Bài 7. Thấu kính. Kính lúp

THẤU KÍNH

Nhận biết thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì

- Thấu kính là một khối trong suốt, đồng chất (thuỷ tinh, nhựa, ...) được giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt phẳng và một mặt cong. Dựa vào hình dạng, có hai loại thấu kính: rìa mỏng và rìa dày

- Trong không khí, các chùm sáng hẹp song song đi qua thấu kính rìa mỏng cho chùm tia ló hội tụ nên thấu kính rìa mỏng còn được gọi là thấu kính hội tụ; các chùm sáng hẹp song song đi qua thấu kính rìa dày cho chùm tia ló phân kì nên thấu kính rìa dày còn được gọi là thấu kính phân kì.

Tìm hiểu trục chính, quang tâm, tiêu điểm chính và tiêu cự của thấu kính

- Trong các tia sáng song song đi tới thấu kính, có một tia tới vuông góc với bề mặt thấu kính thì truyền thẳng. Tia này trùng với một đường thẳng A gọi là trục chính của thấu kính.

- Trục chính của thấu kính đi qua một điểm O ở tâm của thấu kính. Điểm này gọi là quang tâm của thấu kính.

- Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló hoặc đường kéo dài của chùm tia ló cắt nhau tại một điểm F trên trục chính. Điểm này gọi là tiêu điểm chính của thấu kính.

- Khoảng cách f từ quang tâm đến tiêu điểm chính được gọi là tiêu cự của thấu kính: f = OF.

Thí nghiệm khảo sát đường đi của một số tia sáng qua thấu kính

Thí nghiệm 1: Khảo sát đường đi của một số tia sáng qua thấu kính hội tụ

Chuẩn bị: nguồn phát chùm sáng hẹp (hoặc nguồn sáng laser), thấu kính hội tụ, tờ giấy trắng, bút, thước.

Tiến hành thí nghiệm:

- Bước 1: Vẽ một đường thẳng trên giấy. Đánh dấu một điểm O trên đường thẳng.

- Bước 2: Đặt thấu kính hội tụ lên tờ giấy sao cho đường thẳng này trùng với trục chính A của thấu kính và điểm O trùng với quang tâm của thấu kính

- Bước 3: Lần lượt chiếu tia tới theo các phương xiên khác nhau đi qua quang tâm O của thấu kính (Hình 7.8a). Quan sát đường đi của các tia sáng.

- Bước 4: Chiếu các tia tới song song với trục chính (Hình 7.8b), quan sát đường đi của các tia sáng và đánh dấu giao điểm F của tia ló với trục chính trên tờ giấy.

Thí nghiệm 2: Khảo sát đường đi của một số tia sáng qua thấu kính phân kì

Chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm tương tự Thí nghiệm 1, thay thấu kính hội tụ bằng thấu kính phân kì. Ở bước 4, đánh dấu giao điểm F là giao điểm của đường kéo dài của các tia ló với trục chính.

Kết quả hai thí nghiệm trên cho thấy:

- Tia tới quang tâm của thấu kính thì truyển thẳng.

- Tia tới song song với trục chính thì tia ló (hoặc đường kéo dài của tia ló) đi qua tiêu điểm chính của thấu kính.

Giải thích nguyên lí hoạt động của thấu kính

- Để giải thích sự lệch của tia sáng qua thấu kính, ta có thể xem thấu kính là tập hợp các lăng kính nhỏ được ghép sát nhau.

- Tia sáng đi qua lăng kính luôn lệch về phía đáy. Tập hợp các tia sáng đi qua những lăng kính nhỏ tạo nên chùm tia ló là chùm tia hội tụ hoặc chùm tia phân kì.

2. ẢNH CỦA VẬT QUA THẤU KÍNH – CÁCH VẼ ẢNH

Chúng ta đã biết được ảnh ảo là ảnh có thể quan sát được nhưng không thể hứng được trên màn chắn như ảnh nhìn qua gương phẳng, qua mặt nước, ... Ảnh thật là ảnh có thể hứng được trên màn chắn như ảnh xuất hiện trên màn chiếu do máy chiếu tạo nên.

Thí nghiệm quan sát ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

Chuẩn bị: vật (ngọn nến, khe sáng hình chữ L hoặc F), nguồn điện, nguồn sáng, thấu kính hội tụ (tiêu cự 10 cm), giá quang học, màn chắn.

Tiến hành:

- Bước 1: Bố trí thí nghiệm. Lúc đầu, đặt vật sát nguồn sáng. Thấu kính cách vật một khoảng lớn hơn 10 cm, màn chắn đặt gần thấu kính.

