Vật lý 9 Bài tập quang hình học.

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng tia sáng truyền từ môi trường trong suốt này sang môi trường trong suốt khác bị gãy khúc tại mặt phân cách giữa hai môi trường, được gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng.
Quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ
- Khi tia sáng truyền từ không khí sang các môi trường trong suốt chất rắn, lỏng khác nhau thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới.
- Khi góc tới tăng (giảm) thì góc khúc xạ cũng tăng (giảm).
- Khi góc tới bằng 0⁰ thì góc khúc xạ bằng 0⁰ , tia sáng không bị gãy khúc khi truyền qua hai môi trường.

2. Thấu kính hội tụ

Thấu kính hội tụ thường dùng có phần rìa mỏng hơn phần giữa.
Mỗi thấu kính đều có trục chính, quang tâm, tiêu điểm và tiêu cự.

Trong ngữ cảnh mở rộng, các thấu kính làm việc với ánh sáng và bằng kỹ thuật truyền thống được gọi là thấu kính quang học.

Thấu kính dùng trong máy ảnh: Thấu kính lồi hay còn gọi là thấu kính hội tụ là thấu kính có phần trung tâm dày hơn phần rìa.

a. Sử dụng 3 tia đặc biệt:

Tia tới đi qua quang tâm, tia này truyền thẳng
Tia tới song song với trục chính, tia ló đi qua tiêu điểm F' của thấu kính
Tia tới đi qua tiêu điểm F, tia ló song song với trục chính

b. Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ

Đối với thấu kính hội tụ:
- Vật đặt ngoài khoảng tiêu cự cho ảnh thật, ngược chiều với vật. Khi vật đặt rất xa thấu kính thì ảnh thật có vị trí cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cự.
- Vật đặt trong khoảng tiêu cự cho ảnh ảo, lớn hơn vật và cùng chiều với vật.
Muốn dựng ảnh A'B' của AB qua thấu kính (AB vuông góc với trục chính của thấu kính, Anam82 trên trục chính), chỉ cần dựng ảnh B' của B bằng cách vẽ đường truyền của hai tia sáng đặc biệt, sau đó từ B' hạ vuông góc xuống trục chính ta có ảnh A' của A.

3. Thấu kính phân kì

Thấu kính phân kỳ (còn gọi là thấu kính rìa dày) là thấu kính mà chùm tia sáng song song sau khi đi qua thấu kính sẽ bị phân tán ra.
Thông thường, trong điều kiện chiết suất của vật liệu làm thấu kính lớn hơn chiết suất của môi trường chung quanh thì thấu kính phân kỳ có hình dạng lõm.
Trường hợp khác, khi chiết suất của thấu kính nhỏ hơn chiết suất môi trường thì các thấu kính lồi sẽ là thấu kính phân kỳ.
Ví dụ: các bọt khí trong môi trường nước, trong lòng các chất trong như thủy tinh...

4. Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính phân kì

Đặc điểm ảnh của một vật tạo bởi thấu kính phân kì:

Vật sáng đặt ở mọi vị trí trước thấu kính phân kì đều cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật và luôn nằm trong khoảng tiêu cự của thấu kính.
Vật đặt rất xa thấu kính, ảnh ảo của vật có vị trí cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cự.

5. Sự tạo ảnh trong máy ảnh

Máy ảnh hay máy chụp hình là một dụng cụ dùng để thu ảnh thành một ảnh tĩnh hay thành một loạt các ảnh chuyển động (gọi là phim hay video). Tên camera có gốc từ tiếng La tinh camera obscura nghĩa là "phòng tối", từ lý do máy ảnh đầu tiên là một cái phòng tối với vài người làm việc trong đó.
Chức năng của máy ảnh giống với mắt người. Máy ảnh có thể làm việc ở phổ ánh sáng nhìn thấy hoặc ở các vùng khác trong phổ bức xạ điện từ
Mỗi máy ảnh đều có vật kính, buồng tối và chỗ đặt màn hứng ảnh.
Vật kính của máy ảnh là một thấu kính hội tụ.
Ảnh trên màn hứng ảnh là ảnh thật, nhỏ hơn vật và ngược chiều với vật.

