Bài giảng vật lý sóng, các nguyên lý của ánh sáng, điện và từ học

BÀI GIẢNG VẬT LÝ
SÓNG, CÁC NGUYÊN LÝ CỦA ÁNH
SÁNG, ĐIỆN VÀ TỪ HỌC

Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện vàTừ học
(Phần 1)
Nội dung
Giới thiệu: Thế nào là một định luật tự nhiên?
1. Quanghọc
Các địnhluật về ánhsáng
2. Các định luật điện từ học
3. Dòng điện
ĐịnhluậtOhm và Định luật Joule
Địnhluậtnghịch đảo bìnhphương

Niên đại
Tiểu sử các nhà khoa học
Tài liệu tham khảo
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Thuật ngữ
Về tác giả
Giới thiệu
Thế nào là một định luật tự nhiên?
Mọingười đều biết một điều luật làgì. Nó là một quytắc yêu cầu mọi người
phải hoặc không phải làm một cái gì đó. Các điềuluật chochúngta biết rằngchúng
ta không nênlái xe nhanhhơn tốcđộ giới hạn được phép, rằngchúng ta không
được phép lấy tài sản củangười khác, rằng chúng ta phải đóng thuế thu nhập hàng
năm.
Những điều luật này từ đâu màcó?Ở nước Mĩ và những nước dân chủ khác,
các điều luật được soạn ra bởi những đại biểu được bầu. Những người này đưa ra
thảo luận nhữngý tưởng màhọ nghĩ làhợp lí vàcó ích.Sauđó,họ bỏ phiếu để
quyết định những ý tưởng nào sẽ thật sự trở thành luật.
Nhưng còn có một loạiluậtkhác nữa, đó là định luật khoahọc.Thí dụ, bạn sẽ
đọc về địnhluậtCoulomb ở cuối quyển sách này. Định luật Coulomb chochúngta
biết rằng lực điện giữa haivật bất kì phụ thuộcvào hai yếu tố: lượngđiện tíchcủa
mỗivật, vàkhoảng cách giữa haivật. Vậy định luật Coulomb từ đâu mà có, và
chúng ta có thể làmgì nếu chúng ta muốn thayđổi nó?
ĐịnhluậtCoulomb rất khác với giớihạn tốc độ hayđiều luật quy định bạn
phải đóngthuế. Giớihạn tốc độ ở nhữngnơi khác nhau thì khác nhau.Trên nhiều
tuyến cao tốc xuyên tỉnh,lái xe có thể chạy đến 105km/h.Trên những tuyếnphố
đôngđúc,họ phải lái xechậm lại. Nhưng lựcđiện thìluôntác dụng giốngnhư nhau
cho dù bạn đangở đâu –ở đồng quêhay thành thị, ở Pháp, ở Brazil hay ở Mĩ.
Thỉnhthoảng,người ta vi phạm luật. Khi giới hạn tốc độ là 89km/h, người ta
thường lái 97 km/hhoặc thậm chí còn nhanhhơn. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu
bạn thử vi phạmđịnhluật Coulomb?Bạnkhông thể. Nếu bạn kiểm tra mộtnghìn

vật tíchđiện,bạn sẽ nhận thấy mỗi và mọi vật đềutuân theo quy tắc mô tả trong
định luật Coulomb.Mọi vật đềutuân theo định luật này. Và chúngta biếtrằng định
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
luật Coulomb vẫn phát huy tácdụng chodù người ta có đangtheodõi vật hay
không.
ĐịnhluậtCoulomb là mộtđịnh luật tự nhiên, hay mộtquy tắc của tự nhiên.
Các nhà khoa họcvà nhà triếthọc đã nghiên cứu những sự kiện xảy ra trongthế
giới của chúngta trong mộtthờigiandài.Họ đã tiếnhành những quansát tỉ mỉ và
đã làm nhiều thí nghiệm. Và họ nhận thấy nhữngsự kiện nhất định xảy ramãi mãi
theo một kiểu có quy luật, có thể dự đoán trước. Có lẽ bạn cũng đã từngchú ý tới
một số dạngthứcnày trong thế giới quanhta.
Một định luật khoahọc là một phát biểu giải thích vạn vật hoạt động như thế
nào trong vũ trụ.Nó mô tả cách thức vạn vật hoạtđộng, chứ không phải cách thức
chúng ta muốnchúng như thế. Điều đó có nghĩa là một địnhluật khoahọckhông
phải là cái gìđó có thể thayđổi hễ khinào chúng ta lựa chọn.Chúng ta cóthể thay
đổi tốcđộ giới hạn hay tỉ suất thuế nếu chúngta nghĩ chúng quá cao hoặcquá thấp.
Nhưng chodù chúngta có muốnlực điệntác dụng khác đi như thế nào chăng nữa,
thì địnhluật Coulomb vẫn phát huy tác dụng.Chúng ta không thể thay đổi nó;
chúng ta chỉ cóthể mô tả cái xảy ra mà thôi. Công việc củamộtnhà khoa học là mô
tả các định luật của tự nhiên càngđúng và càng chính xác càng tốt.
Những định luật mà bạn đọc trongtập sách này là những định luật vạnvật.
Điều đó có nghĩa là chúng không nhữngđúng tại đây,trêntrái đất này,mà còn
đúngtrongtoàn cõi vũ trụ. Vũ trụ bao gồm tất cả những thứ mà chúngta biết là
tồn tại:hànhtinhcủachúngta, hệ mặt trời của chúngta, thiên hà của chúngta,
toànbộ hàng tỉ ngôi saovà thiên hà khác, vàtoàn bộ khoảng khônggiantrốngrỗng
vô tậnở giữa chúng.Toàn bộ nhữngbằngchứng mà các nhà khoahọcthu thập
được về nhữnghànhtinh và những ngôi saokhác trong vũ trụ của chúngta cho
chúng ta biếtrằng những địnhluậtkhoahọcápdụng được cho trái đất này cũng
áp dụngđượccho mọi nơi khác.
Tronglịchsử khoahọc, mộtsố định luậtđã đượctìm thấyqua nhữngkhám

