Lý thuyết Thấu kính mỏng (mới 2023 + Bài Tập) - Vật lí 11

Lý thuyết Vật lí 11 Bài 29: Thấu kính mỏng

1. Thấu kính. Phân loại thấu kính

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

- Có 2 loại thấu kính:

+ Thấu kính lồi (rìa mỏng) là thấu kính hội tụ (tạo ra chùm tia ló hội tụ khi chùm tia tới là chùm song song).

+ Thấu kính lõm (rìa dày) là thấu kính phân kì (tạo ra chùm tia ló phân kì khi chùm tia tới là chùm song song).

2. Khảo sát thấu kính hội tụ

a. Quang tâm. Tiêu điểm. Tiêu diện

- Quang tâm: Là điểm O nằm chính giữa thấu kính mà mọi tia sáng qua O đều truyền thẳng.

- Trục chính: Là đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính.

- Trục phụ: Là các đường thẳng khác (không phải trục chính) đi qua quang tâm O.

- Tiêu điểm ảnh

+ Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính hội tụ thì cho chùm tia ló hội tụ tại một điểm F’ nằm trên trục chính. Điểm F’ gọi là tiêu điểm ảnh chính của thấu kính.

Lưu ý: Chỉ có duy nhất một tiêu điểm ảnh chính.

+ Chùm tia tới song song với trục phụ của thấu kính hội tụ thì cho chùm tia ló hội tụ tại một điểm F’_n nằm trên trục phụ. Điểm F’_n là tiêu điểm ảnh phụ của thấu kính (n = 1, 2, 3…).

Lưu ý: Có vô số tiêu điểm ảnh phụ

+ Các tiêu điểm ảnh của thấu kính hội tụ là tiêu điểm ảnh thật vì hứng được trên màn.

- Tiêu điểm vật:

+ Tiêu điểm vật chính F là điểm nằm trên trục chính, đối xứng với F’ qua quang tâm O. Khi chùm tia tới xuất phát từ F sẽ cho chùm tia ló song song với trục chính.

+ Tiêu điểm vật phụ F_n (n = 1, 2, 3…) là điểm nằm trên trục phụ, đối xứng với F’_n qua quang tâm O. Chùm tia tới xuất phát từ F_n sẽ cho chùm tia ló song song với trục phụ.

- Vị trí của tiêu điểm ảnh hoặc tiêu điểm vật phụ thuộc vào chiều truyền ánh sáng.

- Theo chiều truyền ánh sáng, tiêu điểm ảnh của thấu kính hội tụ nằm phía sau thấu kính, tiêu điểm vật nằm phía trước thấu kính.

- Tiêu diện

+ Tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính và qua tiêu điểm chính.

+ Mỗi thấu kính có hai tiêu diện: Tiêu diện ảnh và tiêu diện vật

b. Tiêu cự. Độ tụ

- Tiêu cự của thấu kính: f = $\overline{OF\text{'}}$

Quy ước đối với thấu kính hội tụ: f  > 0 (ứng với tiêu điểm ảnh F’ thật).

- Độ tụ của thấu kính: $D=\frac{1}{f}$

Trong đó:

+ f là tiêu cực (m).

+ D là độ tụ (dp).

3. Khảo sát thấu kính phân kì

a. Quang tâm. Tiêu điểm. Tiêu diện

- Quang tâm, trục chính, trục phụ của thấu kính phân kì tương tự như thấu kính hội tụ

- Tiêu điểm ảnh

+ Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính phân kì thì có đường kéo dài của chùm tia ló hội tụ tại một điểm F’ nằm trên trục chính. Điểm F’ gọi là tiêu điểm ảnh chính của thấu kính.

Lưu ý: Chỉ có duy nhất một tiêu điểm ảnh chính.

+ Chùm tia tới song song với trục phụ của thấu kính phân kì thì có đường kéo dài của chùm tia ló hội tụ tại một điểm F’_n nằm trên trục phụ. Điểm F’_n là tiêu điểm ảnh phụ của thấu kính (n = 1, 2, 3…).

Lưu ý: Có vô số tiêu điểm ảnh phụ

- Tiêu điểm vật

+ Tiêu điểm vật chính F là điểm nằm trên trục chính, đối xứng với F’ qua quang tâm O. Khi đường kéo dài của chùm tia tới xuất phát từ F sẽ cho chùm tia ló song song với trục chính.

