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

I. Mục đích, dụng cụ và bố trí

Mục đích: xác định tiêu cự của một thấu kính hội tụ bằng một phép đo có thể thực hiện với vật sáng, màn và thước. Tiêu cự là khoảng cách từ quang tâm O đến tiêu điểm chính của thấu kính; trong bài thực hành dùng mô hình thấu kính mỏng đặt trong không khí.

1. Dụng cụ

• Một thấu kính hội tụ, giá đỡ và một màn hứng ảnh.
• Vật sáng có chiều cao đo được, chẳng hạn chữ F trên tấm trong mờ được chiếu bằng đèn.
• Giá quang học hoặc mặt bàn phẳng, thước có vạch chia phù hợp.
• Nguồn sáng và bộ cấp điện an toàn theo bộ dụng cụ của trường.

Đo chiều cao h của vật trước khi tìm ảnh. Chọn vật có hình không đối xứng trên – dưới để dễ nhận ra ảnh ngược chiều. Giảm ánh sáng nền vừa đủ để quan sát ảnh, nhưng vẫn phải đọc rõ thước.

2. Căn chỉnh và sử dụng dụng cụ

Đặt vật, thấu kính và màn theo thứ tự trên cùng một trục. Tâm vật và tâm vùng hứng ảnh cần gần trục chính của thấu kính; mặt vật và mặt màn vuông góc với trục. Cố định các giá đủ vững, đánh dấu vị trí quang tâm O trên thước và kiểm tra mốc đo trước khi lấy số liệu.

Cầm thấu kính ở mép, tránh chạm tay lên mặt quang học và không để kính rơi. Dùng đèn của bộ thí nghiệm; không nhìn Mặt Trời qua thấu kính, không hướng chùm sáng mạnh vào mắt. Việc nối nguồn điện thực hiện theo hướng dẫn của giáo viên.

II. Đo tiêu cự bằng phương pháp đối xứng

1. Điều kiện để dùng công thức

Di chuyển vật và màn để thu được ảnh thật rõ nét, ngược chiều và cao bằng vật. Trong mô hình thấu kính mỏng, khi đó vật và ảnh nằm cách quang tâm những khoảng bằng nhau:

$d=d^{\prime }=2f$.

Với d là khoảng cách từ vật đến O và d′ là khoảng cách từ O đến màn, khoảng cách giữa vật và màn bằng L = d + d′ = 4f. Vì vậy:

$f={\displaystyle \frac{d+d^{\prime }}{4}}={\displaystyle \frac{L}{4}}$.

Chỉ có ảnh rõ nét là chưa đủ. Ảnh rõ có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn vật ở những bố trí khác. Phải kiểm tra điều kiện ảnh cao bằng vật và bố trí đối xứng trước khi dùng công thức trên. Khi đo thật, h′ và h chỉ cần bằng nhau trong độ chính xác mà thước và việc quan sát cho phép.

Trên hình tia, vật ở vị trí cách O một đoạn 2f cho ảnh thật ngược chiều cũng cách O một đoạn 2f. Tia từ đỉnh vật đi qua O truyền thẳng; tia song song trục chính, sau thấu kính, đi qua tiêu điểm F′. Giao điểm hai tia xác định đỉnh ảnh.

2. Các bước thực hiện

1. Đo chiều cao h của vật, kiểm tra sự thẳng hàng của vật – thấu kính – màn và ghi vị trí O.
2. Giữ thấu kính cố định. Đặt vật và màn ở hai phía, có khoảng cách đến O bằng nhau; điều chỉnh chúng ra xa hoặc lại gần O những đoạn bằng nhau để tìm ảnh rõ.
3. Đo chiều cao ảnh h′ và so với h. Điều chỉnh nhỏ nếu ảnh chưa rõ hoặc chưa có chiều cao bằng vật trong giới hạn quan sát.
4. Ghi d, d′ và đơn vị. Nếu đọc tọa độ x trên giá quang học với chiều tăng từ vật đến màn, tính d = x_O − x_vật và d′ = x_màn − x_O.
5. Làm lại việc điều chỉnh và đo thêm hai lần; không chỉ chép lại kết quả lần đầu. Tính tiêu cự của mỗi lần và giá trị trung bình.

