Bài tập d chuyển vật trước thấu kính năm 2024

Download Free DOC

Download Free PDF

Bài tập di chuyển TK có 2 vị trí cho ảnh thật

Bài tập di chuyển TK có 2 vị trí cho ảnh thật

Bài tập di chuyển TK có 2 vị trí cho ảnh thật

Bài tập di chuyển TK có 2 vị trí cho ảnh thật

• 1. VÀ ĐÀO TẠO TỈNH BẮC NINH -- CHUYÊN ĐỀ SINH HOẠT CHUYÊN MÔN CẤP TỈNH TÊN CHUYÊN ĐỀ: BÀI TẬP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA VẬT VÀ ẢNH KHI BIẾT SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA CHÚNG TRƯỚC THẤU KÍNH NĂM HỌC 2014 – 2015
• 2. ĐẦU. Trong chương trình Vật lí THCS, quang học là một nhóm kiến thức rất quan trọng. Phần quang học đã được đưa vào nghiên cứu từ lớp 7, nhưng do chỉ ở mức làm quen nên kiến thức của các em còn ít. Hơn nữa mặc dù chiếm 70% thời lượng nghiên cứu môn Vật lí của học sinh lớp 9 trong học kì II nhưng các vấn đề đưa ra lại rất rộng từ sự khúc xạ ánh sáng, đến mắt, máy ảnh, rồi các vấn đề như kính lúp, ánh sáng trắng ánh sáng màu, sự trộn và phân tích ánh sáng… nên thời gian dành cho các em rèn luyện kiến thức và kĩ năng về bài tập thấu kính là không nhiều. Song bài tập, câu hỏi về thấu kính lại chiếm tỉ lệ đa số trong nội dung quang học của các đề thi học sinh giỏi lớp 9 và đề thi tuyển sinh vào lớp 10. Điều này đòi hỏi mỗi giáo viên phải dẫn dắt, định hướng cho học sinh có nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của các bài tập thấu kính. Từ đó các em có sự quan tâm đúng mức cả về thời gian nghiên cứu lẫn việc tìm tòi để hình thành đầy đủ các kiến thức và kĩ năng cần thiết trong nội dung này. Bản chất cốt lõi của các hiện tượng quang học xoay quanh các vấn đề thấu kính chính là sự khúc xạ ánh sáng. Khi cho ánh sáng chiếu đến thấu kính, để xuyên qua thấu kính, tia sáng này bị khúc xạ hai lần trên hai bề mặt ( thường là mặt cong) của thấu kính nên tia ló thu được đa phần có phương khác tia tới. Sự khác biệt này nhiều hay ít phụ thuộc vào các yếu tố như: môi trường đặt thấu kính, cấu tạo của thấu kính, phương của tia tới so với phương của trục chính thấu kính, khoảng cách của tia tới đến trục chính… Chính những điều này tạo nên sự đa dạng về tính chất ảnh, tạo nên sự đa dạng về mối quan hệ giữa vật và ảnh thu được qua thấu kính và như vậy sẽ tạo nên sự đa dạng các nhóm bài tập tương ứng về thấu kính. Dựa trên các kiến thức quang học và toán học, chúng ta đã tìm ra được được hệ thống các công thức thấu kính rất quý giá. Nó hỗ trợ rất thuận lợi cho việc tính toán để tìm ra kết quả chính xác cho các bài tập từ cơ bản đến nâng cao và cả trong các nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên sự đa dạng của các bài tập, các hiện tượng quang học thấu kính không chỉ đơn thuần áp dụng các công thức trong các hiện tượng quang học cố định mà sự dịch chuyển của vật trước
