Hệ thống kiến thức Vật lý 11 nâng cao - Chương 7: Mắt. Các dụng cụ quang

Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 11 Họ và Tên: HỆ THỐNG KIẾN THỨC VẬT LÝ 11 NÂNG CAO Chương 7 MẮT. CÁC DỤNG CỤ QUANG –Y— I/. Lăng kính Cấu tạo lăng kính A B C * lăng kính là một khối trong suốt, đồng chất, được giới hạn bởi hai mặt phẳng không song song. + Hai mặt phẳng giới hạn gọi là hai mặt bên. + Giao tuyến của hai mặt bên gọi là cạnh. + Mặt đối diện với cạnh gọi là đáy của lăng kính. + mặt phẳng bất kì vuông góc với cạnh gọi là mặt phẳng tiết diện chính (ABC). + Góc A hợp bởi hai mặt lăng kính gọi là góc chiết quang hay góc ở đỉnh. Đường đi của tia sáng qua lăng kính * Xét một lăng kính có góc chiết quang A, chiết suất n đặt trong không khí. A B C D I J S R i i’ Chiếu tới mặt bên AB một tia sáng đơn sắc SI nằm trong một tiết diện thẳng. Tia sáng này sẽ bị khúc xạ tại I và J và ló ra theo tia JR. Góc i được gọi là góc tới và i’ gọi là góc ló. Góc D hợp bởi tia tới và tia ló gọi là góc lệch của tia sáng khi qua lăng kính. Các công thức lăng kính Gọi r là góc khúc xạ tại I và r’ là góc tới tại J. Ta có các công thức sau: + Nếu các góc là nhỏ thì ta có thể dùng các công thức gần đúng: Biến thiên của góc lệch theo góc tới + Khi thay đổi góc tới thì góc lệch cũng thay đổi và qua một giá trị cực tiểu gọi là góc lệch cực tiểu, kí hiệu là . + Khi tia sáng có góc lệch cực tiểu, đường đi của tia sáng đối xứng qua mặt phân giác của góc ở đỉnh A. Khi đó và Suy ra Lăng kính phản xạ toàn phần Xét lăng kính bằng thủy tinh có tiết diện chính là một tam giác vuông cân được đặt trong không khí. (Hình 47.5) + Khi chiếu một chùm sáng song song tới vuông góc với mặt bên AB thì tia sáng không ló ra ở mặt huyền BC mà bị phản xạ toàn phần ở mặt này rồi ló ra ở mặt AC. + Lăng kính phản xạ toàn phần có tác dụng như một gương phẳng. Lăng kính phản xạ toàn phần được dùng trong kính tiềm vọng, trong ống nhòm, II/. Thấu kính mỏng Định nghĩa Thấu kính là một khối chất trong suốt được giới hạn bởi hai mặt cầu hoặc một mặt phẳng và một mặt cầu. + Có hai loại: thấu kính mép mỏng và thấu kính mép dày. (Hình 48.1 và 48.2) + Khi đặt trong không khí, thấu kính mép mỏng được gọi là thấu kính hội tụ; thấu kính mép dày được gọi là thấu kính phân kỳ. + Thấu kính có bề dày ở tâm rất nhỏ được gọi là thấu kính mỏng. + Đường thẳng nối tâm của hai mặt cầu (hoặc đi qua tâm của mặt cầu và vuông góc với mặt phẳng) được gọi là trục chính. (Hình 48.3) + Điểm mà trục chính cắt thấu kính gọi là quang tâm O của thấu kính. Một tia sáng bất kì qua quang tâm thì truyền thẳng. (Hình 48.4) + Các đường thẳng đi qua quang tâm O mà không trùng với trục chính gọi là trục phụ. + được gọi là đường kính mở hay đường kính khẩu độ. * Điều kiện tương điểm (Điều kiện để có ảnh rõ nét): Để có ảnh rõ nét, các tia sáng tới thấu kính phải lập một góc nhỏ với trục chính. Khi đó ứng với một điểm vật chỉ có một điểm ảnh nên vật cho ảnh rõ nét. Tiêu điểm. Tiêu