Chi tiết về lý thuyết hình ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

1. Phân tích lý thuyết về hình ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

Cách dựng hình ảnh của điểm sáng S qua thấu kính hội tụ

- Từ điểm S, ta vẽ hai trong ba tia đặc biệt đến thấu kính, sau đó tiếp tục vẽ hai tia ló ra khỏi thấu kính.

- Nếu hai tia ló gặp nhau tại một điểm, thì điểm giao nhau đó chính là ảnh thật S′ của S. Nếu đường kéo dài của hai tia ló cắt nhau, điểm giao nhau đó chính là ảnh ảo S′ của S qua thấu kính.

Cách dựng hình ảnh của một vật sáng AB qua thấu kính hội tụ

Để dựng ảnh A′B′ của đoạn AB qua thấu kính (với AB vuông góc trục chính và A nằm trên trục chính), ta chỉ cần dựng ảnh B′ của B bằng cách vẽ đường truyền của hai trong ba tia sáng đặc biệt. Sau đó, từ B′ hạ một đường vuông góc xuống trục chính để xác định ảnh A′ của A.

Công thức liên quan đến thấu kính hội tụ

- Tỉ lệ giữa chiều cao của vật và ảnh là: h/h′ = d/d′

- Mối quan hệ giữa d, d′ và f là: 1/f = 1/d + 1/d′. Nếu ảnh là ảnh ảo, thì công thức sẽ là: 1/f = 1/d − 1/d′

Trong đó:

+ h: độ cao của vật

+ h′: độ cao của ảnh

+ d: khoảng cách giữa vật và thấu kính

+ d′: khoảng cách giữa ảnh và thấu kính

+ f: tiêu cự của thấu kính

2. Giải bài tập Vật Lí 9 Bài 43: Ảnh của vật qua thấu kính hội tụ

Câu 1: Khi đặt vật xa thấu kính và màn gần sát thấu kính, từ từ kéo màn ra xa cho đến khi ảnh vật hiện rõ trên màn, đó là ảnh thật. Ảnh thật có cùng chiều hay ngược chiều so với vật?

Gợi ý đáp án

Với thấu kính hội tụ, ảnh tạo ra khi vật nằm ngoài tiêu cự và trong tiêu cự sẽ khác nhau

Khi vật nằm ngoài tiêu cự, ảnh thật sẽ ngược chiều với vật. Nếu vật đặt rất xa thấu kính, ảnh thật sẽ nằm cách thấu kính một khoảng bằng tiêu cự

Câu 2: Khi di chuyển vật lại gần thấu kính hơn và lặp lại thí nghiệm như trước, có thể thu được ảnh trên màn không? Ảnh đó là thật hay ảo? Ảnh có cùng chiều hay ngược chiều so với vật?

Gợi ý đáp án

Khi vật nằm trong khoảng tiêu cự, ảnh tạo ra sẽ là ảnh ảo, lớn hơn vật và cùng chiều với vật

Câu 3: Hãy chứng minh rằng ảnh không thể hiện trên màn. Quan sát ảnh qua thấu kính và xác định ảnh đó là thật hay ảo, có cùng chiều hay ngược chiều, lớn hơn hay nhỏ hơn vật.

Gợi ý đáp án

Khi đặt vật trong khoảng tiêu cự và màn sát thấu kính, dù di chuyển màn ra xa, ảnh không hiện trên màn. Tuy nhiên, khi quan sát qua thấu kính, ta thấy ảnh lớn hơn vật và cùng chiều với vật. Đây là ảnh ảo và không thể hứng được trên màn.

Câu 4: Xây dựng ảnh S' của điểm sáng S

Gợi ý đáp án

Sử dụng 2 trong số 3 tia đặc biệt đã học để dựng ảnh (H.43.3a)

+ Tia tới SI đi song song với trục chính, do đó tia ló sẽ đi qua tiêu điểm F'.

+ Tia tới SO đi qua quang tâm O, nên tia ló đi thẳng.