• 3. đem lại sự thay đổi rất đáng kể cho ảnh của nó qua thấu kính. Điều này đã nâng độ phức tạp về bản chất hiện tượng cũng như độ khó, sự đa dạng của các bài toán lên một mức mới. Đòi hỏi các em học sinh sự nghiên cứu bài bản và chuyên sâu hơn . Tham gia trong đợt Hội thảo khoa học giữa trường THPT Chuyên Bắc Ninh và 8 trường THCS trọng điểm lần này tôi nghiên cứu và đưa ra chuyên đề “ Bài tập xác định vị trí của vật và ảnh khi biết sự dịch chuyển của chúng trước thấu kính”. Nhằm mục đích giúp học sinh có được sự đầu tư nghiên cứu sâu sắc và có cái nhìn khái quát, đầy đủ các nội dung cũng như hình thành kĩ năng, phương pháp giải hiệu quả cho các dạng bài tập khác nhau của chuyên đề. Ngoài ra tôi nhận thức đây là đợt sinh hoạt chuyên môn sâu rộng với một tầm vóc, ý nghĩa cùng sự kỳ vọng rất lớn từ cấp Sở, cấp Phòng đến các trường cũng như với từng giáo viên trong hệ thống các trường trọng điểm trong toàn tỉnh Bắc Ninh. Làm sao để ngày càng cải thiện và nâng cao hơn nữa chất lượng đội ngũ giáo viên và học sinh giỏi của tỉnh. Vì vậy tôi xác định tham gia đợt sinh hoạt chuyên môn này với thái độ nghiêm túc và tinh thần cầu thị, rất mong được sự trao đổi rút kinh nghiệm với các bạn đồng nghiệp trong toàn tỉnh, đặc biệt là sự đóng góp ý kiến của các thày cô bộ môn Vật lí của trường THPH chuyên Bắc Ninh để bản thân tôi có được hướng đi tốt nhất, hiệu quả nhất cho chuyên đề trong quá trình giảng dạy học sinh. Từ đó góp phần ngày càng nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ của bản thân đáp ứng tốt nhất cho nhiệm vụ giảng dạy học sinh giỏi mà nhà trường và cấp trên giao cho. B. NỘI DUNG.
• 4. SỞ LÍ THYẾT. Khi một vật đặt trước thấu kính thì mối quan hệ giữa ảnh và vật, tính chất ảnh, độ phóng đại của ảnh so với vật được xác lập qua các công thức đã được chứng minh: AB B A k d f f d d k d d f ' ' ' ' 1 1 1 = − = − = + = Theo các công thức trên ta thấy nếu giữ nguyên thấu kính khi ta di chuyển vật trước thấu kính tức là làm thay đổi giá trị của d thì tất cả các giá trị khác như d’, k, độ lớn và tính chất ảnh A’B’ cũng sẽ thay đổi theo. Như vậy có thể thấy việc dịch chuyển vật trước thấu kính sẽ làm thay đổi cơ bản về đặc điểm ảnh so với vị trí ban đầu. Sự thay đổi này nhiều hay ít nó phụ thuộc vào đặc điểm sự dich chuyển của vật trước thấu kính. Sự thay đổi vị trí của vật trước thấu kính có thể khái quát các dạng chính bằng sơ đồ sau: Với mỗi dạng dịch chuyển khác nhau thì có một nhóm các hiện tượng, các dạng câu hỏi và bài tập tương ứng. Trong ba nhóm trên thì sự dich chuyển dọc theo trục chính là phổ biến và đa dạng hơn cả trong các đề thi học sinh giỏi và gắn nhiều với các nghiên cứu ứng dụng của thấu kính trong thực tế. Sự dịch chuyển của vật trước thấu kính Sự dịch chuyển theo phương dọc theo trục chính Sự dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính Sự dịch chuyển theo phương lệch so với trục chính một góc