diện. Tiêu cự a) Tiêu điểm ảnh chính (F’) + Chiếu một chùm tia sáng song song với trục chính tới một thấu kính hội tụ. Dùng màn E để hứng chùm tia ló ra, ta được một vệt sáng hiện trên màn. Di chuyển màn cho tới khi vệt sáng này nhỏ và sáng nhất. Vị trí điểm sáng này được gọi là tiêu điểm ảnh chính F’ thường gọi tắt là tiêu điểm ảnh. + Với thấu kính phân kỳ, tiêu điểm ảnh F’ nằm phía tia tới. (Hình 48.7) b) Tiêu điểm vật chính (F) + Đặt một nguồn sáng điểm trên trục chính của một thấu kính hội tụ và hứng chùm sáng ló trên một màn ảnh E. Di chuyển nguồn sáng này dọc theo trục chính cho tới khi chùm sáng ló ra là chùm song song. Vị trí của nguồn sáng điểm lúc này được gọi là tiêu điểm vật chính F thường gọi tắt là tiêu điểm vật. + Với thấu kính phân kỳ, tiêu điểm vật F nằm cùng phía với chùm tia ló. (Hình 48.9) O F’ E O F S E * Các tiêu điểm F và F’ đối xứng với nhau qua quang tâm. c) Tiêu diện. Tiêu điểm phụ * Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm vật F được gọi là tiêu diện vật. * Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm ảnh F’ được gọi là tiêu diện ảnh. * Giao điểm của trục phụ với tiêu diện gọi là tiêu điểm phụ. d) Tiêu cự Tiêu cự là độ dài đại số, kí hiệu là f, có trị số tuyệt đối bằng khoảng cách từ các tiêu điểm chính tới quang tâm thấu kính. + Quy ước: f > 0 với thấu kính hội tụ. f < 0 với thấu kính phân kỳ. Đường đi của tia sáng qua thấu kính a) 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) qua tiêu điểm vật chính F, tia ló tương ứng song song với trục chính. - Tia tới qua quang tâm O thì đi thẳng. F F’ O F’ F O Các tia đặc biệt qua thấu kính hội tụ. Các tia đặc biệt qua thấu kính phân kỳ. b) Cách vẽ tia ló ứng với một tia tới bất kì Xét một tia tới bất kì SI, để vẽ tia ló tương ứng ta có thể làm như sau: * Cách 1: - vẽ trục phụ song song với tia tới SI. – Vẽ tiêu diện ảnh, cắt trục phụ tại tiêu điểm ảnh phụ . – Từ I vẽ tia ló đi qua . (Hình 48.14 và 48.15) * Cách 2: - Vẽ tiêu diện vật, cắt tia tới SI tại tiêu điểm vật phụ . – Vẽ trục phụ đi qua . – Vẽ tia ló song song với trục phụ trên. (Hình 48.16 và 48.17) Xác định ảnh bằng cách vẽ đường đi của tia sáng Để vẽ ảnh qua thấu kính của một vật phẳng, nhỏ AB vuông góc với trục chính, điểm A nằm trên trục chính, ta vẽ ảnh B’ của B rồi từ B’ hạ đường thẳng góc xuống trục chính, ta được ảnh A’B’ của vật AB. Để xác định ảnh B’, từ B vẽ đường đi tia sáng của hai trong các tia đặc biệt. Ảnh B’ là giao điểm của các tia ló. Nếu chùm tia ló là chùm hội tụ thì A’B’ là ảnh thật. Nếu chùm tia ló là chùm phân kỳ thì A’B’ là ảnh ảo. F F’ O . A’ B’ A B Vật thật qua thấu kính hội tụ cho ảnh thật, ngược chiều với vật. F F’ O . A’ B’ A B Vật thật qua thấu kính hội tụ cho ảnh ảo, cùng chiều và lớn hơn vật. Vật thật qua thấu kính phân kỳ cho ảnh ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật. F’ F O . A’ B’ A . B * Nhận xét: a) Với thấu kính hội tụ: + Vật thật nằm ngoài tiêu điểm cho ảnh thật, ngược chiều với vật. + Vật thật nằm trong tiêu điểm cho ảnh ảo, cùng chiều và lớn hơn vật. + Vật thật nằm tại tiêu điểm cho ảnh ở vô cực. b) Với thấu kính phân kỳ: + Vật thật luôn cho ảnh ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật. Độ tụ Độ tụ của thấu kính là đại lượng ngịch đảo của tiêu cự. + Đơn vị của độ tụ là điôp (dp) (với tiêu cự f tính bằng mét). + Với thấu kính hội tụ: D > 0. + Với thấu kính phân kỳ: D < 0. * Công thức tính độ tụ của thấu kính: Trong đó, n là chiết suất tỉ đối của vật liệu làm thấu kính đối với môi trường xung quanh thấu kính. là bán kính của các mặt thấu kính. + Quy ước: với các mặt lồi. với các mặt lõm. với mặt phẳng. Công thức thấu kính Xét vật AB qua thấu kính hội tụ cho ảnh A’B’ như hình vẽ. F F’ O . A’ B’ A B I Quy ước: ; ; + Vật thật: d > 0. + Vật ảo: d < 0. + Ảnh thật: d’ > 0. + Ảnh ảo: d’ < 0. + Thấu kính hội tụ: f > 0. + Thấu kính phân kỳ: f < 0. a) Công thức vị trí: b) Số phóng đại Hay + Nếu ảnh và vật cùng chiều, k > 0. + Nếu ảnh và vật ngược chiều, k < 0. * Từ các công thức trên ta được: * Nhận xét: a) Với thấu kính hội tụ (f > 0) + Khi d > 2f 0 < d’ < d Vật thật cho ảnh thật ngược chiều và nhỏ hơn vật. + Khi d = 2f d’ = d Vật thật cho ảnh thật ngược chiều và bằng vật. + Khi 2f > d > f d’ > d Vật thật cho ảnh thật ngược chiều và lớn hơn vật. + Khi d = f d’ Vật thật cho ảnh ở vô cực. + Khi 0 < d < f d’ < 0 và Vật thật cho ảnh ảo cùng chiều và lớn hơn vật. b) Với thấu kính phân kỳ (f < 0) + Khi d > 0 d’ < 0 và Vật thật cho ảnh ảo cùng chiều và nhỏ hơn vật. III/. Mắt Cấu tạo (Hình 50.1) Mắt có các bộ phận sau: 1. Màng giác (giác mạc); 2. Thủy dịch; 3. Màng móng mắt (Lòng đen); 4. Con ngươi; 5. Thể thủy tinh; 6. Cơ vòng; 7. Dịch thủy tinh; 8. Màng lưới (Võng mạc). Về phương diện quang hình học, ta có thể coi hệ thống bao gồm các bộ phận cho ánh sáng truyền qua của mắt tương đương với một thấu kính hội tụ. Thấu kính tương đương này được gọi là thấu kính mắt. + Tiêu cự của thấu kính mắt có thể thay đổi được nhờ sự co dãn của cơ vòng. + Màng lưới đóng vai trò như một màn ảnh. + Trên màng lưới, có một vùng nhỏ màu vàng, rất nhạy với ánh sáng gọi là điểm vàng. + Dưới điểm vàng một chút có điểm mù M hoàn toàn không cảm nhận được ánh sáng. Sự điều tiết. Điểm cực cận và điểm cực viễn a) Sự điều tiết của mắt Sự thay đổi độ cong các mặt của thể thủy tinh (dẫn đến sự thay đổi tiêu cự của thấu kính mắt) để giữ cho ảnh của vật cần quan sát hiện rõ trên màng lưới được gọi là sự điều tiết của mắt. b) Điểm cực viễn () Điểm xa nhất trên trục chính của mắt mà vật đặt tại đó thì ảnh của vật nằm trên màng lưới khi mắt không điều tiết gọi là điểm cực viễn (). + Đối với mắt không có tật, điểm cực viễn ở vô cực. + Khi quan sát vật đặt ở điểm cực viễn, mắt không phải điều tiết, nên mắt không mỏi. Khi đó thể thủy tinh dẹt nhất (tức là tiêu cự của thấu kính mắt lớn nhất, độ tụ nhỏ nhất), tiêu điểm của thấu kính mắt nằm trên màng lưới (). Vậy, mắt không có tật là mắt mà khi không điều tiết, thì tiêu điểm của thấu kính mắt nằm trên màng lưới. c) Điểm cực cận () Điểm gần nhất trên trục chính của mắt mà vật đặt tại đó thì ảnh của vật nằm trên màng lưới khi mắt điều tiết cực đại gọi là điểm cực cận (). + Khoảng cách từ điểm cực cận đến mắt được gọi là khoảng cực cận của mắt và kí hiệu bằng chữ Đ. (Đ = ). + Khi quan sát vật đặt ở điểm cực cận, mắt điều tiết mạnh nhất, nên mắt rất chóng mỏi. Khi đó thể thủy tinh căng phồng đến mức tối đa (tức là tiêu cự của thấu kính mắt nhỏ nhất, độ tụ lớn nhất). * Khoảng từ điểm cực cận () đến điểm cực viễn () gọi là khoảng nhìn rõ của mắt. Góc trông vật và năng suất phân li của mắt a) Góc trông vật Góc trông đoạn AB là góc tạo bởi hai tia sáng xuất phát từ hai điểm A và B tới mắt. + Nếu đoạn AB vuông góc với trục chính của mắt và là khoảng cách từ AB tới mắt thì ta có (Hình 50.4) b) Năng suất phân li của mắt Năng suất phân li của mắt (kí hiệu ) là góc trông nhỏ nhất khi nhìn đoạn AB mà mắt còn có thể phân biệt được hai điểm A, B. Đối với mắt bình thường . Vậy muốn mắt phân biệt được A và B thì góc trông . Sự lưu ảnh của mắt Sau khi ánh sáng kích thích trên màng lưới tắt, ảnh hưởng của nó vẫn còn kéo dài khoảng 0,1 s. Trong khoảng thời gian đó, ta vẫn còn cảm giác nhìn thấy vật. Đó là sự lưu ảnh của mắt. Hiện tượng này được ứng dụng trong điện ảnh. IV/. Các tật của mắt và cách khắc phục Cận thị a) Đặc điểm của mắt cận + Mắt cận là mắt nhìn xa kém hơn so với mắt bình thường. + So với mắt bình thường, điểm cực cận của mắt cận nằm gần mắt hơn. + Điểm cực viễn của mắt cận cách mắt một khoảng không lớn (cỡ 2 m trở lại). + Khi không điều tiết, thấu kính mắt của mắt cận có tiêu điểm nằm trước màng lưới. b) Cách khắc phục tật cận thị + Cách 1: Dùng thấu kính phân kỳ có độ tụ thích hợp đeo trước mắt hay gắn nó sát giác mạc. Thấu kính phân kỳ được chọn sao cho, nếu người cận thị đeo kính thì ảnh của vật ở xa vô cực hiện lên tại điểm cực viễn của mắt. Nếu kính đeo sát mắt thì tiêu cự của kính phải đeo sẽ là Khi đeo kính, điểm gần nhất nhìn thấy rõ sẽ ở xa hơn điểm cực cận khi không đeo kính. + Cách 2: Phẩu thuật giác mạc làm thay đổi độ cong bề mặt giác mạc. Viễn thị a) Đặc điểm của mắt viễn thị + Mắt viễn là mắt nhìn gần kém hơn so với mắt bình thường. + So với mắt bình thường, điểm cực cận của mắt viễn nằm xa mắt hơn. + Khi nhìn vật ở vô cực, mắt viễn đã phải điều tiết. + Khi không điều tiết, thấu kính mắt của mắt viễn có tiêu điểm nằm sau màng lưới. b) Cách khắc phục tật viễn thị + Cách 1: Dùng thấu kính hội tụ có độ tụ thích hợp đeo trước mắt hay gắn nó sát giác mạc. Thấu kính hội tụ được chọn sao cho, nếu người viễn thị đeo kính thì nhìn được vật ở gần như mắt không có tật. Khi đó ảnh của vật tạo bởi kính nằm ở điểm cực cận của mắt viễn. Khi đeo kính, mắt viễn nhìn vật ở vô cực đỡ phải điều tiết hơn. + Cách 2: Phẩu thuật giác mạc làm thay đổi độ cong bề mặt giác mạc. Lão thị a) Đặc điểm của mắt lão + Mắt lão là mắt nhìn