Nội dung bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý Lớp 9 THCS - Năm học 2016-2017

42 trang thaodu 5911

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Nội dung bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý Lớp 9 THCS - Năm học 2016-2017", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

noi_dung_boi_duong_hoc_sinh_gioi_mon_vat_ly_lop_9_thcs_nam_h.docx

Nội dung text: Nội dung bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý Lớp 9 THCS - Năm học 2016-2017

NỘI DUNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI LỚP 9 THCS NĂM HỌC: 2016-2017 MÔN VẬT LÝ 9 Chuyên đề 2: QUANG HỌC (TẬP 2-CD) – LEVEL 2 A. Các định luật quang hình: Truyền thẳng ảnh sáng, Phản xạ ánh sáng, Khúc xạ ánh sáng B. Gương: Gương phẳng, Gương cầu lồi, Gương cầu lõm C. Thấu kính: TKHT, TKPK D. Quang hệ: Quang hệ Gương(G) và thấu kính (L) - Quang hệ 2 thấu kính (L) - (L') BÀI TẬP VỀ KHÚC XẠ ÁNH SÁNG 1.Khi chiếu một tia sáng từ không khí vào một bản thủy tinh dưới một góc i = 45 0 . ta thấy tỉ số giữa sin góc tới với sin của góc khúc xạ bằng 2 . Tính: a/ Góc khúc xạ r và vẽ hình. b/ Góc hợp bởi phương của tia tới với phương của góc khúc xạ. a/ Theo đề ta có: S N sin i sin i sin 450 1 2 sin r i sin r 2 2 2 => r = 300 I Gọi là góc hợp bởi phương của tia tới r Với phương của tia khúc xạ. Từ hình 1 ta có: = I – r = 45 – 30 = 150 H.1 2.Một ly đựng đầy nước hình trụ cao 20cm có đường kính 20cm như hình 2 . Một người đặt M mắt gần miệng ly nhìn theo phương AM thì vừa vặn thấy tâm O của đáy ly . a/ Vẽ đường đi của tia sáng phát ra từ O và truyền tới mắt người quan sát . b/ Tính góc hợp bởi phương của tia tới với phương của tia phản xạ A O a/ Vẽ đường đi tia sáng: H.2 Nối OI => tia tới M Nối IM => tia khúc xạ  =>Đường đi của tia sáng đó là OIM b/ Từ hình 3, góc  hợp bởi phương của tia tới I với tia khúc xạ là:  = - I Trong đó : i AB 20 0 tg = 1 45 A O BI 20 OB 10 1 tg i = i 260 BI 20 2 H.3  = - i = 45- 26 = 190 CHUYÊN ĐỀ VỀ THẤU KÍNH, HỆ THẤU KÍNH I) LÝ THUYẾT: II) CÁC DẠNG BÀI TẬP DẠNG 1: TOÁN VẼ DẠNG 2:CÁC LOẠI BÀI TẬP THƯỜNG GẶP VỀ THẤUKÍNH A) PHƯƠNG PHÁP CHUNG
B) CÁC LOẠI BÀI TẬP THƯỜNG GẶP VỀ THẤUKÍNH I- CÁC VÍ DỤ VỀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ẢNH VÀ VẬT 1) Các ví dụ minh hoạ 2) Các bài tập vận dụng II-CÁC VÍ DỤ VỀ DI CHUYỂN VẬT, THẤU KÍNH HOẶC MÀN 1)Các ví dụ minh hoạ 2) Các bài tập vận dụng III-CÁC VÍ DỤ VỀ ẢNH CỦA HAI VẬT ĐỐI MỘT THẤU KÍNH HOẶC ẢNH CỦA MỘT VẬT ĐẶT GIỮA HAI THẤU KÍNH 1) Các ví dụ minh hoạ 2) Các bài tập vận dụng IV- CÁC VÍ DỤ VỀ THẤU KÍNH VỚI MÀN CHẮN SÁNG 1) Các ví dụ minh hoạ 2) Các bài tập vận dụng V- BÀI TẬP TỔNG HỢP XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KÍNH
I, LÝ THUYẾT: 1. CÁC ĐỊNH NGHĨA: a) Thấu kính: Là một môi trường trong suốt đồng chất được giới hạn bởi hai mặt cầu, hoặc một mặt cầu và một mặt phẳng. b) Phân loại thấu kính: Có hai loại thấu kính: b.1: Thấu kính có phần rìa mỏng hơn phần O giữa là thấu kính hội tụ. Khi chiếu chùm ánh sáng song song qua thấu kính này thì cho chùm tia ló hội tụ tại một điểm. b.2: Thấu kính có phần rìa dày hơn phần giữa là thấu kính phân kì. Khi chiếu chùm ánh sáng song song qua thấu kính này thì cho chùm tia ló loe rộng ra. c) Trục chính: Đường thẳng đi qua tâm của hai mặt cầu giới hạn thấu kính hoặc một mặt cầu và vuông góc với mặt phẳng giới hạn thấu kính gọi là trục chính của thấu kính. d) Quang tâm: Để thu được ảnh rõ nét qua thấu kính thì thấu kính phải rất mỏng, coi như trục chính chỉ cắt thấu kính tại một điểm O gọi là quang tâm của thấu kính. e) Trục phụ: Tất cả các đường thẳng đi qua quang tâm O mà không phải trục chính thì đều được gọi là trục phụ của thấu kính. f) Tiêu điểm chính: Một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló cắt nhau hoặc có đường kéo dài cắt nhau tại điểm F nằm trên trục chính điểm đó gọi là tiêu điểm chính của thấu kính. Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm chính F và F’ nằm trên trục chính và đối xứng nhau qua thấu kính. g) Tiêu điểm phụ: Tất cả các tiêu điểm chính và tiêu điểm phụ tạo thành một mặt phẳng tiêu diện vuông góc với trục chính tại tiêu điểm chính. * Chú ý: + Khi tiêu điểm ở trên tia tới hay phần kéo dài của tia tới thì gọi là tiêu điểm vật. + Khi tiêu điểm ở trên tia ló hay phần kéo dài của tia ló thì gọi là tiêu điểm ảnh. h) Với thấu kính hội tụ thì tiêu điểm nằm bên tia tới là tiêu điểm vật còn tiêu điểm nằm bên tia ló là tiêu điểm ảnh. Ngược lại với thấu kính phân kì thì tiêu điểm ảnh nằm bên tia tới. Mặt phẳng Mặt phẳng tiêu diện tiêu diện F O F/ O / F A F i) Điểm vật và điêm ảnh: * Điểm vật: là giao của các tia sáng tới. Có hai loại : + Điểm vật tạo ra chùm sáng phân kì tới thấu kính là điểm vật thật (là giao của các tia sáng tới có thật) + Điểm vật tạo ra chùm sáng hội tụ tới thấu kính là điểm vật ảo (là giao của các tia sáng tới do kéo dài gặp nhau) S S Vật ảo Vật thật F’ F O F O F’ * Điểm ảnh là giao của các tia ló Có hai loại : + Điểm ảnh của chùm tia ló hội tụ là điểm ảnh thật (là giao của các tia ló có thật)
+ Điểm ảnh của chùm tia ló phân kì là điểm ảnh ảo (là giao của các tia ló do kéo dài gặp nhau). S O S F F’ F O Ảnh thật F’ Ảnh ảo 2. ĐƯỜNG ĐI CỦA CÁC TIA SÁNG: a) Tất cả các tia sáng song song với trục nào thì tia ló đi qua hoặc có đường kéo dài đi qua tiêu điểm nằm trên trục đó. Tia sáng song song với trục chính I S A I S A F O F/ O F/ / A F A / Tia sáng song song với trục phụ I I S F1’ S A F O F F’ / O F/ F1 A Đường truyền của tia sáng có tính chất thụân nghịch b) Tia sáng đi qua hoặc có đường kéo dài đi qua tiêu điểm chính, phụ thì tia ló song song với trục chính, phụ tương ứng. Với tiêu điểm chính I S I S F O F/ O F/ / A F A / Với tiêu điểm phụ I I S S F1’ F / F O F’ O F/ F1 A Tia sáng song song với trục phụ
c) Tia sáng tới qua quang tâm cho tia ló truyền thẳng. S S F’ F O F O F’ d) Ba tia sáng đặc biệt qua thấu kính: - Tia sáng song song với trục chính cho tia ló đi qua hoặc có đường kéo dài đi qua tiêu điểm chính. - Tia sáng đi qua hoặc có đường kéo dài đi qua tiêu điểm chính thì tia ló song song với trục chính. - Tia sáng đi qua quang tâm cho tia ló truyền thẳng. e) Đường truyền của tia tới bất kì qua thấu kính. Một tia tới bất kì có thể coi như: + Song song với trục phụ, tia ló đi qua hay có phần kéo dài đi qua tiêu điểm phụ trên trục phụ đó. + Đi qua hoặc hướng tới tiêu điểm phụ, tia ló sẽ song song với trục phụ tương ứng. * Từ tính chất trên ta có thể suy ra nếu biết tia tới ta có thể vẽ được tia ló và ngược lại. 3. CÁCH VẼ ẢNH CHO BỞI THẤU KÍNH: a). Cách vẽ ảnh của một điểm vật S đứng trước thấu kính a.1: Vẽ ảnh của một điểm vật S không thuộc trục chính Ta sử dụng hai trong ba tia sáng đặc biệt xuất phát từ S hay có phần kéo dài qua S tới thấu kính và vẽ hai tia ló tương ứng, thì giao của hai tia ló có thật thì ta có ảnh thật S ’ hoặc giao của hai tia ló do kéo dài gặp nhau ta có ảnh ảo S’ của S S S I S’ I F’ F O F O F’ S: Vật thật S’ S: Vật thật S’: Ảnh thật S’: Ảnh ảo S I S’ S I S’ F’ F O F O F’ S: Vật ảo S: Vật ảo S’: Ảnh thật S’: Ảnh thật a.2: Vẽ ảnh của một điểm vật S nằm trên trục chính: Ta sử dụng tia tới thứ nhất là tia sáng SO trùng với trục chính tia này truyền thẳng
Tia thứ hai là tia SI bất kỳ tới thấu kính và vẽ tia ló tương ứng thì giao của tia ló này với trục chính có thật hoặc kéo dài gặp nhau là ảnh S’ của S. I I F1’ S S’ S F S’ F O F’ / O F/ F S: Vật thật 1 A S: Vật thật S’: Ảnh thật S’: Ảnh ảo b). Vẽ ảnh của một vật AB b.1: Vẽ ảnh của một vật sáng AB vuông góc với trục chính tại A. Nhận xét: A ở trên trục chính nên ảnh của A là A’ ở trên trục chính. Do AB là đoạn thẳng vuông góc với trục chính thì A’B’ cũng là một đoạn thẳng vuông góc với trục chính tại A’. Do đó muốn vẽ ảnh của AB ta sử dụng hai trong ba tia sáng đặc biệt để vẽ ảnh B ’ của B qua thấu kính, rồi từ B ’ ta hạ đường thẳng vuông góc với trục chính cắt trục chính tại A’ là ảnh của A. Và A’B’ là ảnh của AB. Đường nối A’B’ là nét liền nếu A’B’ là ảnh thật; là nét đứt nếu A’B’ là ảnh ảo. b.2: Kết quả B I B I B’ F’ A’ A A F O F O A’ B’ : Vật thật - Ảnh thật : Vật thật - Ảnh ảo B’ B’ B I B I x y AA A’ A A’ F O F’ F O F’ A : Vật thật - Ảnh ảo : Vật ảo - Ảnh thật B I B B’ F F’ A’ A A’ O A F O F ’ B’ : Vật ảo - Ảnh thật : Vật ảo - Ảnh ảo
b.3: Nhận xét. b.3.1: Với thấu kính hội tụ ta có 4 trường hợp. a) Vật thật ở ngoài OF cho ảnh thật ngược chiều với vật. b) Vật thật ở trong OF cho ảnh ảo cùng chiều và lớn hơn vật. c) Vật ảo luôn cho ảnh thật cùng chiều và nhỏ hơn vật. d) Vật ở vô cực cho ảnh thật tại mặt phẳng tiêu diện. Độ lớn A’B’ = f.α (α là góc nhìn vật ở ∞) Như vậy thấu kính hội tụ chỉ cho ảnh ảo cùng chiều và lớn hơn vật khi và chỉ khi vật thật nằm trong khoảng OF . b.3.2: Với thấu kính phân kì ta có 3 trường hợp. a) Vật thật luôn cho ảnh ảo cùng chiều, nhỏ hơn vật và nằm trong khoảng OF. b) Vật ảo ở ngoài OF cho ảnh ảo ngược chiều với vật. c) Vật ảo ở trong OF cho ảnh thật lớn hơn và cùng chiều với vật. Như vậy thấu kính phân kì chỉ cho anh thật cùng chiều và lớn hơn vật khi và chỉ khi vật ảo nằm trong khoảng OF . b.4: Vẽ ảnh của một vật AB bất kì trước thấu kính. Ta sử dụng hai trong ba tia sáng đặc biệt để vẽ ảnh B ’ của B và A’ của A qua thấu kính, thì A’B’ là ảnh của AB. Đường nối A’B’ là nét liền nếu A’; B’ là ảnh thật; là nét đứt nếu A’; B’ là ảnh ảo. B I B A’ B’ I F’ F F O O F’ A’ A B’ : Vật thật - Ảnh thật A : Vật thật - Ảnh ảo Tính chất ảnh(chỉ xét cho vật thật) 1. Ảnh thật 2. Ảnh ảo 3. -Chùm tia ló hội tụ 7. -Chùm tia ló phân kì 4. -Ảnh hứng được trên màn 8. -Ảnh không hứng được trên màn,muốn nhìn phải 5. -Ảnh có kích thước thì ngược chiều với vật, khác nhìn qua thấu kính. bên thấu kính 9. -Ảnh có kích thước thì cùng chiều vật, cùng bên 6. -Ảnh của điểm sáng thì khác bên thấu kính, khác thấu kính với vật. bên trục chính với vật. 10. Ảnh của điểm sáng thì cùng bên thấu kính, và cùng bên trục chính với vật. Bảng tổng kết tính chất vật và ảnh qua thấu kính (CO=C’O=2OF) 1.Với thấu kính hội tụ 1. STT 2. Vị trí vật 3. Vị trí ảnh 4. Tính chất ảnh 5. 1 6. Vật thật ở C 7. Ảnh thật ở C’ 8. Ảnh bằng vật, ngược chiều vật 9. 2 10. Vật thật từ ∞ đến C 11. Ảnh thật ở F’C’ 12. Ảnh nhỏ hơn, ngược chiều vật 13. 3 14. Vật thật từ C đến F 15. Ảnh thật từ C’ đến ∞ 16. Ảnh lớn hơn, ngược chiều vật 17. 4 18. Vật thật ở F 19. Ảnh thật ở ∞ 20. 21. 5 22. Vật thật từ F đến O 23. Ảnh ảo trước thấu kính 24. Ảnh lớn hơn, cùng chiều vật 2.Với thấu kính phân kì 1. STT 2. Vị trí vật 3. Vị trí ảnh 4. Tính chất ảnh 5. 1 6. Vật thật từ ∞ đến O 7. Ảnh ảo ở F’O’ 8. Ảnh nhỏ hơn, cùng chiều vật
