Nhận định nào là đúng về tiêu điểm chính của thấu kính?

1. Nhận định nào là đúng về tiêu điểm chính của thấu kính?

– Câu hỏi: Nhận định nào là đúng về tiêu điểm chính của thấu kính?

A. Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính phân kì nằm trước thấu kính.

B. Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính hội tụ nằm trước thấu kính.

C. Tiêu điểm vật chính của thấu kính phân kì nằm trước thấu kính.

D. Tiêu điểm vật chính của thấu kính hội tụ nằm sau thấu kính.

– Đáp án: A. Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính phân kì nằm trước thấu kính.

– Giải thích: 

+ Thấu kính phân kì là loại thấu kính có độ cong nhỏ ở giữa và lớn ở hai đầu, có dạng như một cái đĩa bị lõm vào trong. Khi ánh sáng từ một vật đến thấu kính phân kì, các tia sáng sẽ bị gãy khúc ra hai bên, tạo ra một ảnh ảo nhỏ hơn vật và nằm trước thấu kính.

+ Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính phân kì là điểm mà các tia sáng song song với trục chính sau khi qua thấu kính sẽ cắt nhau khi kéo dài ngược lại. Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính phân kì luôn nằm trước thấu kính và cách trục chính một khoảng bằng tiêu cự âm của thấu kính.

+ Tiêu điểm vật chính của thấu kính phân kì là điểm mà các tia sáng từ một vật sau khi qua thấu kính sẽ song song với trục chính. Tiêu điểm vật chính của thấu kính phân kì không tồn tại trong không gian vật lý, mà chỉ là một khái niệm lý thuyết để xác định tiêu cự và độ lớn của ảnh.

+ Thấu kính hội tụ là loại thấu kính có độ cong lớn ở giữa và nhỏ ở hai đầu, có dạng như một cái đĩa bị lồi ra ngoài. Khi ánh sáng từ một vật đến thấu kính hội tụ, các tia sáng sẽ bị gãy khúc về phía trục chính, tạo ra một ảnh có thể là ảo hoặc thật, có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn vật và có thể nằm trước hoặc sau thấu kính tùy vào vị trí của vật.

+ Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính hội tụ là điểm mà các tia sáng song song với trục chính sau khi qua thấu kính sẽ cắt nhau. Tiêu điểm ảnh chính của thấu kính hội tụ luôn nằm sau thấu kính và cách trục chính một khoảng bằng tiêu cự dương của thấu kính.

+ Tiêu điểm vật chính của thấu kính hội tụ là điểm mà các tia sáng từ một vật sau khi qua thấu kính sẽ song song với trục chính. Tiêu điểm vật chính của thấu kính hội tụ luôn nằm trước thấu kính và cách trục chính một khoảng bằng tiêu cự dương của thấu kính.

+ Tiêu điểm chính của thấu kính là điểm mà chùm tia sáng tới song song trục chính của thấu kính cho chùm tia ló hội tụ tại điểm đó. Thấu kính hội tụ có hai tiêu điểm chính, một bên trước và một bên sau thấu kính, được ký hiệu là F và F’. Khoảng cách từ quang tâm O đến tiêu điểm chính gọi là tiêu cự của thấu kính, được ký hiệu là f. Tiêu cự của thấu kính hội tụ luôn dương và bằng nhau ở hai bên: OF = OF’ = f. Tiêu điểm chính có vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí và kích thước của ảnh do thấu kính hội tụ tạo ra. Ngoài tiêu điểm chính, thấu kính hội tụ còn có tiêu điểm phụ, là hình chiếu vuông góc của F và F’ lên trục phụ. Tiêu điểm phụ cũng luôn đối xứng qua quang tâm O.

2. Tiêu điểm của thấu kính hội tụ:

Có hai loại ống kính chúng ta sẽ tập trung vào. Loại thứ nhất là thấu kính hội tụ, hội tụ ánh sáng khi khúc xạ tương tự như gương lõm hội tụ ánh sáng khi phản xạ. 

