Khúc xạ ánh sáng và thấu kính (KHTN 9): cách vẽ ảnh và nhận biết tính chất ảnh
Hiện tượng khúc xạ, phản xạ toàn phần, thấu kính hội tụ và phân kì, ba tia sáng đặc biệt và cách xác định ảnh thật, ảnh ảo trong Khoa học tự nhiên 9.
Phần ánh sáng trong Khoa học tự nhiên 9 gồm khúc xạ ánh sáng, phản xạ toàn phần, lăng kính và thấu kính. Bài tập thấu kính thường yêu cầu vẽ ảnh và nêu tính chất ảnh, nên nắm chắc ba tia sáng đặc biệt là đủ để làm phần lớn bài. Bài viết tóm tắt lý thuyết và cách làm theo từng bước.
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng tia sáng bị gãy khúc tại mặt phân cách khi truyền xiên góc từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác (ví dụ từ không khí vào nước). Nguyên nhân là tốc độ ánh sáng trong hai môi trường khác nhau.
Ví dụ quen thuộc: chiếc thìa đặt nghiêng trong cốc nước trông như bị gãy tại mặt nước; đáy bể bơi trông nông hơn thực tế.
Chiết suất của một môi trường cho biết ánh sáng truyền trong đó chậm hơn trong chân không bao nhiêu lần: n = c / v, với c là tốc độ ánh sáng trong chân không và v là tốc độ ánh sáng trong môi trường.
Phản xạ toàn phần
Khi ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất lớn hơn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (ví dụ từ nước ra không khí) với góc tới đủ lớn, toàn bộ ánh sáng bị phản xạ trở lại, không có tia khúc xạ. Hiện tượng này được ứng dụng trong cáp quang truyền tín hiệu internet.
Thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì
| Thấu kính hội tụ | Thấu kính phân kì | |
|---|---|---|
| Hình dạng | Phần rìa mỏng hơn phần giữa | Phần rìa dày hơn phần giữa |
| Chùm tia song song trục chính | Ló ra hội tụ tại tiêu điểm | Ló ra loe rộng, đường kéo dài qua tiêu điểm |
| Ứng dụng | Kính lúp, máy ảnh, kính viễn | Kính cận |
Mỗi thấu kính có quang tâm O, trục chính và hai tiêu điểm F, F' đối xứng qua quang tâm. Khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm là tiêu cự f.
Ba tia sáng đặc biệt (thấu kính hội tụ)
- Tia đi qua quang tâm O truyền thẳng, không đổi hướng.
- Tia song song với trục chính cho tia ló đi qua tiêu điểm F'.
- Tia đi qua tiêu điểm F cho tia ló song song với trục chính.
Với thấu kính phân kì: tia qua quang tâm vẫn truyền thẳng; tia song song trục chính cho tia ló có đường kéo dài đi qua tiêu điểm F'.
Cách vẽ ảnh của vật AB
- Vẽ vật AB vuông góc với trục chính, điểm A nằm trên trục chính.
- Từ B vẽ hai trong ba tia đặc biệt.
- Giao điểm của hai tia ló (hoặc đường kéo dài của chúng) là ảnh B'.
- Từ B' hạ vuông góc xuống trục chính được A'. A'B' là ảnh của AB.
Nếu hai tia ló cắt nhau thật, ảnh là ảnh thật (vẽ nét liền). Nếu chỉ đường kéo dài cắt nhau, ảnh là ảnh ảo (vẽ nét đứt).
Tính chất ảnh qua thấu kính hội tụ
Gọi d là khoảng cách từ vật đến thấu kính:
- d > 2f: ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật (như ảnh trong máy ảnh).
- d = 2f: ảnh thật, ngược chiều, bằng vật.
- f < d < 2f: ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật.
- d < f: ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật (nguyên lý kính lúp).
Với thấu kính phân kì: vật thật luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật, nằm trong khoảng tiêu cự.
Tính độ lớn ảnh
Ở cấp THCS, bài tính thường dùng tam giác đồng dạng trên hình vẽ: từ tỉ số A'B'/AB = OA'/OA và các cặp tam giác đồng dạng tạo bởi tia qua tiêu điểm, lập phương trình để tìm khoảng cách ảnh và chiều cao ảnh. Hãy vẽ hình thật chuẩn trước khi tính.
Lỗi hay gặp
- Nhầm tiêu điểm F và F' khi vẽ tia ló.
- Vẽ ảnh ảo bằng nét liền.
- Quên rằng thấu kính phân kì không bao giờ cho ảnh thật với vật thật.
- Vẽ hình không đúng tỉ lệ nên nhận nhầm tính chất ảnh.
Ví dụ: xác định tính chất ảnh
Cho thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 10 cm. Nêu tính chất ảnh của vật đặt vuông góc với trục chính ở các khoảng cách:
- d = 30 cm (lớn hơn 2f = 20 cm): ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật.
- d = 15 cm (nằm giữa f và 2f): ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật.
- d = 5 cm (nhỏ hơn f): ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật.
Cách làm: so sánh d với f và 2f, rồi đối chiếu bảng tính chất ảnh ở trên; nếu đề yêu cầu vẽ, dùng hai tia đặc biệt để kiểm tra lại kết quả.
Ứng dụng của thấu kính
- Kính lúp: thấu kính hội tụ, đặt vật trong khoảng tiêu cự để có ảnh ảo lớn hơn vật.
- Máy ảnh: vật kính là thấu kính hội tụ, vật ở xa cho ảnh thật, nhỏ, ngược chiều trên cảm biến.
- Mắt người: thể thủy tinh hoạt động như một thấu kính hội tụ, tạo ảnh thật trên màng lưới.
- Kính cận và kính lão: điều chỉnh để ảnh rơi đúng trên màng lưới cho mắt bị tật.
Học sinh cần người kèm phần quang học có thể xem thêm gia sư Vật lý THCS hoặc trang tổng hợp gia sư Khoa học tự nhiên.
Câu hỏi thường gặp
Làm sao nhận biết thấu kính hội tụ bằng tay? Đưa thấu kính lại gần dòng chữ: nếu chữ to ra và cùng chiều, đó là thấu kính hội tụ; nếu chữ nhỏ đi, đó là thấu kính phân kì.
Người cận thị đeo kính gì? Kính cận là thấu kính phân kì; kính lão (kính viễn) là thấu kính hội tụ.
Phần này có thi vào 10 TP.HCM không? Không; kỳ thi vào 10 công lập TP.HCM thi Toán, Ngữ văn, Ngoại ngữ. Quang học học sâu hơn ở Vật lý 11.
Cần người kèm phần quang học, xem gia sư Khoa học tự nhiên lớp 9 hoặc gia sư Vật lý.