THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 5 TIÊU TRẮC 1 Mục đích Khảo sát sự tạo ảnh của vật qua các thấu kính mỏng và thực hành các cách đo tiêu cự các thấu kính mỏng 2 Giới thiệu chung Thấu kí.
THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 5: TIÊU TRẮC Mục đích Khảo sát tạo ảnh vật qua thấu kính mỏng thực hành cách đo tiêu cự thấu kính mỏng Giới thiệu chung Thấu kính mơi trường suốt có chiết suất n giới hạn mặt cầu khúc xạ đặt cách khoảng d Thấu kính coi mỏng, bề dày d thấu kính nhỏ so với kính thước bán kính mặt cầu (Nguyễn Trần Trác, 2005) Thấu kính mỏng chia thành dạng c th ấu kính hội tụ (TKHT) thấu kính phân kỳ (TKPK) Bài thí nghiệm ti ến hành kh ảo sát ảnh tạo TKHT, TKPK xác định tiêu cự th ấu kính b ằng nhi ều phương pháp khác Các dụng cụ thí nghiệm sử dụng bao gồm: Vật sáng chữ L Thước đo mét Các giá mang thấu kính, gương, Các thấu kính Tóm tắt lý thuyết 3.1 Nhắc lại số đặc điểm thấu kính hội tụ phân kỳ TKHT (cịn gọi thấu kính rìa mỏng) thấu kính mà chùm tia sáng song song sau qua kính hội tụ tâm định tùy theo hình d ạng thấu kính TKPK (cịn gọi thấu kính rìa dày) thấu kính mà chùm tia sáng song song sau qua thấu kính bị phân tán Hình 5.1 Hình ảnh loại thấu kính đường truyền tia sáng qua loại th ấu kính Đặc điểm chùm tia sáng đặc biệt qua TKHT: + Tia tới thấu kính qua tiêu điểm vật F tia ló qua thấu kính song song với quang trục + Tia tới song song với quang trục tia ló qua thấu kính qua tiêu điểm ảnh F’ + Tia tới qua quang tâm O tia ló qua thấu kính truy ền th ẳng Đặc điểm chùm tia sáng đặc biệt qua TKPK: + Tia tới song song quang trục qua thấu kính tia ló phân kỳ phần kéo dài qua tiêu điểm ảnh F’ + Ngược lại tia tới tia hội tụ, điểm hội tụ tiêu điểm vật, ló khỏi thấu kính song song với quang trục 3.2 Các phương pháp xác định tiêu cự thấu kính hội tụ a Phương pháp tự chuẩn Khi vật sáng S đặt cách thấu kính khoảng tiêu cự f cho ảnh S’ vơ cùng, hứng ảnh Khi đặt sau TKHT gương phẳng, tính chất phản xạ, ảnh cuối S’ lại rõ mặt phẳng vật S Hình 5.2 Minh họa sở lý thuyết phương pháp đo tiêu cự TKHT phương pháp tự chuẩn Lưu ý: Sinh viên cần đảm bảo tính đồng trục chùm tia tới tia ló lúc thực hành thí nghiệm b Phương pháp Silberman Khi vật sáng đặt cách TKHT khoảng 2f ảnh ảnh thật, ngược chiều vật, có độ lớn độ lớn vật đối xứng với vật qua TK Hình 5.3 Minh họa sở lý thuyết phương pháp đo tiêu cự TKHT phương pháp Silberman c Phương pháp Bessel Với TKHT, khoảng cách D từ vật đến lớn 4f, có hai vị trí thấu kính để có ảnh rõ Hình 5.4 Minh họa sở lý thuyết phương pháp đo tiêu cự TKHT phương pháp Bessel Khoảng cách vật màn: D d d ' Khoảng cách vị trí TKHT: l d ' d Ta có: d' Dl D l 1 D2 l ,d , f 2 f d d ' Suy ra: 4D (3.1) Vậy muốn đo f phải đo khoảng cách D, l 3.3 Các phương pháp xác định tiêu cự thấu kính phân kỳ a Phương