phân tích chương trình vật lý phổ thông phần quang hinh học

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM Học phần: NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝPHỔ THÔNG Nội dung báo cáo: PHẦN QUANG HÌNH HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS LÊ CÔNG TRIÊM NHÓM XI: NGUYỄN HUY CƯỜNG CHÂU THỊ BÍCH NGỌC LÊ THỊ DIỄM MY CHUYÊN NGÀNH: LL&PP DẠY HỌC VẬT LÝ K24 Huế, tháng năm 2016 MỤC LỤC Trang A Mở đầu………………………………………………………………………………4 B Nội dung……………………………………………………………………… .5 Các khái niệm quang hình học………………………………………… 1.1 Nguồn sáng Vật sáng Điểm sáng……………………………………………… 1.2 Tia sáng chùm tia sáng……………………………………………………… 1.3 Ảnh thật ảnh ảo Vật thật vật ảo ……………………………………… ……5 1.4 Môi trường quang học……………………………………………………………6 1.4.1 Môi trường suốt……………………………………………………….6 1.4.2 Môi trường đồng tính không đồng tính………………………………… 1.4.3 Môi trường đẳng hướng không đẳng hướng…………………………… Các định luật quang hình học……………………………………………6 2.1 Định luật truyền thẳng ánh sáng………………………………………6 2.2 Định luật tác dụng độc lập ảnh sáng…………………………………… 2.3 Định luật phản xạ ánh sáng…………………………………………………… 2.3.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng……………………………………………… 2.3.2 Định luật phản xạ ánh sáng………………………………………………….7 2.3.3 Nguyên lí Huyghens với tượng phản xạ ánh sáng…………………… 2.4 Định luật khúc xạ ánh sáng…………………………………………………… 2.4.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng……………………………………………… 2.4.2 Định luật khúc xạ ánh sáng………………………………………………….9 2.4.3 Chiết suất môi trường………………………………………………….12 2.4.3.1 Chiết suất tuyệt đối…………………………………………………… 12 2.4.3.2 Chiết suất tỉ đối…………………………………………………………12 2.4.3.3 Hệ thức liên hệ chiết suất tuyệt đối chiết suất tỉ đối………… 13 2.4.3.4 Đặc điểm chiết suất môi trường……………………………………13 2.4.4 Hiện tượng phản xạ toàn phần…………………………………………… 14 2.4.4.1 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn………………… 14 2.4.4.2 Sự truyền ánh sáng vào môi trường chiết quang hơn…………… 15 2.4.4.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần………………………………………….16 2.4.4.4 Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần………………………… 16 Sự tạo ảnh vật………………………………………………………………… 18 3.1 Ảnh vật qua gương phẳng……………………………………………… 18 3.1.1 Gương phẳng……………………………………………………………….18 3.1.2 Ảnh vật qua gương phẳng…………………………………………… 18 3.2 Ảnh vật qua gương cầu………………………………………………… 19 3.2.1 Gương cầu………………………………………………………………….19 3.2.2 Cách vẽ ảnh điểm tạo gương cầu………………………… 20 3.2.3 Tính chất ảnh tạo gương cầu………………………………………20 3.2.3.1 Gương cầu lõm……………………………………………………… 20 3.2.3.2 Gương cầu lồi………………………………………………………….20 3.2.4 Công thức gương cầu………………………………………………………21 3.2.5 Tiêu điểm gương cầu Công thức Newton…………………………………22 3.2.6 Thị trường gương………………………………………………………23 3.3 Ảnh vật qua lưỡng chất phẳng…………………………………………….23 3.3.1 Lưỡng chất phẳng………………………………………………………….23 3.3.2 Ảnh vật qua lưỡng chất phẳng……………………………………… 24 3.4 Lăng kính………………………………………………………………………24 3.4.1 Định nghĩa…………………………………………………………………24 3.4.2 Đường tia sáng qua lăng kính………………………………………25 3.4.3 Các công thức lăng kính………………………………………………… 25 3.5 Thấu kính mỏng……………………………………………………………… 26 3.5.1 Định nghĩa…………………………………………………………………26 3.5.2 Hình dạng phân loại…………………………………………………….26 3.5.3 Các yếu tố thấu kính………………………………………………… 27 3.5.4 Tiêu điểm Tiêu diện Tiêu cự…………………………………………… 27 3.5.5 Đường tia sáng qua thấu kính ảnh vật tạo thấu kính……………………………………………………………………… 28 3.5.6 Công thức thấu kính……………………………………………………….29 3.5.7 Hệ thấu kính……………………………………………………………….32 3.5.8 Ứng dụng thấu kính………………………………………………… 32 Mắt dụng cụ quang học…………………………………………………… 33 4.1 Mắt…………………………………………………………………………… 33 4.1.1 Cấu tạo quang học mắt……………………………………………… 33 4.1.2 Sự điều tiết