Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi THPT quang học

Các đại lượng trắc quang :do chùm sáng gửi đến diện tích dS là một đại lượng có trị số bằng phần năng lượng gây ra cảm giác ánh sáng gửi đến dS trong một đơn vị thời gian 1 2cos dS d Φ

Trang 1

A. TỔNG QUAN KIẾN THỨC

1 Các đại lượng trắc quang

):do chùm sáng gửi đến diện tích dS là một đại lượng có trị số bằng phần năng lượng gây

ra cảm giác ánh sáng gửi đến dS trong một đơn vị thời gian

1

2cos

dS d

Φ

=Ω

(cd:candela)Candela là độ sáng theo phương vuông góc với một diện tích nhỏ có diện tích 1/600000m2,bức xạ như một vật bức xạ toàn phần ,ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101325N/m2

Trang 2

dS

n

r

2 Định luật truyền thẳng của ánh sáng và sự phản xạ ánh sáng

a) Định luật truyền thẳng ánh sáng :Trong môi trường trong suốt và đồng tính về quang học ánh sáng truyền

- Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến

- Góc tới bằng góc phản xạ

3 Sự khúc xạ ánh sáng

a) Định luật khúc xạ ánh sáng

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở phía bên kia pháp tuyến

- Khi góc tới i thay đổi thì góc khúc xạ r thay đổi theo

4 Chiết suất của một môi trường:

a) chiết suất tỉ đối

21 21

1

;

1 (2) chieát quang hôn (1)

1 (2) chieát quang keùm(1)

n n

b) Chiết suất tuyệt đối:

+ Chiết suất tuyệt đối là chiết suất tỉ đối so với chân không ( hay không khí )

2 21 1

Trang 3

a) Quang trình :

A

B(n)

: vận tốc ánh sáng

: thời gian ánh sáng truyền

n: chiết suất môi trường

Quang trình của đường truyền một tia sáng ,từ một điểm A đến một điểm B sau một số lần phản xạ và khúc

xạ liên tiếp bất kì , cĩ giá trị cực đại , cực tiểu , hoặc dừng , so với quang trình của tia sáng vơ cùng gần AB

Trang 4

- Định lí Maluyt:Quang lộ của các tia sáng giữa hai mặt trực giao của một chùm sáng thì bằng

nhau

6 Sự phản xạ tồn phần:

2 1

với quy ước dấu như sau

0 nếu vật thật ;d<0 nếu vật ảo ' 0 nếu ảnh thật ;d'<0 nếu ảnh ảo

d d

Trang 5

' ' '' ; ' 0 và k=A B d 1

d AB

8 Gương cầu

2

* Gương cầu lõm f>0

* Gương cầu lỗi f<0

- Sử dụng 2 trong 4 tia sáng đặc biệt

+ Tia đi qua tâm gương hai cĩ đường kéo dài đi qua tâm gương

+ tia đi qua tiêu điểm chính( hay cĩ đường kéo dài đi qua tiêu điểm chính

+ tia song song với trục chính

+ tia tới đỉnh gương

F C

vật thật :d>0; vật ảo d<0

' ' ảnh thật d'>0;ảnh ảo d'<0

Trang 6

F C

(+)

'

d k d

= −

+ Vị trí của ảnh :

1 1 1'

d d+ = f

9 Lưỡng chất phẳng

a) Các trường hợp ảnh ( chùm tia hẹp gần như vuông góc)

Trang 8

Trong đó n ;n là chiết suất của các môi trường

khơng quá vài độ )

i2

i1

ωR

P2

P1

CS

A1

I

A2H

Trang 9

i 2

i 1

e

n

b) Sự tạo ảnh bởi bản mặt song song

( chùm tia sáng hẹp gần như vuơng gĩc ;n>1)

-Ảnh và vật luơn luơn cĩ bản chất trái ngược

-Nhìn qua bản mặt // ,vật như thể bị dời đi theo đường truyền tia sáng (n>1)