II CÁC DẠNG BÀI TẬP DẠNG 1: TOÁN VẼ 1) Dấu hiệu nhận biết loại bài toán này: Là thông thường bài toán chưa cho biết vị trí thấu kính, tiêu tiêu điểm chính, ma chỉ cho trục chính, vật, ảnh hoặc các yếu tố khác yêu cầu bằng phép vẽ hãy xác định vị trí quang tâm O, thấu kính, tiêu điểm chính 2)Phương pháp giải - Phải nắm vững đường đi của các tia sáng qua thấu kính hội tụ, phân kì, tính chất của vật và ảnh rồi dùng phép vẽ (dựng hình) để xác định quang tâm O, tiêu điểm F, F’; loại thấu kính * Phải lưu ý. - Mọi tia sáng tới đều có phương đi qua vật, mọi tia ló đều có phương đi qua ảnh, tia đi qua quang tâm truyền thẳng. - Quang tâm vừa nằm trên trục chính, vừa nằm trên đường thẳng nối vật và ảnh vậy nó là giao của đường thẳng nối vật, ảnh với trục chính - Thấu kính vuông góc với trục chính tại quang tâm O. - Tiêu điểm chính F là giao của đường thẳng nối giữa điểm tới của tia sáng song song với trục chính với ảnh và trục chính; tiêu điểm chính thứ hai ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính. - Nếu trong bài toán vẽ mà đã chỉ rõ vật là vật sáng hoặc là vật thật thì ta tiến hành vẽ bình thường, nhưng trong trường hợp bài toán chỉ cho biết đó là vật chung chung thì ta phải xét hai trường hợp của bài toán là vật thật và vật ảo. - Ảnh và vật mà cùng nằm về một phía so với trục chính thì ảnh và vật khác tính chất (vật thật, ảnh ảo hoặc vật ảo, ảnh thật). Nếu ảnh nhỏ hơn vật hoặc gần trục chính hơn so với vật thì đó là ảnh ảo của thấu kính phân kì Nếu ảnh lớn hơn vật hoặc xa trục chính hơn so với vật thì đó là ảnh ảo của thấu kính hội tụ. Ảnh và vật mà nằm khác phía so với trục chính thì ảnh là ảnh thật của thấu kính hội tụ hoặc vật ảo ngoài khoảng OF - ảnh ảo của thấu kính phân kì - Hướng truyền của tia ló gần trục chính hơn hướng truyền của tia tới thì là đường truyền của tia sáng qua thấu kính hội tụ. - Hướng truyền của tia ló xa trục chính hơn hướng truyền của tia tới thì là đường truyền của tia sáng qua thấu kính phân kì. 3)Các ví dụ minh hoạ 3.1: Ví dụ 1:(Bài 3.21 Sách 500 bài tập vật lí THCS) Trong các hình vẽ sau xy là trục chínhcủa thấu kính, S là điểm sáng, S’ là ảnh. Với mỗi trường hợp hãy xác định: S * S * S * S’ * x y y S’ * x x y S’ * Hình a Hình b Hình c a. Quang tâm, tiêu điểm bằng phép vẽ b. Loại thấu kính, tính chất của ảnh S’
Hướng dẫn giải: L I L L S’ * S’ * I I * S x S * F y x F y x S’ * y F O F O F O F S * Hình a Hình b Hình c Giả sử quang tâm O, tiêu điểm F và F’, thấu kính L được xác định như hình vẽ. *Cơ sở lí luận: Vì mọi tia sáng tới đều đi qua vật, tia ló có phương đi qua ảnh, tia tới qua quang tâm truyền thẳng. Vậy S, O, S’ thẳng hàng và O nằm trên trục chính nên O là giao điểm của SS’ với xy. Do tia tới song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm chính mà tia ló lại có phương đi qua ảnh nên S’, I, F thẳng hàng. Vậy F là giao điểm của IS’ với xy Do F và F’ đối xứng nhau qua thấu kính nên ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính. * Cách dựng Nối SS’ cắt xy tại O thì O là quang tâm của thấu kính. Qua O ta dựng đoạn thẳng L vuông góc với xy thì L là thấu kính Từ S kẻ SI song song với xy, nối IS’ cắt xy tại F Lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính. b, Căn cứ hình vẽ ta thấy Với hình a : Do S, S’ ở cùng một phía so với xy và ảnh xa trục chính hơn so với vật nên là trường hợp vật thật cho ảnh ảo của thấu kính hội tụ. Với hình b : Do S, S’ ở khác phía so với xy nên là trường hợp vật thật cho ảnh ảo của thấu kính hội tụ. Với hình c : Do S, S’ ở cùng một phía so với xy và ảnh gần trục chính hơn so với vật nên là trường hợp vật thật cho ảnh ảo của thấu kính phân kì. 3.2:Ví dụ 2:(Bài 3.22 Sách 500 bài tập vật lí THCS) Trong các hình vẽ sau xy là trục chínhcủa thấu kính, AB là vật, A’B’ là ảnh. Với mỗi trường hợp hãy xác định: a. Quang tâm, tiêu điểm bằng phép vẽ. Nêu cách vẽ b. Xác định loại thấu kính, tính chất của ảnh (thật hay ảo) B’ B B’ B B x y y A A’ x A’ y x A A A’ B’ Hình a Hình b Hình c Hướng dẫn giải: B/ B B I I I A’ B / x A y B y x F’ y A xA A O O F F O F’ F A F’ A ’ B/ Hình a Hình b Hình c
Giả sử quang tâm O, tiêu điểm F và F’, thấu kính L được xác định như hình vẽ. *Cơ sở lí luận: Vì mọi tia sáng tới đều đi qua vật, tia ló có phương đi qua ảnh, tia tới qua quang tâm truyền thẳng. Vậy B, O, B’ thẳng hàng và O nằm trên trục chính nên O là giao điểm của BB’ với xy. Do tia tới song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm chính mà tia ló lại có phương đi qua ảnh nên B’, I, F thẳng hàng. Vậy F là giao điểm của IB’ với xy Do F và F’ đối xứng nhau qua thấu kính nên ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính. * Cách dựng Nối BB’ cắt xy tại O thì O là quang tâm của thấu kính. Qua O ta dựng đoạn thẳng L vuông góc với xy thì L là thấu kính Từ B kẻ BI song song với xy, nối IB’ cắt xy tại F Lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính. b, Căn cứ hình vẽ ta thấy Với hình a : Do AB,A’B’ ở khác phía so với xy nên là trường hợp vật thật cho ảnh thật của thấu kính hội tụ. Do , S’ ở cùng một phía so với xy và ảnh xa trục chính hơn so với vật nên là trường hợp vật thật cho ảnh ảo của thấu kính hội tụ. Với hình b : : Do AB,A’B’ ở cùng một phía so với xy và ảnh A’B’ lớn hơn vật nên là trường hợp vật thật cho ảnh ảo của thấu kính hội tụ. Với hình c : Do AB, A’B’ ở cùng một phía so với xy và ảnh A’B’nhỏ hơn vật nên là trường hợp vật thật cho ảnh ảo của thấu kính phân kì. B 3.3: Ví dụ 3:(Trích bài 3.23 Sách 500 bài tập vật lí THCS) A’ Cho A’B’ là ảnh thật của vật thật AB qua thấu kính. Dùng phép vẽ hãy: A B a) Xác định quang tâm, dựng thấu kính và trục chính, Xác định tiêu điểm . ’ b) Cho xy là trục chính của thấu kính. Cho đường (1) () đi của tia sáng (1)qua thấu kính. Hãy trình bày x O y cách vẽ đường đi tiếp của tia sáng (2). Hướng dẫn giải: (2) a) Giả sử ta xác định được quang tâm, dựng được thấu kính K Trục chính, và tiêu điểm của thấu kính như hình vẽ * Cơ sở lí thuyết B I Do tia tới đi qua vật, tia ló đi qua ảnh, tia tới đi A’
qua quang tâm truyền thẳng. Vậy A, O, A’ thẳng F hàng, B,O,B’ thẳng hàng nên O là giao của O F’ AA’ và BB’. Một tia sáng tới dọc theo AB A B’ (tức là đi qua cả A và B) thì cho tia ló truyền dọc theo ảnh A’B’ (tức là đi qua cả ảnh A’ và B’). Vậy kéo dài AB và A’B’ cắt nhau tại K là một điểm tới trên thấu kính Nối KO ta xác định được vị trí của thấu kính (L). Qua O kẻ đoạn thẳng vuông góc với thấu kính ta xác định được trục chính (xy).
Do tia tới song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm chính mà tia ló lại có phương đi qua ảnh nên B’, I, F thẳng hàng. Vậy F là giao điểm của IB’ với xy Do F và F’ đối xứng nhau qua thấu kính nên ta lấy F’ đối xứng với F qua thấu kính. * Cách dựng X2 + Kéo dài AB và A’B’ cắt nhau tại K. + Nối AA’, BB’ cắt nhau tại O ( 1 ) I F1’’ X1 + Nối OK được vị trí thấu kính F1’ + Kẻ xy vuông góc OK tại O S S’ + Kẻ BI ∥ xy; Nối IB’ cắt xy tại F’ x F O F’ y + Lấy F đối xứng với F’ qua OK. ( 2 ) I’ b, Giả sử ta đã vẽ xong đường truyền của tia sáng ( 2 ) như hình vẽ. * Căn cứ lí thuyết Ta kéo dài tia sáng ( 1 ) cắt trục chính xy tại S và ta coi tia sáng ( 1 ) xuất phát từ nguồn sáng điểm S.Ta dựng ảnh S’ của S qua thấu kính như hình vẽ Qua O ta dựng trục phụ Ox1 ∥ SI cắt IS’ tại F1’ là tiêu điểm phụ của Ox1. Từ F1’ dựng mặt phẳng tiêu diện vuông góc với xy cắt xy tại F’ là tiêu điểm chính của thấu kính. Do phương của tia tới ( 1 ) xa trục chính hơn phương của tia ló tương ứng nên thấu kính đã cho là thấu kính hội tụ. Kẻ trục phụ Ox2 song song với tia sáng ( 2 ) cắt mặt phẳng tiêu diện tại F1’’ là tiêu điểm phụ của trục phụ Ox2 vậy tia ló của tia sáng ( 2 ) đi qua F1’’ nên ta nối I’ với F1’’ ta được đường truyền của tia sáng ( 2 ) cần vẽ. * Cách dựng + Kéo dài tia sáng ( 1 ) cắt xy tại S; kéo dài tia ló của tia sáng ( 1 ) cắt xy tại S’. + Vẽ đường Ox1 ∥ SI cắt IS’ tại F1’; dựng mặt phẳng tiêu diện qua F1’ và vuông góc với xy + Vẽ trục phụ Ox2 ∥ tia sáng ( 2 ) cắt mặt phẳng tiêu diện tại F1’’. Nối I’F1’’ ta được tia ló của tia sáng ( 2 ) cần vẽ. 3.4: Ví dụ 4:(Trích bài Cs4/27 tạp trí Vật lý & Tuổi trẻ) Trong h×nh vÏ sau, xy lµ trôc chÝnh cña mét thÊu kÝnh, A lµ ®iÓm s¸ng, A lµ ¶nh cña A qua thÊu kÝnh, F lµ tiªu ®iÓm ¶nh cña thÊu kÝnh. a) B»ng phÐp vÏ h·y x¸c ®Þnh vÞ trÝ quang t©m O, tÝnh chÊt ¶nh vµ lo¹i thÊu kÝnh. b) Cho AF 3,5cm ; F A 4,5cm . TÝnh tiªu cù cña thÊu kÝnh (kh«ng dïng c«ng thøc thÊu kÝnh). A F’ A’ x y’
Hướng dẫn giải: a) Ta ph¶i xÐt hai trêng hîp: thÊu kÝnh héi tô vµ thÊu kÝnh ph©n kú. - §èi víi thÊu kÝnh héi tô th× A lµ ¶nh thËt. I - §èi víi thÊu kÝnh ph©n kú th× A lµ ¶nh ¶o. A F’ A’ O Gi¶i sö ta ®· dùng ®îc thÊu kÝnh nh h×nh vÏ: F1 §èi víi c¶ hai thÊu kÝnh ta lu«n cã: A F1 A F  I IO // F F F1 1 A I A O A F A O  (1) A F A O A A’ 1 A O A A O F’ AI //OF1 A I A ¢  A O 2 A F  A A Tõ ®ã suy ra c¸ch dùng quang t©m O nh sau: Qua A kÎ ®êng vu«ng gãc víi AA . Trªn ®ã lÊy 2 ®iÓm M, N n»m ë hai phÝa kh¸c nhau víi: A M A A vµ A N A F §êng trßn ®êng kÝnh MN c¾t xy t¹i O1 vµ O2 . Khi ®ã O1 lµ quang t©m cña thÊu kÝnh héi tô, O2 lµ quang t©m cña thÊu kÝnh ph©n kú cÇn dùng. Chøng minh: ThËt vËy theo c¸ch dùng ta ®îc O1MN vu«ng t¹i O1, O1 A l¹i lµ ®êng cao nªn: 2 O1 A A N  A M N 2 O1 A A F  A A ®óng víi (1). x y A O1 A’ O2 Chøng minh t¬ng tù víi O2 . F’ b) Tõ (1) A O 2 A F  A A A O 2 4,5 3,5 4,5 36 A O 6 M - Víi thÊu kinh héi tô O1 ta cã: O1F A O1 A F 6 4,5 1,5 cm f 1,5 cm - Víi thÊu kÝnh ph©n kú O2 ta cã: O2 F O2 A A F 6 4,5 10,5 cm f 10,5 cm 3.5: Ví dụ 5:(Trích bàiCS4/38. tạp trí Vật lý & Tuổi trẻ) Trªn h×nh vÏ, S lµ nguån s¸ng ®iÓm vµ S1 lµ ¶nh cña nã qua thÊu kÝnh héi tô, F lµ tiªu ®iÓm vËt cña thÊu kÝnh. BiÕt SF l vµ SS1 L . X¸c ®Þnh vÞ trÝ cña thÊu kÝnh vµ tiªu cù cña thÊu kÝnh. Chó ý: kh«ng sö dông c«ng thøc thÊu kÝnh. S F S1 • • • Hướng dẫn giải: I Gi¶ sö ta ®· dùng ®îc ¶nh thËt S1 nh h×nh vÏ: F1 Ta cã: 1 SF SF  1 S F O S1 IO // FF1 SI SO SF SO 2  SO SF.SS1 (1) SF1 SO SO SS1 OF1 // IS1 SI SS1  Víi S1 lµ ¶nh ¶o cña S, vÏ h×nh vµ chøng minh t¬ng tù, ta còng ®îc kÕt qu¶ nh trªn. Suy ra c¸ch dùng quang t©m O nh sau: Qua S kÎ ®êng vu«ng gãc víi SS1 . Trªn ®ã lÊy 2 ®iÓm M, N n»m ë 2 phÝa kh¸c nhau sao cho SM SS1, SN SF.