Khi ánh sáng tới song song phát ra từ một vật ở xa hoặc tia laser khúc xạ qua thấu kính, tất cả các tia đều hội tụ về một điểm duy nhất, tiêu điểm của thấu kính. Bạn có thể thấy điều này phát sinh như thế nào từ sự khúc xạ bằng cách theo dõi sự bẻ cong của tia hai lần. Có hai hiện tượng khúc xạ xảy ra, các tia đầu tiên truyền từ không khí đến vật liệu giống thủy tinh làm bẻ cong ánh sáng về phía pháp tuyến. Sự khúc xạ thứ hai xảy ra ở ranh giới thứ hai khi tia bên trong thấu kính khúc xạ trở lại không khí, lần này bị bẻ cong ra khỏi pháp tuyến khi nó truyền từ vật liệu có chiết suất cao hơn đến chiết suất thấp hơn. Hình dạng lồi đặc biệt này làm cho tất cả các tia hội tụ về một điểm ở phía bên kia của thấu kính.

Không giống như gương có một mặt phản chiếu, thấu kính đối xứng hoàn hảo. Nói cách khác, nếu lấy thấu kính ở trên và xoay nó 180 độ, các tia sẽ hội tụ về cùng một tiêu điểm. Điều đó tương đương với việc gửi các tia từ một vật ở xa nằm ở bên phải thấu kính, thì tia đó sẽ hội tụ đến một điểm ở bên trái, cùng khoảng cách với thấu kính như tiêu điểm ở bên phải. Do đó, không giống như gương có một tiêu điểm duy nhất, thấu kính có hai tiêu điểm ở mỗi bên của thấu kính.

Để đơn giản hóa việc áp dụng khúc xạ hai lần, tại mỗi ranh giới, chúng ta sử dụng phép tính gần đúng thấu kính mỏng, giả sử rằng thấu kính cực kỳ mỏng so với tất cả các khoảng cách khác có liên quan. Vì vậy, chúng ta có thể giả sử rằng khúc xạ chỉ xảy ra một lần. Dưới đây là ký hiệu mà chúng ta sử dụng để biểu diễn thấu kính hội tụ trong phép tính gần đúng thấu kính mỏng.

Bây giờ sử dụng phương pháp dò tia để xác định loại hình ảnh mà gương hội tụ tạo ra. Đối với gương, chúng ta thiết lập ba tia nguyên lý cho thấu kính hội tụ.

Ba tia nguyên lý là:

– Nguyên lý tia số 1: Tia tới song song với trục chính sẽ khúc xạ qua tiêu điểm xa.

– Nguyên lý tia sáng số 2: Tia tới đi qua tiêu điểm gần sẽ khúc xạ song song với trục quang học.

– Nguyên lý tia sáng số 3: Tia tới đi qua tâm cong sẽ đi theo đường thẳng khi đi qua thấu kính.

3. Tiêu điểm của thấu kính phân kỳ:

Tương tự như gương cầu lồi, là một thấu kính phân kỳ, còn được gọi là thấu kính lõm. Khi các tia tới song song khúc xạ qua một thấu kính lõm, chúng sẽ phân kỳ ra xa nhau ở phía bên kia của thấu kính. Tuy nhiên, khi dò ngược lại phía thấu kính nơi các tia tới, chúng ta thấy chúng gặp nhau tại một điểm cụ thể. Do đó, đối với thấu kính phân kỳ, tiêu điểm là ảo và sẽ âm, f<0, giống như tiêu điểm của gương cầu lồi. Đối với thấu kính hội tụ, thấu kính phân kỳ có hai tiêu điểm, mỗi tiêu điểm ở một bên của thấu kính.

Ký hiệu cho sự gần đúng của thấu kính mỏng của thấu kính phân kỳ được thể hiện trong hình bên dưới.

