Bài giảng Môn Vật lý lớp 11 - Bài 4 : Xác định chiết suất của nước và tiêu cự của thấu kính phân kỳ

BÀI 4 : XÁC ĐỊNH CHIẾT SUẤT CỦA NƯỚC VÀ 
TIÊU CỰ CỦA THẤU KÍNH PHÂN KỲ
I. MỤC ĐÍCH 
- Xác định chiết suất của nước và tiêu cự của thấu kính phân kì.
Hình 1
 Sự khúc xạ của tia tới SI tại thành cốc
- Rèn luyện kĩ năng sử dụng, lắp ráp, bố trí các linh kiện quang và kĩ năng tìm ảnh của vật cho bởi thấu kính. 
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Xác định chiết suất của nước. 
 Hình 1 mô tả sự khúc xạ của tia tới SI trên mặt phẳng cắt vuông góc với thành cốc nước. 
Trong đó: i là góc tới, r là góc khúc xạ. Các tam giác và là các tam giác vuông nội tiếp trong đường tròn đường kính IM. Do đó và 
Ta tính được chiết suất của nước:
 (1) 
Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì. 
 Để xác định tiêu cự của thấu kính phân kì, ta ghép nó đồng trục với thấu kính hội tụ sao cho vị trí ảnh thật A1B1 của vật AB cho bởi thấu kính hội tụ nằm ở phía sau thấu kính phân kì và nằm trong tiêu cự vật của thấu kính phân kì. Khi đó, trên màn ta thu được ảnh thật A2B2 của vật A1B1 cho bởi thấu kính phân kì. 
Hình 2: Xác định tiêu cự thấu kính phân kì
Sau khi đo các khoảng cách d và d’ từ ảnh thật A1B1 và ảnh thật A2B2 đến quang tâm O2 của thấu kính phân kì (hình 2), tiêu cự ƒ của thấu kính phân kì được xác định theo công thức: 
III. Dụng cụ thí nghiệm
1) Xác định chiết suất của nước
Phương án 1:
- Một cốc thủy tinh hình trụ thành mỏng dung tích 500 ml, đường kính 80 mm.
- Băng dính sẫm màu, rộng 50 mm.
- Dao có lưỡi mỏng.
- Nến và diêm.
- Thước đo độ dài chia đến milimét.
- Bút chì và giấy trắng.
Phương án 2:
- Bộ dụng cụ xác định chiết suất của nước gồm:
	+Giá quang học.
	+ Đèn chiếu sáng
	+Cốc thuỷ tinh có dán bìa sẫm màu có khe hở nhỏ
	+ Bút chì, giấy trắng
	+ Thước đo độ dài chia đến milimét.
	+ Nguồn 6V
2) Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì
• Dụng cụ thí nghiệm
- Một băng quang học dài 1 000 mm, có gắn thước thẳng chia đến milimét.
- Một thấu kính hội tụ.
- Một thấu kính phân kì.
- Một đèn chiếu sáng 6 V – 8 W và các dây dẫn.
- Một nguồn điện 6 V – 3 A.
- Vật AB có dạng hình số 1 nằm trong lỗ tròn của tấm nhựa.
- Màn ảnh.
- Năm đế trượt để cắm đèn, vật, hai thấu kính và màn ảnh.
IV. Các bước tiến hành thí nghiệm 
Hình 3: Xác định chiết suất của nước
1) Xác định chiết suất của nước
 Tìm hiểu kĩ các dụng cụ để lắp đặt, bố trí thí nghiệm 
*Phương án 1:
Bước 1. Lắp đặt thí nghiệm 
- Dán băng dính sẫm màu bao quanh thành ngoài của cốc và rạch trên băng dính một khe hẹp rộng khoảng 2 mm, dọc theo đường sinh của cốc. Đổ nước vào chừng nửa cốc 
- Đặt ngọn nến đang cháy và cốc nước lên trên tờ giấy ở mặt bàn, cách nhau 20 cm. Vẽ đường viền chu vi đáy cốc lên tờ giấy. Trong quá trình thí nghiệm, vị trí của nến không thay đổi, chỉ xoay cốc nước trong đường viền chu vi đáy cốc 
 Điều quan trọng là cần phải dựng được các điểm I, S’, M, I’ trên đường viền chu vi đáy cốc đã vẽ để tính chiết suất theo công thức (1).
Bước 2. Dựng các điểm I, S’, M, I’ trên đường viền chu vi đáy cốc ở tờ giấy .
 - Xác định điểm M trên đáy cốc (điểm đối diện với khe I qua tâm đường tròn): Xoay cốc nước sao cho chỉ có một vết sáng trên băng dính đối diện với khe hẹp. Khi đó vị trí ngọn nến, khe hẹp I tâm O và vết sáng M nằm trên đường thẳng (IM là đường kính của đường tròn). Đánh dấu hình chiếu M của vết sáng trên chu vi đáy cốc.
