Đo tiêu cự

Thí nghiệm vật lý: Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì

Thí nghiệm vật lý

Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ Và thấu kính phân kì

Hình 12.1a

I Mục đích thí nghiệm

1 Khảo sát sự tạo ảnh của vật qua thấu kính

hội tụ

Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

2 Khảo sát sự tạo ảnh của vật qua hệ thấu

kính

gồm một thấu kính phân kì và một thấu kính

hội tụ

Đo tiêu cự của thấu kính phân kì

II Dụng cụ thí nghiệm

- 1 băng quang học dài 1000mm

- 1 thấu kính hội tụ O1

- 1 thấu kính phân kì O2

- 1 đèn chiếu sáng Đ loại 6V-8W

- 1 nguồn điện 6V-3A

- 1 vật AB có dạng hình số 1 nằm trong lỗ

tròn

của một tấm nhựa (H.1)

- 1 màn ảnh M kích thước 70x100mm

Cơ sở lí thuyết

Tiêu cự f của thấu kính liên hệ với các

khoảng cách d và d / tính từ quang tâm của

thấu kính đến vật AB và đến ảnh A/B/ của

vật theo công thức :

1

f = 1

d + 1

d/ (12.1)

Từ đó suy ra :

/ /

d d

f =

d + d (12.2)

Các công thức (12.1) và (12.2) có tính

chất đối xứng đối với d và d /, tức là khi hoán

vị d và d / thì dạng của các công thức này không thay đổi

Trong thí nghiệm này ta sẽ lần lượt xác

định tiêu cự của thấu kính hội tụ O1 và của thấu kính phân kì O2 nhờ sử dụng băng quang học

IV Giới thiệu dụng cụ đo

Băng quang học (H.2) là một máng ngang G có gắn một thước thẳng milimét T dùng xác định vị trí của vật AB, của các thấu kính O1 (hoặc O2) và của màn ảnh M

đặt trên các đế trượt 1, 2, 3, 4 Một đèn chiếu sáng Đ được đặt ở đầu của máng G Có thể dịch chuyển các đế trượt 1, 2, 3, 4 trong máng G để làm thay đổi vị trí của vật, của các thấu kính và của màn ảnh trên băng quang học

chính của chúng vuông góc với vật AB và màn ảnh M, đồng thời trùng với đường thẳng đi qua tâm đèn chiếu sáng Đ

V Tiến hành thí nghiệm

1 Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

Quang tâm của thấu kính nói chung

không trùng với tâm điểm (tức điểm chính giữa) của thấu kính nên không thể xác định

đúng vị trí của quang tâm Vì thế khó có thể đo chính xác các khoảng cách d và

/

d để xác định tiêu cự f của thấu kính theo công thức (12.2) Muốn khắc phục điều này, ta có thể làm như sau :

- Phương án thứ nhất :

O 1

T

A

A

M

Hình 2

Bộ thiết bị thí nghiệm “Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì”

Đ

Hình 1

1

a) Đặt vật AB (H.1) lên mặt tờ giấy trắng

Dùng bút nét nhỏ vẽ một hình có đường

viền đúng bằng kích thước của vật AB lên

mặt tờ giấy, rồi dán nó vào màn ảnh M

b) Đặt vật AB gần sát đèn Đ và điều

chỉnh sao cho toàn bộ mặt vật AB được

chiếu sáng

c) Dịch chuyển thấu kính hội tụ O1 và

màn ảnh M sao cho thấu kính này luôn

cách đều vật AB và màn ảnh M cho tới khi

thu được ảnh thật rõ nét có kích thước

trùng đúng với hình vẽ của vật AB trên

màn ảnh M Khi đó ảnh có độ lớn bằng vật

Ghi giá trị của khoảng cách L 0 giữa vật AB

và màn ảnh M vào bảng thực hành 12.1

d) Thực hiện lại 3 lần động tác (c)

Trong trường hợp này, tiêu cự f1 của

thấu kính hội tụ O1 được xác định theo

công thức :

4

L

1 = (12.3)

a) Đặt màn ảnh M cách vật AB một

khoảng thích hợp L>4 f 1 trên băng quang

học (trong thí nghiệm này, nên chọn L=

4,5f1 )

b) Dịch chuyển thấu kính hội tụ O1 từ

sát vật AB ra xa dần tới vị trí (I) thì ta thu

được ảnh thật rõ nét A/B/ lớn hơn vật AB hiện

trên màn ảnh M (H .3a)

Ghi tọa độ x1 của thấu kính O1 tại vị trí (I)

vào bảng thực hành 12.1

c) Dịch tiếp thấu kính O1 ra xa vật AB tới

vị trí (II) để lại thu được ảnh thật rõ nét

A1B1 nhỏ hơn vật AB hiện trên màn ảnh M (H 3b)

Ghi tọa độ x2 của thấu kính O1 tại vị trí (II) vào bảng thực hành 1

d) Thực hiện lại 3 lần động tác (b) và (c)

Trong các điều kiện trên, khoảng dịch

chuyển a của thấu kính O1 từ vị trí (I) đến vị trí (II) bằng :

a = x 2 – x 1 (12.4)

và tiêu cự f1 của thấu kính hội tụ O1 được xác định theo công thức :

L

a L f

4

2 2 1

ư

= (12.5)

2 Đo tiêu cự của thấu kính phân kì

Thấu kính phân kì chỉ cho ảnh thật của vật ảo Vì thế muốn đo tiêu cự f 2 của thấu kính phân kì O2 , ta phải ghép nó với thấu kính hội tụ O1 thành hệ thấu kính đồng trục sao cho ảnh thật A1B1 của vật AB cho bởi thấu kính hội tụ O1 nằm ở phía sau trong khoảng tiêu cự f2 của thấu kính phân kì O2 (H 4)

để ảnh A1B1 trở thành vật ảo đối với thấu

kính O2 theo thứ tự sau : a) Giữ nguyên vị trí của vật AB và thấu kính hội tụ O1 tại vị trí (II) cho ảnh thật rõ nét A1B1 nhỏ hơn AB trên màn ảnh M như hình 12.3b Đặt thấu kính phân kì O2 trên đế trượt 4 nằm phía sau thấu kính hội tụ O1 và

đồng trục với O1, cách màn ảnh M một khoảng d 2 = O2B1 < f2 (trong thí nghiệm này, nên chọn d 2 = 50mm)

d 2

A 1

F /

2

Hình 4

d 1

d 2 /

d 1 /

A

A 2

B 1

F 2

B 2

O 2

F 1

F /

1

A /

A1

F 1

F 1

O 1

(II)

O 1

B /

F /

1

d /

1

Hình 12.3

d 1

A

B

B

A

a

L

M

(I)

B1

Hình 3

a)

b)

b) Dịch dần màn ảnh M ra xa thấu kính

phân kì O2 tới vị trí M/ để thu được ảnh rõ nét

A 2 B 2 nằm cách thấu kính O2 một khoảng d2/

như hình 12.4 Thực hiện 3 lần động tác

này Ghi giá trị của khoảng cách d2/ trong

mỗi lần đo ứng với cùng giá trị đs chọin

của d2 vào bảng thực hành 12.2

Tính tiêu cự f 2 của thấu kính phân kì O2

theo công thức :

2 2

/ 2 2 2

d d

d d f

+

trong đó d 2 < 0 (A1B1 là vật ảo), d2/> 0

2 /

2 B

A là ảnh thật) và f 2 < 0 (thấu kính O2 là phân kì)

-Câu hỏi và bài tập

1. Viết công thức thấu kính và nói rõ qui ước về

dấu của các đại lượng có trong công thức này

2 Trình bày phương pháp đo tiêu cự của thấu kính

hội tụ trong thí nghiệm này

Vẽ hình minh hoạ sự tạo ảnh của vật AB theo

mỗi phương án đã chọn

3. Trình bày phương pháp đo tiêu cự của thấu kính

phân kì trong thí nghiệm này Vẽ hình minh hoạ sự

tạo ảnh của vật AB theo phương án đã chọn.

4. Chứng minh rằng nếu khoảng cách L giữa vật

sáng AB và ảnh thật của nó cho bởi thấu kính

hội tụ có tiêu cự f1 được giữ không đổi thì :

- nếu L = 4f1 : chỉ có một vị trí của thấu kính

hội tụ trong khoảng cách L này cho ảnh rõ nét

của vật trên màn ảnh M

- nếu L > 4f 1 : có hai vị trí của thấu kính nằm

trong khoảng cách L cho ảnh thật rõ nét trên

màn ảnh M

5 S ai số tỉ đối của phép đo tiêu cự thấu kính hội

tụ được tính theo công thức :

ư

=

L

∆ L

d d

∆ d

2d) (L d L

1 f

∆ f

trong đó d là khoảng cách từ vật thật đến thấu kính hội tụ và L là khoảng cách từ vật thật đến

ảnh thật của nó

Dựa vào công thức trên và phép tính đạo hàm, hãy chứng minh rằng phép đo tiêu cự của thấu kính hội tụ sẽ có sai số nhỏ nhất khi thấu

kính nằm cách đều vật và ảnh thật của nó

6. Có thể thực hiện phép đo tiêu cự của thấu kính phân kì theo phương án đặt thấu kính này trước một thấu kính hội tụ (tạo thành một hệ thấu kính

đồng trục) được không ?

Vẽ hình minh hoạ sự tạo ảnh của vật AB

theo phương án này

B¸o c¸o thÝ nghiÖm

Hä tªn :

Líp Tæ

1 Tªn bµi thùc hµnh

2 B¶ng thùc hµnh 1 : §o tiªu cù cña thÊu kÝnh héi tô
Ph−¬ng ¸n thø nhÊt LÇn ®o L 0 (mm) f 1 (mm) ∆f1 (mm) 1 2 3

Trung b×nh f 1 = ………

(mm) max 1) ( f∆ = ……

(mm)

KÕt qu¶ : f 1 = f 1 ± (∆f1)max = ± (mm) víi ∆ = 1 max 1) ( f f

Ph−¬ng ¸n thø hai Gi¸ trÞ chän tr−íc : L = (mm) LÇn ®o x 1 x 2 a = x 2 - x 1 (mm) f 1

(mm) 1 f ∆ (mm) 1 2 3

Trung b×nh f 1 = ………

(mm) max 1) ( f∆ = ……

(mm)

KÕt qu¶ : f 1 = f 1 ± (∆f1)max = ± (mm) víi ∆ = 1 max 1) ( f f

- So s¸nh kÕt qu¶ ®o cña c¸c phÐp ®o thùc hiÖn theo hai ph−¬ng ¸n trªn

3 B¶ng thùc hµnh 2 : §o tiªu cù cña thÊu kÝnh ph©n k×

Gi¸ trÞ chän tr−íc : d 2 = (mm)

(mm)

f 2

(mm) ∆f 2 (mm) 1 2 3

Trung b×nh f 2 =

(mm) = max 2 ) f ∆ (

(mm)

KÕt qu¶ : f 2 = f 2 ±( ∆ f 2 ) max = ± (mm) víi ∆ = 2 max 2) ( f f