Hai tia ló cắt nhau tại S', tạo ra ảnh thật S' của S qua thấu kính.

Câu 5: Vật sáng AB đặt vuông góc với trục chính của thấu kính hội tụ với tiêu cự f = 12cm. Điểm A nằm trên trục chính. Hãy dựng ảnh A'B' của AB và phân tích đặc điểm của ảnh A'B' trong hai tình huống:

- Vật AB nằm cách thấu kính 36cm (xem hình 43.4a trong SGK).

- Vật AB cách thấu kính 8cm (xem hình 43.4b trong SGK).

Gợi ý để trả lời

Vẽ ảnh của vật sáng AB qua thấu kính hội tụ. Sử dụng hai trong ba tia sáng đã học để xác định ảnh B’ của điểm B.

+ Vật AB đặt cách thấu kính 36 cm và nằm ngoài khoảng OF.

Tia BI song song với trục chính sẽ làm tia ló đi qua F’.

Tia tới BO đi qua quang tâm O, do đó tia ló sẽ đi thẳng.

Hai tia ló cắt nhau tại B’, tạo nên ảnh thật B’ của điểm B qua thấu kính.

Kẻ đường vuông góc từ B’ đến trục thấu kính, giao với trục chính tại điểm A’. A’ là ảnh của điểm A. A’B’ là ảnh của AB do thấu kính hội tụ tạo ra.

Nhận xét: Ảnh A’B’ là ảnh thật, ngược chiều với vật khi vật được đặt ngoài khoảng tiêu cự (xem hình 43.4a).

+ Vật AB cách thấu kính 8 cm, nằm trong khoảng OF.

Tia BI song song với trục chính làm cho tia ló đi qua F’.

Tia tới BO đi qua quang tâm O, vì vậy tia ló sẽ đi thẳng.

Hai tia ló khi kéo dài giao nhau tại B’, từ đó ta có được ảnh ảo B’ của điểm B qua thấu kính.

Kẻ đường vuông góc từ B’ đến trục thấu kính, cắt trục chính tại điểm A’. A’ là ảnh của điểm A. A’B’ là ảnh của AB được tạo bởi thấu kính hội tụ.

Nhận xét: Ảnh ảo A’B’ có cùng chiều với vật và lớn hơn vật khi vật nằm trong khoảng tiêu cự (xem hình 43.4b).

Câu 6: Sử dụng kiến thức hình học để tính khoảng cách từ ảnh đến thấu kính và chiều cao của ảnh trong hai trường hợp ở C5. Biết rằng vật AB có chiều cao h = lcm.

Gợi ý trả lời

Đặt: OA = d; OA’ = d’; OF = OF’ = f

+ Vật AB cách thấu kính 36 cm, nằm ngoài khoảng OF.

AB = h = 1 cm

OA = d = 36 cm

OF = OF’ = f = 12 cm

Tính A’O = ? và A’B’ = ?

Chiều cao của ảnh là 0,5 cm và khoảng cách từ ảnh đến thấu kính là 18 cm.

- TH2: Vật AB đặt cách thấu kính 8 cm.

AB = h = 1 cm

OA = d = 8 cm

OF = OF’ = f = 12 cm

Tính A’O = ? và A’B’ = ?

Chiều cao của ảnh là 3 cm và khoảng cách từ ảnh đến thấu kính là 24 cm.

Câu 7: Trả lời các câu hỏi đã nêu ở phần đầu bài.

Gợi ý trả lời

Khi di chuyển thấu kính hội tụ ra xa trang sách, ảnh của dòng chữ qua thấu kính sẽ cùng chiều và lớn hơn so với khi quan sát trực tiếp. Đây là ảnh ảo của dòng chữ tạo bởi thấu kính hội tụ khi dòng chữ nằm trong khoảng tiêu cự của thấu kính.

