Học tốt Vật lí 11 bài 29: Thấu kính mỏng

A/ Kiến thức cơ bản
I. Thấu kính - phân loại thấu kính
1. Định nghĩa thấu kính:
Thấu kính là một khối chất trong suốt giới hạn bởi hai mặt cong bởi một mặt phẳng và một mặt cong.

2. Phân loại thấu kính:
• Có hai loại thấu kính:
- Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng) tạo ra chùm tia ló hội tụ khi chùm tia tới là chùm song song.
- Thấu kính lõm (thâu kính rìa dày) tạo ra chùm tia ló phân kì khi chùm tia tới là chùm song song.
• Trong không khí:
- Thấu kính lồi là thấu kính hội tụ
- Thấu kính lõm là thấu kính phân kì

II. Khảo sát thấu kính hội tụ

Thấu kính hội tụ được kí hiệu như hình 29.2. - Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm chính • Tiêu điểm ảnh chính (F’): nằm trên trục chính và sau thấu kính. - Tiêu điểm vật chính (F): nằm trên trục chính và trước thấu kính. - Thấu kính hội tụ có 2 tiêu điểm F và F’ thật. F và F’ đối xứng nhau qua quang tâm O của thấu kính.

III. Thấu kính phân kì

Thấu kính phân kì được kí hiệu như hình 29.3. • Tiêu điểm ảnh chính (p) nằm trên trục chính và truớc thấu kính. - Tiêu điểm vật chính (F) nằm trên trục chính và sau thấu kính. Thấu kính phân kì có 2 tiêu điểm F và F’ ảo. F và F’ đối xứng nhau qua quang tâm O của thấu kính.

IV. Sự tạo ảnh qua thấu kính
l. Khái niệm ảnh và vật:
a) Ảnh ảo, ảnh thật:
- Ảnh ảo: chỉ có thể quan sát bằng mắt, không hứng được trên màn
- Ảnh thật: hứng được trên màn 
b) Ảnh vật trong quang học:
+ Ảnh điểm là thật nếu chùm tia ló là chùm hội tụ
+ Ảnh điểm là ảo nếu chùm tia ló là chùm phân kỳ
+ Vật điểm là vật thật nếu chùm tia tới là chùm phân kỳ
+ Vật điểm là ảo nếu chùm tia tới là chùm hội tụ
2. Cách dựng ảnh:
• Ta vẽ các tia tới sau:
- Tia tới qua quang tâm O của thấu kính thì tia ló truyền thẳng.
- Tia tới song song với trục chính của thấu kính thì tia ló qua tiêu điểm ảnh chính F’.
- Tia tới qua tiêu điểm vật chính F (hay có đường kéo dài qua F) thì tia ló song soug với trục
• Giao điểm của các tia ló là ảnh của vật.
Ta có các hình vẽ ở các trường như sau:



V. Các công thức về thấu kính

1. Công thức xác định vị trí ảnh:   
 = ' =
Với
= d
= d’
Với quy ước: d > 0: vật thật; d < 0: vật ảo
                      d’ > 0 ảnh thật; d’< 0: ảnh ảo
2. Công thức độ phóng đại ảnh:
k =  = <1
- Nếu k > 0: vật và ảnh cùng chiều
- Nếu k < 0: vật và ảnh ngược chiều
3. Công thức độ tụ:
D =
Với: f = OF' : tiêu cự (m)
D: Độ tụ (đp) (điôp)
- Nếu f > 0 (D > 0): thấu kính hội tụ
- Nếu f < 0 (D) < 0): thấu kính phân kỳ

B/ TRẢ LỜI CÂU HỎI C1, C2, C3, C4, C5 SGK VẬT LÝ 11 BÀI 29
C1. Hãy gọi tên phân biệt ba loại thấu kính lồi và ba loại thấu kính lõm ở hình sau. 

a) Hình bổ dọc thấu kính lồi   
b) Hình bổ dọc thấu kính lõm
Trả lời:
- Ba loại thấu kính lồi ở hình 29. 1a là thấu kính rìa mỏng.
- Ba loại thấu kính lõm ở hình 29 lb là thấu kính rìa dày.

2. Coi chùm tia song song như xuất phát hay hội tụ ở một điểm rất xa (vô cực), hãy nêu mối quan hệ giữa điểm này với:
- Tiêu điểm ảnh.
- Tiêu điểm vật của thấu kính hội tụ.
+ Tiêu điểm vật chính được kí hiệu F.
+ Tiêu điểm vật phụ được kí hiệu F_n (n = 1, 2, 3, ...)
Trả lời:
- Khi vật ở vô cực, phát ra chùm tia tới song song với trục chính thì chùm tia ló hội tụ tại tiêu điểm ảnh F.
- Khi vật ở tiêu điểm vật F, phát ra chùm tia tới thấu kính thì chùm tia ló sẽ song song với trục chính và cho ảnh ở vô cùng.

