Giải Khoa học tự nhiên 9 trang 49
Lời giải chi tiết SGK Lớp 9 · Môn Khoa Há»c Tá»± NhiĂªn · Trang 49–50
Một lưu ý nhỏ trước khi bắt đầu: số trang in ở góc hai ảnh là 47 và 48 (không phải 49–50), nên mình giữ header khớp với trang ảnh thực tế nhé. Nội dung là Bài 9: Thực hành đo tiêu cự của thấu kính hội tụ (sách Khoa học tự nhiên 9 – Kết nối tri thức).
Tóm tắt lý thuyết
Mục tiêu của bài: Đo được tiêu cự $f$ của thấu kính hội tụ bằng dụng cụ thực hành.
Ý tưởng cốt lõi (phương pháp đối xứng – Silbermann):
- Đặt vật $AB$ cao $h$, vuông góc với trục chính, cách thấu kính một khoảng $d = 2f$.
- Khi đó ảnh thật hiện rõ trên màn, đối xứng với vật qua thấu kính: ảnh cách thấu kính $d' = 2f$ và cao bằng vật.
- Từ đó suy ra công thức tính nhanh tiêu cự:
$$f = \frac{d + d'}{4}$$
Dụng cụ: nguồn sáng (1), vật chữ F bằng kính mờ (2), thấu kính hội tụ (3), màn chắn (4), giá quang học đồng trục (5), nguồn điện và dây nối (6).
Câu hỏi mở đầu
Đề: Để đo tiêu cự của thấu kính hội tụ, có thể dùng phương án đo trực tiếp khoảng cách từ quang tâm $O$ tới tiêu điểm chính $F$ hay không? Cách đo này có nhược điểm gì?
Trả lời:
Về nguyên tắc thì có thể, vì chùm tia ló song song với trục chính sẽ hội tụ tại $F$, ta đo $OF = f$. Nhưng cách này có nhiều nhược điểm:
- Quang tâm $O$ nằm bên trong thấu kính nên rất khó xác định chính xác vị trí của nó để đặt thước.
- Điểm hội tụ $F$ trên thực tế không phải một điểm sáng sắc nét mà là một vùng sáng nhỏ, nên khó xác định đúng vị trí.
- Chùm sáng tới khó song song hoàn toàn với trục chính.
→ Tất cả những điều này khiến sai số rất lớn, kết quả đo kém chính xác.
Bài 9 – Phần I.2: Đo tiêu cự bằng phương pháp đối xứng (Silbermann)
Cho vật $AB$ cao $h$, đặt vuông góc với trục chính và cách thấu kính khoảng $d = 2f$.
Câu 1
Đề: Dựa vào hình vẽ, chứng minh rằng khoảng cách từ ảnh đến thấu kính và khoảng cách từ vật đến thấu kính bằng nhau.
Lời giải:
Áp dụng công thức thấu kính:
$$\frac{1}{f} = \frac{1}{d} + \frac{1}{d'}$$
Thay $d = 2f$:
$$\frac{1}{d'} = \frac{1}{f} - \frac{1}{d} = \frac{1}{f} - \frac{1}{2f} = \frac{2-1}{2f} = \frac{1}{2f}$$
$$\Rightarrow d' = 2f = d$$
Vậy khoảng cách từ ảnh đến thấu kính bằng khoảng cách từ vật đến thấu kính $(d' = d = 2f)$.
Có thể hiểu trực quan: do vật đặt tại $2f$ nên hệ vật – ảnh đối xứng nhau qua thấu kính, ảnh hiện đúng ở vị trí $2f$ bên kia.
Câu 2
Đề: Ảnh này có kích thước như thế nào so với vật?
Lời giải:
Hệ số phóng đại (độ lớn) của ảnh:
$$\frac{h'}{h} = \frac{d'}{d} = \frac{2f}{2f} = 1$$
$$\Rightarrow h' = h$$
Vậy ảnh là ảnh thật, ngược chiều với vật và có kích thước bằng đúng vật.
Câu 3
Đề: Chứng minh công thức tính tiêu cự: $f = \dfrac{d + d'}{4}$.
Lời giải:
Từ Câu 1, ta có $d = d' = 2f$, suy ra:
$$d + d' = 2f + 2f = 4f$$
$$\Rightarrow f = \frac{d + d'}{4}$$
Đây chính là công thức dùng để tính tiêu cự trong bài thực hành. Ưu điểm là chỉ cần đo $d$ và $d'$ (đều là khoảng cách thật, dễ đo bằng thước trên giá quang học), không cần xác định vị trí quang tâm hay tiêu điểm.
Phần II – Cách tiến hành (tóm tắt)
- Bước 1: Đo chiều cao $h$ của vật hình chữ F.
- Bước 2: Bố trí thí nghiệm như Hình 9.1. Đặt vật và màn sát thấu kính, rồi dịch đồng thời cả hai ra xa thấu kính những khoảng bằng nhau cho đến khi ảnh rõ nét trên màn → ghi $d$ và $d'$.
- Bước 3: Đo chiều cao $h'$ của ảnh.
- Lặp lại thí nghiệm 3 lần, tính trung bình và tính $\overline{f} = \dfrac{\overline{d} + \overline{d'}}{4}$.
Phần III – Các câu hỏi trong báo cáo thực hành
Vì bảng 9.1 là số liệu các em tự đo nên mình giải thích kết quả mong đợi để các em đối chiếu.
Câu 1
Đề: Nhận xét về chiều cao $\overline{h}$ của vật và chiều cao $\overline{h'}$ của ảnh.
Trả lời: Vì đặt vật tại $d = 2f$ nên ảnh có kích thước bằng vật. Do đó $\overline{h'} \approx \overline{h}$ (chênh lệch nhỏ chỉ do sai số đo).
Câu 2
Đề: So sánh giá trị $\overline{f}$ với số liệu tiêu cự ghi trên thấu kính.
Trả lời: Giá trị $\overline{f}$ đo được sẽ xấp xỉ bằng giá trị tiêu cự nhà sản xuất ghi trên thấu kính. Sự sai khác nhỏ là do sai số khi xác định vị trí ảnh rõ nét, sai số đọc thước và làm tròn.
Câu 3
Đề: So sánh ưu, nhược điểm khi đo tiêu cự bằng phương pháp Silbermann với phương án đo trực tiếp khoảng cách từ $O$ tới $F$.
Trả lời:
| Tiêu chí | Phương pháp Silbermann | Đo trực tiếp $OF$ |
|---|---|---|
| Xác định vị trí | Đo $d, d'$ là khoảng cách thật trên giá, dễ và rõ ràng | Phải xác định quang tâm $O$ (nằm trong kính) và tiêu điểm $F$ (vùng sáng mờ) → khó |
| Độ chính xác | Cao hơn, nhờ tính đối xứng và lấy trung bình nhiều lần | Thấp, sai số lớn |
| Cách nhận biết kết quả | Quan sát ảnh rõ nét trên màn (dễ thấy) | Tìm điểm hội tụ chùm song song (khó thấy chính xác) |
→ Kết luận: Phương pháp Silbermann chính xác và dễ thực hiện hơn phương án đo trực tiếp $OF$.
Nếu các em muốn, mình có thể tạo sẵn một bảng số liệu mẫu (giả định) rồi tính đầy đủ $\overline{d}, \overline{d'}, \overline{f}$ để làm mẫu báo cáo thực hành nhé.