-Ảnh và vật bằng nhau về độ lớn

+ Độ dời ngang của tia sáng

với quy ước như sau

0 vật thật ;d<0 vật ảo

0 ảnh thật ;d<0 ảnh ảo

+ Vật

(L)

0

Trang 10

B. HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP Bài 1: Một bĩng đèn điện,coi như một nguồn điểm đẳng hướng cĩ cường độ sáng 100cd

a)Tính quang thơng tồn phần mà bĩng đèn đĩ phát ra

b)Bĩng đèn được treo ở độ cao 4m so với sàn nhà Tính độ rọi tại điểm trên sàn nhà ,nằm cách chân đường thẳng đứng hạ từ bĩng đèn xuống một khoảng 4m

64

100 2Độ rọi trên mặt dS là :E= ( ) 2,21

64

n n

Bài 2: Cho một lăng kính cĩ tiết diện thẳng là một tam giác đều ABC,cạch tam giác a Chiếu một tia sáng trắng

SI đến mặt bên AB dưới gĩc tới nào đĩ ,sao cho các tia bị phản xạ tồn phần ở mặt AC rồi lĩ ra ở mặt BC Chiết suất của lăng kính đối với tia đỏ là nđ=1,61

1)Tính gĩc lệch cực đại giữa tia tới SI và tia lĩ màu đỏ

2)Chứng tỏ rằng chùm tia lĩ là chùm song song Tính bể rộng của chùm tia ấy theo a trong trường hợp gĩc lệch giữa tia tới SI là và tia lĩ màu đỏ đạt cực đại

1)Gĩc lệch Dđmax :Xét gĩc các tam giác thích hợp

1

Trang 11

k là góc khúc xạ của tia ló ra khỏi mặt BC

k r k i Tất cả các tia ló ra khỏi mặt BC có cùng một góc chùm tia ló là chùm //

Trang 12

1 1 1

n=1,5;mặt dưới quả cầu được tráng bạc Tại vị trí cân bằng ,vật có vị trí nằm trên đường kéo dài của đường kính O1O2 thẳng đứng của quả cầu (hình vẽ ).Quả cầu có bán kính R ,khoảng cách từ vị trí cân bằng của vật S đến O1 là R và l

=5R.Chỉ xét ảnh của vật sáng S được tạo bởi các tia đi từ vật đến quả cầu với các góc nhỏ Coi chiết suất không khí bằng 1

1)Xác định vị trí ảnh S' của vật sáng S

2)Cho con lắc dao động điều hòa với biên độ góc 0

α nhỏ Tìm tốc độ cực đại của ảnh S'?Áp dụng bằng số :

O R

Trang 13

max 9,81.5.0,1 0,39 /

18

Trang 14

Bồi dỡng hsgthpt môn Vật lí Chủ đề :Quang học

Bài 4: a)Vật sỏng qua thấu kớnh L1 cho ảnh A1B1 cựng chiều bằng nửa AB.Giữ nguyờn thấu kớnh L1,dịch

chuyển AB 18cm thỡ thu được ảnh A2B2 bằng

1

3AB Tớnh tiờu cự f1 của L1

b)Đặt vật AB ở vị trớ L1 cho ảnh bằng

1

3AB, sau L1 đặt thấu kớnh hội tụ L2 cú tiờu cự 20cm,đồng trục với L1

và lỳc đầu cỏch L1 18cm Bõy giờ giữ nguyờn vật AB và thấu kớnh L1 dịch chuyển L2 ra xa dần thấu kớnh L1 thỡ ảnh cuối cựng cho bởi hệ thống sẽ dịch chuyển thế nào

1.Do ảnh A1B1 cựng chiều nhỏ hơn AB nờn A1B1 là ảnh ảo và thấu kớnh L1 là TKPK suy ra A1B3 cũng là ảnh ảo

*khi dũch chuyeồn L ra xa L thỡ d luoõn lụựn hụn f neõn aỷnh A luoõn laứ aỷnh thaọt

