Bình thường, không khí càng lên cao càng loãng, do đó chiết suất của không khí tăng dần theo chiều từ trên cao xuống mặt đất. Ánh sáng truyền từ trên xuống dưới bị khúc xạ với xu hướng góc khúc xạ giảm dần. Do đó, ảnh của Mặt trời, các ngôi sao trên bầu trời... mà ta quan sát được sẽ là ảnh ảo, cao hơn một chút so với vị trí thực tế của chúng.
Sự khúc xạ này cũng làm cho hình ảnh của các ngôi sao mà ta quan sát được trên bầu trời dường như nhấp nháy (lấy lánh) do nhiễu loạn của không khí.
Vào những ngày nắng nóng, mặt đường (nhất là đường nhựa) hấp thụ ánh sáng Mặt trời mạnh nên rất nóng. Lượng nhiệt này sau đó bức xạ trở lại làm nóng những lớp không khí trên mặt đường dẫn đến lớp không khí càng gần mặt đường càng bị giãn nở. Chiết suất của không khí giảm dần theo chiều từ trên cao xuống dưới.
Vì vậy, tia sáng từ một vật thể ở xa như ôtô, cây cối, tòa nhà... khi truyền xuống phía dưới sẽ bị khúc xạ với góc khúc xạ có xu hướng tăng dần. Đến một lúc góc khúc xạ đạt giá trị giới hạn (xấp xỉ 90 độ), tia sáng sẽ không thể khúc xạ được nữa mà sẽ bị phản xạ trở lại phía trên (hiện tượng phản xạ toàn phần).
Lớp không khí gây ra phản xạ toàn phần ở gần sát mặt đường, giống như một tấm gương phẳng. Do đó ngoài hình ảnh quan sát trực tiếp ôtô, cây cối, ngôi nhà... ta còn nhìn thấy ảnh ảo của chúng, ngược chiều, đối xứng qua lớp không khí gây ra phản xạ toàn phần.
Ảnh này thường chỉ lờ mờ, lấp lánh như vũng nước trên mặt đường vì không khí sát mặt đường bị nhiễu loạn rất mạnh bởi các dòng khí đối lưu liên tục. Hiện tượng này cũng xảy ra tương tự ở trên sa mạc nóng bức, những vị trí nhô cao ở phía xa như các đồi cát... có thể cho ảnh ảo như vũng nước ở phía dưới. Khi đến gần ảnh ảo biến mất vì ta phải quan sát vật ở xa, để các góc tới và góc khúc xạ lớn, mới có thể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.
Câu 2: đáp án B
Cầu vồng chúng ta thấy khi trời mưa là kết quả của hiện tượng:
A. Tán sắc của các ánh sáng từ Mặt trời khi khúc xạ qua các giọt nước mưa
B. Tán sắc của các ánh sáng từ Mặt trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa
C. Giao thoa của các ánh sáng từ Mặt trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa
Cầu vồng là hiện tượng tán sắc của các ánh sáng từ Mặt trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa. Màu sắc cầu vồng từ ngoài vào trong theo thứ tự: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Tùy vào số lần phản xạ mà người ta phân ra làm cầu vồng bậc một, bậc hai... Trong đó, cầu vồng bậc một là rõ nhất (chỉ có một lần phản xạ) và thường quan sát được.
Tuy nhiên, đôi khi ta còn quan sát thêm được cầu vồng bậc hai mà trật tự màu sắc lại ngược lại (tím ở ngoài, đỏ ở trong) với cầu vồng bậc một và cường độ sáng yếu hơn (do phải phản xạ lần hai trong giọt nước mưa).
Cầu vồng có dạng hình tròn, nhưng ta chỉ quan sát được một cung tròn giới hạn từ đường chân trời. Ở ngoài không gian, ta có thể quan sát cầu vồng hình tròn. Khi quan sát cầu vồng theo thứ tự Mặt trời, người quan sát, tâm cầu vồng nằm trên một đường thẳng (có thể xác định tâm của cầu vồng bằng cách nhìn thẳng bóng của đầu mình trên mặt đất).
Đối với cầu vồng bậc một, mắt người quan sát và cầu vồng tạo thành một hình nón với góc tạo bởi đường sinh (đường thằng nối từ đỉnh tới tâm của đáy hình nón) và cạnh bên bằng khoảng 42 độ. Với cầu vồng bậc hai, góc đó khoảng 53 độ.
42 độ chính là góc lệch tạo bởi phương của tia tới của Mặt trời và tia sáng sau khi khúc xạ và phản xạ một lần trong giọt nước mưa thì tán sắc ra ngoài cho ánh sáng màu đỏ có cường độ lớn nhất, màu tím khoảng 41 độ nên vòng màu tím ở phía trong (cầu vồng bậc một).