phá xuất sắc củamộtcá nhân nào đó. Nhưng thông thường, các định luật khoahọc
được khám pháqua sự nỗ lựccủa nhiều nhà khoahọc, mỗi người xây dựng trên
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
nền tảng của những người khácđã đi trước. Khi mộtnhàkhoahọc– như Charles
AugustindeCoulomb – nhận đượcvinhdự khám phá ra một định luật, thì điều
quan trọng nên nhớ là những người khác cũng có đóng góp cho sự khám phá đó.
Hầunhư mọi khámphákhoahọc đều dựa trên những vấnđề và những câu hỏi mà
nhiều nhà khoahọc trước đó đã nghiên cứu.
Các địnhluật khoa họchiếm khi thay đổi. Chúng bất biến vìchúng ta nói vũ
trụ hành xử khác đi. Các địnhluậtkhoahọcchỉ thay đổi khi chúng ta có thêm
những thông tinmới haynhững quansát chính xác hơn. Định luật thay đổi khi các
nhà khoahọccó nhữngkhám phá mới chothấy định luật cũ không còn mô tả vũ
trụ tốt như thế nữa.Hễ khi nào các nhà khoahọc thốngnhất một sự thayđổi trong
các địnhluật tự nhiên, thì định luậtmớimô tả cácsự kiện mộtcáchhoànchỉnh
hơn, hoặc đơn giản và rõràng hơn.
Một thídụ haykiểu này là các địnhluật môtả điện họcvà từ học. Các nhà
khoa họcđã từng nghĩ rằng điệnvà từ là haihiện tượngkhácnhauvà tách rời
nhau. Nhưng những khám phámới và những phép đocải tiếnđã giúp cho mộtnhà
khoa họclớn, James Clerk Maxwell, viết lại cácđịnh luật mô tả điện và từ hoạt
độngnhư thế nào. Maxwell nhận ra rằng lựcđiện vàlực từ là haidạng khác nhau
của cùng một lực. Bạncó thể đọc về những khám phá của Maxwellở phần sautập
sách này.
Các địnhluật tự nhiên thườngđược viết theo ngôn ngữ toán học.Ngôn ngữ
này chophép các nhà khoa học chínhxác hơn trongnhững mô tả của họ rằng vạn
vật hoạt động như thế nào. Thí dụ, địnhluật Coulomb thậtra được viết như thế
này:
Đừng để toán học làm bạn hoa mắt. Nó chính là định luật mô tả các điện tích
tương tác như thế nào. Viết định luật đó ra như thế này chophép các nhà khoahọc
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
tính toán chínhxác lực điện tương tác trong nhiều tình huống khác nhauở trên