*Ta bieỏt ủoỏi vụựi thaỏu kớnh hoọi tuù , khoaỷng caựch tửứ vaọt thaọt ủeỏn aỷnh thaọt nhoỷ nhaỏt baống 4f

Neõn khi dũch chuyeồn L ra xa L 10cm thỡ aỷnh A dũch chuyeồn veà caựch L 40cm tửực laứ caựch L cuừ

50cm ,luực ủaàu caựch L 60cm vaọy veà gaàn dũch chuyeồn laùi gaàn L 10cm

B

Neỏu tieỏp tuùc dũch chuyeồn L ra xa L Khi L khaự xa thỡ A B ụỷ treõn tieõu dieọn aỷnh cuỷa L

GV:Phan Ngọc Hùng thpt Nguyễn Văn Trỗi ;Đ/c 64c Dơng Vân Nga ,Vĩnh Hải;Đt:0982493474 Trang 14

Trang 15

Bài 5: Cho hệ hai thấu kớnh mỏng tiờu cự lần lượt là f1 và f2 ,đặt đồng trục cỏch nhau một khoảng a Hóy xỏc định một điểm A trờn trục chớnh của hệ sao cho mọi tia sỏng qua A sau khi lần lượt khỳc xạ qua hai thấu

kớnh thỡ lú ra khỏi hệ theo phương song song với tia tới

Xột tai sỏng truyền như hỡnh vẽ

a) Cho d1 = 15 cm Xỏc định vị trớ, tớnh chất, và chiều cao của ảnh A’B’

b) Xỏc định d1 để khi hoỏn vị hai thấu kớnh, vị trớ của ảnh A’B’ khụng đổi

Trang 16

phương trình có 1 nghiệm duy nhất d 7,37

Vậy phải đặt vật AB cách thấu kính gần nó nhất một khoảng 7,37cm

Bài 7: Cho A, B, C là 3 điểm nằm trên trục chính của 1 thấu kính mỏng AB = a; AC = b Thấu kính được đặt

trong khoảng AC (Hình 3) Đặt 1 vật sáng ở điểm A ta thu được ảnh ở điểm B Đưa vật sáng đến B ta thu được ảnh ở điểm C Hỏi thấu kính được dùng là thấu kính hội tụ hay phân kì? Tính tiêu cự của thấu kính đĩ theo a và b Áp dụng số với a=15(cm); b=20 (cm)

Thấu kính hội tụ :

+trường hợp đầu cho vật thật cho ảnh ảo vì ảnh vật cùng phía

+trường hợp sau vật thật cho ảnh thật vì vật và ảnh ở khác phía

x

a b

Trang 17

Bồi dỡng hsgthpt môn Vật lí Chủ đề :Quang học S

2) Chiếu tia sỏng SI tới vuụng gúc với mặt phẳng của bỏn trụ thỡ tia sỏng lú duy nhất của nú là I'S' cũng

vuụng gúc với mặt này (Hỡnh 3) Cho bỏn kớnh của khối trụ là R, tỡm khoảng cỏch nhỏ nhất từ điểm tới I của

tia sỏng đến trục O của bỏn trụ Ứng với khoảng cỏch ấy, tỡm giỏ trị nhỏ nhất của n

B

R

i'

Áp dụng định luật khỳc xạ tại A => sinr = sini/n => r = 30o

Trang 18

α là gúc ở tõm, r là gúc chắn cung => α = 2r = 60o => ∆AOI đều => i' = 60o

Gọi igh gúc tới giới hạn, sinigh = 1/n => igh = 30o

Vỡ i' > igh => tại I tia sỏng bị phản xạ toàn phần, tương tự, tại J cũng bị phản xạ toàn phần

Dễ thấy, mỗi lần phản xạ gúc ở tõm thay đổi 60o vỡ thế sau khi phản xạ ở J thỡ tia sỏng lú ra ở mộp B, với gúc lú đỳng bằng gúc tới i = 60o

