CHƯƠNG VII: MẮT-DỤNG CỤ QUANG HỌC pot

Xét tia sáng đơn sắc SI chiếu tới mặt bên AB của lăng kính, sau khi khúc xạ tại haiđiểm I, J sẽ cho tia ló JR bị lệch về phía đáy của lăng kính H.2.Góc i là góc tới, góc i’ là góc ló; gó

CHƯƠNG VII: MẮT-DỤNG CỤ QUANG HỌC

II GIỚI THIỆU CHUNG

Ở chương này, SV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật líliên quan đến “Mắt- Dụng cụ quang học” theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trongchương Những kiến thức này, phần lớn được khai thác từ Internet

Công việc quan trọng là sinh viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương, cùngnhau thảo luận, trao đổi để tìm được phương án thiết kế tối ưu nhất

Thời gian cho chương này là 1 buổi (4 tiết)

III TÀI LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ HỌC TẬP

Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Tài liệu bồi dưỡng thay sách giáo khoa Vật

lí 11, Phụ lục

IV HOẠT ĐỘNG

Hoạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương

 Nhiệm vụ:

- GgV giới thiệu cấu trúc Phụ lục 4a

- HV làm việc theo nhóm bằng cách đọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận

 Thông tin cho hoạt động:

- Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế

 Thông tin cho hoạt động:

- Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Phụ lục

Hoạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình

Mặt bên

Mặt đáy

ABC là tiếtdiện chính củalăng kính

trong suốt (làm bằng thuỷ tinh,

thạch anh, nước, ) hình lăng trụ

đứng, có tiết diện thẳng là một

hình tam giác (H.2.1).

Góc A hợp bởi hai mặt của

lăng kính gọi là góc chiết quang

hay là góc ở đỉnh của lăng kính

2.1.2 Đường đi của tia sáng qua lăng kính

Xét một lăng kính có chiết suất n đặt

trong không khí Xét các tia sáng nằm trong

mặt phẳng chính của lăng kính

Hình 2.1: Lăng kính.

Xét tia sáng đơn sắc SI chiếu tới mặt bên AB của lăng kính, sau khi khúc xạ tại haiđiểm I, J sẽ cho tia ló JR bị lệch về phía đáy của lăng kính (H.2).

Góc i là góc tới, góc i’ là góc ló; góc D là góc lệch của tia sáng khi đi qua lăng kính

Như vậy, đối với ánh sáng đơn sắc, lăng kính có tác dụng làm lệch tia sáng về phía đáy lăng kính với một góc lệch Dˆ iˆiˆ Aˆ và nếu các góc là nhỏ thì Dˆ  (n 1 )Aˆ.Thí nghiệm cho biết khi góc tới I thay đổi thì góc lệchDˆ cũng thay đổi Khi đường đi của tia sáng đối xứng nhau qua mặt phân giác của góc A thì góc lệch D đạt giá trị

cực tiểu D m Góc lệch cực tiểu Dmđược tính theo công thức

2

sin 2

sinD mAn A

http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/prisme/prisme.html

+ Trường hợp ánh sáng trắng:

Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số

ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục

từ đỏ đến tím, mà chiết suất của lăng kính

đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau thì

khác nhau Chiết suất đối với tia đỏ thì nhỏ

nhất và tia tím thì lớn nhất

Do đó ánh sáng trắng sau khi đi qua lăng kính không

những bị lệch về phía đáy mà còn bị tách ra nhiều tia sáng có màu sắc khác nhau (tán sắc ánh sáng).

Tam giác IKJ có r + r / = A

Tán sắc ánh sáng trắng

2.2 Thấu kính mỏng (Lens)

2.2.1 Định nghĩa: Thấu kính là một khối chất trong

suốt (thủy tinh, nhựa ) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc

bởi một mặt cong và một mặt phẳng (các mặt cong

thường là mặt cầu) Thấu kính mỏng là thấu kính có bề

dày ở tâm rất nhỏ so với hai bán kính của các mặt cầu

2.2.2 Hình dạng và phân loại thấu kính

- Theo hình dạng, thấu kính gồm 2 loại:

+ Thấu kính lồi (thấu kính mép mỏng) (H 5a);

Hình 2.5: Thấu kính

Hình 2.4 Tác dụng làm đổi chiều tia sáng của lăng kính

+ Thấu kính lõm (thấu kính mép dày) (H 5b).