Khi di chuyển đến một vị trí nhất định, ảnh của dòng chữ sẽ ngược chiều so với vật. Đây là ảnh thật của dòng chữ tạo bởi thấu kính hội tụ, khi dòng chữ nằm ngoài khoảng tiêu cự của thấu kính và ảnh thật này xuất hiện ở trước mắt.

3. Bài tập ứng dụng: Ảnh của một vật qua thấu kính hội tụ

Câu 1: Đặt một vật sáng AB vuông góc với trục chính của một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 15 cm, với điểm A nằm trên trục chính cách thấu kính 10 cm. Ảnh của AB do thấu kính tạo ra có đặc điểm gì?

A. Ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật.

B. Ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật.

C. Ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật.

D. Ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật.

Đáp án: B

Giải thích:

Vì khoảng cách 10 cm nhỏ hơn tiêu cự 15 cm, nên vật AB nằm trong khoảng tiêu cự.

⇒ Ảnh được tạo bởi thấu kính hội tụ là ảnh ảo, cùng chiều với vật và lớn hơn vật.

Câu 2: Một vật AB được đặt trước thấu kính hội tụ. Sử dụng một màn ảnh M, ta thu được một ảnh cao 5 cm và ảnh này đối xứng với vật qua quang tâm O. Kích thước của vật AB là

A. 10 cm.

B. 15 cm.

C. 5 cm.

D. 20 cm.

Đáp án: C

Giải thích: Ảnh của vật đối xứng qua quang tâm O sẽ có kích thước tương đương với vật, tức là AB = A’B’ = 5 cm.

Câu 3. Xác định phương án sai. Đặt một cây nến trước một thấu kính hội tụ

A. Có thể thấy ảnh của cây nến trên màn.

B. Kích thước của cây nến trên màn hình có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn kích thước thực của cây nến.

C. Hình ảnh của cây nến trên màn hình có thể là hình ảnh thực hoặc hình ảnh ảo.

D. Hình ảnh ảo của cây nến luôn lớn hơn kích thước thực của cây nến.

Đáp án: C

Giải thích:

A, B, D – chính xác.

C – không đúng. Vì ảnh ảo không thể hiện trên màn chắn.

Câu 4. Vật sáng AB đặt trước một thấu kính hội tụ và vuông góc với trục chính, tạo ra ảnh A’B’. Ảnh A’B’ không thể có đặc điểm nào sau đây?

A. Ảnh ảo, cùng chiều với vật và lớn hơn vật.

B. Ảnh ảo, cùng chiều với vật và nhỏ hơn vật.

C. Ảnh thực, ngược chiều so với vật và nhỏ hơn kích thước vật.

D. Ảnh thực, ngược chiều so với vật và nhỏ hơn kích thước vật.

Đáp án: B

Giải thích: Thấu kính hội tụ không bao giờ tạo ra ảnh ảo cùng chiều và nhỏ hơn vật.

Câu 5. Ảnh thực do thấu kính hội tụ tạo ra luôn là

A. cùng hướng, nhỏ hơn đối tượng.

B. cùng hướng với đối tượng.

C. ngược hướng, lớn hơn đối tượng.

D. ngược hướng với đối tượng.

Đáp án: D

Giải thích: Ảnh thực được tạo bởi thấu kính hội tụ luôn ngược chiều so với vật.

Câu 6: Chọn câu trả lời không chính xác.

Đối với thấu kính hội tụ: khi một vật được đặt trong khoảng OF, thì

A. sẽ tạo ra ảnh ảo.

B. ảnh sẽ có cùng chiều với vật.

C. ảnh có kích thước lớn hơn vật.

D. ảnh ngược chiều và có kích thước nhỏ hơn vật.

Đáp án: D

Giải thích:

Đối với thấu kính hội tụ, khi một vật được đặt trong khoảng OF, ảnh tạo ra luôn là ảnh ảo, cùng chiều với vật và có kích thước lớn hơn vật.

⇒ A, B, C – đúng; D – không đúng.