Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi THPT quang học

A TỔNG QUAN KIẾN THỨC Các đại lượng trắc quang dΦ a) Quang thơng ( ):do chùm sáng gửi đến diện tích dS đại lượng có trị số phần lượng gây cảm giác ánh sáng gửi đến dS đơn vị thời gian dΩ b) góc khối : :Góc nhìn diện tích dS từ điểm O phần khơng gian giới hạn hình nón có đỉnh O có đường sinh tựa chu vi dS(sr:stêadian) n dΩ dS o O dS r dΩ = dS cosα r2 c) Độ sáng :là đại lượng đặc trưng cho khả phát sáng nguồn theo phương I= dΦ dΩ (cd:candela) Candela độ sáng theo phương vng góc với diện tích nhỏ có diện tích 1/600000m2,bức xạ vật xạ tồn phần ,ở nhiệt độ đơng đặc platin áp suất 101325N/m2 ( dΦ = 1candela.1stêradian=1lumen ) Lumen viết tắt lm quang thơng nguồn sáng điểm đẳng hướng có độ sáng 1candela gửi góc khối st êradian d) Độ rọi: E= dΦ dS Độ rọi E mặt đại lượng có giá trị quang thơng gửi qua đơn vị diện tích mặt -Độ rọi nguồn điểm d Φ I cos α E= = dS r2 E = 1lume / m = 1lux n dΩ O dS r Định luật truyền thẳng ánh sáng phản xạ ánh sáng a) Định luật truyền thẳng ánh sáng :Trong mơi trường suốt đồng tính quang học ánh sáng truyền theo đường thẳng b) Tính thuận nghịch đường tia sáng :Đường tia sáng khơng phụ thuộc chiều truyền c) Định luật phản xạ ánh sáng S R N i i ' I - a) - Tia phản xạ nằm mặt phẳng tới phía bên pháp tuyến Góc tới góc phản xạ Sự khúc xạ ánh sáng Định luật khúc xạ ánh sáng Tia khúc xạ nằm mặt phẳng tới phía bên pháp tuyến Khi góc tới i thay đổi góc khúc xạ r thay đổi theo n sin i = n21 = ; n1 sin i1 = n2 sin i2 = n3 sin i3 sinr n1 - Chiết suất mơi trường: a) chiết suất tỉ đối n = n21 = n2 v1 = ; n21 = n1 v2 n12  n21 > (2) chiết quang (1)   n21 > (2) chiết quang kém(1) b) Chiết suất tuyệt đối: + Chiết suất tuyệt đối chiết suất tỉ đối so với chân khơng ( hay khơng khí ) n= Ngun lí Fec-ma n c ; n21 = v n1 a) Quang trình : B (n) A AB e = V V V : vận tốc ánh sáng  e = AB  ∆t : thời gian ánh sáng truyền n: chiết suất môi trường ∆t = Với chân không thời gian ∆t,ánh sáng quãng đường e = c∆t = c ( AB ) = e e = ne V = ne Gọi quang trình quãng truyền AB ∑k ∑ k −1 ∑2 ∑1 Ak A k-1 A2 A1 B '   nk −1   A  nk    B   n2     n1   B ảnh A ( AB ) = n e + n e 1 k + + ni ei + + nk ek = ∑ ni ei i =2 quang trình ei ảo ,phải có độ dài số âm b) Ngun lí Féc-ma Quang trình đường truyền tia sáng ,từ điểm A đến điểm B sau số lần phản xạ khúc xạ liên tiếp , có giá trị cực đại , cực tiểu , dừng , so với quang trình tia sáng vơ gần AB c) Định lí Maluyt(Malus) - Mặt trực giao Định lí Maluyt:Quang lộ tia sáng hai mặt trực giao chùm sáng Sự phản xạ tồn phần:  n1 > n2  n2  i ≥ igh ; sin igh = n  - Gương phẳng a) Sự tạo ảnh S S ' Vật thật có ảnh ảo S ' S Vật ảo có ảnh thật S i i ' H I S ' b) Tính chất ảnh HS ' = HS Ảnh vật đối xứng qua gương Suy : + Ảnh vật có phần tử tương ứng + Ảnh vật có chất trái ngược + Gương phẳng có tính tương điểm tuyệt đối HS = d ; HS ' = d ' Chú ý :có thể đặt : với quy ước dấu sau Cơng thức gương phẳng viết d > vật thật ;d0;ảnh ảo d' n1 + Vật ảo ảnh thật S2 S1 S1 S2 n1 n1 H I H n2 n2 n2 < n1 n2 > n1 b) Cơng thức lưỡng chất phẳng (chùm tia tới hẹp gần vng góc ) HS1 HS2 = n1 n2 Chú ý :có thể đặt I HS1 = d1; HS2 = d2 với quy ước d1 > vật thật  d1 < vật ảo  d1' > ảnh thật ; '  d1 < ảnh ảo d1 d2 d d' + = hay + =0 n1 n2 n1 n2 Ta có cơng thức : 10 Lưỡng chất cầu I i1 i2 α A1 S A2 C R x2 x1 n1 n1 x1 = IA1 n2 n2 x2 IA2 Trong n1;n chiết suất môi trường + Lưỡng chất cầu độ nhỏ ( i1 ω khơng q vài độ ) I i2 A2 R A1 S H ω C P1 n1 n1 n2 n1 − n2 − = p1 p2 R Trong :SA1 = p1; SA2 = p2 ; SC = R 11 Bản mặt song song a) Đường tia sáng n2 P2 i1 e n i2 b) Sự tạo ảnh mặt song song ( chùm tia sáng hẹp gần vng góc ;n>1) A B ánh sáng A B ' e A ' B A ' (e) ' B n (n) Ánh sáng -Ảnh vật ln ln có chất trái ngược -Nhìn qua mặt // ,vật thể bị dời theo đường truyền tia sáng (n>1) -Ảnh vật độ lớn c) Cơng thức mặt song song + Độ dời ngang tia sáng d=   e sin(i − r ) cos i = e sin i 1 −  cos r n2 − sin2 i   d) Khoảng cách vật -ảnh  1 AA ' = e  − ÷  n HA = d ; HA ' = d ' Chú ý :có thể đặt: với quy ước sau d > vật thật ;d ảnh thật ;d 0.Vì f,l>0 → l>f ;Có OF=OO1 + O1F = −O1O + O1F = − + f =− l− f l− f l− f Tiêu cự gương cầu bằng:fG = OF f2 =− 2( l − f ) -Để hệ thay gương cầu lõm đỉnh O phải nằm phía sau tâm F (theo đường truyền tia sáng ) Như O vật ảo thấu kính L cho ảnh thật O2 lf lf f2 ta có :d1 = < 0.Vì f,l>0 → l R2 C2 nằm khoảng C1 O1 Xét tia sáng phát từ S làm với trục góc α Do nguồn sáng S đặt tâm mặt lõm nên tia sáng truyền thẳng đến điểm I mặt cầu lồi khúc xạ ngồi Đường kéo dài tia ló cắt trục S’; S’ ảnh S qua thấu kính Gọi i r góc tới góc khúc xạ I: sinr = n sini Đặt SC2 = x S’C2 = y Bài 26: Với thơng số cho, dễ dàng chứng minh tam giác SC2 I cân C2 I = 3cm; SO2 = 5,5 + 0,5 = 6cm ⇒ SC2 = 3cm Bài 27: Bài 28: i =α Vì Bài 29: s inr s inr = =n sin i sin α Bài 30: theo định luật khúc xạ γ = 180 − r − ϕ = α + i − r = 2α − r Bài 31: ta có : Bài 32: Áp dụng định lí hàm số sin cho tam giác S'C2I R s inr R2 s inr nR2 nR2 y= = = = s inr sin 2α sin γ sin ( 2α − r ) sin 2α cos r − cos2α cos r − n cos 2α sin α sin α sin α Bài 33: α = 150 Bài 34: *Thay tính r=22,840,y1=9,35cm nR2 = 9cm α =0 2−n Bài 35: *Thay ta tính r=0,y2= Bài 36: Vậy dải điểm ảnh nằm trục ,ở bên trái C2 có bề rộng ∆y = y1 − y2 = 0,35cm Bài 37: Bài 38: 2.Đối với tam giác SC2I ta có : sin i sin ϕ = x a với a=SI s inr sin ϕ = y b Bài 39: Đối với tam giác S'C2I ta có : ⇒ x sin r a nx a = ⇒ = y sin i b y b với b=S'I GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 33 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc Bài 40: Mặt khác xét hai tam giác SC2I S'C2I ta có a2 = R22 + x − R2 x cos ϕ ; b = R + x − R2 y cos ϕ 2 2 Bài 41: Từ biểu thức ta có 2 n2 x R2 + x − R2 x cos ϕ = ⇒ n x R22 + y − y R22 + x + R2 xy(y− n x ) cos