Khi giả sử xấp xỉ thấu kính mỏng chỉ xét khúc xạ một lần. Ba tia nguyên lý của thấu kính phân kỳ là:

– Nguyên lý tia số 1: Tia tới song song với trục quang học sẽ khúc xạ ra xa tiêu điểm ở gần.

– Nguyên lý tia số 2: Tia tới đi về phía tiêu điểm xa sẽ khúc xạ song song với trục chính.

– Nguyên lý tia sáng số 3: Tia tới đi qua tâm cong sẽ đi theo đường thẳng khi đi qua thấu kính.

4. Bài tập về tiêu điểm chính của thấu kính:

Bài 1: Cho thấu kính hội tụ có độ cong của hai mặt là R1 = 20 cm và R2 = -30 cm. Tính tiêu cự của thấu kính biết nhiệt độ không khí là 20°C và chỉ số khúc xạ của thấu kính là 1,5.

Lời giải:

Theo công thức tiêu cự của thấu kính hội tụ, ta có:

1/f = (n – 1) * (1/R1 – 1/R2)

Thay các giá trị vào công thức, ta được:

1/f = (1,5 – 1) * (1/0,2 – 1/-0,3)

=> f = 0,12 m

Vậy tiêu cự của thấu kính là 0,12 m.

Bài 2: Cho thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 15 cm. Đặt một vật sáng AB cách thấu kính 30 cm. Vẽ sơ đồ quang học và xác định vị trí, kích thước và tính chất của ảnh.

Lời giải:

Theo công thức quang học của thấu kính hội tụ, ta có:

1/f = 1/v + 1/u

Thay các giá trị vào công thức, ta được:

1/0,15 = 1/v + 1/0,3

=> v = 0,3 m

Vậy vị trí của ảnh là cách thấu kính 0,3 m về phía bên phải.

Để xác định kích thước của ảnh, ta dùng công thức:

A’B’/AB = v/u

Thay các giá trị vào công thức, ta được:

A’B’/AB = 0,3/0,3

=> A’B’ = AB

Vậy kích thước của ảnh bằng kích thước của vật.

Để xác định tính chất của ảnh, ta dùng quy tắc:

Nếu v > f thì ảnh thu được là nghịch đảo, rõ nét và thu nhỏ.

Nếu v < f thì ảnh thu được là thuận đảo, mờ và phóng to.

Nếu v = f thì không có ảnh.

Trong trường hợp này, v > f nên ảnh thu được là nghịch đảo, rõ nét và thu nhỏ.

Bài 3: Cho một ngọn đèn sáng O cách một tấm gương phẳng PQ một khoảng d. Đặt một thấu kính hội tụ có tiêu cự f giữa ngọn đèn và tấm gương sao cho ngọn đèn cách thấu kính một khoảng u. Tìm vị trí của các điểm ánh sáng trên tia phản xạ từ tấm gương khi u lần lượt bằng f/2; f; 2f.

Lời giải:

Khi u = f/2, ánh sáng từ ngọn đèn sau khi qua thấu kính sẽ tạo thành một chùm tia song song. Chùm tia này sau khi phản xạ từ tấm gương sẽ tạo ra một điểm ánh sáng ảo O’ cách tấm gương một khoảng d + f/2.

Khi u = f, ánh sáng từ ngọn đèn sau khi qua thấu kính sẽ tạo ra một điểm ánh sáng O’ trùng với tiêu điểm bên phải của thấu kính. Điểm ánh sáng này cách thấu kính một khoảng f và cách tấm gương một khoảng d + f.

Khi u = 2f, ánh sáng từ ngọn đèn sau khi qua thấu kính sẽ tạo ra một ảnh O’ cách thấu kính một khoảng 2f và bằng kích thước với ngọn đèn. Ảnh này sau khi phản xạ từ tấm gương sẽ tạo ra một điểm ánh sáng ảo O” cách tấm gương một khoảng d + 2f và bằng kích thước với ảnh O’.