Bài viết này tổng hợp đầy đủ và chi tiết nhất về Công Thức Về Thấu Kính, một phần quan trọng trong chương trình Vật Lý lớp 11. Chúng ta sẽ đi từ định nghĩa cơ bản, các loại thấu kính, đến các công thức then chốt và bài tập vận dụng có lời giải chi tiết.
1. Thấu Kính Là Gì? Định Nghĩa và Phân Loại
Thấu kính là một khối chất liệu trong suốt (thường là thủy tinh, nhựa…) được giới hạn bởi hai mặt cong, hoặc một mặt cong và một mặt phẳng. Thấu kính có khả năng khúc xạ ánh sáng, tạo ra ảnh của vật thể.
Phân loại thấu kính theo hình dạng:
- Thấu kính lồi (rìa mỏng): Phần rìa mỏng hơn phần trung tâm.
Alt: Hình ảnh thấu kính lồi với phần rìa mỏng và khả năng hội tụ ánh sáng đi qua nó.
- Thấu kính lõm (rìa dày): Phần rìa dày hơn phần trung tâm.
Alt: Minh họa thấu kính lõm với rìa dày hơn và khả năng phân tán ánh sáng khi đi qua.
Phân loại thấu kính theo tác dụng lên chùm tia sáng song song (trong không khí):
- Thấu kính hội tụ: Chùm tia sáng song song sau khi đi qua thấu kính sẽ hội tụ tại một điểm. Thấu kính lồi thường là thấu kính hội tụ.
Alt: Sơ đồ hoạt động của thấu kính hội tụ, chùm sáng song song hội tụ tại tiêu điểm.
Ký hiệu thấu kính hội tụ:
Alt: Biểu tượng của thấu kính hội tụ, một đường thẳng với hai mũi tên hướng ra ngoài ở hai đầu.
- Thấu kính phân kỳ: Chùm tia sáng song song sau khi đi qua thấu kính sẽ phân kỳ ra. Thấu kính lõm thường là thấu kính phân kỳ.
Alt: Hình ảnh minh họa thấu kính phân kỳ và sự phân tán của chùm tia sáng song song khi đi qua nó.
Ký hiệu thấu kính phân kỳ:
Alt: Kí hiệu của thấu kính phân kỳ, đường thẳng với hai mũi tên hướng vào trong.
Các khái niệm quan trọng khác:
- Quang tâm (O): Điểm nằm trên trục chính của thấu kính, mọi tia sáng đi qua quang tâm đều truyền thẳng.
- Trục chính: Đường thẳng đi qua quang tâm và vuông góc với mặt thấu kính.
- Trục phụ: Mọi đường thẳng đi qua quang tâm, không trùng với trục chính.
- Tiêu điểm chính (F, F’): Điểm hội tụ của chùm tia song song với trục chính (thấu kính hội tụ) hoặc điểm mà đường kéo dài của chùm tia ló hội tụ (thấu kính phân kỳ). Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm chính đối xứng nhau qua quang tâm.
- Tiêu điểm phụ: Điểm hội tụ (hoặc đường kéo dài hội tụ) của chùm tia song song với một trục phụ. Mỗi thấu kính có vô số tiêu điểm phụ.
- Tiêu diện: Mặt phẳng vuông góc với trục chính tại tiêu điểm chính.
Alt: Hình ảnh minh họa tiêu diện của thấu kính, là mặt phẳng chứa tất cả các tiêu điểm.
Vật thật, vật ảo, ảnh thật, ảnh ảo:
- Vật thật: Chùm tia tới từ vật là chùm phân kỳ.
- Vật ảo: Chùm tia tới từ vật là chùm hội tụ.
- Ảnh thật: Chùm tia ló là chùm hội tụ, có thể hứng được trên màn.
- Ảnh ảo: Chùm tia ló là chùm phân kỳ, không hứng được trên màn, nhìn thấy qua thấu kính.
Alt: Hình ảnh minh họa sự tạo thành ảnh thật của vật qua thấu kính hội tụ.
Alt: Biểu diễn ảnh ảo được tạo ra bởi thấu kính phân kỳ, ảnh nằm cùng phía với vật.
Alt: Hình ảnh cho thấy thấu kính hội tụ tạo ảnh ảo khi vật đặt gần thấu kính hơn tiêu cự.