- Bước 2: Bật nguồn sáng. Từ từ dịch chuyển màn chắn ra xa thấu kính cho đến khi ảnh của vật hiện rõ nét trên màn chắn. Sau đó, dịch chuyển thấu kính ra xa vật hơn, điều chỉnh vị trí của màn chắn để thu được ảnh rõ nét. Quan sát sự thay đổi độ lớn và chiều của ảnh trên màn chắn.

- Bước 3: Dịch chuyển thấu kính lại gần vật sao cho khoảng cách từ vật đến thấu kính nhỏ hơn 10 cm. Đặt mắt sau thấu kính để quan sát ảnh trong trường hợp này.

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy một vật đặt trước thấu kính hội tụ có thể tạo ra:

+ ảnh thật ngược chiều, lớn hoặc nhỏ hơn vật.

+ ảnh ảo cùng chiều và lớn hơn vật.

Thí nghiệm quan sát ảnh của vật qua thấu kính phân kì

Chuẩn bị: vật (ngọn nến, khe sáng hình chữ L hoặc F), nguồn điện, nguồn sáng, thấu kính phân kì (tiêu cự 10 cm), giá quang học, màn chắn.

Tiến hành:

- Bước 1: Bố trí thí nghiệm, nhưng thay thấu kính hội tụ bằng thấu kính phân kì.

- Bước 2: Để tìm ảnh trên màn chắn, lúc đầu cố định màn chắn và dịch chuyển vật, sau đó cố định vật và dịch chuyển màn chắn.

- Bước 3: Nếu không quan sát thấy ảnh trên màn chắn, hãy đặt mắt sau thấu kính để quan sát ảnh của vật.

- Bước 4: Tiếp tục thay đổi khoảng cách giữa vật và thấu kính, quan sát độ lớn của ảnh.

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy một vật đặt ở mọi vị trí trước thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo cùng chiều và nhỏ hơn vật.

Vẽ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

Để xác định vị trí và tính toán độ lớn của ảnh quan sát được, chúng ta có thể sử dụng sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh. Trên giấy kẻ ô, chúng ta vẽ đường đi của các tia sáng qua thấu kính, xác định vị trí và kích thước của vật và ảnh rồi tính toán các đại lượng dựa vào tỉ lệ xích của các ô.

Chuẩn bị: giấy kẻ ô, bút chì, thước kẻ.

Xác định vị trí và độ lớn ảnh thật của vật qua thấu kính hội tụ

Ví dụ 1: Đặt một vật AB có độ lớn 6 cm, vuông góc với trục chính, cách thấu kính 24 cm. Đầu B của vật nằm trên trục chính. Cho biết tiêu cự của thấu kính là 8 cm. Bằng cách vẽ sơ đồ tỉ lệ, hãy xác định vị trí và độ lớn của ảnh.

Lời giải:

- Trên giấy kẻ ô, chọn tỉ lệ xích độ dài cạnh mỗi ô vuông tương ứng với 2 cm trong thực tế.

- Vẽ kí hiệu thấu kính hội tụ L, quang tâm O, trục chính A và tiêu điểm F cách thấu kính 4 ô.

- Vẽ vật AB có độ lớn 3 ô đặt trước thấu kính, vuông góc với trục chính, có điểm B nằm trên trục chính và cách thấu kính 12 ô.

- Vẽ tia AO đi qua quang tâm O cho tia ló OA’ truyền thẳng; tia Al song song với trục chính cho tia ló IF.

- Tia ló OA’ và tia ló IF cắt nhau tại A'. Điểm A’ là ảnh của điểm A. Từ A’ hạ đường vuông góc với trục chính, cắt trục chính tại điểm B’. A’B’ là ảnh của AB qua thấu kính.

Từ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, ta kết luận:

- Khoảng cách từ ảnh A’B’ đến thấu kính là 6 ô, tương ứng với 12 cm.

- Độ lớn của ảnh A’B’ là 1,5 ô, tương ứng với 3 cm.

Xác định vị trí và độ lớn ảnh ảo của vật qua thấu kính hội tụ

Ví dụ 2: Đặt một vật có độ lớn 2 cm, vuông góc với trục chính, cách thấu kính 3 cm. Đầu B của vật nằm trên trục chính. Cho biết tiêu cự của thấu kính là 4 cm. Bằng cách vẽ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, hãy xác định vị trí và độ lớn của ảnh.

Lời giải:

- Trên giấy kẻ ô, chọn tỉ lệ xích độ dài cạnh mỗi ô vuông tương ứng với 1 cm trong thực tế.

