10. Cấu chúc luận văn
2.1.3. Mắt và các dụng cụ quang học
2.1.3.1. Lăng kính.
* Cấu tạo lăng kính
Lăng kính là một khối trong suốt, đồng chất( thuỷ tinh , nhựa…), được giới
hạn bởi hai mặt phẳng không song song.
* Các yếu tố của lăng kính
- Hai mặt phẳng giới hạn trên được
gọi là mặt bên của lăng kính.
- Cạnh của lăng kính: Giao tuyến của hai mặt bên - Đáy của lăng kính : Mặt phẳng đối diện với cạnh.
- Mặt phẳng tiết diện chính. : Mặt phẳng bất kì vuông góc với cạnh
.Trong thực tế, lăng kính là một khối lăng trụ có tiết diện là một tam giác.
- Góc A làm bởi hai mặt lăng kính được gọi là góc chiết quay hay góc
ở đỉnh của lăng kính
* Các công thức lăng kính.
Chiếu tới mặt bên AB của lăng kính
một tia sáng đơn sắc SI
Tia sáng này sẽ bị khúc xạ tại I và J
khi đi qua các mặt bên, và ló ra theo tia JR.
Đường đi của tia sáng SIJR nằm
trong mặt phẳng tiết diện chính BAC.
Gọi : i : Góc tới của tia sáng đi tới lăng kính..
D : góc lệnh của tia sáng đi qua lăng kính (Làm bởi tia tới
SI và tia ló và tia ló JR ).
Ta có các công thức của lăng kính : ï ï î ïï í ì - + = = + = = A i i D A r r r n i r n i ' ' ' sin ' sin sin sin
* Biến thiên của góc lệnh theo góc tới
Thí nghiệm cho biết, khi góc tới thay đổi thì góc lệnh cũng thay đổi và qua một giá trị cực tiểu (gọi là góc lệch cực
tiểu), kí hiệu là Dm.
Khi tia sáng có góc lệch cực tiểu, đường đi tia sáng đối xứng qua mặt phân
giác của góc ở đỉnh A. Ta có: 2 sin 2 sin Dm + A = n A 2.1.3.2. Thấu kính mỏng
* Định nghĩa: Thấu kính là một khối trong suốt, được giới hạn bởi hai mặt
cầu hoặc một mặt phẳng và một mặt cầu.
* Phân loại :
* Định nghĩa các yếu tố của thấu kính :
- R1, R2 : Bán kính các mặt cầu (mặt
phẳng được coi là có bán kính vô cực).
nối các tâm của hai mặt cầu (hoặc đi qua tâm
của mặt cầu và vuông góc với mặt phẳng).
- O: Quang tâm thấu kính (O là điểm
mà trục chính cắt thấu kính).
- Trục phụ: Đường thẳng bất kì đi qua quang tâm O. - : Được gọi là đường kính mở hay đường kính khẩu độ.
*Tiêu điểm.
- Tiêu điểm ảnh chính: Giao điểm của các tia ló (hay đường kéo dài của các tia ló) khi chùm tia tới song song với trục chính. Kí hiệu : F’.
- Tiêu điểm vật chính (tiêu điểm vật) : Giao điểm của các tia tới (hay đường kéo dài của các tia tới) khi chùm tia ló song song với trục chính.
Tiêu điểm F và F’ đối xứng với nhau qua quang tâm. * Tiêu diện. Tiêu diện phụ.
- Tiêu diện vật : Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm vật F.
- Tiêu diện ảnh : Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm ảnh
chính F’.
-Tiêu điểm vật phụ : Điểm cắt của một trục phụ bất kì với tiêu diện vật.
-Tiêu điểm ảnh phụ.: Điểm cắt của một trục phụ bất kì với tiêu diện ảnh.
*Tiêu cự:
-Định nghĩa : Tiêu cự là độ dài đại số ,được kí hiệu f, có trị số tuyệt đối
bằng khoảng cách từ các tiêu điểm tới quang tâm thấu kính.
- Công thức : |f| = OF = OF’ (6.1).
-Quy ước : f > 0 với thấu kính hội tụ.
f <0 với thấu kính phân kì. * Độ tụ:
- Định nghĩa: Độ tụ là một đại lượng dùng để xác định khả năng làm hội tụ chùm tia nhiều hay ít .
- Công thức:
f D= 1
- Đơn vị : điôp (với tiêu cự f tính ra met). - Qui ước dấu : Với thấu kính hội tụ, D > 0.
Với thấu kính phân kì, D < 0.
- Công thức tính độ tụ của thấu kính: = = - ççèæ 1 + 2 ÷÷øö
1 1 ) 1 ( 1 R R n f D
n : chiết suất tỉ đối của vật liệu làm thấu kính đối
với môi trường xung quanh thấu kính.
R1, R2 : Bán kính của các mặt thấu kính,
-Quy ước : R1, R2 > 0 với các mặt lồi, R1, R2 < 0 với các mặt lõm,
R1 (hay R2) = ¥ với mặt phẳng.
*Đường đi của tia sáng đặc biệt qua thấu kính.
- Tia tới song song với trục chính, tia ló tương ứng (hoặc đường kéo
dài) đi qua tiêu điểm ảnh chính F’.
- Tia tới (hoặc đường kéo dài) qua tiêu điểm vật chính F, tia ló tương
ứng song song với trục chính.
- Tia tới qua tâm O thì đi thẳng.
* Công thức thấu kính: f d d 1 ' 1 1 = +
- Quy ước: d > 0 với vật thật.
d’ > 0 với ảnh thật.
f > 0 với thấu kính hội tụ.
f < 0 với thấu kính phân kì. d < 0 với vật ảo.
d’ < 0 với ảnh ảo.
-Độ phóng đại được định nghĩa là :
d d AB B A k ' ' ' - = =
- Chú ý : Nếu ảnh và vật cùng chiều, k > 0.
2.1.3.3. Mắt * Cấu tạo:
Về phương diện quang hình học, ta có thể coi
mắt là một hệ thống bao gồm giác mạc, thuỷ dịch, thuỷ tinh thể và thuỷ tinh dịch tương đương với
một thấu kính hội tụ (Hình 8.1). Thấu kính tương đương này được gọi là thấu kính mắt. Tiêu cự của
thấu kính mắt có thể thay đổi được khi độ cong của
các mặt thuỷ tinh thể thay đổi nhờ sự co dãn của cơ
vòng. Võng mạc đóng vai trò như một màn ảnh, tại đó có các tế bào nhạy
sáng nằm ở đầu các dây thần kinh thị giác, gồm các tế bào hình que nhạy với
độ sáng, tối và các tế bào hình nón nhạy với màu sắc.
Trên võng mạc, có một vùng nhỏ màu vàng, rất nhạy với ánh sáng, nằm
gần giao điểm V giữa trục của mắt với võng mạc. Vùng này gọi là điểm vàng.
Dưới điểm vàng một chút có điểm mù. M hoàn toàn không cảm nhận được
ánh sáng.
b. Sự điều tiết. Điểm cực viễn và điểm cực cận.
- Sự điều tiết.
Mắt nhìn rõ vật khi ảnh của vật
cho bởi thấu kính mắt hiện rõ trên
võng mạc, ảnh này là ảnh thật, ngược
chiều với vật.
Định nghĩa : Sự thay đổi độ cong của các mặt thủy tinh thể (dẫn đến sự thay đổi tiêu cự của thấu kính mắt) để giữ cho ảnh của vật cần quan sát hiện
rõ trên võng mạc.
- Điểm cực viễn (CV): Điểm xa nhất trên trục của mắt mà vật đặt tại đó
thì ảnh của vật nằm trên võng mạc.
Ảnh của vật hiện rõtrên màng lưới
-Điểm cực cận (Cc): Điểm gần nhất trên trục của mắt mà nếu vật đặt tại đó ảnh của vật nằm trên võng mạc.
- Đ : Khoảng thấy rõ ngắn nhất của mắt là khoảng cách từ điểm cực cận (Cc) đến mắt .
- Khoảng cách thấy rõ cũa mắt. : Khoảng cách từ điểm cực cận (Cc) đến điểm cục viễn (Cv).
c. Góc trông vật và năng suất phân li của mắt.