§êng trßn ®êng kÝnh MN c¾t trôc chÝnh t¹i O1 vµ O2 . Khi ®ã O1 lµ quang t©m cña thÊu kÝnh khi S1 lµ ¶nh thËt, O2 lµ quang t©m cña thÊu kÝnh khi S1 lµ ¶nh ¶o. Chøng minh: ThËt vËy, theo c¸ch dùng ta ®îc O1MN vu«ng t¹i O1 , O1S lµ ®êng cao nªn: 2 O1S SM.SN Ll N O1S Ll O2 S O1 S1 F L¹i cã O1F O1S FS Ll l f Ll l VËy thÊu kÝnh cã tiªu cù f Ll l M Trêng hîp S1 lµ ¶nh ¶o, ta ®îc kÕt qu¶ f Ll l (B¹n ®äc tù chøng minh) 3.6: Ví dụ 6:(Trích bàiCS4/9. tạp trí Vật lý & Tuổi trẻ) I Mét thÊu kÝnh héi tô L cã trôc chÝnh lµ xy, quang t©m O. 0 F 60 Mét nguån s¸ng ®iÓm S chiÕu vµo thÊu kÝnh, IF vµ KJ lµ x O y hai tia lã ra khái thÊu kÝnh. F lµ tiªu ®iÓm. K H·y x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña S.Cho OI 1cm ,OK 2cm . 450 H×nh 2 Hướng dẫn giải: L J S MI Dùng ¶nh ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña nguån S: V× F lµ tiªu 600 F x O y ®iÓm nªn tia lã IF cã tia tíi song song víi trôc chÝnh. K H F’ lµ tiªu ®iÓm phô mµ tia KJ ®i qua. KÎ trôc phô OF’. 450 Tia lã KJ cã tia tíi song song víi trôc phô OF’. L F’ Hai tia tíi cña hai tia lã IF vµ KJ c¾t nhau t¹i S. J §ã lµ vÞ trÝ nguån S. f OF OI tg600 1 3 3 cm . Tam gi¸c HKF’ lµ tam gi¸c vu«ng c©n nªn HF' HK 3 , vËy FF' HF HF' (2 3) cm. SI FO FO 3 3 SIK FOF' SI IK  3 SI 3 cm. IK FF' FF' 2 3 2 3 3 3 VËy nguån S c¸ch thÊu kÝnh lµ cm vµ c¸ch trôc chÝnh thÊu kÝnh lµ 1cm. 2 3 3.7: Ví dụ 7:(Trích đề thi HSG Tỉnh Vĩnh Phúc 2009 - 2010) Thấu kính hội tụ có các tiêu điểm F và F’ đã biết. Đặt một vật phẳng nhỏ AB vuông góc với trục chính của thấu kính sao cho điểm A nằm trên trục chính và cách quang tâm thấu kính một khoảng OA= a, qua thấu kính cho ảnh của AB cao gấp ba lần AB. Dùng cách vẽ đường đi của các tia sáng qua thấu kính, hãy xác định những vị trí có thể đặt vật AB để thỏa mãn điều kiện của bài toán, từ đó hãy dựng vật và dựng ảnh tương ứng với nó. Hướng dần giải:
Phân tích: • khi AB dịch chuyển lại gần hay ra xa thấu kính thì quĩ tích các điểm B nằm trên 1 đường thẳng cố định xy // trục chính, cách thấu kính 1 khoảng h = OI = AB = không đổi. ’ ’ ’ * Nếu ảnh của AB là thật thì A B ngược chiều với AB và B nằm trên đường thẳng x1y1 // trục chính, khác phía ’ ’ với xy và cách trục chính 1 khoảng h1 = OI1= A B = 3h. ’’ ’’ ’’ * Nếu ảnh của AB là ảo thì A B cùng chiều với AB và B nằm trên đường thẳng x2y2 // trục chính, cùng phía ’’ ’’ với xy và cách trục chính 1 khoảng h2 = OI2 = A B = 3h. • Nhận thấy: xy ≡ tia tới // với trục chính xuất phát từ B. x1y1≡ tia ló // với trục chính ứng với tia tới từ B đi qua F. x2y2 ≡ tia ló // với trục chính ứng với tia tới từ B có đường kéo dài qua F. • Từ đó suy ra cách dựng: Dựng 3 đường thẳng xy, x 1y1, x2y2 // với trục chính và cách trục chính những khoảng h và 3h, cắt thấu kính tại các điểm I, I1, I2 (h là bất kỳ - xem hình vẽ). • Nối I1F kéo dài cắt xy tại B(1), nối I2F kéo dài cắt xy tại B(2). Dựng AB(1) và AB(2) bằng cách từ các điểm B hạ đường vuông góc với trục chính. ’ ’ ’ • Nối I F và kéo dài về cả 2 phía cắt x1y1 và x2y2 tại B’ và B”, ta dựng được 2 ảnh tương ứng, trong đó A B là thật (ứng với AB ngoài F), A’’B’’ là ảo (ứng với AB trong F ) • Dựng vật và ảnh hoàn B” chỉnh (xem hình vẽ dưới) F F’ 4) Bài tập vận dụng: Bài 1:(Trích bài 42-43.2 sách bài tập Vật lý 9) S Cho biết là trục chính của một thấu kính, S là điểm sáng, S’ là ảnh của S tạo bởi thấu kính đó. S’ a, S’ là ảnh thật hay ảnh ảo? b, Vì sao em biết thấu kính đã cho là thấu kính hội tụ? Bằng phép vẽ hãy xác định quang tâm O, hai tiêu điểm F và F’ của thấu kính đã cho. Bài 2:(Trích bài 42-43.3 sách bài tập Vật lý 9) Trên hình bên có vẽ trục chính , quang tâm O F’ Hai tiêu điểm F, F’ của một thấu kính , hai tia ló 1,2 F O ( 1 ) Cho ảnh S’ của điểm sáng S. S’ a, Vì sao em biết thấu kính đã cho là ( 2 ) thấu kính hội tụ ? b, Bằng phép vẽ, hãy xác định điểm sáng S Bài 3:(Trích bài 44-45.2 sách bài tập Vật lý 9) Cho biết là trục chính của một thấu kính, S là S điểm sáng, S’ là ảnh của S tạo bởi thấu kính đó. S’ a, S’ là ảnh thật hay ảnh ảo? Vì sao? b, Thấu kính đã cho là hội tụ hay phân kì?
c, Bằng phép vẽ hãy xác định quang tâm O, tiêu điểm F và F’ của thấu kính đã cho. Bài 4:(Trích bài 44-45.3 sách bài tập Vật lý 9) Trên hình bên có vẽ trục chính , quang tâm O Hai tiêu điểm F, F’ của một thấu kính , hai tia ló 1,2 ( 1 ) của hai tia tới xuất phát từ một điểm sáng S. F’ a, Thấu kính đã cho là hội tụ hay phân kì ? O b, Bằng phép vẽ, hãy xác định ảnh S’ và F điểm sáng S. ( 2 ) Bài 5: Trong các hình vẽ sau xy là trục chính, AIB là đường đi của tia sáng truyền qua thấu kính. a. Hãy xác định loại thấu kính. Giải thích b. Định các điểm O, F’, F bằng cách vẽ. Nêu cách vẽ. A I B A I y x x B y (1) (2) A B’ Bài 6: Cho AB và A’B’ là vật và ảnh tạo bởi thấu kính L; AB∥ A’B’ và có độ lớn như hình vẽ. A’ Hãy xác định quang tâm, tiêu điểm, loại thấu kính. B Bài 7: Trên hình vẽ , điểm S’ là vị trí ảnh của điểm sáng S tạo bởi một thấu kính phân kỳ mỏng. L là một điểm nằm trên mặt thấu kính còn M là một điểm nằm trên trục chính của thấu kính. Nêu cách dựng hình để xác định vị trí của quang tâm và tiêu điểm của thấu kính. Bài 8: Người ta tìm thấy trong ghi chép của nhà vật lí Snell một sơ đồ quang học. Khi đọc mô tả kèm theo thì biết được trên sơ đồ đó vẽ hai ảnh A1’B1’ và A2’B2’ của hai vật A1B1và A2B2 qua thấu kính. Hai vật này là hai đoạn thẳng có cùng độ cao, đặt song song với nhau, cùng vuông góc với trục chính và ở trước thấu kính (A1 và A2 nằm trên trục chính của thấu kính, B1 và B2 nằm về cùng một phía so với trục chính). Độ cao hai ảnh tương ứng A1’B1’ và A2’B2’ cũng bằng nhau. Do lâu ngày nên các nét vẽ bị nhòe và trên sơ đồ chỉ còn rõ ba điểm quang tâm O, các ảnh B1’ và B2’ của B1 và B2 tương ứng. (Hình H.2) Bằng cách vẽ hãy xác định vị trí của trục chính, của các tiêu điểm của các vật A 1B1 và A2B2. Nêu rõ cách vẽ. Bài 9: Một sơ đồ quang học vẽ đường đi của một tia sáng qua một thấu kính hội tụ, nhưng do lâu ngày nên nét vẽ bị mờ và chỉ còn rõ 3 điểm A, B, M (H vẽ). Đọc mô tả kèm theo thì thấy A là giao điểm của tia tới với tiêu diện trước, B là giao điểm của tia ló với tiêu diện sau còn M là giao điểm của tia ló với trục chính của thấu kính. Bằng cách vẽ hãy khôi phục lại vị trí quang tâm, các tiêu điểm và đường đi của tia sáng. DẠNG 2:CÁC LOẠI BÀI TẬP THƯỜNG GẶP VỀ THẤU KÍNH
* Dấu hiệu nhận biết: Bài toán thường cho một vài đại lượng sau: d; f ; d’; AB = h; A’B’ = h’ vv và yêu cầu tìm các đại lượng còn lại. A) PHƯƠNG PHÁP CHUNG Bước 1: Vẽ hình cho trường hợp của bài toán Bước 2: Căn cứ vào hình vẽ, dùng bài toán phụ chứng minh công thức thấu kính cho trường hợp của bài toán. Bước 3: Từ công thức thấu kính đã có ta có thể kết hợp với các điều kiện khác của bài toán (nếu cần) để giải và tìm ra ẩn số của bài toán. * Sau đây là bài toán phụ cho các trường hợp thường gặp: 1, Trường hợp vật thật cho ảnh ảo qua thấu kính hội tụ. Giả sử ta đã vẽ xong ảnh A’B’ của AB như hình vẽ Đặt OA = d; OA’ = d’ B I Ta có ABO ∽ A’B’O (g – g) = = (1) F’ A’ A O Ta có OIF’ ∽ A’B’F’ (g - g) F = = = = (2) B’ Từ (1) và (2) ta có = = + (*) 2, Trường hợp vật thật cho ảnh ảo qua thấu kính hội tụ. Giả sử ta đã vẽ xong ảnh A’B’ của AB như hình vẽ Đặt OA = d; OA’ = d’ Ta có ABO ∽ A’B’O (g – g) B/ = = (1) K B A Ta có OKF’ ∽ A’B’F’ (g - g) = = = (2) A/ A F O F/ Từ (1) và (2) ta có = = - (*) / A 3, Trường hợp vật thật cho ảnh ảo qua thấu kính phân kỳ Giả sử ta đã vẽ xong ảnh A’B’ của AB như hình vẽ Đặt OA = d; OA’ = d’ Ta có ABO ∽ A’B’O (g – g) = = (1) B I B’ Ta có OIF ∽ A’B’F (g - g) A = = = (2) F A’ O Từ (1) và (2) ta có = = - (*) 4. Các công thức về thấu kính: a. Công thức thấu kính * Công thức về vị trí ảnh - vật: 1 1 1 d d ' f d > 0 nếu vật thật d 0 nếu ảnh thật d' < 0 nếu ảnh ảo