mắt……………………………………………………… 34 4.1.3 Các tật mắt cách khắc phục……………………………………… 35 4.1.4 Góc suất phân li…………………………………………….36 4.1.5 Sự lưu ảnh mắt……………………………………………………… 36 4.2 Kính lúp……………………………………………………………………… 37 4.2.1 Cấu tạo công dụng…………………………………………………… 37 4.2.2 Sự tạo ảnh kính lúp……………………………………………………37 4.2.3 Số bội giác kính lúp………………………………………………… 38 4.3 Kính hiển vi……………………………………………………………………38 4.3.1 Cấu tạo cách sử dụng………………………………………………… 39 4.3.2 Sự tạo ảnh kính hiển vi……………………………………………… 40 4.3.3 Số bội giác kính hiển vi……………………………………………….40 4.3.4 Năng suất phân giải kính hiển vi………………………………………41 4.4 Kính thiên văn…………………………………………………………………42 4.4.1 Cấu tạo sử dụng…………………………………………………………42 4.4.2 Sự tạo ảnh kính thiên văn………………………………………………42 4.4.3 Số bội giác………………………………………………………………….43 4.4.4 Năng suất phân giải kính thiên văn…………………………………….43 C Kết luận…………………………………………………………………………….45 TÀI LIỆU THAM KHẢO A MỞ ĐẦU “Sự truyền sóng ánh sáng mô tả phương trình Maxwell Lời giải phương trình điều kiện vật lí cho trước xác định vectơ điểm Việc giải phương trình Maxwell khó khăn thường thông tin chi tiết mà cung cấp không cần thiết Thông tin thường cần đến, có nhờ phương pháp đơn giản gọi quang hình học, có từ trước ánh sáng biết sóng điện từ Do đó, quang hình học kết gần phương trình Maxwell bước sóng ánh sáng nhỏ nhiều so với vật thể mà sóng gặp phải.” [1] “Quang hình học phương pháp gần dựa khái niệm tia sáng riêng lẻ, độc lập với tuân theo định luật phản xạ khúc xạ biết.” [2] Dựa vào định luật tia sáng , quang hình học nghiên cứu cách vẽ đường truyền ánh sáng tạo thành ảnh môi trường phương pháp hình học nhằm mục đích cuối xây dựng lí thuyết dụng cụ quang học : dụng cụ tạo ảnh, dụng cụ chiếu sáng, dụng cụ dùng nghiên cứu khoa học,… B NỘI DUNG Các khái niệm quang hình học 1.1 Nguồn sáng Vật sáng Điểm sáng Nguồn sáng vật phát ánh sáng Ví dụ: Mặt Trời, lửa… Vật sáng vật không phát ánh sáng, chúng phản xạ tán xạ ánh sángtừ nơi chiếu đến chúng Ví dụ: Mặt Trăng, cối nhà cửa nắng,… Điểm sáng nguồn sáng vật sáng kích thước Điểm sáng mô hình xây dựng nguồn sáng vật sáng có kích thước bé so với khoảng cách mà ta nghiên cứu 1.2 Tia sáng chùm tia sáng Tia sáng mô hình Mô hình tia sáng hình thành từ chùm sáng thực cho truyền qua lỗ hẹp ta hình dung lỗ hẹp chùm sáng gần với tia sáng Tuy nhiên nghiên cứu tượng nhiễu xạ ánh sáng ta thấy rằng, lỗ hẹp đến mức đó, mức chùm sáng qua lỗ , không bị thu hẹp mà rộng Vì cách giảm kích thước lỗ sáng để tách riêng tia sáng Như biết góc φ ứng với cực tiểu nhiễu xạ thứ chùm tia sáng qua lỗ tròn có đường kính D xấc định biểu thức : sinφ~ λ/ D vậy, trường hợp λ = 0, ta coi tượng nhiễu xạ, coi tia sáng đường thẳng hình học đó, tia sáng khái niệm túy toán học Chùm sáng tập hợp vô số tia sáng 1.3 Ảnh thật ảnh ảo Vật thật vật ảo Nếu hệ quang học lý tưởng, tia sáng xuất phát từ điểm P sau qua quanghệ cắt điểm P’, điểm ảnh quang học điểm sáng P Ảnh gọi thật tia sáng qua quang hệ cắt điểm P’ , ảnh ảo P’ đường kéo dài tia sáng theo hướng ngược lại Ảnh thật hứng màn, quan sát ảnh ảo cách Điểm sáng P vật thật thấu kính hay gương, chùm tia xuất phát từ P vào thấu kính phân kì Vật ảo thấu kính (hay gương) nhận chùm tia hội tụ, mà đường kéo dài tia sáng chùm cắt điểm P 1.4 Môi trường quang học 1.4.1 Môi trường suốt Môi trường suốt môi trường tâm tán xạ, tức hạt chất vẩn có hệ số hấp thụ ánh sáng nhỏ Tuy nhiên môi trường suốt ánh sáng có bước sóng lại không suốt với ánh sáng có bước sóng khác Môi trường suốt có thể màu (trong suốt toàn ánh sáng nhìn thấy) có màu định (trong suốt vùng ánh sáng định) Ví dụ số môi trường suốt: kính suốt màu đỏ, màu lục, cốc nước suốt không màu 1.4.2 Môi trường đồng tính không đồng tính Môi trường đồng tính môi trường có chiết suất không