Thấu kính và sự tạo ảnh
Dựng ảnh bằng hai tia chính, phân biệt ảnh thật–ảo bằng màn chắn, dự đoán ảnh theo d so với f và 2f, đồng thời xử lí đúng thí nghiệm Silbermann đo tiêu cự.
Vật lí 9 · Chuyên đề quang học
Thấu kính và sự tạo ảnh
Hai tia sáng đặc biệt đủ để dựng cả một ảnh. Học cách nhận loại thấu kính, phân biệt ảnh thật–ảnh ảo, dự đoán ảnh trước khi vẽ và kiểm tra bằng màn chắn.
KHTN 9 Dựng tia chính Mức độ 3/5 35–45 phút Thực hành tiêu cự
Sáu điểm neo trước khi dựng ảnh
1 Phân loại Trong không khí, rìa mỏng hội tụ; rìa dày phân kì.
2 Quang tâm O Tia đi qua O truyền thẳng theo mô hình thấu kính mỏng.
3 Tia song song Qua hội tụ đi qua F ảnh; qua phân kì có đường kéo dài qua F vật.
4 Ảnh thật Tia ló thật gặp nhau; hứng được trên màn.
5 Ảnh ảo Chỉ đường kéo dài gặp nhau; không hứng được trên màn.
6 Vị trí vật So sánh d với f và 2f trước khi kết luận đặc điểm ảnh.
Học theo quy trình: dự đoán → dựng → kiểm chứng
1. Ngôn ngữ của thấu kính: O, trục chính, F và f
Thấu kính là khối trong suốt giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt cong và một mặt phẳng. Trong không khí, thấu kính rìa mỏng làm chùm tia song song hội tụ; thấu kính rìa dày làm chùm tia song song phân kì.
- Quang tâm O: điểm mà tia tới đi qua sẽ tiếp tục truyền thẳng trong mô hình thấu kính mỏng.
- Trục chính: đường thẳng qua O và vuông góc với thấu kính.
- Tiêu điểm chính F: điểm trên trục chính liên hệ với chùm tia song song.
- Tiêu cự f: khoảng cách OF, luôn ghi bằng đơn vị độ dài.
Hình trên dùng đúng hai tia xuất phát từ đỉnh B: tia qua O đi thẳng; tia song song trục chính sau thấu kính đi qua tiêu điểm F′. Giao điểm thật của hai tia ló là B′; hạ vuông góc xuống trục chính được A′.
Quy ước nét: tia sáng thật vẽ nét liền có chiều truyền; đường kéo dài để tìm ảnh ảo nên vẽ nét đứt. Không biến đường kéo dài thành tia sáng thật.
2. Bảng dự đoán ảnh: đọc trước, vẽ sau
Loại thấu kính · Vị trí vật · Loại ảnh · Chiều · Kích thước và vị trí
Hội tụ · d > 2f · Thật · Ngược · Nhỏ hơn, nằm giữa F′ và 2F′
Hội tụ · d = 2f · Thật · Ngược · Bằng vật, tại 2F′
Hội tụ · f < d < 2f · Thật · Ngược · Lớn hơn, ngoài 2F′
Hội tụ · d = f · Không có ảnh hữu hạn · — · Tia ló song song
Hội tụ · d < f · Ảo · Cùng · Lớn hơn, cùng phía với vật
Phân kì · Mọi d > 0 · Ảo · Cùng · Nhỏ hơn, giữa O và F cùng phía vật
Bảng là kết quả của dựng tia chứ không phải danh sách thần chú. Với thấu kính hội tụ, khi vật tiến từ rất xa về phía F, ảnh thật dịch ra xa thấu kính và lớn dần. Khi vật vào trong tiêu cự, hai tia ló không gặp nhau phía sau; đường kéo dài gặp nhau phía vật, tạo ảnh ảo.
Thử bằng màn chắn: ảnh thật có thể hứng rõ trên màn ở vị trí thích hợp; ảnh ảo không thể hứng trên màn vì không có năng lượng ánh sáng thật hội tụ tại điểm ảnh.
KIỂM TRA NHANH
Thấu kính hội tụ có f = 10 cm, vật đặt cách O 25 cm. Chưa cần tính khoảng cách ảnh, hãy nêu đặc điểm ảnh.
Giải: 2f = 20 cm và d = 25 cm > 2f. Ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật và nằm giữa F′ với 2F′.
3. Bài trọng tâm: dựng ảnh chính xác và giải thích từng tia
BÀI TOÁN TRỌNG TÂM
Vật AB vuông góc trục chính của thấu kính hội tụ, A trên trục chính, d = 2f. Dựng ảnh và xác định loại, chiều, kích thước, vị trí.
- Vẽ trục chính, thấu kính, O; đánh dấu F, F′ và 2F, 2F′ theo cùng tỉ lệ trên trục.
- Đặt A tại 2F phía vật, dựng AB vuông góc trục chính.
- Từ B vẽ tia song song trục chính; sau thấu kính, tia ló đi qua F′.
- Từ B vẽ tia qua O; tia này tiếp tục theo đường thẳng.
- Hai tia ló cắt nhau tại B′. Hạ B′A′ vuông góc trục chính.
Hai tia thật gặp nhau ở phía kia thấu kính, nên ảnh là ảnh thật. B′ ở dưới trục trong khi B ở trên, nên ảnh ngược chiều. Từ các tam giác đồng dạng ở cấu hình đối xứng d = 2f suy ra d′ = 2f và |A′B′| = |AB|.
