Thấu kính mỏng là một phần quan trọng trong lĩnh vực quang học. Chúng có nhiều ứng dụng hữu ích trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong lĩnh vực khoa học. Bài viết này sẽ giới thiệu về phân loại, quang tâm, tiêu điểm, tiêu diện, tiêu cự và độ tụ của thấu kính mỏng.
Mục lục
Phân Loại Thấu Kính
Có hai loại thấu kính mỏng chính: thấu kính lồi (rìa mỏng) và thấu kính lỏm (rìa dày). Thấu kính lồi là thấu kính hội tụ, được giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt cong và một mặt phẳng có phần rìa phía ngoài mỏng. Thấu kính lỏm là thấu kính phân kì, được giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt phẳng và một mặt cong phía rìa bên ngoài thấu kính dày.
Quang Tâm, Tiêu Điểm và Tiêu Diện
Quang tâm là điểm O chính giữa của thấu kính mà mọi tia sáng tới truyền qua O đều truyền thẳng. Đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính được gọi là trục chính của thấu kính. Các đường thẳng qua quang tâm O được gọi là trục phụ của thấu kính.
Chùm tia sáng song song với trục chính sau khi qua thấu kính sẽ hội tụ tại một điểm trên trục chính, gọi là tiêu điểm chính. Mỗi thấu kính có hai tiêu điểm chính F (tiêu điểm vật) và F’ (tiêu điểm ảnh) đối xứng với nhau qua quang tâm.
Chùm tia sáng song song với một trục phụ sau khi qua thấu kính sẽ hội tụ tại một điểm trên trục phụ đó, được gọi là tiêu điểm phụ. Mỗi thấu kính có vô số các tiêu điểm phụ vật Fn và các tiêu điểm phụ ảnh Fn’.
Tập hợp tất cả các tiêu điểm tạo thành tiêu diện. Mỗi thấu kính có hai tiêu diện: tiêu diện vật và tiêu diện ảnh. Có thể coi tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính qua tiêu điểm chính.
Tiêu Cự và Độ Tụ
Tiêu cự (f) của một thấu kính là khoảng cách từ tiêu điểm chính F đến quang tâm O. Nó được đo bằng mét (m). Độ tụ (D) của thấu kính là nghịch đảo của tiêu cự (D = 1/f). Đơn vị của độ tụ được gọi là điôp (dp), 1 dp = 1/1m.
Thấu kính hội tụ có qui ước là f > 0 và D > 0. Trong khi đó, thấu kính phân kì có qui ước là f < 0 và D < 0. Quang tâm của thấu kính phân kì có tính chất tương tự như quang tâm của thấu kính hội tụ.
Các tiêu điểm và tiêu diện của thấu kính phân kì cũng được xác định tương tự như đối với thấu kính hội tụ. Điểm khác biệt là chúng đều là ảo, được xác định bởi đường kéo dài của các tia sáng.
Cách Dựng Ảnh Tạo Bởi Thấu Kính
Để dựng ảnh tạo bởi thấu kính, chúng ta sử dụng hai trong số 4 tia sau:
- Tia tới qua quang tâm: tia ló đi thẳng.
- Tia tới song song trục chính: tia ló qua tiêu điểm ảnh chính F’.
- Tia tới qua tiêu điểm vật chính F: tia ló song song trục chính.
- Tia tới song song trục phụ: tia ló qua tiêu điểm ảnh phụ Fn’.
Các Trường Hợp Ảnh Tạo Bởi Thấu Kính
Trong quá trình xét, chúng ta đặt vật là thật với khoảng cách từ vật đến thấu kính là d.
-
Thấu Kính Hội Tụ:
- Khi khoảng cách từ vật đến thấu kính (d) lớn hơn 2F, ảnh là thật và nhỏ hơn vật.
- Khi khoảng cách từ vật đến thấu kính (d) bằng 2F, ảnh là thật và bằng vật.
- Khi khoảng cách từ vật đến thấu kính (d) nằm trong đoạn từ F đến 2F, ảnh là thật và lớn hơn vật.
- Khi khoảng cách từ vật đến thấu kính (d) bằng F, ảnh rất lớn và nằm ở vô cực.
- Khi khoảng cách từ vật đến thấu kính (d) nhỏ hơn F, ảnh là ảo và lớn hơn vật.
-
Thấu Kính Phân Kì:
Vật thật qua thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo cùng chiều với vật và nhỏ hơn vật. Khi vật thật nằm ngoài đoạn OF qua thấu kính, ảnh là ảo và nằm trước thấu kính, cùng chiều và lớn hơn vật. Khi vật thật nằm trong đoạn OF qua thấu kính, ảnh là ảo và cùng chiều và nhỏ hơn vật.
Công thức xác định vị trí ảnh là (1/f = 1/d + 1/d’) và công thức xác định số phóng đại là (k = A’B’/AB = -d’/d). Đối với các qui ước dấu, vật thật có d > 0, vật ảo có d < 0, ảnh thật có d’ > 0 và ảnh ảo có d’ < 0.
Như vậy, thấu kính mỏng không chỉ có ý nghĩa trong cuộc sống hàng ngày mà còn có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học. Chúng được sử dụng trong nhiều thiết bị như kính đeo, máy ảnh, máy ghi hình, kính hiển vi, kính thiên văn, đèn chiếu và máy quang phổ.
