Vận tốc ánh sáng là gì? Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu km/h? Các kiến thức về vận tốc ánh sáng và bài tập liên quan giúp các em học sinh học vật lý một cách hiệu quả nhất, đem lại chất lượng học tập tốt.
Mục lục bài viết
1. Vận tốc ánh sáng là gì?
Bước đột phá quan trọng không chỉ của Einstein mà còn là của loài người với sự phát hiện bản chất ánh sáng năm 1905.
Vận tốc được hiểu là đại lượng vector chỉ tốc độ của một vật di chuyển trên một quãng đường trong một thời gian nhất định. Vận tốc ánh sáng chính là tốc độ di chuyển của ánh sáng trong quãng đường với thời gian nhất định. Vận tốc ánh sáng đến nay là đơn vị vận tốc lớn nhất trong vũ trụ đã được con người chứng minh và công nhận chính thức.
Tốc độ ánh sáng, mà các nhà khoa học đã kiểm tra kỹ lưỡng, hiện được biểu thị bằng một giá trị không đổi được biểu thị trong các phương trình bằng ký hiệu c. Không thực sự là một hằng số, mà là tốc độ tối đa trong chân không, tốc độ ánh sáng tính bằng km, gần 300.000 km mỗi giây, có thể được điều khiển bằng cách thay đổi phương tiện hoặc bằng giao thoa lượng tử.
Ánh sáng truyền trong một chất hoặc môi trường đồng nhất, truyền theo đường thẳng với tốc độ tương đối không đổi, trừ khi nó bị khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ hoặc nhiễu loạn theo một số cách khác. Thực tế khoa học đã được khẳng định chắc chắn này không phải là sản phẩm của Thời đại nguyên tử hay thậm chí là thời Phục hưng, mà ban đầu được thúc đẩy bởi học giả Hy Lạp cổ đại, Euclid, vào khoảng năm 350 trước Công nguyên trong chuyên luận mang tính bước ngoặt của ông về Optica. Tuy nhiên, cường độ ánh sáng (và các bức xạ điện từ khác) tỷ lệ nghịch với bình phương quãng đường đi được. Như vậy, sau khi ánh sáng đi được hai lần quãng đường đã cho, cường độ giảm đi bốn lần.
Mỗi môi trường khác nhau sẽ cho ra tốc độ ánh sáng khác nhau. Vận tốc ánh sáng cũng bị ảnh hưởng bởi những đại lượng tác động lên nó.
2. Tốc độ ánh sáng là bao nhiêu km/h?
2.1. Tốc độ của ánh sáng là bao nhiêu?
Khi ánh sáng truyền qua không khí đi vào một môi trường khác, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nước, tốc độ và bước sóng của ánh sáng bị giảm (xem Hình 2), mặc dù tần số không thay đổi. Ánh sáng di chuyển với vận tốc xấp xỉ 300.000 km/giây trong chân không, có chiết suất bằng 1, nhưng nó chậm lại còn 225.000 km/giây trong nước (chiết suất 1,3; xem Hình 2) và 200.000 km/giây trong thủy tinh (chiết suất chỉ số 1,5). Ở kim cương, với chỉ số khúc xạ khá cao là 2,4, tốc độ ánh sáng giảm xuống mức bò tương đối (125.000 km/s), thấp hơn khoảng 60% so với tốc độ tối đa của nó trong chân không.
Do những hành trình khổng lồ mà ánh sáng truyền trong không gian vũ trụ giữa các thiên hà (xem Hình 1) và trong Dải Ngân hà, khoảng cách giữa các ngôi sao không được đo bằng kilomet, mà là năm ánh sáng, khoảng cách mà ánh sáng sẽ truyền đi trong một năm. Một năm ánh sáng bằng 9,5 nghìn tỷ km hoặc khoảng 5,9 nghìn tỷ dặm. Khoảng cách từ Trái đất đến ngôi sao gần nhất tiếp theo ngoài mặt trời của chúng ta, Proxima Centauri, là khoảng 4,24 năm ánh sáng. Để so sánh, thiên hà Milky Way được ước tính có đường kính khoảng 150.000 năm ánh sáng và khoảng cách đến thiên hà Andromeda là khoảng 2,21 triệu năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là ánh sáng rời khỏi thiên hà Andromeda 2,21 triệu năm trước chỉ mới đến Trái đất, trừ khi nó bị cản trở bởi các thiên thể phản xạ hoặc các mảnh vụn khúc xạ.
Tốc độ ánh sáng chính xác mà các nhà khoa học đã đo được là 299,792,458 m/s tương đương với 1,079,252,848.8 km/h ở trong môi trường chân không. Tuy nhiên, vận tốc ánh sáng trong môi trường khác nhau sẽ cho ra một kết quả khác nhau. Vận tốc ánh sáng trong không khí đo được bằng khoảng 299,910 km/s. Vận tốc ánh sáng trong môi trường nước đo được khoảng 230,000 km/s. Vận tốc ánh sáng trong môi trường thủy tinh lại đo được khoảng 200,000 km/s. Và vận tốc ánh sáng trong môi trường kim cương đo được chỉ khoảng 125,000 km/s.