gần kém hơn so với mắt bình thường (lúc trẻ). + So với mắt bình thường, điểm cực cận của mắt lão nằm xa mắt hơn. + Khi nhìn vật ở vô cực, mắt lão không phải điều tiết (như mắt bình thường). + Khi không điều tiết, thấu kính mắt của mắt lão có tiêu điểm nằm trên màng lưới. b) Cách khắc phục tật lão thị + Cách 1: Dùng thấu kính hội tụ có độ tụ thích hợp đeo trước mắt hay gắn nó sát giác mạc. Thấu kính hội tụ được chọn sao cho, nếu người lão thị đeo kính thì nhìn được vật ở gần như mắt không có tật. Khi đó ảnh của vật tạo bởi kính nằm ở điểm cực cận của mắt. + Cách 2: Phẩu thuật giác mạc làm thay đổi độ cong bề mặt giác mạc. F F’ O . A’ B’ A B d’ d Sơ đồ và sự tạo ảnh qua kính lúp. V/. Kính lúp Kính lúp và công dụng Kính lúp là quang cụ bổ trợ cho mắt, có tác dụng làm tăng góc trông bằng cách tạo ra một ảnh ảo cùng chiều, lớn hơn vật. Kính lúp là một thấu kính hội tụ có tiêu cự nhỏ (cỡ vài xentimét). Cách ngắm chừng ở điểm cực cận và cách ngắm chừng ở vô cực Muốn quan sát rõ một vật qua kính lúp, ta phải điều chỉnh vị trí của vật hoặc kính sao cho ảnh của vật hiện trong khoảng nhìn rõ của mắt. + Khi điều chỉnh để ảnh hiện lên ở điểm cực cận thì được gọi là ngắm chừng ở điểm cực cận. + Khi điều chỉnh để ảnh hiện lên ở điểm cực viễn thì được gọi là ngắm chừng ở điểm cực viễn. Đối với mắt không có tật, điểm cực viễn ở vô cực, nên ngắm chừng ở điểm cực viễn gọi là ngắm chừng ở vô cực. Số bội giác của kính lúp a) Số bội giác Tỉ số giữa góc trông ảnh qua dụng cụ quang với góc trông trực tiếp vật khi vật đặt ở điểm cực cận của mắt được gọi là số bội giác (G). Vì và đều rất nhỏ, nên ta có thể tính Với và Đ = b) Số bội giác của kính lúp Gọi là khoảng cách từ mắt đến kính và d’ là khoảng cách từ ảnh A’B’ đến kính. Ta có: Do đó: Hay: Với k là số phóng đại cho bởi kính lúp. * Khi ngắm chừng ở điểm cực cận, ta có , do đó * Khi ngắm chừng ở vô cực, thì vật cần quan sát được đặt ở tiêu điểm vật của kính lúp, ảnh A’B’ ở vô cực, các tia ló ra khỏi kính là các tia song song. Đặt mắt ở bất kỳ vị trí nào sau kính thì góc trông ảnh A’B’ luôn có giá trị không đổi là . Khi đó ta có: suy ra Vậy, khi ngắm chừng ở vô cực, mắt không phải điều tiết và số bội giác của kính không phụ thuộc vào vị trí đặt mắt. VI/. Kính hiển vi Nguyên tắc cấu tạo kính hiển vi Kính hiển vi là dụng cụ quang bổ trợ cho mắt quan sát những vật rất nhỏ. Kính hiển vi có số bội giác lớn hơn nhiều lần số bội giác của kính lúp. Kính hiển vi là một hệ gồm hai thấu kính hội tụ. . A B . Sơ đồ và sự tạo ảnh qua kính hiển vi. Cấu tạo và cách ngắm chừng a) Cấu tạo Kính hiển vi gồm hai bộ phận chính: vật kính và thị kính (kính vật và kính mắt). Hai kính được đặt đồng trục ở hai đầu một ống hình trụ, khoảng cách giữa chúng không đổi. (Hình 53.2) + Vật kính là một thấu kính hội tụ có tiêu cự rất ngắn, dùng để tạo ra ảnh thật lớn hơn vật nhiều lần. + Thị kính là một thấu kính hội tụ có tiêu cự vài xentimét, được dùng như một kính lúp. b) Ngắm chừng Vật