Thấu kính hội tụ có phần rìa mỏng hơn phần giữa và làm chùm sáng song song chụm lại tại một điểm; thấu kính phân kỳ có phần rìa dày hơn phần giữa và làm chùm sáng song song toả rộng ra. Thấu kính hội tụ có thể cho ảnh thật hoặc ảnh ảo tuỳ vị trí vật, còn thấu kính phân kỳ với vật thật luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật.
Từ hai câu đó, mọi bài dựng ảnh đều quy về việc vẽ đúng hai trong ba tia sáng đặc biệt. Bài này giúp bạn nhận biết thấu kính ngoài đời, nắm chắc các tia đặc biệt, đi qua từng trường hợp vị trí vật, và dùng AI để soát hình vẽ thay vì vẽ hộ. Phần tính bằng công thức có bài riêng ngay trong danh mục quang học.
Nhận biết thấu kính ngoài đời trong một phút
Trên lớp, thấu kính được vẽ bằng một đoạn thẳng có mũi tên ở hai đầu. Ngoài đời, bạn có thể gặp chúng trong kính lúp, kính mắt, ống nhòm, đèn chiếu. Có ba cách kiểm đơn giản, không cần dụng cụ đặc biệt:
- Sờ bằng tay: cầm thấu kính giữa hai ngón tay và lướt từ rìa vào tâm. Giữa dày, rìa mỏng là hội tụ; giữa mỏng, rìa dày là phân kỳ. Làm nhẹ tay để không để lại dấu vân tay hay làm xước.
- Nhìn chữ qua kính: đặt thấu kính sát trang sách rồi nâng dần. Chữ to ra là thấu kính hội tụ đang cho ảnh ảo lớn hơn vật; chữ nhỏ đi là thấu kính phân kỳ.
- Hứng ảnh cửa sổ: đứng trong phòng, cầm thấu kính giữa cửa sổ sáng và bức tường trắng, dịch dần. Nếu trên tường hiện ra hình cửa sổ lộn ngược, rõ nét, đó là thấu kính hội tụ cho ảnh thật. Thấu kính phân kỳ không bao giờ cho ảnh như vậy.
- Kính cận và kính viễn: kính cận là thấu kính phân kỳ, nhìn qua thấy chữ nhỏ đi; kính viễn và kính lão là thấu kính hội tụ, nhìn qua thấy chữ to ra. Chỉ thử bằng kính cũ trong nhà, không mượn kính đang đeo của người khác.
Tuyệt đối không dùng thấu kính hội tụ để hứng ánh nắng mặt trời, vì điểm hội tụ có thể làm cháy giấy, bỏng da và hỏng mắt nếu nhìn vào. Phép thử cửa sổ ở trên dùng ánh sáng trong phòng là đủ để thấy ảnh thật.
Trục chính, quang tâm, tiêu điểm và tiêu cự
Mỗi thấu kính mỏng có một trục chính đi qua tâm và vuông góc với mặt thấu kính. Điểm giữa thấu kính trên trục chính gọi là quang tâm O. Tia sáng đi qua quang tâm truyền thẳng, không đổi hướng, vì ở đó hai mặt thấu kính gần như song song với nhau, giống như một tấm kính mỏng.
Chiếu một chùm tia song song với trục chính vào thấu kính hội tụ, các tia ló gặp nhau tại một điểm trên trục chính ở phía bên kia, gọi là tiêu điểm ảnh, thường ký hiệu F phẩy. Thấu kính còn có tiêu điểm vật F nằm đối xứng ở phía trước. Khoảng cách từ quang tâm tới mỗi tiêu điểm là tiêu cự f. Thấu kính càng phồng thì càng bẻ tia mạnh, tiêu cự càng ngắn.
Với thấu kính phân kỳ, chùm song song ló ra bị toả rộng. Nếu kéo dài các tia ló ngược về phía trước, chúng gặp nhau tại một điểm trên trục chính, nằm cùng phía với chùm tới. Đó là tiêu điểm ảo của thấu kính phân kỳ. Ở bậc THCS, nhiều bài chỉ yêu cầu bạn ghi nhớ rằng tiêu điểm của thấu kính phân kỳ là tiêu điểm ảo, đường đi tia sáng vẽ bằng nét đứt khi kéo dài.
Ba tia sáng đặc biệt cho hai loại thấu kính
Muốn dựng ảnh của một điểm, chỉ cần hai tia xuất phát từ điểm đó. Chọn hai trong ba tia dưới đây vì đường đi của chúng biết trước mà không cần đo góc.
| Tia tới | Qua thấu kính hội tụ | Qua thấu kính phân kỳ |
|---|---|---|
| Đi qua quang tâm O | Truyền thẳng | Truyền thẳng |
| Song song với trục chính | Tia ló đi qua tiêu điểm ảnh ở phía sau | Tia ló có đường kéo dài đi qua tiêu điểm ảnh ở phía trước |
| Đi qua tiêu điểm vật phía trước (hội tụ) hoặc hướng tới tiêu điểm phía sau (phân kỳ) | Tia ló song song với trục chính | Tia ló song song với trục chính |
Dòng thứ ba hay làm học sinh rối với thấu kính phân kỳ. Cách nhớ: với thấu kính phân kỳ, tia tới phải nhắm về phía tiêu điểm nằm ở bên kia thấu kính, chưa kịp tới đó thì đã bị bẻ thành song song. Hãy tự vẽ một lần cho thật chậm, đánh dấu cả hai tiêu điểm trước khi vẽ tia.