thay đổi Môi trường không đồng tính môi trường có chiết suất thay đổi chậm từ điểm đến điểm khác Ánh sáng hay xạ điện từ di chuyển môi trường theo không theo đường thẳng mà theo đường cong bị hội tụ hay phân kỳ 1.4.3 Môi trường đẳng hướng không đẳng hướng Môi trường đẳng hướng môi trường mà chiết suất không phụ thuộc vào hướng phân cực phương chiếu ánh sáng Môi trường không đẳng hướng môi trường mà chiết suất phụ thuộc vào hướng phân cực phương chiếu ánh sáng Các định luật quang hình học 2.1 Định luật truyền thẳng ánh sáng Định luật phát biểu: “Trong môi trường suốt đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng” Khi nghiên cứu tượng nhiễu xạ, ánh sáng truyền qua lỗ nhỏ gặp vật có kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng định luật không 2.2 Định luật tác dụng độc lập tia sáng Định luật phát biểu: “Tác dụng chùm tia sáng khác độc lập với nhau, nghĩa tác dụng chùm sáng không phụ thuộc vào có mặt hay không chùm sáng khác” 2.3 Định luật phản xạ ánh sáng 2.3.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng Hiện tượng tia sáng bị đổi hướng đột ngột, trở lại môi trường cũ, gặp bề mặt nhẵn gọi tượng phản xạ ánh sáng 2.3.2 Định luật phản xạ ánh sáng Bốn kỷ trước CN, Euclide biết định luật phản xạ mặt phẳng: góc tia tới tạo với pháp tuyến mặt phẳng góc tia phản xạ với pháp tuyến Archimède (khoảng 287-212 TCN) chứng minh tập trung toàn ánh sáng tới vào tiêu điểm gương gương có dạng parabol Như vậy, người Hy Lạp biết làm chủ kỹ thuật chế tạo gương Trên thực tế, Archimède thiêu rụi hạm đội La Mã vây hãm thành phố Syracuse cách dùng gương parabol khổng lồ tập trung ánh sáng mặt trời lên tàu địch Định luật phản xạ ánh sáng: “- Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới bên pháp tuyến so với tia tới - Góc phản xạ góc tới” 2.3.3 Nguyên lí Huyghens với định luật phản xạ ánh sáng Người đề thuyết sóng ánh sáng có sức thuyết phục nhà vật lí người Hà Lan Christian Huyghens năm 1678 Lý thuyết Huyghens giải thích định luật phản xạ khúc xạ theo thuyết sóng ý nghĩa vật lí chiết suất Lý thuyết sóng Huyghens dựa dựng hình cho phép xác định mặt sóng cho trước sau thời gian đâu biết vị trí ban đầu Cách vẽ dựa nguyên lí Huyghens phát biểu sau: “Mọi điểm mặt sóng dùng làm nguồn điểm sóng cầu thứ cấp Sau thời gian t vị trí mặt sóng bao hình tất sóng thứ cấp trên” Suy từ nguyên lí Huyghens định luật phản xạ ánh sáng Chiếu chùm tia sáng song song vào mặt phản xạ phẳng, góc tới i Các mặt sóng ánh sáng vuông góc với tia sáng , nên làm với mặt phản xạ góc i Ta vẽ tia sáng nằm dải sáng vuông góc với mặt phản xạ vết mặt sóng IJ dải sáng Khi sóng ánh sáng mép lan đến điểm I mặt phản xạ sóng mép J Sau khoảng thời gian sóng truyền từ J đến J’; c vận tốc truyền sóng Khi sóng tới truyền đến J’ sóng phản xạ I truyền đế mặt cầu tâm I, bán kính Tương tự đó, sóng M truyền đến mặt cầu tâm M’, bán kính JJ’-MM’; sóng N lan đến mặt cầu tâm N’, bán kính JJ’-NN’… Vết mặt cầu ‘mặt phẳng hình vẽ vòng tròn Ta vẽ đoạn J’I’, tiếp xúc với vòng tròn tâm I I’ Ta phải chứng minh hai tam giác vuông IJJ’ II’J’ hai tam giác vuông IMM’ ImM’ Từ suy MM’=mM’ M’M’’=IJ’MM’ Như M’M’’ bán kính vòng tròn tâm M’ J’I’ tiếp xúc với vòng tròn tâm M’ Tương tự J’I’ tiếp xúc với vòng tròn tâm N’ Rõ ràng J’I’ vết mặt sóng phản xạ mặt phẳng hình vẽ; II’, M’M’’, N’N’’… tia sáng phản xạ Ta thấy ngay: tia phản xạ nằm mặt phẳng tới góc phản xạ góc tới 2.4 Định luật khúc xạ ánh sáng 2.4.