VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 11 bài viết Bài toán về thấu kính liên quan đến xác định vị trí vật, ảnh, kích thước ảnh, nhằm giúp các em học tốt chương trình Vật lí 11.
Nội dung bài viết Bài toán về thấu kính liên quan đến xác định vị trí vật, ảnh, kích thước ảnh:
Dạng 3. Xác định vị trí vật, ảnh, kích thước ảnh. A. KIẾN THỨC CƠ BẢN + Công thức thấu kính: 1 f dd. Hệ quả: d f df. Trong đó: d: là vị trí của vật so với thấu kính; vật thật: d > 0; vật ảo d < 0 d: là vị trí của ảnh so với thấu kính; ảnh thật: d > 0; ảnh ảo d < 0 f là tiêu cự của thấu kính, f > 0 với thấu kính hội tụ và f < 0 với thấu kính phân kì. + Chiều và độ lớn ảnh (số phóng đại): AB d k AB d. Nếu ảnh và vật cùng chiều thì k > 0, ngược lại k < 0 Độ lớn (chiều cao của ảnh): A B k AB. Chú ý: A B là độ dài đại số (có thể âm, dương, bằng 0), A B độ dài hình học (luôn dương). Điểm sáng hay vật sáng thì là vật thật, ảnh hứng trên màn là ảnh thật.
B. VÍ DỤ MẪU Ví dụ 1: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f. Điểm sáng S qua thấu kính cho ảnh thật S. Gọi khoảng cách từ S đến thấu kính là d, từ S đến thấu kính là d chứng minh công thức: 11 1 f dd. Hướng dẫn giải a) Dựng ảnh thật S’ của S bằng cách sử dụng 2 tia tới: Tia SI xx’ qua thấu kính cho tia ló đi qua tiêu điểm F’. Tia SO đi qua quang tâm O của thấu kính thì truyền thẳng. Dựng SH và S’H’ ⊥ xx’. + Ta có ∆SOH ∼ ∆S’OH’ (1) + Ta lại có: ∆OF’I ∼ ∆H’F SH.FH = IO.FO ⇒ (2) Với SH = IO nên từ (1) và (2) OH F H d d (3) + Chia cả 2 vế (3) cho tích d.d’.f ⇒ 11 1 f dd (đpcm). Ví dụ 2: Vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 20 cm. Xác định tính chất, chiều, độ lớn của ảnh qua thấu kính và vẽ hình trong những trường hợp sau: a) Vật cách thấu kính 30 cm. b)Vật cách thấu kính 20 cm. c) Vật cách thấu kính 10 cm.
Hướng dẫn giải a) Ta có: 111 f dd df 30 20 d 60 cm. Ảnh là ảnh thật và cách thấu kính đoạn 60 cm Số phóng đại của ảnh: d 60 k 2 0 d 30 ⇒ ảnh ngược chiều với vật và lớn gấp 2 lần vật. b) Ta có: 111 f dd df 20.20 d d f 20 20 ⇒ ảnh ở vô cùng 174 c) Ta có: 111 f dd df 10.20 d 20 cm 0 d f. Ảnh là ảnh ảo và cách thấu kính đoạn 20 cm Số phóng đại của ảnh: d 20 k 2 0 d 10 ⇒ ảnh cùng chiều với vật và lớn gấp 2 lần vật. Ví dụ 3: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20 cm. Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính cho ảnh cao gấp 2 lần vật. Xác định vị trí vật và ảnh. Hướng dẫn giải Ta có: 1 1 1 d f d d. Theo bài ra, ảnh cao gấp 2 lần vật nên chưa thể xác định là ảnh thật hay ảnh ảo vì thế: d f d f f d k2 (cả 2 vị trí đều thỏa mãn). Khi vật cách thấu kính d = 10 cm ⇒ 20 d 20 cm 0 d f. Khi vật cách thấu kính d = 30 cm ⇒ d f 30 20 d 60 cm 0 d f 30 20.
Ví dụ 4: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20cm. Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính cho ảnh cao bằng vật. Xác định vị trí vật và ảnh. Hướng dẫn giải: Vật thật qua thấu kính hội tụ cho ảnh bằng vật ⇒ ảnh thật ⇒ d 0 k 0. Ta có: d f df 175. Theo bài ra ta có: d 2f 40 cm d d df. Ví dụ 5: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 20 cm. Vật sáng AB cao 2 cm cho ảnh A’B’ cao 1 cm. Tính độ phóng đại của ảnh và xác định vị trí vật? Hướng dẫn giải Vật thật qua thấu kính hội tụ cho ảnh nhỏ hơn vật nên ảnh đó chỉ có thể là ảnh thật (vì ảnh ảo qua thấu kính hội tụ luôn lớn hơn vật). Do đó ta có: d 1 k d 2. Mà: f df. Lại có: d f d 60 cm 2 f d 2 20 d.
Ví dụ 6: Một vật sáng AB có dạng mũi tên đặt vuông góc trục chính của thấu kính phân kỳ, cho ảnh cao 3,6 cm và cách thấu kính 6 cm. Thấu kính có tiêu cự 15 cm. Xác định vị trí và kích thước của vật. Vẽ hình. Hướng dẫn giải + Áp dụng công thức thấu kính ta có: d f. Vì thấu kính phân kì nên f = -15 (cm) và vật thật cho ảnh ảo nên d = -6 (cm) + Vị trí của vật AB: 15 d 10 cm d f 6 15 + Kích thước (chiều cao) của vật: AB 6 cm k d 6 d 10. Hình vẽ: O F A A F. Ví dụ 7: Chứng tỏ rằng thấu kính hội tụ luôn luôn tạo được: a) ảnh ảo lớn hơn vật thật. b) ảnh thật nhỏ hơn vật ảo. Hướng dẫn giải a) Chứng minh: ảnh ảo qua thấu kính hội tụ lớn hơn vật thật – Ta có: Vật thật: d > 0; thấu kính hội tụ: f > 0; ảnh ảo: d’ < 0. Mà: df df d ⇒ 0 < d < f – Số phóng đại: df|k| > 1 d fd. Vậy: Vật thật qua thấu kính hội tụ cho ảnh ảo lớn hơn vật. b) Chứng minh: ảnh thật qua thấu kính hội tụ nhỏ hơn vật ảo – Ta có: Vật ảo: d < 0; thấu kính hội tụ: f > 0; ảnh thật: d’ > 0. Mà: df df d 0 df df ⇔ d’ > 0 (với mọi d < 0). – Số phóng đại: d f |k|.