Một mẹo kiểm hình: sau khi dựng ảnh bằng hai tia, vẽ thêm tia thứ ba. Nếu tia thứ ba cũng đi qua đúng điểm ảnh, hình của bạn đúng. Nếu lệch, có một tia bị vẽ sai, thường là tia qua tiêu điểm.
Ảnh qua thấu kính hội tụ theo vị trí vật
Đặt vật thật vuông góc với trục chính, dịch dần từ rất xa vào sát thấu kính. Tính chất ảnh thay đổi theo năm vùng dưới đây, mỗi vùng gắn với một dụng cụ quen thuộc. Ở đây d là khoảng cách từ vật tới thấu kính, f là tiêu cự.
| Vị trí vật | Tính chất ảnh | Gặp ở đâu |
|---|---|---|
| Rất xa thấu kính | Ảnh thật, ngược chiều, rất nhỏ, gần tiêu điểm ảnh | Máy ảnh chụp phong cảnh, mắt nhìn xa |
| Xa hơn hai lần tiêu cự | Ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật | Máy ảnh chụp chân dung |
| Đúng hai lần tiêu cự | Ảnh thật, ngược chiều, bằng vật | Bố trí đo tiêu cự trong phòng thí nghiệm |
| Giữa tiêu cự và hai lần tiêu cự | Ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật | Máy chiếu, đèn chiếu phim |
| Đúng tại tiêu điểm vật | Không hứng được ảnh, chùm ló song song | Đèn rọi chùm song song |
| Trong khoảng tiêu cự | Ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật | Kính lúp |
Bạn không cần học thuộc bảng này nếu dựng được ảnh. Hãy chọn mỗi vùng một vị trí, dựng ảnh bằng hai tia, rồi tự điền bảng. Lúc đó bảng trở thành kết quả của bạn chứ không phải thứ để chép.
Kính lúp: trường hợp ảnh ảo hữu ích nhất
Kính lúp là thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn. Bạn đặt vật trong khoảng tiêu cự, tức gần kính hơn tiêu điểm, rồi nhìn qua kính sẽ thấy ảnh ảo cùng chiều và lớn hơn vật. Ảnh này nằm xa mắt hơn vật, nên mắt có thể nhìn thoải mái thay vì phải cố điều tiết để thấy một vật nhỏ đặt sát mắt.
Trên kính lúp thường ghi số bội giác như 3x, 5x, 10x. Theo cách quy ước phổ biến, số bội giác xấp xỉ bằng 25 cm chia cho tiêu cự tính bằng cm, với 25 cm là khoảng nhìn rõ gần nhất của mắt người bình thường. Ví dụ giả định: kính lúp ghi 5x có tiêu cự khoảng 5 cm. Kính có số bội giác càng lớn thì tiêu cự càng ngắn, vùng nhìn rõ càng hẹp và phải cầm càng gần vật.
Đây là chỗ thí nghiệm an toàn rất hợp để đi kèm bài học: dùng kính lúp quan sát gân lá, vân tay của chính mình, sợi vải. Ghi lại khoảng cách từ kính tới vật lúc ảnh rõ nhất, so với tiêu cự in trên kính hoặc ước lượng từ số bội giác. Chỉ làm trong nhà hoặc trong bóng râm, không đưa kính lúp ra nắng.
Bốn hiểu lầm hay gặp về thấu kính
Che nửa thấu kính thì mất nửa ảnh. Sai. Mỗi điểm của vật gửi ánh sáng tới mọi phần của thấu kính, nên nửa còn lại vẫn đủ tia để tạo ảnh của toàn bộ vật. Ảnh vẫn đủ hình, chỉ tối đi vì lượng ánh sáng giảm. Đây là câu hỏi trắc nghiệm rất hay gặp và cũng là lý do một vết bẩn nhỏ trên ống kính máy ảnh không hiện thành vết trên ảnh.
Thấu kính càng to thì phóng đại càng mạnh. Không đúng. Khả năng hội tụ phụ thuộc vào độ cong hai mặt và chất liệu, thể hiện qua tiêu cự. Một thấu kính to nhưng dẹt có thể hội tụ yếu hơn thấu kính nhỏ mà phồng. Kích thước chỉ quyết định lượng ánh sáng thu được.
