Tiêu cự của thấu kính

Khái niệm: Thấu kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa,...) giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng.

- Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng) là thấu kính hội tụ.

- Thấu kính lõm (thấu kính rìa dày) là thấu kính phân kì.

Để thiết lập các công thức về thấu kính, người ta đặt ra hai đại lượng quang học là tiêu cự và độ tụ.

Chú thích:

$f$: tiêu cự của thấu kính $\left(m\right)$

$D$: độ tụ của thấu kính $\left(dp\right)$

Quy ước: 

$f,D>0$: thấu kính hội tụ.

$f,D<0$: thấu kính phân kì.

Các trường hợp ảnh tạo bởi thấu kính:

- Thấu kính hội tụ:

+ $d<f$: ảnh ảo, cùng chiều vật, lớn hơn vật

+ $d=f$: ảnh ở vô cùng

+ $2f>d>f$: ảnh thật, ngược chiều vật, lớn hơn vật

+ $d=2f$: ảnh thật, ngược chiều vật, bằng vật

+ $d>2f$: ảnh thật, ngược chiều vật, nhỏ hơn vật

- Thấu kính phân kì: Luôn cho ảnh ảo, cùng chiều vật, nhỏ hơn vật.

Chú thích:

$d$: khoảng cách từ vật đến thấu kính $(m, cm,...)$

$d\text{'}$: khoảng cách từ ảnh đến thấu kính $(m, cm,...)$

$f$: tiêu cự của thấu kính $(m, cm,...)$

Quy ước:

- Vật thật: $d>0$; vật ảo $d<0$.

- Ảnh thật, ngược chiều vật: $d\text{'}>0$; ảnh ảo, cùng chiều vật $d\text{'}<0$.

Chú thích:

$k$: số phóng đại ảnh

$\overline{A\text{'}B\text{'}}, \overline{AB}$: lần lượt là chiều cao ảnh và chiều cao vật $(m, cm,...)$

$d$: khoảng cách từ vật đến thấu kính $(m, cm,...)$

$d\text{'}$: khoảng cách từ ảnh đến thấu kính $(m, cm,...)$

$f$: tiêu cự của thấu kính

Quy ước: 

- Nếu $k>0$: vật và ảnh cùng chiều.

- Nếu $k<0$: vật và ảnh ngược chiều.

Ứng dụng:

Thấu kính có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống và trong khoa học. Thấu kính được dùng làm:

- Kính khắc phục tật của mắt (cận, viễn, lão).

- Kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn, ống nhòm,...

- Máy ảnh, máy ghi hình (camera).

- Đèn chiếu.

- Máy quang phổ.

Cận thị: Là mắt khi không điều tiết có tiêu điểm nằm trước võng mạc.

Cách sửa tật: Để mắt nhìn xa được như mắt thường, phải đeo kính cận (kinh có mặt lõm, kính phân kỳ) để làm giảm độ hội tụ cho ảnh lùi về đúng võng mạc.

Chú thích:

$D_V$: độ tụ của thấu kính $\left(dp\right)$

$f$: tiêu cự của kính $\left(m\right)$

$d, d\text{'}$: khoảng cách từ vật đến thấu kính, khoảng cách từ ảnh đến thấu kính $\left(m\right)$

$O{C}_V$: khoảng cực viễn của mắt, với $C_V$ là điểm cực viễn - nơi xa nhất mà mắt có thể nhìn thấy.

$l$: khoảng cách từ kính đến mắt $\left(m\right)$

Lưu ý: $C_V=\infty$ nếu mắt trong trạng thái không có tật.

Chú thích:

$n$: chiết suất của chất làm thấu kính

$n\text{'}$: chiết suất của môi trường đặt thấu kính

$R_{1, }{R}_2$: bán kính hai mặt của thấu kính

Quy ước:

$R>0$: mặt lõm

$R<0$: mặt lồi

$R=\infty$: mặt phẳng

Viễn thị: Là mắt khi không điều tiết có tiêu điểm nằm sau võng mạc.

Cách sửa tật: Để mắt nhìn được như bình thường, phải đeo kính viễn (kính có mặt lồi, kính hội tụ) phù hợp để có thể giúp điều chỉnh điểm hội tụ về đúng võng mạc.

Chú thích:

$D_C$: độ tụ của thấu kính $\left(dp\right)$

$f$: tiêu cự của kính $\left(m\right)$

$d, d\text{'}$: khoảng cách từ vật đến thấu kính, khoảng cách từ ảnh đến thấu kính $\left(m\right)$

$O{C}_C$: khoảng cực cận của mắt, với $C_C$ là điểm cực cận - điểm gần nhất mà mắt có thể nhìn rõ. Điểm cực cận càng lùi xa mắt khi càng lớn tuổi.