53 độ là góc lệch tạo bởi phương của tia tới của Mặt trời và tia sáng sau khi khúc xạ và phản xạ hai lần trong giọt nước mưa thì tán sắc ra ngoài cho ánh sáng màu tím có cường độ lớn nhất, màu đỏ khoảng 51 độ nên vòng màu đỏ ở phía trong (cầu vồng bậc hai).
Điều kiện để có thể quan sát được cầu vồng là: Bầu trời không âm u quá hay trong sáng quá, cũng phải có vài đám mây. Mặt trời phải ở đằng sau ta và mưa ở phía trước ta. Mặt trời càng thấp, cầu vồng càng cao nên quan sát buổi sáng và buổi chiều là lúc tốt nhất.
Khi Mặt trời lên cao, cầu vồng càng thấp và khi cao hơn 42 độ, ta không thể thấy cầu vồng bậc một. Do đó muốn thấy cầu vồng bậc một, ta phải quan sát khi Mặt trời ở độ cao dưới 42 độ. Ngoài ra, muốn có màu sắc rõ ràng thì trận mưa phải đủ lớn.
Cầu vồng là ảnh ảo nên chỉ quan sát được mà không thể hứng được trên màn, khi dịch chuyển vị trí quan sát, cầu vồng có thể biến mất nếu không thỏa mãn những điều kiện trên.
Câu 3: đáp án B
Màu sắc cầu vồng trên màng bong bóng xà phòng, đĩa CD, DVD hay vết dầu loang trên mặt nước đều liên quan đến hiện tượng:
Các vân cầu vồng khi bạn nhìn vào bề mặt đĩa CD, bong bóng bọt xà phòng hoặc một lớp dầu mỏng nổi trên mặt nước tĩnh đều được tạo ra bởi sự giao thoa ánh sáng trắng (thường là ánh sáng ban ngày từ Mặt trời).
Với trường hợp của màng bong bóng xà phòng, lớp dầu loang trên mặt nước: Khi ánh sáng trắng chiếu màng bong bóng, lớp dầu loang, phần lớn ánh sáng xuyên qua, nhưng cũng có một phần ánh sáng bị phản xạ ở mặt trên của màng bong bóng, lớp dầu loang (mặt phân cách không khí – nước xà phòng, không khí – dầu), một phần khác lại bị phản xạ ở mặt dưới của màng bong bóng, lớp dầu loang (mặt phân cách nước xà phòng – không khí, dầu – nước).
Hai chùm sáng phản xạ trên đủ điều kiện để xảy ra hiện tượng giao thoa ánh sáng (cùng tần số và có độ lệch pha không đổi). Kết quả, hình ảnh quan sát được là hệ thống vân giao phức tạp: Màu cầu vồng (cực đại giao thoa), màu đen (cực tiểu giao thao), trộn màu giữa các cực đại giao thoa nhưng khác bậc quang phổ...).
Đối với hệ thống vân giao thao trên đĩa CD, DVD..., đó là kết quả của hiện tượng giao thoa giữa các chùm tia sáng nhiễu xạ qua hệ thống khe rãnh trên đĩa.
Đĩa CD, DVD... giống như cách tử phản xạ, là hệ thống các khe hẹp cách đều nhau, khoảng cách các khe chỉ từ vài chục đến vài trăm lần bước sóng. Cách tử phản xạ chỉ cho ánh sáng bị nhiễu xạ phản xạ trở lại môi trường cũ.
Khi có ánh sáng trắng chiếu vào, các chùm ánh sáng nhiễu xạ qua cách tử sẽ giao thoa với nhau tạo ra dải cầu vồng. Do đó, cách tử có thể dùng để thay thế lăng kính trong phân tích quang phổ. Tuy nhiên chúng ta cần phân biệt lăng kính phân tích chùm sáng trắng thành dải màu cầu vồng nhờ hiện tượng tán sắc ánh sáng, còn cách tử thu được hình ảnh tương tự do hiện tượng giao thoa.
Câu 4: đáp án C
Tại sao khi trời nắng thì bầu trời và nước biển thường có màu lam?
A. Ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng bị không khí và nước biển tán xạ mạnh
B. Mắt nhậy cảm nhất với ba màu cơ bản: đỏ, lục, lam
Ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy được) là một phần của phổ điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy được. Ánh sáng từ Mặt trời được coi là ánh sáng trắng, là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu sắc biến thiên liên tục từ đỏ -> tím, mà chúng ta thường phân biệt bảy gam màu chính (bảy sắc cầu vồng): đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mỗi màu sắc tương ứng với một bước sóng khác nhau. Trong dải quang phổ nhìn thấy, ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất (380 nm) và màu đỏ có bước sóng dài nhất (740 nm).
