Sáng nào bạn cũng soi gương trước khi đi học: tóc đã gọn chưa, cổ áo đã ngay ngắn chưa. Buổi chiều, nắng xiên qua cửa sổ chiếu lên tấm gương treo tường, vệt sáng dội lại thành một đốm sáng nhảy múa trên trần nhà. Tối đến, bạn cầm đèn pin chiếu vào gương, tia sáng bật ra theo một hướng hoàn toàn khác. Tất cả những trò đùa với ánh sáng đó đều tuân theo một quy luật duy nhất, gọn tới mức chỉ cần một dòng là viết xong: góc tới bằng góc phản xạ. Hiểu được quy luật này, bạn sẽ đoán trước được tia sáng đi đâu chỉ bằng cách nhìn hướng tia sáng tới.
Trong bài viết này, bạn sẽ nắm định luật phản xạ ánh sáng từ gốc: góc tới và góc phản xạ là gì, vì sao hai góc này phải đo so với pháp tuyến chứ không phải so với mặt gương, và cách áp dụng định luật để tính góc trong đủ dạng bài tập. Bạn sẽ tính 4 ví dụ từng bước, tránh 5 lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, rồi tự luyện 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án giải thích cặn kẽ. Cuối bài là 5 câu hỏi thường gặp để bạn hiểu vì sao mặt nước lặng soi được bóng mây, vì sao gương chiếu hậu xe máy lại lồi, và vì sao một tia sáng chiếu thẳng góc vào gương lại dội ngược về đúng đường cũ.
Định luật phản xạ ánh sáng là gì?
Định luật phản xạ ánh sáng phát biểu như sau: tia phản xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của gương tại điểm tới; góc phản xạ bằng góc tới, tức i = i'. Trong đó, i là góc tới — góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến, còn i' là góc phản xạ — góc hợp bởi tia phản xạ và pháp tuyến. Pháp tuyến là đường thẳng vuông góc với mặt gương tại điểm tia sáng chạm vào gương. Bạn hãy ghi nhớ: cả hai góc đều đo so với pháp tuyến, không phải so với mặt gương — đây là điểm mấu chốt mà rất nhiều bạn nhầm lẫn khi làm bài tập.
Vì sao phải đo góc so với pháp tuyến? Vì pháp tuyến là mốc cố định, vuông góc với mặt gương nên không thay đổi dù tia sáng tới từ hướng nào; còn góc hợp với mặt gương thì chỉ là phần bù của góc tới, dễ gây nhầm lẫn. Bạn hãy nhớ quan hệ: góc tới cộng với góc hợp bởi tia tới và mặt gương luôn bằng 90°. Chẳng hạn, tia tới hợp với mặt gương 60° thì góc tới bằng 90° − 60° = 30°. Khi vẽ hình, bạn nên vẽ pháp tuyến trước tiên — một đường thẳng đứng vuông góc với mặt gương, thường vẽ bằng nét đứt — rồi mới đo hai góc i và i' hai bên pháp tuyến. Tia tới và tia phản xạ đối xứng nhau qua pháp tuyến, giống như hai cánh của một chiếc lá đối xứng qua gân lá. Bạn có thể thấy điều này rõ nhất khi soi gương: tia sáng từ mặt bạn tới gương rồi phản xạ vào mắt bạn, và góc tới luôn bằng góc phản xạ nên bạn mới thấy ảnh của mình ở đúng vị trí đó. Định luật này cũng là nền tảng để hiểu bài ảnh của vật qua gương phẳng, nơi tia phản xạ kéo dài về sau gương tạo thành ảnh ảo.
Một chi tiết rất hay gặp trong đời sống: gương chiếu hậu của xe máy thường là gương cầu lồi chứ không phải gương phẳng, nhưng định luật phản xạ vẫn đúng tại từng điểm trên mặt gương lồi, chỉ có điều pháp tuyến ở mỗi điểm lại hướng khác nhau nên gương lồi cho vùng nhìn rộng hơn. Tương tự, mặt nước lặng vào buổi sớm soi được bóng mây và bóng cây cũng vì mặt nước phẳng lặng như một tấm gương, ánh sáng phản xạ tuân theo đúng định luật i = i'. Khi ánh sáng đi từ không khí vào nước, nó còn bị đổi hướng theo định luật khúc xạ ánh sáng, nên bóng của vật dưới nước bao giờ cũng lệch khỏi vị trí thật. Còn khi mặt nước gợn sóng, mỗi điểm trên mặt nước có pháp tuyến hướng khác nhau nên tia sáng phản xạ đi lung tung, ta chỉ thấy những vệt sáng lấp loáng chứ không thấy ảnh rõ nét — đó gọi là phản xạ khuếch tán. Bạn có thể kiểm chứng nhanh mọi phép tính góc bằng máy tính Casio online trên ClassOn mỗi khi làm bài tập về nhà.