Trái đấtnày và ở mọi nơi trong vũ trụ.
Ngànhkhoahọc nghiên cứu vậtchấtvà nănglượng và cách thức chúng hành
xử được gọi làvật lí học.Trong hàng trăm năm qua,các nhà vật lí đã và đang
nghiêncứuvũ trụ của chúngta, họ đã khám phá ra nhiều định luật tự nhiên. Trong
tập sách này, bạnsẽ bắt gặp mộtvài trong số những khám phávĩ đại này. Sẽ có một
số thí nghiệm đơn giản bạn có thể thực hiện để nghiệmxemcác định luật tác dụng
như thế nào.Hãycùng đọc và cùngchia sẻ nhữngcâu chuyện thú vị về những định
luật tiếtlộ những bí ẩn của vũ trụ của chúngta.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện và Từ học
(Phần 2)
Chương 1
Quang học – Các định luật về ánh sáng
Khi chúng ta ngắm nhìnbầu trời đêm, chúngta thấy ánhsáng phát ratừ
hàng nghìn ngôisaokhácnhau.Chúngta thấy Mặt trăng và các hànhtinh lunglinh
với ánh sáng mặt trờiphản xạ. Toàn bộ vũ trụ ngập trong ánh sáng. Nhưng ánh
sáng là gì, vànhữngđịnh luật tự nhiênnàomô tả hành trạng của nó?
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Ngànhvật lí học nghiên cứu ánh sáng được gọi là quang học. Một số nhà
khoa họcvĩ đại nhất thế giới, trongđó có Newton, Huygens,MaxwellvàEinstein,
đã nghiên cứu quang học, nỗ lực tìm hiểu các định luật về ánhsáng.
Một định luật mô tả hành trạngcủa ánh sángđã đượcngười ta biếttới hơn
hai nghìnnăm rồi. Các nhà triết học Hi Lạp khôngbiết ánh sáng là cái gì, nhưng họ
thật sự biết nó truyền đi theođườngthẳng. Định luật phản xạ ánh sáng phụ thuộc
vào thực tế này. Khi ánhsángbật ra khỏi một cái gươnghay một bề mặt khác, đây
được gọi là sự phản xạ. Khi bạn nhìnthấy mình ở trong gươnglà bạn đangnhìn
ánh sáng phản xạ từ mặt củabạn đến gương rồi sauđó phản hồi vào mắt của bạn.
Địnhluậtphản xạ phát biểu rằng: Góc tới bằngvới góc phản xạ.
Góc tới là góc củaánhsángchiếu lên trên mộtbề mặt phảnchiếu. Góc phản

xạ làgóc của tiasáng bật ra khỏi bề mặt đó.Định luật phảnxạ phát biểu rằnghai
góc đó luôn luôn bằngnhau.Nếu ánhsáng chiếu lênmột cái gương ở góc 45độ,thì
nó sẽ phản xạ khỏi gươngở góc 45độ. Điều tương tự luônđúng cho dùánhsáng
chiếulên với một góc bằng bao nhiêu cũngvậy.
Bạn có thể dễ dàng trông thấy tác dụngcủađịnhluậtnày bằng cách sử dụng
một cái gương nhỏ, một đèn pindạngflash, vài miếng bìa cứng và băng dính, thêm
một ítbụi phấn hoặcbột mì. Vẽ một đườngthẳng lênchính giữa miếng bìa vuông.
Sau đó gấp miếng bìa làm đôi theo đường vẽ này. Trên miếng bìa thứ hai, đặtđầu
thấu kínhcủa đèn flash lên, vẽ theo đườngrìa củanó.Cắt dọctheo đường rìa mới
vẽ, sau đó khoét một cái lỗ nhỏ ngaychính giữa hình mới cắt. Dùng nó bọc thấu
kính củađènflash lại, dùng keo dínhdán cố địnhluôn. Lỗ nhỏ đó sẽ chobạn một
chùmánhsáng hẹp khi bạnbậtđèn flash lên.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Bạn có thể nhìn thấy đường đi của ánh sáng phản xạ bằng cách rải bột mịn
vào trong không khí.
Đặt cái gương lên trênbàn.Dựngđứng miếng bìađã gấp nếp lên trên bàn
phía saugương, đường gấpnếp canh ngaykhoảng giữacủa gương. Miếng bìa này
sẽ chobạnmộtđường thẳng đứng dùngđể so sánh góc củacác chùmtia sáng. Rải
một lượngrất nhỏ bụi phấnhoặc bột mì vào trong khôngkhíđể làm cho chùm
sáng đèn flash có thể nhìn thấy rõ. Đóngcửa phòng và cửa sổ lại, rồi chiếu ánh
sáng lên chính giữa của gương.
Lưu ýchùm ánhsángphản xạ khỏigươngở gócbằngvới góc nó đi tới gương.
Cho dù góc bạn chiếu chùm sáng flash làbaonhiêu cũng vậy. Góc của ánh sáng
phản xạ khỏi gương sẽ luôn luôn khớp vớigóc ánh sáng chiếu tới.
Ánh sángtruyền đi theođường thẳng. Nhưngánh sáng cũngbẻ cong khi nó
truyền từ môi trường trong suốt này sangmôi trườngtrongsuốtkhác. Nếu bạn
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
dựng một cái bútchì vào trong cốc nước, thì cáibút chì trông như bị bẻ cong khinó
đi vào trong nước.
Tất nhiên, cáibút chì thật rakhông hề bị cong.Nótrôngcong đi vì ánhsáng