+ Tiêu điểm vật phụ F_n (n = 1, 2, 3…) là điểm nằm trên trục phụ, đối xứng với F’_n qua quang tâm O. Chùm tia tới xuất phát từ F_n sẽ cho chùm tia ló song song với trục phụ.

- Vị trí của tiêu điểm ảnh hoặc tiêu điểm vật phụ thuộc vào chiều truyền ánh sáng.

- Theo chiều truyền ánh sáng, tiêu điểm ảnh của thấu kính phân kì nằm phía trước thấu kính, tiêu điểm vật nằm phía sau thấu kính.

- Tiêu diện

- Các tiêu điểm và tiêu diện của thấu kính phân kì đều là ảo, được tạo bởi đường kéo dài của các tia sáng.

b. Tiêu cự. Độ tụ

- Tiêu cự của thấu kính: f = $\overline{OF\text{'}}$

Đối với thấu kính phân kì: f < 0 (ứng với tiêu điểm ảnh F’ ảo).

- Độ tụ của thấu kính: $D=\frac{1}{f}$

Trong đó:

+ f là tiêu cực (m).

+ D là độ tụ (dp).

4. Sự tạo ảnh bởi thấu kính

a. Khái niệm ảnh và vật trong Quang học

- Ảnh điểm là điểm đồng quy của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng.

+ Ảnh điểm là thật nếu chùm tia ló hội tụ.

+ Ảnh điểm là ảo nếu chùm tia ló phân kì.

- Vật điểm là điểm đồng quy của chùm tia tới hay đường kéo dài của chúng.

+ Vật điểm là thật nếu chùm tia tới là chùm phân kì.

+ Vật điểm là ảo nếu chùm tia tới là chùm hội tụ.

b. Cách dựng ảnh tạo bởi thấu kính

- Các tia đặc biệt:

+ Tia tới đi qua quang tâm O thì truyền thẳng.

+ Tia tới song song với trục chính thì tia ló hoặc đường kéo dài đi qua tiêu điểm ảnh chính F’.

+ Tia tới đi qua tiêu điểm vật chính F hoặc đường kéo dài đi qua F thì tia ló song song với trục chính.

- Tia bất kì:

+ Cách 1:

• Vẽ trục phụ song song với tia tới.

• Xác định tiêu điểm ảnh phụ.

• Tia ló (đường kéo dài) đi qua tiêu điểm ảnh phụ

+ Cách 2:

• Vẽ tiêu điểm vật phụ.

• Vẽ trục phụ đi qua tiêu điểm vật phụ đó.

• Tia ló song song với trục phụ.

- Xác định ảnh bằng cách vẽ đường đi của tia sáng.

c. Các trường hợp ảnh tạo bởi thấu kính

Xét vật thật:

5. Các công thức về thấu kính

- Quy ước:

+ $\overline{OA}$ = d  ( Vật thật: d > 0; vật ảo: d < 0 (không xét)).

+$\overline{OA\text{'}}$ = d' (Ảnh thật: d’ > 0; Ảnh ảo: d’ < 0).

- Chiều và độ lớn của ảnh được xác định bằng số phóng đại ảnh là k

$k=\frac{\overline{A\text{'}B\text{'}}}{\overline{AB}}$

+ k > 0: Vật và ảnh cùng chiều (trái tính chất).

+ k < 0: Vật và ảnh ngược chiều (cùng tính chất).

a. Công thức xác định vị trí ảnh

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

b. Công thức xác định số phóng đại ảnh

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

6. Công dụng của thấu kính

- Thấu kính có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống và trong khoa học.

- Khắc phục tật của mắt cận sử dụng thấu kính hội tụ; khắc phục tật mắt viễn và mắt lão sử dụng thấu kính hội tụ.

- Kính lúp dùng để quan sát các vật có kích thước nhỏ, có thể phóng đại hình ảnh vật từ 3 lần đến 20 lần.

- Máy ảnh, máy ghi hình (camera) sử dụng thấu kính hội tụ để thu được ảnh thật.

- Kính hiển vi để quan sát các vật có kích thước rất nhỏ, có thể phóng đại hình ảnh vật từ 40 đến 3000 lần.