Vỡ chỉ cú một tia lú duy nhất nờn tia sỏng bị phản xạ toàn phần nhiều lần ở mặt trụ trước khi lú ra ở I'0,5

Giả sử phản xạ n lần trước khi lú ra ngoài => 180o = α + (n − 1).2α + α = 2n.α => OI = R.cosα

Vỡ bị pxtp => i > 0 => α < 90o => n > 1 => n ≥ 2 => α ≤ 45o => OImin = R.2-1/2

Khi OImin thỡ α = 45o => i = 45o ≥ igh => sin45o ≥ 1/n => n ≥ 21/2 => nmin = 21/2

Bài 9: Cho quang hệ đồng trục gồm thấu kớnh phõn kỡ O1 và thấu kớnh hội tụ O2 Một điểm sỏng S nằm trờn trục chớnh của hệ trước O1 một đoạn 20cm Màn E đặt vuụng gúc trục chớnh của hệ sau O2 cỏch O2 một đoạn 30cm Khoảng cỏch giữa hai thấu kớnh là 50cm Biết tiờu cự của O2 là 20cm và hệ cho ảnh rừ nột trờn màn Thấu kớnh phõn kỡ O1 cú dạng phẳng - lừm, bỏn kớnh mặt lừm là 10cm

1 Tớnh tiờu cự của thấu kớnh phõn kỡ O1 và chiết suất của chất làm thấu kớnh này

2 Giữ S, O1 và màn E cố định, người ta thay thấu kớnh O2 bằng một thấu kớnh hội tụ L đặt đồng trục với O1 Dịch chuyển L từ sỏt O1 đến màn thỡ vệt sỏng trờn màn khụng bao giờ thu nhỏ lại thành một điểm, nhưng khi

L cỏch màn 18cm thỡ đường kớnh vệt sỏng trờn màn là nhỏ nhất Tớnh tiờu cự của thấu kớnh L

1)+ Sơ đồ tạo ảnh qua hệ: 1 2

d

f d d cm

2 2 2

/ 2 2

O O d O O d

1 2 1

/ 1

Trang 19

)10.(

20

/ 1 1

d d

−

=+

=

+ Mặt khác:

5,120

1011

1)

1(1

1 1

=

−

−+

=+

R

n f

x d

f

x d

2

/ 2

1 =+

=

f

a f

x a x a

a x a

x f

x MN

PQ

−

−+

−

=

−+

−

=1

Theo bất đẳng thức cô sy:

)2

(2

2

f

a f

a MN PQ f

a f

a MN

PQ f

a f

x a x a

GV:Phan Ngäc Hïng thpt NguyÔn V¨n Trçi ;§/c 64c D¬ng V©n Nga ,VÜnh H¶i;§t:0982493474 Trang 19

Trang 20

Bài 10: Cú điểm sỏng S trờn quang trục chớnh của một thấu kớnh hội tụ mỏng L, S cỏch thấu kớnh một

khoảng a = 20cm Về cựng một phớa với điểm sỏng, tại điểm H cỏch thấu kớnh hội tụ một khoảng là a1=

30cm ta dựng một gương phẳng G nghiờng một gúc

045

L

Trang 21

Xột ảnh S1: HS1 vuụng gúc OH ; HS1= l

= a1 – aXột ảnh S1’:

Coi HS1 là vật sỏng và H’S1’ là ảnh thật qua thấu kớnh L:

1

Bài 11: (KH-2010-2011)4,00 điểm.Hai thấu kớnh hội tụ mỏng giống hệt nhau, cú tiờu cự là f1 = f2 = f = 10cm

được đặt đồng trục và cỏch nhau một khoảng l.

a) Chiếu tới hệ một chựm tia sỏng đơn sắc song song hợp với trục chớnh của hệ một gúc α

nhỏ.Núi rừ tớnh

chất của chựm sỏng lú ra khỏi hệ trong hai trường hợp f < l < 2f và l > 2f Vẽ hỡnh minh họa.

