3.6.1.1. Khúc xạ ánh sáng
a. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Là hiện tượng lệch phương (gãy) của các tia sáng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa 2 môi
trường trong suốt khác nhau.
b. Định luật khúc xạ ánh sáng
− Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới (tạo bởi tia tới và pháp tuyến) và ở phía bên kia pháp tuyến so với tia tới.
− Với hai môi trường trong suốt nhất định, tỉ số giữa sin góc tới (sini) và sin góc khúc xạ (sinr) luôn không đổi:
𝐬𝐢𝐧𝐢
𝐬𝐢𝐧𝐫= 𝐡ằ𝐧𝐠 𝐬ố
c. Chiết suất của môi trường
− Tỉ sốkhông đổi 𝒔𝒊𝒏𝒊
𝒔𝒊𝒏𝒓 trong hiện tượng khúc xạđược gọi là chiết suất tỉđối n21 của môi
trường (2) (chứa tia khúc xạ) đối với môi trường (1) (chứa tia tới) : 𝐬𝐢𝐧𝐢
𝐬𝐢𝐧𝐫 = n21
Nếu n21 > 1 thì r < i: tia khúc xạ bị lệch gần pháp tuyến hơn => Môi trường (2) chiết
quang hơn môi trường (1)
Nếu n21< 1 thì r > i: tia khúc xạ bị lệch xa pháp tuyến hơn => Môi trường (2) kém chiết
quang hơn môi trường (1)
− Chiết suất tuyệt đối (thường gọi tắt là chiết suất) của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó đối với chân không.
𝑛21 = 𝑛𝑛2 1
− Công thức của định luật khúc xạdưới dạng đối xứng:
I i r N N/ S K (1) (2) Hình 2.6.1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
155
n1sini = n2sinr 3.6.1.2. Phản xạ toàn phần
a. Hiện tượng phản xạ toàn phần
Là hiện tượng phản xạ toàn bộ tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi
trường trong suốt.
b. Điều kiện để có phản xạ toàn phần :
− Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn n2 < n1 (hình 2.2)
− Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn : i ≥ 𝒊𝒈𝒉 Với sin igh = 𝒏𝟐
𝒏𝟏
3.6.1.3. Lăng kính a. Cấu tạo:
− Lăng kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa ...) thường có dạng lăng trụ tam giác.
− Lăng kính được đặc trưng bởi: góc chiết quang A và chiết suất n.
b. Đường truyền của tia sáng qua lăng kính
Chiếu đến mặt bên của lăng kính một chùm tia sáng hẹp đơn sắc SI. Lăng kính đặt trong không khí:
− Tia tới SI từ phía đáy đập vào mặt bên AB, tia ló DR lệch về phía đáy.
− Ảnh của vật tạo bới lăng kính là ảnh ảo, lệch về phía cạnh A. c. Công thức: G S R K I J i i/ r Hình 2.6.2. Hiện tượng phản xạ toàn phần H S R I J i1 i2 r1 r2 A B C D
156 sin sin sin ' sin ' ' ' i n r i n r A r r D i i A = = = + = + −
Khi góc lệch đạt cực tiểu: Tia ló và tia tới đối xứng nhau qua mặt phẳng phân giác của góc chiết quang A .
Khi góc lệch đạt cực tiểu Dmin :
min sin sin 2 2 D A A n + = 3.6.1.4. Thấu kính a. Định nghĩa Thấu kính là một khối chất trong suốt giới hạn bởi hai mặt cong, thường là hai mặt cầu. Một trong hai mặt có
thể là mặt phẳng.
Thấu kính mỏng là thấu kính có khoảng cách O1O2 của hai chỏm cầu rất nhỏ so với bán
kính R1 và R2của các mặt cầu.
b. Phân loại
Có hai loại:
–Thấu kính rìa mỏng gọi là thấu kính hội tụ. –Thấu kính rìa dày gọi là thấu kính phân kì.
Đường thẳng nối tâm hai chỏm cầu gọi là trục chính của thấu kính.
Coi O1 O2 O gọi là quang tâm của thấu kính.
c. Tiêu điểm chính
– Với thấu kính hội tụ: Chùm tia ló hội tụ tại điểm F/trên trục chính. F/gọi là tiêu điểm chính của thấu kính hội tụ.
157
–Với thấu kính phân kì: Chùm tia ló không hội tụ thực sự mà có đường kéo dài của chúng cắt nhau tại điểm F/trên trục chính. F/gọi là tiêu điểm chính của thấu kính phân kì. .