Khi ánh sáng truyền đi vào trong bầu khí quyển, nếu gặp phải các hạt bụi nhỏ thì một phần chúng sẽ bị hấp thụ và một phần bị tán xạ ra xung quanh và màu sắc của ánh sáng không thay đổi (chỉ bị giảm độ sáng do một phần bị hấp thụ).
Khi ánh sáng Mặt trời gặp các phân tử khí của bầu khí quyển hay phân tử nước ở trên biển, chúng có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng của ánh sáng khả kiến.
Khi ánh sáng trắng chiếu vào các phân tử khí hoặc nước, một phần ánh sáng được truyền qua (theo hướng ban đầu), một phần bị tán xạ ra xung quanh mà trong Vật lý gọi là tán xạ Rayleigh (hiện tượng được đặt theo tên theo nhà Vật lý học người Anh, Lord John Rayleigh).
Theo đó, ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng bị tán xạ mạnh (truyền qua ít), ánh sáng có bước sóng càng dài càng ít bị tán xạ (truyền qua nhiều).
Ánh sáng màu lam, chàm, tím (có bước sóng ngắn) bị các phân tử khí, nước biển tán xạ khắp bầu trời và trên mặt biển. Như vậy bầu trời và mặt biển của chúng ta gần như là tổ hợp của ba màu lam, chàm, tím.
Mặt khác, trên võng mạc mắt người hay một số loài linh trưởng có ba loại tế bào nón chính, tương ứng với các loại bước sóng ngắn, trung bình và dài. Chúng ta cần phải sử dụng cả ba loại tế bào này để nhìn thấy màu sắc chính xác nhất.
Mỗi loại tế bào nón có phản ứng nhạy nhất bước sóng khoảng: 570 nm (đỏ, vùng sóng dài), 543 nm (lục, vùng sóng trung), 442 nm (lam, vùng sóng ngắn). Đây cũng là tổ hợp ba màu cơ bản RGB (Red, Green, Blue). Ba loại tế bào nón này có thể phản ứng với số bước sóng trên diện rộng và chồng chéo nhau tạo ra các màu khác nhau từ sự trộn màu sắc, ví dụ trộn ba màu đỏ, lục, lam có độ sáng như nhau thì sẽ thu được màu trắng.
Trở lại vấn đề bầu trời và mặt biển, khi chúng có màu hỗn hợp giữa lam, chàm, tím. Các tế bào nón phản ứng mạnh với ánh sáng màu lam, do đó tín hiệu đưa về hệ thần kinh chỉ là màu lam chứ không phải màu tím. Dù vậy, một số loài động vật nhìn bầu trời không phải có màu lam như con người. Loài chim thường thấy bầu trời màu tím.
Câu 5: đáp án A
Tại sao Mặt trời thường có màu vàng, hoàng hôn hay chiều tà có màu cam, đỏ?
A. Ánh sáng có bước sóng càng dài thì càng ít bị không khí tán xạ
B. Mắt nhạy cảm nhất ánh với sáng màu đỏ, cam
Mặt Trời phát ra ánh sáng trắng (là tập hợp vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên từ đỏ -> tím), như vậy Mặt trời có màu trắng. Nhưng nếu quan sát trên Trái đất, chúng ta thường nhìn thấy Mặt trời có màu vàng vì:
Trên Trái đất, một vài bước sóng ngắn của ánh sáng Mặt trời (lam, chàm, tím) đã bị các phân tử khí tán xạ mạnh nên bị loại bỏ ra khỏi chùm ánh sáng chiếu trực tiếp từ Mặt trời tới mắt người quan sát.
Do đó, các màu còn lại: Đỏ, cam, vàng, lục cùng nhau xuất hiện. Hơn nữa, hai trong ba màu nhạy cảm đối với mắt là đỏ và lục khi trộn với nhau sẽ ra màu vàng. Giữa trưa hè, Mặt trời thường có màu vàng trắng và chuyển dần thành vàng cam khi Mặt trời xuống thấp hơn.
Khi Mặt trời bắt đầu lặn hoặc lúc mới mọc, ánh sáng cần phải đi một đoạn đường dài hơn qua không khí để đến được vị trí mà bạn nhìn thấy. Do ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng bị không khí tán xạ mạnh nên lúc đó sẽ có càng nhiều ánh sáng bị tán xạ hơn, chỉ những ánh sáng có bước sóng dài nhất như đỏ, cam... mới có thể xuyên qua lớp không khí dày để tới vị trí của bạn. Lúc này, Mặt trời cũng tối hơn và màu sắc của Mặt trời cũng chuyển từ màu vàng lúc ban ngày sang màu cam và sau đó đến màu đỏ.