- Xác định các điểm I, S’, M, I’ trên đường viền chu vi đáy cốc trên giấy: Xoay cốc đi một góc khoảng 30O. Đánh dấu các vị trí I, M và các hình chiếu S’, I’ của hai vết sáng ở thành cốc lên đường viền chu vi đáy cốc ở tờ giấy.
- Bỏ cốc nước và ngọn nến ra. Đo các đoạn S’M, I’M tương ứng đã dựng được trên tờ giấy và ghi vào bảng số liệu 1.
Bước 3. Lặp lại hai lần bước thí nghiệm trên bằng cách tiếp tục xoay cốc đi một chút. Đánh dấu các vị trí I, M, S’, I’ trên đường viên chu vi đáy cốc ở tờ giấy, tương ứng ở mỗi lần thí nghiệm. Đo từng cặp các đoạn S’M, I’M đã dựng được trên tờ giấy và ghi vào bảng số liệu 1.
- Tính và ghi giá trị chiết suất của nước (vào bảng số liệu 1) theo công thức 
- Tính và 
- Tính các giá trị và bằng các công thức: 
; 
- Nhận xét kết quả thí nghiệm
*Phương án 2:
	Bước 1. Lắp đặt thí nghiệm như hình dưới. Đổ nước vào chừng nửa cốc.
- Bật đèn lên và đặt cốc nước lên trên tờ giấy ở trên mặt bàn xoay, cách nhau 20 cm. Vẽ đường viền chu vi đáy cốc lên tờ giấy. Trong quá trình thí nghiệm, vị trí của đèn không thay đổi, chỉ xoay bàn xoay có cốc nước ở trên. 
 Điều quan trọng là cần phải dựng được các điểm I, S’, M, I’ trên đường viền chu vi đáy cốc đã vẽ để tính chiết suất theo công thức (1).
Bước 2. Dựng các điểm I, S’, M, I’ trên đường viền chu vi đáy cốc ở tờ giấy .
 - Xác định điểm M trên đáy cốc (điểm đối diện với khe I qua tâm đường tròn): Xoay bàn xoay sao cho chỉ có một vết sáng trên băng dính đối diện với khe hẹp. Khi đó vị trí đèn, khe hẹp I tâm O và vết sáng M nằm trên đường thẳng (IM là đường kính của đường tròn). Đánh dấu hình chiếu M của vết sáng trên chu vi đáy cốc.
- Xác định các điểm I, S’, I’ trên đường viền chu vi đáy cốc trên giấy: Xoay bàn xoay đi một góc khoảng 30O. Đánh dấu các vị trí I và các hình chiếu S’, I’ của hai vết sáng ở thành cốc lên đường viền chu vi đáy cốc ở tờ giấy.
- Bỏ cốc nước ra. Đo các đoạn S’M, I’M tương ứng đã dựng được trên tờ giấy và ghi vào bảng số liệu 1.
Bước 3. Lặp lại hai lần bước thí nghiệm trên bằng cách tiếp tục xoay bàn xoay đi một chút. Đánh dấu các vị trí I, M, S’, I’ trên đường viên chu vi đáy cốc ở tờ giấy, tương ứng ở mỗi lần thí nghiệm. Đo từng cặp các đoạn S’M, I’M đã dựng được trên tờ giấy và ghi vào bảng số liệu 1.
- Tính và ghi giá trị chiết suất của nước (vào bảng số liệu 1) theo công thức 
- Tính và 
- Tính các giá trị và bằng các công thức: 
; 
- Nhận xét kết quả thí nghiệm
2) Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì
Hình 4: Bộ thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì
 Tìm hiểu kĩ các dụng cụ để lắp đặt, bố trí thí nghiệm 
Bước 1. Lắp đặt thí nghiệm. 
- Bố trí đèn, vật AB (là hình số 1 trong lỗ tròn của tấm nhựa), thấu kính hội tụ và màn ảnh sao cho thu được ảnh rõ nét nhất có kích thước nhỏ hơn vật trên màn. Đánh dấu vị trí A1 của ảnh thật A1B1 trên băng quang học .
- Đặt thấu kính phân kì vào trước màn và cách màn một khoảng d = 50 mm. Vị trí của thấu kính phân kì được đánh dấu là điểm O2 trên băng quang học. Dịch dần màn ra xa thấu kính phân kì cho đến khi thu được ảnh rõ nét nhất trên màn. Đánh dấu vị trí A2 trên băng quang học, đó là vị trí của ảnh A2B2. 
