Bài 29. THẤU KÍNH MỎNG

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

I. Thấu kính, phân loại thấu kính

Thấu kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa...) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng.

Theo hình dạng, thấu kính gồm hai loại:

+ Thấu kính lồi (còn được gọi là thấu kính rìa mỏng).

+ Thấu kính lõm (còn được gọi là thấu kính rìa dày).

II. Khảo sát thấu kính hội tụ

1. Quang tâm – Tiêu điểm - Tiêu diện

a) Quang tâm

Quang tâm O là điểm chính giữa của thấu kính mà mọi tia tới qua quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng.

Đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính là trục chính của thấu kính.

Mọi đường thẳng khác qua quang tâm O là trục phụ.

b) Tiêu điểm - Tiêu diện

Trên mỗi trục có một tiêu điểm ảnh.

+ Tiêu điểm ảnh chính được kí hiệu F'.

+ Tiêu điểm ảnh phụ được kí hiệu $F'_{n}$ (n = 1, 2, 3...).

Trên mỗi trục có một tiêu điểm vật.

+ Tiêu điểm vật chính được kí hiệu F.

+ Tiêu điểm vật phụ được kí hiệu $F_{n}$ (n = 1, 2, 3...).

• Tiêu điểm ảnh và tiêu điểm vật trên một trục đối xứng với nhau ở hai bên quang tâm.

• Tập hợp tất cả các tiêu điểm tạo thành tiêu diện. Mỗi thấu kính có hai tiêu diện: Tiêu diện ảnh và tiêu diện vật.

Có thể coi tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính và qua tiêu điểm chính.

2. Tiêu cự - Độ tụ

f = $\bar{OF'}$

Ta quy ước f > 0 đối với thấu kính hội tụ, ứng với tiêu điểm ảnh F' thật (sau thấu kính).

Thấu kính có khả năng hội tụ chùm tia sáng càng mạnh khi F càng nhỏ. Do đó, người ta định nghĩa độ tụ của thấu kính như sau:

D = $\large \frac{1}{f}$

Trong đó: f tính bằng mét (m); D tính bằng điôp (dp)

III. Khảo sát thấu kính phân kì

Quang tâm của thấu kính phân kì có cùng tính chất như quang tâm của thấu kính hội tụ.

Các tiêu điểm cũng như tiêu diện (ảnh và vật) của thấu kính phân kì cũng được xác định tương tự như với thấu kính hội tụ (hình vẽ). Điểm khác biệt của chúng đều ảo, được tạo bởi đường kéo dài của tia sáng.

Các công thức định nghĩa tiêu cự và độ tụ vẫn áp dụng được đối với thấu kính phân kì.

Tiêu cự và độ tụ của thấu kính phân kì có giá trị âm (ứng với tiêu điểm ảnh F' ảo).

IV. Sự tạo ảnh bởi thấu kính

1. Khái niệm ảnh và vật trong quang học

Có thể định nghĩa tổng quát như sau về ảnh trong quang học:

- Ảnh điểm là điểm giao nhau của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng.

- Một ảnh điểm là:

+ thật nếu chùm tia ló là chùm hội tụ (có thể hứng được trên màn).

+ ảo nếu chùm tia ló là chùm phân kì (có thể quan sát bằng mắt).

• Về vật:

- Vật điểm là điểm giao nhau của chùm tia tới hay đường kéo dài của chúng.

- Một vật điểm là:

+ thật nếu chùm tia tới là chùm phân kì.

+ ảo nếu chùm tia tới là chùm hội tụ.

2. Cách dựng ảnh tạo bởi thấu kính

Ta thường vẽ các tia tới sau đây:

- Tia tới qua quang tâm O của thấu kính.

- Tia tới song song với trục chính của thấu kính.

- Tia tới qua tiêu điểm vật chính F (hay có đường kéo dài qua F).

