SGK Vật Lí 11 - Bài 29. Thấu kính mỏng
29 Thấu KÍNH MỎNG Thấu kính là bộ phận cơ bán cúa hầu hết các dụng cụ quang quan trọng : máỵ ánh, kính hiển vi, kính thiên văn,... Đế có được các tính năng tối ưu, người ta thường ghép nhiều thấu kính thành hệ thấu kính. Trong bài học này, ta sẽ tìm hiếu về thấu kính móng, bố sung cho những điều đã học ớ lóp 9. I - THẤU KÍNH. PHÂN LOẠI THẤU KÍNH* Thấu kính là một khối chất trong suốt (thuỷ tinh, nhựa...) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng (Hình 29.1). Ở phổ thông, ta chỉ xét thấu kính mỏng mặt cầu (một trong hai mặt có thể là mặt phẳng). Theo hình dạng, thấu kính gồm hai loại : Thấu kính lồi (còn được gọi là thấu kính rìa mỏng); Thấu kính lõm (còn được gọi là thấu kính rìa dày). ra Trong không khí: Thấu kính lồi tạo ra chùm tia ló hội tụ khi chùm tia tới là chùm song song (Hình 29.2a). Thấu kính lõm tạo ra chùm tia ló phân kì khi chùm tia tới là chùm song song (Hình 29.2b). Do đó, trong không khí: Thấu kính lồi là thấu kính hội tụ. Thấu kính lõm là thấu kính phân kì. II - KHẢO SÁT THẤU KÍNH HỘI TỤ Quang tâm. Tiêu điểm. Tiêu diện a) Quang tâm Hình 29.3 Thấu kính mỏng có bề dày chính giữa rất nhỏ so với bán kính mặt cầu. Đối với thấu kính mỏng, thực nghiệm và lí thuyết cho thấy có một điểm o của thấu kính mà mọi tia sáng tới o đều truyền thẳng qua thấu kính. Có thể coi o là điểm chính giữa thấu kính. o gọi là quang tâm của thấu kính (Hình 29.3). Đường thẳng đi qua quang tâm o và vuông góc với mặt thấu kính là trục chính của thấu kính. Các đường thẳng khác qua quang tâm o là trục phụ. Mọi tia tới qua quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng. Hình 29.4 Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính hội tụ b) Tiêu điểm. Tiêu diện - Chiếu đến thấu kính hội tụ một chùm tia tới song song. Chùm tia ló cất nhau (hội tụ) tại một điểm trên trục tương ứng với chùm tia tới. Điểm này là tiêu điểm ảnh của thấu kính. Trên mỗi trục có một tiêu điểm ảnh : + Tiêu điểm ảnh chính được kí hiệu F' (Hình 29.4). + Tiêu điểm ảnh phụ được kí hiệu Fn' (n = 1, 2, 3...). BE Coi chùm tia song song như xuất phát hay hội tụ ở một điểm rất xa (vô cực), hãy nêu mối quan hệ giữa điểm này với : - tiêu điểm ảnh -tiêu điểm vật của thấu kính hội tụ. Các tiêu điểm ảnh của thấu kính hội tụ đều hứng được trên màn. Đó là tiêu điểm ảnh thật. - Trên mỗi trục của thấu kính hội tụ còn có một điểm mà chùm tia tới xuất phát từ đó sẽ cho chùm tia ló song song. Đó là tiêu điểm vật của thấu kính. BE + Tiêu điểm vật chính được kí hiệu F. + Tiêu điểm vật phụ được kí hiệu Fn (« - 1, 2, 3,...) (Hình 29.5). Tiêu điểm ảnh và tiêu điểm vật trên một trục nằm đối xứng với nhau qua quang tâm. VỊ trí của chúng tuỳ thuộc chiều truyền ánh sáng. - Tập hợp tất cả các tiêu điểm tạo thành tiêu diện. Mỗi thấu kính có hai tiêu diện : tiêu diện ảnh và tiêu diện vật. F 0 F' Chiều truyền ánh sáng Hình 29.6 Hai tiêu diện thật (vật và ảnh) của thấu kính hội tụ Có thể coi tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính và qua tiêu điểm chính (Hình 29.6). Tiêu cự. Độ tụ Để thiết lập các công thức về thấu kính, người ta đặt ra hai đại lượng quang học