TIÊU TRẮC ĐO TIÊU CỰ TKHT VÀ TKPK

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 5 TIÊU TRẮC 1 Mục đích Khảo sát sự tạo ảnh của vật qua các thấu kính mỏng và thực hành các cách đo tiêu cự các thấu kính mỏng 2 Giới thiệu chung Thấu kí.

THÍ NGHI M V T LÝ Đ I C Ệ Ậ Ạ ƯƠ NG 2

PH N CHU N B Ầ Ẩ Ị BÀI 5: TIÊU TR C Ắ

1 M c đích ụ

Kh o sát s t o nh c a v t qua các th u kính m ng và th c hành các ả ự ạ ả ủ ậ ấ ỏ ự cách đo tiêu c các th u kính m ng.ự ấ ỏ

2 Gi i thi u chung ớ ệ

Th u kính là m t môi trấ ộ ường trong su t có chi t su t ố ế ấ n được gi i h n b iớ ạ ở

2 m t c u khúc x đ t cách nhau m t kho ng ặ ầ ạ ặ ộ ả d Th u kính đấ ược coi là m ng,ỏ

n u b dày ế ề d c a th u kính r t nh so v i kính thủ ấ ấ ỏ ớ ước c a bán kính m t c uủ ặ ầ (Nguy n Tr n Trác, 2005) Th u kính m ng chia thành 2 d ng c b n là th uễ ầ ấ ỏ ạ ơ ả ấ kính h i t (TKHT) và th u kính phân kỳ (TKPK) Bài thí nghi m ti n hành kh oộ ụ ấ ệ ế ả sát nh t o b i TKHT, TKPK và xác đ nh tiêu c c a các th u kính b ng nhi uả ạ ở ị ự ủ ấ ằ ề

phương pháp khác nhau

Các d ng c thí nghi m chính đụ ụ ệ ượ ử ục s d ng trong bài bao g m:ồ

1 V t sáng ch L ậ ữ

2 Thước đo 1 mét

3 Các giá mang th u kính, gấ ương, màn

4 Các th u kính.ấ

3 Tóm t t lý thuy t ắ ế

3.1 Nh c l i m t s đ c đi m c a th u kính h i t và phân kỳ ắ ạ ộ ố ặ ể ủ ấ ộ ụ

TKHT (còn g i là th u kính rìa m ng) là th u kính mà chùm tia sáng song ọ ấ ỏ ấ song sau khi đi qua kính sẽ được h i t t i 1 tâm nh t đ nh tùy theo hình d ng ộ ụ ạ ấ ị ạ

c a th u kính TKPK (còn g i là th u kính rìa dày) là th u kính mà chùm tia sángủ ấ ọ ấ ấ song song sau khi đi qua th u kính sẽ b phân tán ra.ấ ị

Hình 5.1 Hình nh các lo i th u kính và đả ạ ấ ường truy n tia sáng qua các lo i th uề ạ ấ

kính

Đ c đi m c a các chùm tia sáng đ c bi t khi qua TKHT: ặ ể ủ ặ ệ

+ Tia t i th u kính qua tiêu đi m v t F thì tia ló qua th u kính sẽ song ớ ấ ể ậ ấ song v i quang tr c ớ ụ

+ Tia t i song song v i quang tr c thì tia ló qua th u kính sẽ đi qua tiêu ớ ớ ụ ấ

đi m nh F’ ể ả

+ Tia t i qua quang tâm O thì tia ló qua th u kính sẽ truy n th ng ớ ấ ề ẳ

Đ c đi m c a các chùm tia sáng đ c bi t khi qua TKPK: ặ ể ủ ặ ệ

+ Tia t i song song quang tr c khi đi qua th u kính thì tia ló sẽ phân kỳ ớ ụ ấ

và ph n kéo dài đi qua tiêu đi m nh F’ ầ ể ả

+ Ngượ ạc l i nh ng tia t i là nh ng tia h i t , đi m h i t đúng tiêu ữ ớ ữ ộ ụ ể ộ ụ

