Phản xạ (Reflection)

Phản xạ ánh sáng

Phản xạ ánh sáng là sự thay đổi hướng của tia sáng khi gặp một bề mặt. Có hai loại phản xạ ánh sáng chính:

• Phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection): Xảy ra khi bề mặt gồ ghề. Các tia sáng tới bị phản xạ theo nhiều hướng khác nhau làm cho bề mặt được nhìn thấy từ nhiều góc độ. Ví dụ: phản xạ ánh sáng trên bề mặt giấy, vải, tường.
• Phản xạ gương (Specular reflection): Xảy ra khi bề mặt nhẵn bóng. Các tia sáng tới bị phản xạ theo một hướng xác định. Góc tới bằng góc phản xạ. Ví dụ: phản xạ ánh sáng trên bề mặt gương phẳng, mặt nước yên tĩnh.

Định luật phản xạ ánh sáng

Định luật phản xạ ánh sáng được biểu diễn qua hai điều sau:

• Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt phản xạ tại điểm tới.
• Góc phản xạ $i’$ bằng góc tới $i$: $i’ = i$

Trong đó:

• $i$: góc tới (góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến)
• $i’$: góc phản xạ (góc hợp bởi tia phản xạ và pháp tuyến)

Phản xạ sóng âm

Phản xạ sóng âm là sự dội lại của sóng âm khi gặp một bề mặt. Hiện tượng này là nguyên nhân tạo ra tiếng vang và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như siêu âm, định vị bằng âm thanh. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ sóng âm bao gồm:

• Tính chất của bề mặt: Bề mặt cứng, nhẵn phản xạ âm tốt hơn bề mặt mềm, xốp. Ví dụ, tường gạch phản xạ âm tốt hơn tường phủ nhung.
• Tần số của sóng âm: Sóng âm có tần số cao bị phản xạ tốt hơn sóng âm có tần số thấp.
• Góc tới: Tương tự như phản xạ ánh sáng, góc phản xạ của sóng âm cũng bằng góc tới.

Phản xạ sóng nước

Phản xạ sóng nước xảy ra khi sóng nước gặp một vật cản. Góc phản xạ bằng góc tới. Hiện tượng này thường thấy khi sóng nước gặp bờ, vách đá hoặc các vật thể nổi trên mặt nước.

Phản xạ sóng địa chấn

Phản xạ sóng địa chấn là sự phản xạ của sóng địa chấn khi gặp các lớp đá khác nhau bên trong Trái Đất. Hiện tượng này được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của Trái Đất, thăm dò dầu khí và khoáng sản.

Ứng dụng của phản xạ

Phản xạ có nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học kỹ thuật, ví dụ:

• Gương: Sử dụng phản xạ ánh sáng để tạo ảnh.
• Kính thiên văn phản xạ: Sử dụng gương để tập trung ánh sáng từ các vật thể ở xa.
• Siêu âm: Sử dụng phản xạ sóng âm để tạo ảnh của các cơ quan bên trong cơ thể.
• Radar: Sử dụng phản xạ sóng điện từ để phát hiện và định vị các vật thể.
• Đo đạc địa chất: Sử dụng phản xạ sóng địa chấn để khảo sát cấu trúc địa chất.
• Thiết kế phòng hòa nhạc: Ứng dụng phản xạ âm thanh để tạo hiệu ứng âm thanh tốt nhất.
• Cáp quang: Sử dụng phản xạ toàn phần để truyền tín hiệu ánh sáng trong cáp quang.

Phản xạ là một hiện tượng vật lý quan trọng, có nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống. Hiểu rõ về phản xạ giúp chúng ta ứng dụng nó một cách hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Phản xạ sóng điện từ

Sóng điện từ, bao gồm sóng radio, vi sóng, ánh sáng, tia X và tia gamma, cũng có thể bị phản xạ khi gặp một bề mặt. Hiện tượng phản xạ sóng điện từ được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông, radar, lò vi sóng và nhiều lĩnh vực khác. Góc phản xạ của sóng điện từ cũng tuân theo định luật phản xạ, tương tự như ánh sáng.

Phản xạ toàn phần

Phản xạ toàn phần là hiện tượng xảy ra khi tia sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém (n$_1$ > n$2$) với góc tới lớn hơn góc giới hạn $i{gh}$. Khi đó, không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ trở lại môi trường thứ nhất. Góc giới hạn được xác định bởi công thức:

sin $i_{gh}$ = n$_2$ / n$_1$

Trong đó:

• n$_1$: Chiết suất của môi trường thứ nhất (môi trường mà tia sáng đi từ đó).
• n$_2$: Chiết suất của môi trường thứ hai (môi trường mà tia sáng đi tới).