pháp tự chuẩn Với TKPK, vật thật cho ảnh ảo nên ta hứng ảnh TKPK cho ảnh thật với điều kiện sau: Vật ảo khoảng cách từ vật ảo đến thấu kính nhỏ tiêu cự Do đó, để đo tiêu cự TKPK, cần thêm TKHT Khi đặt sau TKPK gương phẳng, tính chất phản xạ, ảnh cuối S’ S lại rõ mặt phẳng vật S Hình 5.5 Minh họa sở lý thuyết phương pháp đo tiêu cự TKPK phương pháp tự chuẩn b Phương pháp điểm liên kết Khi biết vị trí vật, vị trí ảnh so với thấu kính, ta tính f theo cơng thức 1 f d d' (3.2) Hình 5.6 Minh họa sở lý thuyết phương pháp đo tiêu cự TKPK phương pháp điểm liên kết Chuẩn bị Nhiệm vụ học tập 1: Sinh viên trình bày nguyên tắc xác định tiêu cự TKHT phương pháp tự chuẩn Sơ đồ thí nghiệm: Nguyên tắc: Vật sáng S đặt cách thấu kính khoảng tiêu cự f cho ảnh thật S’ vơ cùng, khơng thể hứng ảnh Nếu đặt g ương ph ẳng vị trí sau thấu kính thu ảnh thật vô cùng, ảnh v ật ảo thấu kính hội tụ, nên cuối hệ cho ảnh th ật n ằm tiêu điểm Nếu vật đặt tiêu điểm TKHT, qua hệ TK - gương ph ẳng thu ảnh thật nằm vị trí vật (tiêu điểm) ngược chi ều v ới v ật tính chất phản xạ Các bước tiến hành: Bước 1: Đặt vật chữ “L” nằm trước bóng đèn Bước 2: Đặt cố định gương sau thấu kính Bước 3: Di chuyển thấu kính L giá cho ảnh cuối S’A’ lại hi ện rõ mặt phẳng vật S Bước 4: Đo khoảng cách từ vật đến TK tiêu cự Tức f = SO Đo lần d=f Nhiệm vụ học tập 2: Từ kiến thức học, sinh viên chứng minh vật đặt cách TKHT khoảng 2f cho ảnh thật vật Thí nghiệm 2: Xác định tiêu cự thấu kính hội tụ phương pháp Siberman Sơ đồ thí nghiệm: B I F A O F’ A’ B’ Xét cặp tam giác đồng dạng: AOB : A ' OB ' , ta có tỉ lệ: AB OA A ' B ' OA ' (1) Xét tiếp cặp tam giác đồng dạng: OIF ' : A ' B ' F ' , ta lại có tỉ lệ: OI OF ' A' B ' F ' A' Vì OI = AB, nên suy được: (2) OA OF ' OA ' F ' A ' (3) Vì F’A’+OF’ = OA’ nên F’A’ = OA’ - OF’, vậy: OA OF ' 1 1 OA ' OA ' OF ' OA OA ' OF ' OF 1 OA OA ' OF (4) Khi OA = 2f = 2OF, vật nằm ngồi khoảng tiêu cự TKHT nên thu ảnh thật, thay vào (4) ta có: 1 OA ' f OA f OA ' f Theo công thức (1), ta suy được: AB 2f AB A ' B ' A' B ' f Vậy đặt vật cách TKHT đoạn f ta thu ảnh thật có kích thước vật Các bước tiến hành: Bước 1: Sử dụng vật sáng chữ “L” Bước 2: Đặt TK cho thu ảnh thật Bước 3: Di chuyển TK ảnh vật, SO = SO’ (TK nằm vị trí trung tâm vật màn) Bước 4: Xác khoảng cách vật SS’ Đo f SS ' Đo lần Nhiệm vụ học tập 3: Từ kiến thức học, sinh viên chứng minh khoảng cách D từ vật đến lớn 4f, có hai vị trí TKHT để có ảnh rõ Thí nghiệm 3: xác định tiêu cự thấu kính hội tụ phương pháp Bessel Sơ đồ thí nghiệm Vật AB (cố định) qua TKHT (di động được) cho ảnh thật A’B’ D (cố định), chúng phải thỏa mãn hệ thức (4) lập nhiệm vụ 2: 1 OA OA ' OF Trong có OA x; OA ' D x , vậy: 1 x Dx Df x Dx f (1) Phương trình (1) có hai nghiệm ta thu hai v ị trí đặt th ấu kính đ ể nhận ảnh rõ nét ảnh D (được cố định); điều