- Kính thiên văn, ống nhòm giúp quan sát những vật ở xa.

- Máy quang phổ để quan sát và xác định các thành phần của một nguồn sáng.

- Đèn chiếu sử dụng thấu kính lõm để tạo ra các chùm sáng song song hoặc hội tụ.

Trắc nghiệm Vật Lí 11 Bài 29: Thấu kính mỏng

Câu 1. Trong không khí, thấu kính có một mặt cầu lồi, một mặt cầu lõm là

A. thấu kính hội tụ.

B. thấu kính phân kì.

C. có thể là thấu kính hội tụ hoặc thấu kính phân kì.

D. chỉ xác định được loại thấu kính nếu biết chiết suất thấu kính.

Câu 2. 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. Ảnh của vật qua thấu kính phân kì là ảnh thật.

Câu 3. Một vật sáng phẳng đặt trước một thấu kính, vuông góc với trục chính. Ảnh của vật tạo bởi thấu kính bằng ba lần vật. Dời vật lại gần thấu kính một đoạn. Ảnh của vật ở vị trí mới vẫn bằng ba lần vật. Có thể kết luận gì về loại thấu kính?

A. Thấu kính là hội tụ.

B. Thấu kính là 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.

Câu 4. Tia sáng truyền tới quang tâm của hai loại thấu kính hội tụ và phân kì đều:

A. truyền thẳng.                                                             

B. lệch về phía tiêu điểm chính ảnh.

C. song song với trục chính.                                           

D. hội tụ về tiêu điểm phụ ảnh.

Câu 5. Tiêu điểm ảnh của thấu kính có thể coi là:

A. điểm hội tụ của chùm tia ló.

B. ảnh của vật điểm ở vô cực trên trục tương ứng.

C. điểm kéo dài của chùm tia ló.

D. ảnh của vật điểm ở vô cực trên trục đối xứng qua quang tâm.

Câu 6. Khi đổi chiều ánh sáng truyền qua thấu kính thì:

A. ánh sáng không đi theo đường cũ.

B. ánh sáng bị hấp thụ hoàn toàn.

C. vị trí của các tiêu điểm ảnh và tiêu điểm vật đổi chỗ cho nhau.

D. vị trí của các tiêu diện ảnh và tiêu điểm vật không thay đổi.

Câu 7. Xét ảnh cho bởi thấu kính thì trường hợp nào sau đây là sai?

A. Với thấu kính phân kì, vật thật cho ảnh ảo.

B. Với thấu kính hội tụ L, vật cách L là d = 2f (f là tiêu cự) thì ảnh cũng cách L là 2f.

C. Với thấu kính hội tụ, vật thật luôn cho ảnh thật.

D. Vật ở tiêu diện vật thì ảnh ở xa vô cực.

Câu 8. Vị trí của vật và ảnh cho bởi thấu kính L trường hợp nào sau đây là sai?

A. Cho vật tiến lại gần L, ảnh di chuyển cùng chiều với vật.

B. Cho vật tiến ra xa L, ảnh di chuyển ngược chiều với vật.

C. Vật ở rất xa thì ảnh ở tiêu diện ảnh.

D. Ảnh ở rất xa thì vật ở tiêu diện vật.

Câu 9. Với kí hiệu trong sách giáo khoa, vị trí và tính chất ảnh của vật tạo bởi thấu kính được xác định bởi biểu thức:

A. $\frac{df}{d-f}$.              

B. $\frac{d\left(d-f\right)}{d+f}$.                            

C. $\frac{df}{d+f}$.                       

D. $\frac{f^2}{d+f}$.

Câu 10. Với kí hiệu trong sách giáo khoa, độ tụ của thấu kính là đại lượng có biểu thức:

A. $\frac{d}{d-f}$.                       

B. $\frac{1}{f}$.                                      

C. $\frac{f}{-d+f}$.                     

D. $\frac{f}{d-f}$.

Xem thêm các bài tổng hợp lý thuyết Vật lí lớp 11 đầy đủ, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 30: Giải bài toán về hệ thấu kính

Lý thuyết Bài 31: Mắt

Lý thuyết Bài 32: Kính lúp

Lý thuyết Bài 33: Kính hiển vi

Lý thuyết Bài 34: Kính thiên văn