b. Công thức về hệ số phóng đại ảnh: d ' A' B ' k ;k d AB (k > 0: ảnh, vật cùng chiều; k 1: ảnh cao hơn vật, | k | < 1: ảnh thấp hơn vật ) c. Hệ quả: d. f d '. f d.d ' f f d ' d ' ;d f ; k d f d ' f d d ' f d f 5.Chú ý - Tỉ lệ về diện tích của vật và ảnh: 2 2 2 - Nếu vật AB tại hai vị trí cho hai ảnh khác nhau A1B1 và A2B2 thì: (AB) = (A1B1) .(A2B2) - Điều kiện để vật thật qua thấu kính cho ảnh thật là: L≥4.f -Công thức Bensell: Vật AB đặt cách màn một khoảng L, có hai vị trí của thấu kính cách nhau l sao cho AB qua thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn thì tiêu cự thấu kính tính theo công thức B)CÁC LOẠI BÀI TẬP THƯỜNG GẶP VỀ THẤU KÍNH I) CÁC VÍ DỤ VỀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ẢNH VÀ VẬT 1) Học sinh cần lưu ý: Căn cứ vào bài toán phụ trên ta thấy nếu đề bài cho 2 trong ba đại lượng có mặt trong biểu thức (*) ta luôn tìm được đại lượng còn lại và nếu biết thêm độ lớn AB = h thì từ (1) ta tìm được A’B’ = h’ và ngược lại . Tuy nhiên có những bài khá đơn giản thì ta không cần thực hiện đủ bước 2 mà có thể chỉ cần sử dụng hai cặp tam giác đồng dạng để tìm ra ẩn số. 2) Các ví dụ minh hoạ 2.1: Ví dụ 1 (Đề thi HSG Tỉnh Hà Nam 2009 - 2010) Mét vËt s¸ng nhá cã d¹ng ®o¹n th¼ng AB ®Æt vu«ng gãc víi trôc chÝnh cña mét thÊu kÝnh héi tô vµ n»m ë ngoµi kho¶ng tiªu cù cña thÊu kÝnh ®ã. a) Gäi d lµ kho¶ng c¸ch tõ vËt ®Õn thÊu kÝnh, d’ lµ kho¶ng c¸ch tõ ¶nh ®Õn thÊu kÝnh, f lµ tiªu cù cña 1 1 1 thÊu kÝnh. H·y vÏ ¶nh cña vËt qua thÊu kÝnh vµ chøng minh c«ng thøc: + = d d f b) §Æt vËt s¸ng trªn ë mét phÝa cña thÊu kÝnh héi tô cã tiªu cù f = 20 cm, song song víi trôc chÝnh vµ c¸ch trôc chÝnh mét ®o¹n l = 20 cm. BiÕt c¸c ®iÓm A vµ B c¸ch thÊu kÝnh lÇn lît lµ 40 cm vµ 30 cm. TÝnh ®é lín ¶nh cña vËt AB qua thÊu kÝnh. Hướng dẫn giải: a) - VÏ h×nh - XÐt hai tam gi¸c OA/B/ vµ OAB ®ång d¹ng cã hÖ thøc: A / B/ OA / d / ( 1 ) AB OA d - XÐt hai tam gi¸c OIF/ vµ A/B/F/ ®ång d¹ng cã hÖ thøc: A/B/ F/A/ d/ f ( 2 ) B I OI OF/ f 1 1 1 F/ A/ - Tõ ( 1) vµ (2) rót ra : / d d f A . O . b) - VÏ h×nh F - V× OI = OF/ tam giác OIF/ vu«ng c©n gãc OF/I = 450 gãc CA/B/ = 450 tam giác A/CB/ vu«ng c©n B/
/ / / d Bf d Af - TÝnh ®îc A C = d B – d A = 20 cm d f d f B A A B - §é lín cña ¶nh : I 2 2 A/B/ = A / C B/ C = 202 cm F/ .F O . d B A/ dA / C d A / d B 2.2: Ví dụ 2 (Đề thi HSG Tỉnh ĐẮK LẮK 2010 - 2011) B/ Vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm tạo ảnh A’B’ 1. Biết A’B’ = 4AB. Vẽ hình và tính khoảng cách từ vật tới thấu kính (xét 02 trường hợp: ảnh thật và ảnh ảo). 2. Cho vật AB di chuyển dọc theo trục chính của thấu kính. Tính khoảng cách ngắn nhất giữa vật và ảnh thật của nó. Hướng dẫn giải: 1. * Trường hợp vật AB tạo ảnh thật: - Vẽ hình đúng (H.1) A'B' OA' - A’OB’ đồng dạng AOB (1) B I AB OA F’ A’ A'B' F'A' OA'- OF' A O - OF’I đồng dạng A’F’B’ (2) AB F'O OF' - Thay A’B’ = 4AB và OF’ = 20cm vào (1) và (2), tính được: OA = 25cm; (H.1) OA’ = 100cm * Trường hợp vật AB tạo ảnh ảo:B’ B’ - Vẽ hình đúng (H.2) B I A'B' OA' F’ - A’OB’ đồng dạng AOB (3) AB OA A’ A O A'B' F'A' OA' + OF' - OF’I đồng dạng A’F’B’ (4 AB F'O OF' (H.2) ) - Thay A’B’ = 4AB và OF’ = 20cm vào (3) và (4), tính được: OA = 15cm; OA’ = 60cm 2.- Đặt OA = d, OA’ = l – d với l là khoảng cách giữa vật và ảnh, thay vào (1) và (2), ta được: A'B' OA'- OF' OA' l - d - f l - d d2 - ld + lf = 0 (*) - AB OF' OA f d Để phương trình (*) có nghiệm : = l2 – 4lf 0 l 4f - Vậy lmin = 4f = 80cm. 2.3: Ví dụ 3 (Đề thi tuyÓn sinh líp 10 THPT chuyªn NguyÔn Tr·i - n¨m häc 2008 - 2009) §Æt mét mÈu bót ch× AB = 2 cm ( ®Çu B vãt nhän ) vu«ng gãc víi trôc chÝnh cña mét thÊu kÝnh héi tô , A n»m trªn trôc chÝnh . Nh×n qua thÊu kÝnh ngêi ta thÊy ¶nh A’B’ cña bót ch× cïng chiÒu víi vËt vµ cao gÊp 5 lÇn vËt . a. VÏ ¶nh A’B’ cña AB qua thÊu kÝnh . Dùa vµo h×nh vÏ chøng minh c«ng thøc sau : 1 1 1 B OF OA OA' X F A O Y
Khi mÈu bót ch× dÞch chuyÓn däc theo trôc chÝnh l¹i gÇn thÊu kÝnh th× ¶nh ¶o cña nã dÞch chuyÓn theo chiÒu nµo ? V× sao ? b. B©y giê ®Æt mÈu bót ch× n»m däc theo trôc chÝnh cña thÊu kÝnh , ®Çu A vÉn n»m ë vÞ trÝ cò, ®Çu nhän B cña nã híng th¼ng vÒ quang t©m O . L¹i nh×n qua thÊu kÝnh th× thÊy ¶nh cña bót ch× còng n»m däc theo trôc chÝnh vµ cã chiÒu dµi b»ng 25cm . H·y tÝnh tiªu cù cña thÊu kÝnh . c. DÞch chuyÓn ®Çu A cña mÈu bót ch× ®Õn vÞ trÝ kh¸c . Gäi A’ lµ ¶nh ¶o cña A qua thÊu kÝnh , F lµ tiªu ®iÓm vËt cña thÊu kÝnh ( h×nh 5 ) . B»ng phÐp vÏ , h·y x¸c ®Þnh A' F A quang t©m O vµ tiªu ®iÓm ¶nh X Y F’ cña thÊu kÝnh . H×nh 5
Hướng dẫn giải XÐt hai cÆp tam gi¸c ®ång d¹ng : OAB vµ OA’B’ ta cã : A'B' OA' ( 1 ) AB OA FAB vµ FOI ta cã : B' I OI A'B' OF ( 2 ) B AB AB FA OA' OF => ( 3 ) X A' F A O Y OA FA Tõ h×nh vÏ : FA = OF – OA ( 4 ) OA' OF Tõ (3),(4) => ( 5 ) OA OF OA A'B' OF Tõ (1),(5) => ( 6 ) AB OF OA 1 1 1 Tõ (5) => OA’.OF – OA’.OA = OA.OF => ( 7 ) OF OA OA' Tõ (7) ta nhËn thÊy OF kh«ng ®æi nªn khi OA gi¶m th× OA’ còng gi¶m. VËy khi vËt dÞch chuyÓn l¹i gÇn thÊu kÝnh th× ¶nh ¶o cña nã còng dÞch chuyÓn l¹i gÇn thÊu kÝnh . b. §Æt OF = f ; OA = d1 ; OA’ = d1’ thay vµo ( 6 ) ta ®îc : A'B' f AB f d1 f V× A’B’ = 5AB nªn ta cã : 5 => d1 = 0,8f => d1’ = 5d1 = 4f f d1 Khi ®Æt bót ch× däc theo trôc chÝnh , ®Çu nhän B cña bót ch× ë vÞ trÝ B2 trªn trôc chÝnh cho ¶nh ¶o B2’, cßn ®Çu A cña bït ch× vÉn cho ¶nh ë vÞ trÝ cò A’ . XÐt sù t¹o ¶nh qua thÊu kÝnh cña riªng ®Çu nhän B2 cña mÈu bót ch× : Theo nhËn xÐt ë phÇn a , ta cã : M d2 = OB2 = d1 – 2 = 0,8f - 2 I d2’ = OB2’ = d1’ – 25 = 4f – 25 Thay vµo ( 7 ) ta ®îc : 1 1 1 X A' O1 F A O F' Y f 0,8 f 2 4 f 25 => f = 10 ( cm ) c. Tõ h×nh vÏ ta thÊy : OA’ = OA + AA’ ( 8 ) OF = AF + OA ( 9 ) Thay (8), (9) vµo (3) ta ®îc: OA AA' AF OA => OA2 = AF. AA’ ( 10 ) OA AF Sö dông mèi liªn hÖ ( 10 ) , ta suy ra c¸ch vÏ sau ( h×nh vÏ ) : - VÏ ®êng trßn ®êng kÝnh AA’ - KÎ FM vu«ng gãc víi trôc chÝnh xy c¾t ®êng trßn ®êng kÝnh AA’ t¹i I . - Nèi A víi I - Dùng ®êng trßn t©m A , b¸n kÝnh AI , giao cña ®êng trßn nµy víi trôc chÝnh xy t¹i hai vÞ trÝ lµ O 1 vµ O2 . Ta lo¹i vÞ trÝ O1 v× thÊu kÝnh ®Æt t¹i vÞ trÝ nµy sÏ cho ¶nh thËt .VËy O2 lµ vÞ trÝ quang t©m O cÇn t×m cña th©ó kÝnh . - LÊy F’ ®èi xøng víi F qua quang t©m O ta ®îc tiªu ®iÓm ¶nh cña thÊu kÝnh. 3) Các bài tập vận dụng Bài 1.
Một vật ảo AB = 5mm vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm, ở sau thấu cách thấu kính 20cm. Xác định vị trí, tính chất, độ cao của ảnh và vẽ ảnh. Bài 2. Cho một thấu kính có tiêu cự f = 40 cm. Vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính và cách thấu kính một khoảng d = 60 cm. a. Xác định vị trí, tính chất và vẽ ảnh. b. Nhận xét về sự di chuyển của ảnh khi vật tiến lại gần thấu kính. Bài 3. Một vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính của thấu kính phân kỳ có tiêu cự bằng 12cm, cho ảnh cao bằng nửa vật. Tìm vị trí của vật và ảnh. Bài 4. Một vật sáng AB = 1cm đặt thẳng góc với trục chính của thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 20cm, cho ảnh A’B’ = 2cm. Xác định vị trí của vật và ảnh. Vẽ hình. Bài 5. Ảnh thật S’ của điểm sáng S cho bởi thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 10cm được hứng trên màn E vuông góc với trục chính. S’ cách trục chính h’ = 1,5cm; cách thấu kính d’ = 15cm. Tìm khoảng cách từ S đến thấu kính và đến trục chính. Bài 6. Một vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính của một thấu kính hội tụ tiêu cự f = 20cm có ảnh cách vật 90cm. Xác định vị trí của vật, vị trí và tính chất của ảnh. Bài 7. Một điểm sáng nằm trên trục chính của một thấu kính phân kỳ tiêu cự bằng 15cm cho ảnh cách vật 7,5cm. Xác định vị trí của vật, vị trí và tính chất của ảnh. Bài 8. Vật sáng AB đặt vông góc với trục chính của thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 10cm, cho ảnh thật lớn hơn vật và cách vật 45cm. a) Xác định vị trí của vật, ảnh. Vẽ hình. b) Thấu kính dịch chuyển ra xa vật. Hỏi ảnh dịch chuyển theo chiều nào? Bài 9. Vật sáng AB hình mũi tên đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm, cho ảnh rõ nét trên màn đặt cách vật một khoảng L. a) Xác định khoảng cách ngắn nhất của L. b) Xác định các vị trí của thấu kính trong trường hợp L = 90cm. So sánh độ phóng đại của ảnh thu được trong các trường hợp này. Bài 10. Một vật sáng AB cho ảnh thật qua một thấu kính hội tụ L, ảnh này hứng trên một màn E đặt cách vật một khoảng 1,8m. Ảnh thu được cao bằng 1/5 vật. a) Tính tiêu cự của thấu kính. b) Dịch chuyển thấu kính trong khoảng AB và màn. Có vị trí nào khác của thấu kính để ảnh lại xuất hiện trên màn E không? II)CÁC VÍ DỤ VỀ DI CHUYỂN VẬT, THẤU KÍNH HOẶC MÀN 1) Học sinh cần lưu ý: Thông thường khi gặp loại bài toán này thì ta phải thực hiện đầy đủ 3 bước trong phương pháp chung và một số lưu ý sau đây. Hoặc từ biểu thức (2) ở trên ta thấy Độ phóng đại của ảnh là tỉ số giữa chiều cao của vật và chiều cao của ảnh Kí hiệu: k = = : + = = k = = = + = = k = = = + = = k = = = Đây là biểu thức rất quan trọng trong mỗi trường hợp sau khi ta đã giải quyết xong bài toán phụ, nó có thể giúp ta giải bài toán một cách nhanh nhất khi điều kiện đề bài cho độ lớn của ảnh hoặc tỉ số độ lớn của ảnh so với vật hoặc tỉ số độ lớn của hai ảnh trước và sau khi dịch chuyển vật hoặc dịch chuyển thấu kính.