đi m v t, thì khi ló ra kh i th u kính sẽ song song v i quang tr c.ể ậ ỏ ấ ớ ụ

3.2 Các ph ươ ng pháp xác đ nh tiêu c th u kính h i t ị ự ấ ộ ụ

a Ph ươ ng pháp t chu n ự ẩ

Khi v t sáng S đ t cách th u kính m t kho ng b ng tiêu c ậ ặ ấ ộ ả ằ ự f thì cho nh S’ả

vô cùng, do đó không th h ng đ c nh trên màn

Khi đ t sau TKHT m t gặ ộ ương ph ng, do tính ch t ph n x , nh cu i c a ẳ ấ ả ạ ả ố ủ S’ l i hi n rõ trên m t ph ng v t S.ạ ệ ặ ẳ ậ

Hình 5.2 Minh h a c s lý thuy t c a phọ ơ ở ế ủ ương pháp đo tiêu c TKHT b ngự ằ

phương pháp t chu nự ẩ

L u ý:ư Sinh viên c n đ m b o tính đ ng tr c c a chùm tia t i và tia ló trong lúc ầ ả ả ồ ụ ủ ớ

th c hành thí nghi m.ự ệ

b Ph ươ ng pháp Silberman

Khi v t sáng đ t cách TKHT m t kho ng b ng 2ậ ặ ộ ả ằ f thì nh là nh th t, ả ả ậ

ngược chi u v t, có đ l n b ng đ l n c a v t và đ i x ng v i v t qua TK.ề ậ ộ ớ ằ ộ ớ ủ ậ ố ứ ớ ậ

Hình 5.3 Minh h a c s lý thuy t c a phọ ơ ở ế ủ ương pháp đo tiêu c TKHT b ngự ằ

phương pháp Silberman

c Ph ươ ng pháp Bessel

V i TKHT, n u kho ng cách D t v t đ n màn l n h n 4ớ ế ả ừ ậ ế ớ ơ f, sẽ có hai v trí ị

c a th u kính đ có nh rõ trên màn.ủ ấ ể ả

Hình 5.4 Minh h a c s lý thuy t c a phọ ơ ở ế ủ ương pháp đo tiêu c TKHT b ngự ằ

phương pháp Bessel Kho ng cách gi a v t và màn: ả ữ ậ D d d  '

Kho ng cách gi a 2 v trí c a TKHT: ả ữ ị ủ l d ' d

Ta có:

1 1 1

Suy ra:

4

D f

D

l

 

(3.1)

V y mu n đo ậ ố f ph i đo kho ng cách ả ả D, l.

3.3 Các ph ươ ng pháp xác đ nh tiêu c th u kính phân kỳ ị ự ấ

a Ph ươ ng pháp t chu n ự ẩ

V i TKPK, m i v t th t đ u cho nh o nên ta không th h ng nh trên ớ ọ ậ ậ ề ả ả ể ứ ả màn TKPK cho nh th t v i 2 đi u ki n sau: V t o và kho ng cách t v t o ả ậ ớ ề ệ ậ ả ả ừ ậ ả

đ n th u kính nh h n tiêu c c a nó Do đó, đ đo tiêu c c a TKPK, chúng ta ế ấ ỏ ơ ự ủ ể ự ủ

c n thêm m t TKHT ầ ộ

Khi đ t sau TKPK m t gặ ộ ương ph ng, do tính ch t ph n x , nh cu i S’ c aẳ ấ ả ạ ả ố ủ

S l i hi n rõ trên m t ph ng v t S.ạ ệ ặ ẳ ậ

Hình 5.5 Minh h a c s lý thuy t c a phọ ơ ở ế ủ ương pháp đo tiêu c TKPKự

b ng phằ ương pháp t chu nự ẩ

b Ph ươ ng pháp các đi m liên k t ể ế

Khi bi t v trí v t, v trí nh so v i th u kính, ta tính đế ị ậ ị ả ớ ấ ượ f theo công th cc ứ