Vậy: Vật ảo qua thấu kính hội tụ cho ảnh thật nhỏ hơn vật. Ví dụ 8: Chứng tỏ rằng thấu kính phân kì luôn luôn tạo được: a) ảnh thật lớn hơn vật ảo. b) ảnh ảo nhỏ hơn vật thật. Hướng dẫn giải a) Chứng minh: ảnh thật qua thấu kính phân kì lớn hơn vật ảo – Ta có: Thấu kính phân kì: f < 0, vật ảo: d < 0, ảnh thật: d’ > 0. Mà: df df d 0 df df ⇔ f < d < 0 – Số phóng đại: d f |k| 177. Vậy: Vật ảo qua thấu kính phân kì cho ảnh thật lớn hơn vật. b) Chứng minh: ảnh ảo qua thấu kính phân kì nhỏ hơn vật thật – Ta có: Thấu kính phân kì: f < 0, vật thật: d > 0, ảnh ảo: d’ < 0. Mà: df d 0 d f ⇒ d’ < 0 (với mọi d > 0). – Số phóng đại: d f |k| 1 d fd. Vậy: Vật thật qua thấu kính phân kì cho ảnh ảo nhỏ hơn vật.
C. BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1. Một vật sáng AB có dạng mũi tên cao 6 cm đặt vuông góc trục chính của thấu kính hội tụ, cách thấu kính 15cm. Thấu kính có tiêu cự 10 cm. Xác định kích thước và vị trí của ảnh. Bài 2. Một vật sáng AB có dạng mũi tên đặt vuông góc trục chính của thấu kính phân kỳ, cho ảnh cao 3,6 cm và cách thấu kính 6 cm. Thấu kính có tiêu cự 15 cm. Xác định vị trí và kích thước của vật. Vẽ hình. Bài 3. Người ta dung một thấu kính hội tụ để thu ảnh của một ngọn nến trên một màn ảnh. Hỏi phải đặt ngọn nến cách thấu kính bao nhiêu và màn cách thấu kính bao nhiêu để có thể thu được ảnh của ngọn nến cao gấp 5 lần ngọn nến. Biết tiêu cự thấu kính là 10 cm, nến vuông góc với trục chính. Bài 4. Cho thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 10 cm. Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính, cách thấu kính 30 cm. Hãy xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh và số phóng đại ảnh. Vẽ hình đúng tỷ lệ.
Bài 5. Cho thấu kính phân kỳ có tiêu cự f = -10 cm. Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính, cách thấu kính 20 cm. Hãy xác định vị trí ảnh, tính chất ảnh và số phóng đại ảnh. Bài 6. Vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ và cách thấu kính 10 cm. Nhìn qua thấu kính thấy 1 ảnh cùng chiều và cao gấp 3 lần vật. Xác định tiêu cự của thấu kính. Bài 7. Một thấu kính hội tụ có tiêu cự 20 cm. Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính cho ảnh cao bằng nửa vật. Xác định vị trí vật và ảnh. Bài 8. Một thấu kính phân kỳ có tiêu cự f = -20 cm. Vật sáng AB là một đoạn thẳng đặt vuông góc trục chính của thấu kính cho ảnh cao bằng nửa vật. Xác định vị trí vật và ảnh. Bài 9. Đặt một thấu kính cách một trang sách 20 cm, nhìn qua thấu kính thấy ảnh của dòng chữ cùng chiều với dòng chữ nhưng cao bằng một nửa dòng chữ thật. Tìm tiêu cự của thấu kính, suy ra thấu kính loại gì?
Bài 10. Ảnh ảo của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ bằng 2 lần vật và cách thấu kính 16cm. a) Tính tiêu cự của thấu kính. b) Thấu kính thuộc loại phẳng – cầu có n = 1,5. Tính R. Bài 11. Chứng tỏ rằng: a) Với thấu kính hội tụ, vật và ảnh không thể cùng ảo. b) Với thấu kính phân kì, vật và ảnh không thể cùng thật. Bài 12. Chứng minh rằng thấu kính tạo được: – ảnh thật cho vật thật. – ảnh ảo lớn hơn vật thật. – ảnh thật nhỏ hơn vật ảo. phải là thấu kính hội tụ. Bài 13. Chứng minh rằng thấu kính tạo được: – ảnh ảo cho vật ảo. – ảnh thật lớn hơn vật ảo. – ảnh ảo nhỏ hơn vật thật phải là thấu kính phân kì. Bài 14. Với mỗi loại thấu kính hãy xác định vị trí của vật để ảnh tạo bởi thấu kính. a) là ảnh thật. b) là ảnh ảo. c) cùng chiều với vật. d) ngược chiều với vật. e) bằng vật. f) lớn hơn vật. g) nhỏ hơn vật. h) có khoảng cách vật – ảnh cùng bản chất nhỏ nhất. D. HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP VẬN DỤNG.