ϕ = 2 y R2 + x − R2 y cos ϕ Bài 42: ( ) ( ) ϕ Bài 43: Để tia tới ( góc khác ) có đường kéo dài tia khúc xạ qua S' n x=y thay vào phương trình ta có : Bài 44: n x R22 + y − y R22 + x = ⇔ n x R22 + n2 x y − y R22 − y x = ( ) ( ) ⇔ n2 x R22 + n2 x n4 x − n x R22 − n x = ( ) ( n x R22 + n x n − n x R22 − n x = ⇔ R22 + x n − n R22 − n x = ⇒ R22 − n = x n − n ) ⇒ R2 = nx Bài 45: Mặt khác C2O2=SO2-SC2=SO1+O1O2- SC2 Bài 46: R  1 n ⇒ R2 = R1 + O1O2 − x ⇔ R1 + O1O2 − ⇔ R2  + ÷ = R1 + O1O2 ⇒ R2 = ( R1 +O1O2 ) = 3,6cm n n +1  n Bài 47: QG-2011(4,0 điểm).Cho quang hệ gồm hai thấu kính mỏng L1 L2 giống có tiêu cự f F2' đặt đồng trục Trên Hình 2,O1 O2 quang tâm hai thấu kính, tiêu điểm ảnh thấu kính L2 Một điểm sáng S đặt tiêu điểm thấu kính L1 Tìm khoảng cách hai thấu kính cho mặt song song đồng chất, chiết suất n, đặt F2' vùng S O1 O2 theo phươngvng góc với quang trục ảnh S qua hệ vị trí Đặt khoảng hệ hai thấu kính L1 L2 mặt song song vng góc với quang trục để tạo thành quang hệ (Hình 4) Bản mặt song song có bề dày h, chiết suất n thay đổi theo quy luật n = n0 + ky ( n0 k số, k > 0), với trục Oy vng góc với quang trục cắt quang trục hệ thấu kính Bỏ qua thay đổi chiết suất dọc theo đường truyền tia sáng mặt song song a) Xác định vị trí ảnh S qua quang hệ ϕ b) Từ vị trí đồng trục, quay thấu kính L2 góc nhỏ, cho trục L2 nằm mặt phẳng chứa Oy O2 (Hình 2) Xác định vị trí ảnh Bài 48: GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 34 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc L1 S L2 y L1 O1 L2 O2 ϕ S Hình O1 Bài 49: Bài 50: Bài 51: Bài 52: Bài 53: Khi chưa đặt mặt song song, ảnh S nằm F2′ Bài 54: y O2 F2' O h Bài 55: Khi đặt mặt song song phía sau thấu kính L2 h.(1 − ) n Bài 56: Ảnh S'' S qua quang hệ dịch đoạn a= cách L2 ( f + a) f d = ' () d2 = f '+ a a Bài 57: từ tính Bài 58: Khi đặt mặt song song phía sau thấu kính L1 d' d theo đường truyền tia sáng d' d 1 2 S → Bản mỏng → S'  → L1  → S ''  → L2  → S ''' Có d1 = f − a ⇒ d1' = ( 1) ( ) ⇒ l = d + d1' = ( f − a) f d1 f =− ( ) d1 − f a ( f + a) f − ( f − a) f a Bài 59: a =2f y + dy Bài 60: 2.a)Xét chùm tia hẹp ,giới hạn hai tia sáng song song độ cao y α ,các tia ló khỏi mặt bị lệch góc so với tia tới Sự thay đổi chiết suất bỏ qua đường truyền tia mặt gần thẳng gân vng góc với mặt GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 35 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc h(n0 + k ( y + dy)) Bài 61: Do quang trình tỉa AC h(n0 + ky ) + dy sin α Bài 62: Và tia BD : Bài 63: Quang trình hai tia hai mặt đầu sóng AB CD (quang lộ Bài 64: Hai mặt trực giao-Định lí Maluyt) h(n0 + k ( y + dy )) h(n0 + ky) + dy sin α Bài 65: = sin α = kh Bài 66: Từ suy : khơng phụ thuộc vào y nên chùm sáng qua mặt α Bài 67: chùm song song lệch so với quang trục góc ,vì chùm tia sáng qua thấu Bài 68: kính L2 hội tụ điểm S'' nằm tiêu diện cách tiêu điểm khf f tan α = − k h2 Bài 69: S''F2= Bài 70: Từ giả thuyết ,có thể suy kh[...]