là tiêu cự và độ tụ. Tiêu cự của thấu kính được định nghĩa như sau : Ta quy ướcf> 0 đối với thấu kính hội tụ, ứng với tiêu điểm ảnh F' thật (sau thấu kính). Thấu kính có khả năng hội tụ chùm tia sáng càng mạnh khi/càng nhỏ. Do đó, người ta định nghĩa độ tụ của thấu kính như sau : ữ = y (29.1) trong đó :f tính bằng mét (m); D tính bằng điôp (dp). Thấu kính (mỏng) phân kì Ill - KHẢO SÁT THẤU KÍNH PHÂN KÌ Quang tâm của thấu kính phân kì có cùng tính chất như quang tâm của thấu kính hội tụ (Hình 29.7). Hình 29.8 Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính phân kì Các tiêu điểm cũng như tiêu diện (ảnh và vật) của thấu kính phân kì cũng được xác định tương tự như với thấu kính hội tụ (Hình 29.8 và 29.9). Điểm khác biệt là chúng đều ảo, được tạo bởi đường kéo dài của các tia sáng. R3 Chiều truyền ánh sáng Y Vẽ đường truyền của chùm tia sáng minh hoạ tính chất của tiêu điểm vật của thấu kính phân kì. j- — Hình 29.9 Hai tiêu diện ảo (ảnh và A vật) của thấu kinh phân kì Các công thức định nghĩa tiêu cự và độ tụ vẫn áp dụng được đối với thấu kính phân kì. Tiêu cự và độ tụ của thấu kính phân kì có giá trị âm (ứng với tiêu điểm ảnh F' ảo). Hình 29.10 Ảnh ảo tạo bởi gương phẳng (chùm tia ló phân kì) - Sự TẠO ẢNH BỞI THẤU KÍNH Khái niệm ảnh và vật trong Quang học ơ lớp 7 và lớp 9, chúng ta đã quan sát và dựng ảnh của vật tạo bởi gương phẳng, gương cầu, thấu kính. Chúng ta đã nhận thấy : Ảnh thật tạo bởi thấu kính hội tụ (chùm tia ló hội tụ) Ánh ảo chĩ có thể quan sát bằng mắt đặt ở vị trí thu nhận được chùm tia phản xạ hoặc khúc xạ (Hình 29.10).’ Ánh thật có thể hứng được trên màn ảnh (Hình 29.li). a) Để tổng quát hoá khái niệm ảnh, ta quy ước gọi chùm tia sáng truyền ra khỏi bề mặt sau cùng của hệ quang học là chùm tia ló. Có thể định nghĩa tổng quát như sau về ảnh trong Quang học : -Anft điếm lồ điếm đồng quy của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng. — Một ảnh điểm là : •+ thật nêu chùm tia ló là chùm hội tụ ; + ào nếu chùm tia ló là chụm phán kỉ. b) Tương tự, ta cũng có thể tổng quát hoá khái niệm vật. Thông thường, vật phát ra chùm tia tới. Đó là vật thật. Một cách tổng quát : Vật điểm là điểm đồng quy của chùm tia tới hay đường kéo dài của chúng. Một vật điểm là : + thật nếu chùm tia tới là chùm phán kì; + do nếu chùm tia tới là chùm hội tụ. Cách dựng ảnh tạo bởi thâu kính a) Thuật ngữ dựng ảnh (vẽ ảnh) có nghĩa là vẽ đường truyền của một chùm tia sáng biểu diễn sự tạo ảnh của một vật điểm (điểm B ở Hình 29.12). Hỉ Ta thường vẽ các tia tới sau đây : Tia tới qua quang tâm o của thấu kính. Tia tới song song với trục chính của thấu kính. - Tia tới qua tiêu điểm vật chính F (hay có đường kéo dài qua F). KJ Khi tạo ảnh ảo, thấu kính hội tụ cho chùm tia ló phân kì. Kết quả này có mâu thuẫn với tính chất của thấu kính không ? Giải thích. b) Trong trường hợp phải vẽ một tia bất kì thì ta xác định trục phụ song song với tia tới. Tia ló tương ứng (hay đường kéo dài của nó) sẽ qua tiêu điểm ảnh phụ trên trục phụ đó (Hình 29.13). Để có ảnh rõ (đồng dạng với vật), vật phải có dạng phẳng, nhỏ, đặt vuông góc với trục chính và được biểu diễn tượng trưng bởi một