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Hiện tượng lệch phương tia sáng truyền xiên góc qua mặt phân cách hai môi trường suốt khác gọi tượng khúc xạ ánh sáng 2.4.2 Định luật khúc xạ ánh sáng Định luật khúc xạ ánh sáng hai nhà khoa học René Descartes(Đề-các) Willebord Snell(Xnen) đồng thời nghiên cứu khám phá độc lập với Trong W.Snell (1580 – 1627) người nghiên cứu đường tia sáng mặt phân cách hai môi trường người thông qua thực nghiệm phát trước tiên định luật sin góc dạng góc nhỏ Sau Descartes cách độc lập, chứng minh kết lý thuyết cách đầy đủ khái quát công bố vào năm 1637 Vì định luật khúc xạ ánh sáng gọi định luật Snell-Descartes Tuy nhiên khu vực nước nói tiếng Anh, định luật khúc xạ ánh sáng gọi định luật Snell Còn khu vực nước nói tiếng Pháp định luật khúc xạ ánh sáng gọi định luật Descartes Willebord Snell (1580 1627, giáo sư toán vật lí người Hà Lan) René Descartes (1596 – 1650) nhà triết học, toán học, vật lí người Pháp Khi tia sáng SI tới mặt phân cách phẳng hai môi trường suốt I phần tia sáng phản xạ trở lại môi trường theo đường IS’; phần tia sáng thay đổi hướng vào môi trường theo đường IR Cường độ sáng hai tia khác thay đổi theo góc tới phân chia lượng tia phản xạ tia khúc xạ tuân theo định luật bảo toàn lượng Khi tia sáng đến mặt phân cách hai môi trường suốt đồng tính đẳng hướng mà bị khúc xạ vào môi trường thứ hai tuân theo định luật khúc xạ Định luật khúc xạ ánh sáng (Định luật Snell-Descartes) “ Tia tới tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới pháp tuyến với mặt phân cách vẽ từ điểm tới) phía bên pháp tuyến so với tia tới Tỉ số sin góc tới sin góc khúc xạ đại lượng không đổi hai môi trường quang học cho trước” hay với chiết suất tỉ đối môi trường (môi trường chứa tia tới) môi trường (môi trường chứa tia khúc xạ); n1 chiết suất tuyệt đối môi trường (môi trường chứa tia tới); n2 chiết suất tuyệt đôi môi trường (môi trường chứa tia khúc xạ) Khi n21>1thì i > r: tia khúc xạ lại gần pháp tuyến Khi n21 giá trị đại số Nếu hệ hai thấu kính mỏng ghép sát L = lúc hệ tương đương với thấu kính có độ tụ: D = D1 + D2 hay 3.3.8 Ứng dụng thấu kính Thấu kính có nhiều công dụng hữu ích đời sống khoa học Thấu kính dùng làm: khắc phục tật mắt; dùng quang cụ hỗ trợ cho mắt quan sát vật từ vi mô đến vĩ mô, xa hay gần; dùng máy quay phim, chụp hình; máy quang phổ…Vật liệu chế tạo thấu kính ngày hoàn thiện, với công nghệ chế tạo tinh vi, người ta chế tạo dụng cụ quang học cho ảnh có chất lượng cao 34 Mắt dụng cụ quang học 4.1 Mắt 4.1.1 Cấu tạo quang học mắt Về phương diện quang học, mắt cấu tạo môi trường đồng tính, suốt có số sau: Độ tụ 58,48 đp Độ dài mắt 22 mm Bán kính khúc mặt khúc xạ 5,7 mm Chiết suất môi trường 1,33 Bán kính khúc võng mạc 9,7 mm Xét mặt quang học, mắt có cấu tạo sau: - mi, - đồng tử, giác mạc, 10 - thủy tinh thể, 22 - dây thần kinh thị giác, 26 - điểm vàng, 30 - võng mạc Một chức mắt người tập trung ánh sáng lên lớp tế bào nhận kích thích ánh sáng gọi võng mạc, lớp lót nằm phía cầu mắt Sự tập trung thực loạt môi trường suốt Ánh sáng vào mắt qua môi trường giác mạc, mang lại nhiều công suất quang học mắt Ánh sáng tiếp tục qua chất lỏng nằm phía sau giác mạc - khoang phía trước (anterior chamber), qua đồng tử Tiếp đó, ánh sáng qua thủy tinh thể, cho phép tập trung thêm ánh sáng điều chỉnh khả nhìn gần hay xa mắt Sau đó, ánh sáng qua chất lỏng chứa chủ yếu cầu mắt thủy 35 dịch (vitreous humour), tới võng mạc Các tế bào nằm phần lớn võng mạc nằm sau mắt, ngoại trừ vị trí có dây thần kinh thị giác, điểm mù Có hai loại tế bào nhận kích thích ánh sáng, tế bào hình nón tế bào hình que, chúng có độ nhạy khác loại ánh sáng khác Tế bào hình que nhạy cường độ ánh sáng phạm vi rộng tần số, chịu trách nhiệm thị giác đen trắng (nhìn ban đêm) Tế bào hình que điểm vàng, vùng võng mạc chịu trách nhiệm cho thị giác trung tâm, không đáp ứng thay đổi không gian thời gian ánh sáng tế bào hình nón Tuy nhiên, số lượng tế bào hình que nhiều 20 lần tế bào hình nón võng mạc Bởi tế bào hình que phân bố phạm vi rộng Nhờ phân bố rộng hơn, tế bào hình que chịu