Ảnh ảo là ảnh không có thật nên không quan trọng. Ảnh ảo không hứng được trên màn nhưng mắt vẫn thấy rõ, và hầu hết dụng cụ quan sát như kính lúp, kính hiển vi, ống nhòm đều đưa tới mắt một ảnh ảo. Chữ "ảo" chỉ nói về cách các tia gặp nhau, không nói về giá trị sử dụng.
Thấu kính hội tụ lúc nào cũng phóng to. Chỉ khi vật nằm trong khoảng hai lần tiêu cự. Vật ở xa hơn hai lần tiêu cự cho ảnh nhỏ hơn vật, đó chính là cách máy ảnh và mắt thu cả một khung cảnh rộng lên một vùng nhỏ.
Dùng AI để soát hình dựng ảnh mà không bị vẽ hộ
AI dạng chatbot không xem được hình bạn vẽ trên giấy chính xác như giáo viên, và hình nó tự vẽ ra thường sai tỉ lệ. Vì vậy hãy dùng nó cho phần lập luận, còn phần hình giữ cho chính tay bạn.
- Vẽ hình trên giấy kẻ ô, ghi rõ tiêu cự bao nhiêu ô, vật cách thấu kính bao nhiêu ô, cao bao nhiêu ô.
- Mô tả hình cho AI bằng chữ: "Thấu kính hội tụ tiêu cự 4 ô, vật cao 2 ô đặt cách thấu kính 6 ô. Em dựng được ảnh cách thấu kính 12 ô, cao 4 ô, ngược chiều. Đừng nói đáp án, chỉ hỏi em đã vẽ hai tia nào."
- Trả lời câu hỏi của AI về từng tia. Nếu nó chỉ ra mâu thuẫn, quay lại giấy để sửa, không xin nó vẽ lại.
- Khi đã đúng, nhờ AI ra ba vị trí vật khác nhau để bạn tự dựng tiếp, kèm yêu cầu "chỉ cho đáp án khi em gõ chữ xong".
- Nếu chụp hình gửi lên, chỉ chụp phần hình, không để lộ tên, lớp hay trang bìa vở có thông tin cá nhân.
Ví dụ ở bước 2 được chọn để bạn tự kiểm được: vật ở giữa tiêu cự và hai lần tiêu cự nên ảnh phải là ảnh thật, ngược chiều, lớn hơn vật. Con số 12 ô và 4 ô khớp với công thức thấu kính mà bạn sẽ gặp ở bài tiếp theo trong danh mục.
Câu hỏi thường gặp
Làm sao biết một thấu kính là hội tụ hay phân kỳ khi chỉ nhìn hình vẽ?
Trong hình vẽ quy ước, thấu kính hội tụ vẽ bằng đoạn thẳng có hai đầu mũi tên hướng ra ngoài, thấu kính phân kỳ có hai đầu mũi tên hướng vào trong. Nếu đề cho hình dạng mặt cắt thì rìa mỏng là hội tụ, rìa dày là phân kỳ.
Thấu kính phân kỳ có cho ảnh thật được không?
Với vật thật đặt trước thấu kính, thấu kính phân kỳ luôn cho ảnh ảo, cùng chiều, nhỏ hơn vật và nằm trong khoảng tiêu cự. Trong các hệ nhiều thấu kính, khi vật là ảnh do một thấu kính khác tạo ra, tình huống phức tạp hơn, nhưng đó không phải nội dung phổ thông cơ bản.
Vì sao ảnh thật luôn ngược chiều với vật?
Ảnh thật được tạo bởi các tia ló thực sự gặp nhau ở phía sau thấu kính. Tia qua quang tâm đi thẳng, nên tia từ đỉnh vật phía trên trục chính sẽ sang phía dưới trục chính sau thấu kính. Vì vậy ảnh thật của một vật đặt trước một thấu kính luôn lộn ngược.
Đặt vật đúng tại tiêu điểm thì ảnh ở đâu?
Khi vật ở đúng tiêu điểm vật của thấu kính hội tụ, các tia ló ra song song với nhau, không gặp nhau ở khoảng cách hữu hạn. Người ta nói ảnh ở rất xa, hay ở vô cực. Trên màn bạn chỉ thấy một vệt sáng chứ không hứng được ảnh rõ nét.
Kính lúp 10x có tiêu cự bao nhiêu?
Theo cách quy ước số bội giác bằng 25 cm chia tiêu cự, kính lúp 10x có tiêu cự khoảng 2,5 cm. Đây là con số gần đúng; nhà sản xuất có thể dùng quy ước hơi khác, nên bạn coi đó là ước lượng để hiểu chứ không phải thông số chính xác.
Có nên nhờ AI vẽ sơ đồ tia sáng để học không?
Có thể dùng mô phỏng quang học tương tác trên máy tính để quan sát, vì chúng tính đúng đường đi tia. Còn hình do chatbot sinh ra thì hay sai tỉ lệ và vị trí tiêu điểm. Hãy dùng chatbot để hỏi lập luận, dùng mô phỏng để xem, và tự vẽ để học.