- Nếu xét theo tác dụng làm lệch tia sáng trong không khí, thấu kính chia thành:

+ Thấu kính phân kì (diverging lens); Thấu kính hội tụ (converging lens ).

2.2.3 Các yếu tố của thấu kính

Các yếu tố và ký hiệu thấu kính được chỉ ra trên H 6:

Lưu ý:

-Với một thấu kính thì chỉ có một trục chính, trong khi đó có vô số trục phụ; các tia sáng

đi qua quang tâm (trùng với mỗi trục phụ) đều truyền thẳng;

-Bề dày của thấu kính phụ thuộc vào 2 bán kính cong R 1 , R 2 và đường kính khẩu độ  -Để có ảnh rõ nét các tia sáng tới thấu kính phải lập một góc nhỏ với trục chính (điều kiệntương điểm)

2.2.4 Tiêu điểm Tiêu diện Tiêu cự

- Chiếu một chùm sáng (đơn sắc) song song đến thấu kính

 Nếu chùm tia tới song song với trục chính

thì chùm tia ló sẽ hội tụ và cắt nhau tại một điểm

(đối với thấu kính hội tụ) hoặc phân kì và có

đường kéo dài cắt nhau tại một điểm (thấu kính

phân kì) thì điểm đó nằm trên trục chính của thấu

Hình 2.6: Thấu kính và các yếu tố

Hình 2.7

kính và được gọi là tiêu điểm ảnh của thấu kính, ký hiệu F /

 Nếu chùm tia tới cũng là chùm sáng song song, nhưng phương tới không songsong với trục chính thì chùm tia ló sẽ hội tụ (hoặc có điểm kéo dài cắt nhau) tại một điểmkhông nằm trên trục chính mà nằm trên một mặt phẳng vuông góc với trục chính và điqua tiêu điểm ảnh, điểm này gọi là tiêu điểm ảnh phụ, ký hiệu F’n Mặt phẳng chứa tất cả

các tiêu điểm ảnh phụ được gọi là tiêu diện (H.7).

- Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm: tiêu điểm vật (chính) và tiêu điểm ảnh (chính) đối

xứng với nhau qua quang tâm O Sự tồn tại của tiêu điểm vật được suy ra từ tiêu điểm

ảnh bằng cách vận dụng tính thuận nghịch của sự truyền ánh sáng Do đó, vị trí hai tiêuđiểm ảnh và vật trên cùng một trục tuỳ thuộc chiều truyền ánh sáng và đổi vai trò lẫnnhau khi đổi chiều truyền ánh sáng (H.8)

- Khái niệm tiêu điểm ảnh trên mỗi trục có thể hiểu theo hai cách:

 Đó là điểm giao nhau của chùm tia ló (hay đường kéo dài) khi chùm tia tới làchùm tia song song với trục tương ứng

 Đó cũng là vị trí ảnh của một vật điểm ở vô cực

- Đối với thấu kính phân kì thì tiêu điểm của thấu kính là điểm ảo Do đó, nếu đặt vậttại vị trí F/thì vai trò quang học của điểm này không thể hiện

- Tiêu cự là một trị số đại số được xác định : f  OF(f > 0 nếu F / thật và f < 0 nếu F /

ảo)

Hình 2.8: Chùm sáng song song khúc xạ qua thấu kính

nên có giá trị âm Đơn vị của độ tụ là điốp ( dp)

2.2.5 Đường đi của tia sáng qua thấu kính và ảnh của một vật tạo bởi thấu kính

 Các tia đặc biệt:

+ Tia tới song song với

trục chính, tia ló tương

ứng (hoặc đường kéo

dài) đi qua tiêu điểm ảnh

chính F /

+ Tia tới (hoặc đường

kéo dài) đi qua tiêu điểm vật

chính F, tia ló tương ứng

song song với trục chính

+ Tia tới qua quang tâm O

thì truyền thẳng (H.9)

 Đối với một tia tới bất

kỳ, ta có thể vẽ tia ló bằng

cách vẽ trục phụ, tia ló của tia tới đó và trục phụ giao nhau tại một điểm trên tiêu diện