Đo d, d′ từ quang tâm, không tùy ý lấy mép đế giá hoặc mặt ngoài của hộp làm mốc. Khi đọc thước, đặt mắt theo hướng vuông góc mặt thước ở vạch cần đọc để hạn chế sai lệch do nhìn xiên.

3. Phân biệt với cách ước lượng bằng vật ở xa

Ánh sáng từ một vật rất xa tới thấu kính có thể xem gần như chùm song song. Khi hứng ảnh rõ của vật ấy, khoảng cách từ O đến màn xấp xỉ f. Đây là một cách ước lượng khác; ảnh của một vật ở gần hứng rõ trên màn không có nghĩa màn ở tiêu điểm. Trong bài này, kết quả chính được tính từ bố trí đối xứng.

III. Xử lí số liệu và báo cáo kết quả

Mỗi lần đo phải ghi điều kiện ảnh rõ và kiểm tra h′ so với h, cùng d và d′ theo cùng một đơn vị. Từ ba lần đo, tính:

$f_1={\displaystyle \frac{d_1+d_1^{\prime }}{4}},f_2={\displaystyle \frac{d_2+d_2^{\prime }}{4}},f_3={\displaystyle \frac{d_3+d_3^{\prime }}{4}}$.

$f_{\text{tb}}={\displaystyle \frac{f_1+f_2+f_3}{3}}={\displaystyle \frac{d_{\text{tb}}+d_{\text{tb}}^{\prime }}{4}}$.

Bảng sau dùng số liệu giả định để luyện cách tính, không phải kết quả đo của một lớp học. Các ảnh đã được kiểm tra rõ và cao bằng vật trong độ chính xác của phép quan sát.

Trung bình của ba giá trị tiêu cự trong bảng là 10,0 cm. Kết quả đo cần có đơn vị và số chữ số phù hợp với độ chia của dụng cụ; không thêm nhiều chữ số thập phân để tạo cảm giác chính xác hơn số liệu thực tế.

1. Nhận xét sai lệch

• Ảnh mờ, ảnh chưa bằng vật hoặc hệ chưa thẳng hàng có thể làm việc xác định vị trí thiếu chính xác.
• Đọc vạch theo hướng xiên và dùng mốc đo không nhất quán làm các khoảng cách ghi được sai lệch.
• Lặp lại và lấy trung bình giúp giảm ảnh hưởng của những dao động ngẫu nhiên; không tự động loại bỏ lỗi có hệ thống, chẳng hạn một thước bị sai độ chia.
• Nếu một lần khác hẳn các lần còn lại, cần kiểm tra cách đặt dụng cụ và cách đọc rồi đo lại, lưu nhận xét rõ ràng; không tự sửa số liệu cho giống một giá trị mong đợi.

2. Những nội dung cần có trong báo cáo

Nêu mục đích; liệt kê dụng cụ; mô tả bố trí và điều kiện ảnh bằng vật; trình bày bảng số liệu có đơn vị; ghi công thức, phép tính và tiêu cự trung bình; nhận xét điểm còn hạn chế và cách cải thiện. Sau khi đo, tắt nguồn, thu dọn dụng cụ và đặt thấu kính vào nơi bảo quản.

Câu tự kiểm 1

Vật cao 2 cm cho ảnh rất rõ cao 3 cm trên màn. Bạn lấy ngay một phần tư khoảng cách vật – màn làm tiêu cự. Cách làm đó đã đủ điều kiện chưa?

Câu tự kiểm 2

Quang tâm O ở vạch 18 cm và màn ở vạch 42 cm. Khoảng cách d′ là 42 cm hay 24 cm? Có thể từ riêng d′ này kết luận f chưa?