Bài học

Nhận biết thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì qua hình dạng mặt cắt của chúng, và mô tả đúng đường truyền của một chùm tia sáng song song sau khi đi qua mỗi loại thấu kính — hội tụ lại một điểm, hay loe rộng ra.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 3 (Khúc xạ ánh sáng), em đã biết ánh sáng bị đổi hướng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có mật độ khác nhau, và góc khúc xạ lớn hay nhỏ phụ thuộc vào góc tới. Một thấu kính chỉ là một khối trong suốt (thường bằng thủy tinh hoặc nhựa) được giới hạn bởi hai mặt cong — phần lớn là mặt cầu. Một tia sáng đi qua thấu kính thực chất bị khúc xạ hai lần liên tiếp: một lần khi đi vào, một lần khi đi ra. Hình dạng của hai mặt cong đó quyết định toàn bộ cách chùm tia bị bẻ hướng — đó chính là điều bài này giải quyết.

Ở Course 3 (Khúc xạ ánh sáng), em đã biết ánh sáng bị đổi hướng khi truyền xiên góc qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có mật độ khác nhau, và góc khúc xạ lớn hay nhỏ phụ thuộc vào góc tới. Một thấu kính chỉ là một khối trong suốt (thường bằng thủy tinh hoặc nhựa) được giới hạn bởi hai mặt cong — phần lớn là mặt cầu. Một tia sáng đi qua thấu kính thực chất bị khúc xạ **hai lần liên tiếp**: một lần khi đi vào, một lần khi đi ra. Hình dạng của hai mặt cong đó quyết định toàn bộ cách chùm tia bị bẻ hướng — đó chính là điều bài này giải quyết.

Khởi động

Kính lúp mà thợ sửa đồng hồ hay dùng phồng dày ở giữa, còn tròng kính của người bị cận thị lại mỏng đi rõ rệt ở chính giữa. Hai hình dạng trái ngược nhau này có làm ánh sáng đi qua chúng theo hai cách hoàn toàn khác nhau không?

Kiến thức trọng tâm

Dựa vào hình dạng, người ta chia thấu kính thành hai loại.

Thấu kính hội tụ có phần rìa mỏng, phần giữa dày hơn (mặt cắt phồng ra, kiểu 'hai mặt lồi' hoặc 'một mặt lồi một mặt phẳng'). Khi một chùm tia sáng song song với trục chính chiếu tới, sau khi khúc xạ hai lần qua thấu kính, các tia ló hội tụ thực sự tại một điểm phía sau thấu kính. Trong sơ đồ quang học, thấu kính hội tụ được vẽ bằng một đoạn thẳng có hai mũi tên ở hai đầu chĩa ra ngoài.

Thấu kính phân kì thì ngược lại: phần giữa mỏng, rìa lại dày hơn (mặt cắt lõm vào, kiểu 'hai mặt lõm' hoặc 'một mặt lõm một mặt phẳng'). Cùng một chùm tia song song ấy, sau khi qua thấu kính phân kì lại bị loe rộng ra chứ không hội tụ — các tia ló không bao giờ gặp nhau thật sự, chỉ có đường kéo dài ngược của chúng gặp nhau ở phía trước thấu kính. Trong sơ đồ, thấu kính phân kì được vẽ với hai mũi tên ở hai đầu chĩa vào trong.

Điều đáng chú ý: độ dày tuyệt đối không phải căn cứ phân loại — một thấu kính hội tụ tiêu cự dài có thể mỏng hơn cả một thấu kính phân kì nhỏ. Căn cứ đúng là so sánh độ dày phần giữa với phần rìa của chính thấu kính đó, và quan trọng hơn cả là quan sát chùm tia ló: hội tụ lại hay loe ra.

Dựa vào hình dạng, người ta chia thấu kính thành hai loại. **Thấu kính hội tụ** có phần rìa mỏng, phần giữa dày hơn (mặt cắt phồng ra, kiểu 'hai mặt lồi' hoặc 'một mặt lồi một mặt phẳng'). Khi một chùm tia sáng song song với trục chính chiếu tới, sau khi khúc xạ hai lần qua thấu kính, các tia ló **hội tụ thực sự** tại một điểm phía sau thấu kính. Trong sơ đồ quang học, thấu kính hội tụ được vẽ bằng một đoạn thẳng có hai mũi tên ở hai đầu chĩa ra ngoài. **Thấu kính phân kì** thì ngược lại: phần giữa mỏng, rìa lại dày hơn (mặt cắt lõm vào, kiểu 'hai mặt lõm' hoặc 'một mặt lõm một mặt phẳng'). Cùng một chùm tia song song ấy, sau khi qua thấu kính phân kì lại bị **loe rộng ra** chứ không hội tụ — các tia ló không bao giờ gặp nhau thật sự, chỉ có đường kéo dài ngược của chúng gặp nhau ở phía trước thấu kính. Trong sơ đồ, thấu kính phân kì được vẽ với hai mũi tên ở hai đầu chĩa vào trong. Điều đáng chú ý: độ dày tuyệt đối không phải căn cứ phân loại — một thấu kính hội tụ tiêu cự dài có thể mỏng hơn cả một thấu kính phân kì nhỏ. Căn cứ đúng là **so sánh độ dày phần giữa với phần rìa của chính thấu kính đó**, và quan trọng hơn cả là quan sát chùm tia ló: hội tụ lại hay loe ra.

