Bài 29: Thấu Kính Mỏng

I.Thấu kính. Phân loại thấu kính

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

Thấu kính gồm hai loại:

+) Thấu kính hội tụ (thấu kính lồi) là thấu kính có rìa mỏng.

+) Thấu kính phân kì (thấu kính lõm) là thấu kính có rìa dày.

Trong không khí:

+) Thấu kính hội tụ tạo ra chùm tia ló hội tụ trong khi chùm tia tới là chùm song song.

+) Thấu kính phân kì tạo ra chùm tia ló phân kì trong khi chùm tia tới là chùm song song.

II. Khảo sát thấu kính hội tụ, thấu kính phân kì

Nhìn chung thì thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì có nhiều đặc điểm giống nhau.
Điểm khác nhau cơ bản là thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo còn thấu kính hội tụ thì có thể ảnh ảo, có thể ảnh thật tùy vào từng trường hợp.

1. Quang tâm

Gọi O là điểm chính giữa của thấu kính, mọi tia tới đi qua điểm O đều truyền thẳng qua thấu kính. Ta nói O là quang tâm của thấu kính.
Đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính là trục chính của thấu kính.
Các đường thẳng khác đi qua quang tâm O gọi là trục phụ.

2. Tiêu điểm

a) Tiêu điểm chính

Tiêu điểm ảnh chính F’: Chiếu một chùm tia tới song song với trục chính gặp thấu kính cho chùm tia ló ra đồng quy tại điểm F’ trên trục chính khi đó F’ là tiêu điểm ảnh chính của thấu kính.

Tiêu điểm vật chính F là điểm đối xứng của F’ qua quang tâm O.
Một chùm tia đồng quy tại F cho chùm tia ló ra song song với trục chính.
Các tiêu điểm của thấu kính phân kì là tiêu điểm ảo. Tiêu điểm vật F ở phía sau thấu kính và tiêu điểm ảnh F’ ở phía trước thấu kính.
Tia sáng qua thấu kính hội tụ cho tia ló lệch về gần trục chính so với tia tới.
Tia sáng qua thấu kính phân kì cho tia ló lệch ra xa trục chính so với tia tới.

b) Tiêu điểm phụ

Chùm tia tới song song với trục phụ gặp thấu kính cho chùm tia ló đồng quy tại $F'_{1}$ là tiêu điểm ảnh phụ. Đối xứng với $F'_{1}$ qua quang tâm O ta có tiêu điểm vật phụ $F_{1}$ .

3. Tiêu diện

Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm chính chứa các tiêu điểm của thấu kính gọi là tiêu diện.

Mỗi thấu kính có hai tiêu diện:

+) Tiêu diện ảnh chứa các tiêu điểm ảnh

+) Tiêu diện vật chứa các tiêu diện vật

4. Tiêu cự. Độ tụ

Tiêu cự là khoảng cách đại số từ quang tâm O đến các tiêu điểm chính.

$f=\overline{OF'}$

Độ tụ của một thấu kính là đại lượng đo bằng nghịch đảo tiêu cự của nó.

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

Đơn vị: $f$ tính bằng mét (m); D tính bằng điôp (dp)

III. Sự tạo ảnh bởi thấu kính

Theo kiến thức lớp 7 và lớp 9 ta đã được biết:

+) Ảnh ảo là ảnh chỉ có thể quan sát bằng mắt đặt ở vị trí thu nhận được chùm tia phản xạ hoặc khúc xạ.

+) Ảnh thật là ảnh có thể hứng được trên màn ảnh.

Ảnh điểm là điểm đồng quy của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng. Một ảnh điểm là thật nếu chùm tia ló là chùm hội tụ, là ảo nếu chùm tia ló là chùm phân kì.

Vật điểm là điểm đồng quy của chùm tia tới hay đường kéo dài của chúng. Một vật điểm là thật nếu chùm tia tới là chùm phân kì, là ảo nếu chùm tia tới là chùm hội tụ.
Ta thường vẽ các tia tới sau:

+) Tia tới đi qua quang tâm O của thấu kính.

+) Tia tới song song với trục chính của thấu kính.

+) Ta tới đi qua tiêu điểm vật chính F hay có đường kéo dài qua F’.

Để ảnh rõ (đồng dạng với vật) thì vật phải có dạng phẳng, nhỏ, đặt vuông góc với trục chính, biểu diễn tượng trưng bởi mũi tên AB liền nét (vật thật).
Ảnh của vật tạo bởi thấu kính có những đặc điểm xác định về tính chất, chiều và độ lớn.

IV. Các công thức về thấu kính

Người ta đặt các giá trị đại số cho khoảng cách như sau:

$\bar{OA}=d\Rightarrow$ vật thật d > 0, vật ảo d < 0

$\bar{OA'}=d'\Rightarrow$ ảnh thật d’ > 0, ảnh ảo d'< 0

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

$\frac{\bar{A'B'}}{\bar{AB}}=k$

k được gọi là số phóng đại ảnh: k > 0 vật và ảnh cùng chiều, khác tính chất

k < 0 vật và ảnh ngược chiều, cùng tính chất

Công thức xác định vị trí ảnh

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

Công thức xác định số phóng đại ảnh

$k=-\frac{d'}{d}$

V. Công dụng của thấu kính

Thấu kính được dùng làm:

Kính lúp

Máy ảnh, máy ghi hình

Máy hiển vi

Kính thiên văn, ống nhòm

Đèn chiếu
Máy quang phổ

VI. Bài tập

Bài tập 1: Một thấu kính có độ tụ -5 điôp

a) Thấu kính loại gì? Tính tiêu cự của thấu kính

b) Nếu vật đặt cách kính 30cm thì ảnh hiện ra ở đâu và số phóng đại bao nhiêu?

Lời giải: Tại đây

Bài tập 2: Một vật sáng AB cao 6 cm đặt vuông góc trục chính của một thấu kính phân kì cho một ảnh A’B’ cao 3cm và cách vật AB 8 cm. Tính tiêu cự cự của thấu kính.

Lời giải: Tại đây

Bài tập 3: Đặt một vật AB song song với một màn ảnh và cách màn một khoảng a. Đặt một thấu kính hội tụ có tiêu cự f xen giữa vật và màn sao cho trục chính qua A và vuông góc với màn. Tìm điều kiện của a theo f sao cho ảnh của AB qua thấu kính có thể hứng được rõ nét trên màn. Biện luận các trường hợp ảnh rõ nét.

Lời giải: Tại đây

Bài tập 4: Đặt một vật AB song song với một màn ảnh và cách mà 90 cm. Đặt một thấu kính hội tụ xen giữa vật và màn sao cho trục chính qua A và vuông góc với màn. Di chuyển thấu kính dọc theo trục chính ta thấy có hai vị trí của thấu kính cho ảnh AB rõ nét trên màn và ảnh sau bé hơn ảnh trước 4 lần. Tính độ tụ của thấu kính.

Lời giải: Tại đây

Bài tập 5: Một thấu kính thủy tinh có chiết suất n=1,5. Khi đặt trong không khí, nó có độ tụ 5dp. Dìm thấu kính vào chất lỏng có chiết suất $n_{1}$ thì thấu kính có tiêu cự $f_{1}=-1m$ . Tính chiết suất $n_{1}$ của chất lỏng.