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

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

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

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 -

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.

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

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