mũi tên AB liền nét (vật thật). Trong điều kiện đó, ảnh A'B' của vật cũng vuông góc với trục chính. Ánh được biểu diễn bằng mũi tên liền nét nếu là ảnh thật và mũi tên đứt nét nếu là ảnh ảo (Hình 29.14 và 29.15). Các trường hợp ảnh tạo bởi thấu kính Ánh của một vật tạo bởi mỗi loại thấu kính có những đặc điểm xác định về tính chất (thật, ảo), chiều và độ lớn. Bằng cách thay đổi vị trí của vật, ta có thể dựng ảnh tương ứng và nhận ra các đặc điểm này. BẢNG TÓM TẮT (chỉ xét vật thật) Thấu kính Ảnh Hội tụ (f> 0) Phân kì (f < 0) I F 0 F' I' y F' OF (OI = C )/’ = 2/) A Tính chất (thật, ảo) • Ảnh Thật: vật ngoài OF Ảo : vật trong OF • Ảnh luôn luôn ảo Độ lớn (so với vật) Ảnh ảo > vậ Ảnh thật: > vật: vật trong FI = vật: vật ở / (ảnh ở/’) < vật: vật ngoài FI • Ảnh < vặt , Chiểu (so với vật) • Vật và ảnh - cùng chiếu trái tính chát cùng tính chất trái chiéu • Ảnh cùng chiều so với vật - CÁC CÔNG THỨC VỂ THẤU KÍNH Các công thức ảnh được thiết lập để xác định vị trí, tính chất (thật, ảo), chiều và độ lớn của ảnh tạo bởi thấu kính. Xét hai trường hợp của ảnh như vẽ ở các hình 29.14 và 29.15. a) Để thiết lập các công thức tổng quát áp dụng cho mọi trường hợp, người ta đặt các giá trị đại số cho khoảng cách như sau : OA = d với quy ước í vật thật: d > 0 I vật ảo : d < 0 (không xét) K' Dùng công thức xác định vị trí ảnh, hãy chứng tỏ rằng, nếu giữ thấu kính cố định và dời vật dọc theo true chính thì ảnh và vật luôn di chuyển cùng chiều. Bài tập ví dụ Vật và màn đặt cách nhau đoạn a. Xê dịch một thấu kính hội tụ giữa vật và màn để hứng ảnh của vật hiện trên màn. Khoảng cách a phải thoả mãn điều kiện nào ? Giải Đặt : d + d' = a Ta có thể viết: a = d + d' > 2y/dd'. Suy ra : d + d' >2 I dd' yjd + d' id + d' Do đó : Jd + d' > 2yjf Vậy : a > 4/ Khoảng cách giữa vật và màn phải lớn hơn hay bàng bốn lần tiêu cự của thấu kính. OA' = í/' với quy ước í ảnh thật: d' > 0 ịảnh ảo : d' < 0 b) Ngoài ra, chiều và độ lớn của ảnh được xác định bởi tỉ số : A'ổ' —••• = k AB k được gọi là số phóng đại ảnh. Nếu k > 0 : vật và ảnh cùng chiều. Nếu k < 0 : vật và ảnh ngược chiều. Lập các tỉ số theo tính đồng dạng của các tam giác (OAB và OAB') cũng như các tam giác (F'ON và F'A'B"), đồng thời xem xét tất cả các trường hợp của ảnh, ta có hai kết quả : , 1. Công thức xác định vị trí ảnh 111 / (29-2> B? Hình 29.16 Thấu kính dùng làm vật kính của máy ghi hình (camera) Tiêu cựgỆ Độ tụ: 2. Công thức xác định số phóng đại ảnh (29.3) VI - CÔNG DỤNG CỦA THẤU KÍNH Thấu kính có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống và trong khoa học. Thấu kính được dùng làm : Kính khắc phục tật của mắt (cận, viễn, lão) ; Kính lúp ; Máy ảnh, máy ghi hình (camera) (Hình 29.16); Kính hiển vi; Kính thiên văn, ống nhòm ; Đèn chiếu ; Máy quang phổ. Với vật liệu làm thấu kính ngày càng hoàn thiện, với công nghệ chế tạo tinh vi, người ta đã chế tạo được các dụng cụ quang cho ảnh có chất lượng rất cao. Mọi tia sáng qua quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng. Tia tới song song với trục của thấu kính sẽ cho tia ló truyền qua (hay có đường kéo dài của tia ló qua) tiêu điểm ảnh trên trục đó. Tia tới (hay đường