truyền vào nước bị bẻ cong. Sự bẻ cong ánh sángnhư thế này được gọi là sự khúc
xạ.Lưu ý rằng cáibút chì chỉ trôngnhư bị cong tại bề mặt của nước, còn ở trong
nước và trong không khí vẫn bìnhthường. Sự khúc xạ chỉ xảy ratại ranhgiới giữa
hai môi trườngtrong suốt.
Mỗichấttrong suốt làm bẻ congánh sáng ở nhữnggócnhất định có thể dự
đoán trước. Sự khúc xạ xảy ra vì ánhsáng truyền đi ở những tốcđộ khác nhau
trong những chất khác nhau. Lượng khúcxạ phụ thuộc vào độ chênh lệch tốc độ
ánh sáng tronghaimôi trườngtrongsuốtđó. Độ chênh lệch tốc độ ánhsáng trong
hai chất càng lớn thì ánh sáng sẽ bị bẻ cong càng nhiều khi đi qua giữa chúng.
Ánh sángtruyền trongkhông khí nhanh hơn truyềntrong nước. Khi ánh
sáng đi từ không khí vào nước,nó chuyển độngchậm lại. Vàvì nó chuyển động
chậmlại, nên nó còn bị khúc xạ, haybị bẻ cong. Ánhsáng truyền trong thủytinh
còn chậmhơn nữa. Khiánh sáng đi từ không khívào thủy tinh, nó bị cong nhiều
hơnnữa. Mộtcái bút chì đặt một phần ở phía sau một miếng thủy tinh dày sẽ trông
bị cong nhiều hơnso với một cáibút chì đặt mộtphần trong nước.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện vàTừ học
(Phần 3)
Một nhà khoa họctừng nghiên cứu quang họclà Isaac Newton.Newton biết
rằng khiánhsángmặt trời bị khúc xạ trongmột lăng kínhthủy tinh, thì ánh sáng
trắngbị phân tách thành một cầu vồng ánhsáng, gọi làquangphổ.Newton đã
chứng minhrằng ánhsángmặttrờithậtra gồmtoàn bộ các màu sắc của cầu vồng.
Nhiều năm saunày,nhà thiên văn họcWilliamHerschelđã pháthiện ra sự
tồn tại của mộtloại ánh sángkhác – ánh sáng khôngnhìnthấy.Vào năm 1800,
Herschelđangtiến hành đonhiệtđộ của những màu sắc khác nhau trong quang
phổ. Ôngmuốntìm hiểu xemánh sáng màu đỏ, cam, vàng, lục hay lam tạoranhiều
nhiệt lượng nhất. Ông sử dụngmột lăng kính thủy tinh để phân tách ánh sáng mặt
trời thành mộtquangphổ.Sauđó,ông dùng mộtnhiệtkế đo từng màu sắc một.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -

Một sự tăng nhiệt độ bất ngờ đã dẫn Herschel đến chỗ phát hiện ra ánh sáng
hồng ngoại không nhìn thấy.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Phổ điện từ bao gồm những vùng cực rộng của sóng ánh sáng.
Herschelnhận thấy phần nóng nhất của quang phổ nằm phía ngoài đầu đỏ, ở
một nơi mà ôngkhôngthể nhìn thấy chút ánhsáng nào cả!Nhưng nhiệt kế chứng
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
tỏ rằng có những tia sáng không nhìnthấy ở đấy. Herschelđã khám phá rasự tồn
tại củaánhsáng hồng ngoại.
Một năm sau, ánh sángở đầu bên kia củaquangphổ được tìm thấy. Ánh sáng
này cũngkhông thể nhìn thấy, nhưng nó thật sự tạo ra ảnhtrên các tấm kính ảnh.
Ánh sángnày được gọi là ánh sáng tử ngoại. Vào giữa thế kỉ 19, JamesClerk
Maxwellchứng tỏ rằng quangphổ ánhsáng chứa nhiều hơn cái ánh sáng mà chúng
ta có thể nhìn thấy. Ngày nay, chúng ta biết rằng toàn bộ quangphổ không chỉ có
ánh sáng nhìn thấy, màcòncó sóngvôtuyến,ánhsáng hồng ngoại, ánh sáng tử
ngoại,tia X và tia gamma.
Những nghiên cứu của Newton về ánhsángvào cuối thế kỉ 17 và đầu thế kỉ
18 đã làm phát sinh một trongnhững cuộc tranh cãi daidẳng nhất trong lịch sử
khoa học. Cuộc tranhcãi đó,khôngphân thắngbại tronghơnhaitrăm nămtrời, là
về bản chấtánhsáng làmộtcơnmưagồm những hạt nhỏ xíu hayánhsáng là
những loạt sóng.
Để tìm hiểu câuhỏi trên,bạn cần phải biết một chútvề hànhtrạngcủa sóng.
Sóng có thể dễ thấy nhất là ở trong một bể sóng.Để tạo ra một bể sóngtại nhà,bạn
cần có một cái đĩa to bằngthủy tinh trong,một tấm giấy trắng, và một cái đèn để
bàn. Bạn cũng cần cóhai cái bút chì và vài miếng gỗ nhỏ để làmvật chắn sóng.
Để nước vào ngập hai phầnba cái đĩa to. Đặt nó lên bàn, phía trên một miếng
giấy.Đặtcái đèn để bànsaochoánh sáng của nórọi thẳng góc xuốngmặt nước.
Giờ thì dùng cái đầutẩy của bút chì khều nhẹ nướcở trongđĩa để tạo sóng.Bạn sẽ
thấysóng tạo ra những cái bóng trêntờ giấy phía dưới, khiến chúngdễ thấy hơn.
Hãy nhớ rằngsóng mà bạn đang nhìn thấy là sóngnước,nhưngnhữngsóng khác,

trong đó cóánh sáng, có những tínhchấttương tự.
Đặt mộtmiếng gỗ nhỏ vào trong đĩa làm vật chắn sóng.Ở mộtbên của miếng
gỗ, hãydùng bút chìtạo ra sóng.Hãyquan sát cái xảyra khisóngđi qua vậtcản.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Trong bể sóng, sóng nhiễu xạ, hay cong đi, xung quanh một vật đặt trên đường
đi của nó.
Lưu ý rằng sóngcongđi xungquanh vật cản và truyền vào phần bể bị chặn
sóng. Sự congđi như thế này của sóngxung quanh một vật cản đượcgọi là sự
nhiễu xạ. Nhiễu xạ là một đặctrưng của mọiloại sóng.
Đối với các nhà khoa họchồi thế kỉ 17, ánh sáng dường như chẳngnhiễu xạ
giống như những sóngkhác. Ánhsáng cóvẻ truyền đi theo đường thẳng, thayvì
cong vòngquanh vật cản. Nếu bạn đặt một vật vào trong ánh sáng mặttrời,nó tạo
ra mộtcái bóng. Nếu ánh sáng mặttrời nhiễu xạ giốngnhư sóng nước, thì bạn nghĩ
ánh sáng sẽ đi vòng quanh quavật và tạo ramộtcái bóng lờ mờ. Nhưng ánh sáng
mặttrời tạo ra cái bóng có đườngbao sắc nét.
Vì lí do này, Newtontin rằng ánh sángphải gồm nhữnghạt nhỏ xíu, chuyển
độngnhanh theo đườngthẳng. Khi một vậtchặn dòng hạt lại, thì kết quả là những
cái bóng sắc nét.
Sau khi Newtonđề xuất rằng ánh sáng gồmnhữnghạt nhỏ xíu,hainhà khoa
học tiếng tăm khác đã không tán thành. Robert Hooke và ChristiaanHuygens cho
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
rằng ánhsángcũng hành xử giốngnhư sóng. Chúng ta hãy trở lại bể sóngđể chứng
tỏ lập luận này củahọ.
Nếu ánh sáng gồm những hạt nhỏ, bạn sẽ muốn thấy những cái bóng sắc nét
(ảnh trên). Nếu ánh sáng là sóng, bạn sẽ muốn thấy cái bóng kém sắc nét hơn (ảnh
dưới).
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Chặn mộtphần trong cái bể sóng của bạn, chỉ chừamộtlỗ nhỏ thông qua
phần bể bên kia. Với cái bútchì của mình, bạn hãy tạo ra sóngtrongphần bị chặn
kín củabể.Lưu ýcái xảy ra khichúng đi qua lỗ nhỏ.

