Thí nghiệm vật lý đo tiêu cự của thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì

Thí nghiệm vật lý Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ Và thấu kính phân kì Hình 12.1a I. Mục đích thí nghiệm 1. Khảo sát sự tạo ảnh của vật qua thấu kính hội tụ. Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ. 2. Khảo sát sự tạo ảnh của vật qua hệ thấu kính gồm một thấu kính phân kì và một thấu kính hội tụ. Đo tiêu cự của thấu kính phân kì. II. Dụng cụ thí nghiệm - 1 băng quang học dài 1000mm - 1 thấu kính hội tụ O1 - 1 thấu kính phân kì O2 - 1 đèn chiếu sáng Đ loại 6V-8W - 1 nguồn điện 6V-3A - 1 vật AB có dạng hình số 1 nằm trong lỗ tròn của một tấm nhựa (H.1). - 1 màn ảnh M kích th−ớc 70x100mm Cơ sở lí thuyết Tiêu cự f của thấu kính liên hệ với các khoảng cách d và d/ tính từ quang tâm của thấu kính đến vật AB và đến ảnh A/B/ của vật theo công thức : 1 f = 1 d + 1 d / (12.1) Từ đó suy ra : / / d d f = d + d (12.2) Các công thức (12.1) và (12.2) có tính chất đối xứng đối với d và d/, tức là khi hoán vị d và d/ thì dạng của các công thức này không thay đổi. Trong thí nghiệm này ta sẽ lần l−ợt xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ O1 và của thấu kính phân kì O2 nhờ sử dụng băng quang học. IV. Giới thiệu dụng cụ đo Băng quang học (H.2) là một máng ngang G có gắn một th−ớc thẳng milimét T dùng xác định vị trí của vật AB, của các thấu kính O1 (hoặc O2) và của màn ảnh M đặt trên các đế tr−ợt 1, 2, 3, 4. Một đèn chiếu sáng Đ đ−ợc đặt ở đầu của máng G. Có thể dịch chuyển các đế tr−ợt 1, 2, 3, 4 trong máng G để làm thay đổi vị trí của vật, của các thấu kính và của màn ảnh trên băng quang học. Chú ý : Phải đặt các thấu kính sao cho trục chính của chúng vuông góc với vật AB và màn ảnh M, đồng thời trùng với đ−ờng thẳng đi qua tâm đèn chiếu sáng Đ. V. Tiến hành thí nghiệm 1. Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ Quang tâm của thấu kính nói chung không trùng với tâm điểm (tức điểm chính giữa) của thấu kính nên không thể xác định đúng vị trí của quang tâm. Vì thế khó có thể đo chính xác các khoảng cách d và /d để xác định tiêu cự f của thấu kính theo công thức (12.2). Muốn khắc phục điều này, ta có thể làm nh− sau : - Ph−ơng án thứ nhất : O1 T A M Hình .2 Bộ thiết bị thí nghiệm “Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ và thấu kính phân kì” Đ B G Hình 1 1 a) Đặt vật AB (H.1) lên mặt tờ giấy trắng. Dùng bút nét nhỏ vẽ một hình có đ−ờng viền đúng bằng kích th−ớc của vật AB lên mặt tờ giấy, rồi dán nó vào màn ảnh M. b) Đặt vật AB gần sát đèn Đ và điều chỉnh sao cho toàn bộ mặt vật AB đ−ợc chiếu sáng. c) Dịch chuyển thấu kính hội tụ O1 và màn ảnh M sao cho thấu kính này luôn cách đều vật AB và màn ảnh M cho tới khi thu đ−ợc ảnh thật rõ nét có kích th−ớc trùng đúng với hình vẽ của vật AB trên màn ảnh M. Khi đó ảnh có độ lớn bằng vật. Ghi giá trị của khoảng cách L0 giữa vật AB và màn ảnh M vào bảng thực hành 12.1. d) Thực hiện lại 3 lần động tác (c). Trong tr−ờng hợp này, tiêu cự f1 của thấu kính hội tụ O1 đ−ợc xác định theo công thức : 4 L f 01 = (12.3) - Ph−ơng án thứ hai : a) Đặt màn ảnh M cách vật AB một khoảng thích hợp 1.4 fL > trên băng quang học (trong thí nghiệm này, nên chọn L= 4,5f1 ) b) Dịch chuyển thấu kính hội tụ O1 từ sát vật AB ra xa dần tới vị trí (I) thì ta thu đ−ợc ảnh thật rõ nét A/B/ lớn hơn vật AB hiện trên màn ảnh M (H. .3a). Ghi tọa độ x1 của thấu kính O1 tại vị trí (I) vào bảng thực hành 12.1. c) Dịch tiếp thấu kính O1 ra xa vật AB tới vị trí (II) để lại thu đ−ợc ảnh thật rõ nét A1B1 nhỏ hơn vật AB hiện trên màn ảnh M (H. 3b). Ghi tọa độ x2 của thấu kính O1 tại vị trí (II) vào bảng thực hành 1. d) Thực hiện lại 3 lần động tác (b) và (c). Trong các điều kiện trên, khoảng dịch chuyển a của thấu kính O1 từ vị trí (I) đến vị trí (II) bằng : a = x2 – x1 (12.4) và tiêu cự f1 của thấu kính hội tụ O1 đ−ợc xác định theo công thức : L aLf .4 22 1 − = (12.5) 2. Đo tiêu cự của thấu kính phân kì Thấu kính phân kì chỉ cho ảnh thật của vật ảo. Vì thế muốn đo tiêu cự f2 của thấu kính phân kì O2 , ta phải ghép nó với thấu kính hội tụ O1 thành hệ thấu kính đồng trục sao cho ảnh thật A1B1 của vật AB cho bởi thấu kính hội tụ O1 nằm ở