- Góc trông: Góc trông đoạn AB vuông
góc với trục chính của mắt là góc tạo bởi hai
tia sáng xuất phát từ hai điểm A và B tới mắt.
Công thức :
l AB tga=
-Năng suất phân li của mắt: Góc trông nhỏ nhất min khi nhìn đoạn AB
mà mắt còn phân biệt được hai điểm A,B.
2.1.3.4. Các tật của mắt và cách khắc phục a. Cận thị.
* Đặc điểm của mắt cận thị:
- Mắt cận thị là mắt nhìn xa kém hơn so với mắt bình thường.
-Điểm cực viễn (CV) của mắt cận thị cách mắt một khoảng không lớn
(cỡ 2 m trở lại, khoảng cách này phụ thuộc vào mắt bị cận thị nặng hay nhẹ).
- Khi không điều tiết, thấu kính mắt của mắt cận thị có tiêu điểm nằm trước võng mạc.
- Điểm cực cận (CC) của mắt cận ở gần mắt hơn so với mắt bình
thường.
* Cách khắc phục tật cận thị:
- Dùng một thấu kính phân kì có độ tụ thích hợp đeo trước mắt hay gắn
nó trước giác mạc.
- Phẫu thuật giác mạc làm thay đổi độ cong bề mặt giác mạc.
O V
B A
l
* Cách chọn kính để khắc phục tật cận thị: Thấu kính phân kì được
chọn sao cho, nếu người cận thị đeo kính thì ảnh của vật ở xa vô cực sẽ hiện
lên ở tiêu diện ảnh của kính, nên nếu đeo kính sát mắt phải chọn kính có tiêu cự fk bằng khoảng cách từ quang tâm mắt đến điểm cực viễn.
Fk = - OCV (dấu trừ ứng với thấu kính phân kì).
b.Viễn thị.
* Đặc điểm của mắt viễn thị:
- Mắt viễn thị là mắt nhìn gần kém hơn. So với mắt bính thường, điểm
cực cận (CC) của mắt viễn thị nằm xa mắt hơn. Khoảng cách này phụ thuộc
vào mắt bị viễn thị nặng hay nhẹ.
-Khi không điều tiết, thấu kính mắt của mắt viễn thị có tiêu điểm nằm
sau vòng mạc. Khi nhìn vật ở vô cực, mắt viễn đã phải điều tiết.
* Cách khác phục tật viễn thị: Để khắc phục tật viễn thị cũng có hai
cách :
- Dùng một thấu kính hội tụ có độ tụ thích hợp đeo trước mắt hay gắn
sát giác mạc.
- Phẫu thuật giác mạc làm thay đổi độ cong bề mặt giác mạc.
* Cách chọn thấu kính hội tụ khắc phục tật viễn thị: Cần chọn kính sao
cho khi đeo kính thì ảnh của vật tạo bởi kính nằm ở điểm cực cận của mắt viễn.
Ảnh này là ảnh ảo đối với kính, nằm xa mắt hơn vật .Đeo kính như vậy thì khi
mắt nhìn vật ở xa vô cực cũng đỡ phải điều tiết hơn (so với khi không đeo).
c. Mắt lão và cách khắc phục.
* Đặc điểm mắt lão thị: Với hầu hết mọi người , kể từ tuổi trung niên, khả năng điều tiết giảm vì cơ mắt yếu đi và thể thủy tinh trở nên cứng hơn.
Hậu quả là điểm cực cận Cc rời xa mắt. Đó là tật lão thị(mắt lão).
* Cách khắc phục: phải đeo kính hội tụ tương tự như nguời viễn thị.
-Đặc biệt, người có mắt cận khi lớn tuổi thường phải: Đeo kính phân kì
2.1.3.5. Kính lúp
* Cấu tạo : Kính lúp là thấu kính hội tụ có tiêu cự nhỏ (cỡ vài cm).
* Công dụng: Bổ trợ cho mắt ,có tác dụng làm tăng góc trông bằng cách tạo ra một ảnh ảo cùng chiều, lớn hơn vật.
* Cách ngắm chừng ở điểm cực cận và cách ngắm chừng ởvô cực.