- Vẽ vật AB có độ lớn 2 ô, cách thấu kính 3 ô (Hình 7.13).

- Vẽ tia Al song song trục chính cho tia ló đi qua F và tia AO đi qua quang tâm ( truyền thẳng. Đường kéo dài của các tia ló này cắt nhau tại A'.

- Từ A' hạ đường vuông góc xuống trục chính tại B'. A'B' là ảnh ảo của AB cho bởi thấu kính hội tụ.

Từ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, ta kết luận:

- Khoảng cách từ ảnh A’B′ đến thấu kính là 12 ô, tương ứng với 12 cm.

- Độ lớn của ảnh AB là 8 ô, tương ứng với 8 cm.

Vẽ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh của vật qua thấu kính phân kì

Ví dụ 3: Đặt một vật cao AB có độ lớn 8 cm, vuông góc với trục chính, cách thấu kính 20 cm. Đầu B của vật nằm trên trục chính. Cho biết tiêu cự của thấu kính là 20 cm. Bằng cách vẽ sơ đồ tỉ lệ, hãy xác định vị trí và độ lớn của ảnh.

Lời giải:

- Trên giấy kẻ ô, chọn tỉ lệ xích độ dài cạnh mỗi ô vuông tương ứng với 2 cm trong thực tế.

- Vẽ vật AB có độ lớn 4 ô, cách thấu kính 10 ô.

Từ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, ta kết luận:

- Khoảng cách từ ảnh AB

- Độ lớn của ảnh AB là 2 ô, tương ứng với 4 cm.

3. KÍNH LÚP

Mô tả kính lúp

- Kính lúp là dụng cụ dùng để quan sát các vật nhỏ. Bộ phận chính của kính lúp là một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (cỡ vài centimetre) được bảo vệ bởi khung kính và có tay cầm.

- Trên kính lúp có ghi số bội giác 2×, 3×, 5x, 10x, ... Số bội giác của kính lúp càng lớn thì ảnh quan sát được qua kính lúp càng lớn.

- Kính lúp được sử dụng rất phổ biến trong cuộc sống như quan sát các vật nhỏ, đọc các dòng chữ nhỏ trong sách,...

Cách sử dụng kính lúp

Kính lúp hoạt động theo nguyên tắc: khi vật đặt cách kính lúp một khoảng nhỏ hơn tiêu cự, mắt đặt sau kính lúp quan sát được ảnh ảo lớn hơn vật. Để sử dụng kính lúp, ta thực hiện các thao tác như sau:

- Đặt kính lúp gần sát vật cần quan sát, mắt nhìn vào mặt kính.

- Từ từ dịch chuyển kính ra xa vật (nhưng vật vẫn nằm trong khoảng tiêu cự) cho đến khi nhìn thấy rõ các chi tiết của vật qua kính lúp.

- Khi cần quan sát trong một khoảng thời gian dài, người ta thường chọn cách đặt mắt ở tiêu điểm của kính lúp để mắt không bị mỏi.

4. THỰC HÀNH ĐO TIÊU CỰ CỦA THẤU KÍNH HỘI TỤ

Mục đích: Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.

Nguyên tắc: Gọi d là khoảng cách giữa vật và thấu kính và d’ là khoảng cách giữa ảnh và thấu kính. Trên sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, ta lần lượt thực hiện các thao tác sau:

- Vẽ trục chính D, thấu kính hội tụ L, tiêu điểm F, tiêu cự OF = f.

- Vẽ vật AB có độ cao h cách L một đoạn d = 2f.

- Vẽ các tia AO đi qua quang tâm O, AI song song với trục chính có tia ló IF đi qua tiêu điểm F. Giao điểm của tia OA và và IF cắt nhau tại A'.

- Vẽ ảnh A'B' . Độ cao ảnh A'B' là h'.

- Từ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh ta có d' = d = 2f. Do vậy, tiêu cự của thấu kính là: f = d+d'/4

Chuẩn bị:

- Một thấu kính hội tụ có tiêu cự cần đo, vật sáng, màn chắn, giá quang học.

- Mẫu báo cáo.

Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Bố trí thí nghiệm. Đo chiều cao h của vật.

Bước 2: Ban đầu, đặt thấu kính ở giữa giá quang học, vật và màn chắn ở hai bên và sát với thấu kính.

Bước 3: Dịch chuyển vật và màn chắn ra xa dần thấu kính những khoảng bằng nhau cho đến khi thu được ảnh rõ nét ngược chiều và bằng vật (h = h’).

Bước 4: Dùng thước đo độ dài d, d và ghi giá trị đo được theo mẫu.