Bạn cũng cần phân biệt góc tới với góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ. Góc giữa hai tia này bằng tổng của góc tới và góc phản xạ, tức bằng 2i. Chẳng hạn, khi góc tới i = 40° thì góc giữa tia tới và tia phản xạ là 80°. Nhiều đề bài cho góc giữa hai tia rồi hỏi góc tới, bạn chỉ cần chia đôi là ra đáp án. Ngược lại, khi tia tới vuông góc với mặt gương, góc tới bằng 0°, tia phản xạ dội ngược lại đúng đường cũ — đó là trường hợp đặc biệt rất hay xuất hiện trong đề kiểm tra. Bạn hãy nhớ thêm một điều: định luật phản xạ đúng với mọi tia sáng, dù là ánh sáng mặt trời, ánh đèn pin hay tia laze, vì ánh sáng nào cũng tuân theo cùng một quy luật khi gặp mặt phản xạ.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Một tia sáng chiếu tới gương phẳng, tia tới hợp với pháp tuyến góc i = 30°. Tính góc phản xạ i'.
Bạn áp dụng định luật phản xạ ánh sáng: góc phản xạ bằng góc tới, tức i' = i. Bạn thay số: i' = 30°. Vậy góc phản xạ bằng 30°. Bạn kiểm tra: tia tới và tia phản xạ đối xứng nhau qua pháp tuyến, cả hai đều hợp với pháp tuyến góc 30°, nên góc giữa tia tới và tia phản xạ bằng 30° + 30° = 60° — khớp với hình vẽ. Bạn hãy để ý: đây là dạng bài đơn giản nhất của định luật, chỉ cần nhớ i' = i là trả lời được ngay.
Ví dụ 2 (tia tới hợp với mặt gương 20°): Một tia sáng chiếu tới gương phẳng, tia tới hợp với mặt gương một góc 20°. Tính góc tới i và góc phản xạ i'.
Bạn nhớ góc tới đo so với pháp tuyến, mà pháp tuyến vuông góc với mặt gương nên góc tới cộng với góc hợp bởi tia tới và mặt gương bằng 90°. Bạn tính góc tới: i = 90° − 20° = 70°. Bạn áp dụng định luật: góc phản xạ bằng góc tới, nên i' = 70°. Vậy góc tới bằng 70° và góc phản xạ bằng 70°. Bạn kiểm tra: góc giữa tia tới và tia phản xạ bằng 70° + 70° = 140°, còn góc hợp bởi tia phản xạ và mặt gương bằng 90° − 70° = 20°, bằng đúng góc hợp bởi tia tới và mặt gương — khớp, vì hai tia đối xứng qua pháp tuyến. Bạn hãy để ý: đề bài cho góc với mặt gương là để thử xem bạn có nhớ phải đổi sang góc với pháp tuyến hay không; ai lấy luôn 20° làm góc tới sẽ sai.
Ví dụ 3 (cho góc giữa tia tới và tia phản xạ): Góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ bằng 80°. Tính góc tới i và góc phản xạ i'.
Bạn nhớ góc giữa tia tới và tia phản xạ bằng tổng góc tới và góc phản xạ, tức bằng 2i vì i = i'. Bạn tính: 2i = 80°, nên i = 40°. Bạn áp dụng định luật: i' = i = 40°. Vậy góc tới bằng 40° và góc phản xạ bằng 40°. Bạn kiểm tra: 40° + 40° = 80° — đúng bằng góc giữa hai tia đã cho, khớp. Bạn hãy để ý: dạng bài này ngược với Ví dụ 1, đề bài cho tổng rồi hỏi từng góc; cách làm nhanh nhất là chia đôi góc giữa hai tia.
Ví dụ 4 (tia tới vuông góc với gương): Một tia sáng chiếu vuông góc với mặt gương phẳng. Tính góc tới i, góc phản xạ i' và mô tả đường đi của tia phản xạ.