phía sau trong khoảng tiêu cự 2f của thấu kính phân kì O2 (H. 4) để ảnh A1B1 trở thành vật ảo đối với thấu kính O2 theo thứ tự sau : a) Giữ nguyên vị trí của vật AB và thấu kính hội tụ O1 tại vị trí (II) cho ảnh thật rõ nét A1B1 nhỏ hơn AB trên màn ảnh M nh− hình 12.3b. Đặt thấu kính phân kì O2 trên đế tr−ợt 4 nằm phía sau thấu kính hội tụ O1 và đồng trục với O1, cách màn ảnh M một khoảng 2d = O2B1 < 2f (trong thí nghiệm này, nên chọn 2d = 50mm). d2 A1 F/2 Hình .4 d1 d2 / d1 / A B O1 A2 B1 F2 B2 O2 F1 F/1 A/ A1 F1 F1 O1 (II) O1 B/ F/1 d/1 Hình 12.3 d1 d d/ A B B A a L M (I) B1 Hình .3 a) b) b) Dịch dần màn ảnh M ra xa thấu kính phân kì O2 tới vị trí M / để thu đ−ợc ảnh rõ nét A2B2 nằm cách thấu kính O2 một khoảng 2 /d nh− hình 12.4. Thực hiện 3 lần động tác này. Ghi giá trị của khoảng cách 2 /d trong mỗi lần đo ứng với cùng giá trị đs chọin của d2 vào bảng thực hành 12.2. Tính tiêu cự f2 của thấu kính phân kì O2 theo công thức : / 22 / 22 2 dd dd f + = (12.6) trong đó d2 < 0 (A1B1 là vật ảo), 2 /d > 0 ( /2 / 2 BA là ảnh thật) và f2 < 0 (thấu kính O2 là phân kì). -------------------- Câu hỏi và bài tập 1. Viết công thức thấu kính và nói rõ qui −ớc về dấu của các đại l−ợng có trong công thức này. 2. Trình bày ph−ơng pháp đo tiêu cự của thấu kính hội tụ trong thí nghiệm này. Vẽ hình minh hoạ sự tạo ảnh của vật AB theo mỗi ph−ơng án đã chọn. 3. Trình bày ph−ơng pháp đo tiêu cự của thấu kính phân kì trong thí nghiệm này. Vẽ hình minh hoạ sự tạo ảnh của vật AB theo ph−ơng án đã chọn. 4. Chứng minh rằng nếu khoảng cách L giữa vật sáng AB và ảnh thật của nó cho bởi thấu kính hội tụ có tiêu cự f1 đ−ợc giữ không đổi thì : - nếu L = 4f1 : chỉ có một vị trí của thấu kính hội tụ trong khoảng cách L này cho ảnh rõ nét của vật trên màn ảnh M. - nếu L > 4f1 : có hai vị trí của thấu kính nằm trong khoảng cách L cho ảnh thật rõ nét trên màn ảnh M. 5. Sai số tỉ đối của phép đo tiêu cự thấu kính hội tụ đ−ợc tính theo công thức :       ⋅+⋅− − = L ∆L d d ∆d 2d)(L dL 1 f ∆f trong đó d là khoảng cách từ vật thật đến thấu kính hội tụ và L là khoảng cách từ vật thật đến ảnh thật của nó. Dựa vào công thức trên và phép tính đạo hàm, hãy chứng minh rằng phép đo tiêu cự của thấu kính hội tụ sẽ có sai số nhỏ nhất khi thấu kính nằm cách đều vật và ảnh thật của nó. 6. Có thể thực hiện phép đo tiêu cự của thấu kính phân kì theo ph−ơng án đặt thấu kính này tr−ớc một thấu kính hội tụ (tạo thành một hệ thấu kính đồng trục) đ−ợc không ? Vẽ hình minh hoạ sự tạo ảnh của vật AB theo ph−ơng án này. Báo cáo thí nghiệm Họ tên : ............................................................. Lớp ............................................Tổ .................. 1. Tên bài thực hành ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................ 2. Bảng thực hành 1 : Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ
Ph−ơng án thứ nhất Lần đo L0 (mm) f1 (mm) 1f∆ (mm) 1 2 3 ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............ Trung bình 1f =.... (mm) max1)( f∆ =.. (mm) Kết quả : ±= 11 ff )......(...........................)( max1 mmf ±=∆ với = ∆ 1 max1)( f f .....................
Ph−ơng án thứ hai Giá trị chọn tr−ớc : L = ................... (mm) Lần đo x1 x2 a = x2- x1 (mm) f1 (mm) 1f∆ (mm) 1 2 3 ............ ............ ............ ............ ............ ............ ............. ............. ............. ............ ............ ............ ............ ............ ............ Trung bình 1f =.... (mm) max1)( f∆ =.. (mm) Kết quả : ±= 11 ff )......(...........................)( max1 mmf ±=∆ với = ∆ 1 max1)( f f ............................... - So sánh kết quả đo của các phép đo thực hiện theo hai ph−ơng án trên. 3. Bảng thực hành 2 : Đo tiêu cự của thấu kính phân kì Giá trị chọn tr−ớc : d2 = ................... (mm) Lần đo d2 / (mm) f2 (mm) ∆f2 (mm) 1 2 3 ................ ................ ............... ................ ................ ............... ................ ................ ............... Trung bình 2f = ................. (mm) =max2 )f∆( ................. (mm) Kết quả : ...................................)f∆(ff max222 ±=±= (mm) với = ∆ 2 max2 )( f f ...............................