Kết luận: vật tại 2F qua thấu kính hội tụ cho ảnh thật, ngược chiều, bằng vật và nằm tại 2F′.
Đối chiếu với thấu kính phân kì
Nếu thay bằng thấu kính phân kì, tia song song ló ra theo hướng mà đường kéo dài đi qua F cùng phía vật; tia qua O đi thẳng. Hai tia ló phân kì, chỉ các đường kéo dài cắt nhau. Ảnh luôn ảo, cùng chiều, nhỏ hơn và nằm giữa O với F.
Lỗi vẽ làm đổi đáp án: đặt F và 2F không cách đều đúng tỉ lệ; bẻ cong tia qua O; hoặc cho tia song song qua nhầm tiêu điểm phía vật đối với thấu kính hội tụ.
4. Thực hành Silbermann: đo tiêu cự ở cấu hình đối xứng
Ở cấu hình vật và ảnh thật có cùng kích thước, vật và ảnh nằm cách thấu kính bằng nhau: d = d′ = 2f. Khi đó:
f = d/2 = d′/2 = (d + d′)/4.
DỮ LIỆU THỰC HÀNH
Ba lần căn ảnh rõ, cùng kích thước với vật, thu được (d; d′) lần lượt là (39,8; 40,2), (40,0; 40,0), (40,2; 39,8) cm. Tính tiêu cự trung bình.
Trung bình d̄ = (39,8 + 40,0 + 40,2)/3 = 40,0 cm. Tương tự d̄′ = 40,0 cm. Vì vậy:
f̄ = (d̄ + d̄′)/4 = (40,0 + 40,0)/4 = 20,0 cm.
Đơn vị cuối là cm, không phải cm^{2}. Kết quả phù hợp vì d̄ = d̄′ = 2f̄ = 40,0 cm. Ba cặp số được chọn đối xứng nên trung bình không lệch; trong thí nghiệm thật vẫn cần ghi độ chia nhỏ nhất và nguyên nhân sai số.
Mẫu báo cáo ngắn
- Mục đích: xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng cấu hình ảnh thật bằng vật.
- Dụng cụ: vật sáng, thấu kính hội tụ, màn, giá quang học, thước.
- Phương pháp: dịch vật và màn đến khi ảnh rõ, ngược chiều, bằng vật; đo d và d′.
- Kết quả: lập bảng ba lần, tính trung bình, dùng f̄ = (d̄ + d̄′)/4.
- Sai số: ảnh chưa nét hoàn toàn, đọc thước lệch góc, xác định quang tâm chưa chính xác.
Điều kiện bắt buộc: công thức (d + d′)/4 ở đây gắn với cấu hình đối xứng d = d′ = 2f. Không lấy hai khoảng cách tùy ý rồi chia 4.
5. Bài luyện phân loại, sửa hình và bảng tự kiểm 60 giây
BÀI 1
Một ảnh hứng rõ trên màn. Ảnh đó thật hay ảo? Có thể do thấu kính phân kì đơn tạo ra từ vật thật không?
Giải: ảnh hứng được trên màn là ảnh thật. Với vật thật trong phạm vi bài học, thấu kính phân kì cho ảnh ảo, nên không tạo ảnh thật đó.
BÀI 2
Thấu kính hội tụ có f = 12 cm. Vật đặt ở d = 8 cm. Nêu đặc điểm ảnh.
Giải: d < f nên ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật, nằm cùng phía vật. Không đặt màn ở phía sau để tìm ảnh rõ.
BÀI 3
Vật đặt tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ. Vì sao không có ảnh rõ ở một màn hữu hạn?
Giải: các tia ló tương ứng trở thành song song, không hội tụ tại một điểm hữu hạn. Dịch màn xa đến đâu cũng không thu được một điểm ảnh hội tụ theo mô hình lí tưởng.
BÀI 4
Một bạn dựng tia tới qua O nhưng cho tia ló lệch về F′. Hãy sửa.
Giải: tia qua quang tâm O phải tiếp tục thẳng. Chỉ tia tới song song trục chính mới cho tia ló qua F′ ở thấu kính hội tụ.
Dấu hiệu trên hình · Kết luận · Điểm cần kiểm
Tia ló thật cắt nhau · Ảnh thật · Giao điểm phía tia ló
Đường kéo dài cắt nhau · Ảnh ảo · Nét đứt, cùng phía vật
Ảnh ở dưới trục · Ngược chiều · Vật ban đầu ở trên trục
Ảnh tại 2F′ khi vật tại 2F · Bằng vật · Khoảng cách phải đúng tỉ lệ
Checklist
□ Đã ghi đúng loại thấu kính
□ F và F′ đặt đối xứng qua O
□ Tia qua O không đổi hướng
□ Tia song song dùng đúng tiêu điểm
□ Phân biệt tia thật và đường kéo dài
□ Kết luận đủ loại–chiều–cỡ–vị trí
Một câu chốt: trước khi đặt bút vẽ, hãy dự đoán ô tương ứng trong bảng vị trí vật. Sau khi vẽ, đặc điểm ảnh phải khớp dự đoán; nếu không, kiểm tra lại tia đặc biệt.
Năng lực đích: dựng ảnh bằng hai tia chính, giải thích được bản chất ảnh thật–ảo và xử lí đúng dữ liệu đo tiêu cự trong cấu hình đối xứng.