C3.  Vẽ đường truyền của chùm tia sáng minh họa tính chất của tiêu điểm vật của thấu kính phân kì.
Trả lời:
Xem hình 29.3

C4. Khi tạo ảnh ảo, thấu kính hội tụ cho chùm tia ló phân kì. Kết quả này có mâu thuẫn với tính chất của thấu kính không? Giải thích.
Trả lời:
Khi tạo ảnh ảo, thấu kính hội tụ cho chùm tia ló phân kì. Kết quả này không mâu thuẫn với tính chất của thấu kính.
- Giải thích:
+ Ta quy ước: Chùm tia phân kì là chùm tia trong đó các tia sáng được phát ra từ một điểm (hoặc đường kéo dài của tia sáng ngược chiều truyền giao nhau tại một điểm).
- Ảnh điểm trong quang học là giao điểm của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng.
Khi tạo ảnh ảo, thấu kính hội tụ cho chùm tia ló có đường kéo dài ngược chiều truyền giao nhau tại một điểm nên chùm tia ló là chùm phân kì.


C5. Dùng công thức xác định vị trí ảnh hãy chứng tỏ rằng, nếu giữ thấu kính cố định và dời vật dọc theo trục chính thì ảnh và vật luôn di chuyển cùng chiều.
Trả lời:
Công thức xác định vị trí vật và ảnh:
=' =
=> = -
Từ công thức trên ta thấy: Khi d tăng thì giảm nên d’ giảm. Khi d giảm thì d’ tăng. Vậy ảnh và vật luôn di chuyển cùng chiều.

C/ TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP SGK VẬT LÝ 11 BÀI 27 TRANG 189, 190
1. Thấu kính là gì? Kể các loại thấu kính.
Trả lời:
Thấu kính là một khối chất trong suốt. Giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng, có hai loại thấu kính là thấu kính lồi và thấu kính lõm.

2. Nêu tính chất quang học của quang tâm, tiêu điểm ảnh, tiêu điểm vật. Minh họa bằng đường truyền của tia sáng cho mỗi trường hợp.
Trả lời:
Tính chất quang học của quang tâm, tiêu điểm ảnh, tiêu điểm vật.
- Quang tâm O: Mọi tia sáng tới O đều truyền thẳng qua thấu kính. Hình 29.3a

- Tiêu điểm ảnh (F): Chùm tia tới song song với trục chính thì chùm tia ló cắt nhau tại một điểm trên trục chính gọi là tiêu điểm ảnh. Hình 29.3b

- Tiêu điểm vật (F); Chùm tia tới xuất phát từ tiêu điểm vật thì chùm tia ló song song với trục chính. Hình 29.3c

3. Tiêu cự, độ tụ của thấu kính là gì? Đơn vị của tiêu cự và độ tụ.
Trả lời:
Tiêu cự (f) là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm ảnh chính
f= ’
Đơn vị của tiêu cự là mét (m)
- Độ tụ (D): là nghịch đảo của tiêu cự
D =  
Đơn vị của độ tụ là điôp. (dp)

4. Chọn phát biểu đúng với vật thật đặt trước thấu kính.
A. Thấu kính hội tụ luôn tạo chùm tia ló hội tụ.
B. Thấu kính phân kì luôn tạo chùm tia ló phân kì.
C. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính không thể bằng vật.
D. Cả ba phát biểu A, B, C đều sai.
Trả lời:
Đáp án: B.
A. Thấu kính hội tụ khi cho ảnh ào thì chùm tia ló phân kì.
B. Thấu kính phân kì vật thật luôn cho ảnh ảo, chùm tia ló phân kì.
C. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính có thể bằng, nhỏ hoặc lớn hơn vật.
         
5. Một vật sáng đặt trước một thấu kính, trên trục chính. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính bằng ba lần vật.
Dời vật lại gần thấu kính. Ảnh của vật ở vị trí mới vẫn bằng ba lần vật.
Có thể kết luận gì về loại thấu kính?
A. Thấu kính hội tụ.
B. Thấu kính phân kì.
C. Hai loại thấu kính đều phù hợp.
D. Không thể kết luận được, vì giả thiết hai ảnh bằng nhau là vô lí.
Trả lời:
Đáp án: A.
Một vật sáng đặt trước thấu kính cho ảnh bằng ba iần vật nôn đây là
thấu kính hội tụ vì thâu kính phân kì thì vật sáng trước thấu kính ỉuôn cho ảnh ảo nhỏ hơn vật. 

6. Cho biết đoạn dời vật là 12cm.
Tiêu cự của thấu kính là bao nhiêu?
A. -8cm.     
B. 18cm.
C. -20cm.   
D. Một giá trị khác A, B, C.
Trả lời:
Đáp án: B.
- Vật sáng đặt trước thấu kính cho ảnh bằng ba lần vật (ảnh thật) khi dời vật lại gần thấu kính cũng cho ảnh bằng ba lần vật nên đây là ảnh ảo.