Ví dụ

Phân loại thấu kính qua hình dạng mặt cắt

1
Quan sát mặt cắt của ba thấu kính: (a) dày ở giữa, mỏng dần ra mép; (b) mỏng ở giữa, dày dần ra mép; (c) một mặt phẳng, một mặt lồi ra ở giữa. Xác định loại của mỗi thấu kính.
2
Ta có phần giữa dày hơn hẳn phần rìa. Theo đặc điểm hình dạng đã học, đây là thấu kính hội tụ.
3
Ngược lại với (a), phần giữa mỏng hơn phần rìa. Do đó (b) là thấu kính phân kì.
4
Mặt lồi ra ở giữa vẫn khiến phần giữa dày hơn phần rìa, dù mặt còn lại phẳng. Suy ra (c) vẫn là thấu kính hội tụ — không cần cả hai mặt đều cong mới hội tụ được.
5
Vậy (a) và (c) là thấu kính hội tụ, (b) là thấu kính phân kì.

Ví dụ

Xác định loại thấu kính từ đường truyền của chùm tia (dạng thi)

1
Một chùm tia sáng song song với trục chính chiếu tới một thấu kính. Sau khi ló ra khỏi thấu kính, chùm tia loe rộng dần ra như thể chúng xuất phát từ một điểm nằm phía trước thấu kính (cùng phía với chùm tia tới). Hỏi đây là thấu kính loại gì? Nếu đặt một màn hứng ảnh phía sau thấu kính, ta có hứng được điểm hội tụ của chùm tia ló trên màn hay không?
2
Ta có chùm tia ló bị loe rộng ra thay vì hội tụ lại. Theo tính chất đã học, chỉ có thấu kính phân kì mới làm chùm tia song song loe rộng ra như vậy; thấu kính hội tụ luôn làm chùm tia hội tụ thật sự về một điểm phía sau.
3
Vậy đây là thấu kính phân kì.
4
Vì các tia ló chỉ loe ra chứ không thực sự gặp nhau ở phía sau thấu kính — điểm mà đề bài nhắc tới chỉ là giao điểm của các đường kéo dài (ảo) về phía trước — nên đặt màn ở bất kì vị trí nào phía sau thấu kính cũng không thể hứng được điểm hội tụ thật. Vậy không thể hứng được điểm đó trên màn, vì nó không phải là một điểm hội tụ thật.
Vì các tia ló chỉ loe ra chứ không thực sự gặp nhau ở phía sau thấu kính — điểm mà đề bài nhắc tới chỉ là giao điểm của các **đường kéo dài** (ảo) về phía trước — nên đặt màn ở bất kì vị trí nào phía sau thấu kính cũng không thể hứng được điểm hội tụ thật. Vậy không thể hứng được điểm đó trên màn, vì nó không phải là một điểm hội tụ thật.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ rằng cứ thấu kính "mỏng" là phân kì, "dày" là hội tụ — nhưng độ dày tuyệt đối không nói lên điều gì cả. Một thấu kính hội tụ tiêu cự lớn có thể mỏng hơn nhiều so với một thấu kính phân kì nhỏ. Phải so sánh phần giữa với phần rìa của CÙNG một thấu kính, hoặc quan sát chùm tia ló hội tụ hay loe ra.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Thấu kính hội tụ: dày giữa, mỏng mép, làm chùm tia song song hội tụ thật sự. Thấu kính phân kì: mỏng giữa, dày mép, làm chùm tia song song loe ra. Luôn so sánh độ dày các phần của CÙNG một thấu kính, không so giữa hai thấu kính khác nhau.

Bài tiếp theo xác định chính xác các mốc quan trọng trên một thấu kính — trục chính, quang tâm, tiêu điểm và tiêu cự — những điểm mốc em sẽ dùng liên tục để dựng ảnh trong suốt phần còn lại của khoá học.