Hoặc từ (*) ta có thể suy ra các biểu thức sau đây: + = + dd’ = fd’ + fd dd’ - fd’ - fd + f2 = f2 (dd’- df) - (fd’- f2 ) = f2 (d-f)(d’-f) = f2 Nếu đặt x = d- f và x’ = d’ - f thì x.x’ = f2 ( ) + = - dd’ = fd’ - fd dd’ - fd’ + fd - f2 = - f2 (dd’- fd’) + (fd - f2 ) = - f2 (d-f)(d’+ f ) = - f2 (f - d)(d’+ f ) = f2 Nếu đặt x = f - d và x’ = d’ +f thì x.x’ = f2 ( ) + = - dd’ = fd - fd’ dd’ + fd’ - fd - f2 = - f2 (dd’- fd) + (fd’ - f2 ) = - f2 (d+f )(d’- f ) = - f2 (f + d)( f -d’ ) = f2 Nếu đặt x = f + d và x’ = f - d’ thì x.x’ = f2 ( ) Đây là biểu thức rất quan trọng trong mỗi trường hợp sau khi ta đã giải quyết xong bài toán phụ, nó có thể giúp ta giải bài toán một cách nhanh nhất khi điều kiện đề bài cho nếu vật dịch chuyển lại gần hoặc ra xa thấu kính một đoạn a1 thấy ảnh dịch chuyển một đoạn b 1, Nếu vật dịch chuyển lại gần hoặc ra xa thấu kính một đoạn là a2 thì ảnh dịch chuyển một đoạn là b2. Yêu cầu tìm các đại lượng khác thì ta có thể áp dụng như sau; Tuỳ mỗi trường hợp của bài toán mà áp dụng và thành lập được biểu thức ( ) cho phù hợp Trước khi vật dịch chuyển và sau mỗi lần dịch chuyển ta có xx’ = (x a1)(x’ b1) = (x a2)(x’ b2) từ đây ta tìm được x và x’ và suy ra d,d’,f và tìm các đại lượng khác. Ưu điểm của phương pháp này là từ bài toán về hình học phức tạp ta có thể chuyển về bài toán về số học mà việc giải rất đơn giản. * Khi có sự dịch chuyển vật hoặc thấu kính. Khi có sự dịch chuyển của vật sáng AB thấu kính giữ nguyên hoặc dịch chuyển thấu kính và vật được giữ nguyên thì vật và ảnh luôn dịch chuyển cùng chiều nhau cho dù vật cho ảnh ảo hay ảnh thật. 2)Các ví dụ minh hoạ 2.1 Ví dụ 1: (Trích CS4/17 tạp trí Vật lý & Tuổi trẻ) Mét vËt s¸ng ®Æt vu«ng gãc víi trôc chÝnh vµ ë ngoµi tiªu cù cña mét thÊu kÝnh héi tô. a) NÕu dÞch chuyÓn vËt l¹i gÇn thÊu kÝnh thªm 5cm th× ¶nh dÞch chuyÓn ra xa thªm 10cm, nÕu dÞch chuyÓn vËt ra xa thÊu kÝnh thªm 40cm th× ¶nh dÞch chuyÓn l¹i gÇn thÊu kÝnh thªm 8cm. C¸c ¶nh nµy ®Òu lµ ¶nh thËt. TÝnh tiªu cù f cña thÊu kÝnh. b) VËt ®ang ë c¸ch thÊu kÝnh mét kho¶ng lµ 1,5 f . Muèn ¶nh cña vËt dÞch chuyÓn mét ®o¹n 0,5 f ngîc chiÒu truyÒn ¸nh s¸ng so víi ¶nh cò, ngêi ta thùc hiÖn theo 2 c¸ch sau: - Gi÷ nguyªn vËt, dÞch chuyÓn thÊu kÝnh - Gi÷ nguyªn thÊu kÝnh, dÞch chuyÓn vËt. Hái ph¶i dÞch chuyÓn theo chiÒu nµo vµ dÞch chuyÓn mét ®o¹n b»ng bao nhiªu? Trong trêng hîp nµo, sau khi dÞch chuyÓn ¶nh cña vËt lín h¬n so víi ¶nh dÞch chuyÓn b»ng c¸ch kia. Hướng dẫn giải: a)Sử dụng bài toán phụ ta chứng công thức thấu kính trong trường hợp của bài toán là = + dd’ = fd’ + fd dd’ - fd’ - fd + f2 = f2 (dd’- df) - (fd’- f2 ) = f2 (d-f)(d’-f) = f2 Nếu đặt x = d- f và x’ = d’ - f thì x.x’ = f2 (1) Theo ®Ò ra: f 2 x 5 x' 10 (4) f 2 x 40 x' 8 (5) Gi¶i hÖ 3 ph¬ng tr×nh (1), (4), (5) ta ®îc: x x' 10cm Tõ ®ã tÝnh ®îc f 10cm b) Khi d 1,5 f , thay vµo c«ng thøc thÊu kÝnh ta tÝnh ®îc d' 3 f . Khi ®ã d d' 4,5 f . Khi ¶nh dÞch chuyÓn 0,5 f ngîc chiÒu truyÒn ¸nh s¸ng th× ¶nh l¹i gÇn vËt, khi ®ã d d' 4 f . + Gi÷ nguyªn vËt, dÞch chuyÓn thÊu kÝnh: Ta cã hÖ ph¬ng tr×nh: d d' 4 f
1 1 1 . Gi¶i hÖ ph¬ng tr×nh trªn ta ®îc d d' 2 f . d d' f d' §é phãng ®¹i ¶nh lµ: k 1 . Ảnh cao b»ng vËt. d Trêng hîp nµy ph¶i dÞch chuyÓn thÊu kÝnh ra xa vËt mét ®o¹n 0,5 f . + Gi÷ nguyªn thÊu kÝnh, dÞch chuyÓn vËt Khi ®ã d' 3 f 0,5 f 2,5 f Thay d' vµo c«ng thøc thÊu kÝnh, ta tÝnh ®îc d 5 f / 3 1,5 f . VËy ph¶i dÞch chuyÓn vËt ra xa thÊu kÝnh thªm 1 ®o¹n: 5 f / 3 1,5 f f / 6 §é phãng ®¹i ¶nh: k d'/ d 2,5 f / 5 f / 3 1,5 ¶nh lín h¬n vËt. VËy c¸ch thø hai cho ¶nh cña vËt lín h¬n c¸ch thø nhÊt. 2.2 Ví dụ 2:(Đề thi tuyển sinh Quốc học Huế 2007 - 2008) Một vật sáng AB đặt tại một vị trí trước một thấu kính hội tụ, sao cho AB vuông góc với trục chính của thấu kính và A nằm trên trục chính, ta thu được một ảnh thật lớn gấp 2 lần vật. Sau đó, giữ nguyên vị trí vật AB và dịch chuyển thấu kính dọc theo trục chính, theo chiều ra xa vật một đoạn 15cm, thì thấy ảnh của nó cũng dịch chuyển đi một đoạn 15cm so với vị trí ảnh ban đầu. Tính tiêu cự f của thấu kính (không sử dụng trực tiếp công thức của thấu kính). Hướng dẫn giải: B I' B I F' A'' F' A' A F O' A F O B'' d2 d'2 B' Hình B Hình A - Gọi khoảng cách từ vật đến thấu kính là d, khoảng cách từ ảnh đến thấu kính là d’. Ta tìm mối quan hệ giữa d, d’ và f: AOB ~ A'OB' A B OA d = = ; AB OA d OIF' ~ A'B'F' A B A F A B d - f d = = ; hay = d(d' - f) = fd' OI OF AB f d dd' - df = fd' dd' = fd' + fd ; 1 1 1 Chia hai vế cho dd'f ta được: = + (*) f d d A B d - Ở vị trí ban đầu (Hình A): = = 2 d’ = 2d AB d 1 1 1 3 Ta có: = + = (1) f d 2d 2d - Ở vị trí 2 (Hình B): Ta có:d2 = d + 15 . Ta nhận thấy ảnh A B không thể di chuyển ra xa thấu kính, vì nếu di chuyển ra xa thì lúc đó d 2 = d , không thoả mãn công thức (*). Ảnh A B sẽ dịch chuyển về phía gần vật, và ta có: O’A” = OA’ - 15 - 15 = OA’ - 30 hay: d 2 = d - 30 = 2d - 30 . 1 1 1 1 1 Ta có phương trình: = + = + (2) f d2 d 2 d + 15 2d - 30 - Giải hệ phương trình (1) và (2) ta tìm được: f = 30(cm). 2.3 Ví dụ 3: (Đề thi HSG Tỉnh Hải Dương năm học 2010 - 2011)
§Æt mét vËt s¸ng AB vu«ng gãc víi trôc chÝnh cña mét thÊu kÝnh héi tô, A n»m trªn trôc chÝnh, ta thu ®îc ¶nh A1B1 râ nÐt trªn mµn c¸ch thÊu kÝnh 15cm. Sau ®ã gi÷ nguyªn vÞ trÝ thÊu kÝnh, dÞch chuyÓn vËt däc theo trôc chÝnh l¹i gÇn thÊu kÝnh mét ®o¹n a, th× thÊy ph¶i dêi mµn ¶nh ®i mét ®o¹n b = 5cm míi thu ®îc ¶nh râ nÐt A2B2 trªn mµn. BiÕt A2B2 = 2A1B1. TÝnh kho¶ng c¸ch a vµ tiªu cù cña thÊu kÝnh . Hướng dẫn giải: Mµn Lóc ®Çu tríc khi dÞch chuyÓn vËt ( h×nh vÏ ) B I Do AOB  A1OB1 nªn ta cã : A A1B1 OA1 d1 ' 15 F' 1 ( 1 ) A F O AB OA d1 d1 f Do OIF’  A1B1F’ nªn ta cã : d 1 B A B A F' OA OF' d ' f d' 1 1 1 1 1 1 1 OI OF' OF' f A B d ' f Do OI = AB => 1 1 1 ( 2 ) AB f d ' d ' f Tõ ( 1 ) vµ ( 2 ) ta ®îc: 1 1 d1 f => d1 'f d1d1 ' d1f 1 1 1 1 1 Chia c¶ hai vÕ cho d1.d1’.f ta ®îc : = ( 3 ) f d1 d1 ' d1 15 Khi dÞch chuyÓn vËt l¹i gÇn thÊu kÝnh mét ®o¹n a th× kho¶ng c¸ch tõ vËt tíi thÊu kÝnh lóc nµy lµ: d2 = d1 - a Kho¶ng c¸ch tõ ¶nh tíi thÊu kÝnh lóc nµy lµ: d2’ = d1’ + b = 15 + 5 = 20(cm) ¸p dông c¸c c«ng thøc (1) vµ (3) cho trêng hîp sau khi dÞch chuyÓn vËt ta ®îc: A B d ' 20 2 2 2 ( 4 ) AB d2 d1 a 1 1 1 1 1 ( 5 ) f d2 d2 ' d1 a 20 Do A2B2 = 2A1B1 nªn tõ ( 1 ) vµ ( 4 ) ta ®îc: 2 3 => ( 6 ) d1 a d1 Tõ ( 3 ) vµ ( 5 ) ta ®îc: 1 1 1 1 = ( 7 ) d1 15 d1 a 20 Gi¶i hÖ ph¬ng tr×nh ( 6 ),( 7 ) ta ®îc: a = 10(cm) ; d1 = 30(cm). Thay d1 = 30(cm) vµo ( 3 ) ta ®îc tiªu cù cña thÊu kÝnh lµ f = 10 cm. 2.4 Ví dụ 4: Một vật sáng AB đặt tại một vị trí trước một thấu kính hội tụ, sao cho AB vuông góc với trục chính của thấu kính và A nằm trên trục chính, ta thu được một ảnh thật lớn gấp 2 lần vật. Sau đó, giữ nguyên vị trí vật AB và dịch chuyển thấu kính dọc theo trục chính, theo chiều ra xa vật một đoạn 15cm, thì thấy ảnh của nó cũng dịch chuyển đi một đoạn 15cm so với vị trí ảnh ban đầu. Tính tiêu cự f của thấu kính (không sử dụng trực tiếp công thức của thấu kính). Hướng dẫn giải: - Gọi khoảng cách từ vật đến thấu kính là d, khoảng cách từ ảnh đến B I thấu kính là d’. F' A' Ta tìm mối quan hệ giữa d, d’ và f: A F O AOB ~ A'OB' Hình A B' B I' F' A'' A F O' B'' d2 d'2 Hình B
A B OA d = = ; AB OA d OIF' ~ A'B'F' A B A F A B = = ; OI OF AB d - f d hay = d(d' - f) = fd' f d dd' - df = fd' dd' = fd' + fd ; 1 1 1 Chia hai vế cho dd'f ta được: = + (*) f d d A B d - Ở vị trí ban đầu (Hình A): = = 2 d’ = 2d AB d 1 1 1 3 Ta có: = + = (1) f d 2d 2d - Ở vị trí 2 (Hình B): Ta có:d2 = d + 15 . Ta nhận thấy ảnh A B không thể di chuyển ra xa thấu kính, vì nếu di chuyển ra xa thì lúc đó d 2 = d , không thoả mãn công thức (*). Ảnh A B sẽ dịch chuyển về phía gần vật, và ta có: O’A” = OA’ - 15 - 15 = OA’ - 30 hay: d 2 = d - 30 = 2d - 30 . 1 1 1 1 1 Ta có phương trình: = + = + (2) f d2 d 2 d + 15 2d - 30 - Giải hệ phương trình (1) và (2) ta tìm được: f = 30(cm). 2.5 Ví dụ 5: Mét vËt ph¼ng nhá AB ®Æt vu«ng gãc víi trôc chÝnh cña thÊu kÝnh héi tô, sao cho ®iÓm A n»m trªn trôc chÝnh vµ c¸ch quang t©m cña thÊu kÝnh mét kho¶ng OA = a. NhËn thÊy nÕu dÞch chuyÓn vËt l¹i gÇn hoÆc ra xa thÊu kÝnh mét kho¶ng b = 5cm th× ®Òu thu ®îc ¶nh cã ®é cao b»ng ba lÇn vËt, trong ®ã cã mét ¶nh cïng chiÒu vµ mét ¶nh ngîc chiÒu víi vËt. H·y x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch a vµ vÞ trÝ tiªu ®iÓm cña thÊu kÝnh. Hướng dẫn giải: ¶nh cïng chiÒu víi vËt lµ ¶nh ¶o, vËt n»m trong tiªu cù. ¶nh ngîc chiÒu víi vËt lµ ¶nh thËt, vËt n»m ngoµi kho¶ng tiªu cù cña thÊu kÝnh. XÐt trêng hîp ¶nh ¶o. OA1B1 ®ång d¹ng víi OA'1 B'1 A'1 B'1 OA'1 OA'1 3 OA'1 3 a 5 (1) A1B1 OA1 a 5 F'OI1 ®ång d¹ng víi F' A'1 B'1 A'1 B'1 F' A'1 OF' OA'1 OA'1 3 1 OA'1 2 f (2) OI1 OF' OF' f 3(a 5) Tõ (1) vµ (2) ta cã: 2 (3) f