Sóng đi qua cái lỗ nhỏ phân tán ra y hệt như cách chúnglan tỏa ratừ chính
nguồnphát sóng. Huygens lưu ýrằngbất kì mọi điểm trênphương truyền sóngcó
thể tácdụng như một nguồn phát sóngmới. Sóngphát ra từ nguồn mới này sẽ có
những đặc trưng giống với sóng ban đầu.Quy tắc này được gọi lànguyên lí
Huygens.
Đó chính là cái xảyra khibạncho phép ánh sáng chiếu qua mộtcái lỗ nhỏ.
Nó lan tỏa ra từ cái lỗ, cứ như làcái lỗ đó là một nguồnphát sáng.
Trong một bể sóng, sóng truyền qua một cái lỗ nhỏ phân tán ra như thể cái lỗ
nhỏ là một nguồn phát sóng thật sự.
Huygens còntrình bàyrằngnếu ánh sánglà sóng, thì điều đó sẽ giải thích
tính chất khúc xạ của nó. Sóngánh sáng truyềntrong nhữngchất liệu khác nhau sẽ
có tốcđộ khác nhau.Sự thayđổi tốc độ sẽ làmcho sóngbị bẻ cong đi.Việc lí giải tại
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
sao các “hạt” ánh sáng bị bẻ cong khichúng đi vào nước hoặcthủy tinh thì khó
khănhơn.
Ánh sáng đi qua một cái lỗ nhỏ hành xử như thể bản thân cái lỗ là một nguồn
sáng.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện và Từ học
(Phần 4)
Sóng còn có mộthànhtrạngthú vị khác gọi là sự giao thoa.Để nhìn thấysự
giao thoatrong bể sóng của mình,bạn sẽ cần tạo sóngvới haicái bút chì. Giữ hai
cái bútchì cách nhau vài cm. Sau đó,khều mặt nước với cả haibútchì cùng lúc,
theo kiểu đều đặn,tạo ra haitập hợp sóng.
Để ý khihaitập hợp sóngchồng lấn lên nhauvàđi qua nhau,chúng tương
tác với nhau.Ở mộtsố chỗ, chúngtriệt tiêu lẫn nhau,còn ở mộtsố chỗ khác thì
chúng cộng gộp tác dụng của chúngvới nhau. Hiện tượng nàygọi là giao thoa sóng.
Nếu bạn giữ kiểu sóng đều với chuyểnđộng đều của haicái bút chì, thì bạn sẽ cóhệ
vân giaothoa đều đặn.

Một đặc trưng của sóng làchúng tạo ra hệ vân giaothoa khi chúngchồng lên
nhau. Khi những dòng hạt giaonhau,cái người ta muốn thấylà chúng vachạm
nhau. Không aitừng quan sát thấy sự va chạm khihai chùmánh sángchiếu xuyên
qua nhau.Nhưng ánh sáng có tạo ra giao thoahay không?
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Hai nguồn sóng tạo ra một hệ vân giao thoa.
Năm 1801,nhà vật lí ngườiAnhThomas Young đã chứng minh rằng ánh
sáng thật sự nhiễu xạ và thật sự tạo ra hệ vân giaothoa, giốnghệt như nhữngsóng
khác.Có vẻ như câu hỏi ánh sáng là hạthaylà sóngcuối cùng đã có câu trả lời.
Bạn có thể dễ dàng thấy hệ vân giao thoa của ánh sáng với hai cái bút chì và
đèn để bàn.Giữ hai cái bút chì ở phía trước mắt bạn khibạn nhìn về phía ngọn đèn.
Di chuyển hai cái bút chì đến gầnnhauhơn, cho đến khichúng gần như chạm vào
nhau. Bạn sẽ nhìn thấy một hệ gồm những vạch sángvà tốirất mịn. Đó là hệ vân
giao thoatạo ra khiánh sángphát ra từ ngọnđènđi qua khehẹp chiatáchgiữahai
cái bútchì.Những vạch tối là những nơi tạiđó sóng ánhsáng triệt tiêu nhau. Vì ánh
sáng tạo ra hệ vân giao thoagiốngnhư nhữngsóng khác, nên nó cũng phải là sóng.
Youngcòntính được kích cỡ thật sự của sóng ánh sáng. Bước sóng của sóng
ánh sáng là rất nhỏ, nhưng Youngđã đo đượcchúng. Những màu sắc ánh sáng
khác nhau hóara là có bướcsóngkhácnhau.Youngtìm thấy bước sóng của ánh
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
sáng màu đỏ vào khoảng 76phần triệu của một cm. Bước sóng của ánh sáng màu
lam cònnhỏ hơn nữa, khoảng 38 phần triệu của một cm.
Những phép đocủa Younglí giải tại sao sự nhiễu xạ ánh sáng lại khó nhìn
thấynhư thế. Sự nhiễu xạ xảyra khisóngbẻ cong vòng quanh một vật cản. Nhưng
sóng ánh sáng quá nhỏ nên chúng chỉ có thể bẻ cong quanh những vậtcản rất nhỏ -
những vật cản không lớn hơn kích cỡ nguyên tử bao nhiêu.
Vào giữa thế kỉ 19, người ta dường như chắcchắnrằngánhsáng cóbảnchất
sóng. Nhưng ngaycả khi đó vấn đề vẫn chưađược giải quyếtxong. Khoảng năm
1900, những khám phá mới củaMaxPlanckvàAlbertEinstein đã làmhồi sinhlí
thuyết hạt. Kết quả cuối cùng hóa ra là cả haiphe tranh cãi đều đúng! Ánh sáng

