Đây là bản xem thử. Bản đầy đủ trên app có thêm bài tập, AI chấm điểm tức thì và biểu đồ theo dõi tiến độ học.
Phần
Trục chính, quang tâm, tiêu điểm và tiêu cự
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em xác định đúng trục chính, quang tâm O, tiêu điểm F (F′) và tiêu cự f trên hình vẽ của một thấu kính, đồng thời phát biểu chính xác hai tính chất đặc biệt: tia sáng qua quang tâm truyền thẳng không đổi hướng, và tia sáng song song trục chính bị bẻ hướng qua tiêu điểm.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước em đã phân biệt được thấu kính hội tụ (làm chùm tia song song hội tụ thật) và thấu kính phân kì (làm chùm tia song song loe ra). Bài này định nghĩa chính xác các mốc hình học mô tả "hội tụ ở đâu", "loe ra từ đâu" — đó chính là quang tâm và tiêu điểm.
Khởi động
Khi chụp ảnh, người thợ ảnh xoay vòng lấy nét trên ống kính để di chuyển thấu kính lại gần hoặc ra xa cảm biến máy ảnh, cho tới khi ảnh hiện rõ nét. Vì sao khoảng cách này lại quan trọng đến vậy, và nó liên quan gì đến chính bản thân thấu kính đang dùng?
Kiến thức trọng tâm
**Trục chính** là đường thẳng đi qua tâm của hai mặt cong giới hạn thấu kính, vuông góc với mặt thấu kính tại điểm chính giữa. Mọi hình vẽ quang học trong chương này đều dựng trên nền một trục chính nằm ngang.
**Quang tâm O** là điểm chính giữa thấu kính, nằm trên trục chính. Tính chất quan trọng nhất của quang tâm: **một tia sáng bất kì đi qua quang tâm O sẽ truyền thẳng, không đổi hướng** — dù thấu kính là hội tụ hay phân kì. Tính chất này đúng vì tại vùng rất mỏng quanh tâm, hai mặt của thấu kính gần như song song nhau, nên tia sáng khúc xạ vào rồi khúc xạ ra gần như bù trừ nhau hoàn toàn.
**Tiêu điểm** là điểm đặc biệt trên trục chính, nơi một chùm tia sáng song song với trục chính hội tụ về (với thấu kính hội tụ) hoặc có đường kéo dài đi qua (với thấu kính phân kì). Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm F và F′ nằm đối xứng nhau qua quang tâm O, một ở mỗi phía. Với thấu kính hội tụ, chùm tia tới song song trục chính sau khi ló ra hội tụ thật sự tại tiêu điểm ảnh F′ (phía sau thấu kính, cùng phía với chùm tia ló). Với thấu kính phân kì, chùm tia ló bị loe ra, nhưng đường kéo dài ngược của chúng đi qua tiêu điểm F nằm ở phía trước thấu kính — F ở đây chỉ là một tiêu điểm ảo, không có tia sáng thật nào thực sự đi qua nó.
**Tiêu cự f** là khoảng cách từ quang tâm O đến mỗi tiêu điểm: $f = OF = OF'$. Tiêu cự càng nhỏ, thấu kính hội tụ càng "mạnh" — bẻ chùm tia sáng gấp hơn, khiến chùm tia song song hội tụ ngay gần thấu kính. Tiêu cự càng lớn thì thấu kính càng "yếu", điểm hội tụ nằm xa thấu kính hơn.
Ví dụ
Xác định tiêu cự từ khoảng cách hội tụ của chùm tia song song
1
Một chùm tia sáng song song với trục chính chiếu tới một thấu kính hội tụ. Sau khi ló ra, chùm tia hội tụ thật sự tại một điểm cách quang tâm thấu kính 15 cm. Xác định tiêu điểm và tiêu cự của thấu kính này.
2
Ta có: chùm tia song song trục chính, sau khi qua thấu kính hội tụ, hội tụ tại tiêu điểm ảnh F′ theo đúng tính chất đã học. Suy ra điểm hội tụ cách quang tâm 15 cm chính là tiêu điểm F′ của thấu kính.
3
Theo định nghĩa, $f = OF' = 15$ cm.
4
Vậy tiêu cự của thấu kính này là $f = 15$ cm.
Ví dụ
So sánh độ "mạnh" của hai thấu kính hội tụ qua tiêu cự (dạng thi)
1
Hai thấu kính hội tụ A và B được chiếu cùng một chùm tia sáng song song với trục chính. Chùm tia qua thấu kính A hội tụ tại điểm cách thấu kính 10 cm; chùm tia qua thấu kính B hội tụ tại điểm cách thấu kính 20 cm. Thấu kính nào bẻ chùm tia sáng "gấp" hơn? Thấu kính nào có tiêu cự lớn hơn?
2
Theo định nghĩa tiêu cự là khoảng cách từ quang tâm đến điểm hội tụ của chùm tia song song: $f_A = 10$ cm, $f_B = 20$ cm.
3
Vì $f_A < f_B$, thấu kính A bắt chùm tia hội tụ lại ngay sau một quãng đường ngắn hơn, tức là bẻ hướng các tia sáng gấp hơn thấu kính B.
4
Vậy thấu kính A bẻ chùm tia "mạnh" hơn (tiêu cự ngắn hơn); thấu kính B có tiêu cự lớn hơn ($f_B = 20$ cm $> f_A = 10$ cm).
Sai lầm thường gặp
Nhiều em nghĩ tiêu điểm F của thấu kính phân kì có tia sáng thật đi qua, giống như tiêu điểm F′ của thấu kính hội tụ. Thực ra ở thấu kính phân kì, KHÔNG CÓ tia sáng thật nào đi qua F — chỉ có đường kéo dài (nét đứt, tưởng tượng) của tia ló đi qua điểm đó mà thôi.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Trục chính đi qua quang tâm O, vuông góc mặt thấu kính. Tia qua O truyền thẳng. Tiêu điểm F, F′ đối xứng qua O; tiêu cự $f = OF = OF'$ càng nhỏ thì thấu kính hội tụ càng mạnh. Ở thấu kính phân kì, F chỉ là tiêu điểm ảo — không có tia sáng thật đi qua.
Hai tính chất đặc biệt của tia qua quang tâm và tia song song trục chính chính là công cụ để chương tiếp theo dựng ảnh của một vật qua thấu kính hội tụ.
Trục chính là đường thẳng đi qua tâm của hai mặt cong giới hạn thấu kính, vuông góc với mặt thấu kính tại điểm chính giữa. Mọi hình vẽ quang học trong chương này đều dựng trên nền một trục chính nằm ngang.
Quang tâm O là điểm chính giữa thấu kính, nằm trên trục chính. Tính chất quan trọng nhất của quang tâm: một tia sáng bất kì đi qua quang tâm O sẽ truyền thẳng, không đổi hướng — dù thấu kính là hội tụ hay phân kì. Tính chất này đúng vì tại vùng rất mỏng quanh tâm, hai mặt của thấu kính gần như song song nhau, nên tia sáng khúc xạ vào rồi khúc xạ ra gần như bù trừ nhau hoàn toàn.
Tiêu điểm là điểm đặc biệt trên trục chính, nơi một chùm tia sáng song song với trục chính hội tụ về (với thấu kính hội tụ) hoặc có đường kéo dài đi qua (với thấu kính phân kì). Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm F và F′ nằm đối xứng nhau qua quang tâm O, một ở mỗi phía. Với thấu kính hội tụ, chùm tia tới song song trục chính sau khi ló ra hội tụ thật sự tại tiêu điểm ảnh F′ (phía sau thấu kính, cùng phía với chùm tia ló). Với thấu kính phân kì, chùm tia ló bị loe ra, nhưng đường kéo dài ngược của chúng đi qua tiêu điểm F nằm ở phía trước thấu kính — F ở đây chỉ là một tiêu điểm ảo, không có tia sáng thật nào thực sự đi qua nó.
Tiêu cự f là khoảng cách từ quang tâm O đến mỗi tiêu điểm: f=OF=OF′. Tiêu cự càng nhỏ, thấu kính hội tụ càng "mạnh" — bẻ chùm tia sáng gấp hơn, khiến chùm tia song song hội tụ ngay gần thấu kính. Tiêu cự càng lớn thì thấu kính càng "yếu", điểm hội tụ nằm xa thấu kính hơn.
Theo định nghĩa, f=OF′=15 cm.
Vậy tiêu cự của thấu kính này là f=15 cm.
Theo định nghĩa tiêu cự là khoảng cách từ quang tâm đến điểm hội tụ của chùm tia song song: fA=10 cm, fB=20 cm.
Vì fA<fB, thấu kính A bắt chùm tia hội tụ lại ngay sau một quãng đường ngắn hơn, tức là bẻ hướng các tia sáng gấp hơn thấu kính B.
Vậy thấu kính A bẻ chùm tia "mạnh" hơn (tiêu cự ngắn hơn); thấu kính B có tiêu cự lớn hơn (fB=20 cm >fA=10 cm).
Trục chính đi qua quang tâm O, vuông góc mặt thấu kính. Tia qua O truyền thẳng. Tiêu điểm F, F′ đối xứng qua O; tiêu cự f=OF=OF′ càng nhỏ thì thấu kính hội tụ càng mạnh. Ở thấu kính phân kì, F chỉ là tiêu điểm ảo — không có tia sáng thật đi qua.