b) Khi l = 15cm, một vật sỏng AB, cao 5cm, đặt vuụng gúc với trục chớnh, ngoài khoảng hai thấu kớnh, cỏch

thấu kớnh thứ nhất 15cm Xỏc định ảnh cuối cựng qua hệ Vẽ hỡnh

c) Khi l = 20cm, vật AB ban đầu đặt sỏt thấu kớnh thứ nhất Sau đú, người ta cho vật di chuyển tịnh tiến dọc

theo trục chớnh ra xa thấu kớnh với tốc độ khụng đổi v = 5cm/s Xỏc định chuyển động của ảnh sau cựng của hệ? Nhận xột về tớnh chất của ảnh đú? Xỏc định thời điểm và vẽ hỡnh ứng với lỳc ảnh cuối cựng và vật cỏch đều hệ thấu kớnh?

2 '

2 chuứm loự laứ chuứm saựng //

2 chuứm loự laứ chuứm saựng hoọi tuù

Trang 22

5 / ; 5 20 5 ảnh chuyển động đều với tốc độ 5cm/s cùng chiều di ch

Trang 24

3 12 124

cĩ độ dày e.Nếu đặt bản giữa vật và thấu kính (như hình a) thì ảnh A'B' bị dịch chuyển dọc theo trục chính một đoạn 3,75cm.Nếu đặt bản giữa thấu kính và ảnh A'B'( như hình b) thì ảnh bị dịch đi một đoạn bằng

3cm.Tính

a) Tiêu cự f của thấu kính

b)Chiết suất n của thủy tinh

c) Độ dày e của bản

Trường hợp 1

Trang 25

)Tiêu cự f của thấu kính Trong cả hai trường hợp,khoảng cách vật -ảnh tạo bởi bản song song là

Áp dụng công thức về sự tạo ảnh của thấu kính (với d 3 ; 30 )

b)Chiết suất n của thủy tinh

công thức tính tiêu cự của thấu kính

Trang 26

Bài 14: Một thấu kính phẳng -lồi làm bằng thủy tinh bán kính mặt lồi R=20cm

a)Thấu kính được đặt sao cho mặt phẳng tiếp xúc với mặt nước và mặt lồi tiếp xúc với khơng khí (hình

a) Người ta chiếu một chùm tia sáng đơn sắc hẹp song song với trục chính của thấu kính và rất gần trục ,đi

từ khơng khí vào nước Chùm này hội tụ ở điểm M.Tính khoảng cách từ M đến đỉnh S của thấu kính Biết

chiết suất của khơng khí là 1,thủy tinh là 1,5 ,của nước là

43b)Nếu mặt phẳng của thấu kính tiếp xúc với khơng khí ,mặt lồi với nước ( hình b) thì SM bằng bao nhiêu

Tính khoảng cách từ M đến đỉnh S của thấu kính

-Gọi A' là ảnh của A

-SC=R là bán kính của mặt cầu

Chiều dương từ trái sang phải

-Ta nhận thấy có thể coi tia sáng đi qua một

−

lưỡng chất

( )

cầu (không khí -thủy tinh) rồi lưỡng chất phẳng ( thủy tinh nước ) như hình vẽ

Công thức chung về lưỡng chất cầu là 1 ;Trong đó n,n' là chiết suất

của các môi

'

t

''

Trong trường hợp lưỡng chất thủy tinh- nước ta có

SC= từ (1) công thức lưỡng chất phẳng thủy tinh -nước là : n n 2

Trang 27

' 1 1

' 60 160

3.1,5 34

SA n

n

b)Neỏu maởt phaỳng thaỏu kớnh tieỏp xuực vụựi khoõng khớ ,maởt loài vụựi nửụực ( hỡnh b)

Trửụứng hụùp naứy chuứm saựng ủi qua lửụừng chaỏt phaỳng khoõng khớ-thuỷy tinh vaón laứ chuứm song song

