Thấu kính. Kính lúp SVIP

1. Thấu kính

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

Phân loại

Dựa trên hình dạng, ta có thể phân thành hai loại: thấu kính rìa mỏng (có phần rìa thấu kính mỏng hơn phần giữa) và thấu kính rìa dày (có phần rìa thấu kính dày hơn phần giữa).

Đường truyền tia sáng qua thấu kính 

Trong không khí:

• Khi chiếu chùm sáng song song qua thấu kính rìa mỏng ta thu được chùm tia ló hội tụ. Do đó, thấu kính rìa mỏng là thấu kính hội tụ.
• Khi chiếu chùm sáng song song qua thấu kính phân kì rìa dày ta thu được chùm tia ló phân kì. Do đó, thấu kính rìa dày là thấu kính phân kì.

Kí hiệu thấu kính

@202719736834@@202719738956@

Tìm hiểu trục chính, quang tâm, tiêu điểm chính và tiêu cự của thấu kính

Từ hình vẽ:

• Quang tâm: Có một điểm O của thấu kính mà mọi tia sáng tới O đều truyền thẳng qua thấu kính. Điểm O gọi là quang tâm của thấu kính.
• Trục chính: Đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với tiết diện thẳng của thấu kính gọi là trục chính của thấu kính.
• Tiêu điểm chính: Một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló hội tụ tại một điểm F nằm trên trục chính (đối với thấu kính hội tụ); hoặc đường kéo dài của chùm tia ló hội tụ tại một điểm F nằm trên trục chính (đối với thấu kính phân kì). Điểm F gọi là tiêu điểm chính của thấu kính.
• Tiêu cự: Khoảng cách từ quang tâm O đến tiêu điểm chính F của thấu kính, OF = f gọi là tiêu cự của thấu kính.

Thí nghiệm khảo sát đường đi của một số tia sáng qua thấu kính

Đối với thấu kính hội tụ

• Tia sáng tới quang tâm cho tia ló tiếp tục truyền thẳng.
• Tia sáng song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm chính.

Đối với thấu kính phân kì

• Tia sáng tới quang tâm cho tia ló tiếp tục truyền thẳng.
• Tia sáng song song với trục chính cho tia ló có đường kéo dài đi qua tiêu điểm chính.

Giải thích nguyên lí hoạt động của thấu kính

a) Sự truyền ánh sáng qua thấu kính hội tụ

Hình dung thấu kính được tạo thành bởi các lăng kính nhỏ ghép liền nhau, ở giữa là một khối trong suốt có hai mặt song song. Các lăng kính có đáy hướng về trục chính. Do các tia sáng qua lăng kính bị lệch về phía đáy, còn tia sáng chính giữa vuông góc với hai mặt của khối trong suốt nên truyền thẳng, vì vậy chùm sáng song song qua thấu kính hội tụ trở thành chùm sáng hội tụ.

Lưu ý: Khi giải thích đường truyền ánh sáng qua thấu kính, ta không xem xét tác dụng tán sắc ánh sáng của các lăng kính trong mô hình thấu kính được tạo thành bởi các lăng kính ghép liền nhau này.

b) Sự truyền ánh sáng qua thấu kính phân kì

Hãy hình dung thấu kình phân kì được tạo thành bởi các lăng kính nhỏ ghép liền nhau, ở giữa là một khối trong suốt có hai mặt song song. Các lăng kính có đáy hướng ra xa trục chính. Do các tia sáng qua lăng kính bị lệch về phía đáy, còn tia sáng chính giữa vuông góc với hai mặt của khối trong suốt nên truyền thẳng. Vì vậy, chùm sáng song song qua thấu kính phân kì trở thành chùm sáng phân kì và khi kéo dài các tia ló, chúng sẽ giao nhau tại tiêu điểm.

2. Ảnh của vật qua thấu kính - cách vẽ ảnh

Chuẩn bị

• Nguồn sáng (1);
• Vật sáng bằng kính mờ, hình chữ F (2);
• Thấu kính hội tụ (3);
• Màn chắn (4);
• Giá quang học đồng trục (5);
• Nguồn điện, dây nối (6).

Thí nghiệm 1. Thấu kính hội tụ

a) Khoảng cách từ vật đến thấu kính lớn hơn tiêu cự

• Lắp đặt dụng cụ như hình 1.
• Dịch chuyển thấu kính sao cho khoảng cách từ khe chữ F đến thấu kính lớn hơn tiêu cự được ghi trên thấu kính.
• Dịch chuyển màn chắn để tìm vị trí cho ảnh rõ nét trên đó (có thể quan sát rõ các chi tiết nhỏ trên ảnh).
• Bỏ màn chắn, đặt mắt ở vị trí thích hợp, đón chùm sáng ló.
• Mô tả tính chất ảnh quan sát được khi dùng màn chắn và khi quan sát trực tiếp bằng mắt.

b) Khoảng cách vật đến thấu kính nhỏ hơn tiêu cự

• Dịch chuyển thấu kính sao cho khoảng cách từ khe chữ F đến thấu kính nhỏ hơn tiêu cự của thấu kính.
• Dịch chuyển màn chắn để tìm vị trí cho ảnh rõ nét trên đó.
• Bỏ màn chắn, đặt mắt ở vị trí thích hợp, đón chùm sáng ló.
• Mô tả tính chất ảnh quan sát được khi dùng màn chắn và khi quan sát trực tiếp bằng mắt.

Thí nghiệm 2. Thấu kính phân kì

• Thay thấu kính hội tụ ở hình 1 bằng thấu kính phân kì.
• Dịch chuyển thấu kính phân kì tới một số vị trí khác nhau. Ứng với mỗi vị trí đó, dịch chuyển màn chắn để tìm vị trí cho ảnh rõ nét trên đó. Sau đó, bỏ màn chắn, đặt mắt phía sau ở vị trí thích hợp, đón chùm sáng ló.
• Mô tả tính chất ảnh quan sát được khi dùng màn chắn và khi quan sát trực tiếp bằng mắt. 

Vẽ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh của vật qua thấu kính hội tụ, thấu kính phân kì

Để dựng ảnh của một vật nhỏ, phẳng AB đặt vuông góc với trục chính, A nằm trên trục chính của thấu kính, ta làm như sau:

• Sử dụng tia sáng đi qua quang tâm và tia sáng song song tới trục chính xuất phát từ B. Điểm B là điểm sáng trên vật nằm ngoài trục chính. Giao điểm của hai tia ló là ảnh B' của điểm B.
• Từ B' hạ vuông góc với trục chính, cắt trục chính tại A', ta thu được ảnh A'B' của vật.

Quy ước: Ảnh được biểu diễn bằng mũi tên nét liền nếu là ảnh thật, mũi tên nét đứt nếu là ảnh ảo.

3. Kính lúp

Mô tả kính lúp

Kính lúp là một dụng cụ quang bổ trợ cho mắt để quan sát các vật nhỏ. Về mặt cấu tạo, kính lúp là một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (cỡ vài cm), thường được bảo vệ bởi một khung có tay cầm hoặc đeo trực tiếp vào mắt.

Mỗi kính lúp có một số bội giác xác định. Trong thực tế, số bội giác thường được ghi ngay trên khung đỡ kính và được kí hiệu: 2x, 5x, 10x, 20x,... Số bội giác của kính lúp càng lớn thì ảnh quan sát được qua kính lúp càng lớn.

Cách sử dụng kính lúp

Kính lúp hoạt động theo nguyên tắc: khi vật đặt cách kính lúp một khoảng nhỏ hơn tiêu cự, mắt đặt sau kính lúp quan sát được ảnh ảo lớn hơn vật.

Để sử dụng kính lúp, ta thực hiện các thao tác như sau:

• Đặt kính lúp gần sát vật cần quan sát, mắt nhìn vào mặt kính.
• Từ từ dịch chuyển kính ra xa vật (nhưng vật vẫn nằm trong khoảng tiêu cự) cho đến khi nhìn thấy rõ các chi tiết của vật qua kính lúp.
• Khi cần quan sát trong một khoảng thời gian dài, người ta thường chọn cách đặt mắt ở tiêu điểm của kính lúp để mắt không bị mỏi.

4. Thực hành đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

Mục đích thí nghiệm

Đo được tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.

Nguyên tắc: Gọi $d$ là khoảng cách giữa vật và thấu kính và $d'$ là khoảng cách giữa ảnh và thấu kính. Trên sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, ta lần lượt thực hiện các thao tác sau:

• Vẽ trục chính Δ, thấu kính hội tụ, tiêu điểm, tiêu cự OF.
• Vẽ vật AB có độ cao $h$ cách thấu kính một đoạn $d=2f$.
• Vẽ ảnh A'B'. Độ cao ảnh là $h'$.
• Từ sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh, ta có $d=d'=2f$. Do vậy, tiêu cự của thấu kính là:

\(f=\dfrac{d+d'}{4}\)

Chuẩn bị

Nguồn sáng, vật sáng (khe chữ F), thấu kính hội tụ, màn chắn, giá quang học, mẫu báo cáo.

Tiến hành

• Bước 1: Bố trí dụng cụ như hình 1, đo chiều cao $h$ của vật.
• Bước 2: Ban đầu, đặt thấu kính ở giữa giá quang học, vật và màn chắn ở hai bên và sát với thấu kính.
• Bước 3: Dịch chuyển vật và màn chắn ra xa dần thấu kính những khoảng bằng nhau cho đến khi thu được ảnh rõ nét ngược chiều và bằng vật ($h=h'$).
• Bước 4: Dùng thước đo độ dài $d,\,d'$ và ghi giá trị đo được theo mẫu bảng 1.

Kết quả thí nghiệm

1. Có hai loại thấu kính: thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì.

•  Quang tâm O là một điểm trong thấu kính mà mọi tia sáng đi qua nó đều truyền thẳng.
• Trục chính Δ là đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với bề mặt thấu kính.
• Tiêu điểm chính F là một điểm trên trục chính. Tia tới song song với trục chính thì tia ló (hoặc đường kéo dài của tia ló) đi qua tiêu điểm chính.
• Tiêu cự $f$ là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm chính của thấu kính: $f=OF$.

2. Ảnh thật là ảnh hứng được trên màn chắn. Ảnh ảo không hứng được trên màn chắn.

• Vật đặt trước thấu kính hội tụ cách thấu kính một khoảng lớn hơn tiêu cự sẽ cho ảnh thật, ngược chiều với vật.
• Vật đặt trước thấu kính hội tụ cách thấu kính một khoảng nhỏ hơn tiêu cự sẽ cho ảnh ảo, cùng chiều với vật và lớn hơn vật.
• Vật đặt trước thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo, cùng chiều với vật và nhỏ hơn vật.
• Để xác định độ lớn của ảnh hay vật, khoảng cách từ vật hay ảnh đến thấu kính, ta sử dụng sơ đồ tỉ lệ tạo ảnh.

3. Kính lúp là thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (cỡ vài centimetre), dùng để quan sát các vật nhỏ.

• Vật cần quan sát phải đặt trong khoảng tiêu cự của kính lúp để cho ảnh ảo lớn hơn vật.