$l$: khoảng cách từ kính đến mắt $\left(m\right)$

Chú thích: 

$G_{\infty }$: số bội giác của kính lúp

$O{C}_C$: khoảng cực cận $\left(m\right)$

$f$: tiêu cự của kính $\left(m\right)$

Hai bộ phận chính của kính hiển vi là:

- Vật kính: Thấu kính hội tụ có tiêu cự $f_1$ rất nhỏ (cỡ milimetre)

- Thị kính: kính lúp có tiêu cự $f_2.$

Chú thích:

$G_{\infty }$: số bội giác của kính hiển vi khi ngắm chừng ở vô cực

$\left|k_1\right|$: số phóng đại ảnh bởi vật kính

$G_2$: số bội giác của thị kính ngắm chừng ở vô cực

$O{C}_C$: khoảng cực cận

$\delta$: độ dài quang học của kính $\left(m\right)$

$f_1, f_2$: tiêu cự của vật kính và thị kính $\left(m\right)$

Kính thiên văn là dụng cụ quang để quan sát các thiên thể. Nó gồm hai bộ phận chính:

- Vật kính: Thấu kính hội tụ có tiêu cự lớn (có thể đến hàng chục met).

- Thị kính: Kính lúp có tiêu cự nhỏ (vài centimetre).

Chú thích:

$G_{\infty }$: số bội giác trong trường hợp ngắm chừng ở vô cực

$f_1, f_2$: lần lượt là tiêu cự của vật kính và thấu kính $\left(m\right)$

$\frac{1}{f}=\left(n-1\right)\left(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}\right)$

$f:$Tiêu cự của thấu kính $\left(m\right)$

$R:$ Bán kính cong của thấu kính $\left(m\right)$

n: Chiết suất của thấu kính theo ánh sáng 

Lưu ý : $$\begin{gathered} R=\infty mặt phẳng \\ R>0 mặt lồi \\ R<0 mặt lõm \end{gathered}$$

Nhận xét : Tiêu cự đối với màu đỏ lớn nhất , màu tím là nhỏ nhất.

$∆f=f_{đỏ}-f_{tím}=\frac{R_1{R}_2}{R_1+R_2}\left(\frac{1}{n_{đỏ}-1}-\frac{1}{n_{tím}-1}\right)$

Khi chiếu chùm sáng trắng qua thấu kính: Thì trên trục chính ta thu được quang phổ dài 1 đoạn $∆f$

Vật cho ảnh thật trên màn

$d_1+d_1\text{'}=d_2+d{\text{'}}_2=L$ và $\frac{d_1.d_1\text{'}}{d_1+d_1\text{'}}=\frac{d_2.d_2\text{'}}{d_2+d_2\text{'}}=f$, $d_2-d_1=l$

Suy ra :

$d_1=\frac{L-l}{2},d_1\text{'}=\frac{L+l}{2}$

$\Rightarrow f=\frac{L^2-l^2}{4L}$

$k_1.k_2=\frac{d{\text{'}}_1}{d_1}.\frac{d{\text{'}}_2}{d_2}=1$

$$\begin{gathered} d_1+d_1\text{'}=L \\ d\text{'}=\frac{df}{d-f} \\ \Rightarrow d^2-Ld+Lf=0 \\ ∆=L^2-4Lf\ge 0 \\ L⩾4f\Rightarrow L_{min}=4f khi d=\frac{L}{2} \end{gathered}$$

Với $OV$ là khoảng cách từ thủy tinh thể đến võng mạc.

$O{C}_C$ khoảng cực cận.

$O{C}_V$ khoảng cực viễn

Ảnh sau cùng không đổi chiều cao khi di chuyển vật.

$k=k_1{k}_2=\frac{-f_1}{d_1-f_1}.\frac{-f_2}{d_2-f_2}=\frac{f_1{f}_2}{\left(a-f_1-f_2\right)d_1-a{f}_1+f_1{f}_2}$

Khi đó $a=f_1+f_2$ thì ảnh không đổi

$AB\stackrel{TK1}{\to }{A}_1{B}_1\stackrel{TK2}{\to }{A}_2{B}_2$

Ta có : 

$$\begin{gathered} \frac{1}{f_1}=\frac{1}{d_1}+\frac{1}{d_1\text{'}} \\ \frac{1}{f_2}=\frac{1}{d_2}+\frac{1}{d_2\text{'}} \end{gathered}$$

Mà $d_2=a-d_1\text{'}$ hệ ghép sát thì $a=0$

Cộng theo vế : $\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}=\frac{1}{d_1}+\frac{1}{d_2\text{'}}=\frac{1}{f_{hê}}$

Với x là khoảng cách vật đến thấu kính 1

$AB\stackrel{TK1}{\to }{A}_1{B}_1\stackrel{TK2}{\to }{A}_2{B}_2$