Bạn nhớ tia tới vuông góc với mặt gương nghĩa là tia tới trùng với pháp tuyến, nên góc hợp bởi tia tới và pháp tuyến bằng 0°. Bạn tính: i = 0°, và theo định luật, i' = i = 0°. Vậy góc tới bằng 0° và góc phản xạ bằng 0°. Bạn mô tả: tia phản xạ đi ngược lại đúng đường của tia tới, tức tia sáng dội thẳng về nguồn sáng. Bạn kiểm tra: góc giữa tia tới và tia phản xạ bằng 0° + 0° = 0°, hai tia trùng nhau — khớp. Bạn hãy để ý: đây là trường hợp đặc biệt hay gặp trong đề kiểm tra, và cũng là nguyên tắc hoạt động của gương phản xạ trong các thiết bị đo khoảng cách bằng laze.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Đo góc tới so với mặt gương thay vì so với pháp tuyến.
Nhiều bạn lấy góc hợp bởi tia tới và mặt gương làm góc tới, nên đáp án sai ngay từ bước đầu. Cách tránh: bạn hãy nhớ định luật viết i = i' với i và i' đều đo so với pháp tuyến; mỗi lần làm bài, bạn vẽ pháp tuyến bằng nét đứt trước, rồi mới đo góc hai bên pháp tuyến.
Lỗi 2: Nhầm góc phản xạ với góc hợp bởi tia phản xạ và mặt gương.
Nhiều bạn tính đúng góc tới rồi lại trả lời góc phản xạ bằng 90° trừ đi góc tới. Cách tránh: bạn hãy nhớ góc phản xạ bằng đúng góc tới, không cần cộng hay trừ gì thêm; góc hợp bởi tia phản xạ và mặt gương mới bằng 90° − i'.
Lỗi 3: Tưởng tia phản xạ đối xứng qua mặt gương.
Nhiều bạn vẽ tia phản xạ đối xứng với tia tới qua mặt gương, tức là lấy mặt gương làm trục đối xứng. Cách tránh: bạn hãy nhớ trục đối xứng là pháp tuyến, không phải mặt gương; tia tới và tia phản xạ đối xứng nhau qua pháp tuyến, còn mặt gương chỉ là mặt phẳng phản xạ.
Lỗi 4: Quên tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới.
Nhiều bạn vẽ tia phản xạ lệch ra khỏi mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến, nhất là khi làm bài tập không gian. Cách tránh: bạn hãy nhớ định luật có hai phần: tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới, và góc phản xạ bằng góc tới; cả hai phần đều phải thỏa mãn thì tia phản xạ mới đúng.
Lỗi 5: Nhầm góc giữa tia tới và tia phản xạ với góc tới.
Nhiều bạn thấy đề bài cho góc giữa hai tia bằng 80° thì trả lời ngay góc tới bằng 80°. Cách tránh: bạn hãy nhớ góc giữa hai tia bằng 2i, nên muốn tìm góc tới thì phải chia đôi; ngược lại, muốn tìm góc giữa hai tia thì lấy góc tới nhân đôi.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ vẽ pháp tuyến trước khi đo góc.
Câu 1: Một tia sáng chiếu tới gương phẳng với góc tới i = 30°. Góc phản xạ i' bằng bao nhiêu?
A. 30°
B. 60°
C. 90°
D. 15°
Câu 2: Một tia sáng chiếu tới gương phẳng, tia tới hợp với mặt gương một góc 25°. Góc phản xạ i' bằng bao nhiêu?
A. 25°
B. 65°
C. 50°
D. 90°
Câu 3: Góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ bằng 100°. Góc tới i bằng bao nhiêu?
A. 100°
B. 25°
C. 50°
D. 80°
Câu 4: Một tia sáng chiếu vuông góc với mặt gương phẳng. Góc phản xạ i' bằng bao nhiêu?
A. 0°
B. 90°
C. 45°
D. 180°
Câu 5: Phát biểu nào sau đây đúng về định luật phản xạ ánh sáng?
A. Góc phản xạ bằng góc tới
B. Góc phản xạ gấp đôi góc tới
C. Tia phản xạ nằm khác mặt phẳng với tia tới
D. Góc tới đo so với mặt gương
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | B | C | A | A |
Giải thích Câu 1 — Đáp án A đúng: Theo định luật phản xạ ánh sáng, góc phản xạ bằng góc tới nên i' = i = 30°. Đáp án B sai vì 60° là góc giữa tia tới và tia phản xạ, không phải góc phản xạ. Đáp án C sai vì 90° là góc giữa pháp tuyến và mặt gương. Đáp án D sai vì 15° là kết quả khi chia nhầm góc tới cho 2.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B đúng: Góc tới đo so với pháp tuyến nên i = 90° − 25° = 65°, suy ra góc phản xạ i' = 65°. Đáp án A sai vì 25° là góc hợp bởi tia tới và mặt gương, không phải góc tới. Đáp án C sai vì 50° là kết quả khi lấy 25° nhân đôi. Đáp án D sai vì 90° là góc giữa pháp tuyến và mặt gương.
