũ. Chỗ uốn cong đã thẳng hoàn toàn.

Có lẽ bạn đã rõ rằng cây gậy hoàn toàn không uốn cong khi nhúng vào nước và không duỗi thẳng khi chúng ta lấy nó ra khỏi nước. Nếu ai nghi ngờ điều này, hãy gửi phần “uốn cong” của cây gậy nằm trong nước. Khi chạm vào nó hoàn toàn thẳng. Rõ ràng có một loại ảo ảnh quang học nào đó đang diễn ra ở đây, do đó chúng ta nhìn thấy thứ gì đó không thực sự ở đó. Hình ảnh phản chiếu cũng là một sự lừa dối kiểu này. Những vật thể đối với chúng ta dường như ở phía sau gương thực ra lại nằm ở một nơi khác.

Hãy cùng tìm hiểu hiện tượng này sâu hơn. Để làm điều này, chúng ta sẽ sử dụng đèn pin có ống mà chúng ta đã làm trước đó khi nói về gương.

Hãy làm tối phòng tắm càng nhiều càng tốt, sau đó hướng đèn pin xuống và chiếu một chùm ánh sáng xuống nước. Nghiêng đèn pin như thế này

38

Sau đó, hãy làm cho chùm tia đi thẳng xuống hoặc trượt gần như ngay cạnh mặt nước. Có thể thấy, tại nơi đi vào nước, chùm sáng bị khúc xạ mạnh. Trong không khí, nó đi thẳng hoàn toàn, trong nước cũng vậy, nhưng nơi nước gặp không khí, chùm sáng bẻ cong mạnh xuống dưới (Hình 6).

Có lẽ một số bạn sẽ bối rối vì thực tế là cây gậy trong nước dường như bị uốn cong lên trên và chùm sáng dường như bị uốn cong xuống dưới. Nếu bạn không nhận thấy điều này, hãy chú ý lại đến sự khác biệt trong Hình 5 và 6.

Sự mâu thuẫn này là hiển nhiên và rất dễ giải thích nếu bạn hiểu chi tiết hơn điều gì xảy ra với ánh sáng phát ra từ nước. Hình 7 thể hiện thanh thẳng AB như thật. Trong chương này người ta quan sát thấy rằng, nằm phía trên mặt nước, ánh sáng phản xạ từ đầu que B đi vào. Tuy nhiên, khi truyền từ nước sang không khí, tia sáng tới từ B không đi theo đường thẳng mà uốn cong tại điểm G. và rõ ràng là đi theo đường đi của BGV, vì nó đi vào mắt được quan sát thấy.

Người được quan sát không thể biết chùm ánh sáng thực sự đến từ đâu. Chùm tia đi vào mắt theo hướng GV, nghĩa là người ta quan sát thấy ánh sáng truyền theo đường thẳng, hơi truyền về phía G, tức là từ một nơi nào đó từ điểm D. Ở đó, theo thực đơn của ông, là điểm cuối của cây gậy.

Cơm. 6.

Cơm. 7.

Xin lưu ý rằng điểm D nằm phía trên điểm B, đó là lý do tại sao cây gậy dường như bị cong lên trên. Ngoài ra, cây gậy trông có vẻ ngắn hơn thực tế. Hai quy tắc này áp dụng cho mọi vật ngâm trong nước. Nếu một vật chỉ chìm một phần trong nước thì phần dưới nước của nó luôn có vẻ ngắn hơn. Hơn nữa, tất cả các vật thể trong nước dường như ở gần bề mặt hơn thực tế.

Có bạn nào đã từng bắn cá bằng súng dưới nước chưa? Ai đã từng làm thì chắc cũng biết nó khó khăn đến thế nào. Thực tế là con cá hoàn toàn không có ở nơi chúng ta nhìn thấy. Nếu bạn nhắm thẳng vào con cá, chắc chắn mũi tên sẽ bay cao hơn. Do đó, bạn cần nhắm mục tiêu cao hơn một chút, điều chỉnh các tia sáng nhân tạo.

Chỉ có một trường hợp mà một chùm ánh sáng song song rất hẹp sẽ không bị uốn cong - nếu nó đi theo phương thẳng đứng, tức là đi thẳng xuống. Trong trường hợp này, ánh sáng đi vào nước theo một góc vuông và đi xuống mà không bị uốn cong.

Sự bẻ cong của chùm ánh sáng khi truyền từ một chất (ví dụ như nước hoặc thủy tinh) sang một chất khác (ví dụ như không khí) được gọi là khúc xạ. Khúc xạ rất quan trọng: hoạt động của tất cả các dụng cụ quang học đều dựa trên nó, bao gồm cả