Bài 9. Thực hành đo tiêu cự của thấu kính hội tụ trang 25, 26, 27

9.1

Hình 9.1 mô tả bộ dụng cụ thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ.

Hãy ghép các số tương ứng với dụng cụ trên hình vào tên gọi dưới đây:

a) Màn chắn sáng bằng nhựa cứng màu đen có lỗ mang hình chữ F.

b) Màn ảnh bằng nhựa trắng mờ.

c) Giá quang học.

d) Nguồn điện, dây dẫn.

e) Thấu kính hội tụ.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về dụng cụ thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

Lời giải chi tiết:

a − (2); b − (4); c − (5); d − (6); e − (3).

9.2

Dựng ảnh A’B’ của một vật AB có độ cao h, đặt vuông góc với trục chính của thấu kính hội tụ và cách thấu kính một khoảng d = 2f (f là tiêu cự của thấu kính) (Hình 9.2).

a) Dựa vào hình vẽ để chứng minh rằng trong trường hợp này, khoảng cách từ ảnh đến thấu kính và khoảng cách từ vật đến thấu kính bằng nhau.

b) So sánh độ cao h của ảnh A′B′ với độ cao h của vật AB.

c) Gọi d’ là khoảng cách từ ảnh của vật đến thấu kính. Chứng minh công thức tính tiêu cự trong trường hợp này: $f=\frac{d+d^{\prime }}{4}$

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về thấu kính hội tụ

Lời giải chi tiết:

a) Từ Hình 9.1G, ta có: BI = AO = 2f = 2OF’, do vậy OF’ là đường trung bình của ∆B'BI.

Suy ra OB = OB’.

Mặt khác $\widehat{BOA}=\widehat{B^{\prime }O{A}^{\prime }}$ (hai góc đối đỉnh); AB  AO; A’B’ $\perp$ OA’.

Do vậy: ∆ABO = ∆A′B′O (cạnh huyền và một góc nhọn bằng nhau)

Suy ra OA = OA’

b) Ảnh có kích thước bằng vật: AB = A′B′ hay h = h’.

c) Công thức tính tiêu cự trong trường hợp này:

Vì OA' = OA = 2f ⇒ d' = d = 2f ⇒ $f=\frac{d+d^{\prime }}{4}$

9.3

Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để có một phương án đo tiêu cự f đầy đủ căn cứ trên kết quả tính ở câu 9.2.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về thấu kính

Lời giải chi tiết:

1 − b; 2 − a; 3 − d; 4 − c; 5 − e.

9.4

Giả sử kết quả thí nghiệm theo phương án của câu 9.3 như bảng dưới đây:

Hãy trình bày bản báo cáo thực hành theo mẫu dưới đây.

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Họ và tên: ... Lớp: ...

1. Mục đích thí nghiệm

Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.

2. Chuẩn bị

Dụng cụ thí nghiệm:

3. Các bước tiến hành

Mô tả các bước tiến hành:

4. Kết quả thí nghiệm

hoàn thành bảng ghi kết quả thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ. Từ kết quả thu được thực hiện các yêu cầu sau:

a) Nhận xét về chiều cao của vật và chiều cao của ảnh

b) Tính giá trị trung bình của tiêu cự thấu kính hội tụ. So sánh giá trị này với số liệu tiêu cự ghi trên thấu kính

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về thấu kính

Lời giải chi tiết:

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Họ và tên: ... Lớp: ...

1. Mục đích thí nghiệm

Đo tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.

2. Chuẩn bị

Dụng cụ thí nghiệm: Trình bày như câu 9.1.

3. Các bước tiến hành

Mô tả các bước tiến hành: Trình bày như câu 9.3.

4. Kết quả thí nghiệm

Bảng 9.1 G

a) Chiều cao của vật và ảnh xấp xỉ bằng nhau.

b) Giá trị trung bình của tiêu cự thấu kính hội tụ:

$\overline{f}=\frac{50,00+49,75+50,25+50,50+49,50}{5}=50,10\left(cm\right)$

HS tự so sánh giá trị này với số liệu tiêu cự ghi trên thấu kính.

9.5

Thực nghiệm cho thấy, với bộ dụng cụ thí nghiệm như Hình 9.1. Khi đã thu được ảnh của vật rõ nét trên màn, nếu giữ cố định khoảng cách giữa vật và màn rồi di chuyển thấu kính trong khoảng giữa vật và màn, người ta sẽ thu được một vị trí nữa của thấu kính cũng cho ảnh rõ nét trên màn như Hình 93.

Gọi l là khoảng cách giữa hai vị trí của thấu kính đều cho ảnh rõ nét trên màn và L là khoảng cách giữa vật và màn. Hãy chứng minh công thức: $f=\frac{L^2-l^2}{4L}$

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về thấu kính

Lời giải chi tiết:

Ta có: d + d’= L; d' = $\frac{df}{d-f}$ → d² – Ld + Lf = 0, đây là phương trình bậc hai đối với ẩn d. Để có hai vị trí của thấu kính cho ảnh rõ nét trên màn thì phương trình có hai nghiệm phân biệt (tức là có hai giá trị của d) thì ∆ = L² – 4Lf > 0 → L > 4f. Vị trí 1: d₁ = d; d'₁ = d'

Vị trí 2: d₂; d'₂

Do tính chất đối xứng, vật và ảnh có thể đổi chỗ cho nhau nên ta có:

$\{\begin{array}{c}{d}_2={d_1}^{\prime }=d^{\prime }\\ {d_2}^{\prime }=d_1=d\end{array}\to \{\begin{array}{c}d+d^{\prime }=L\\ d^{\prime }=d+l\end{array}$→ $d=\frac{L-l}{2};d^{\prime }=\frac{L+l}{2}$

Thay d và d′ vào công thức: f =$\frac{{dd}^{\prime }}{d+d^{\prime }}$ ta được: f = $\frac{L^2-l^2}{4.L}$

9.6

Từ kết quả tính toán từ câu 9.5, hãy thiết kế một phương án thí nghiệm sử dụng Bộ dụng cụ thí nghiệm Hình 9.1 để đo tiêu cự của thấu kính hội tụ.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về thấu kính hội tụ

Lời giải chi tiết:

Thiết kế phương án thí nghiệm đo tiêu cự của thấu kính hội tụ theo kết quả tính toán của câu 9,5 như sau:

– Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 9.1. Đặt vật và màn ảnh hai bên thấu kính, cách thấu kính một khoảng L > 4f, đo khoảng cách L. Giữ nguyên khoảng cách L, xê dịch thấu kính trong khoảng giữa vật và màn ảnh cho đến khi thu được một ảnh rõ nét trên màn. Đánh dấu vị trí thứ nhất của thấu kính (O₁)

– Bước 2: Vẫn giữ nguyên khoảng cách L và tiếp tục xê dịch thấu kính trong khoảng giữa vật và màn ảnh cho đến khi thu được một nửa cho ảnh rõ nét trên màn. Đánh dấu vị trí thứ hai của thấu kính (O₂).

– Bước 3: Đo khoảng cách O₁O₂ = l.

– Bước 4: Tính tiêu cự của thấu kính theo công thức: f = $\frac{L^2-l^2}{4.L}$