- Cách ngắm chừng : Điều chỉnh vị trí của vật hoặc kính để sao cho ảnh
của vật hiện trong khoảng thấy rõ của mắt.
- Cách ngắm chừng ở điểm cực cận và cách ngắm chừng ở vô cực.
+ Cách ngắm chừng ở điểm cực cận : Cách ngắm chừng khi ảnh hiện
lên ở điểm cực cận (CC).
+ Cách ngắm chừng ở vô cực : Cách ngắm chừng khi ảnh hiện lên ở
điểm cực viễn (Cv) Đối với mắt không có tật, ngắm chừng ở điểm cực viễn gọi là ngắm chừng ở vô cực.
* Công thức độ bội giác củakính lúp khi ngắm chừng ở vô cực.
f Ñ
= ¥
G Đ: Khoảng cực cận của mắt.
f: Tiêu cự của thấu kính.
2.1.3.6. Kính hiển vi
* Nguyên tắc cấu tạo kính hiển vi:
- Kính hiển vi là hệ hai thấu kính hội tụ ghép đồng trục để tạo góc trông ảnh của vật lớn hơn góc trông vật trực tiếp nhiều lần.
- Thấu kính thứ nhất cho ta ảnh thật của vật được phóng đại. Thấu kính thứ hai dùng làm kính lúp để quan sát ảnh này.
* Cách ngắm chừng:
- Để nhìn rõ ảnh A2B2, ta phải thay đổi khoảng cách d1 giữa vật kính sao cho ảnh nằm trong khoảng nhìn thấy của mắt. Khi đó, khoảng cách d2 từ ảnh A2B2 đến thị kính cũng sẽ thay đổi.
-Để cho đỡ mỏi mắt, cần điều chỉnh để ngắm chừng ảnh A2B2 ở vô cực.
Hình 2.5: Đường truyền của chùm tia sáng qua kính hiển vi được ngắm chừng ở vô cực
*Độ bội giác của kính hiển vi khi ngắm chừng ở vô cực:
2 1f f
Đ
G¥ =
- Với = F’1F2. Khoảng cách từ tiêu điểm ảnh của vật kính đến tiêu
điểm vật của thị kính gọi là độ dài quang học của kính hiển vi.
2.1.3.7. Kính thiên văn
* Nguyên tắc cấu tạo của kính thiên văn.
Khi nhìn thiên thể ở rất xa, muốn tăng góc
trông thì trước hết phải tạo được một ảnh thật
của nó ở vị trí gần, nhờ linh kiện quang học thứ
nhất. Sau đó nhìn ảnh này qua linh kiện quang học thứ hai để thấy ảnh cuối cùng dưới một góc trông lớn hơn. O1 F1’ F1 A B I A1’ B1’ B2’ l L2 L1 (∞) A2’ (∞) F2 O2
Dụng cụ quang học có chức năng như trên gọi là kính thiên văn. Kính thiên văn, trong đó người ta dùng thấu kính để nhận ánh sáng từ vật chiếu đến, được gọi là kính thiên văn khúc xạ. Kính thiên văn, mà trong đó người ta dùng gương để nhận ánh sáng từ vật chiếu đến, được gọi là kính thiên văn
phản xạ.
* Cách ngắm chừng.
Cấu tạo gồm hai thấu kính hội tụ. Vật kính có tiêu cự lớn. Thị kính có tiêu cự nhỏ. Hai kính được lắp đồng trục ở hai đầu của một ống hình trụ. Khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được.
Muốn ngắm chừng ta phải dịch chuyển thị kính để thay đổi khoảng cách O1O2 giữa vật kính và thị kính, sao cho nhìn thấy ảnh A2B2.
Để ngắm chừng ở vô cực, phải điều chỉnh chỉnh sao cho ảnh A1B1 nằm ở tiêu điểm vật F2 của thị kính. Khi đó, tiêu điểm ảnh F’1 của vật kính sẽ trùng với tiêu điểm vật F2 của thị kính. Ta có O1O2 = f1 + f2.
Hình 2.6. Đường truyền của chùm tia sáng qua kính thiên văn
ngắm chừng ở vô cực
*Độ bội giác của kính thiên văn:
2 1
f f G¥ =