Chuyên đề bồi dưỡng HSG Vật Lí 9 quang học

CHƯƠNG IV QUANG HỌC A THẤU KÍNH Lý thuyết a Thấu kính Là mơi trường suốt đồng chất giới hạn hai mặt cầu, mặt cầu mặt phẳng b Phân loại thấu kính Có hai loại thấu kính - Thấu kính có phần rìa mỏng phần thấu kính hội tụ Khi chiếu chùm ánh sáng song song qua thấu kính cho chùm tia ló hội tụ điểm - Thấu kính có phần rìa dày phần thấu kính phân kì Khi chiếu chùm ánh sáng song song qua thấu kính cho chùm tia ló loe rộng c Trục Đường thẳng qua tâm hai mặt cầu giới hạn thấu kính mặt cầu vng góc với mặt phẳng giới hạn thấu kính gọi trục thấu kính d Quang tâm Để thu ảnh rõ nét qua thấu kính thấu kính phải mỏng, coi trục cắt thấu kính điểm O gọi quang tâm thấu kính e Trục phụ Tất đường thẳng qua quang tâm O mà khơng phải trục gọi trục phụ thấu kính f Tiêu điểm Một chùm tia tới song song với trục thấu kính cho chùm tia ló cắt có đường kéo dài cắt điểm F nằm trục điểm gọi tiêu điểm thấu kính Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm F F’ nằm trục đối xứng qua thấu kính g Tiêu điểm phụ Tất tiêu điểm tiêu điểm phụ tạo thành mặt phẳng tiêu diện vng góc với trục tiêu điểm * Chú ý: + Khi tiêu điểm tia tới hay phần kéo dài tia tới gọi tiêu điểm vật + Khi tiêu điểm tia ló hay phần kéo dài tia ló gọi tiêu điểm ảnh h Với thấu kính hội tụ tiêu điểm nằm bên tia tới tiêu điểm vật tiêu điểm nằm bên tia ló tiêu điểm ảnh Ngược lại với thấu kính phân kì tiêu điểm ảnh nằm bên tia tới Mặt phẳng Mặt phẳng tiêu diện tiêu diện i Điểm vật điểm ảnh F O A O F/ F/ F * Điểm vật: giao tia sáng tới Có hai loại : + Điểm vật tạo chùm sáng phân kì tới thấu kính điểm vật thật (là giao tia sáng tới có thật) + Điểm vật tạo chùm sáng hội tụ tới thấu kính điểm vật ảo (là giao tia sáng tới kéo dài gặp nhau) S S Vật ảo F’ Vật thật O F O F F’ * Điểm ảnh giao tia ló Có hai loại : + Điểm ảnh chùm tia ló hội tụ điểm ảnh thật (là giao tia ló có thật) + Điểm ảnh chùm tia ló phân kì điểm ảnh ảo (là giao tia ló kéo dài gặp nhau) S O S F’ F O F F’ Ảnh thật Ảnh ảo Đường tia sáng a Tia tới song song với trục cho tia ló qua có đường kéo dài qua tiêu điểm nằm trục S Tia sáng song song với trục I A I S F O A F/ F/ O F / / Tia sáng song song với trục phụ I S I F1’ S * Đường truyền F tia Osáng có F’ tính chất thụân nghịch A F / F1 O F/ b Tia sáng qua có đường kéo dài qua tiêu điểm chính, phụ tia ló song song với trục chính, phụ tương ứng Với tiêu điểm S I S I F O / A F/ O F F/ A / Với tiêu điểm phụ I S I S F1’ F / O F F1 F’ O F/ c Tia sáng tới qua quang tâm cho tia ló truyền thẳng S S F’ F O F O F’ d Ba tia sáng đặc biệt qua thấu kính: - Tia sáng song song với trục cho tia ló qua có đường kéo dài qua tiêu điểm - Tia sáng qua có đường kéo dài qua tiêu điểm tia ló song song với trục - Tia sáng qua quang tâm cho tia ló truyền thẳng e Đường truyền tia tới qua thấu kính Một tia tới coi như: + Song song với trục phụ, tia ló qua hay có phần kéo dài qua tiêu điểm phụ trục phụ + Đi qua hướng tới tiêu điểm phụ, tia ló song song với trục phụ tương ứng * Từ tính chất ta suy biết tia tới ta vẽ tia ló ngược lại Cách vẽ ảnh cho thấu kính a Cách vẽ ảnh điểm vật S đứng trước thấu kính a.1 Vẽ ảnh điểm vật S không thuộc trục Ta sử dụng hai ba tia sáng đặc biệt xuất phát từ S hay có phần kéo dài qua S tới thấu kính vẽ hai tia ló tương ứng, giao hai tia ló có thật ta có ảnh thật S’ giao hai tia ló kéo dài gặp ta có ảnh ảo S’ S S S I S’ I F’ O F O F F’ S’ S: Vật thật S: Vật thật S’: Ảnh thật S’: Ảnh ảo S S’ I I S S’ F’ O F O F S: Vật ảo S: Vật ảo S’: Ảnh thật S’: Ảnh thật F’ a.2 Vẽ ảnh điểm vật S nằm trục chính: Ta sử dụng tia tới thứ tia sáng SO trùng với trục tia truyền thẳng Tia thứ hai tia SI tới thấu kính vẽ tia ló tương ứng giao tia ló với trục có thật kéo dài gặp ảnh S’ S I I F1’ S F S’ S’ S F O F1 F’ O S: Vật thật S: Vật thật S’: Ảnh thật S’: Ảnh ảo b Vẽ ảnh vật AB b.1 Vẽ ảnh vật sáng AB vng góc với trục A Nhận xét F/ A trục nên ảnh A A’ trục Do AB đoạn thẳng vng góc với trục A’B’ đoạn thẳng vng góc với trục A’ Do muốn vẽ ảnh AB ta sử dụng hai ba tia sáng đặc biệt để vẽ ảnh B’ B qua thấu kính, từ B’ ta hạ đường thẳng vng góc với trục cắt trục A’ ảnh A Và A’B’ ảnh AB Đường nối A’B’ nét liền A’B’ ảnh thật; nét đứt A’B’ ảnh ảo b.2 Kết I B B A B’ A’ F’ A O F I F O A’ B’ : Vật thật B’ - Ảnh thật : Vật thật - Ảnh ảo B’ x A’ y O F : Vật thật A’ F’ F - Ảnh ảo B I B I B A A : Vật ảo I O F’ - Ảnh thật B B’ A A’ F’ F A’ O A F O F’ B’ : Vật ảo - Ảnh ảo : Vật ảo - Ảnh thật b.3 Nhận xét b.3.1 Với thấu kính hội tụ ta có trường hợp a) Vật thật ngồi OF cho ảnh thật ngược chiều với vật b) Vật thật OF cho ảnh ảo chiều lớn vật c) Vật ảo cho ảnh thật chiều nhỏ vật d) Vật vô cực cho ảnh thật mặt phẳng tiêu diện Độ lớn A’B’ = f.α (α góc nhìn vật ∞)  Như thấu kính hội tụ cho ảnh ảo chiều lớn vật vật thật nằm khoảng OF b.3.2 Với thấu kính phân kì ta có trường hợp a) Vật thật cho ảnh ảo chiều, nhỏ vật nằm khoảng OF b) Vật ảo OF cho ảnh ảo ngược chiều với vật c) Vật ảo OF cho ảnh thật lớn chiều với vật  Như thấu kính phân kì cho anh thật chiều lớn vật vật ảo nằm khoảng OF b.4 Vẽ ảnh vật AB trước thấu kính Ta sử dụng hai ba tia sáng đặc biệt để vẽ ảnh B’ B A’ A qua thấu kính, A’B’ ảnh AB Đường nối A’B’ nét liền A’; B’ ảnh thật; nét đứt A’; B’ ảnh ảo B B I F F’ F O A’ B’ A I B’ A’ O F’ A : Vật thật - Ảnh thật : Vật thật - Ảnh ảo CÁC DẠNG BÀI TẬP DẠNG TOÁN VẼ Dấu hiệu nhận biết loại tốn Là thơng thường tốn chưa cho biết vị trí thấu kính, tiêu tiêu điểm chính, ma cho trục chính, vật, ảnh yếu tố khác yêu cầu phép vẽ xác định vị trí quang tâm O, thấu kính, tiêu điểm chính… Phương pháp giải - Phải nắm vững đường tia sáng qua thấu kính hội tụ, phân kì, tính chất vật ảnh dùng phép vẽ (dựng hình) để xác định quang tâm O, tiêu điểm F, F’; loại thấu kính… * Phải lưu ý - Mọi tia sáng tới có phương qua vật, tia ló có phương qua ảnh, tia qua quang tâm truyền thẳng - Quang tâm vừa nằm trục chính, vừa nằm đường thẳng nối vật ảnh giao đường thẳng nối vật, ảnh với trục - Thấu kính vng góc với trục quang tâm O - Tiêu điểm F giao đường thẳng nối điểm tới tia sáng song song với trục với ảnh trục chính; tiêu điểm thứ hai ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính - Nếu toán vẽ mà rõ vật vật sáng vật thật ta tiến hành vẽ bình thường, trường hợp tốn cho biết vật chung chung ta phải xét hai trường hợp toán vật thật vật ảo - Ảnh vật mà nằm phía so với trục ảnh vật khác tính chất (vật thật, ảnh ảo vật ảo, ảnh thật) Nếu ảnh nhỏ vật gần trục so với vật ảnh ảo thấu kính phân kì Nếu ảnh lớn vật xa trục so với vật ảnh ảo thấu kính hội tụ Ảnh vật mà nằm khác phía so với trục ảnh ảnh thật thấu kính hội tụ vật ảo khoảng OF - ảnh ảo thấu kính phân kì - Hướng truyền tia ló gần trục hướng truyền tia tới đường truyền tia sáng qua thấu kính hội tụ - Hướng truyền tia ló xa trục hướng truyền tia tới đường truyền tia sáng qua thấu kính phân kì Các ví dụ minh hoạ Ví dụ (Bài 3.21 Sách 500 tập vật lí THCS) Trong hình vẽ sau xy trục chínhcủa thấu kính, S điểm sáng, S’ ảnh Với trường hợp xác định: S* S* S* x y S’ * S’ * y x y x S’ * Hình a Hình b Hình c a Quang tâm, tiêu điểm phép vẽ b Loại thấu kính, tính chất ảnh S Hướng dẫn giải: S’ * I x S* F Hình a O L I L L S’ * F y I * S F x F y x O F S* Hình b y S’ * O F Hình c Giả sử quang tâm O, tiêu điểm F F’, thấu kính L xác định hình vẽ *Cơ sở lí luận: Vì tia sáng tới qua vật, tia ló có phương qua ảnh, tia tới qua quang tâm truyền thẳng Vậy S, O, S’ thẳng hàng O nằm trục nên O giao điểm SS’ với xy Do tia tới song song với trục cho tia ló qua tiêu điểm mà tia ló lại có phương qua ảnh nên S’, I, F thẳng hàng Vậy F giao điểm IS’ với xy Do F F’ đối xứng qua thấu kính nên ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính * Cách dựng Nối SS’ cắt xy O O quang tâm thấu kính Qua O ta dựng đoạn thẳng L vng góc với xy L thấu kính Từ S kẻ SI song song với xy, nối IS’ cắt xy F Lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính Căn hình vẽ ta thấy Với hình a : Do S, S’ phía so với xy ảnh xa trục so với vật nên trường hợp vật thật cho ảnh ảo thấu kính hội tụ Với hình b : Do S, S’ khác phía so với xy nên trường hợp vật thật cho ảnh ảo thấu kính hội tụ Với hình c : Do S, S’ phía so với xy ảnh gần trục so với vật nên trường hợp vật thật cho ảnh ảo thấu kính phân kì Ví dụ (Bài 3.22 Sách 500 tập vật lí THCS) Trong hình vẽ sau xy trục chínhcủa thấu kính, AB vật, A’B’ ảnh Với trường hợp xác định: a Quang tâm, tiêu điểm phép vẽ Nêu cách vẽ b Xác định loại thấu kính, tính chất ảnh (thật hay ảo) B’ B x y A’ A B B y x A’ B’ y x A A’ A B’ Hình a Hình b Hình c Hướng dẫn giải: B/ I B A’ x A y F’ F O x A/ B I B y A F O F’ I B x A F y / A’ O F’ B/ Hình a Hình b Hình c Giả sử quang tâm O, tiêu điểm F F’, thấu kính L xác định hình vẽ *Cơ sở lí luận: Vì tia sáng tới qua vật, tia ló có phương qua ảnh, tia tới qua quang tâm truyền thẳng Vậy B, O, B’ thẳng hàng O nằm trục nên O giao điểm BB’ với xy Do tia tới song song với trục cho tia ló qua tiêu điểm mà tia ló lại có phương qua ảnh nên B’, I, F thẳng hàng Vậy F giao điểm IB’ với xy Do F F’ đối xứng qua thấu kính nên ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính * Cách dựng Nối BB’ cắt xy O O quang tâm thấu kính Qua O ta dựng đoạn thẳng L vng góc với xy L thấu kính Từ B kẻ BI song song với xy, nối IB’ cắt xy F Lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính Căn hình vẽ ta thấy Với hình a : Do AB,A’B’ khác phía so với xy nên trường hợp vật thật cho ảnh thật thấu kính hội tụ Do , S’ phía so với xy ảnh xa trục so với vật nên trường hợp vật thật cho ảnh ảo thấu kính hội tụ Với hình b : : Do AB,A’B’ phía so với xy ảnh A’B’ lớn vật nên trường hợp vật thật cho ảnh ảo thấu kính hội tụ Với hình c : Do AB, A’B’ phía so với xy ảnh A’B’nhỏ vật nên trường hợp vật thật cho ảnh ảo thấu kính phân kì B Ví dụ (Trích 3.23 Sách 500 tập vật lí THCS) A Cho A’B’ ảnh thật vật thật AB qua thấu kính Dùng phép vẽ hãy: a Xác định quang tâm, dựng thấu kính trục chính, Xác định tiêu điểm (1) b Cho xy trục thấu kính Cho đường O tia sáng (1)qua thấu kính Hãy trình bày x cách vẽ đường tiếp tia sáng (2) Hướng dẫn giải: (2) A’ B’ a) Giả sử ta xác định quang tâm, dựng thấu kính K Trục chính, tiêu điểm thấu kính hình vẽ * Cơ sở lí thuyết B I Do tia tới qua vật, tia ló qua ảnh, tia tới A’ qua quang tâm truyền thẳng Vậy A, O, A’ thẳng F F’ O hàng, B,O,B’ thẳng hàng nên O giao A B’ AA’ BB’ Một tia sáng tới dọc theo AB (tức qua A B) cho tia ló truyền dọc theo ảnh A’B’ (tức qua ảnh A’ B’) Vậy kéo dài