Chuyên đề vật lý 9: Hiện tượng khúc xạ ánh sáng - Thấu kính hội tụ - Ảnh của vật tạo bởi thấu kính hội tụ

A. TỔNG QUAN KIẾN THỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

I. Tóm tắt kiến thức

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

• Hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường được gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

• Trên hình vẽ, quy ước gọi:

- SI là tia tới; IK là tia khúc xạ; I là điểm tới.

- NN’ vuông góc với mặt phân cách là pháp tuyến tại điểm tới.

- Góc SIN là góc tới, kí hiệu là i; Góc KIN' là góc khúc xạ, kí hiệu là r.

- Mặt phẳng chứa tia tới SI và pháp tuyến NN’ là mặt phẳng tới.

• Tính chất

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng và nằm bên kia pháp tuyến IN so với tia tới.

- Trường hợp tia sáng truyền từ không khí vào các môi trường trong suốt rắn, lỏng (như thủy tinh, nước):

                                                                     r < i

- Trường hợp tia sáng truyền từ các môi trường trong suốt rắn, lỏng (như thủy tinh, nước) vào không khí:

                                                                     r > i

- Khi góc tới i = 0 thì góc khúc xạ r = 0

- Khi góc tới i tăng thì góc khúc xạ r cũng tăng và ngược lại.

• Lưu ý: 

- Khi chiếu tia sáng truyền từ một môi trường trong suốt (rắn hoặc lỏng) sang môi trường không khí với góc tới i > 48⁰30’ thì xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần (tia sáng không đi ra khỏi môi trường chất lỏng hoặc rắn trong suốt, nó không bị khúc xạ mà phản xạ toàn bộ ở mặt phân cách giữa nước và không khí).

2. Thấu kính hội tụ

• Đặc điểm 

- Thấu kính hội tụ được làm bằng vật liệu trong suốt, được giới hạn bởi hai mặt cầu (một trong hai mặt có thể là mặt phẳng). Phần rìa ngoài mỏng hơn phần chính giữa.

- Kí hiệu thấu kính hội tụ được biểu diễn như hình vẽ:

- Mỗi thấu kính đều có trục chính, quang tâm, tiêu điểm, tiêu cự.

- Trên hình vẽ ta quy ước gọi: (Δ) là trục chính; O là quang tâm; F và F’ lần lượt là tiêu điểm vật và tiêu điểm ảnh; Khoảng cách OF = OF’ = f gọi là tiêu cự của thấu kính.

• Đường truyền của một số tia sáng qua thấu kính hội tụ

- Một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính hội tụ cho chùm tia ló hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính.

- Đường truyền của một số tia sáng đặc biệt:

(1) Tia tới song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm ảnh F’.

(2) Tia tới qua tiêu điểm vật F cho tia ló song song với trục chính.

(3) Tia tới qua quang tâm cho tia ló tiếp tục truyền thẳng.

3. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính hội tụ

• Tính chất của ảnh

- Khi vật đặt rất xa (coi như vô cực) cho ảnh thật tại tiêu điểm ảnh F' (cách thấu kính một khoẳng bằng tiêu cự)

- Vật đặt ngoài khoảng tiêu cự cho ảnh thật ngược chiều với vật. 

- Vật đặt trong khoảng tiêu cự cho ảnh ảo lớn hơn vật và cùng chiều với vật.

• Cách vẽ ảnh của vật AB vuông góc với trục chính tại A

- Dùng hai trong ba tia đặc biệt để vẽ ảnh B' của B.

- Từ B' hạ vuông góc xuống trục chính cắt tại A'

=> A'B' là ảnh của AB

II. Phương pháp giải

1. Cách xác định vị trí của ảnh khi biết vị trí của vật và tiêu cự hay xác định vị trí của vật khi biết vị trí của ảnh và tiêu cự hay xác định tiêu cự khi biết vị trí của ảnh và vị trí của vật.

• Cách 1: Vẽ ảnh của một vật theo phương pháp nêu trên. Sử dụng tính chất của tam giác đồng dạng để suy ra đại lượng cần xác định.
• Cách 2: Áp dụng công thức $\frac{1}{f}=\frac{1}{d}+\frac{1}{d'}$ để xác định.

Trong đó: vật là vật thật.

f là tiêu cự của thấu kính (là khoảng cách từ tiêu điểm đến quang tâm).

d là khoảng cách từ vị trí của vật đến thấu kính.

d’ là khoảng cách từ vị trí của ảnh đến thấu kính (khi ảnh thật thì d’ > 0, khi ảnh ảo thì d’ < 0).

2. Xác định độ cao của vật hay của ảnh

• Cách 1: Áp dụng tính chất của tam giác đồng dạng.
• Cách 2: Áp dụng công thức $h'=\frac{d'}{d}.h$

Trong đó: h và h’ là độ cao của vật và của ảnh (khi ảnh thật thì h’ > 0, khi ảnh ảo thì h’ < 0).