Bài 8 thấu kính

CHƯƠNG 3: QUANG HỌC BÀI 8: THẤU KÍNH Mục tiêu  Kiến thức + Nhận biết đâu thấu kính hội tụ, đâu thấu kính phân kì + Trình bày đại lượng đặc trưng thấu kính + Trình bày đường tia sáng đặc biệt tới thấu kính trường hợp tạo ảnh qua thấu kính  Kĩ + Vẽ đường truyền tia sáng qua thấu kính + Vẽ ảnh vật qua thấu kính + Vận dụng lí thuyết kết hợp hình học để giải tốn thấu kính Trang I LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM Thấu kính hội tụ Định nghĩa Thấu kính hội tụ làm vật liệu suốt (thường thủy tinh nhựa) phần rìa thấu kính hội tụ mỏng phần Trục chính, quang tâm, tiêu điểm, tiêu cự thấu kính hội tụ Tia sáng tới thấu kính gọi tia tới, tia khúc xạ khỏi thấu kính gọi tia ló • Trong tia tới vng góc với mặt thấu kính hội tụ, có tia cho tia ló truyền thẳng khơng đổi hướng Tia trùng với đường thẳng gọi trục thấu kính • Trục thấu kính hội tụ qua điểm O thấu kính mà tia sáng tới điểm truyền thẳng không đổi hướng Điểm O gọi quang tâm thấu kính • Một chùm tia tới song song với trục  thấu kính hội tụ cho chùm ló hội tụ điểm F nằm trục gọi tiêu điểm F thấu O F kính Điểm nằm khác phía với chùm tia tới • Khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm OF OF f gọi tiêu cự thấu kính Đường truyền tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ Một thấu kính có hai tiêu điểm F F  nằm hai • Tia tới đến quang tâm tia ló tiếp tục truyền phía thấu kính, cách quang tâm Nếu cho thẳng theo phương tia tới tia tới qua tiêu điểm thấu kính thấy tia ló • Tia tới song song với trục tia ló qua song song với trục tiêu điểm • Tia tới qua tiêu điểm tia ló song song với trục Sự tạo ảnh qua thấu kính hội tụ Đối với thấu kính hội tụ: • Vật đặt ngồi khoảng tiêu cự cho ảnh thật, ngược chiều với vật Khi vật đặt xa thấu kính  F O F ảnh thật có vị trí cách thấu kính khoảng tiêu cự Trang • Vật đặt khoảng tiêu cự cho ảnh ảo, lớn vật chiều với vật Dựng ảnh vật qua thấu kính hội tụ Đặt mắt hứng chùm tia ló ta quan sát ảnh Muốn dựng ảnh AB AB qua thấu kính (AB vật tạo thấu kính Nếu nhìn thấy ảnh ngược vng góc với trục thấu kính, A nằm chiều với vật ảnh thật, nhìn thấy ảnh trục chính), cần dựng ảnh B B cách chiều với vật ảnh ảo vẽ đường truyền hai tia sáng đặc biệt, sau từ B hạ vng góc xuống trục ta có ảnh A A Thấu kính phân kì Định nghĩa Thấu kính phân kì làm vật liệu suốt (thường thủy tinh nhựa) phần rìa thấu kính phân kì dày phần Trục chính, quang tâm, tiêu điểm, tiêu cự thấu kính phân kì  • Trong tia tới vng góc với mặt thấu kính F phân kì, có tia cho tia ló truyền thẳng khơng O F đổi hướng Tia trùng với đường thẳng gọi trục thấu kính • Trục thấu kính phân kì qua điểm O thấu kính mà tia sáng tới điểm truyền thẳng không đổi hướng Điểm O gọi Một thấu kính phân kì có hai tiêu điểm F F  nằm hai phía thấu kính, cách quang tâm quang tâm thấu kính • Một chùm tia tới song song với trục thấu kính phân kì cho tia ló kéo dài cắt điểm nằm trục gọi tiêu điểm F thấu kính Điểm nằm phía với chùm tia tới • Khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm OF OF f gọi tiêu cự thấu kính Đường truyền tia sáng đặc biệt qua thấu F kính phân kì O F • Tia tới song song với trục tia ló kéo dài qua tiêu điểm • Tia tới đến quang tâm tia ló tiếp tục truyền Trang thẳng theo phương tia tới Sự tạo ảnh qua thấu kính phân kì Đối với thấu kính phân kì: • Vật sáng đặt vị trí trước thấu kính phân kì cho ảnh ảo, chiều, nhỏ vật ln nằm khoảng tiêu cự thấu kính • Vật đặt xa thấu kính, ảnh ảo vật có vị trí cách thấu kính khoảng tiêu cự SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HĨA