Gương (Mirror)

Nguyên lý hoạt động

Gương hoạt động dựa trên định luật phản xạ ánh sáng. Định luật này phát biểu rằng:

• Tia tới, tia phản xạ và pháp tuyến của mặt gương tại điểm tới nằm trên cùng một mặt phẳng.
• Góc tới ($i$) bằng góc phản xạ ($r$). Tức là $i = r$.

Chính nhờ định luật này mà hình ảnh được tạo ra trong gương có kích thước bằng vật thật và đối xứng với vật qua mặt gương. Khi ánh sáng từ vật thể chiếu tới gương, mỗi tia sáng đều tuân theo định luật phản xạ, tạo ra một chùm tia phản xạ. Mắt chúng ta thu nhận chùm tia phản xạ này và não bộ diễn giải chúng thành hình ảnh của vật thể, như thể ánh sáng phát ra trực tiếp từ vị trí của ảnh trong gương.

Các loại gương

Có nhiều loại gương khác nhau, mỗi loại có đặc tính và ứng dụng riêng:

• Gương phẳng: Đây là loại gương phổ biến nhất, có bề mặt phẳng. Hình ảnh tạo ra bởi gương phẳng có kích thước bằng vật, cùng chiều và là ảnh ảo. Khoảng cách từ vật đến gương bằng khoảng cách từ ảnh đến gương. Gương phẳng thường được sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày, trang trí nội thất, v.v.
• Gương cầu: Gương cầu có bề mặt là một phần của hình cầu. Có hai loại gương cầu chính:
  • Gương cầu lõm: Bề mặt phản xạ là mặt trong của hình cầu. Gương cầu lõm có thể tạo ra cả ảnh thật và ảnh ảo, tùy thuộc vào vị trí của vật so với gương. Khi vật ở xa gương, ảnh tạo ra là ảnh thật, ngược chiều và nhỏ hơn vật. Khi vật ở gần gương, ảnh tạo ra là ảnh ảo, cùng chiều và lớn hơn vật. Chúng được sử dụng trong kính thiên văn phản xạ, đèn pha ô tô, đèn pin, v.v. để hội tụ ánh sáng.
  • Gương cầu lồi: Bề mặt phản xạ là mặt ngoài của hình cầu. Gương cầu lồi luôn tạo ra ảnh ảo, nhỏ hơn vật và nằm phía sau gương. Gương cầu lồi có trường nhìn rộng hơn so với gương phẳng. Chúng được sử dụng làm gương chiếu hậu xe hơi, gương an ninh trong cửa hàng, v.v.
• Gương parabol: Gương parabol có bề mặt là một phần của hình parabol. Chúng có khả năng hội tụ các tia sáng song song về một điểm gọi là tiêu điểm, và ngược lại, có thể biến ánh sáng từ một nguồn điểm ở tiêu điểm thành chùm tia song song. Ứng dụng của gương parabol bao gồm ăng-ten parabol, đèn pha, lò mặt trời, v.v.

Vật liệu chế tạo gương

Gương thường được làm bằng thủy tinh được phủ một lớp kim loại phản xạ cao như bạc hoặc nhôm. Lớp phủ này được bảo vệ bởi một lớp sơn hoặc vật liệu khác để tránh bị oxi hóa và trầy xước. Gương hiện đại cũng có thể được làm từ các vật liệu khác như kim loại đánh bóng hoặc nhựa phủ kim loại. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của gương. Ví dụ, gương dùng trong kính thiên văn thường được phủ bạc hoặc nhôm để đạt hiệu suất phản xạ cao nhất, trong khi gương trang trí nội thất có thể sử dụng các vật liệu ít tốn kém hơn.

Ứng dụng

Gương có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học kỹ thuật, bao gồm:

• Trong sinh hoạt hàng ngày: soi gương, trang trí nội thất.
• Trong khoa học kỹ thuật: kính thiên văn, kính hiển vi, dụng cụ y tế, hệ thống laser, năng lượng mặt trời.
• Trong giao thông: gương chiếu hậu xe hơi.
• Trong nghệ thuật: tạo hiệu ứng thị giác.

Một số thuật ngữ liên quan

• Tiêu điểm (Focus): Điểm mà các tia sáng song song hội tụ sau khi phản xạ trên gương cầu lõm hoặc gương parabol.
• Quang tâm (Optical center): Tâm của gương cầu.
• Bán kính cong (Radius of curvature): Bán kính của hình cầu mà gương cầu là một phần của nó. Ký hiệu là $R$.
• Tiêu cự (Focal length): Khoảng cách từ tiêu điểm đến đỉnh gương cầu lõm hoặc gương parabol. $f = \frac{R}{2}$ (trong đó $R$ là bán kính cong).

Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn những thông tin cơ bản về gương.

Gương hai chiều (Two-way mirror)

Còn được gọi là gương bán mạ (half-silvered mirror) hoặc gương một chiều (one-way mirror). Loại gương này được phủ một lớp kim loại mỏng, chỉ phản xạ một phần ánh sáng và cho phép một phần ánh sáng đi qua. Hiệu ứng một chiều xảy ra khi một bên gương được chiếu sáng mạnh hơn bên kia. Bên sáng hơn sẽ thấy hình ảnh phản chiếu của chính nó, trong khi bên tối hơn có thể nhìn xuyên qua gương. Gương hai chiều được sử dụng trong phòng thẩm vấn, nghiên cứu hành vi và một số hiệu ứng sân khấu.

Gương điện sắc (Electrochromic mirror)

Loại gương đặc biệt này có thể thay đổi độ phản xạ của nó bằng cách sử dụng điện áp. Khi điện áp được đặt vào, gương sẽ chuyển từ trạng thái trong suốt sang trạng thái phản xạ hoặc ngược lại. Ứng dụng của gương điện sắc bao gồm cửa sổ thông minh trong các tòa nhà và kính chiếu hậu chống chói trong xe hơi.

Gương phi cầu (Non-spherical mirror)

Ngoài gương cầu và gương parabol, còn có các loại gương phi cầu khác được thiết kế để phục vụ các mục đích đặc biệt, ví dụ như gương toroidal, gương elip.

Sự phản xạ toàn phần (Total internal reflection)

Hiện tượng này xảy ra khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém hơn với góc tới lớn hơn góc giới hạn. Trong trường hợp này, tất cả ánh sáng đều bị phản xạ trở lại môi trường chiết quang hơn. Nguyên lý này được ứng dụng trong cáp quang.

Độ phóng đại (Magnification)

Độ phóng đại của gương là tỉ số giữa chiều cao của ảnh ($h’$) và chiều cao của vật ($h$). Công thức tính độ phóng đại cho gương cầu là: $M = \frac{h’}{h} = -\frac{d’}{d}$, trong đó $d$ là khoảng cách từ vật đến gương và $d’$ là khoảng cách từ ảnh đến gương. Dấu âm chỉ ảnh đảo ngược.

Phương trình gương (Mirror equation)

Phương trình liên hệ giữa khoảng cách từ vật đến gương ($d$), khoảng cách từ ảnh đến gương ($d’$) và tiêu cự ($f$) của gương cầu: $\frac{1}{d} + \frac{1}{d’} = \frac{1}{f}$.

• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson Education.
• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2018). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons.
• Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers. Cengage Learning.
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. W. H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao gương cầu lõm có thể tạo ra cả ảnh thật và ảnh ảo, trong khi gương cầu lồi chỉ tạo ra ảnh ảo?

Trả lời: Sự khác biệt này nằm ở tính chất hội tụ và phân kỳ của hai loại gương. Gương cầu lõm hội tụ ánh sáng, nghĩa là các tia sáng phản xạ sẽ hội tụ tại một điểm. Nếu vật nằm ngoài tiêu điểm, các tia phản xạ sẽ hội tụ tạo thành ảnh thật phía trước gương. Nếu vật nằm trong tiêu điểm, các tia phản xạ sẽ phân kỳ và hội tụ ảo phía sau gương, tạo thành ảnh ảo. Gương cầu lồi, mặt khác, luôn phân kỳ ánh sáng. Các tia phản xạ không bao giờ hội tụ thực sự, mà chỉ hội tụ ảo phía sau gương, do đó luôn tạo ra ảnh ảo.

Làm thế nào để tính tiêu cự của một gương cầu lõm khi biết bán kính cong của nó?

Trả lời: Tiêu cự ($f$) của gương cầu lõm bằng một nửa bán kính cong ($R$) của nó. Công thức là: $f = \frac{R}{2}$.

Sự khác biệt giữa phản xạ đặc trưng và phản xạ khuếch tán là gì?

Trả lời: Phản xạ đặc trưng xảy ra trên bề mặt nhẵn, các tia sáng phản xạ theo một hướng xác định, tuân theo định luật phản xạ. Đây là nguyên lý hoạt động của gương. Phản xạ khuếch tán xảy ra trên bề mặt gồ ghề, các tia sáng phản xạ theo nhiều hướng khác nhau. Ví dụ, ánh sáng phản xạ từ một tờ giấy là phản xạ khuếch tán.

Ứng dụng của gương parabol trong đời sống là gì?

Trả lời: Gương parabol được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong việc tập trung năng lượng và sóng. Ví dụ: ăng-ten parabol dùng để tập trung sóng vô tuyến, đèn pha ô tô và đèn pin dùng gương parabol để tạo ra chùm tia sáng song song, lò năng lượng mặt trời sử dụng gương parabol để tập trung ánh sáng mặt trời tạo nhiệt.

Tại sao gương hai chiều lại có thể nhìn xuyên một chiều?

Trả lời: Gương hai chiều, thực chất là gương bán mạ, chỉ phản xạ một phần ánh sáng và cho phép một phần ánh sáng đi qua. Khi một bên gương được chiếu sáng mạnh hơn bên kia, sự chênh lệch cường độ ánh sáng tạo ra hiệu ứng một chiều. Bên sáng hơn chủ yếu nhìn thấy phản xạ của chính mình, trong khi bên tối hơn có thể nhìn xuyên qua gương vì lượng ánh sáng truyền qua từ bên sáng đủ lớn để quan sát. Nếu cả hai bên được chiếu sáng như nhau, cả hai bên đều có thể nhìn xuyên qua gương.