... và gân như vng góc với bản mặt GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 35 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc h(n0 + k ( y + dy)) Bài 61: Do đó quang trình của tỉa AC là h(n0 + ky ) + dy sin α Bài 62: Và của tia BD là : Bài 63: Quang trình của hai tia giữa hai mặt đầu sóng AB và CD bằng nhau (quang lộ giữa Bài 64: Hai mặt trực giao-Định lí Maluyt)... (KH-2015-2016)(4 điểm) Một hệ quang học gồm một thấu kính hội tụ mỏng có tiêu cự f và một gương phẳng đặt sao cho trục của thấu kính vng góc với gương và mặt phản xạ của gương hướng về phía l thấu kính.Khoảng cách giữa thấu kính và gương phẳng là GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 27 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc l= f 1) Với chứng... phươngvng góc với quang trục thì ảnh của S qua hệ đều ở cùng một vị trí 2 Đặt trong khoảng giữa hệ hai thấu kính L1 và L2 một bản mặt song song vng góc với quang trục để tạo thành một quang hệ mới (Hình 4) Bản mặt song song này có bề dày h, chiết suất n thay đổi theo quy luật n = n0 + ky ( n0 và k là hằng số, k > 0), với trục Oy vng góc với quang trục và cắt quang trục của hệ thấu kính Bỏ qua sự thay đổi... Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 19 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc Bài 10: Có điểm sáng S trên quang trục chính của một thấu kính hội tụ mỏng L, S cách thấu kính một khoảng a = 20cm Về cùng một phía với điểm sáng, tại điểm H cách thấu kính hội tụ một khoảng là a1= α = 450 30cm ta dựng một gương phẳng G nghiêng một góc so với quang trục... cùng và vật cách đều hệ thấu kính? f igh = 30o Vì i' > igh => tại I tia sáng bị phản xạ tồn... 2a + b  2 a + b b b 2ab(a + b) = f = = 2ab + 2a2 = 2a(a + b) = 2 2 2 a a ( 2a + b ) ( 2a + b ) ( 2 a + b ) ( ) b) f = 8,4cm A GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 16 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc S Hình 2 i Bài 8: 1) Cho một khối bán trụ tròn trong suốt, đồng chất chiết suất n đặt trong khơng khí (coi chiết suất bằng 3 1) Cho n =... M1cách M1một đoạn 2cm mới thu được ảnh rõ nét của vật và ảnh cao 0,2cm.Hãy xác định độ cao vật AB và tiêu cự của hai thấu kính GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 22 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc E L1 L2 B O1 A O2 M0  f1 f2 d f d f 1,8 k = =− 1) ;d1' = 1 1 ; d2 = l − d1' ; d2' = 2 2 ( f1 − d1 f2 − d2 h d1 − f1 d 2 − f2   d1'... d1 + l ) =− hf + 0,2 f2 0,2 ⇒ hf2 = −0,2 f2 + 0,2 ( d1 + l ) ⇒ ( d1 + l ) = 2 ( 10 ) ⇒ d1 + l = 84cm h 0,2 ⇒ l = 84 − d1 ( 10 ) GV:Phan Ngäc Hïng thpt Ngun V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 23 Båi dìng hsgthpt m«n VËt lÝ Chđ ®Ị :Quang häc  f + 16  f22 + 16 f2 hf2 + 0,2 f2 f + 16 f + 16 ( 9 ) ( 10 ) ⇒ 16 − f = 0,2 ⇔ 162 − f = h +0,20,2 ⇒ h = 162 − f 0,2 − 0,2 = 0,2  162