Hệ số phản xạ

Hệ số phản xạ (ký hiệu là R) là tỉ số giữa cường độ của sóng phản xạ và cường độ của sóng tới. Nó biểu thị phần năng lượng của sóng bị phản xạ. Giá trị của R nằm trong khoảng từ 0 đến 1. R = 0 nghĩa là không có phản xạ, R = 1 nghĩa là phản xạ toàn phần.

Phản xạ trong quang học hình học

Trong quang học hình học, phản xạ được sử dụng để phân tích sự tạo ảnh bởi gương phẳng, gương cầu (lồi, lõm). Các công thức liên quan đến gương cầu:

• Gương cầu lõm: 1/f = 1/d + 1/d’
• Gương cầu lồi: 1/f = 1/d + 1/d’ (d’ mang giá trị âm)

Trong đó:

• f: tiêu cự của gương
• d: khoảng cách từ vật đến gương
• d’: khoảng cách từ ảnh đến gương

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ

• Tính chất của bề mặt: Bề mặt càng nhẵn thì phản xạ càng mạnh (phản xạ gương). Bề mặt gồ ghề gây ra phản xạ khuếch tán.
• Góc tới: Góc tới càng lớn thì góc phản xạ cũng càng lớn.
• Chiết suất của môi trường: Sự chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường ảnh hưởng đến cường độ phản xạ và khúc xạ.
• Bước sóng: Bước sóng của sóng cũng ảnh hưởng đến phản xạ. Ví dụ, một số vật liệu phản xạ tốt một số bước sóng nhất định và hấp thụ các bước sóng khác.

• Hecht, Eugene. Optics. 5th ed., Pearson Education, 2017.
• Serway, Raymond A., and John W. Jewett. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. 10th ed., Cengage Learning, 2018.
• Tipler, Paul A., and Gene Mosca. Physics for Scientists and Engineers. 6th ed., W.H. Freeman, 2008.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa phản xạ khuếch tán và phản xạ gương là gì?

Trả lời: Phản xạ khuếch tán xảy ra trên bề mặt gồ ghề, khiến ánh sáng phản xạ theo nhiều hướng khác nhau. Ngược lại, phản xạ gương xảy ra trên bề mặt nhẵn, ánh sáng phản xạ theo một hướng xác định tuân theo định luật phản xạ ($i’ = i$).

Tại sao phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi tia sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém?

Trả lời: Khi tia sáng đi từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém, góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Khi góc tới tăng đến một giá trị nhất định (góc giới hạn), góc khúc xạ đạt 90 độ. Nếu góc tới tiếp tục tăng, tia sáng sẽ không khúc xạ mà bị phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường ban đầu.

Hệ số phản xạ phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Trả lời: Hệ số phản xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Chiết suất của hai môi trường: Sự chênh lệch chiết suất càng lớn, hệ số phản xạ càng cao.
• Góc tới: Hệ số phản xạ thay đổi theo góc tới.
• Bước sóng của ánh sáng: Các bước sóng khác nhau có thể có hệ số phản xạ khác nhau.
• Phân cực của ánh sáng: Ánh sáng phân cực theo các hướng khác nhau có thể có hệ số phản xạ khác nhau.
• Tính chất bề mặt: Bề mặt nhẵn có hệ số phản xạ cao hơn bề mặt gồ ghề.

Ngoài gương phẳng và gương cầu, còn loại gương nào khác được sử dụng trong thực tế? Cho ví dụ ứng dụng.

Trả lời: Ngoài gương phẳng và gương cầu, còn có gương parabol và gương hyperbol. Gương parabol được sử dụng trong ăng ten parabol để tập trung sóng điện từ, trong khi gương hyperbol được sử dụng trong kính thiên văn Cassegrain để tạo ra hình ảnh sắc nét hơn.

Làm thế nào để tính khoảng cách từ ảnh đến gương cầu lõm khi biết tiêu cự và khoảng cách từ vật đến gương?

Trả lời: Sử dụng công thức 1/f = 1/d + 1/d’, trong đó f là tiêu cự, d là khoảng cách từ vật đến gương, và d’ là khoảng cách từ ảnh đến gương. Từ công thức này, ta có thể rút ra d’ = (d*f)/(d-f). Lưu ý, d’ mang giá trị dương nếu ảnh là ảnh thật và mang giá trị âm nếu ảnh là ảnh ảo.