Sách bài tập KHTN 9 Bài 9 (Kết nối tri thức): Thực hành đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

Giải SBT KHTN 9 Bài 9: Thực hành đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

Bài 9.1 trang 25 Sách bài tập KHTN 9: Hình 9.1 mô tả bộ dụng cụ thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ.

Hãy ghép các số tương ứng với dụng cụ trên hình vào tên gọi dưới đây:

a) Màn chắn sáng bằng nhựa cứng màu đen có lỗ mang hình chữ F.

b) Màn ảnh bằng nhựa trắng mờ.

c) Giá quang học.

d) Nguồn điện, dây dẫn.

e) Thấu kính hội tụ.

Lời giải:

a – (2); b – (4); c – (5); d – (6); e – (3).

Bài 9.2 trang 25 Sách bài tập KHTN 9: Dựng ảnh A'B' của một vật AB có độ cao h, đặt vuông góc với trục chính của thấu kính hội tụ và cách thấu kính một khoảng d = 2f (f là tiêu cự của thấu kính) (Hình 9.2).

a) Dựa vào hình vẽ để chứng minh rằng trong trường hợp này, khoảng cách từ ảnh đến thấu kính và khoảng cách từ vật đến thấu kính bằng nhau.

b) So sánh độ cao h' của ảnh A'B' với độ cao h của vật AB.

c) Gọi d' là khoảng cách từảnh của vật đến thấu kính. Chứng minh công thức tính tiêu cự trong trường hợp này: $f=\frac{d+d^{\text{'}}}{4}$

Lời giải:

Ta có hình vẽ:

a) Từ hình vẽ trên, ta có: BI = AO = 2f = 2OF’, do vậy OF’ là đường trung bình của $\Delta B^{\text{'}}BI.$

Suy ra OB = OB’.

Mặt khác $\stackrel{}{\widehat{BOA}}=\stackrel{}{\widehat{B^{\text{'}}OA}}$(hai góc đối đỉnh), $AB\perp AO;A^{\text{'}}{B}^{\text{'}}\perp O{A}^{\text{'}}.$

Do vậy: $\Delta ABO=\Delta A^{\text{'}}{B}^{\text{'}}O$ (cạnh huyền và một góc nhọn bằng nhau)

Suy ra OA = OA’.

b) Ảnh có kích thước bằng vật: AB = A’B’ hay h = h’.

c) Công thức tính tiêu cự trong trường hợp này:

Vì OA’=OA = 2f $\Rightarrow d^{\text{'}}=d=2f\Rightarrow f=\frac{d+d^{\text{'}}}{4}.$

Bài 9.3 trang 26 Sách bài tập KHTN 9: Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để có một phương án đo tiêu cự f đầy đủ căn cứ trên kết quả tính ở câu 9.2.

Lời giải:

1 – b; 2 – a; 3 – d; 4 – c; 5 – e.

Bài 9.4 trang 26 Sách bài tập KHTN 9: Giả sử kết quả thí nghiệm theo phương án của câu 9.3 như bảng dưới đây:

Hãy trình bày bản báo cáo thực hành theo mẫu dưới đây.

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Họ và tên:... Lớp: ...

1. Mục đích thí nghiệm

Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.

2. Chuẩn bị

Dụng cụ thí nghiệm:...

3. Các bước tiến hành

Mô tả các bước tiến hành:…

4. Kết quả thí nghiệm

Hoàn thành bảng ghi kết quả thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ.

Từ kết quả thu được thực hiện các yêu cầu sau:

a) Nhận xét về chiều cao của vật và chiều cao của ảnh.

b) Tính giá trị trung bình của tiêu cự thấu kính hội tụ. So sánh giá trị này với số liệu tiêu cự ghi trên thấu kính.

Lời giải:

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Họ và tên:... Lớp: ...

1. Mục đích thí nghiệm

Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.

2. Chuẩn bị

Dụng cụ thí nghiệm:

a) Màn chắn sáng bằng nhựa cứng màu đen có lỗ mang hình chữ F.

b) Màn ảnh bằng nhựa trắng mờ.

c) Giá quang học.

d) Nguồn điện, dây dẫn.

e) Thấu kính hội tụ.