Trong trường hợp phải vẽ một tia bất kì thì ta xác định trục phụ song song với tia tới. Tia ló tương ứng (hay đường kéo dài của nó) sẽ qua tiêu điểm ảnh phụ trên trục phụ đó.

3. Các trường hợp tạo ảnh bởi thấu kính

V. Các công thức về thấu kính

Để thiết lập các công thức tổng quát áp dụng cho mọi trường hợp, người ta đặt các giá trị đại số cho khoảng cách như sau:

1. Số phóng đại ảnh

Chiều và độ lớn của ảnh được xác định bởi tỉ số:

k được gọi là số phóng đại ảnh.

- Nếu k > 0: Vật và ảnh cùng chiều.

- Nếu k < 0: Vật và ảnh ngược chiều.

2. Công thức xác định vị trí ảnh

$\large \frac{1}{d}+\frac{1}{d'}=\frac{1}{f}$

VI. Công dụng của thấu kính

Thấu kính có công dụng hữu ích trong đời sống và trong khoa học.

Thấu kính được dùng làm:

- Kính khắc phục tật của mắt (cận, viễn, lão);

- Kính lúp;

- Máy ảnh, máy ghi hình (camera);

- Kính hiển vi;

- Kính thiên văn, ống nhòm;

- Đèn chiếu;

- Máy quang phổ.

B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

1. Định nghĩa được thấu kính mỏng. Biết được các đại lượng vật lí (hay các yếu tố đặc trưng cho thấu kính như trục chính, trục phụ, tiêu điểm chính, tiêu điểm phụ, quang tâm, tiêu diện, tiêu cự, độ tụ...).

2. Phân biệt hai loại thấu kính về mặt cấu tạo.

3. Phân biệt về sự khác nhau về tiêu điểm, tiêu diện, tiêu cự, độ tụ của hai thấu kính.

4. Nắm được đường đi của tia sáng qua hai loại thấu kính (đối với các tia đặc biệt cũng như với các tia bất kì). Từ đây biết cách xác định ảnh của một vật bằng cách vẽ đường đi tia sáng.

5. So sánh được các điểm giống nhau và khác nhau khi vẽ đường đi của tia sáng qua hai loại thấu kính.

6. Viết được các công thức của thấu kính, nắm vững quy ước về dấu. Biết vận dụng các công thức trên để xác định vị trí của vật (hay ảnh), tính độ phóng đại ảnh và độ tụ của thấu kính.

7. Cả hai loại thấu kính có một số tính chất chung sau:

- Khi vật tiến lại gần hay ra xa thấu kính, ảnh luôn di chuyển cùng chiều với vật.

- Vật thật ở cùng bên với tia tới, vật ảo ở cùng bên với tia ló.

- Ảnh thật ở cùng bên với tia ló, ảnh ảo ở cùng bên với tia tới.

- Ảnh và vật cùng chiều nếu tính chất khác nhau (vật thật, ảnh ảo hay ngược lại).

- Ảnh và vật ngược chiều nếu tính chất giống nhau (vật và ảnh cùng thật hay cùng ảo).

- Vật ở vô cực thì ảnh ở tiêu điểm ảnh chính F' (hay ở trên tiêu diện ảnh).

- Vật ở tiêu điểm vật chính F (hay trên tiêu diện vật) thì ảnh vô cực.

BẢNG TÓM TẮT CÁC VỊ TRÍ TƯƠNG ỨNG GIỮA VẬT VÀ ẢNH

Trường hợp thấu kính hội tụ

Trường hợp thấu kính phân kì

C. ĐỀ BÀI TẬP

Bài 1

Một chùm tia sáng hội tụ sau khi đi qua một thấu kính phân kì thì sẽ:

A. vẫn là chùm hội tụ.

B. luôn trở thành chùm phân kì.

C. trở thành chùm song song.

D. có thể trở thành phân kì, hội tụ hoặc song song

Bài 2

Điểm sáng S nằm trên trục chính của thấu kính cho chùm tia sáng tới thấu kính, nếu chùm tia ló là chùm hội tụ thì có thể kết luận:

A. Ảnh ảo và thấu kính hội tụ

B. Ảnh thật và thấu kính hội tụ

C. Ảnh ảo và thấu kính phân kì

D. Ảnh thật và thấu kính phân kì

Bài 3

Điểm sáng S nằm trên trục chính của thấu kính cho chùm tia sáng tới thấu kính, nếu chùm tia ló là chùm phân kì thì có thể kết luận:

A. Ảnh ảo và thấu kính hội tụ

B. Ảnh thật và thấu kính hội tụ

C. Ảnh ảo và thấu kính phân kì

D. Không thể xác định được loại thấu kính

Bài 4

Vật sáng cách thấu kính hội tụ một khoảng lớn hơn tiêu cự thì luôn luôn có ảnh

A. ngược chiều

B. ảo

C. cùng kích thước

D. bé hơn vật

Bài 5

Điểm sáng S nằm trên trục chính của một thấu kính cho ảnh S' ảo qua thấu kính. Cho S di chuyển đi lên theo phương vuông góc trục chính, S' sẽ

A. luôn di chuyển xuống ngược chiều S.

B. luôn di chuyển cùng chiều với S.

C. chưa xác định được chiều di chuyển vì còn phụ thuộc loại thấu kính.

D. di chuyển lên cùng chiều vật S vì ảnh ảo.

Bài 6

Hãy chọn câu đúng.

Vật sáng đặt trong khoảng tiêu cự của thấu kính hội tụ sẽ cho

A. ảnh thật, ngược chiều và nhỏ hơn vật.

B. ảnh ảo, cùng chiều và ở gần thấu kính hơn vật.

C. ảnh ảo, ngược chiều và lớn hơn vật.

D. ảnh ảo, cùng chiều và ở xa thấu kính hơn vật.

Bài 7

Chọn câu sai trong các câu sau:

A. Vật thật ngoài khoảng tiêu cự của thấu kính hội tụ cho ảnh thật, ngược chiều với vật.

B. Vật thật qua thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo cùng chiều và nhỏ hơn vật.

C. Vật ảo nằm trong khoảng tiêu cự của thấu kính phân kì cho ảnh thật.

D. Vật ảo qua thấu kính hội tụ cho ảnh ảo.

Bài 8

Thấu kính phân kì bằng thủy tinh có tiêu cự f = -10cm. Một điểm sáng S trên trục chính cho ảnh S' qua thấu kính, S' cách S 5cm. Tìm vị trí của S và S'.

Bài 9

Thấu kính phân kì tạo ảnh lớn gấp 5 lần vật trên màn đặt cách thấu kính 100cm. Tính tiêu cự của thấu kính.

Bài 10

Thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm. Vật ảo AB trên trục chính vuông góc trục chính có ảnh thật cách vật 18cm. Tìm vị trí vật, vị trí ảnh.

D. HƯỚNG DẪN GIẢI

Bài 1. D

Bài 2. B

Bài 3. D

Bài 4. A

Bài 5. D

Bài 6. D

Bài 7. D

Bài 8

Khoảng cách vật ảnh: l = $\mid$d + d'$\mid$ = 5

• Trường hợp 1: d + d' = 5

• Trường hợp 2: d + d' = -5

Vậy: S cách thấu kính 10cm, S' cách thấu kính 5cm.

Bài 9

Có: k = $\large \frac{d'}{d}$ = 5 ⇒ d = -$\large \frac{1}{5}$d' = -20 cm

f = $\large \frac{d.d'}{d+d'}$ = $\large \frac{-20.100}{20+100}$ = -25 cm

Thấu kính phân kì có f = -25cm.

Bài 10

Có: l = $\mid$d + d'$\mid$ = 18

Giải phương trình ta được:

$d_{1}$ = -30cm

$d_{2}$ = 12cm (loại)

$d_{1}$ = -30cm ⇒ d' = $\large \frac{d.f}{d-f}$ = 12 cm