Phần rìa mỏng phần Làm vật liệu suốt (nhựa thủy tinh) Phần rìa dày phần Tia tới song song trục cho tia ló qua tiêu điểm Có tiêu điểm cách quang tâm Tia tới song song trục cho tia ló kéo dài qua tiêu điểm THẤU KÍNH HỘI TỤ Tia tới qua tiêu điểm tia ló song song với trục THẤU KÍNH PHÂN KÌ Tia tới qua quang tâm truyền thẳng II CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Nhận dạng thấu kính hội tụ, thấy kính phân kì Phương pháp giải Ta xét thấu kính nằm khơng khí nên: • Thấu kính có phần rìa mỏng phần (thường gồm mặt lồi, mặt phẳng mặt lồi) thấu kính hội tụ • Thấu kính có phần rìa dày phần (thường gồm mặt lõm, mặt lõm mặt phẳng) thấu kính phân kì Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Các thấu kính thấu kính hội tụ hay thấu kính phân kì? Vì sao? Hướng dẫn giải Thấu kính hội tụ có phần rìa mỏng phần giữa, thấu kính phân kì có phần rìa dày phần Trang Các thấu kính số 1, 2, thấu kính hội tụ Các thấu kính số 4, 5, thấu kính phân kì Dạng 2: Sự tạo ảnh thấu kính hội tụ, phân kì Bài tốn 1: Vẽ đường tia sáng ảnh điểm sáng Phương pháp giải Để vẽ tiếp đường tia sáng, ta cần xác định Ví dụ: Vẽ tiếp đường tia sáng trường xem tia sáng tia sáng tia đặc hợp sau: biệt thấu kính S Để vẽ ảnh điểm sáng qua thấu kính, ta vẽ tia đặc biệt xuất phát từ điểm sáng đến thấu kính, F O F giao hai tia ló (hoặc phần kéo dài tia ló) Hướng dẫn giải ảnh điểm sáng Chú ý: Nếu điểm sáng S nằm trục thấu kính ảnh S  nằm trục Tia sáng song song với trục thấu kính hội tụ cho tia ló qua tiêu điểm F  thấu kính Cụ thể cách vẽ ta xét S chương trình học bậc cao F O F Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Vẽ tiếp đường tia sáng trường hợp sau: S S F O F F F Hình O Hình S S F O Hình F F O F Hình Hướng dẫn giải Hình 1: Tia sáng song song với trục thấu kính hội tụ cho tia ló qua tiêu điểm F Trang Hình 2: Tia sáng qua quang tâm cho tia ló tiếp tục truyền thẳng Hình 3: Tia sáng qua tiêu điểm F thấu kính hội tụ cho tia ló song song với trục Hình 4: Tia sáng song song với trục thấu kính phân kì cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F S S F O F F F Hình O Hình S S F O F F O F Hình Hình Ví dụ 2: Bằng cách vẽ hình, xác định vị trí ảnh điểm sáng S trường hợp Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hướng dẫn giải Để vẽ ảnh điểm sáng qua thấu kính, ta vẽ hai tia đặc biệt xuất phát từ điểm sáng S tới thấu kính Giao hai tia giao phần kéo dài ảnh S S qua thấu kính Trang S S F F O S S F O F Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1: Vẽ tia tới song song với trục cho tia ló qua tiêu điểm F Vẽ tia tới qua quang tâm cho tia ló thẳng Giao hai tia ló ảnh S S Hình 2: Vẽ tia tới song song với trục cho tia ló qua tiêu điểm F Vẽ tia tới qua quang tâm cho tia ló thẳng Hai tia ló giao phần kéo dài vị trí ảnh S S Hình 3: Vẽ tia tới song song với trục cho tia ló qua tiêu điểm F Vẽ tia tới qua quang tâm cho tia ló thẳng Hai tia ló song song với nên ảnh xa vơ Hình 4: Vẽ tia tới song song với trục cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F Vẽ tia tới quang tâm cho tia ló thẳng Hai tia ló giao phần kéo dài vị trí ảnh S S Hình 5: Vẽ tia tới song song với trục cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F Vẽ tia tới quang tâm cho tia ló thẳng Hai tia ló giao phần kéo dài vị trí ảnh S S Hình 6: Vẽ tia tới song song với trục cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F Vẽ tia tới quang tâm cho tia ló thẳng Hai tia ló giao phần kéo dài vị trí ảnh S S Bài toán 2: Vẽ ảnh vật sáng qua thấu kính Phương pháp giải Cách vẽ ảnh vật AB đặt vng góc với trục Ví dụ: Vẽ ảnh vật AB hình vẽ sau nêu chính, A nằm trục chính: tính chất ảnh? Trang Bước 1: Vẽ ảnh B điểm B cách vẽ ảnh Hướng dẫn giải điểm sáng S qua thấu kính Bước 1: Vẽ ảnh B : Sử dụng tia tới song song với trục tia tới quang tâm O Bước 2: Từ B hạ vng góc với trục cắt trục A ảnh A qua thấu Bước 2: Hạ đường vng góc từ B với trục chính: kính Chú ý: vật AB khơng vng góc với trục chính, ta vẽ ảnh hai điểm A, B nối lại Vậy ảnh thu ảnh thật, ngược chiều với vật thành ảnh đoạn AB Bảng liên hệ vị trí đặt vật tính chất ảnh: Thấu kính Vị trí đặt vật Thấu kính hội tụ Thấu kính phân kì df Ảnh ảo, chiều, lớn vật d f Ảnh thật, ngược chiều, lớn Ảnh ảo, chiều, nhỏ vật Ảnh ảo, chiều, nhỏ vật Trang nhỏ vật Vật xa vô Ảnh thật cách thấu kính Ảnh ảo chiều, nhỏ vật, cách khoảng tiêu cự thấu kính khoảng tiêu cự Ví dụ mẫu Ví dụ 5: Bằng cách vẽ hình, xác định vị trí ảnh vật sáng AB trường hợp Hình Hình Hình Hình Hướng dẫn giải Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Vật sáng AB có dạng đoạn thẳng vng góc với trục nên ta cần dựng ảnh đầu B hạ vng góc với trục Hình 1: Vẽ tia sáng từ B song song trục cho tia ló qua tiêu điểm F Vẽ tia sáng từ B đến quang tâm cho tia ló tiếp tục thẳng Hai tia ló giao vị trí ảnh B B Trang Từ B hạ vng góc với trục ảnh A A, ta ảnh AB AB qua thấu kính Hình 2: Vẽ tia sáng từ B song song trục cho tia ló qua tiêu điểm F Vẽ tia sáng từ B đến quang tâm cho tia ló tiếp tục thẳng Đường kéo dài hai tia ló giao vị trí ảnh B B Từ B hạ vng góc với trục ảnh A A, ta ảnh AB AB qua thấu kính Hình 3: Vẽ tia sáng từ B song song trục cho tia ló qua tiêu điểm F Vẽ tia sáng từ B đến quang tâm cho tia ló tiếp tục thẳng Đường kéo dài hai tia ló song song nên ảnh xa vơ Hình 4: Vẽ tia sáng từ B song song trục cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F Vẽ tia sáng từ B đến quang tâm cho tia ló tiếp tục thẳng Đường kéo dài hai tia ló giao vị trí ảnh B B Từ B hạ vng góc với trục ảnh A A, ta ảnh AB AB qua thấu kính Hình 5: Vẽ tia sáng từ B song song trục cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F Vẽ tia sáng từ B đến quang tâm cho tia ló tiếp tục thẳng Đường kéo dài hai tia ló giao vị trí ảnh B B Từ B hạ vng góc với trục ảnh A A, ta ảnh AB AB qua thấu kính Hình 6: Vẽ tia sáng từ B song song trục cho tia ló có đường kéo dài qua tiêu điểm F Vẽ tia sáng từ B đến quang tâm cho tia ló tiếp tục thẳng Đường kéo dài hai tia ló giao vị trí ảnh B B Từ B hạ vng góc với trục ảnh A A, ta ảnh AB AB qua thấu kính Bài tốn 3: Xác định loại thấu kính, vị trí thấu kính hai tiêu điểm Phương pháp giải Bài toán thường cho biết số kiện như: • Vị trí vật - ảnh Ví dụ: Trên hình vẽ, biết  trục thấu kính, S ảnh S qua thấu kính • Vị trí vật đường số tia sáng • Vị trí trục chính, quang tâm Từ kiện cho, đề thường yêu cầu xác định loại thấu kính, tính chất ảnh, vị trí quang tâm, vị trí tiêu điểm, Để làm toàn này: a S ảnh thật hay ảnh ảo? b Thấu kính thấu kính hội tụ hay thấu kính phân kì? Vì sao? c Bằng cách vẽ, xác định vị trí quang tâm hai Trang 10 Xét tam giác đồng dạng: OAB ~ OAB  OA AB  OA AB  1 FOI ~ FAB  FO OI  FA AB  2 Lại có: OI AB Kết hợp với  1   ta được: OA AB OI FO    OA AB AB FA  OA FO  OA AO  OF Thay: OA d , OA d , OF f vào phương trình ta có: d f d d  f d d 1 1 1       1      d d  f d f d f d f d d d f Ta điều phải chứng minh b Thấu kính hội tụ cho ảnh ảo, ta có hình vẽ minh họa trình tạo ảnh: Xét tam giác đồng dạng: OAB ~ OAB  OA AB  OA AB  1 FOI ~ FAB  FO OI  FA AB  2 Trang 20