Khoảng cách O2A1 = d, khoảng cách O2A2 = d’. Đo và ghi vào bảng số liệu các khoảng cách d, d’ . Tính tiêu cự của thấu kính phân kì theo công thức và ghi vào bảng số liệu 2.
Bước 2. Lặp lại bước thí nghiệm trên hai lần bằng cách dịch vị trí của thấu kính phân kì ứng với giá trị d gần với giá trị đo được ở trên. Đo các cặp giá trị d và d’, sau đó tính ƒ trong từng lần thí nghiệm. Ghi các kết quả nhận được vào bảng số liệu 2.
- Tính và 
- Tính các giá trị và bằng các công thức:
 ; 
- Nhận xét kết quả thí nghiệm
V. Các vấn đề cần chú ý
1) Xác định chiết suất của nước
 Về nguyên tắc độ chính xác của kết quả thí nghiệm phụ thuộc vào các yếu tố:
 - Độ rộng của tia sáng (điều này liên quan tới kích thước nguồn sáng) chiếu tới khe I. Để giảm ảnh hưởng kích thước nguồn sáng (ngọn nến), cần phải đặt nến ra xa cốc, nhưng không thể đặt quá xa vì khi đó cường độ ánh sáng tới khe sẽ yếu, khó quan sát được tia khúc xạ và vết sáng trên thành cốc 
 - Kích thước của khe I cần đủ nhỏ, bề dày của thành cốc phải đủ mỏng, đường kính cốc đủ lớn để cho sau khi khúc xạ, vết sáng đủ hẹp, hiện rõ trên thành cốc, dễ quan sát. 
 - Cần chú ý các điểm I, S’, M, I’ dựng trên đường viền chu vi đáy cốc trên giấy phải thực sự là hình chiếu thẳng đứng của các vết sáng ở thành cốc xuống mặt phẳng tờ giấy.
2) Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì
 - Cần phải lắp đặt tất cả phụ kiện (đèn, thấu kính, vật, màn...) đảm bảo đồng trục, nghĩa là trục quang học của chúng trùng nhau và song song với băng quang học. 
 - Lựa chọn các vị trí thích hợp của nguồn sáng, vật AB, thấu kính hội tụ để hứng được rõ nét ảnh thật A1B1 nhỏ hơn AB. Sau đó vặn các vít để chốt chặt vị trí của nguồn, vật AB, thấu kính hội tụ
 - Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm như: tính đồng trục của hệ, xác định các vị trí đặt thấu kính phân kì, vị trí ảnh A1B1, vị trí màn ảnh để hứng ảnh A2B2 (để xác định d, d’). 
VII. BÁO CÁO THỰC HÀNH
BÀI BÁO CÁO
XÁC ĐỊNH TIÊU CỰ CỦA THẤU KÍNH PHÂN KỲ
Họ và tên :……………………………………; Lớp:………., ngày thực hành:………………
1. MỤC ĐÍCH 
2. TÓM TẮT LÍ THUYẾT
a. Xác định chiết suất của nước. 
 Hình vẽ 1
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
 Công thức tính........................................................................................................ 
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
b. Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì. 
 Hình vẽ 2...................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
 Công thức tính........................................................................................................ 
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
KẾT QUẢ
a. Xác định chiết suất của nước. 
Bảng 1: Xác định chiết suất của nước
Lần thí nghiệm
S’M (mm)
I’M (mm)
…
1
2
3
- Tính các giá trị và bằng các công thức: 
............................................................................................................................................
 =…………………………………………………………………………
 (dùng quy tắc làm tròn số liệu)
 Rút ra kết luận...........................................................................................................................
.............................................................................................................................................................................................................................................................................................
b. Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì 
Lần thí nghiệm
d (mm)
d’ (mm)
ƒ (mm)
1
2
3
Trung bình
- Công thức sử dụng 
Tính và 
- Tính các giá trị và bằng các công thức:
=………………………………………………….
 =........................................................................
 Tính sai số tỉ đối 
Kết luận	
 =...........................................................(dùng quy tắc làm tròn số liệu)
.………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4. CÂU HỎI
	- Có thể xác định tiêu cự của thấu kính hội tụ L0 khi tiến hành thí nghiệm này được không? Nếu biết em hãy nói rõ nội dung này thuộc phần nào của bài thí nghiệm.
 - Có thể thực hiện phép đo tiêu cự f của thấu kính phân kỳ L bằng cách ghép nó đồng trục với một thấu kính hội tụ L0, nhưng vật thật được đặt gần thấu kính hội tụ hơn so với thấu kính phân kỳ được không? Nếu được, em hãy nói rõ các bươc tiến hành và vẽ hình minh hoạ.