1 1 1

'

f  d d

(3.2)

Hình 5.6 Minh h a c s lý thuy t c a phọ ơ ở ế ủ ương pháp đo tiêu c TKPKự

b ng phằ ương pháp các đi m liên k tể ế

4 Chu n b ẩ ị

Nhi m v h c t p 1: ệ ụ ọ ậ Sinh viên trình bày nguyên t c xác đ nh tiêu c TKHT ắ ị ự

b ng phằ ương pháp t chu n.ự ẩ

S đ thí nghi m: ơ ồ ệ

Nguyên t c: ắ

V t sáng ậ S đ t cách th u kính m t kho ng b ng tiêu c ặ ấ ộ ả ằ ự f thì cho nh th tả ậ

S’ vô cùng, do đó không th h ng đở ể ứ ượ ảc nh trên màn N u đ t gế ặ ương ph ng ẳ ở

v trí b t kì sau th u kính sẽ thu đị ấ ấ ược m t nh th t vô cùng, nh này là v t oộ ả ậ ở ả ậ ả

đ i v i th u kính h i t , nên cu i cùng h sẽ cho m t nh th t n m t i tiêuố ớ ấ ộ ụ ố ệ ộ ả ậ ằ ạ

đi m.ể

B

O

A’

B’

F’

I

F

N u m t v t đ t t i tiêu đi m c a TKHT, qua h TK - gế ộ ậ ặ ạ ể ủ ệ ương ph ng sẽ thuẳ

được m t nh th t n m t i v trí c a v t (tiêu đi m) và ngộ ả ậ ằ ạ ị ủ ậ ể ược chi u v i v t doề ớ ậ tính ch t ph n x ấ ả ạ

Các b ướ c ti n hành: ế

B ướ c 1: Đ t v t ch “L” n m trặ ậ ữ ằ ước bóng đèn

B ướ c 2: Đ t c đ nh gặ ố ị ương sau th u kính.ấ

B ướ c 3: Di chuy n th u kính ể ấ L trên giá sao cho nh cu i c a S’A’ l i hi nả ố ủ ạ ệ

rõ trên m t ph ng v t S ặ ẳ ậ

B ướ c 4: Đo kho ng cách t v t đ n TK đó là tiêu c T c ả ừ ậ ế ự ứ f = SO Đo 3 l n.ầ

d = f

Nhi m v h c t p 2: ệ ụ ọ ậ T nh ng ki n th c đã h c, sinh viên hãy ch ng minh ừ ữ ế ứ ọ ứ

r ng khi v t đ t cách TKHT m t kho ng b ng 2ằ ậ ặ ộ ả ằ f thì cho nh th t và b ng v t.ả ậ ằ ậ

Thí nghi m 2: Xác đ nh tiêu c c a th u kính h i t b ng ph ệ ị ự ủ ấ ộ ụ ằ ươ ng pháp Siberman

S đ thí nghi m: ơ ồ ệ

Xét c p tam giác đ ng d ng: ặ ồ ạ AOB: A OB' ', ta có t l : ỉ ệ

' ' '

AB OA

A B OA

(1) Xét ti p c p tam giác đ ng d ng: ế ặ ồ ạ OIF' : A B F' ' ', ta l i có t l : ạ ỉ ệ

' ' ' ' '

A B F A

(2)

Vì OI = AB, nên suy ra đượ c:

' ' ' '

OA  F A

(3)

Vì F’A’+OF’ = OA’ nên F’A’ = OA’ - OF’, v y:ậ

OA OA OF OA OA OF OF



'

OA OA OF

(4)

Khi OA = 2f = 2OF, vì v t n m ngoài kho ng tiêu c c a TKHT nên thuậ ằ ả ự ủ

đượ ảc nh th t, khi thay vào (4) ta có: ậ

' 2

2f OA' f OA  f OA Theo công th c (1), ta suy ra đứ ược:

2

' ' 2

AB A B

A B  f   

V y khi đ t v t cách TKHT m t đo n b ng 2ậ ặ ậ ộ ạ ằ f ta thu được m t nh th tộ ả ậ

có kích thước b ng v t.ằ ậ

Các b ướ c ti n hành: ế

B ướ c 1: S d ng v t sáng ch “L”.ử ụ ậ ữ

B ướ c 2: Đ t TK và màn sao cho thu đặ ượ ảc nh th t trên màn.ậ

B ướ c 3: Di chuy n TK và màn cho đ n khi nh b ng v t, và SO = SO’ (TKể ế ả ằ ậ

n m v trí trung tâm gi a v t và màn).ằ ở ị ữ ậ

B ướ c 4: Xác kho ng cách gi a v t và màn là SS’.ả ữ ậ

Đo

' 4

SS

f 

Đo 3 l n.ầ

Nhi m v h c t p 3: ệ ụ ọ ậ T nh ng ki n th c đã h c, sinh viên hãy ch ng minh ừ ữ ế ứ ọ ứ

r ng n u kho ng cách D t v t đ n màn l n h n 4ằ ế ả ừ ậ ế ớ ơ f, sẽ có hai v trí c a TKHT ị ủ

đ có nh rõ trên màn.ể ả

Thí nghi m 3: xác đ nh tiêu c c a th u kính h i t b ng ph ệ ị ự ủ ấ ộ ụ ằ ươ ng pháp Bessel

S đ thí nghi m ơ ồ ệ

V t AB (c đ nh) qua TKHT (di đ ng đậ ố ị ộ ược) cho nh th t A’B’ trên màn Dả ậ (c đ nh), chúng ph i th a mãn h th c (4) l p đố ị ả ỏ ệ ứ ậ ược trong nhi m v 2:ệ ụ

'

OA OA OF

Trong đó có OA x OA ; ' D x, v y:ậ

2

0

x Dx Df

x D x   f  

Phương trình (1) có hai nghi m ta sẽ thu đệ ược hai v trí đ t th u kính đị ặ ấ ể

nh n đậ ượ ảc nh rõ nét trên màn nh D (đả ược c đ nh); đi u ki n đ (1) có haiố ị ề ệ ể nghi m phân bi t: ệ ệ

D  Df   D f

Các b ướ c ti n hành: ế

B ướ c 1. Đ t màn M 1 v trí c đ nh xa ngu n S Đo D là kho ng cách v tặ ở ị ố ị ồ ả ậ

- màn

B ướ c 2. Di chuy n th u kính trên giá, tìm để ấ ược hai v trí c a th u kính đị ủ ấ ể cho nh rõ trên màn V trí 1 cho nh l n, v trí 2 cho nh nh Đo kho ng cách lả ị ả ớ ị ả ỏ ả

gi a 2 v trí c a TK cho nh rõ nét ữ ị ủ ả

B ướ c 3. Tính f theo công th c: ứ

4

f

D





Nhi m v h c t p 4: ệ ụ ọ ậ Sinh viên hãy nêu vai trò c a TKHT trong quang h đ đoủ ệ ể tiêu c c a TKPK và đi u ki n đ nh qua quang h hi n đúng trên m t ph ngự ủ ề ệ ể ả ệ ệ ặ ẳ

c a v t S.ủ ậ

Thí nghi m 4: Xác đ nh tiêu c c a th u kính phân kỳ b ng ph ệ ị ự ủ ấ ằ ươ ng pháp t ự chu n ẩ

S đ thí nghi m: ơ ồ ệ

+ V i TKPK, m i v t th t đ u cho nh o nên không h ng trên màn TKPKớ ọ ậ ậ ề ả ả ứ cho nh th t v i 2 đi u ki n sau: V t o và kho ng cách t v t o đ n th uả ậ ớ ề ệ ậ ả ả ừ ậ ả ế ấ kính nh h n tiêu c c a nó ỏ ơ ự ủ

+ N u chùm tia t i có đế ớ ường kéo dài đi qua ti u đi m v t chính thì choể ể ậ chùm tia ló song song

Vai trò c a TKHT: ủ

+ Đ t o nh th t c a TKPK, ta dùng thêm 1 TKHT đ t phía trể ạ ả ậ ủ ặ ước v i tácớ

d ng t o ra m t v t o cho TKPK N u chùm tia t i TKPK có đụ ạ ộ ậ ả ế ớ ường kéo dài đi qua tiêu đi m v t chính Fể ậ 2 thì sẽ cho chùm tia ló song song, dùng gương đ ph nể ả

x chùm tia ló này cho nh cu i xu t hi n trên m t ph ng v t S ạ ả ố ấ ệ ặ ẳ ậ

V y PP này làm cho Sậ 1 trùng v i tiêu đi m v t Fớ ể ậ 2 Th c ch t tiêu c TKPKự ấ ự chính là kho ng cách t Lả ừ 2 đ n Sế 1

Nhi m v c a TKHT t o chùm sáng h i t nh v y đ n th u kính phânệ ụ ủ ạ ộ ụ ư ậ ế ấ

kỳ, hay là t o v t o đ i v i TKPK.ạ ậ ả ố ớ

Đi u ki n: ề ệ tiêu đi m v t ể ậ F c a TKPK ph i trùng v i nh đi m Sủ ả ớ ả ể 1 do th uấ kính h i t t o ra t v t sáng đi m S.ộ ụ ạ ừ ậ ể

Các b ướ c ti n hành: ế

B ướ c 1: Xác đ nh v trí đ t th u kính Lị ị ặ ấ 1 đ thu để ượ ảc nh S1 n m trên mànằ

v i kích thớ ước nh C đ nh ỏ ố ị L 1 Xác đ nh kho ng cách ị ả L S1 1D1.

B ướ c 2: Đ t ặ L 2 gi a ở ữ L 1 và S 1, r i l y màn ch n ra, sau đó đ t gồ ấ ắ ặ ương M

sau L 2

B ướ c 3: Di chuy n ể L 2 sao cho nh cu i cùng Sả ố 1’ l i hi n rõ trên m tạ ệ ặ

ph ng S ẳ

B ướ c 4: Đo L L1 2 D2.

B ướ c 5: Tính f L1 1S L L1 2 ( Do tiêu c c a ự ủ TKPK là âm nên ta l y ấ f âm).

Nhi m v h c t p 5: ệ ụ ọ ậ Sinh viên hãy nêu vai trò c a TKHT trong quang h đ đoủ ệ ể tiêu c c a TKPK và đi u ki n đ nh qua quang h hi n đúng trên m t ph ngự ủ ề ệ ể ả ệ ệ ặ ẳ

c a v t S.ủ ậ

Thí nghi m 5: Xác đ nh tiêu c c a th u kính phân kỳ b ng ph ệ ị ự ủ ấ ằ ươ ng pháp đi m ể liên k t ế

S đ thí nghi m: ơ ồ ệ

Nguyên t c: ắ

TKPK luôn cho nh o n u v t là v t th t, và cho nh th t cho m t v t oả ả ế ậ ậ ậ ả ậ ộ ậ ả thích h p Ngợ ười quan sát ch có th th c hi n đo đ c v i các nh th t (xu tỉ ể ự ệ ạ ớ ả ậ ấ

hi n trên màn), do đó đ quan sát nh th t t o ra t TKPK thì c n m t v t oệ ể ả ậ ạ ừ ầ ộ ậ ả thích h p, v t o này đợ ậ ả ượ ạ ừ ộc t o t m t th u kính h i t Lấ ộ ụ 1