thường hànhxử giống như sóng, nhưngnó cũngtác dụng giống như hạt.
Sóng có thể được đo bằng bước sóng hoặc tần số của chúng.
Có mộtđịnhluậtmô tả độ sáng củaánhsáng haykhông? Có chứ.Những ngôi
sao mờ nhạt mà chúngta thấy trên bầutrời đêmthật ra là những mặt trời đang
bừngcháy. Ánhsáng của chúng mờ đi nhiều sau hành trình đường dài của chúng
đến hành tinh của chúngta. Bạn càngở xamộtnguồn phát sáng, thì độ rực rỡ của
ánh sáng càng kém đi. Thật vậy, cường độ củaánhsángphát ra từ mọi nguồn sáng
giảm rất nhanhkhikhoảng cách đến nguồn tăng lên. Độ giảm đó tỉ lệ với bình
phươngcủa khoảngcách.Bình phương của khoảng cáchcónghĩanhân khoảng
cách với chính nó.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Mốiliên hệ đặc biệt này giữa độ sáng và khoảngcáchđến nguồn sángđược
gọi là quan hệ tỉ lệ nghịch bình phương. Nhiều lực khác trongtự nhiêngiảmđi theo
khoảng cách với quy luật tươngtự. Một lời giải thíchcặn kẽ hơn nguyêndo vì sao
xảy ra như vậy, mời bạn thamkhảo ở phần sautập sách này. Trongkhichờ đợi,
hãy thử nghĩ xem Mặt trời củachúng ta cần tạo rabao nhiêu ánhsáng. Nó cựckì
rực rỡ,mặc dù chúng ta ở cách xanó đến 150 triệu kilomet!
Chúng tacần xét đếnmộtthực tế nữavề ánh sáng –tốc độ của
nó. galileoGalilei là nhà khoahọc đầu tiên nỗ lựcđo tốc độ của ánh sáng. Ôngđứng
trên mộtngọnđồi, tay cầm một cái đèn lồngđậy kín, và để một ngườitrợ lí đứng ở
một ngọnđồiđằngxa,tay cầm mộtcái đèn lồng giốngnhư vậy. Ôngmở đèn của
mình lên. Ngay khingười trợ lí củaôngnhìn thấy ánhsáng,anhta lập tức mở đèn
của mình lên. galileomuốnđo thời gian cần thiếtđể ông nhận lại tín hiệu sáng.
Thật không may,thínghiệm khôngthànhcông. Ánh sáng có vẻ truyền đi
giữahai ngọn đồigần như tứcthời.Ánhsáng chuyển độngnhanhđến mứcviệc đo
tốc độ của nó là vô cùngkhó khăn.
Nỗ lực đầu tiênthànhcông trongviệcđo tốcđộ ánh sáng là sử dụng quỹ đạo
của trái đất làmthước đo. Nhà thiên văn học người Đan Mạch Olaus Rømer đã biết
sự che khuất củacác vệ tinhcủa Mộc tinh xảyra theolịchđịnh hồi cuối thế kỉ 17.
Ông để ý thấy thời gian che khuất biến thiên, tùy thuộcvào Mộc tinh và trái đất ở