trách nhiệm cho thị giác ngoại biên (peripheral vision) Ngược lại, tế bào hình nón nhạy sáng hơn, chúng nhạy chủ yếu ba loại dải tần số ánh sáng khác có chức cảm nhận màu sắc độ chói (photopic vision) Tế bào hình nón tập trung chủ yếu điểm vàng nhạy với độ tinh màu sắc chúng cho phép phân biệt không gian tốt so với tế bào hình que Vì tế bào hình nón không nhạy ánh sáng mờ tối tế bào hình que, phần lớn khả nhìn ban đêm tế bào hình que Mặt khác, tế bào hình nón tập trung điểm vàng, thị giác trung tâm (bao gồm khả nhìn để đọc, để thấy chi tiết nhỏ xâu kim, kiểm tra vật thể) tế bào hình nón 4.1.2 Sự điều tiết mắt Cơ mi bao xung quanh thủy tinh thể cho phép tập trung ánh sáng mắt điều chỉnh được, hay trình điều tiết Điểm cực viễn Cv điểm cực cận Cc xác định khoảng cách xa gần từ mắt mà ảnh vật thể rõ nét võng mạc Đối với người có khả nhìn thông thường, điểm cực viễn nằm vô cực Khi đó, mắt không điều tiết có độ tụ nhỏ Vị trí điểm cực cận phụ thuộc vào khả mi làm tăng độ cong thủy tinh thể Khi nhìn vật điểm này, độ tụ mắt lớn độ đàn hồi thủy tinh thể ảnh hưởng tuổi tác Các nhà quang học thường coi điểm cực cận điểm nằm gần khoảng cách mà mắt đọc cách bình thường - xấp xỉ 25 cm 36 Khoảng cách từ điểm cực cận đến điểm cực viễn gọi khoảng nhìn rõ mắt 4.1.3 Các tật mắt cách khắc phục Thị lực giải thích nhờ nguyên lý quang học Khi người trở lên già đi, thủy tinh thể trở lên đàn hồi điểm cực cận dần lùi xa khỏi mắt, tật gọi lão thị Những người bị tật viễn thị mắt có độ tụ nhỏ độ tụ mắt bình thường Khi không điều tiết, tiêu điểm F’ nằm đằng sau võng mạc Điểm cực cận mắt viễn nằm cách xa mắt mắt bình thường Ngược lại, người làm tăng tiêu cự thủy tinh thể đủ để ảnh vật xa tập trung rõ võng mạc hay họ mắc chứng cận thị điểm cực viễn không vô cực Điểm cực cận mắt cận gần so với mắt bình thường Một tật khác loạn thị giác mạc dạng cầu bị cong nhiều hướng Điều khiến cho vật có bề ngang lớn bị tập trung nhiều phần khác võng mạc so với vật có kích thước ngang hẹp, kết ảnh vật bị méo mó Những tật mắt kể khắc phục cách sử dụng dụng cụ thấu kính hiệu chỉnh (corrective lens) Đối với viễn thị lão thị, kính mắt dạng thấu kính hội tụ giúp điểm cực cận nằm gần mắt Kính có tiêu cự xác định: fv’ = lv + d (lv: khoảng cách từ điểm cực viễn đến mắt d: khoảng cách từ kính đến mắt.) 37 Thấu kính phân kỳ giúp mắt cận thị đưa điểm cực viễn trở thành điểm nằm vô cực Khi đó, kính sử dụng có tiêu cự: fc’ = lv - d Người loạn thị đeo kính có bề mặt hình trụ giúp bù lại không đồng phân bố tia sáng võng mạc Đối với kính dùng cho người loạn thị, có ba thông số cho mắt kính: cho công suất hình cầu, cho công suất hình trụ, cho góc hướng loạn thị 4.1.4 Góc trông suất phân giải mắt Muốn nhìn rõ vật, phải đặt vật khoảng từ điểm cực viễn đến điểm cực cận mắt Tuy nhiên, muốn phân biệt rõ chi tiết nhỏ vật phải đặt vật điểm cực cận mắt góc nhìn mắt (góc nhìn vật từ quang tâm mắt) có giá trị lớn Góc nhìn nhỏ hai điểm vật mà mắt phân biệt được, xác định suất phân giải mắt Đối với mắt bình thường không dùng quang cụ góc vào khoảng 1’ Khi độ chói vật bé, suất phân giải mắt ( > 1’) Khi đưa vật lại gần mắt, suất phân giải mắt tăng lên, mắt có khả phân biệt chi tiết bé vật Người ta làm tăng khả phân biệt chi tiết bé vật cách dùng dụng cụ quang học với mắt Khi nhìn vật qua quang cụ, kích thước ảnh phóng đại, độ phóng đại xác định hệ thức: (Với góc nhìn vật có quang cụ góc nhìn vật quang cụ.) Tỉ số gọi số bội giác dụng cụ quang học 4.1.5 Sự lưu ảnh mắt Hiện tượng lưu ảnh mắt nhà vật lý người Bỉ - Joseph Plateau phát vào năm 1829 Ông nhận thấy tầm khoảng 0,1 giây, có cảm giác ta nhìn thấy vật Ông giải thích màng lưới mắt lưu 38 giữ ảnh dù ánh sáng kích thích không Như vậy, Plateau phát hiên tượng thú vị vật lý sinh học Hiện