3. Các bước tiến hành

Mô tả các bước tiến hành:

a) Đo chiều cao h của vật hình chữ F (hoặc L).

b) Bố trí thí nghiệm như Hình 9.1. Đặt vật và màn ảnh sát thấu kính. Xê dịch đồng thời vật và màn ảnh ra xa dần thấu kính những khoảng cách bằng nhau cho đến khi thu được một ảnh rõ nét cao bằng vật. Lúc này ta sẽ có d = d' =2f và d + d' = 4f.

c) Đo chiều cao h' của ảnh, đo khoảng cách từ vật đến màn ảnh.

d) Tính tiêu cự của thấu kính theo công thức: $f=\frac{d+d^{\text{'}}}{4}$

e) Thực hiện đo 5 lần và tính giá trị trung bình của tiêu cự f.

4. Kết quả thí nghiệm

a) Chiều cao của vật và chiều cao của ảnh xấp xỉ bằng nhau.

b) Giá trị trung bình của tiêu cự thấu kính hội tụ:

$\overline{f}=\frac{50,00+49,75+50,25+50,50+49,50}{5}=50,10cm$

Học sinh tự so sánh giá trị này với số liệu tiêu cự ghi trên thấu kính.

Bài 9.5 trang 27 Sách bài tập KHTN 9: Thực nghiệm cho thấy, với bộ dụng cụ thí nghiệm như Hình 9.1. Khi đã thu được ảnh của vật rõ nét trên màn, nếu giữ cố định khoảng cách giữa vật và màn rồi di chuyển thấu kính trong khoảng giữa vật và màn, người ta sẽ thu được một vị trí nữa của thấu kính cũng cho ảnh rõ nét trên màn như Hình 9.3.

Gọi$\mathcal{l}$ là khoảng cách giữa hai vị trí của thấu kính đếu cho ảnh rõ nét trên màn và L là khoảng cách giữa vật và màn. Hãy chứng minh công thức: $f=\frac{L^2-{\mathcal{l}}^2}{4.L}$

Lời giải:

Ta có: d + d’ = L; $d^{\text{'}}=\frac{df}{d-f}\Rightarrow d^2-Ld+Lf=0$, đây là phương trình bậc hai đối với ẩn d. Để có hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn thì phương trình có hai nghiệm phân biệt (tức là có hai giá trị của d) thì $\Delta =L^2-4Lf>0\Rightarrow L>4f.$

Vị trí 1: d₁ = d; $d_1^{\text{'}}=d^{\text{'}}$

Vị trí 2: d₂, $d_2^{\text{'}}$

Do tính chất đối xứng, vật và ảnh có thể đổi chỗ cho nhau nên ta có:

$\left\{\begin{array}{c}{d}_2=d_1^{\text{'}}=d^{\text{'}}\\ d_2^{\text{'}}=d_1=d\end{array}\Rightarrow \left\{\begin{array}{c}d+d^{\text{'}}=L\\ d^{\text{'}}=d+\mathcal{l}\end{array}\Rightarrow d=\frac{L-\mathcal{l}}{2};d^{\text{'}}=\frac{L+\mathcal{l}}{2}\right.\right.$

Thay d và d’ vào công thức: $f=\frac{{\text{dd}}^{\text{'}}}{d+d^{\text{'}}}$, ta được: $f=\frac{L^2-{\mathcal{l}}^2}{4.L}$

Bài 9.6 trang 28 Sách bài tập KHTN 9: Từ kết quả tính toán từ câu 9.5, hãy thiết kế một phương án thí nghiệm sử dụng Bộ dụng cụ thí nghiệm Hình 9.1 để đo tiêu cự của thấu kính hội tụ.

Lời giải:

Học sinh có thể thiết kế phương án thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ theo kết quả tính toán của câu 9.5 như sau:

- Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 9.1. Đặt vật và màn ảnh hai bên thấu kính, cách thấu kính một khoảng L > 4f, đo khoảng cách L. Giữ nguyên khoảng cách L, xê dịch thấu kính trong khoảng giữa vật và màn ảnh cho đến khi thu được một ảnh rõ nét trên màn. Đánh dấu vị trí thứ nhất của thấu kính (O₁).

- Bước 2: Vẫn giữ nguyên khoảng cách L và tiếp tục xê dịch thấu kính trong khoảng giữa vật và màn ảnh cho đến khi thu được một lần nữa ảnh cho rõ nét trên màn. Đánh dấu vị trí thứ hai của thấu kính (O₂).

- Bước 3: Đo khoảng cách O₁O₂ = $\mathcal{l}$.

- Bước 4: Tính tiêu cự của thấu kính theo công thức: $f=\frac{L^2-{\mathcal{l}}^2}{4.L}$