6. Mắt

Các mắt đơn thường có cấu trúc là tạo hình ảnh hai chiều của không gian xung quanh lên một võng mạc chứa các tế bào thần kinh nhạy sáng, thông qua hiện tượng khúc xạ qua thấu kính hội tụ
Việc tạo ảnh trên võng mạc chứa hàng triệu đến hàng trăm triệu tế bào thần kinh, thay vì hàng nghìn ống dẫn như ở mắt đa hợp, làm tăng đáng kể độ phân giải của ảnh hai chiều thu được. Hơn nữa, ảnh thu được có độ sâu, tức là có thông tin ba chiều, tập trung vào các vật thể xa hay gần nhờ vào sự thay đổi sự hội tụ của thấu kính.
Mắt của các loài động vật có dây sống tiến hóa khá độc lập với mắt của mực hay bạch tuộc, và hội tụ về một cơ chế hoạt động khá giống nhau.

7. Mắt cận và mắt lão

a. Cận thị

Đối với mắt bị cận thị, hình ảnh sẽ được hội tụ trước võng mạc thay vì hội tụ ở võng mạc như mắt bình thường. Một thấu kính lõm phù hợp có thể giúp điều chỉnh hình ảnh về đúng võng mạc.
Cận thị là một tật khúc xạ ở mắt. Người bị cận thị có thể nhìn bình thường đối với những mục tiêu ở cự ly gần, nhưng không nhìn rõ đối với những mục tiêu ở cự ly xa nếu mắt không điều tiết. Nguyên nhân của cận thị là do giác mạc vồng quá hoặc do trục trước - sau của cầu mắt dài quá khiến cho hình ảnh không hội tụ đúng võng mạc như mắt bình thường mà lại hội tụ ở phía trước võng mạc

b. Lão thị

Lão thị là một tật về mắt thường xuất hiện ở tuổi già. Khi người ta càng nhiều tuổi thì thủy tinh thể càng kém đàn hồi. Thường thì ở độ tuổi 40 đến 60 thì người ta nhận thấy bản thân bị lão thị. Song thực ra, tật lão thị đã bắt đầu xuất hiện và hình thành từ rất sớm (8 tuổi)...
Lão thị cũng giống như viễn thị là nhìn gần không rõ do đó có thể khắc phục được bằng việc đeo một thấu kính lồi phù hợp. Càng nhiều tuổi thì tật lão thị càng trở nên nặng hơn đòi hỏi phải sử dụng thấu kính có độ lồi lớn hơn.

8. Kính lúp

Kính lúp, hay kiếng lúp, (tiếng Pháp: loupe) là một thấu kính hội tụ thường được dùng để khuếch đại hình ảnh. Nó có đường kính từ vài cm đến khoảng vài chục cm, thường được bảo vệ bởi một khung, có thể có thêm tay cầm. Nó là dạng đơn giản nhất của kính hiển vi.
Tạo ảnh ảo bằng kính lúp

9. Bài tập minh họa

Bài 1. Một người quan sát các vật qua một thấu kính phân kì, đặt cách mắt 10 cm thì thấy ảnh của mọi vật xa, gần đều hiện lên cách mắt trong khỏang 50 cm trở lại. Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì.

Hướng dẫn giải:

Vì ảnh của tất cả các vật nằm trước thấu kính phân kì đều là ảnh ảo nằm trong khỏang từ tiêu điểm đến quang tâm của thấu kính, nên tiêu cự của thấu kính phân kì này là: 50 cm – 10 cm = 40 cm.

Bài 2. Người ta muốn chụp ảnh một bức tranh có kích thức 0,48 m x 0,72 m trên một phim có kích thước 24 mm x 36 mm, sao cho ảnh thu được có kích thước càng lớn càng tốt. Tiêu cự của vật kính máy ảnh là 6 cm.

a. Ảnh cao bằng bao nhiêu lần vật? b. Hãy dựng ảnh (không cần đúng tỉ lệ) và dựa vào hình vẽ để xác định khoảng cách từ vật kính đến bức tranh.

Hướng dẫn giải:

a. Phải ngắm sao cho chiều cao và chiều ngang của ảnh phù hợp tối đa với chiều cao và chiều ngang của phim.