tượng lưu ảnh mắt có tác dụng điện ảnh Cụ thể, chiếu phim, sau 0,033 hay 0,04 giây, người ta lại chiếu cảnh phim Khi đó, tượng nói trên, người xem có cảm giác trình phim diễn liên tục 4.2 Kính lúp 4.2.1 Cấu tạo công dụng + Kính lúp dụng cụ quang bỗ trợ cho mắt để quan sát vật nhỏ, gần + Kính lúp cấu tạo thấu kính hội tụ (hoặc hệ ghép tương đương với thấu kính hội tụ) có tiêu cự nhỏ (10 mm – 100 mm) B’ B F A’ A O F' 4.2.2 Sự tạo ảnh kính lúp d d/ 39 + Đặt vật nhỏ AB khoảng từ quang tâm đến tiêu điểm vật kính lúp Khi kính cho ảnh ảo A’B’ góc nhìn vật lớn (góc nhìn vật không dùng kính lúp vật đặt điểm cực cận mắt), chiều với vật + Khi dùng kính lúp, muốn quan sát vật rõ nét phải điều chỉnh vật (hoặc kính lúp) cho ảnh A’B’ nằm khoảng nhìn thấy rõ mắt Quá trình điều chỉnh gọi ngắm chừng + Người ta thường điều chỉnh cho ảnh A’B’ nằm vô cực, mắt nhìn rõ ảnh mà điều tiết Cách điều chỉnh gọi ngắm chừng vô cực 4.2.3 Số bội giác kính lúp + Xét trường hợp ngắm chừng vô cực Khi vật AB phải đặt tiêu diện vật kính lúp, để ảnh vật qua kính lúp nằm vô cực Ta có: tanα = tan α0 = (góc trông vật có giá trị lớn ứng với vật đặt điểm cực cận) Do 40 Người ta thường lấy khoảng cực cận OC C= 25cm Khi sản xuất kính lúp người ta thường ghi giá trị (G) (ứng với khoảng cực cận kính (5x, 8x, 10x, …) Khi ngắm chừng vô cực, mắt điều tiết độ bội giác kính không phụ thuộc vào vị trí đặt mắt (so với kính) + Khi ngắm chừng cực cận: | 4.3 Kính hiển vi Những kính hiển vi ban đầu phát minh vào năm 1590 Middelburg, Hà Lan Ba người thợ tạo kính Hans Lippershey (người phát triển kính viễn vọng trước đó),Zacharias Janssen, với cha họ Hans Janssen người xây dựng nên kính hiển vi sơ khai Năm 1625, Giovanni Faber người xây dựng kính hiển vi hoàn chỉnh đặt tên Galileo Galilei Các cấu trúc kính hiển vi quang học tiếp tục phát triển đó, kính hiển vi sử dụng cách phổ biến Italia, Anh quốc, Hà Lan vào năm 1660, 1670 Marcelo Malpighi Italia bắt đầu sử dụng kính hiển vi để nghiên cứu cấu trúc sinh học phổi Đóng góp lớn thuộc nhà phát minh người Hà Lan Antoni van Leeuwenhoek, người phát triển kính hiển vi để tìm tế bào hồng cầu tinh trùng công bố phát 4.3.1 Cấu tạo cách sử dụng 41 Kính hiển vi dùng để quan sát vật nhỏ gần, gồm phận: Vật kính OV thị kính OT đặt cách khoảng d không đổi lớn so với tiêu cự chúng Khoảng cách F1’F2 = ∆ độ dài quang học kính + Vật kính thấu kính khử quang sai tốt, hướng phía vật, có nhiệm vụ tạo ảnh thật cho vật + Thị kính giúp cho mắt nhìn ảnh thật góc α lớn nhiều so với không dùng kính hiển vi Thị kính dùng kính hiển vi thị kính Huyghen Ngoài có phận tụ sáng để chiếu sáng vật cần quan sát Đó gương cầu lõm Thị kính B1 A1 F1 Vật kính F1/ F2 A1/ B1/ B/2 4.3.2 Sự tạo ảnh kính hiển vi Sơ đồ tạo ảnh : Vật nhỏ AB phải đặt trước tiêu điểm F1 vật kính gần tiêu điểm A1B1 ảnh thật lớn nhiều so với vật AB A 2B2 ảnh ảo lớn nhiều so với ảnh trung gian A1B1 Mắt đặt sau thị kính để quan sát ảnh ảo A2B2 Muốn nhìn rõ ảnh ảo A2B2 hay nhìn rõ vật AB qua kính, phải điều chỉnh vật AB kính (hoặc điều chỉnh kính vật) cho ảnh A 2B2 nằm khoảng nhìn thấy rõ mắt Để quan sát vật, người ta thường điều chỉnh cho A 2B2 nằm vô cực hay ngắm chừng vô cực 4.3.3 Số bội giác kính hiển vi 42 + Khi ngắm chừng cực cận: + Khi ngắm chừng vô cực: , với ; ∆ = O1O2 – f1 – f2.