Giải thích Câu 3 — Đáp án C đúng: Góc giữa tia tới và tia phản xạ bằng 2i = 100°, nên i = 50°. Đáp án A sai vì 100° là góc giữa hai tia, không phải góc tới. Đáp án B sai vì 25° là kết quả khi chia nhầm 100° cho 4. Đáp án D sai vì 80° không có phép tính nào cho ra.
Giải thích Câu 4 — Đáp án A đúng: Tia tới vuông góc với mặt gương nghĩa là tia tới trùng với pháp tuyến nên góc tới i = 0°, suy ra góc phản xạ i' = 0° và tia phản xạ dội ngược lại đúng đường cũ. Đáp án B sai vì 90° là góc giữa tia tới và mặt gương, không phải góc phản xạ. Đáp án C sai vì 45° không có phép tính nào cho ra. Đáp án D sai vì 180° là góc bẹt, không phải góc phản xạ.
Giải thích Câu 5 — Đáp án A đúng: Định luật phản xạ ánh sáng phát biểu góc phản xạ bằng góc tới. Đáp án B sai vì góc phản xạ không gấp đôi góc tới. Đáp án C sai vì tia phản xạ nằm trong cùng mặt phẳng với tia tới và pháp tuyến. Đáp án D sai vì góc tới đo so với pháp tuyến, không phải so với mặt gương.
Câu hỏi thường gặp về định luật phản xạ ánh sáng
Hỏi: Vì sao soi gương ta thấy ảnh của mình ở phía sau gương?
Đáp: Vì tia sáng từ mặt bạn tới gương rồi phản xạ vào mắt bạn theo đúng định luật i = i'. Mắt bạn không biết tia sáng đã bị gương đổi hướng, mà cứ tưởng tia sáng đi thẳng tới, nên bạn thấy ảnh của mình ở phía sau gương, đối xứng với vật qua mặt gương.
Hỏi: Gương chiếu hậu xe máy vì sao thường là gương cầu lồi mà không phải gương phẳng?
Đáp: Vì gương cầu lồi cho vùng quan sát rộng hơn gương phẳng cùng kích thước, giúp người lái thấy được nhiều xe phía sau hơn. Định luật phản xạ vẫn đúng tại từng điểm trên mặt gương lồi, chỉ có pháp tuyến ở mỗi điểm hướng khác nhau nên tia phản xạ tỏa ra nhiều hướng.
Hỏi: Vì sao mặt nước lặng soi được bóng mây còn mặt nước gợn sóng thì không?
Đáp: Vì mặt nước lặng phẳng như một tấm gương, mọi điểm trên mặt nước có cùng một pháp tuyến nên tia phản xạ đi theo một hướng nhất định, tạo thành ảnh rõ nét. Mặt nước gợn sóng có pháp tuyến ở mỗi điểm hướng khác nhau, tia phản xạ đi lung tung nên ta chỉ thấy những vệt sáng lấp loáng.
Hỏi: Tia sáng chiếu thẳng góc vào gương thì đi đâu?
Đáp: Tia sáng dội ngược lại đúng đường cũ, vì góc tới bằng 0° nên góc phản xạ cũng bằng 0°. Đây là nguyên tắc của các tấm phản quang trên áo bảo hộ và biển báo giao thông: ánh sáng đèn xe chiếu tới sẽ dội ngược về phía xe để tài xế nhìn thấy.
Hỏi: Ánh sáng phản xạ trên mặt gồ ghề như tường nhà có tuân theo định luật không?
Đáp: Có, định luật vẫn đúng tại từng điểm nhỏ trên mặt gồ ghề. Chỉ có điều mỗi điểm nhỏ có pháp tuyến hướng khác nhau nên tia phản xạ đi theo nhiều hướng khác nhau, gọi là phản xạ khuếch tán. Nhờ phản xạ khuếch tán mà ta nhìn thấy được tường nhà và mọi vật xung quanh từ nhiều góc độ.
Kết luận
Định luật phản xạ ánh sáng chỉ gói gọn trong một câu: góc phản xạ bằng góc tới. Bạn hãy nhớ ba điều: góc tới và góc phản xạ đều đo so với pháp tuyến, không phải so với mặt gương; tia tới và tia phản xạ đối xứng nhau qua pháp tuyến; và góc giữa tia tới và tia phản xạ bằng hai lần góc tới. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính góc phản xạ trong mọi tình huống — và cũng hiểu vì sao chiếc gương soi mỗi sáng, mặt hồ lặng buổi sớm và cả gương chiếu hậu xe máy đều tuân theo cùng một quy luật.