nơi nào trongquỹ đạocủa chúng. Nếu haihành tinhở về hai phía của Mặt trời,thì
sự che khuất sẽ muộn vài ba phút. Nếu haihành tinh ở cùngmột phía củaMặt trời,
thì sự che khuất sẽ sớm vài ba phút.
Rømer nhận thấy độ chênhlệch thời gian cónguyên nhân là sự chênhlệch
khoảng cách mà ánh sángtừ vệ tinh củaMộctinh phải truyền đi trước khinó được
nhìn thấy trênTrái đất. Rømer đã biết đườngkínhgần đúng của quỹ đạo Trái đất.
Ông biết ánhsáng phải đi thêmbao xa để băngqua quỹ đạođó. Cho nên, ông có thể
ước tính ánh sángtruyền đi bao nhanhđể băng quakhoảng cách đó. Rømertính
được ánh sáng truyền đi ở tốcđộ khoảng226.000 km mỗi giây.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Năm 1849,nhà vật lí ngườiPháp Armand Fizeau là khoahọc đầutiênchế tạo
ra mộtdụng cụ để đo tốc độ ánh sáng trong một thí nghiệm trongphòng lab. Kể từ
đó, nhiều nhànghiên cứu khác đã tiến hành những phép đo ngày một chính xác
hơncủa tốc độ ánh sáng. Nổi tiếng nhất trong số họclà nhà vật lí người Mĩ Albert
Michelson. Ôngđã dành phần lớn cuộcđời củamình để xácđịnh chính xáctốc độ
của ánh sáng, Michelson giànhgiải thưởngNobel năm 1907,giải thưởngtôn vinh
nhiều thínghiệm tài tình màông đã dùng để đotốc độ ánh sáng càng chính xác
càng tốt.
Rømer đã sử dụng những vị trí khác nhau của quỹ đạo Trái đất để đo tốc độ
của ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi Mộc tinh.
Ngày nay,các nhà khoahọc đặt tốcđộ ánh sáng là 299.792,5 km/s,hay
186.281,7dặm/s. Tốcđộ đó thườngđược làm trònlà 300.000 km/shay186.000
dặm/s.Đây là mộtsố đo rất quantrọng. Tốc độ của ánh sáng có thể xem là “giới
hạn tốc độ” củavũ trụ. Như chúngta biết,khôngcó cái gì có thể truyền đi nhanh
hơntốc độ ánh sáng.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Tốc độ của ánh sáng là300.000 km/strong chânkhông(không gian hoàn
toàntrốngrỗng). Ánhsáng truyền đi trong khôngkhí nhanhgần như thế. Trong
những chất liệu khác,như nước hoặc thủy tinh,tốc độ ánhsáng chậm hơn nhiều.
Thí dụ, ánh sángtruyền đi khoảng 225.000km/s(140.000 dặm/s) ở trongnước

và khoảng 200.000km/s(124.000 dặm/s)ở trongthủytinh. Chínhsự khác biệt
tốc độ này lànguyên nhân khiến ánh sáng bị khúcxạ, haybị bẻ cong, khinó đi từ
chất này sang chất khác.
Ánh sánglà một bộ phận quen thuộctrong thế giới hàng ngày của chúngta
nên người ta thường dễ quên nó đặc biệt và quan trọngnhư thế nào. Chúng ta có
thể nhìn thấy thế giới củamình chỉ vìnó chìm ngập trongmột dòng ánh sáng liên
tục,chúngphản xạ khỏi nhữngvậtxungquanhchúngta và đivào mắtcủachúngta.
Vũ trụ ngập tràn ánh sángtruyền đi ở tốc độ hết sức lớn từ những ngôi sao và
thiên hàxa xôi. Chínhánh sáng này cho chúng ta biết cái gì“ở ngoài kia”,bên ngoài
thế giới củariêng chúng ta. Ánh sánglàkết nối quan trọng nhất của chúngta với
mọithứ trong vũ trụ nằm bên ngoài hành tinhcủa chúng ta.Không có kiến thứcvề
ánh sáng, thì có lẽ khoa học không thể hiểu được phần còn lại củavũ trụ.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Sóng: Các nguyên lí của
Ánh sáng, Điện vàTừ học
(Phần 5)
Chương 2
Các định luật điện từ học
Vào cuối thế kỉ 18,điện họcđã làmột thú tiêu khiển phổ biến.Khách khứa sẽ
thu gom điệntích bằng thanhthủy tinh vàmảnh lụa.Sau đó, họ sẽ làm sốcngười
khác vớinhữngtialửa điện, làm cho tóc của họ dựngđứnglên, và làm những trò
ảo thuật điện khác nữa. Điện là một món đồ chơi hấp dẫn. Nhưngnó cũng là một
câu đố đối với nhữngnhàkhoahọc cố gắngnghiên cứu nó.
Lí thuyết phổ biến nhất củađiện học lúc ấy nói rằng điện gồmhailoại chất
lỏng. Một chất lỏng cóđiện tích dương,và một chất lỏng cóđiện tích âm.Có nhiều
cách để thu gom những chất lỏng này. Thí dụ, cọ xát một thanh thủytinh với lông
thú làmtruyền ra một phần chất lỏngđó, tạo ra mộtvật tích điện. Chất lỏngkiasẽ
hút lấychất lỏngnày. Nhưng khôngaitừng nhìn thấy chất lỏng điện haytìmthấy
bất kì bằng chứng nào khác rằng chúngthậtsự tồn tại.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -