Giáo án Bài 9. Thực hành đo tiêu cự của thấu kính hội tụ

Nêu được vấn đề cần giải quyết; dự đoán cách đo tiêu cự của thấu kính hội tụ bằng vật sáng và màn; nhận thức được yêu cầu an toàn khi dùng ánh sáng mạnh.

GV đưa ra tình huống: một chiếc kính lúp (thấu kính hội tụ) không ghi số tiêu cự. GV hỏi: (1) Làm thế nào để biết tiêu cự của thấu kính này? (2) Có thể đưa kính ra ánh nắng Mặt Trời để tìm điểm hội tụ không? Vì sao? HS dự đoán cách đo bằng vật sáng LED, thấu kính và màn đặt đồng trục.

Dự đoán dự kiến của HS: có thể tìm điểm ảnh sáng nhỏ nhất trên giấy khi để kính ngoài nắng, nhưng ánh sáng tập trung có thể gây cháy và hại mắt, nên cần nguồn sáng an toàn. Nhiệm vụ học tập: đo tiêu cự $f$ của thấu kính hội tụ bằng vật sáng LED, thấu kính và màn đặt đồng trục; xác định khi nào ảnh rõ trên màn và khi nào ảnh bằng vật.

Nêu được ảnh rõ trên màn là ảnh thật; giải thích được khi ảnh thật bằng vật thì $d = d' = 2f$ và $L = 4f$; sử dụng mô phỏng 3D NeoEdu để quan sát quá trình tìm ảnh rõ.

HS dùng mô phỏng 3D tương tác (vật sáng F ở vạch 5 cm, thấu kính trên con trượt, màn hứng ảnh, giá quang học có thước) để lắp đặt vật, thấu kính, màn đồng trục. Cố định vật–màn, dịch thấu kính đến khi ảnh rõ; sau đó dịch màn và kính sao cho $d' = d$ và ảnh rõ nét. HS trả lời phiếu học tập số 1, phần A: (a) Vì sao ảnh rõ trên màn chứng tỏ đó là ảnh thật? (b) Ảnh rõ bằng vật có chiều và kích thước thế nào? (c) Khi $d = d' = 31\ \mathrm{cm}$, tính $L$ và $f$.

Kiến thức HS rút ra: ảnh rõ trên màn là ảnh thật vì chùm tia ló hội tụ thực tại tại vị trí màn. Ảnh thật bằng vật thì ngược chiều, bằng vật; vật và ảnh cách thấu kính đều $2f$, nên $L = d + d' = 4f$ và $f = \dfrac{d + d'}{4}$. Với $d = d' = 31\ \mathrm{cm}$: $L = 62\ \mathrm{cm}$, $f = \dfrac{31 + 31}{4} = 15{,}5\ \mathrm{cm}$.

Thực hiện được phép đo $f$ theo phương pháp ảnh bằng vật; đo lặp ba lần, nhận xét được lệch trục và độ phân tán; tuân thủ quy tắc an toàn.

Nhóm 4 HS thực hiện theo quy trình: (1) đặt vật LED, thấu kính, màn đồng trục trên giá quang học; (2) cố định vật–màn, dịch thấu kính để tìm ảnh rõ trên màn; (3) đo $d$ (vật–kính) và $d'$ (kính–màn); (4) chỉnh đến khi hai khoảng gần nhau và ảnh bằng kích thước vật; (5) lặp ba lần, tính $f = \dfrac{d + d'}{4}$ chỉ khi điều kiện ảnh bằng vật đạt. Ghi kết quả vào phiếu thực hành số 2. Nếu thiết bị không đủ, nhóm dùng thí nghiệm vật lí ảo NeoEdu (25 phút, có phiếu báo cáo).

Bảng số liệu của nhóm gồm: lần đo, $d$, $d'$, $L$, $f$ và giá trị trung bình; nhận xét về độ lệch giữa $d$ và $d'$, độ phân tán của ba lần đo và điều còn chưa chắc chắn. Nếu chưa làm thực hành, ghi rõ “phân tích dữ liệu minh họa”, không nhận là số liệu của nhóm. Dữ liệu minh họa: $(d, d') = (30; 30)$, $(31; 31)$, $(32; 32)$ cm cho $f = 15$; $15{,}5$; $16\ \mathrm{cm}$, trung bình $15{,}5\ \mathrm{cm}$.

Vận dụng được quan hệ $L = 4f$ để tính tiêu cự; phân biệt ảnh rõ trên màn, phương pháp ảnh bằng vật và đo lặp; nhận ra và bác bỏ quan niệm sai.

HS làm phần B của phiếu học tập số 1 theo cặp đôi: câu 1, 2 (trắc nghiệm), câu 3 (ghép khái niệm), câu 4 (đúng/sai), câu 5 (điền thuật ngữ), câu 7 (tính tiêu cự từ dữ liệu minh họa $L = 60\ \mathrm{cm}$ và $L = 64\ \mathrm{cm}$), câu 9 (bác bỏ nhận định sai). Sau đó cặp đôi đổi phiếu kiểm tra chéo.

Đáp án: (1) A: ảnh rõ trên màn là bằng chứng chùm tia ló hội tụ thực tại vị trí màn. (2) B: khi ảnh thật bằng vật, vật và ảnh ở $2f$ trong mô hình thấu kính mỏng. (3) Ảnh rõ trên màn – bằng chứng chùm tia ló hội tụ thực tại; Phương pháp ảnh bằng vật – vật và ảnh ở $2f$; Đo lặp – phát hiện lệch trục và đánh giá độ phân tán. (4) Sai, vì $L = d + d' = 4f$, không bằng $f$. (5) Đo lặp. (7) $L = 60\ \mathrm{cm}$: $f = 15\ \mathrm{cm}$; $L = 64\ \mathrm{cm}$: $f = 16\ \mathrm{cm}$; trung bình $f = 15{,}5\ \mathrm{cm}$. (9) Lí do: vật và ảnh mỗi bên cách kính $2f$ nên tổng là $4f$; hệ quả: lấy $L = 60\ \mathrm{cm}$ làm $f$ sẽ cho $60\ \mathrm{cm}$ thay vì $15\ \mathrm{cm}$; phát biểu đúng: khi ảnh thật bằng vật, khoảng vật–màn bằng $4f$.

Giải thích được vì sao không dùng Mặt Trời để đo tiêu cự; chọn được phương án an toàn; đánh giá được kết quả đo và nêu điều còn chưa chắc chắn.

GV nêu tình huống: bạn An muốn đo tiêu cự của kính lúp ở nhà bằng cách đưa kính ra ánh nắng, dịch tờ giấy đến khi thấy điểm sáng nhỏ nhất. (1) Cách làm của An có an toàn không? Vì sao? Nên thay bằng phương án nào? (2) Từ ba kết quả $15$; $15{,}5$; $16\ \mathrm{cm}$, An nên ghi kết luận thế nào và cần ghi kèm những điều kiện nào? HS ghi câu trả lời vào phiếu thực hành số 2, mục nhận xét.

Đáp án: Ánh sáng Mặt Trời được tập trung bởi kính có thể làm cháy giấy, vật liệu và gây hại mắt; nên dùng đèn LED thấp áp, màn bắt ảnh và giá đỡ, không nhìn nguồn sáng mạnh qua kính. Kết luận: tiêu cự trung bình $f \approx 15{,}5\ \mathrm{cm}$, với điều kiện ảnh thật bằng vật, thấu kính mỏng, phép đo ba lần; ghi thêm độ phân tán (từ $15$ đến $16\ \mathrm{cm}$) và nêu rằng kết quả còn phụ thuộc độ chính xác khi đọc thước.