2. Các Công Thức Về Thấu Kính Quan Trọng Nhất
Đây là phần quan trọng nhất, bao gồm các công thức về thấu kính cần nắm vững:
- Công thức thấu kính (xác định vị trí ảnh):
Alt: Phương trình cơ bản của thấu kính, liên hệ giữa tiêu cự, khoảng cách vật và khoảng cách ảnh.
- Công thức số phóng đại ảnh:
Alt: Công thức tính độ phóng đại ảnh, tỉ lệ giữa chiều cao ảnh và chiều cao vật.
Giải thích các ký hiệu và quy ước:
f: Tiêu cự của thấu kính (cm hoặc m).f > 0: Thấu kính hội tụ.f < 0: Thấu kính phân kỳ.
d: Khoảng cách từ vật đến thấu kính (cm hoặc m).d > 0: Vật thật.d < 0: Vật ảo.
d': Khoảng cách từ ảnh đến thấu kính (cm hoặc m).d' > 0: Ảnh thật.d' < 0: Ảnh ảo.
k: Số phóng đại ảnh.k > 0: Ảnh và vật cùng chiều.k < 0: Ảnh và vật ngược chiều.|k| > 1: Ảnh lớn hơn vật.|k| < 1: Ảnh nhỏ hơn vật.
h': Chiều cao của ảnh (cm hoặc m).h: Chiều cao của vật (cm hoặc m).
Alt: Hình ảnh minh họa khoảng cách từ vật đến thấu kính (d), từ ảnh đến thấu kính (d’) và tiêu cự (f).
3. Các Công Thức Suy Ra Từ Công Thức Gốc
Từ công thức thấu kính cơ bản, ta có thể suy ra các công thức tính f, d, d' khi biết các đại lượng còn lại:
Alt: Các công thức biến đổi từ công thức thấu kính gốc để tính tiêu cự, khoảng cách vật và ảnh.
Kết hợp công thức thấu kính và công thức số phóng đại, ta có các công thức liên hệ giữa f, d, d' và k:
Alt: Công thức liên hệ giữa độ phóng đại, khoảng cách vật và tiêu cự, giúp giải nhanh các bài toán.
Khi biết số phóng đại ảnh, ta có thể suy ra: d' = -k.d.
4. Bài Tập Vận Dụng Công Thức Về Thấu Kính (Có Lời Giải)
Bài 1: Một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 20 cm. Vật sáng AB cao 2 cm đặt trước thấu kính, cách thấu kính 60 cm. Xác định vị trí và chiều cao của ảnh.
Giải:
Áp dụng công thức thấu kính:
Alt: Áp dụng công thức thấu kính để tính vị trí ảnh trong bài toán cụ thể.
=> d' = 30 cm (Ảnh thật, cách thấu kính 30cm)
Áp dụng công thức độ phóng đại:
Alt: Công thức độ phóng đại được sử dụng để tính chiều cao và tính chất của ảnh.
=> k = -0.5
Mà k = h'/h => h' = k.h = -0.5 * 2 = -1 cm
Alt: Công thức liên hệ giữa độ phóng đại và chiều cao ảnh giúp xác định chiều cao ảnh.
Vậy, ảnh A’B’ là ảnh thật, ngược chiều với vật và cao 1 cm.
Bài 2: Một thấu kính phân kỳ có tiêu cự f = -20 cm. Vật sáng AB cao 2 cm đặt trước thấu kính, cách thấu kính 20 cm. Xác định vị trí và chiều cao của ảnh.
Giải:
Áp dụng công thức thấu kính:
Alt: Sử dụng công thức thấu kính để tìm vị trí của ảnh khi dùng thấu kính phân kỳ.
=> d' = -10 cm (Ảnh ảo, cách thấu kính 10cm)
Áp dụng công thức độ phóng đại:
Alt: Áp dụng công thức độ phóng đại để xác định độ lớn và chiều của ảnh ảo.
=> k = 0.5
Mà k = h'/h => h' = k.h = 0.5 * 2 = 1 cm
Alt: Sử dụng công thức liên hệ giữa chiều cao ảnh và độ phóng đại để tính chiều cao ảnh.
Vậy, ảnh A’B’ là ảnh ảo, cùng chiều với vật và cao 1 cm.
Hy vọng với bài viết chi tiết này, các bạn học sinh sẽ nắm vững công thức về thấu kính và tự tin giải các bài tập liên quan. Chúc các bạn học tốt!