Nh v y: v t S qua TKHT Lư ậ ậ 1 sẽ cho nh th t Sả ậ 1 Vì S1 n m trong vùngằ không gian v t c a TKPK Lậ ủ 2 nên sẽ là v t o đ i v i Lậ ả ố ớ 2, do đó nh Sả 2 c a Sủ 1 qua TKPK L2 sẽ hi n rõ trên màn.ệ

Ta xác đ nh đị ược v trí c a ị ủ S 1 so v i ớ L 1 là O 1 S 1, xác đ nh v trí c a Lị ị ủ 2 đ thuể

đượ ảc nh th t rõ nét trên màn khi đó ta có đậ ượ Oc 1 O 2, v y v trí c a Sậ ị ủ 1 so v iớ TKPK L2 là O1 1S O O1 2 O2 1S theo quy ước v d u c a v t ta có ề ấ ủ ậ d  O2 1S .

Ta cũng xác đ nh đị ược v trí c a nh Sị ủ ả 2 do nó hi n trên màn, nên xác đ nhệ ị

được d’

Áp d ng công th c th u kính phân kỳ ta có: ụ ứ ấ

d d

f  d d  d d 

 và d' 0; f 0

Các b ướ c ti n hành: ế

B ướ c 1. V t S qua th u kính h i t Lậ ấ ộ ụ 1 cho nh th t Sả ậ 1 trên màn M (ch n vọ ị trí L1 sao cho nh Sả 1 nh ) ỏ

B ướ c 2. Đ t gi a Lặ ữ 1 và S1 m t th u kính phân kỳ Lộ ấ 2 thì S1 sẽ là v t o đ iậ ả ố

v i th u kính Lớ ấ 2 (Đánh d u Sấ 1 trên giá b ng ph n tr ng) ằ ấ ắ

B ướ c 3. D i màn ra xa v trí Sờ ị 1 , di chuy n Lể 2 gi a Lữ 1 và S1 đ n m t v tríế ộ ị nào ta th y nh rõ c a v t Sấ ả ủ ậ 1’ trên màn

B ướ c 4. Đo d'L S d2 1'; L S2 1 (d<0 do nh Sả

1 là o đ i v i th u kính Lả ố ớ ấ 2)

B ướ c 5: Tính tiêu c th u kính phân kì Lự ấ 2:

' '

'

d d f

d d





B ướ c 6: Ghi s li u vào b ng.ố ệ ả

Nhi m v h c t p 6: ệ ụ ọ ậ Sinh viên trình bày tóm t t công d ng c a các d ng c ,ắ ụ ủ ụ ụ thi t b trong b ng 5.1 đ xác đ nh tiêu c th u kính.ế ị ả ể ị ự ấ

Tên d ng ụ

V t sángậ

ch Lữ

Đóng vai trò là v t AB trongậ

phương pháp chu n vàẩ

phương pháp Silberman

Ngu nồ

sáng

Phát sáng

Là ngu n đi m trong cácồ ể

phương pháp

Thước dài

1m

Xác đ nh v trí tị ị ương đ i gi aố ữ

nh, v t, th u kính Ho c các

ph n t trong quang h ầ ử ệ

Gi cho các th u kính đ ngữ ấ ồ

tr c.ụ

Màn nhả

Dùng đ h ng các nh th tể ứ ả ậ trong các phương pháp Silberman; Bessel đ đo tiêuể

c c a TKHT và phự ủ ương pháp

đi m liên k t đ đo tiêu cể ế ể ự

c a TKPK.ủ

Gương

ph ngẳ

T o quang h dùng trongạ ệ

phương pháp t chu n.ự ẩ

Th u kínhấ

m ngỏ

M u c n đo tiêu c ẫ ầ ự

Th u kính h i t và th u kínhấ ộ ụ ấ

phân kỳ

Giá mang

th u kính,ấ

gương,

màn

Giá: c đ nh v trí c a th uố ị ị ủ ấ kính trong không gian, góp

ph n t o quang h đ ng tr c.ầ ạ ệ ồ ụ