 Ảnh của một vật qua thấu kính là tập hợp ảnh của tất cả các điểm trên vật, ảnh củamột điểm là giao điểm của các tia ló (hoặc đường kéo dài của ti a ló)

http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/lentilles/lentille_mince.html

 Cũng tương tự trong phần lăng kính, nếu ta trong

thí nghiệm ta dùng ánh sáng trắng thì sau khi ló ra khỏi

lăng kính, chùm sáng ban đầu sẽ hội tụ (phân kì) thành

Hình 2.9: Ảnh của một vật qua thấu kính.

nhiều điểm có màu sắc khác nhau Tia tím bị lệch nhiều nhất nên điểm màu tím ở gầnquang tâm O so với các điểm còn lại (H.10).

 Đối với các thấu kính có bề dày tương đối lớn so với bán kính các mặt cong(không phải là thấu kính mỏng) thì tia ló sau khi đi qua thấu kính sẽ không thoả mãn điềukiện tương điểm (H.11)

 Ảnh của một vật thật qua thấu kính phân kì luôn

là ảnh ảo, còn qua thấu kính hội tụ có thể cho ảnh thật

hoặc ảo tuỳ vào khoảng cách từ vật đến thấ u kính

2.2.6 Các công thức của thấu kính

n D

    , n là chiết suất tuyệt

đối của chất làm thấu kính, n0 là chiết suất tuyệt đối của môi trường chứa thấu kính R1,

R2 là bán kính của hai mặt cầu Nếu thấu kính đặt trong không khí thì:

    , với n là chiết suất tỉ đối của vật liệu làm thấu kính với môi

trường xung quanh thấu kính

 Công thức liên hệ giữa vị trí vật và vị trí ảnh:

d d

f   

111

, trong đó d và d’ là cáctrị đại số xác định vị trí của vật và ảnh theo quy ước: vật thật, ảnh thật d, d’ > 0; vật ảo,ảnh ảo d, d’ < 0; f >0 đối với thấu kính hội tụ, f<0 đối với thấu kính phân kì )

 Các công thức trên có thể chứng minh dễ dàng qua phép toán hình học, công thức

có thể chứng minh như sau:

+ Xét tia sáng OP xuất phát từ điểm O với một góc nhỏ , chiếu đến mặt phân

cách giữa hai môi trường có chiết suất lần lượt là n 1 , n 2 (giả sử n 1 > n 2), hai môitrường ngăn cách nhau bởi một mặt cầu bán kính R như hình vẽ :

 là góc ngoài của tam giác POC nên:   1  (2)

 là góc ngoài của tam giác CPI nên:  =   2 (3)

Để đơn giản, ta xét môi trường thứ nhất là không khí, môi trường thứ ha i có chiết

Vật đặt tại O sau khi khúc xạ ở mặt

trước của thấu kính cho ảnh (ảo) tại I1

Với trường hợp trên, mặt cầu R2 quay ngược chiều truyền ánh sáng nên R2 < 0.Trong trường hợp ta không quan tâm đến dấu mà chỉ lấy độ lớn thì (13) sẽ là:

Vì tiêu điểm của thấu kính là ảnh của một vật ở vô cực nên khi cho d   thì

d / = f Thay vào (14) ta có kết quả cuối cùng:

Hai bước quan trọng trong lúc giải là xây dựng sơ đồ tạo ảnh

d là giá trị đại số Nếu hệ hai thấu kính mỏng ghép sát thì L = 0 và lúc đó hệ

tương đương với một thấu kính m ới có độ tụ: D = D 1 + D 2 hay 1 1 1

hình; máy quang phổ…Vật liệu chế tạo thấu kính ngày càng hoàn thiện, với công nghệchế tạo tinh vi, người ta đã chế tạo ra các dụng cụ quang học cho ảnh có chất lượng cao.

2.3 Mắt

2.3.1 Cấu tạo quang học của mắt

Mắt là một hệ gồm nhiều môi trường trong suốt

tiếp giáp nhau bằng các mặt cầu Chiết suất của các

môi trường này có giá trị trong khoảng 1,336 – 1,437

Mắt được cấu tạo như hình 3.1

* Thể thuỷ tinh: là khối chất đặc trong suốt (giống

mỏng tại đó tập trung đầu các

sợi dây thần kinh thị giác Trên

đó có chỗ rất nhỏ màu vàng là

nơi cảm nhận ánh sáng nhạy

nhất được gọi là điểm vàng

Màng lưới có tác dụng giống như một màn ảnh để hứng ảnh tạo bởi thấu kính

Về phương diện q uang hình học, mắt được biểu diễn

bằng sơ đồ thu gọn như hình 3.2 Trong đó hệ quang học

phức tạp của mắt được coi tương đương như một thấu kính

hội tụ (gọi là thấu kính của mắt).Cường độ ánh sáng chiếu

vào mắt có thể thay đổi được nhờ con ngươi Khi ta quan sát mọi vật xung quanh, t ùy vàocảnh vật là sáng hay tối mà con ngươi điều chỉnh cường độ ánh sáng chiếu vào mắt thích

Hình 3.1

Hình 3.2

hợp để giúp mắt nhìn rõ Khi ánh sáng mạnh quá thì con ngươi thu nhỏ lại, cản lại bớt ánhsáng và ngược lại Chẳng hạn khi từ ngoài sáng bước vào phòng tối, ta lập tức cảm thấ ytrước mắt là một bóng đen, sau một thời gian ngắn mới thích nghi được Đ ó là vì khi từchỗ sáng vào chỗ tối, con ngươi phải dần dần mở ra cho đến khi thích nghi được với môitrường tối, ta mới nhìn thấy được.

Trong các bộ phận cấu tạo nên mắt thì riêng nhãn cầu có thể xoay được Động tácxoay nhãn cầu (liếc mắt) mục đích để tạo ảnh nằm đúng trên điểm vàng, giúp mắt có thểnhìn rõ các vật từ nhiều vị trí khác nhau

Ở màng lưới (võng mạc) có một vị trí tại đó các sợi dây thần kinh đi vào n hãn cầu

Vị trí này gọi là điểm mù Khi ảnh rơi trúng vị trí này, mắt s ẽ không nhìn thấy vật Điểm

mù có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm [11]

2.3.2 Sự điều tiết của mắt Điểm cực viễn Điểm cực cận

* Sự điều tiết của mắt: là hoạt động của mắt nhằm làm thay đổi tiêu cự của thấu kínhmắt để cho ảnh của các vật ở cách mắt những khoảng khác nhau vẫn được hiện rõ ở mànglưới

Việc này được thực hiện nhờ thay đổi độ căng cơ vòng của mắt Khi bóp lại, các cơnày làm thuỷ tinh thể phồng lên, giảm bán kính cong, tiêu cự của mắt giảm Khi khôngđiều tiết tiêu cự lớn nhất, khi điều tiết tối đa tiêu cự nhỏ nhất Khi mắt chuyển từ quan sátvật này sang quan sát vật khác thì trạng thái điều tiết sẽ thay đổi Trong quá trình đó, tiêu

cự có thể tăng hoặc giảm

* Điểm cực viễn: là điểm xa nhất trên trục của mắt mà đặt vật tại đó mắt còn có thểnhìn rõ, ảnh của vật này còn nằm trên võng mạc Đối với mắt không có tật, điểm cực viễn

ở vô cực Khi quan sát vật ở điểm cực viễn, mắt không phải điều tiết, do đó không bị mỏi

* Điểm cực cận: là điểm gần nhất trên trục của mắt mà đặt vật tại đó mắt còn nhìn rõđược, ảnh của vật này còn nằm trên võng mạc Khi quan sát vật ở điểm cực cận thì mắtđiều tiết tối đa, nếu quan sát lâu mắt dễ bị mỏi Đối với mắt bình thường, điểm cực cậncách mắt khoảng từ 10 - 20cm

* Khoảng cách từ điểm cực viễn đến điểm cực cận gọi là khoảng nhìn rõ của mắt.