ủeỏn gaởp lửụừng chaỏt caàu thuỷy tinh -nửụực ta coự

luụn ở trờn trục chớnh ) thỡ tỡm được cỏc vị trớ đặt thấu kớnh cho vết trũn sỏng trờn màn cú đường kớnh bằng đường kớnh rỡa của thấu kớnh Biết trong đú cú hai vị trớ tỡm được cỏch nhau một khoảng L=5cm.Hóy xỏc định tiờu cự của thấu kớnh và khoảng cỏch từ vị trớ đặt thấu kớnh đến S

Một trong cỏc vị trớ của thấu kớnh tỡm được chắc chắn tồn tại vị trớ F S≡ ,cỏc vị trớ khỏc của thấu kớnh tỡm được phải cho ảnh S' ở chớnh giữa thấu kớnh và màn ,vị trớ này cỏch S một khoảng f+x

1 2

75Trửụứng hụùp 1

(*) coự hai nghieọm x,trong ủoự coự moọt nghieọm x 5 10

Nghieọm thửự 2 cuỷa (*) ửựng vụựi f= 10cm laứ x 40 vũ trớ cuỷa thaỏu kớnh

Trang 28

2) Với l

#f

a) Chứng tỏ rằng hệ quang học trên tương đương với một gương cầu Khoảng cách l

cần phải thỏa mãn điều kiện gì để gương cầu nói trên là gương cầu lồi ,gương cầu lõm

b) Xác định vị trí tâm và đỉnh của gương cầu tương đương ,tính tiêu cự của gương cầu đó

Trước hết ta xét các trường hợp đặc biệt :

1- Trường hợp 1: Mọi tia tới đi qua tiêu điểm vật F củaTKHT sau khi qua hệ bị bật ngược trở lại Như

vậytiêu điểm vật F có đặc tính là tâm của một gương cầu

⇒ =

Vị trí của O đối với thấu kính xác định bởi:

Trang 29

-Để hệ có thể thay bằng gương cầu lồi thì đỉnh O phải nằm phía trước tâm F (theo đường

truyền tia sáng ) Như vậy O là vật thật của thấu kính L và cho ảnh thật tại O

ta có :d 0.Vì f,l>0 l<f ;Co ùOF=OO O O

Tiêu cự của gương cầu bằng:fG

1) Tính tốc độ tương đối nhỏ nhất giữa vật và ảnh thật của nĩ

2) Khi tốc độ tương đối giữa vật và ảnh thật của nĩ nhỏ nhất thì khoảng cách giữa điểm sáng và ảnh của nĩ

Trang 30

Chú ý là theo quy ước thì từ điểm 0 về bên trái là trục tọa độ cho vật, còn chiều từ 0 về phía phải là trục tọa

độ ảnh Đạo hàm 2 vế công thức thấu kính

Trang 32

( )4

c os 2 1 (1 cos 2 ) tanSS' f

Bài 18: QG-2011(4,5 điểm).Cho một thấu kớnh hội tụ lừm - lồi, bằng thuỷ

tinh, chiết suất n = 1,5 như H1 Mặt lừm cú bỏn kớnh R1 = 5,5 cm và

cú đỉnh tại O1 Mặt lồi cú bỏn kớnh R2 và đỉnh tại O2 Khoảng cỏch

O1O2 = 0,5 cm Một điểm sỏng S được đặt tại đỳng tõm của mặt

lừm và chiếu một chựm tia cú gúc mở rộng vào mặt thấu kớnh

1 Xột chựm sỏng hỡnh nún xuất phỏt từ S chiếu vào thấu

kớnh với gúc giữa đường sinh và trục hỡnh nún là α =150 Với giỏ

trị R2 = 3 cm, hóy xỏc định vị trớ điểm đầu và điểm cuối của dải

cỏc giao điểm của cỏc phương tia sỏng lú ra khỏi thấu kớnh và trục

Định dạng
Số trang	36
Dung lượng	0,92 MB