KHTN 9 Bài 8: Thấu kính

I. Cấu tạo và phân loại thấu kính

Thấu kính là một khối chất trong suốt có các mặt khúc xạ được tạo hình để làm thay đổi đường truyền ánh sáng. Thấu kính đơn giản thường được giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt cong và một mặt phẳng.

Trong bài này, xét thấu kính mỏng bằng thủy tinh hoặc nhựa đặt trong không khí, vật thật ở trước kính và các tia gần trục chính:

• Thấu kính hội tụ: phần giữa dày hơn phần rìa. Chùm tia tới song song với trục chính trở thành chùm tia ló hội tụ.
• Thấu kính phân kì: phần giữa mỏng hơn phần rìa. Chùm tia tới song song với trục chính trở thành chùm tia ló phân kì.

Có thể hình dung thấu kính gồm nhiều lăng kính nhỏ. Với thấu kính hội tụ, đáy của các lăng kính tương đương hướng về trục chính, nên tia sáng lệch về phía trục. Với thấu kính phân kì, các đáy hướng ra xa trục chính, làm tia sáng lệch ra xa. Đây là cách giải thích định tính tác dụng khúc xạ của thấu kính.

Khi nhận dạng, phối hợp quan sát độ dày giữa–rìa với tác dụng lên chùm tia song song. Không suy luận rằng cứ là thấu kính thì luôn phóng to ảnh.

II. Quang tâm, tiêu điểm và các tia đặc biệt

Quang tâm O là điểm mà tia sáng đi qua đó được coi là truyền thẳng trong mô hình thấu kính mỏng. Trục chính là đường thẳng qua O và vuông góc với mặt phẳng biểu diễn thấu kính. Hai tiêu điểm chính nằm trên trục, ở hai phía và cách O một khoảng bằng nhau.

Trong các hình vẽ ở đây, vật đặt bên trái, gọi tiêu điểm bên trái là F, bên phải là F′. Tiêu cự f = OF = OF′ là độ dài từ quang tâm đến một tiêu điểm; vì thế khoảng cách FF′ = 2f. Ta dùng f là độ dài dương, kể cả khi mô tả thấu kính phân kì.

• Qua quang tâm: tia tới đi qua O tiếp tục truyền thẳng, với cả hai loại thấu kính.
• Song song trục chính qua kính hội tụ: tia ló đi qua F′ ở phía bên kia kính.
• Song song trục chính qua kính phân kì: tia ló đi ra xa trục; đường kéo dài ngược của tia ló đi qua F ở phía tia tới.
• Tia đi qua F trước kính hội tụ: tia ló song song trục chính. Với kính phân kì, tia tới hướng về tiêu điểm bên kia kính cho tia ló song song trục chính.

Phải phân biệt tia sáng thật với đường kéo dài. Tia thật vẽ nét liền, có mũi tên chỉ chiều truyền; đường kéo dài để dựng ảnh vẽ nét đứt, không biểu diễn ánh sáng đang truyền ngược.

III. Dựng ảnh và nhận biết đặc điểm ảnh

Để dựng ảnh của điểm B ngoài trục chính, vẽ hai tia từ cùng điểm B: một tia qua O và một tia song song trục chính. Xác định hai tia ló theo quy tắc. Nếu hai tia ló thật gặp nhau, giao điểm là B′ của ảnh thật; nếu chỉ các đường kéo dài của chúng gặp nhau, giao điểm là B′ của ảnh ảo.

Với vật AB vuông góc trục chính, A trên trục: dựng B′ rồi hạ vuông góc từ B′ xuống trục để được A′. Ảnh A′B′ là ảnh của vật AB. Ảnh thật hứng được rõ trên màn đặt đúng vị trí. Ảnh ảo không hứng trực tiếp được trên màn, nhưng mắt vẫn có thể nhìn thấy khi nhìn qua kính.

Gọi d = OA là khoảng cách từ vật đến kính. Với thấu kính hội tụ:

• d > 2f: ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật; ảnh nằm giữa F′ và 2F′.
• d = 2f: ảnh thật, ngược chiều, bằng vật; ảnh cách kính 2f.
• f < d < 2f: ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật; ảnh ở ngoài 2F′.
• d = f: chùm tia ló của mỗi điểm vật là chùm song song, không cho ảnh tại một vị trí hữu hạn.
• 0 < d < f: ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật, nằm cùng phía với vật.

Với thấu kính phân kì và vật thật, ảnh luôn là ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật; ảnh nằm cùng phía với vật, giữa O và tiêu điểm F. Những kết luận này không được mở rộng tùy ý sang hệ nhiều thấu kính hoặc vật ảo.

Trong mô hình máy ảnh, thấu kính hội tụ tạo ảnh thật, ngược chiều của cảnh vật lên cảm biến; với cảnh vật ở xa, ảnh thường nhỏ hơn vật. Kính lúp dùng một trường hợp khác: vật nằm trong khoảng tiêu cự của kính hội tụ để cho ảnh ảo phóng đại.

Câu tự kiểm 1

Một bạn nói: “Ảnh ảo không hứng được trên màn nên mắt cũng không nhìn thấy”. Ý kiến đó đúng không?

Câu tự kiểm 2

Vật AB đặt vuông góc trục chính của kính hội tụ, A đúng tại tiêu điểm trước. Vì sao dịch màn đến nhiều vị trí vẫn không được ảnh rõ?