Mỗi thấu kính mỏng có hai tiêu điểm chính nằm đối xứng nhau qua quang tâm. Một tiêu điểm gọi là tiêu điểm vật (F), tiêu điểm còn lại gọi là tiêu điểm ảnh (F/).
d. Tiêu cự
Khoảng cách f từ quang tâm đến các tiêu điểm chính gọi là tiêu cự của thấu kính:
f = OF = OF/
e. Trục phụ, các tiêu điểm phụ và tiêu diện
– Mọi đường thẳng đi qua quang tâm O nhưng không trùng với trục chính đều gọi là trục phụ.
–Giao điểm của một trục phụ với tiêu diện gọi là tiêu điểm phụ ứng với trục phụ đó. – Có vô số các tiêu điểm phụ, chúng đều nằm trên một mặt phẳng vuông góc với trục chính, tại tiêu điểm chính. Mặt phẳng đó gọi là tiêu diện của thấu kính. Mỗi thấu kính có
hai tiêu diện nằm hai bên quang tâm.
f. Đường đi của các tia sáng qua thấu kính hội tụ
Các tia sáng khi qua thấu kính hội tụ sẽ bị khúc xạ và ló ra khỏi thấu kính. Có 3 tia sáng
thường gặp (Hình 4.6):
– Tia tới (a) song song với trục chính, cho tia ló đi qua tiêu điểm ảnh.
–Tia tới (b) đi qua tiêu điểm vật, cho tia ló song song với trục chính.
–Tia tới (c) đi qua quang tâm cho tia ló truyền thẳng.
g. Đường đi của các tia sáng qua thấu kính phân kì
Các tia sáng khi qua thấu kính phân kì sẽ bị khúc xạ và ló ra khỏi thấu kính. Có 3 tia sáng thường gặp (Hình 4.7): O F F/ (a) (b) (c)
Hình 2.6.4. Đường truyền tia sáng qua thấu kính hội tụ
158
– Tia tới (a) song song với trục chính, cho tia ló có đường kéo dài điqua tiêu điểm ảnh.
–Tia tới (b) hướng tới tiêu điểm vật, cho tia ló song song với trục chính.
–Tia tới (c) đi qua quang tâm cho tia ló truyền thẳng.
h. Quá trình tạo ảnh qua thấu kính hội tụ
Vật thật hoặc ảo thường cho ảnh thật, chỉ có trường hợp vật thật nằm trong khoảng từ O đến F mới cho ảnh ảo.
i. Quá trình tạo ảnh qua thấu kính phân kì
Vật thật hoặc ảo thường cho ảnh ảo, chỉ có trường hợp vật ảo nằm trong khoảng từ O đến F mới cho ảnh thật.
k. Công thức thấu kính
1 1 1
/
f = +d d
Công thức này dùng được cả cho thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì.
l. Độphóng đại của ảnh
Độphóng đại của ảnh là tỉ số chiều cao của ảnh và chiều cao của vật:
' ' A B d k d AB = = − * k > 0 : Ảnh cùng chiều với vật. * k < 0 : Ảnh ngược chiều với vật.
Giá trị tuyệt đối của k cho biết độ lớn tỉđối của ảnh so với vật.
– Công thức tính độ tụ của thấu kính theo bán kính cong của các mặt và chiết suất của thấu kính: 𝐷 =𝑓1= (𝑛 − 1)(𝑅1 1+𝑅1 2) O F/ F
Hình 2.6.5. Đường truyền tia sáng qua thấu kính phân kì
(a)
(b) (c)
159
Trong đó, n là chiết suất tỉ đối của chất làm thấu kính đối với môi trường đặt thấu kính.
R1 và R2là bán kính hai mặt của thấu kính với qui ước: Mặt lõm: R > 0 ; Mặt lồi: R < 0 ; Mặt phẳng: R = m. Trường hợp tạo ảnh : Thấu kính hội tụ (f>0) Thấu kính phân kì (f<0) Vật thật ( d>0)
- d = ∞: d/ = f , k = ∞ chùm tia song song với trục chính hội tụ tại tiêu điểm chính
- d > 2f: | k |<1 cho ảnh thật , ngược chiều và nhỏ hơn vật
- d=2f => d/ =2f, | k |=1 ảnh thật ,ngược chiều và bằng vật
- f < d <2f => d/> 2f và | k | > 1 ảnh thật ngược chiều và lớn hơn vật
- d = f => d/= ∞ và k = ∞ : ảnh ở vô cực
- 0 < d < f => d/< 0 => | k | > 1 ảnh ảo cùng chiều và lớn hơn vật L luôn cho ảnh ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật Vật ảo (d<0) ảnh thật cùng chiều và nhỏ hơn vật
Ngược lại với
TKHT trong
trường hợp vật thật
❖ Dịch chuyển vật - ảnh:
d và d’ bao giờcũng đồng biến. Nghĩa là vật và ảnh di chuyển cùng chiều nhau. ❖ Hệ thấu kính:
160
Khi có nhiều thấu kính đồng trục ghép sát nhau ta có thể thay hệ thấu kính đó bằng thấu kính tương đương. Độ tụ của thấu kính tương đương được xác định:
D = D1+ D2+ ⋯ - Hệ thấu kính ghép cách quãng nhau: • Đối với mỗi thấu kính ta áp dụng các công thức thấu kính tương ứng: 1 f =d1+d1′ ; k = −d′d • Đối với hệ hai thấu kính ghép cách quãng: Gọi L là khoảng cách giữa hai thấu kính. Ta có: d2 = L − d′1 Độphóng đại ảnh sau cùng so với vật: khệ =A2B2 AB = A2B2 A1B1. A1B1 AB = k1k2 3.6.1.5. Mắt, các tật về mắt
a. Sựđiều tiết của mắt –điểm cực viễn Cv- điểm cực cận Cc
(L1) d1, d′ 1 AB A1B1 (L2) d2, d′ 2 A2B2 Hình 2.6.6. Cấu tạo quang học của mắt
161 − Sựđiều tiết
Sựthay đổi độ cong của thủy tinh thể(và do đó thay đổi độ tụ hay tiêu cự của nó) để làm cho ảnh của các vật cần quan sát hiện lên trên võng mạc gọi là sựđiều tiết.
− Điểm cực viễn Cv
Điểm xa nhất trên trục chính của mắt mà đặt vật tại đó mắt có thể thấy rõ được mà không cần điều tiết ( f = fmax).
− Điểm cực cận Cc
Điểm gần nhất trên trục chính của mắt mà đặt vật tại đó mắt có thể thấy rõ được khi đã điều tiết tối đa ( f = fmin).
Khoảng cách từđiểm cực cận Cc đến cực viễn Cv : Gọi giới hạn thấy rõ của mắt. − Mắt thường :
fmax = OV, OCc= Đ = 25 cm; OCv =
b. Góc trong vật và năng suất phân ly của mắt
Góc trông vật : tg = AB
= góc trông vật ; AB: kích thườc vật ; = AO = khoảng cách từ vật tới quang tâm O của mắt .
− Năng suất phân ly của mắt
Là góc trông vật nhỏ nhất min giữa hai điểm A và B mà mắt còn có thể phân biệt được
hai điểm đó.
min 1' 1 3500
rad − Sựlưu ảnh trên võng mạc
Là thời gian 0,1s để võng mạc hồi phục lại sau khi tắt ánh sáng kích thích. 0
V
CV(∞)
162 c. Các tật của mắt – Cách sửa Mắt cận thị Đặc điểm: + fmax < 0V + OCv hữu hạn.
+ Điểm CC gần mắt bình thường hơn.
+ Cách khắc phục: Tật cận thịthường được khắc phục bằng cách đeo kính phân kỳđể
làm giảm bớt độ tụ của mắt.
Nếu coi như kính đeo sát mắt thì tiêu cự của kính được xác định bởi: f = -OCv
Sau khi đeo kính thì có thể thấy được vật ở vô cực không cần điều tiết.
Mắt viễn thị
Đặc điểm:
+ fmax > 0V => CV là điểm ảo.
+ Nhìn vật ở vô cực phải điều tiết.
+ Điểm Cc xa mắt hơn bình thường.
Hình 2.6.8. Đường truyền tia sáng qua mắt cận thị
Hình 2.6.9. Đường truyền tia sáng qua mắt cận thị sau khi
163
+ Cách khắc phục: viễn thịthường được khắc phục bằng cách đeo kính hội tụđể tăng thêm độ tụ của mắt. Tiêu cự của thấu kính phải có giá trị thích hợp đểảnh ảo của điểm gần nhất mà người viễn thị muốn quan sát được tạo ra tại điểm cực cận của mắt.
Mắt lão:
+ Khi lớn tuổi mắt không tật (có điểm CC dời xa mắt), mắt cận thị mắt viễn thịđều có thêm tật lão thị.
+ Khắc phục tật này phải đeo kính hội tụcó độ tụ thích hợp như mắt viễn thị. + Đặc biệt, người có mắt cận khi lớn tuổi thường phải:
• Đeo kính phân kỳđể nhìn xa. • Đeo kính hội tụđể nhìn gần.
Người ta thường thực hiện loại "kính hai tròng" có phần trên phân kỳ và phần dưới hội tụ.
3.6.1.6. Kính lúp a. Định nhgĩa:
Là một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt trông việc quang sát các vật nhỏ. Nó có tác dụng làm tăng góc trông ảnh bằng cách tạo ra một ảnh ảo, lớn hơn vật và nằm trông giới hạn nhìn thấy rõ của mắt.
b. Cấu tạo
Gồm một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn(cỡ vài cm).
c. Độ bội giác của kính lúp
Hình 2.6.10. Đường truyền tia sáng qua mắt viễn thị
Hình 2.6.11. Đường truyền tia sáng qua mắt viễn thịsau khi đeo kính sửa tật
164 * Định nghĩa:
Độ bội giác G của một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt là tỉ số giữa góc trông ảnh của một vật qua dụng cụ quang học đó với góc trông trực tiếp 0 của vật đó khi đặt vật tại
điểm cực cận của mắt. tan tan 0 0 G = (vì góc và 0 rất nhỏ) Với: 𝑡𝑎𝑛𝛼0 =𝐴𝐵𝑁 * Độ bội giác của kính lúp:
Gọi l là khoảng cách từ mắt đến kính và d’ là khoảng cách từảnh A’B’ đến kính (d’ <
0), ta có: = = + A'B' A'B' tg OA d' suy ra: = = + tg A'B' Ñ G . tg 0 AB d' Hay: G = k. Ñ d' + (1) k là độphóng đại của ảnh. − Khi ngắm chừng ở cực cận: thì d' + =Ñ do đó: d G k C C d − = = − Khi ngắm chừng ở cực viễn: thì d +=OCV do đó: G d Đ V d OC V − =
− Khi ngắm chừng ởvơ cực: ảnh A’B’ ở vô cực, khi đó AB ở tại CC nn: 𝑡𝑎𝑛𝛽 =𝐴𝐵𝑂𝐹 =𝐴𝐵𝑓
Hình 2.6.12. Đường truyền tia sáng qua mắt nhìn qua kính lúp
165
Suy ra: 𝐺∞ =𝑁𝑓 G có giá trị từ2,5 đến 25.
− Khi ngắm chừng ở vô cực + Mắt không phải điều tiết
+ Độ bội giác của kính lúp không phụ thuộc vào vịtrí đặt mắt. Giá trị của Gđược ghi trên vành kính: X2,5 ; X5.
Lưu ý: - Với l l khoảng cch từ mắt tới kính lp thì khi: 0 ≤ l < f GC > GV
l = f GC = GV
l > f GC < GV - Trên vành kính thường ghi gi trị 25
( ) G f cm Ví dụ: Ghi X10 thì 25 10 2, 5 ( ) G f cm f cm 3.6.1.7. Kính hiển vi a. Định nghĩa:
Kính hiển vi là một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt làm tăng góc trông ảnh của những vật nhỏ, với độ bội giác lớn lơn rất nhiều so với độ bội giác của kính lp.
b. Cấu tạo: Có hai bộ phận chính:
− Vật kính O1 là một thấu kính hội tụ có tiêu cự rất ngắn (vài mm), dùng để tạo ra một
ảnh thật rất lớn của vật cần quan sát.
− Thị kính O2cũng là một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (vài cm), dùng như một kính
lúp để quan sát ảnh thật nói trên.
Hai kính có trục chính trùng nhau và khoảng cách giữa chúng không đổi. Bộ phận tụsáng dùng để chiếu sáng vật cần quan sát.
2.6.1.8. Kính thiên văn a. Định nghĩa:
Hình 2.6.13. Kính hiển vi
166
Kính thiên văn là dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt làm
tăng góc trông ảnh của những vật ở rất xa (các thiên thể).
b. Cấu tạo:
Có hai bộ phận chính:
− Vật kính O1: l một thấu kính hội tụ có tiêu cự dài (vài m) − Thị kính O2: l một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (vài cm)
Hai kính được lắp cùng trục, khoảng cách giữa chúng có thểthay đổi được. c) Độ bội giác của kính khi ngắm chừng ở vô cực:
− Trong cch ngắm chừng ở vơ cực, người quan sát
điều chỉnh đểảnh A1B2 ở vô cực. Lúc đó: tan 𝛼 =𝐴1𝐵1
𝑓2 𝑣à tan 𝛼0 =𝐴1𝐵1 𝑓1
Do đó, độ bội giác của kính thiên văn khi ngắm chừng ở vô cực là : 𝐺∞ =tan 𝛼tan 𝛼
0 =𝑓𝑓1 2