ki ện đ ể (1) có hai nghiệm phân biệt: D Df D f Các bước tiến hành: Bước Đặt M vị trí cố định xa nguồn S Đo D kho ảng cách v ật - Bước Di chuyển thấu kính giá, tìm hai vị trí thấu kính ảnh rõ Vị trí cho ảnh l ớn, v ị trí cho ảnh nh ỏ Đo kho ảng cách l vị trí TK cho ảnh rõ nét Bước Tính f theo cơng thức: f D2 l 4D Nhiệm vụ học tập 4: Sinh viên nêu vai trò TKHT quang hệ để đo tiêu cự TKPK điều kiện để ảnh qua quang hệ hi ện mặt ph ẳng vật S Thí nghiệm 4: Xác định tiêu cự thấu kính phân kỳ b ằng ph ương pháp t ự chuẩn Sơ đồ thí nghiệm: + Với TKPK, vật thật cho ảnh ảo nên không hứng TKPK cho ảnh thật với điều kiện sau: Vật ảo khoảng cách từ vật ảo đ ến th ấu kính nhỏ tiêu cự + Nếu chùm tia tới có đường kéo dài qua ti ểu ểm vật cho chùm tia ló song song Vai trị TKHT: + Để tạo ảnh thật TKPK, ta dùng thêm TKHT đ ặt phía tr ước v ới tác dụng tạo vật ảo cho TKPK Nếu chùm tia tới TKPK có đường kéo dài qua tiêu điểm vật F cho chùm tia ló song song, dùng gương để ph ản xạ chùm tia ló cho ảnh cuối xuất mặt phẳng vật S Vậy PP làm cho S1 trùng với tiêu điểm vật F2 Thực chất tiêu cự TKPK khoảng cách từ L2 đến S1 Nhiệm vụ TKHT tạo chùm sáng hội tụ đến thấu kính phân kỳ, tạo vật ảo TKPK Điều kiện: tiêu điểm vật F TKPK phải trùng với ảnh điểm S thấu kính hội tụ tạo từ vật sáng điểm S Các bước tiến hành: Bước 1: Xác định vị trí đặt thấu kính L để thu ảnh S1 nằm với kích thước nhỏ Cố định L1 Xác định khoảng cách L1S1 D1 Bước 2: Đặt L2 L1 S1, lấy chắn ra, sau đặt gương M sau L2 Bước 3: Di chuyển L2 cho ảnh cuối S1’ lại rõ mặt phẳng S Bước 4: Đo L1 L2 D2 Bước 5: Tính f L1S1 L1 L2 ( Do tiêu cự TKPK âm nên ta lấy f âm) Nhiệm vụ học tập 5: Sinh viên nêu vai trò TKHT quang hệ để đo tiêu cự TKPK điều kiện để ảnh qua quang hệ hi ện mặt ph ẳng vật S Thí nghiệm 5: Xác định tiêu cự thấu kính phân kỳ b ằng ph ương pháp ểm liên kết Sơ đồ thí nghiệm: Ngun tắc: TKPK ln cho ảnh ảo vật vật thật, cho ảnh thật cho vật ảo thích hợp Người quan sát thực đo đạc với ảnh th ật (xu ất màn), để quan sát ảnh thật tạo từ TKPK c ần m ột v ật ảo thích hợp, vật ảo tạo từ thấu kính hội tụ L Như vậy: vật S qua TKHT L1 cho ảnh thật S1 Vì S1 nằm vùng khơng gian vật TKPK L2 nên vật ảo L2, ảnh S2 S1 qua TKPK L2 rõ Ta xác định vị trí S1 so với L1 O1S1, xác định vị trí L2 để thu ảnh thật rõ nét ta có O1O2, vị trí S1 so với TKPK L2 O1S1 O1O2 O2 S1 theo quy ước dấu vật ta có d O2 S1 Ta xác định vị trí ảnh S màn, nên xác định d’ Áp dụng cơng thức thấu kính phân kỳ ta có: 1 d d ' f ' ;d f ' d d' d d' d ' 0; f Các bước tiến hành: Bước Vật S qua thấu kính hội tụ L1 cho ảnh thật S1 M (chọn vị trí L1 cho ảnh S1 nhỏ) Bước Đặt L1 S1 thấu kính phân kỳ L S1 vật ảo thấu kính L2 (Đánh dấu S1 giá phấn trắng) Bước Dời xa vị trí S , di chuyển L2 L1 S1 đến vị trí ta thấy ảnh rõ vật S1’ ' Bước Đo d ' L2 S1 ; d L2 S1 (d