kéo dài của nó) qua tiêu điểm vật trên trục sẽ cho tia ló song song với trục đó. Hai tiêu điểm vật và ảnh nằm đối xứng với nhau qua quang tâm. Mỗi thấu kính có hai tiêu diện ảnh và vật là hai mặt phẳng vuông góc với trục chính và đi qua các tiêu điểm chính. Thấu kính hội tụ f > 0. Thấu kính phân kì f < 0. f =OF' Công thức về thấu kính : - VỊ trí ảnh : Ị + 1 = I ■ d d' f - Số phóng đại ảnh : k = d' d CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Thấu kính là gì ? Kể các loại thấu kính. Nêu tính chất quang học của quang tàm, tiêu điểm ảnh, tiêu điểm vật. Minh hoạ bằng đuờng truyền của tia sáng cho mỗi truờng hợp. 6. Tiếp theo bài tập 5. Cho biết đoạn dời vật là 12 cm. Tiêu cụ của thấu kính là bao nhiêu ? A. -8 cm. B. 18 cm. c. - 20 cm. D. Một giá trị khác A, B, c. 3. Tiêu cụ, độ tụ của thấu kính là gì ? Đon vị của 7. tiêu cụ và độ tụ ? . • Chọn phát biểu đúng vói vật thật đặt truớc thấu kính. Thấu kính hội tụ luôn tạo chùm tia ló hội tụ. Thấu kính phân kì luôn tạo chùm tia ló phân kì. c. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính không thể bằng vật. D. Cả ba phát biểu A, B, c đéu sai. Xét thấu kính hội tụ. Lấy trên trục chính các điểm ỉ và I' sao cho OI = 2OF, OI' = 2OF' (Hình 29.17). Vẽ ảnh của vật AB và nhận xét vé đặc điểm của ảnh trong mỗi truòng họp sau : Vật thật ở ngoài đoạn OI. Vật thật tại I. Vật thật trong đoạn FI. Vật thật trong đoạn OF. I F o F' I' Hình 29.17 Một vật sáng đặt truóc một thấu kính, trên trục chính. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính bằng ba lấn vật. Dời vật lại gần thấu kính một đoạn. Ảnh của vật ở vị trí mới vẫn bằng ba lắn vật. Có thể kết luận gì về loại thấu kính ? Thấu kính là hội tụ. Thấu kính là phân kì. c. Hai loại thấu kính đều phù họp. D. Không thể kết luận đuọc, vì giả thiết hai ảnh bằng nhau là vô lí. Nguời ta dùng một thấu kính hội. tụ có độ tụ 1 dp để thu ảnh của Mặt Trăng. Vẽ ảnh. Tính đuòng kính của ảnh. Cho góc trông Mặt Trăng là 33'. Lấy 1' ='3.1 o 4 rad. Vật sáng AB đuọc đặt song song với màn và cách màn một khoảng có định a. Một thấu kính hội tụ có trục chính qua điểm A và vuông góc với màn, đuọc di chuyển giữa vật và màn. Người ta nhận thấy có một vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét của vật trên màn, ảnh lớn hon vật. Hãy chứng tỏ-rằng, còn một vị trí thứ hai của thấu kính ở trong khoảng giữa vật và màn cũng cho ảnh rõ nét của vật trên màn. Đặt / là khoảng cách giữa hai vị tri trên cùa thấu kính. Hãy lập cóng thức của tiêu cụ thấu kính f theo a và /. Suy ra một phuong pháp đo tiêu cụ của thấu kính hội tụ. Một thấu kính hội tụ có tiêu cụ f= 20 cm. Vật sáng AB đuọc đặt truóc thấu kính và có ảnh A'B'. Tìm vị trí của vật, cho biết khoảng cách vật - ảnh là: a) 125 cm. b) 45 cm. Một thấu kính phân kì có độ tụ -5 dp. Tính tiêu cụ của kính. Nếu vật đặt cách kính 30 cm thì ảnh hiện ra ở đàu và có sô' phóng đại bao nhiêu ? Trong Hình 29.18, xy là trục chính của thấu kính L, A là vật điểm thật, A là ảnh của A tạo bởi thấu kính. Với mỗi truòng họp, hãy xác định : /4' là ảnh thật hay ảo. Loại thấu kính. Các tiêu điểm chính (bằng phép vẽ). A. A X ‘ y Â. A X y ■ ® Hình 29.18