AB A’B’ cắt K điểm tới thấu kính Nối KO ta xác định vị trí thấu kính (L) Qua O kẻ đoạn thẳng vng góc với thấu kính ta xác định trục (xy) Do tia tới song song với trục cho tia ló qua tiêu điểm mà tia ló lại có phương qua ảnh nên B’, I, F thẳng hàng Vậy F giao điểm IB’ với xy Do F F’ đối xứng qua thấu kính nên ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính y X2 (1) F1’’ I X1 * Cách dựng F1’ + Kéo dài AB A’B’ cắt K S’ S + Nối AA’, BB’ cắt O O y F x F’ + Nối OK vị trí thấu kính I’ + Kẻ xy vng góc OK O (2) + Kẻ BI ∥ xy; Nối IB’ cắt xy F’ + Lấy F đối xứng với F’ qua OK b Giả sử ta vẽ xong đường truyền tia sáng ( ) hình vẽ * Căn lí thuyết Ta kéo dài tia sáng ( ) cắt trục xy S ta coi tia sáng ( ) xuất phát từ nguồn sáng điểm S.Ta dựng ảnh S’của S qua thấu kính hình vẽ Qua O ta dựng trục phụ Ox1 ∥ SI cắt IS’ F1’ tiêu điểm phụ Ox1 Từ F1’ dựng mặt phẳng tiêu diện vng góc với xy cắt xy F’là tiêu điểm thấu kính Do phương tia tới ( ) xa trục phương tia ló tương ứng nên thấu kính cho thấu kính hội tụ Kẻ trục phụ Ox2 song song với tia sáng ( ) cắt mặt phẳng tiêu diện F1’’ tiêu điểm phụ trục phụ Ox2 tia ló tia sáng ( ) qua F1’’ nên ta nối I’ với F1’’ ta đường truyền tia sáng ( ) cần vẽ * Cách dựng + Kéo dài tia sáng ( ) cắt xy S; kéo dài tia ló tia sáng ( ) cắt xy S’ + Vẽ đường Ox1 ∥ SI cắt IS’ F1’; dựng mặt phẳng tiêu diện qua F1’ vng góc với xy + Vẽ trục phụ Ox2 ∥ tia sáng ( ) cắt mặt phẳng tiêu diện F1’’ Nối I’F1’’ ta tia ló tia sáng ( ) cần vẽ Ví dụ (Trích Cs4/27 tạp chí Vật lý & Tuổi trẻ) Trong hình vẽ sau, xy trục thấu kính, A điểm sáng, A ảnh A qua thấu kính, F  tiêu điểm ảnh thấu kính a) Bằng phép vẽ xác định vị trí quang tâm O, tính chất ảnh loại thấu kính b) Cho AF  = 3,5 cm ; F A = 4,5cm Tính tiêu cự thấu kính (khơng dùng cơng thức thấu kính) x A F’ A’ y’ Hướng dẫn giải: a) Ta phải xét hai trường hợp: thấu kính hội tụ thấu kính phân kỳ - Đối với thấu kính hội tụ A ảnh thật - Đối với thấu kính phân kỳ A ảnh ảo Giải sử ta dựng thấu kính hình vẽ: 10 I A F’ A’ F1 O ... vẽ mà rõ vật vật sáng vật thật ta tiến hành vẽ bình thường, trường hợp tốn cho biết vật chung chung ta phải xét hai trường hợp toán vật thật vật ảo - Ảnh vật mà nằm phía so với trục ảnh vật khác... thấu kính hội tụ ta có trường hợp a) Vật thật OF cho ảnh thật ngược chiều với vật b) Vật thật OF cho ảnh ảo chiều lớn vật c) Vật ảo cho ảnh thật chiều nhỏ vật d) Vật vô cực cho ảnh thật mặt phẳng... khác tính chất (vật thật, ảnh ảo vật ảo, ảnh thật) Nếu ảnh nhỏ vật gần trục so với vật ảnh ảo thấu kính phân kì Nếu ảnh lớn vật xa trục so với vật ảnh ảo thấu kính hội tụ Ảnh vật mà nằm khác