(khoảng cách từ tiêu điểm ảnh vật kính đến tiêu điểm vật thị kính gọi độ dài quanh học kính hiển vi) 4.3.4 Năng suất phân giải kính hiển vi Chùm tia sáng vào vật kính kính hiển vi bị giới hạn, nên bị nhiễu xạ, hạn chế khả phân giải kính hiển vi Năng suất phân giải kính hiển vi xác định khoảng cách góc bé hai điểm gần mà qua kính hiển vi ta quan sát riêng rẽ Giả sử, kính hiển vi ta quan sát hai điểm gần A B vật, cách khoảng y B1 M y1 A u y O u1 A1 B N A1B1 ảnh AB cho vật kính, chúng cách khoảng y1 Nhưng có tượng nhiễu xạ chắn MN thường đặt sát vật kính mà ảnh điểm A B vệt sáng tròn có tâm A1 B1, bao quanh vòng nhiễu xạ Khi xác định suất phân giải kính hiển vi: 43 Với: A = n.sinu số kính hiển vi n chiết suất môi trường chứa vật bước sóng ánh sáng tới Ta thấy, chiếu sáng không kết hợp số lớn bước sóng bé, suất phân giải kính hiển vi lớn Như vậy, để tăng suất phân giải kính hiển vi có cách: tăng số A giảm bước sóng 4.4 Kính thiên văn 4.4.1 Cấu tạo cách sử dụng Trong lịch sử, kính viễn vọng chế tạo sử dụng dụng cụ quang học, để thu nhận ánh sáng đến từ vật thể xa tạo hình ảnh phóng đại dễ dàng quan sát mắt người Chúng kính viễn vọng quang học Sau này, loại kính viễn vọng khác chế tạo, sử dụng xạ điện từ nằm bước sóng khác, đến từ vật thể xa, radio, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, gamma… Kính thiên văn đơn giản gồm phận: Vật kính O V thị kính OT Vật kính có tiêu cự lớn, thị kính có số bội giác lớn 44 Nếu dùng thị kính Ramxđen (hệ quang học dương) qua kính, ảnh quan sát ngược chiều với vật, hệ quang học gồm vật kính thị kính gọi hệ Kepele Kính thiên văn hệ Kêple Nếu thị kính hệ quang học âm, hệ quang học gồm vật kính thị kính gọi hệ Galilê Với hệ này, ảnh quan sát chiều với vật Vật kính thị kính lắp vào ống kính Khoảng cách vật kính thị kính thay đổi cách dịch chuyển thị kính 4.4.2 Sự tạo ảnh kính thiên văn Vật xa vô cực qua vật kính O V cho ảnh thật A1B1 ngược chiều tiêu điểm F1’ vật kính Qua thị kính, cho ảnh ảo A 2B2 phóng đại lên nhiều lần Muốn quan sát rõ vật, phải dịch chuyển thị kính để ảnh A 2B2 nằm khoảng nhìn rõ mắt Thông thường, để tránh mỏi mắt, người ta ngắm chừng vô cực Khi đó, tiêu điểm F2 thị kính trùng với tiêu điểm F 1’ vật kính Hệ gọi hệ vô tiêu 4.4.3 Số bội giác Khi ngắm chừng vô cực Ta có: Do dó: tanα0 = ; tanα = 45 F1/,F2 A1 O2 O1 B1 4.4.4 Năng suất phân giải kính thiên văn Vì chùm sáng tia tới kính thiên văn chùm song song, nên dùng công thức nhiễu xạ Fraunhôfe qua lỗ tròn: Giả sử kính thiên văn, quan sát hai S S2 gần Do nhiễu xạ sóng phẳng qua lỗ tròn mà tạo nên ảnh nhiễu xạ tiêu diện vật kính dạng vết sáng tròn, bao quanh vòng tròn sáng tối xen kẽ Khi đó: Với: R bán kính độ hữu ích vật kính bước sóng ánh sáng tới Như vậy, đường kính độ hữu ích vật kính lớn, suất phân giải lớn, hay giảm bước sóng, tăng suất phân giải kính thiên văn 46 C KẾT LUẬN Phần “Quang hình học ” nội dung quan trọng lý thú chương trình vật lí phổ thông Việc nghiên cứu, sâu tìm hiểu sâu nội dung giúp cho hiểu biết cách cặn kẽ kiến thức môn học, tạo điều kiện thuận lợi để giảng dạy tốt môn vật lí nhà trường phổ thông Những kiến thức phần “Quang hình học” liên quan mật thiết đến thực tiễn sống, học tập, lĩnh hội tri thức cách tích cực giúp cho học sinh có cách nhìn nhận đắn tượng quang học xảy tự nhiên 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Ngọc Hợi (Chủ biên) – Phạm Văn Thiều, Tập 3: Quang học vật lí lượng tử ,Vật lí đại cương: Các nguyên lí ứng dụng, NXB Giáo dục Huỳnh Huệ, Quang học, 1981, NXB Giáo dục Vũ Quang, 2014, Tài liệu chuyên vật lí: Vât lí 11, Tập hai, NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), sách giáo khoa vật lý 11 nâng cao, NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (tổng chủ biên), sách giáo viên Vật lý 11 nâng cao , NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (tổng chu biên), sách giáo khoa vật lý 11, NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (tổng chu biên), sách giáo viên Vật lý 11 , NXB Giáo dục Bộ Giáo dục Đào tạo, Tài liệu bồi dưỡng giáo viên, Hà Nội, 2007 Bộ Giáo dục Đào tạo, Những vấn đề chung đổi giáo dục Trung học phổ thông, NXB Giáo dục 10 Lê Công Triêm, Lê Thúc Tuấn, Bài giảng phân tích chương trình vật lý phổ thông, Đại học Sư phạm Huế 48 [...]... chiều, nhỏ hơn vật - Vật ở vô cực: cho ảnh thật rất nhỏ nằm tại F 3.2.3.2 Gương cầu lồi - Vật thật luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật - Vật ảo trong khoảng OF: cho ảnh thật, cùng chiều, lớn hơn vật - Vật ảo trong khoảng FC: cho ảnh ảo, ngược chiều, lớn hơn vật - Vật ảo ngoài khoảng OC: cho ảnh ảo, ngược chiều, nhỏ hơn vật 3.2.4 Công thức gương cầu: Xét một điểm sáng P nằm trên quang trục của... trong ba tia trên Đối với vật, ta chỉ cần xác định ảnh của một số điểm đặc biệt 20 3.2.3 Tính chất ảnh của vật tạo bởi gương cầu 3.2.3.1 Gương cầu lõm - Vật thật trong khoảng OF: cho ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật - Vật thật ở tiêu điểm F: cho ảnh ở vô cực - Vật thật ở trong khoảng FC: cho ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật - Vật thật ở C: cho ảnh thật, ngược chiều, bằng vật - Vật thật ở ngoài OC: cho... ảnh ra Cấu tạo sợi quang Mỗi sợi quang gồm hai phần chính: + Phần lõi trong suốt làm bằng thuỷ tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1) + Phần vỏ bọc cũng trong suốt làm bằng thuỷ tinh chiết suất n2< n1 Trong công nghệ sợi quang được phân thành hai loại: sợi đơn mốt và sợi đa mốt Sợi đơn mốt (single mode; monomode) có phần lõi đường kính 10μm và phần vỏ Sợi đơn mốt có đường kính 125μm Phần lõi hẹp có công... trong khoa học Thấu kính được dùng làm: khắc phục các tật của mắt; dùng trong các quang cụ hỗ trợ cho mắt quan sát các vật từ vi mô đến vĩ mô, ở xa hay ở gần; dùng trong các máy quay phim, chụp hình; máy quang phổ Vật liệu chế tạo thấu kính ngày càng hoàn thiện, với công nghệ chế tạo tinh vi, người ta đã chế tạo ra các dụng cụ quang học cho ảnh có chất lượng cao 34 4 Mắt và các dụng cụ quang học 4.1 Mắt... phản xạ toàn phần xảy ra tại mặt phân cách giữa hai môi trường Như vậy, khi tia sáng truyền từ môi trường có chiết quang hơn sang môi trường có chiết quang kém, tia sáng chỉ cho tia phản xạ, không cho tia khúc xạ khi nó tới mặt phân cách dưới một góc lớn hơn hoặc bằng góc tới giới hạn Hiện tượng đó gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần 2.4.4.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần 16 Phản xạ toàn phần là hiện... phản xạ toàn phần lần liên tiếp trên hai mặt bên Lăng kính phản xạ toàn phần được dùng thay cho gương phẳng trong một số dụng cụ quang học như ống nhòm, kính tiềm vọng vì nó có ưu điểm là không cần lớp Lăng kính phản xạ toàn phần trong ống nhòm mạ và tỉ lệ phần trăm ánh sáng phản xạ rất lớn Cáp quang Cáp quang gồm nhiều bó sợi quang ghép và hàn nối với nhau Từ những năm 60 của thế kỉ trước, người ta... suất tỉ đối của vật liệu làm thấu kính với môi trường xung quanh thấu kính - Công thức liên hệ giữa vị trí vật và vị trí ảnh: , trong đó d và d’ là các trị đại số xác định vị trí của vật và ảnh theo quy ước: vật thật, ảnh thật d, d’ > 0; vật ảo, ảnh ảo d, d’ < 0; f >0 đối với thấu kính hội tụ, f là giá trị đại số... theo thực nghiệm, đối xứng với P qua gương phẳng Ngoài ra, nếu vật thực thì ảnh ảo, và ngược lại Trường hợp vật không phải là một điểm thì ta có ảnh của vật là tập hợp các ảnh của các điểm trên vật Ảnh và vật đối xứng với nhau qua mặt phẳng của gương, chúng không thể chồng khít lên nhau trừ khi vật có một tính đối xứng đặc biệt nào đó Vật và ảnh còn có tính chất đổi chỗ cho nhau Nghĩa là nếu ta hội... với trục tương ứng • Đó cũng là vị trí ảnh của một vật điểm ở vô cực - Đối với thấu kính phân kì thì tiêu điểm của thấu kính là điểm ảo Do đó, nếu đặt vật tại vị trí F/ thì vai trò quang học của điểm này không thể hiện - Tiêu cự là một trị số đại số được xác định : (f > 0 nếu F/ thật và f < 0 nếu F/ ảo) - Độ tụ: , đặc trưng cho khả năng hội tụ (hay phân kì) chùm sáng của thấu kính Một thấu kính có độ