* Mắt không có tật là mắt khi không điều tiết thì tiêu điểm của thấu kính mắt nằm trênmàng lưới

2.3.3 Góc trông và năng suất phân li của

mắt

Trên hình 3.3,  là góc trông một cánh

hoa hồng Góc trông một vật phụ thuộc vào

kích thước của vật đó và khoảng cách từ vật

đó đến mắt Vật càng xa và càng nhỏ thì góc trông càng nhỏ Năng suất phân li của mắt

là góc trông nhỏ nhất giữa hai điểm trên vật mà mắt còn có thể phân biệt được hai điểm

đó Lúc đó, hai ảnh của hai vật trên nằm tại hai tế bào nhạy sáng cạnh nhau trên võngmạc

2.3.4 Các tật của mắt và cách sửa

* Mắt cận: không nhìn được xa, nhìn

gần hơn mắt thường; có điểm cực cận

và cực viễn ở gần hơn so với mắt bình

thường; khi không điều tiết tiêu điểm

nằm trước võng mạc (H.3.4a)

Khắc phục: Khắc phục tật cận thị là

làm thế nào để mắt cận nhìn xa rõ như

mắt thường Kính đeo sao c ho vật ở xa

cho ảnh nằm gần hơn và trong khoảng nhìn rõ của mắt

Để khắc phục đeo kính phân kì có độ tụ thích hợp trước mắt hay gắn nó sát giác mạc(H.3.4b), hoặc phẫu thuật giác mạc làm giảm độ cong ngoài giác mạc

* Mắt viễn: Điểm cực cận ở xa hơn so

với mắt bình thường ( > 25cm), điểm

cực viễn là điểm ảo nằm sau mắt, tiêu

Hình 3.3

Hình 3.4

điểm nằm sau võng mạc (H.3.5) Không nhìn gần được, còn nhìn xa như mắt thường.

Để sửa tật phải đeo kính hội tụ có độ tụ thích hợp trước mắt hay gắn nó sát giác mạc; Cóthể phẫu thuật giác mạc làm tăng độ cong mặt ngoài giác mạc Kính đeo sao cho vật ởgần cho ảnh nằm xa hơn và trong khoảng nhìn rõ của mắt

* Mắt lão : lúc về già, khả năng điều tiết của mắt giảm, vì cơ mắt yếu đi và thuỷ tinh thểtrở nên cứng hơn Hậu quả làm cho điểm cực cận dời xa mắt

- Đặc điểm: không nhìn gần được, nhìn xa như mắt thường

- Khắc phục : Khắc phục tật lão thị là làm thế nào để mắt lão nhìn gần rõ như mắt thường(giống như mắt viễn) Kính đeo sao cho vật ở gần cho ảnh nằm x a hơn và trong khoảngnhìn rõ của mắt Để khắc phục phải đeo kính hội tụ có độ tụ thích hợp trước mắt hay gắn

nó sát giác mạc hoặc phẫu thuật giác mạc làm tăng độ cong mặt ngoài giác mạc

Đối với người có mắt cận thị, lúc về già có thêm tật mắt lão, đo đó khi lớn tuổi phảiđeo hai loại kính: kính phân kì để nhìn vật ở xa, kính hội tụ nhìn vật ở gần Trong thực tếngười ta có chế tạo “kính hai tròng” có phần trên phân kì và phần dưới hội tụ

2.3.5 Sự lưu ảnh của mắt

Năm 1829, Platô – nhà vật lý người Bỉ phát hiện ra là cảm nhận do tác động của ánhsáng lên các tế bào màng lưới tiếp tục tồn tại khoảng 1/10 s sau khi chùm sáng tắt Trong1/10 s này ta vẫn còn thấy vật mặc dù ảnh của vật không còn được tạo ra ở võng mạc nữa

Đó là hiện tượng lưu ảnh c ủa mắt Nhờ hiện tượng này mà mắt nhìn thấy các ảnh trênmàn ảnh chiếu phim, trên màn hình tivi chuyển động Trước đây gọi là hiện tượng lưu

ảnh trên võng mạc, sách giáo khoa hiện hành gọi là hiện tượng lưu ảnh của mắt Cho đến

nay vẫn chưa có bằng chứng xác định rõ sự lưu ảnh là sự kéo dài của một trạng thái sinh hoá học ở võng mạc hay một trạng thái lưu thông tin ở não.

2.4 Tổng quát về các dụng cụ quang bổ trợ cho mắt