B’1 B1 I1 B2 I2 F’ F’ A’2 A’1 F A1 O A2 O XÐt trêng hîp ¶nh ngîc chiÒu víi vËt: B’2 OA2 B2 ®ång d¹ng víi OA'2 B'2 A'2 B'2 OA'2 OA'2 3 OA'2 3 a 5 (4) A2 B2 OA2 a 5 F'OI 2 ®ång d¹ng víi F' A'2 B'2 A'2 B'2 F' A'2 OA'2 OF' OA'2 3 1 OA'2 4 f (5) OI 2 OF' OF' f 3(a 5) Tõ (4) vµ (5) ta cã: 4 (6) f Tõ (3) vµ (6) ta cã: a = 15cm; f = 15 cm
2.6 Ví dụ 6: Một nguồn sáng điểm đặt trên trục chính của thấu kính hội tụ có tiêu cự bằng 8cm, cách thấu kính 12cm. Thấu kính dịch chuyển với vận tốc 1m/s theo phương vuông góc trục chính thấu kính. Hỏi ảnh của nguồn sáng dịch chuyển với vận tốc là bao nhiêu nếu nguồn sáng được giữ cố định. Hướng dẫn giải: Ta dựng ảnh của S qua thấu kính bằng cách vẽ thêm truc phụ OI song song với tia tới SK Vị trí ban đầu của thấu kính là O. Sau thời gian t(s) thấu kính dịch chuyển một quãng đường OO ,1 nên ảnh của nguồn sáng dịch chuyển quãng đường S1S2 K I H S O S1 F’ O1 S1O OI Vì OI // SK (1) S2 S S SK 1 S2O1 O1H Vì O1H // SK (2) S2S SK Xét tứ giác OO1HI có OI // O1H và OO1 // IH OO1HI nên là hình bình hành, suy ra OI O1H (3) S1O S2O1 OO1 SO 12 Từ (1), (2), (3) OO1 // S1S2 (4) S1S S2S S1S2 SS1 12 S1O S I S O S O Mặt khác: OI // SK 1 1 1 (*) IK SO 12 S I S F S O 8 IF // OK 1 1 1 ( ) IK OF 8 S O S O 8 8 Từ (*) và ( ) 1 1 2 12 8 4 S1O 12.2 24 cm (5) OO 12 1 Từ (4) và (5) 1 S1S2 12 24 3 Ký hiệu vận tốc của thấu kính là v , vận tốc của ảnh là v1 thì OO1 v.t 1 v1 3v 3 m / s S1S2 v1.t 3 Vậy vận tốc ảnh của nguồn sáng là 3 m/s
2.7 Ví dụ 7:(Đề thi HSG Tỉnh Lâm Đồng năm học 2010 - 2011) Một vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của thấu kính hội tụ có tiêu cự f cho ảnh thật A'B' hứng được trên một màn E đặt song song với thấu kính. Màn E cách vật AB một khoảng L, khoảng cách từ thấu kính tới vật là d, từ thấu kính tới màn là d'. 1 1 1 1/ Chứng minh công thức: f d d 2/ Giữ vật và màn cố định, cho thấu kính di chuyển giữa vật và màn sao cho thấu kính luôn song song với màn và vị trí trục chính không thay đổi. Gọi l là khoảng cách giữa hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn E. Lập biểu thức tính f theo L và l. Hướng dẫn giải : - Vẽ hình B I f F' A' A B OA d A O 1/ AOB : A'OB' ; AB OA d A B A F A B d d' B' OIF': A'B'F' ; OI OF AB d - f d hay d(d' - f) = fd' dd' - df = fd' dd' = fd' + fd ; f d 1 1 1 Chia hai vế cho dd'f ta được : (*) f d d l 2/Di chuyển thấu kính : d d' A O O' A' d' L l L l d rên hình vẽ ta có: d và d ; 2 2 1 1 1 2 2 L f d d L l L l L2 l 2 L2 l 2 4Lf f 4L 2.8 Ví dụ 8:(Đề thi vào THPT Chuyên Tỉnh Thái Bình năm học 2008 - 2009) Mét vËt s¸ng AB ®Æt vu«ng gãc víi trôc chÝnh cña mét thÊu kÝnh héi tô (A n»m trªn trôc chÝnh) cho ¶nh thËt A1B1 cao 1,2cm. Kho¶ng c¸ch tõ tiªu ®iÓm ®Õn quang t©m cña thÊu kÝnh lµ 20cm. Gi÷ nguyªn thÊu kÝnh, dÞch chuyÓn vËt ®ã ®i mét ®o¹n 15cm däc theo trôc chÝnh th× thÊu kÝnh cho ¶nh ¶o A2B2 cao 2,4cm. X¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch tõ vËt ®Õn thÊu kÝnh tríc khi dÞch chuyÓn vµ ®é cao cña vËt. Hướng dẫn giải : - Do A2B2 lµ ¶nh ¶o nªn AB ph¶i dÞch chuyÓn vÒ phÝa thÊu kÝnh. Gi¶ sö vÞ trÝ ban ®Çu cña vËt lµ AB, A’B’ lµ vÞ trÝ sau khi ®· dÞch chuyÓn. B2 B B’ I F A1 A A2 A’ O OA1 A1B1 Do AB = OI - Cã OAB ~ OA 1B1 (1) OA AB OA FA B 1 1 1 OA FO OA1.FO = OA(OA1 OF)
FA1 A1B1 FOI ~ FA1B1 FO OI OA.OF OA1 = (2) OA OF Do A’B’ = OI A2B2 OA2 Cã OA’B’ ~ OA 2B2 (3) OA2 FA2 A 'B' OA ' OA ' FO FA2 A2B2 OA2.FO = OA’(FO+OA2) FOI ~ FA2B2 FO A 'B' OA '.OF OA2 = (4) FO OA ' A B OA OA ' - Tõ (1) vµ (3): 1 1 1 . A2B2 OA OA2 1,2 OF FO OA ' Thay (2) vµ (4) vµo biÓu thøc trªn: . 2,4 OA OF FO 1 FO OA ' (*) 2 OA FO §Ò cho: FO = 20cm vµ OA OA’ = 15 OA’ = OA 15 1 20 OA 15 Thay vµo (*): 2 OA 20 OA 20 = 70 2OA OA = 30 (cm) 30.20 - Thay OA = 30cm vµo (2): OA1 = = 60 (cm) 30 10 - Thay OA = 30cm, OA1 = 60 cm vµo (1): 60 1,2 AB = 0,6 (cm) 30 AB VËy vËt AB cao 0,6cm vµ ban ®Çu nã c¸ch quang t©m O: 30cm.
2.9 Ví dụ 9: (Đề thi HSG Tỉnh Nghệ An 2010 - 2011) Vật AB xác định (A nằm trên trục chính) đặt trước một thấu kính hội tụ và vuông góc với trục chính của thấu kính cho ảnh thật lớn gấp 4 lần vật. Nếu đưa vậtN lại gần thấu kính thêm 4cm cũng như gần thêm 6cm sẽ cho ảnh có cùng độ lớn. B a. Không dùng công thức thấu kính,A hãy tính khoảng cách ban đầu của vật so với thấu kính và tiêu cự A của thấu kính đó. A / b. Nghiêng vật AB (A cố định) về phíaF thấuO kính sao Fcho/ đầu B cách trục chính 5cm và cáchA thấu kính 20cm. Hãy vẽ ảnh của AB? Ảnh này gấp mấyA lần vật?A Hướng dẫn giải / B 2 B/ A / / / / / A O A B / K - Từ hình vẽ ta có: AOB ~ A OB 4 A O 4ABO2 AO AB A / / / / / / A B A B OA f 4.OAA 2 f A2 / / / / 4 4 f 0,8.OA (1) ∆ONF ~ ∆ A B F ON AB f f F O F/ Do cùng một vật đặt trước 1 TKHT không thể có 2 ảnh thật bằng nhau /nên: A - Khi OA1 = OA – 4, thấu kính cho ảnh thật - Khi OA2 = OA – 6, thấu kính cho ảnh ảo. Trường hợp ảnh thật: / / / / / / / / / / A1 B1 F A1 F B1 Do ∆IOF ~ ∆B 1A 1F / / (*) A1B1 OF IF / / / Do ∆F OB 1 ~ ∆IB1B 1 / / / / / / F B1 OF F B1 OF f / / / / / IB1 B1I IB1 F B1 B1I OF OA1 f / / F B1 f hay / ( ) IF OA1 f A/ B / f Từ (*) và ( ) 1 1 (2) A1B1 OA1 f / / / / / / / Trường hợp ảnh ảo: Ta có ∆KOF ~∆B 2A 2F và ∆B 2KB2~∆B 2F O / / / A2 B2 OF f Tương tự như trên ta có: / (3) A2 B2 OF B2 K f A2O / / / / Mặt khác: A 1B 1 = A 2B 2 ; A1B1 = A2B2 = AB (4) Từ (2), (3), (4) OA1 – f = f – OA2 (5) Mà OA1 = OA – 4; OA2 = OA – 6 OA – f = 5 (6) Từ (1) và (6) OA = 25cm, f = 20cm Theo kết quả câu a thì B nằm trên đường vuông góc với trục chính tại tiêu điểm (tiêu diện).
- Bằng phép vẽ ( H.vẽ ) ta thấy ảnh B/ ở vô cùng (trên IA/ kéo dài) và ảnh A/ trên trục chính. Suy ra độ lớn ảnh A/B/ vô cùng lớn, mà AB xác định. A/ B / Vì vậy tỷ số: AB I B A N / A A A F O F/ A A 3) Các bài tập vận dụng Bài 1 Một điểm sáng S đặt trước một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 40cm. Di chuyển S một khoảng 20cm lại gần thấu kính người ta thấy ảnh S’ của S di chuyển một khoảng 40cm. Tìm vị trí của vật và ảnh lúc đầu và lúc sau khi di chuyển. Bài 2. Đặt một điểm sáng S trên trục chính của một thấu kính phân kỳ có tiêu cự f = –10cm, thu được ảnh S’. Di chuyển S một khoảng 15cm lại gần thấu kính ta thấy ảnh S’ di chuyển một khoảng 1,5cm. Tìm vị trí của vật và ảnh lúc đầu và lúc sau khi di chuyển. Bài 3. Một vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ và cách thấu kính 36cm ta thu được ảnh A1B1 trên màn E đặt vuông góc với trục chính. Tịnh tiến AB vầ phía thấu kính 6cm theo trục chính thì phải dịch chuyển màn E như thế nào để thu được ảnh A2B2? Cho biết A2B2 = 1,6A1`B1. Tính tiêu cự của thấu kính và độ phóng đại của các ảnh A1B1 và A2B2. Bài 4. Một vật AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính phân kỳ và cách thấu kính khoảng d 1 cho một ảnh A1B1. Cho vật tiến lại gần thấu kính 40cm thì ảnh bây giờ là A 2B2 cách A1B1 5cm và có độ lớn A2B2 = 2A1B1. Xác định tiêu cự của thấu kính, vẽ hình. Bài 5. Một vật AB đặt trước thấu kính O cho một ảnh rõ nét trên màn E. Dịch vật lại gần thấu kính 2cm thì phải dịch màn một khoảng 30cm mới lại thu được ảnh rõ nét, ảnh này lớn bằng 5/3 ảnh trước. a) Thấu kính là thấu kính gì? Màn E dịch chuyển theo chiều nào? b) Tính tiêu cự của thấu kính và độ phóng đại trong mỗi trường hợp. Bài 6. Một thấu kính hội tụ cho ảnh thật S’ của điểm sáng S đặt trên trục chính. Khi dời S, kể từ vị trí đầu tiên, gần thấu kính 5cm thì ảnh dời 10cm. Khi dời S, kể từ vị trí đầu tiên, ra xa thấu kính 40cm thì ảnh dời 8cm. Tính tiêu cự của thấu kính. Bài 7. Vật thật đặt trên trục chính và vuông góc với trục chính của một thấu kính cho ảnh ảo bằng 1/2 vật. Dời vật 100cm dọc theo trục chính. ảnh của vật vẫn là ảnh ảo nhỏ hơn vật 3 lần. Xác định chiều dời của vật, vị trí ban đầu của vật. Tính tiêu cự. Bài 8. Một thấu kính hội tụ có f = 12cm. Điểm sáng A trên trục chính có ảnh A’. Dời A gần thấu kính thêm 6cm, A’ dời 2cm và không đổi tính chất. Định vị trí vật và ảnh lúc đầu. Bài 9. Thấu kính phân kỳ có tiêu cự 10cm. Vật AB trên trục chính, vuông góc với trục chính, có ảnh A’B’. Dịch chuyển AB lại gần thấu kính thêm 15cm thì ảnh dịch chuyển 1,5cm. Định vị trí vật và ảnh lúc đầu. Bài 10.
Vật đặt trước thấu kính, trên trục chính và vuông góc với trục chính, ảnh thật lớn bằng 3 lần vật. Dời vật xa thấu kính thêm 3cm thì ảnh vẫn thật và dời đi 18cm. Tính tiêu cự của thấu kính. Bài 11. Vật AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ có ảnh thật A1B1 cao 2cm. Dời AB lại gần thấu kính thêm 45cm thì ảnh thật A2B2 cao 20cm và cách A1B1 đoạn 18cm. Hãy xác định tiêu cự của thấu kính và vị trí ban đầu của vật. Bài 12. Vật cao 5cm. Thấu kính tạo ảnh cao 15cm trên màn. Giữ nguyên vị trí của thấu kính nhưng rời vật ra xa thấu kính thêm 1,5cm. Sau khi rời màn để hứng ảnh rõ của vật, ảnh có độ cao 10cm. Tính tiêu cự của thấu kính. Bài 13. Vật AB đặt cách thấu kính hội tụ một đoạn 30cm. ảnh A 1B1 là ảnh thật. Dời vật đến vị trí khác, ảnh của vật la ảnh ảo cách thấu kính 20cm. Hai ảnh có cùng độ lớn. Tính tiêu cự của thấu kính. Bài 14. Một vật sáng AB đặt thẳng góc với trục chính của một thấu kính cho ảnh thật. Nếu cho vật dịch lại gần thấu kính một khoảng 30cm thì ảnh của AB vẫn là ảnh thật nằm cách vật một khoảng như cũ và lớn lên gấp 4 lần. a) Hãy xác định tiêu cự của thấu kính và vị trí ban đầu của vật AB. b) Để có được ảnh cho bằng vật, phải dịch chuyển vật từ vị trí ban đầu đi một khoảng bằng bao nhiêu, theo chiều nào? III)CÁC VÍ DỤ VỀ ẢNH CỦA HAI VẬT ĐỐI MỘT THẤU KÍNH HOẶC ẢNH CỦA MỘT VẬT ĐẶT GIỮA HAI THẤU KÍNH * 1) Học sinh cần lưu ý: Khi gặp bài toán loại này thì thật ra là kết quả của loại bài tập vật đứng trước một thấu kính, tuy nhiên có điểm khác là ở chỗ nó kết hợp của hai lần tạo ảnh qua 1 thấu kính vì vậy về phương pháp giải thì ta vẫn thự hiện 2 lần bài toán xác định ảnh, vật như trên rồi kết hợp lại để giải và tìm ra ẩn của bài toán. 2) Các ví dụ minh hoạ 2.1 Ví dụ 1: (Trích CS4/26 Tạp trí Vật lý & Tuổi trẻ) Hai vËt nhá A1B1 vµ A2 B2 gièng nhau ®Æt song song víi nhau vµ c¸ch nhau 45cm. §Æt mét thÊu kÝnh héi tô vµo trong kho¶ng gi÷a hai vËt sao cho trôc chÝnh vu«ng gãc víi c¸c vËt. Khi dÞch chuyÓn thÊu kÝnh th× thÊy cã hai vÞ trÝ cña thÊu kÝnh c¸ch nhau lµ 15cm cïng cho hai ¶nh: mét ¶nh thËt vµ mét ¶nh ¶o, trong ®ã ¶nh ¶o cao gÊp 2 lÇn ¶nh thËt. T×m tiªu cù thÊu kÝnh (kh«ng dïng c«ng thøc thÊu kÝnh). ' Hướng dẫn giải: B1 B1 I B2 ' ' A2 A1 F F’ A2 A1 O O’ B ' Gäi O vµ O lµ hai vÞ trÝ quang2 t©m trªn trôc chÝnh OO 15 cm . Theo tÝnh chÊt thuËn nghÞch ¸nh s¸ng. Ta cã: A1O O A2 : A1O OO O A2 45 cm A1O O A2 15 cm F O IO f IO F IO ~ F B1 A1 (1) F A1 B1 A1 f OA1 B1 A1 OA1 B1 A1 15 B1 A1 OB1 A1 ~ OB1 A1 (2) OA1 B1 A1 OA1 B1 A1 f 15 IO f 15 IO Tõ (1) vµ (2) f OA1 OA1 B1 A1 f B1 A1
A2O B2 A2 30 B2 A2 B2 A2O ~ B2 A2 O (3) A2 O B2 A2 A2 O B2 A2 OF IO F IO IOF ~ B2 A2 F (4) A2 F B2 A2 A2 O f B2 A2 30 f IO 30 f IO Tõ (3) vµ (4) ( ) A2 O A2 O f B2 A2 f B2 A2 f 15 30 f IO IO Chia vÕ víi vÕ cña ( ) ta cã: : : f f B1 A1 B2 A2 f 15 B2 A2 mµ 2B2 A2 B1 A1 30 f B1 A1 f 15 1 2 f 30 30 f 3 f 60 30 f 2 f 20 cm 2.2 Ví dụ 2: (Đề thi HSG Tỉnh Hà Nam 2010 - 2011) Cho hình 4: Nếu đặt thấu kính L1 có tiêu cự f1 vuông góc B2 với xy trong khoảng AA1 thì A1B1 là ảnh của AB và A1B1=AB/2. B Nếu đặt thấu kính L2 có tiêu cự f2 vuông góc với xy trong khoảng A1A2 thì A2B2 là ảnh của A1B1 và A2B2=3A1B1. Biết AA2=125cm A1 và f2 = 1,5f1 x A A2 y a) Hãy xác định : Thấu kính L1 và thấu kính L2 là thấu kính B1 gì? vị trí của L1, L2? các tiêu điểm chính của L1, L2. b) Tính tiêu cự của các thấu kính và khoảng cách giữa hai Hình 4 thấu kính Hướng dẫn giải: B   F1' A  A F1 O1 F2' A  B1 a) Vì ảnh A1B1 ngược chiều với vật nên A1B1 là ảnh thật thấu kính L1 là thấu kính hội tụ Tương tự ảnh A2B2 ngược chiều với vật A1B1 thấu kính L2 là thấu kính hội tụ. - Kẻ BB1 cắt trục chính tại quang tâm O1, B1B2 cắt trục chính tại quang tâm O2. - Dựng thấu kính L1 và thấu kính L2 / - Kẻ tia tới BI song song với trục chính, tia ló IB1 cắt trục chính tại tiêu điểm F1 của thấu kính L1 / - Kẻ tia tới B1K song song với trục chính, tia ló KB2 cắt trục chính tại tiêu điểm F2 của thấu kính L2 b) O1A1 A1B1 1 AB / /A1B1 (1) O1A1 O1A O1A AB 2
O2A2 A2B2 A2B2 / /A1B1 (2) O2A2 3O2A1 O2A1 A1B1 ' A1B1 F1A1 A1B1 O1A1 f1 A1B1 / /O1I ' (3) O1A1 1,5f1 O1I O1F1 AB f1 ' A2B2 F2A2 A2B2 O2A2 f2 A2B2 / /O2K ' (4) O2K O2F2 A1B1 f2 O2A2 4f2 4.1,5f1 6f1 Ta có O1A + O1A1 + O2A1 + O2A2 = 125cm 1 4 O A 2.O A O A O A 125 3.O A .O A 125 1 1 1 1 3 2 1 2 1 1 1 3 2 1 4 3.1,5f .6f 125 f 10(cm) 1 3 1 1 f2 = 15cm Ta có O1A1=1,5.f1= 1,5.10=15(cm) 1 O2A2=6f1=60(cm) O A O A 20(cm) 2 1 3 2 2 Khoảng cách giữa hai thấu kính là: O1O2=15+20=35(cm) 2.3 Ví dụ 3::(Đề thi HSG Tỉnh Vĩnh Phúc 2010 - 2011) Có hai thấu kính được đặt đồng trục. Các tiêu cự lần lượt là f1 15cm, f2 15cm . Vật AB được đặt trên trục chính và vuông góc với trục chính trong khoảng giữa hai quang tâm O1, O2 (Hình 3). Cho O1O2 l 40cm . Xác định vị trí đặt vật để: a) Hai ảnh có vị trí trùng nhau. B b) Hai ảnh có độ lớn bằng nhau. (Chú ý: Học sinh chỉ được sử dụng các phép tính hình học, không được O1 O2 sử dụng công thức thấu kính và công thức độ phóng đại) A Hình 3
Hướng dẫn giải: Vì F1O1I ∽ F1A1B1 và O1AB ∽ O1A1B1 nên ta có: O1 A AB O1F1 15x O1 A1 O1 A1 A1B1 O1F1 O1 A1 15 x Tương tự O2A2B2 ∽ O2AB và F2A2B2 ∽ F2O2J nên ta có: O2 A2 A2 B2 O2 F2 O2 A2 15(l x) 15(40 x) O2 A2 (vì O2 A l x ) O2 A AB O2 F2 15 l x 55 x 15x 15(40 x) Để hai ảnh trùng nhau thì: O A O A l  40 1 1 2 2 15 x 55 x 2 x 10 x 70x 600 0 x 60 Loại nghiệm x=60. Vậy vật cần đặt cách O1 10cm. b) Ta có O1F1I ∽ A1F1B1 và A1O1B1 ∽ AO1B nên: A B A F A B AO O F 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 O I FO AB O F 1 1 1 1 1 15.x A1B1 15 (A1O1 15).x A1O1.15 A1O1 (1) A B AO AO x 15 AB x 15 1 1 1 1 1 1 AB AO1 x Tương tự ta có F2A2B2 ∽ F2O2J và O2A2B2 ∽ O2AB nên: A B A O A F O F A O 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 A O .15 (40 x)(15 A O ) AB AO O F O F 2 2 2 2 2 2 2 2 2 (40 x).15 A B 15 A O 2 2 (2) 2 2 15 40 x AB 15 40 x Do A2B2=A1B1 nên từ (1) và (2) ta có: B 15 15 I J x 35cm B x 15 15 40 x 2 A1 F1 O2 O1 F2 A A2 B1 2.4 Ví dụ 4::(Đề thi tuyển sinh Quốc học Huế 2008 - 2009) Hai điểm sáng S1 và S2 cùng nằm trên trục chính, ở về hai bên của một thấu kính hội tụ, cách thấu kính lần lượt là 6 cm và 12 cm. Khi đó ảnh của S1 và ảnh của S2 tạo bởi thấu kính là trùng nhau. a, Hãy vẽ hình và giải thích sự tạo ảnh trên. b, Từ hình vẽ đó hãy tính tiêu cự của thấu kính. Hướng dẫn giải: Vẽ hình : N I M S' F S1 O F' S2
Giải thích : - Hai ảnh của S1 và của S2 tạo bởi thấu kính trùng nhau nên phải có một ảnh thật và một ảnh ảo. - Vì S1O < S2O S1 nằm trong khoảng tiêu cự và cho ảnh ảo; S2 nằm ngoài khoảng tiêu cự và cho ảnh thật. Tính tiêu cự f : - Gọi S’ là ảnh của S1 và S2. Ta có : S S S I S O 6 S I // ON 1 1 S O S N S O S O S I S O S O 6 S O OI//NF' = S F' S N S O f S O S O f f.S O = 6(S O + f) (1) S F S O S M - Vì S2I // OM , tương tự như trên ta có : S O S S2 S I S O f S O f.S O = 12(S O - f) (2) S O S O 12 Từ (1) và (2) ta có : f = 8 (cm) 3) Các bài tập vận dụng Bài 1. Hai điểm sáng S1, S2 cách nhau l = 24cm. Thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 9cm được đặt trong khoảng S1S2 và có trục chính trùng với S 1S2. Xác định vị trí của thấu kính để ảnh của hai điểm sáng cho bởi thấu kính trùng nhau. Vẽ hình. Bài 2. Cho hai thấu kính L1 và L2 được đặt đồng trục. Tiêu cự lần lượt là f 1 = 10cm, f2 = 20cm. Khoảng cách hai thấu kính là l = 50cm. Vật nằm giữa hai kính sao cho d 1 = 20cm. Xác định vị trí và tính chất của ảnh. Vẽ hình. Bài 3. Hai thấu kính hội tụ L1 và L2 có trục chính trùng nhau. Các thấu kính cách nhau đoạn l = 40cm. Các tiêu cự là f1 = 20cm, f2 = 30cm. Vật AB đặt trên trục chính, vuông góc với trục chính trong khoảng giữa hai thấu kính và cách L1 một đoạn x. Định x để cho: a) Hai ảnh tạo bởi hai thấu kính cùng chiều. b) Hai ảnh tạo bởi hai thấu kính có cùng độ lớn. Bài 4. Hai thấu kính hội tụ có tiêu cự lần lượt là f 1 = 10cm và f2 = 12cm được đặt đồng trục, các quang tâm cách nhau đoạn l = 30cm. Ở khoảng giữa hai quang tâm, có điểm sáng A. Ảnh tạo bởi hai thấu kính đều là ảnh thật, cách nhau khoảng A1A2 = 126cm. Xác định vị trí của A. Bài 5. Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 24cm. Hai điểm sáng S 1, S2 đặt trên trục chính của thấu kính ở hai bên thấu kính, sao cho các khoảng cách d1, d2 từ chúng đến thấu kính thoã mãn d 1 = 4d2. Xác định các khoảng d1 và d2 trong hai trường hợp sau: a) ảnh của hai điểm sáng trùng nhau. b) ảnh của hai điểm sáng cách nhau 84cm và cùng một bên thấu kính. Bài 6. Hai điểm S1 và S2 nằm trên trục chính về hai phía của một thấu kính hội tụ có f = 10cm. Khoảng cách từ S 1 đến thấu kính là 6cm. Tính khoảng cách giữa S 1 và S2 để ảnh của chúng trùng nhau. Bài 7. Hai điểm S1 và S2 nằm trên trục chính của một thấu kính hội tụ tiêu cự f = 4cm cách nhau một khoảng S1S2 = 9cm. Hỏi phải đặt thấu kính cách S 1 một khoảng bao nhiêu để các ảnh của S 1 và S2 cho bởi thấu kính trùng nhau. IV) CÁC VÍ DỤ VỀ THẤU KÍNH VỚI MÀN CHẮN SÁNG 1) Các ví dụ minh hoạ