AB cần quan sát được đặt ngoài, nhưng rất gần tiêu điểm vật của vật kính. Qua vật kính, ta thu được ảnh thật lớn gấp lần vật. Thị kính được sử dụng như một kính lúp để quan sát ảnh . Khi đó, thị kính cho ta ảnh ảo cuối cùng rất lớn, ngược chiều với vật AB. Mắt được đặt sát sau thị kính để quan sát ảnh . + Để nhìn rõ ảnh , ta phải thay đổi khoảng cách giữa vật và vật kính để ảnh nằm trong khoảng nhìn rõ của mắt. . A B . I Ngắm chừng ở vô cực. + Để đỡ mỏi mắt, ta thường ngắm chừng ảnh ở vô cực. Khi đó nằm ở tiêu diện vật của thị kính. Số bội giác của kính hiển vi * Khi ngắm chừng ở vô cực, ta có: Còn Do đó, số bội giác của kính hiển vi trong trường hợp ngắm chừng ở vô cực là: hay: * Vậy, số bội giác của kính hiển vi trong trường hợp ngắm chừng ở vô cực bằng tích của số phóng đại của ảnh qua vật kính với số bội giác của thị kính. * Mặt khác ta lại có: với gọi là độ dài quang học của kính hiển vi. Vậy: Đ * Số bội giác G của kính hiển vi trong trường hợp tổng quát: VII/. Kính thiên văn Nguyên tắc cấu tạo kính thiên văn Kính thiên văn là dụng cụ quang bổ trợ cho mắt quan sát các vật ở rất xa bằng cách tạo ảnh có góc trông lớn hơn góc trông vật nhiều lần. + Kính thiên văn dùng thấu kính để nhận ánh sáng từ vật chiếu đến gọi là kính thiên văn khúc xạ. . . Sơ đồ và sự tạo ảnh qua kính thiên văn khúc xạ. + Kính thiên văn dùng gương lõm để nhận ánh sáng từ vật chiếu đến gọi là kính thiên văn phản xạ. Cấu tạo và cách ngắm chừng qua kính thiên văn khúc xạ a) Cấu tạo Bộ phận chủ yếu của kính thiên văn khúc xạ gồm hai thấu kính hội tụ. Vật kính có tiêu cự lớn, thị kính có tiêu cự nhỏ. Hai kính được lắp đồng trục ở hai đầu của một ống hình trụ. Khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được. b) Ngắm chừng Hướng ống kính về phía vật cần quan sát AB coi như ở xa vô cực, vật kính cho một ảnh thật nằm ở tiêu diện ảnh của vật kính. Thị kính cho ảnh cuối cùng là một ảnh ảo, ngược chiều với vật AB. Mắt được đặt sát sau thị kính để quan sát ảnh . Muốn ngắm chừng ta phải dịch chuyển thị kính để thay đổi khoảng cách giữa vật kính và thị kính, sao cho ảnh nằm trong khoảng nhìn rõ của mắt. Để ngắm chừng ở vô cực, phải điều chỉnh kính sao cho ảnh nằm ở tiêu diện vật của thị kính, khi đó ảnh hiện ra ở vô cực. . Sơ đồ kính thiên văn khúc xạ và sự tao ảnh khi ngắm chừng ở vô cực. * Kính thiên văn phản xạ Ở kính thiên văn phản xạ, vật kính là một gương lõm, thường là gương parabol. Ngắm chừng ở kính thiên văn phản xạ, về nguyên tắc, cũng giống như ở kính thiên văn khúc xạ. Số bội giác của kính thiên văn khúc xạ Trong trường hợp ngắm chừng ở vô cực, ta có: và Do đó: còn Số bội giác có giá trị: hay: Vậy, số bội giác của kính thiên văn khúc xạ trong trường hợp ngắm chừng ở vô cực bằng tỉ số của tiêu cự vật kính và tiêu cự thị kính . + Muốn cho số bội giác của kính thiên văn khúc xạ lớn thì tiêu cự của vật kính phải lớn (cỡ vài chục xentimét đế vài mét) và tiêu cự của thị kính phải nhỏ (cỡ vài xentimét).