• 5. CHUYỂN DỌC THEO TRỤC CHÍNH CỦA THẤU KÍNH. Ban đầu vật và ảnh ở vị trí cách thấu kính các khoảng d1 và d1’. Khi cho vật dich chuyển một khoảng ∆ d dọc theo trục chính của thấu kính, khi đó ảnh của vật cũng sẽ dich chuyển dọc theo trục chính một khoảng ∆ d’. Như vậy vị trí mới của vật và ảnh so với thấu kính sẽ được xác định: d2 = d1 ± ∆ d (1) d2’ = d1’ ∆ d’(2). Việc lấy dấu (+) hay dấu (-) trong hai công thức trên phụ thuộc vào việc vật và ảnh lại gần hay ra xa thấu kính. Tuy nhiên vấn đề mấu chốt chung để nghiên cứu, xét các bài tập của nhóm này ngoài các công thức thấu kính cơ bản ở trên ta cần chú ý đến một kết luận đã được nghiên cứu sau đây: Khi vật di chuyển theo phương dọc theo trục chính của thấu kính thì ảnh và vật luôn di chuyển cùng chiều. 2. SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG VUÔNG GÓC VỚI TRỤC CHÍNH. Ban đầu vật ở vị trí S1 qua thấu kính cho ảnh tại S1’. Khi vật dịch chuyển theo phương vuông góc với trục chính của thấu kính, vì trong quá trình dịch chuyển khoảng cách từ vật đến thấu kính là không đổi nên khoảng cách từ ảnh đến thấu kính cũng là giá trị không đổi. Như vậy khi vật dịch chuyển trên đường thẳng (đi qua S1) có phương vuông góc với trục chính của thấu kính thì ảnh của vật cũng dich chuyển trên đường thẳng trên đường thẳng có phương vuông góc với trục chính của thấu kính và đi qua điểm S1’. Với đặc điểm trên nên khi xét mối quan hệ giữa vật và ảnh trong trường hợp này việc giải quyết các yêu cầu bài toán sẽ dễ dàng hơn so với trường hợp vật dịch chuyển dọc theo trục chính. Ngoài ra với đặc điểm tia sáng qua quang tâm truyền thẳng vì vậy việc nối đường thẳng giữa vật S và ảnh S’ ở mọi vị trí trên quỹ đạo đều đi qua quang tâm O của thấu kính. Khi đó cần sử dụng thêm mối qua hệ đồng dạng giữa hai F’ S2 ’ O S2 S1 ’ S1
• 6. và tam giác S2’S1’O ( hình vẽ) để phục vụ cho việc tính toán các thông tin liên quan. 3. SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG LỆCH VỚI TRỤC CHÍNH MỘT GÓC α. Đây có thể coi là dạng dịch chuyển phức tạp nhất so với hai dạng dịch chuyển nêu trên. Khi vật S dịch chuyển trước thấu kính từ vị trí ban đầu S1 đến vị trí S2 khi đó ảnh của nó cũng dịch chuyển từ S1’ đến S2’. Xét về mặt bản chất có thể coi vật và ảnh tham gia đồng thời hai chuyển động: vừa chuyển động dọc theo trục chính của thấu kính, vừa chuyển động theo phương vuông góc với trục chính. - Các thông số liên quan đến sự dịch chuyển dọc theo trục chính của vật và ảnh S1H và S1’H’. - Các thông số liên quan đến sự dịch chuyển của vật và ảnh theo phương vuông góc với trục chính là S2H và S2’H’. Như vậy để xét mối qua hệ giữa vật S và ảnh của nó qua thấu kính ngoài các công thức thấu kính ta có thêm hệ thức lượng trong tam giác S2S1H và tam giác S2’S1’H’. PHẦN II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP. I. SỰ DICH CHUYỂN DỌC THEO TRỤC CHÍNH THẤU KÍNH. α β H H’ S2 ’ S2 O F’ S1 ’ S1
• 7. Cho độ dịch chuyển của vật và ảnh∆ d ,∆ d’, f Xác định d1, d1’ Đây là dạng bài toán ngược cho biết sự dịch chuyển của cả vật và ảnh từ đó xác định vị trí của vật và ảnh ban đầu và sau khi dịch chuyển. Để giải bài toán ta áp dụng các công thức sau, với lưu ý ta lấy d1 làm ẩn trong các biến đổi: ' 1 1 ' 1 ' 2 1 2 1 1 ' 1 . . d f d f d d d d d d d f d f d d ∆ − = ∆ = ∆ ± = − =   Theo công thức thấu kính ta lại có: (*) . 2 2 ' 2 f d f d d − = Thay các giá trị ở trên vào biểu thức (*) ta được: f d d f d d d f d f d − ∆ ± ∆ ± = ∆ − 1 1 ' 1 1 ) ( .  (**) Với các giá trị ∆ d ,∆ d’, f đầu bài cho từ (**)ta sẽ thu được phương trình bậc hai một ẩn d1 từ đó xác định được d1’ và các thông số khác. Bài tập ví dụ 1: Một điểm sáng S đặt trước một thấu kính hội tụ có tiêu cự f = 40cm. Di chuyển S một khoảng 20cm lại gần thấu kính người ta thấy ảnh S’ của S di chuyển một khoảng 40 cm. Tìm vị trí của vật và ảnh lúc đầu và sau khi di chuyển. Hướng dẫn giải. Gọi d1, d2 là các khoảng cách từ S tới thấu kính lúc đầu và sau khi dịch chuyển. Vị trí ban đầu của ảnh: 40 40 . 1 1 1 1 ' 1 − = − = d d f d f d d • Vị trí của vật và ảnh sau khi di chuyển : d2 = d1 – 20 60 ) 20 ( 40 . 1 1 2 2 2 ' − − = − = d d f d f d d • Vì vật di chuyển dọc theo trục chính của thấu kính nên ảnh di chuyển cùng chiều với vật nên ta có d2’ = d1’ + 40 (*)
• 8. trị vào phương trình (*) và biến đổi ta được: 0 1600 100 1 2 1 = + − d d Giải ra ta được d1 = 80cm và d1 = 20cm. + với d1 = 80cm ta xác định được cm d d f d f d d 80 40 80 80 . 40 40 40 . 1 1 1 1 ' 1 = − = − = − = d2 = d1 – 20 = 60cm, d2’ = d1’ + 40 = 120cm + Với d1 = 20cm, ta xác định được d1’ = - 40cm, d2 = 0 và d2’ = 0 2. Dạng 2. Cho ∆d, k1, k2 tính d và f Vật ở vị trí đầu ảnh có độ phóng đại là k1, ở vị trí sau ảnh có độ phóng đại k2. Khi áp dụng công thức thấu kính ta có : 1 1 1 1 1 1 d k k f d f f k − = => − = (*) ) ( 1 2 2 d d f f d f f k ∆ ± − = − = Xét tỉ số : 1 1 1 1 1 2 1 ) 1 )( ( 1 ) ( 1 ) ( d k d d f d d f d d f k k − ∆ ± − = − ∆ ± − = − ∆ ± − = Suy ra : 2 1 2 1 1 ) 1 )( ( k k k k d d − − ∆ ± = (**) Thay các giá trị đã biết vào (**) ta xác định được d1 và từ đó xác định được f ở biểu thức (*) Bài tập ví dụ 2. Vật sáng AB qua thấu kính cho ảnh thật có độ phóng đại là 5. Dịch vật ra xa thấu kính một đoạn 12cm thì thu được ảnh có độ phóng đại là 2. Tính tiêu cự thấu kính và vị trí ban đầu của vật. Hướng dẫn giải. • Xét trường hợp vật và ảnh ở vị trí ban đâu: 1 1 d f f k − = Vì vật thật qua thấu kính cho ảnh thật nên ảnh và vật ngược chiều nên ta có k1< 0. Mà theo đầu bài 5 1 = k => k1 = - 5  5 1 − = −d f f => f = 1 6 5 d (1)
• 9. hợp vật và ảnh sau khi dịch chuyển. - Do dịch vật ra xa thấu kính nên ta có d2 = d1 +∆ d = d1+ 12. - Vật dịch ra xa thấu kính nên tính chất ảnh sẽ không đổi, ảnh vẫn là ảnh thật ngược chiều với vật nên k2 < 0, kết hợp với đầu bài ta sẽ có: k2 = - 2. Ta có ) ( 1 2 2 d d f f d f f k ∆ + − = − = Xét tỉ số : 1 1 1 1 1 2 1 ) 1 ( 1 1 ) ( d k d d f d d f d d f k k − ∆ − = − ∆ − = − ∆ + − = Suy ra : 2 1 2 1 1 ) 1 ( k k k k d d − − ∆ = (2) Thay các giá trị vào (2), giải ra ta được : d1 = 48cm Từ (1) suy ra f = 40cm. 3. Dạng 3: Cho f, mối quan hệ k2 với k1, ∆d xác định d1, d1’ Theo công thức thấu kính ta có : 1 1 d f f k − = (*) ) ( 1 2 2 d d f f d f f k ∆ ± − = − = Xét tỉ số : 1 2 1 1 1 2 1 ) ( 1 ) ( d f d k k d f d d f k k − ∆ ± − = => − ∆ ± − = Thay các giá trị k1/k2, f, ∆ d ta xác định được d1, d1’ và các thông số khác. Bài tập ví dụ 3. Một vật sáng AB đặt trước thấu kính hội tụ tiêu cự f = 24cm cho ảnh ảo cao 4cm. Di chuyển vật sáng dọc theo trục chính một đoạn 6cm, ảnh thu được vẫn là ảnh ảo cao 8cm. a. Xác định chiều dịch chuyển của vật. b. Xác định vị trí của vật và ảnh trước và sau khi di chuyển. Hướng dẫn giải.
• 10. sử dụng là thấu kính hội tụ, ảnh ảo sau cao hơn ảnh ảo trước chứng tỏ ảnh ảo đã di chuyển ra xa thấu kính. Vì vật di chuyển dọc theo trục chính của thấu kính nên ảnh và vật di chuyển cùng chiều. Như vậy ta kết luận vật AB đã di chuyển ra xa thấu kính. b. Gọi d1, d2 là khoảng cách từ vật đến thấu kính ở vị trí trước và sau khi dịch chuyển. d1’ ,d2’ là khoảng cách từ ảnh đến thấu kính trước và sau khi dịch chuyển, ∆d là khoảng dịch chuyển của vật. + Ta có: d2 = d1 ± ∆d vì vật dịch chuyển ra xa thấu kính nên ta có: d2 = d1 + ∆d + Xét tỉ số : 2 4 8 1 1 2 2 1 2 ± = ± = ± = B A B A k k Vì hai ảnh đều là ảnh ảo cùng chiều với vật nên k1 > 0 và k2 > 0 nên ta có 2 1 2 = k k . Theo công thức thấu kính ta có : 1 1 d f f k − = (*) ) ( 1 2 2 d d f f d f f k ∆ ± − = − = Xét tỉ số : 1 2 1 1 1 2 1 ) ( 1 ) ( d f d k k d f d d f k k − ∆ ± − = => − ∆ ± − = Thay các giá trị k1/k2, f, ∆ d, giải ra ta được d1 = 12cm. Suy ra d2 = d1 + 6 = 12 + 6 = 18cm. 4. Dạng 4 : Cho k1, ∆d1, ∆d’ tính d1, d1’ và f Bài tập ví dụ 4.
• 11. đặt trước thấu kính cho ảnh thật bằng hai lần vật. Nếu dịch vật lại gần thấu kính 6cm thì ảnh dich 48cm. Xác dịnh tiêu cự của thấu kính, vị trí ban đầu của vật và ảnh. Hướng dẫn giải. * Xét trường hợp trước khi vật dịch chuyển: Vật thật đặt trước thấu kính cho ảnh thật lớn hơn vật chứng tỏ đây là thấu kính hội tụ. Và ta có qua thấu kính hội tụ ảnh thật sẽ ngược chiều với vật nên k1 < 0. theo đầu bài ảnh bằng hai lần vật nên k1 = - 2.  1 1 3 2 2 d f d f f = => − = − (1) - Ta cũng có 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 ' 2 . 3 2 . 3 2 . . d d d d d f d f d d = − = − = (2) * Xét trường hợp sau khi vật và ảnh di chuyển. - Vật dich lại gần thấu kính 6cm nên ta có: d2 = d1 – 6.(3) - Theo bài ra ảnh cũng dich đi 48cm. Mà qua thấu kính khi vật dịch chuyển dọc theo trục chính ảnh và vật di chuyển cùng chiều nên ảnh sẽ di chuyển ra xa thấu kính nên ta có d2’ = d1’ + 48 = 2d1 +48.(4) Theo công thức thấu kính ta có: f d f d d − = 2 2 ' 2 . Thay (1), (3), (4) vào biểu thức trên ta được: 6 3 2 ). 6 ( 48 2 1 1 1 1 − − = + d d d d  d1 2 + 30d1 – 216 = 0. Giải ra và loại nghiệm âm ta được d1 = 6cm Suy ra f = 2/3 d1 = 4cm, d1’ = 2d1 = 12cm NHẬN XÉT. Như vây qua các bài tâp ví dụ 1,2,3,4 ta thấy khi có sự tạo ảnh qua thấu kính, để mô tả vị trí, tính chất của vật và ảnh ở trạng thái ban đầu và sau khi dịch chuyển sẽ có nhiều thông số khác nhau : d1, d1’, d2, d2’,∆ d, ∆ d, k1,k2 và cả f. Điều này nếu không có phương pháp giải tốt rất dễ dẫn đến việc biến đổi vòng vo, tính toán không đúng hướng. Mặc dù với mỗi dạng khác nhau với các dữ kiện khác nhau ta có phương pháp giải cụ thể cho từng dạng như đã trình bày. Tuy nhiên để tránh sự biến đổi phức tạp thì định hướng Tải bản FULL (21 trang): https://bit.ly/3tqgHYU Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net
• 12. nhóm bài tập này ta nên chọn giá trị d1 làm ẩn, sau đó xác định các giá trị khác theo ẩn d1 và dựa trên mối qua hệ của các yếu tố ta sẽ lập được phương trình ẩn d1. Giải phương trình tìm ra d1 từ đó ta sẽ tìm được các thông số còn lại. II. SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA VẬT THEO PHƯƠNG VUÔNG GÓC VỚI TRỤC CHÍNH. Bài tập 5. Một điển sáng S nằm trên trục chính của một thấu kính hội tụ có tiêu cự 10cm và cách thấu kính 20cm. Cho S chuyển động theo phương vuông góc với trục chính của thấu kính, theo chiều từ dưới lên trên với vận tốc 3cm/s trong thời gian 2s. Hãy xác định chiều và độ dịch chuyển của S’. Hướng dẫn giải: Gọi S1 là vị trí ban đầu, S2 là vị trí của S sau khi dich chuyển 2giây S1’ và S2’ lần lượt là ảnh của S1,S2 qua thấu kính. Ta có hình vẽ: * Tính S1’S2’ Theo đầu bài ta có: S1S2 = v.t = 3.2 = 6cm Vì S1S2 vuông góc với trục chính nên ảnh S1’S2’cũng vuông góc với trục Chính. Khoảng cách từ S1’S2’ đến thấu kính là d’ = cm f d f d 20 10 20 10 . 20 . = − = − Độ phóng đại ảnh 1 20 20 ' 2 1 ' 2 ' 1 = = = d d S S S S => S1’S2’ = S1.S2 = 6cm. Vậy khi S dịch chuyển với vận tốc 3cm/s trong thời gian 2s theo phương vuông góc với trục chính theo chiều từ dưới lên trên thì ảnh S’của nó di chuyển theo F’ S2 ’ O S2 S1 ’ S1 4110774