7.  Xét thấu kính hội tụ. Lấy trên trục chính các tiêu điểm I và I’ sao cho OI = 2OF, OI’= 2OF’ (hình 29.17).

Vẽ ảnh của vật AB và nhận xét về đặc điểm của ảnh trong mỗi trường hợp sau:
- Vật thật ở ngoài đoạn OI.
- Vật thật tại I.
- Vật thật trong đoạn FI.
- Vật thật trong đoạn OF.
Trả lời:


a) Vật thật ngoài đoạn OI luôn cho ảnh thật, nhỏ hơn vật trong đoạn F’I’; (hình 29.4a)
b) Vật thật tại I luôn cho ảnh thật, cao bằng vật tại I’ (hình 29.4b)
c) Vật thật trong đoạn FI luôn cho ảnh thật, lớn hơn vật, ngoài đoạn OI’ (hình 29.4c).
d) Vật thật trong đoạn OF luôn cho ảnh ảo, lớn hơn vật.
 
8. Người ta dùng một thấu kính hội tụ 1dp để thu ảnh của mặt trăng.
a) Vẽ ảnh.
b) Tính đường kính của ảnh. Cho góc trông Mặt Trăng là 33'. Lấy I' ≈ 3.10^-4rad.
Giải:
a.


b. α = 33' = 33.3.10^-4 rad = 99.10^-4 (rad).
Tiêu cự: f =  = = 1m = 100 cm
tanα =
Đường kính của ảnh:
A’B’ = f.tanα = f.α = 100.99.10^-4 = 0,99cm  lcm.

9. Vật sáng AB được đặt song song với màn và cách màn một khoảng cố định a.Một thất kính hội tụ có trục chính qua điểm A và vuông góc với màn được di chuyển giữa vật và màn.
a) Người ta nhận thấy có một vị trí của thấu kính tạo ảnh rõ nét của vật trên màn, ảnh lớn hơn vật. Hãy chứng tỏ rằng, còn một vị trí thứ hai của thấu kính ở trong khoảng cách giữa vật và màn tạo được ảnh rõ nét của vật trên màn.
b) Đặt l là khoảng cách giữa hai vị trí trên của thấu kính. Hãy lập biểu thức của tiêu cự thấu kính f theo a và l. Suy ra một phương pháp đo tiêu cự của thấu kính hội tụ.
Giải:

a) Khi đặt thấu kính trong khoảng giữa vật và màn, người ta thấy có một vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn, ảnh lớn hơn vật.
+ ' =
d₁+' = a ( > d₁)
Theo tính chất thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng, nếu là vật thì AB là ảnh, nên:
d₂ =  
= d₁
Vậy vị trí thứ hai của thấu kính cách vật một đoạn d1'  
b) Từ lập luận trên ta có:
+d₁ = a           (1)
d₁- d₁=
=> - d₁ =        (2)
Từ (1) và (2) ta suy ra: = ; d₁=
Tiêu cự thấu kính:
f = '  =  =
=> f =
Vậy muốn tìm tiêu cự của thấu kính ta dùng thí nghiệm để tìm được hai vị trí của thấu kính cho anh rõ trên màn. Đo khoảng cách từ vật đến màn (a), đo khảng cách giữa hai vị trí của thấu kính (l ) và dùng hệ thức trên để tìm tiêu cự f.

10. Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f=20cm. Vật sáng AB được đặt trước thấu kính và có ảnh A'B'.
Tìm vị trí của vật, cho biết khoảng cách vật - ảnh là:
a) 125cm
b) 45cm.
Giải:
a) Trường hợp 1: d + d’ = 125cm.
=>d’ = 125 - d        (1)
Mà: d’=  =  (2)
Từ (1), (2) suy ra:
125 - d =  
=> d² – 125d + 2500 = 0
=> d = 25 cm và d = 100 cm.
Trường hợp 2: d + d’ = -125cm.
=>d’ = -125 - d =
=> -d² – 125d + 2500 = 0
=> d = 17,54 cm.
b. Vì khoảng cách giữa vật và ảnh L = 45 cm < 4f nên ảnh thu được là ảnh ảo: d + d’= -45
=> d’= -45 – d =  
=> d² – 45d + 900 = 0
=> d = 15 cm.

11.  Một thấu kính phân kì có độ tụ -5dp.
a) Tính tiêu cự của thấu kính.
b) Nếu vật đặt cách kính 30cm thì ảnh hiện ra ở đâu và có số phóng đại bao nhiêu?
Giải:


12. Trong hình 29.8, xy là trục chính của thấu kính (L), A là vật điểm thật, A' là ảnh của A tạo bởi thấu kính, O là quang tâm của thấu kính.

Với mỗi trường hợp hãy xác định
a. A' là ảnh thật hay ảnh ảo
b. Loại thấu kính
c. Các tiêu điểm chính (bằng phép vẽ)
Giải: