Thấu kính là một khối trong suốt giới hạn bởi hai mặt cầu. Thấu kính hội tụ làm chùm tia song song hội tụ lại; thấu kính phân kì làm chúng loe rộng ra. Đây là "trái tim" của kính lúp, máy ảnh và mắt.
Thấu kính hội tụ
- Phần rìa mỏng hơn phần giữa.
- Chùm tia song song hội tụ tại tiêu điểm.
- Vật ngoài tiêu cự cho ảnh thật ngược chiều.
- Vật trong tiêu cự cho ảnh ảo cùng chiều, lớn hơn.
Thấu kính phân kì
- Phần rìa dày hơn phần giữa.
- Chùm tia song song loe rộng ra.
- Luôn cho ảnh ảo cùng chiều, nhỏ hơn vật.
- Vẽ tia tới song song trục chính → tia ló đi qua tiêu điểm (thấu kính hội tụ).
- Vẽ tia tới qua quang tâm → truyền thẳng.
- Giao điểm của hai tia ló là vị trí ảnh.
- Ba tia đặc biệt giúp dựng ảnh nhanh và chính xác.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Với thấu kính hội tụ, đặt vật ngoài tiêu cự: quan sát ảnh thật, ngược chiều và nhỏ hơn.
- 2Di chuyển vật vào trong tiêu cự: ảnh trở thành ảo, cùng chiều và lớn hơn — giống kính lúp.
- 3Đổi sang thấu kính phân kì: ảnh luôn ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật.
- 4Nhận xét ảnh thật đặt được lên màn, ảnh ảo thì không.
Ảnh tạo bởi thấu kính
- Tia sáng từ vật
- Ảnh tạo bởi thấu kính
- Tiêu điểm F, F′
- Loại thấu kính
- Hội tụ
- Tiêu cự f
- 80 cm
- Khoảng cách vật d
- 160 cm
- Ảnh
- Thật, 1.00×
Với thấu kính hội tụ: vật ngoài tiêu cự cho ảnh thật ngược chiều; vật trong tiêu cự cho ảnh ảo cùng chiều, lớn hơn (như kính lúp). Thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo nhỏ hơn.
Suy nghĩ một chút
Vì sao kính lúp phải đặt vật trong khoảng tiêu cự để nhìn thấy ảnh to hơn?
Thấu kính quanh em
Kính lúp, máy ảnh, kính cận và chính đôi mắt đều là những "bộ thấu kính" hoạt động theo cùng nguyên lí.
Kính lúp phóng to chữ nhỏ
Khi đặt vật trong khoảng tiêu cự của thấu kính hội tụ, nó cho ảnh ảo, cùng chiều và lớn hơn vật. Mắt nhìn vào thấu kính thấy ảnh ảo đó nên thấy chữ to hơn — đây là công dụng quen thuộc của kính lúp.
Lý thuyết của bài: Vật trong tiêu cự → ảnh ảo cùng chiều, lớn hơn.
Máy ảnh chụp được hình
Vật (ngoài tiêu cự) cho ảnh thật, ngược chiều trên cảm biến của máy ảnh. Bằng cách dịch ống kính (thay đổi d), người ta điều chỉnh d′ để ảnh nét đúng trên cảm biến — đó là hành động "lấy nét".
Lý thuyết của bài: Vật ngoài tiêu cự → ảnh thật ngược chiều hứng trên cảm biến.
Kính cận giúp người cận thị nhìn xa rõ
Mắt cận hội tụ ảnh quá mạnh, ảnh rơi trước võng mạc. Đeo thấu kính phân kì (rìa dày) giúp phân tán bớt ánh sáng trước khi vào mắt, đẩy ảnh lùi lại đúng võng mạc, nhờ đó nhìn xa rõ hơn.
Lý thuyết của bài: Thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo nhỏ hơn, bù trừ độ hội tụ thừa của mắt.
Ảnh trong gương cầu lồi nhỏ hơn vật (gương chiếu hậu)
Tuy là gương nhưng nguyên lí ảnh liên quan tới phản xạ và độ cong bề mặt, giúp thu được vùng nhìn rộng hơn. So sánh với thấu kính phân kì (cũng cho ảnh nhỏ hơn) giúp hiểu vì sao gương chiếu hậu ô tô dùng mặt lồi để quan sát rộng.
Lý thuyết của bài: Bề mặt cong làm tia sáng đổi hướng, tạo ảnh nhỏ hơn nhưng rộng hơn.
Vật ngoài tiêu cự của thấu kính hội tụ cho ảnh ngược chiều — dùng trong kính chiếu phim
Máy chiếu đặt phim hơi ngoài tiêu cự để tạo ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn trên màn. Đó là lí do hình chiếu lên màn bị lộn ngược nếu ta đặt phim xuôi — cần lật phim để hình đúng chiều.
Lý thuyết của bài: Công thức 1/f = 1/d + 1/d′ cho ảnh thật lớn hơn khi vật ở gần tiêu cự.
Vì sao lại có công thức thấu kính 1/f = 1/d + 1/d′?
Trực giác:Thấu kính có một "độ bẻ cong" cố định (đặc trưng bởi tiêu cự f). Muốn ảnh rõ, độ bẻ cong phải chia đều cho hai việc: hội tụ tia từ vật (khoảng cách d) và đưa ảnh tới đúng vị trí (khoảng cách d′).
- 1Dùng hai tia đặc biệt (tia song song trục chính và tia qua quang tâm) để dựng ảnh, ta lập được các tam giác đồng dạng giữa vật và ảnh.
- 2Từ tỉ số đồng dạng rút ra hệ thức giữa độ cao vật, độ cao ảnh, d và d′.
- 3Kết hợp với định nghĩa tiêu cự (nơi tia song song hội tụ) và biến đổi đại số, ta được mối liên hệ 1/d + 1/d′ = hằng số.
- 4Hằng số đó chỉ phụ thuộc vào độ cong của thấu kính — chính là 1/f. Như vậy 1/f = 1/d + 1/d′.
- 5Hệ quả: f là điểm cân bằng. Nếu d lớn (vật xa) thì d′ ≈ f (ảnh ở gần tiêu điểm). Nếu d < f, công thức cho d′ âm — ứng với ảnh ảo cùng chiều.
Ý nghĩa: Công thức thấu kính chỉ là hệ thức hình học giữa vật và ảnh qua một thấu kính có tiêu cự xác định. Nắm nó giúp tính nhanh vị trí ảnh trong kính lúp, máy ảnh và mắt.