Do đó, ta có: \[\frac{A'B'}{AB}=\frac{36}{720}=\frac{1}{20}\]. Vậy ảnh cao bằng \[\frac{1}{20}\] lần vật.

b. Dựng ảnh như hình 51.4. Từ hình vẽ ta có:

\[\frac{{A}'{B}'}{OI}=\frac{{A}'{B}'}{AB}=\frac{F{B}'}{FO}=\frac{O{A}'-OF}{OI}\]

Trong đó OF=6cm và \[\frac{A'B'}{AB}=\frac{1}{20}\]. Do đó \[\frac{O{A}'-6}{6}=\frac{1}{20}\]. Giải phương trình này ta được OA’=6.3cm

Mặt khác, ta có \[\frac{{A}'{B}'}{AB}=\frac{O{A}'}{OA}=\frac{1}{20}\] Suy ra: OA = 20 OA’ = 20.6,3 = 126 cm = 1,26 m. Vậy khỏang cách từ vật kính đến tranh là 126 cm hay 1,26 m.

B. Bài tập trong sách giáo khoa

Bài 1 (trang 135 SGK Vật Lý 9): Một bình hình trụ tròn có chiều cao 8cm và đường kính 20 cm. Một học sinh đặt mắt nhìn vào trong bình sao cho thành bình vừa vặn che khuất hết đáy (hình 51.1 SGK trang 135). Khi đổ nước vào khoảng xấp xỉ 2/4 bình thì bạn đó vừa văn nhìn thấy tâm O của đáy.Hãy vẽ tia sáng từ tâm O của đáy bình truyền tới mắt.

Hướng dẫn giải:

Vẽ đường thẳng PQ biểu diễn mặt nước sau khi đổ nước vào đường PQ này cắt tia sáng BD đi từ mép của đáy bình đến mắt tại điểm I.

Vậy I là điểm tới.

- Nối OI: OI là tia tới, tia OI bị khúc xạ tại I theo phương IM.

- IM: tia khúc xạ đến mắt.

* Kết quả đo: AB =0,5cm; A'B' = 1,5cm => A'B' = 3AB

Bài 2 (trang 135 SGK Vật Lý 9): Một vật sáng AB có dạng mũi tên được đặt vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ, cách thấu kính 16 cm, A nằm trên trục chính. Thấu kính có tiêu cự 12 cm.

a. Hãy vẽ ảnh của vât AB theo đúng tỉ lệ.

b. Hãy đo chiều cao của ảnh và của vật trên hình vẽ và tính xem ánh cao gấp bao nhiêu lần vật.

Hướng dẫn giải:

a. Hình dưới

b, ta có \[\frac{AB}{A'B'}=\frac{4}{12}=\frac{1}{3}\]

\[\Leftrightarrow A'B'=3.AB\]

Ảnh cao gấp 3 lần vật

C. Một số bài tập trắc nghiệm

Câu 1: Một người nhìn vào bể nước theo phương IM (hình 51.1) thì thấy ảnh của một điểm O trên đáy bể. Điểm O có thể nằm ở đâu ?

A. Trên đoạn AN.

B. Trên đoạn NH.

C. Tại điểm N.

D. Tại điểm H.

Câu 2: Quan sát một vật nhỏ qua một kính lúp ta sẽ thấy:

A. Một ảnh cùng chiều, nhỏ hơn vật.

B. Một ảnh cùng chiều, lớn hơn vật.

C. Một ảnh ngược chiều, nhỏ hơn vật.

D. Một ảnh ngược chiều, lớn hơn vật.

Câu 3: Đặt một vật AB có dạng đoạn thẳng nhỏ, cao 2 cm, vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ, cách thấu kính 5 cm. Thấu kính có tiêu cự 10 cm.

a. Ảnh là ảnh thật hay ảnh ảo?

b. Ảnh nằm cách thấu kính bao nhiêu xentimet? Ảnh cao bao nhiêu xentimet?

A. Ảnh ảo, cách thấu kính 10cm, cao 4cm

B. Ảnh ảo, cách thấu kính 10cm, cao 2cm

C. Ảnh Thật, cách thấu kính 10cm, cao 4cm

D. Ảnh ảo, cách thấu kính 5cm, cao 4cm

Câu 4: Một người quan sát các vật qua một thấu kính phân kì, đặt cách mắt 10 cm thì thấy ảnh của mọi vật xa, gần đều hiện lên cách mắt trong khỏang 50 cm trở lại. Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì.

A. 10 cm.

B. 20 cm.

C. 40 cm.

D. 30 cm.

Câu 5: Trên hình 51.2 có vẽ một tia sáng chiếu từ không khí vào nước. Đường nào trong số các đường 1, 2, 3, 4 có thể ứng với tia khúc xạ?