Năm 1905, Einstein công bố Thuyết tương đối đặc biệt của mình, sau đó là Thuyết tương đối rộng vào năm 1915. Lý thuyết đầu tiên liên quan đến chuyển động của các vật thể với vận tốc không đổi so với nhau, trong khi lý thuyết thứ hai tập trung vào gia tốc và mối liên hệ của nó với lực hấp dẫn. Bởi vì chúng thách thức nhiều giả thuyết lâu đời, chẳng hạn như định luật chuyển động của Isaac Newton, các lý thuyết của Einstein là một lực lượng cách mạng trong vật lý. Ý tưởng về thuyết tương đối thể hiện khái niệm rằng vận tốc của một vật thể chỉ có thể được xác định tương ứng với vị trí của người quan sát. Ví dụ, một người đàn ông đi bộ bên trong một chiếc máy bay dường như đang di chuyển với tốc độ khoảng một dặm một giờ trong hệ quy chiếu của máy bay (bản thân nó đang di chuyển với tốc độ 600 dặm một giờ). Tuy nhiên, đối với một người quan sát trên mặt đất, người đàn ông dường như đang di chuyển với tốc độ 601 dặm một giờ.
Einstein giả định trong các tính toán của mình rằng tốc độ ánh sáng truyền giữa hai hệ quy chiếu không đổi đối với những người quan sát ở cả hai vị trí. Bởi vì một người quan sát trong một khung hình sử dụng ánh sáng để xác định vị trí và vận tốc của các vật thể trong một khung hình khác, điều này làm thay đổi cách thức mà người quan sát có thể liên hệ vị trí và vận tốc của các vật thể. Einstein đã sử dụng khái niệm này để rút ra một số công thức quan trọng mô tả cách các vật thể trong một hệ quy chiếu xuất hiện khi nhìn từ một hệ quy chiếu khác đang chuyển động đều so với hệ quy chiếu đầu tiên. Kết quả của ông đã dẫn đến một số kết luận bất thường, mặc dù các hiệu ứng chỉ trở nên đáng chú ý khi vận tốc tương đối của một vật thể tiến gần đến vận tốc ánh sáng.
2.2. Công thức tính vận tốc ánh sáng là gì?
Theo kiến thức đơn giản trong bộ môn toán học, hay vật lý cơ bản, công thức tính vận tốc ánh sáng hay bất cứ vận tốc của một vật nào cũng được tính theo công thức:
V = S/ t
Trong đó:
V là vận tốc của vật cụ thể ở đây là ánh sáng, được tính bằng km/h, m/s
S là quãng đường vật hay chính xác là ánh sáng di chuyển được, đo bằng km, m
t là thời gian ánh sáng di chuyển, đơn vị đo là h, s
Tuy nhiên, học sâu về bước sóng, coi ánh sáng là các hạt tạo thành bước sóng trong vật lý lớp 12, chúng ta sẽ được học công thức tính vận tốc ánh sáng là:
c = fλ
Trong đó:
c là vận tốc ánh sáng
f là tần số
λ là bước sóng
Ngoài ra, khi học khúc xạ ánh sáng bạn sẽ biết được đến một công thức về khúc xạ ánh sáng là:
n = c/ v
Trong đó, n là tỉ số khúc xạ, c là vận tốc ánh sáng trong chân không và v là vận tốc ánh sáng trong môi trường đo được.
Và công thức cũng liên quan đến khúc xạ ánh sáng là: sini = n x sinr với i là góc khúc xạ trên bề mặt ban đầu, r là góc khúc xạ sau tăng.
Để hiểu được rõ hơn về những công thức này cũng như kiến thức về vận tốc ánh sáng, chúng ta cần thực hiện làm các bài tập có liên quan để rèn luyện kiến thức lý thuyết đã học.
3. Bài tập liên quan:
3.1. Bài tập lý thuyết:
Câu 1: Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được nằm trong khoảng nào?
A. Từ 200 nm đến 500 nm
B. Từ 0 đến 200 nm
C. Từ 105 nm đến 280 nm
D. Từ 380 nm đến 760 nm
Đáp án là: D
Câu 2: Tia nào khó quan sát sự giao thoa sóng nhất trong các tia sau:
A. Tia hồng ngoại
B. Tia X
C. Tia tử ngoại
D. Tia sáng nhìn thấy bằng mắt thường
Đáp án là: B
3.2. Bài tập vận dụng:
Bài tập 1: Tính tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường nước. Biết rằng tia sáng truyền từ không khí với góc tới là i = 60o thì góc khúc xạ trong nước sẽ là r = 40o. Lấy vận tốc ánh sáng ngoài không khí là c = 3.108 m/s.
Áp dụng công thức về khúc xạ ánh sáng ta có:
Sini = n x sinr => n = sin 60o / sin 40o.
=> n = (√3/2) : 0,64 = 1,53
Áp dụng công thức n = c/v => v = 3. 108 : 1,53 = 1,96. 108 m/s
Vậy, vận tốc của ánh sáng trong môi trường nước tính được là 1,96. 108 m/s
Bài tập 2: Một tia sáng truyền từ môi trường A vào môi trường B dưới góc tới i = 12o thì góc khúc xạ là r = 8o. Tốc độ ánh sáng trong môi trường B là 2,8.108 m/s. Tốc độ ánh sáng trong môi trường A là bao nhiêu?