1) Học sinh cần lưu ý: Khi gặp bài toán loại này thì ta sử dụng cách vẽ tia ló của tia sáng tới hai mép giới hạn thấu kính hoặc có thể dựng ảnh của vật (không cần trình bày cách dựng) rồi dựa vào tính chất tia ló qua thấu kính luôn có phương qua ảnh để vẽ 2 tia ló tương ứng của hai tia sáng tới hai đều mép thấu kính và giao của hai tia ló tương ứng với màn chắn ta được vệt sáng trên màn. Sau khi vẽ xong hình thì cách giải bài tập như phương pháp giải bài tập về định luật truyền thẳng của ánh sáng đã học trong chương trình vật lý lớp 7. 2) Các ví dụ minh hoạ 2.1 Ví dụ 1: Một điểm sáng S ở cách màn ảnh một khoảng L. Trong khoảng giữa S và màn đặt một thấu kính O 1 sao cho trục chính của thấu kính đi qua S và vuông góc với màn ảnh. Thấu kính có rìa hình tròn. 1. Khi L = 100cm, xê dịch thấu kính trong khoảng giữa S và màn ta chỉ tìm được một vị trí của thấu kính mà tại đó có ảnh rõ nét của S trên màn. Xác định vị trí của thấu kính khi đó và tính tiêu cự f của thấu kính? 2. Khi L = 81cm, xê dịch thấu kính trong khoảng vật – màn thì vết sáng trên màn không bao giờ thu lại một điểm, nhưng khi thấu kính cách màn một khoảng b thì vết sáng trên màn có bán kính nhỏ nhất. Xác định b? Hướng dẫn giải: * Thấu kính có thể cho ảnh rõ nét của vật trên màn do đó là TKHT. 1 1 1 * Chứng minh công thức thấu kính trong trường hợp TKHT cho ảnh thật: f d d ' với: f = OF; d = OS; d’ = OS’. * Giả sử thấu kính tạo ảnh thật của vật trên màn. Đặt L là khoảng cách giữa vật và ảnh thì: df L d d ' d d 2 Ld Lf 0 d f + Điều kiện để TK cho ảnh rõ nét của vật trên màn là phương trình trên phải có nghiệm đối với d: L2 4Lf 0 L 4 f + Nếu L = 4f thì L2 4Lf 0 : phương trình có nghiệm duy nhất, tức là tồn tại chỉ một vị trí của TK cho ảnh thật của vật trên màn. + Theo bài thì khi L = 100cm chỉ có một vị trí thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn, vậy: f = L/4 = 25(cm). + Khi đó thấu kính ở vị trí cách S là: d = OS = 2f = 50cm. Khi L = 81cm. Đặt đường kính rìa thấu kính là 2a, bán kính vết sáng là r. L = 81cm f: thấu kính cho ảnh thật S’ cách thấu kính là d’ = OS’ và cách vật: l = d + d’ 4f > L. + Từ hình vẽ thì: r S 'O' S 'O OO' OO' L d (L d)(d f ) 1 1 1 a S 'O S 'O S 'O d ' d. f r d 2 Ld Lf d L L a d. f f d f Đặt: y = r/a, áp dụng BĐT Cô si (a+b>=2 căn (ab) ) d L d L L d L L L L 2. . 2. y 2. f d f d f f d f f f d L d L y min min d Lf f d f d Khi y min thì ta có r = (a.y) min => Vết sáng trên màn có bán kính nhỏ nhất khi d Lf 45(cm) .
L L 81 81 9 * Xét: rmin a.ymin a. 2. 2. a a rmin a f f 25 25 25 => rmin là bán kính nhỏ nhất của vết sáng. Khi đó ta có: d = L – b => b = 81cm – 45cm = 36cm. 9 Vậy khi TK cách màn là b = 36cm thì vết sáng trên màn có bán kính nhỏ nhất r a . min 25 Hình vẽ a r S O O’ S O O’ S S’ 2.2 Ví dụ 2: Một chùm sáng song song có đường kính D = 5cm được chiếu tới thấu kính phân kì O 1 sao cho tia trung tâm của chùm sáng trùng với trục chính của thấu kính. Sau khi khúc xạ qua thấu kính này cho một hình tròn sáng có đường kính D1 =7cm trên màn chắn E đặt vuông góc với trục chính và cách thấu kính phân kì một khoảng là l. a/ Nếu thay thấu kính phân kì bằng thấu kính hội tụ O 2 có cùng tiêu cự và nằm ngay vị trí của thấu kính phân kì thì trên màn chắn E thu được hình tròn sáng có đường kính là bao nhiêu? b/ Cho l =24cm. Tính tiêu cự của thấu kính hội tụ. Hướng dẫn giải: Khi dùng TKPK ta có hình vẽ: Dùng tam giác đồng dạng để có: F 'O AB M 1 A F ' E MN F’ O E f 5 1 f 2,5l(1) f l 7 B khi thay TKPK bằng TKHT có f=2,5l N ta có được hình vẽ dưới đây: Dùng tam giác đồng dạng để có: F 'O AB 2 A P F ' E PQ F’ O2 E f 5 (2) f l x Q B Thế (1) vào (2) ta được: 2,5l 5 5 5 (2) 2,5l l x 3 x x 3cm Vậy: hình tròn sáng trên màn khi dùng TKHT có đường kính là 3cm b/ khi l=24cm,thế vào (1) ta được f=2,5.24=60cm vậy TKHT có tiêu cự f = 60 cm 3) Các Bài tập vận dụng: Bài 1. Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 25cm. Điểm sáng A trên trục chính và cách thấu kính 39cm; màn chắn E trùng với tiêu diện ảnh. a. Tính bán kính r của vệt sáng trên màn. Biết bán kính vành thấu kính R = 3cm. b. Cho điểm sáng A dịch chuyển về phía thấu kính. Hỏi bán kính vệt sáng trên màn thay đổi như thế nào? Bài 2.
Điểm sáng A trên trục chính và cách thấu kính d = 15cm. Về bên kia và cách thấu kính một đoạn a = 15cm đặt một màn chắn vuông góc với trục chính của thấu kính thì trên màn thu được vệt sáng tròn có đường kính bằng 1/2 đường kính vành thấu kính. Tính tiêu cự của thấu kính. Câu 3. Điểm sáng A trên trục chính của một thấu kính hội tụ. Bên kia đặt một màn chắn vuông góc với trục chính của thấu kính. Màn cách A một đoạn a = 64cm. Dịch thấu kính từ A đến màn ta thấy khi thấu kính cách màn 24cm thì bán kính vệt sáng trên màn có giá trị nhỏ nhất. Tính tiêu cự của thấu kính. Bài 4. Một điểm sáng trên trục chính của một thấu kính hội tụ cách thấu kính 30cm. Tiêu cự của thấu kính là 10cm. Rìa thấu kính có dạng hình tròn đường kính 5cm. a. Xác định vị trí của màn để hứng được ảnh rõ nét. b. Từ vị trí trên đây dịch màn 5cm. Tính đường kính vệ sáng. Bài 5. Một thấu kính hội tụ L được đặt song song với màn E. Trên trục chính có một điểm sáng A và màn E được giữ cố định. Khoảng cách giữa vật A và màn E là a = 100cm. Khi tịnh tiến thấu kính theo trục chính trong khoảng giữa vật và màn. Người ta thấy vệt sáng trên màn không bao giờ thu lại thành một điểm. Khi L cách E một khoảng b = 40cm thì vệt sáng trên màn có bán kính nhỏ nhất. Tính tiêu cự của thấu kính. Bài 6. Điểm sáng A đặt trên trục chính trước một thấu kính hội tụ L tiêu cự f = 20cm và cách thấu kính một đoạn OA = 30cm. Một màn chắn E được đặt vuông góc với trục chính và sau thấu kính một đoạn OH = 40cm. a) Dời A trên trục chính, kích thước vệt sáng trên màn thay đổi nhưng tới một vị trí thì vệt sáng có kích thước như cũ. Xác định chiều dịch chuyển và độ dời của A. b) A phải có vị trí nào thì kích thước vệt sáng trên màn bằng kích thước của thấu kính? V) BÀI TẬPTỔNG HỢP XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KÍNH Bài 1. Một vật sáng AB qua thấu kính cho ảnh trên màn cao gấp 3 lần vật. Màn cách vật L = 80cm. Tính tiêu cự của thấu kính.(Đ/S: f = 15 cm) Bài 2.
Vật sáng AB đặt ở hai vị trí cách nhau a = 4cm trước một thấu kính đều cho ảnh cao gấp 5 lần vật. Tính tiêu cự của thấu kính (Đ/S: f = 10 cm) Bài 3. Vật sáng AB cách màn một đoạn L = 100cm. Thấu kính đặt ở hai vị trí trong khoảng vật và màn đều thu được ảnh rõ nét. Hai vị trí này cách nhau l = 20cm. Tính tiêu cự của thấu kính (Đ/S: f = 24 cm) Bài 4. Vật sáng AB cách màn L = 50cm. Trong khoảng vật và màn có hai vị trí của thấu kính để thu được ảnh rõ nét. Tính tiêu cự của thấu kính, biết ảnh này cao gấp 16 lần ảnh kia (Đ/S: f = 8 cm) Bài 5. Hai vật sáng cao bằng nhau và cách nhau một đoạn L = 72cm. Một thấu kính hội tụ đặt trong khoảng hai nguồn ở vị trí thích hợp sao cho ảnh của nguồn này nằm ở vị trí của nguồn kia. Biết ảnh này cao gấp 25 lần ảnh kia. Tính tiêu cự của thấu kính.(Đ/S: f = 10 cm) Bài 6. Hai vật sáng AB và CD cách nhau L = 36cm, nằm về hai phía của một thấu kính, vuông góc với trục chính của thấu kính. Thấu kính cho hai ảnh A’B’ và C’D’ có vị trí trùng nhau, ảnh này cao gấp 5 lần ảnh kia. Tính tiêu cự của thấu kính. (Đ/S: f = 10 cm) Bài 7. Vật sáng AB và màn hứng ảnh cố định. Thấu kính đặt trong khoảng cách vật và màn. Ở vị trí 1, thấu kính cho ảnh có kích thước a1 = 4 cm; ở vị trí 2 thấu kính cho ảnh có kích thước a 2 = 1 cm. Hai vị trí thấu kính cách nhau một đoạn l = 30cm. Tính tiêu cự của thấu kính.(Đ/S: f = 20 cm) Bài 8. Điểm sáng A trên trục chính của một thấu kính hội tụ cho ảnh thật A’. Khi dịch A về phía thấu kính một đoạn a = 5cm thì ảnh A’ dịch đi một đoạn b = 10cm. Khi dịch A ra xa thấu kính một đoạn a’ = 40cm thì ảnh A’ dịch đi một đoạn b’ = 8cm. Tính tiêu cự của thấu kính.(Đ/S: f = 10 cm) Bài 9. Vật sáng AB qua thấu kính cho ảnh thật với độ phóng đại k 1 = 5. Dịch vật ra xa thấu kính một đoạn a = 12 cm thì ảnh có độ phóng đại k2 = 2. Tính tiêu cự của thấu kính. (Đ/S: f = 30 cm) B Bài 10. A C Có 3 điểm A, B, C theo thứ tự đó nằm trên trục chính của một thấu kính. Nếu đặt điểm sáng ở A ta thu được ảnh ở B, nếu đặt điểm sáng ở B ta thu được ảnh ở C. Hãy xác định loại thấu kính, vị trí tiêu cự thấu kính trong các trường hợp sau: a) AB = 2cm, BC = 6cm (Đ/S: f = 12 cm) b) AB = 36cm, BC = 4cm (Đ/S: f = 8 cm) C. KẾT LUẬN: Trên đây là một số dạng bài tập được thường gặp về thấu kính. Trong tất cả các kỳ thi học sinh giỏi hầu hết đều có các dạng bài tập trên. Nếu biết phương pháp giải của từng loại bài cũng như đặc trưng của mỗi loại sẽ giúp cho học sinh giải quyết các bài tập về thấu kính dễ dàng hơn. Trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi chúng ta có thể hướng đẫn các em đi đến phương pháp và các đặc trưng riêng của từng loại bài và đặc biệt cung cấp cho học sinh hệ thống bài tập mà phải hoàn thành khi học xong chuyên đề. Trong khi viết chuyên đề không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong các bạn đồng nghiệp và các em học sinh đóng góp thêm các ý kiến đê chuyên đề hoàn thiện và có hiệu quả hơn. Tôi xin chân thành cám ơn. Yên lạc, ngày 31 tháng 12 năm 2011 Người viết chuyên đề
Bùi Văn Học. D. CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 1. Sách 500 Bài tập Vật lý THCS. 2. 200 Bài toán Quang hình học. 3. Phương pháp giải TOÁN QUANG HÌNH HỌC. 4. Tạp trí Vật lý & Tuổi trẻ. 5. Đề thi HSG & thi vào THPT Chuyên trong toàn quốc.