Tài liệu Thiết kế hệ quang học schlieren để quan sát chuyển động của các phân tử chất lưu trong suốt

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Nguyễn Việt Hải THIẾT KẾ HỆ QUANG HỌC SCHLIEREN ĐỂ QUAN SÁT CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC PHÂN TỬ CHẤT LƯU TRONG SUỐT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Vật lý đại cương Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lâm Duy Hồ Chí Minh - 2016 Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Lâm Duy vì những kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực nghiệm quý báu và cả phong cách khoa học mà Thầy đã tận tình truyền đạt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã nhiệt tình hướng dẫn tôi sử dụng công cụ LATEXđể trình bày khóa luận một cách chuyên nghiệp và đưa ra những nhận xét thiết thực để tôi hoàn thiện công trình của mình hơn. Cuối cùng, tôi sẽ không thể hoàn thành khóa luận này nếu thiếu sự đồng hành của gia đình mình và của quý Thầy Cô trong đại gia đình khoa Vật lý. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Việt Hải Mục lục Lời cảm ơn ii Mục lục ii Danh sách hình vẽ v Danh sách bảng vi Lời mở đầu 1 1 Giới thiệu hệ quang học schlieren 1.1 Lịch sử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Ứng dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 2 Nguyên lý hoạt động của hệ quang học schlieren 2.1 Sự truyền ánh sáng trong môi trường không đồng chất . . 2.2 Mối liên hệ giữa chiết suất môi trường và mật độ phân tử 2.3 Các cách bố trí kĩ thuật schlieren của Toepler . . . . . . 2.3.1 Hệ một thấu kính . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Hệ hai thấu kính . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Hệ gương chữ Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Hệ một gương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Lý do chọn chế tạo hệ schlieren một gương . . . . . . . . 2.5 Nguyên lý hệ schlieren một gương phương pháp Toepler 3 Đề xuất xây dựng hệ schlieren một gương cầu lõm 3.1 Cụm gương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Gương cầu lõm . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Giá đỡ gương . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Cụm nguồn sáng . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Nguồn sáng . . . . . . . . . . . . . . . iii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 7 7 7 8 8 9 10 10 . . . . . 12 12 12 13 15 15 3.3 3.4 3.5 3.6 4 5 6 3.2.2 Nguồn sáng kết hợp . . . . 3.2.3 Đèn diode phát quang (LED) 3.2.4 Mạch điện . . . . . . . . . . Cụm đế . . . . . . . . . . . . . . . Lưỡi dao . . . . . . . . . . . . . . . Máy ảnh . . . . . . . . . . . . . . . Cân chỉnh hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả 4.1 Kết quả thu được bằng máy ảnh Panasonic Lumix 4.2 Kết quả thu được từ máy ảnh Canon A2500 . . . 4.2.1 Thông số kỹ thuật . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Hình ảnh quan sát . . . . . . . . . . . . . 4.3 Kết quả thu được từ máy ảnh Sony NEX-5N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 16 17 18 20 23 23 . . . . . 25 25 28 28 28 28 Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy - học ở trường phổ thông 5.1 Hiện tượng đối lưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Dụng cụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Hiện tượng đối lưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Giải thích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.6 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Mở rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Vì sao ngọn lửa luôn hướng lên trên và có đầu nhọn bất kể ta có cầm ngọn nến theo cách nào? . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Vì sao máy lạnh lại được đặt ở trên cao? . . . . . . . . . . . 5.2.3 Vì sao bình đun nước có cục nóng được đặt ở dưới đáy bình? 5.3 Vận dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 36 36 36 36 38 38 38 39 Kết luận và hướng phát triển 6.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 40 40 Tài liệu tham khảo 39 39 39 39 41 iv Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hệ schlieren Hooke . . . . Kết quả thí nghiệm Hooke Hơi thở của chuột . . . . . Máy bay trong hầm gió . . Sóng xung kích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 5 5 5 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng . . . . . . . . . Hệ một thấu kính . . . . . . . . . . . . . . . Hệ hai thấu kính . . . . . . . . . . . . . . . . Hệ gương chữ Z . . . . . . . . . . . . . . . . Hệ một gương . . . . . . . . . . . . . . . . . Minh họa đường đi tia sáng trong thí nghiệm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8 8 9 9 10 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Giá đỡ gương . . . . . . . Các bước chế tạo hệ gương Công đoạn làm hệ gương . Nguồn sáng LASER . . . Chế tạo nguồn sáng điểm . Dụng cụ mạch điện . . . . Mạch điện . . . . . . . . . Cụm lưỡi dao hoàn chỉnh . Cụm đế hoàn chỉnh. . . . . Vị trí gương và nguồn sáng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 14 15 16 17 18 18 22 23 24 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình ảnh khi hệ lệch trục nhiều . . . . . . Hình ảnh khi hệ gần như đồng trục . . . . Tác dụng của lưỡi dao . . . . . . . . . . . Hình ảnh mỏ hàn . . . . . . . . . . . . . Luồng khí nóng qua quả cầu và vách ngăn Thay đổi tốc độ màn trập . . . . . . . . . Thay đổi ISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 26 27 27 28 29 30 v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình 4.8 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.10 Tác dụng của lưỡi dao Khí nóng . . . . . . Khí lạnh . . . . . . . Hơi thở của người . . Khí nóng từ bàn tay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 32 33 34 35 Hình 5.1 Dòng khí nóng bay lên trên, cuộn xoáy . . . . . . . . . . . . . 37 Danh sách bảng Bảng 3.1 Bảng giá tham khảo gương cầu lõm . . . . . . . . . . . . . . vi 12 Lời mở đầu Lý do chọn đề tài Có thật sự là khí nóng bốc lên cao, khí lạnh chìm xuống dưới? Tại sao máy lạnh luôn được lắp đặt trên tường cao? Tại sao ngọn lửa luôn hướng lên trên? Đây là những câu hỏi về những hiện tượng chất lưu trong suốt mà học sinh có thể thắc mắc khi học chương trình Vật lý bậc Trung học cơ sở và Trung học phổ thông. Những hiện tượng xảy ra với chất lưu trong suốt rất khó quan sát bằng mắt thường nên phần lớn giáo viên sẽ chỉ dừng ở mức cung cấp kiến thức để học sinh chấp nhận như sử dụng lời nói hoặc những hình vẽ để mô tả và minh họa chúng. Hệ quang học schlieren là một công cụ đơn giản và hữu ích để giải quyết vấn đề trên. Hệ này giúp ta quan sát những luồng khí "vô hình" dựa trên hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Ra đời cách đây khoảng hai thế kỷ, cho đến hiện tại kĩ thuật quan sát dùng hệ schlieren đã có rất nhiều cải tiến. Từ một hệ quan sát bằng mắt thường rất thô sơ của Robert Hooke cho đến hệ sử dụng gương cầu lõm đường kính lớn với máy quay phim tốc độ cao. Từ những hình ảnh hai màu sáng, tối cho đến những hình ảnh nhiều màu sắc thực hiện bởi kỹ thuật schlieren phức tạp hơn [1]. Vì vậy chất lượng hình ảnh ngày càng được cải thiện và thông tin khai thác từ đó cũng nhiều hơn. Mục tiêu đề tài • Thiết kế thành công hệ quang học schlieren thỏa các yêu cầu sau: sử dụng các vật liệu dễ tìm kiếm có giá thành rẻ và quan sát được hiện tượng đối với chất khí. • Đề xuất được cách ứng dụng hệ quang học schlieren vào trong quá trình dạy - học Vật lý chất lưu ở trường phổ thông. Nhiệm vụ 1. Tìm hiểu lịch sử phát triển của phương pháp quan sát sử dụng hệ schlieren. 1 2. Tìm hiểu ứng dụng của hệ schlieren. 3. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ schlieren và vai trò của từng bộ phận trong hệ. 4. Phân tích ưu, nhược điểm của những cách bố trí hệ schlieren rồi từ đó chọn ra cách tối ưu nhất, phù hợp với mục tiêu. 5. Thiết kế, chế tạo hệ quang học schlieren. 6. Tiến hành làm thí nghiệm và ghi lại hiện tượng. 7. Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy - học ở trường phổ thông. Đối tượng nghiên cứu Cơ sở lý thuyết và cách bố trí, chế tạo hệ schlieren cơ bản; các hiện tượng chất lưu của chất khí; chương trình Vật lý lớp 8 và lớp 10. Phương pháp nghiên cứu • Thu thập thông tin từ các tài liệu trong và ngoài nước. Tổng hợp, phân tích, xử lý, chắt lọc thông tin. • Thực nghiệm thiết kế và chế tạo. • Phân tích chương trình Vật lý lớp 8 và lớp 10. Cấu trúc khóa luận Khóa luận này được chia thành 6 chương: Chương 1. Giới thiệu hệ quang học schlieren; Chương 2. Nguyên lý hoạt động của hệ quang học schlieren; Chương 3. Đề xuất xây dựng hệ schlieren; Chương 4. Kết quả quan sát bằng hệ schlieren; Chương 5. Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào công tác dạy - học ở trường phổ thông; Chương 6. Kết luận và hướng phát triển. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Việt Hải 2 Chương 1 Giới thiệu hệ quang học schlieren Schliere là một từ tiếng Đức cổ, dịch ra tiếng Anh có nghĩa là streak (vệt hoặc sọc). Ngoài ra, trong lĩnh vực quang học, từ schliere (số nhiều: schlieren) chỉ một vùng môi trường có chiết suất khác với môi trường xung quanh. Có lẽ ai cũng từng thấy qua schlieren mà không biết. Đó là vùng môi trường "không bình thường" ở phía trên mặt đường khi nhiệt độ ngoài trời cao, trên một cái chảo nóng hay ở trên miệng bình xăng đang mở nắp. Khi nhìn qua vùng môi trường này, ta sẽ thấy hình ảnh của các vật thể ở phía sau "rung động". 1.1 Lịch sử Cha đẻ của việc quan sát môi trường không đồng nhất, schlieren, được cho là nhà Vật lý học nổi tiếng người Anh sống ở thế kỉ thứ XVII, Robert Hooke. Năm 1665, trong cuốn sách Micrographia của mình, Hooke công bố thí nghiệm thô sơ quan sát khí nóng bốc lên từ ngọn nến cùng nghiên cứu về sự thay đổi chiết suất [2]. Nhờ nền tảng lý thuyết của mình, Hooke đã trình bày lời giải thích cho các hiện tượng như: các ngôi sao lấp lánh, sự đối lưu trong chất lỏng và chất khí,... Cụ thể, Hooke bố trí hệ schlieren dùng mắt thường để quan sát như hình bên dưới. Hình 1.1: Hệ schlieren của Robert Hooke sử dụng hai ngọn nến, một thấu kính và được quan sát bằng mắt thường.[2] 3 Dùng ngọn nến thứ nhất làm nguồn sáng, cây nến thứ hai tạo ra một môi trường không khí nhiễu loạn phía trên đầu nó. Đặt mắt ở sau thấu kính tại điểm thích hợp sẽ quan sát được hiện tượng. Theo Hooke, những tia sáng không bị khúc xạ đi vào mắt làm ta thấy một vùng sáng; những tia sáng bị khúc xạ bởi vùng khí nóng ở phía trên ngọn lửa đi lệch ra khỏi con ngươi của mắt làm ta thấy một vùng tối. Tổng hợp lại ta có một hình ảnh hoàn chỉnh của luồng khí nóng. Hình 1.2: Luồng khí nóng được Sau Hooke không lâu, Christian Huyghens phát quan sát bằng cách bố trí của minh một hệ schlieren khác để phát hiện các vạch sọc Hooke.[2] trong thủy tinh. Nhiều năm sau đó, việc nghiên cứu các môi trường không đồng chất nói chung và kỹ thuật schlieren nói riêng bị gián đoạn. Cho đến thế kỷ thứ XIX, J.B. Leon Foucaults là người đầu tiên sử dụng bộ phận cutoff (ví dụ: lưỡi dao) trong những kính thiên văn của ông để chặn bớt một phần ánh sáng trước khi đi vào mắt làm tăng sự tương phản. Các nhà vật lý đi sau áp dụng nó vào hệ schlieren tạo nên sự khác biệt của phương pháp schlieren so với các phương pháp khác [3] trong đó có nhà vật lý thực nghiệm người Đức Agust Toepler. Ông thực hiện những công việc mà Hooke và Huyghens đã làm từ hai thế kỉ trước một cách hoàn toàn độc lập và đặt tên cho kỹ thuật này bằng một từ tiếng Đức mà sau này ta dùng để gọi chung cho cả hiện tượng - schlieren. Ông cũng là người phát triển hoàn chỉnh lý thuyết, từ đó thực nghiệm một cách nghiêm túc. Sự phát triển không ngừng của công nghệ ghi hình cho ra đời nhiều loại máy quay phim tốc độ cao, cùng sức mạnh xử lý vượt trội của máy tính điện tử, đã hình thành nên những công cụ quan sát mới dựa trên hệ quang học schlieren cơ bản. 1.2 Ứng dụng Trên thế giới, hệ quang học schlieren được ứng dụng rộng rãi từ lâu vì có những ưu điểm như: nhạy bén, cung cấp nhiều thông tin, không phá hủy hay xâm nhập vào môi trường quan sát, thích hợp quan sát những hiện tượng xảy ra nhanh. Kỹ thuật này giúp ta dễ dàng theo dõi sự thay đổi mật độ của các vật chất trong suốt. • Chất khí: khí động học; hơi thở của sinh vật; sóng xung kích từ súng đạn; đối lưu trong các hệ thống nhiệt;... Khóa luận tập trung khai thác lĩnh vực này. • Chất lỏng: hỗn hợp các chất trong suốt; đối lưu trong chất lỏng;... • Chất rắn: công nghệ làm thủy tinh, màng nhựa mỏng;... 4 Hình 1.3: Hơi thở của một con chuột. Hình ảnh này được ghi lại khi sử dụng hệ schlieren một gương và camera tốc độ cao (103 hình/giây)[4]. Hình 1.4: Mô hình máy bay cánh thẳng thu được trong đường hầm siêu âm thực hiện bởi NASA[5]. Hình 1.5: Viên đạn xuyên qua vòng sóng xung kích do chính nó gây ra khi vừa được bắn đi[2]. 5 Chương 2 Nguyên lý hoạt động của hệ quang học schlieren Chương này trình bày nguyên lý chung của hệ quang học schlieren cùng ưu điểm và nhược điểm của các cách bố trí hệ. Từ đó, tác giả đề xuất hệ schlieren phù hợp với mục tiêu đề ra và nguyên lý chi tiết của nó. 2.1 Sự truyền ánh sáng trong môi trường không đồng chất Ánh sáng truyền qua một môi trường đồng chất theo đường thẳng với vận tốc đều. Trong chân không, ánh sáng truyền với vận tốc nhanh nhất là c = 3.108 m/s. Khi tương tác với vật chất thì truyền chậm hơn. Cụ thể, vận tốc ánh sáng phụ thuộc vào bản chất môi trường nó đi qua, đặc trưng bởi thông số chiết suất, được xác bằng tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong môi trường này n = vc . Chiết suất đặc trưng cho độ đậm đặc về mặt quang học của một môi trường, chiết suất càng lớn thì ánh sáng truyền trong đó càng chậm. Hình 2.1: Tia sáng bị khúc xạ khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường. Ánh sáng truyền qua những vùng môi trường có chiết suất khác nhau sẽ bị đổi phương đột ngột tại mặt phân cách giữa chúng, hiện tượng này gọi là khúc xạ ánh 6 sáng. Định luật Snell-Decartes cho ta mối liên hệ sau: n1 sin i = n2 sin r (2.1) trong đó: n1 là chiết suất tuyệt đối của môi trường tới, n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trường khúc xạ, i là góc tới, r là góc khúc xạ. 2.2 Mối liên hệ giữa chiết suất môi trường và mật độ phân tử Xét những vùng môi trường không đồng chất hay nhiều nhiễu động như xảy ra hiện tượng đối lưu nhiệt, dòng khí nén chuyển động với tốc độ cao,... Những biến động này làm thay đổi mật độ phân tử môi trường kéo theo sự thay đổi chiết suất. Cụ thể, đối với chất khí, có sự liên hệ giữa chiết suất của nó và mật độ phân tử khí, gọi là mối liên hệ Gladstone-Dale [2]. n − 1 = Kρ; (2.2) với K là hằng số Gladstone-Dale, phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ khí cũng như bước sóng ánh sáng [6]; n là chiết suất; ρ là mật độ phân tử môi trường. Từ mối liên hệ trên có thể kết luận những yếu tố chính làm thay đổi chiết suất môi trường là: • Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng. Nơi nhiệt độ cao có mật độ phân tử thưa hơn và ngược lại, đây là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đối lưu. • Áp suất chất lưu. Áp suất là tổng hợp lực của tất cả phân tử tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian. Nếu áp suất thay đổi càng nhanh thì mật độ phân tử giữa các vùng có sự chênh lệch càng nhiều. • Hỗn hợp chất lưu. Pha trộn nhiều chất lưu thành hỗn hợp cũng gây ra sự thay đổi về mật độ phân tử [7]. 2.3 Các cách bố trí kĩ thuật schlieren của Toepler Bốn cách bố trí hệ được trình bày bằng những hình vẽ dưới đây sử dụng chung các dụng cụ sau: một nguồn sáng có dạng điểm sáng hoặc bị chắn bởi một khe hẹp song song với lưỡi dao; một lưỡi dao đặt tại tiêu diện ảnh của thấu kính; một màn quan sát hoặc máy ảnh. 2.3.1 Hệ một thấu kính Thấu kính K cần có chất lượng cao và bán kính lớn để tăng diện tích trường quan sát. Tia sáng trong vùng thử không song song nên hình ảnh có thể kém chính xác. Khắc phục bằng cách chọn thấu kính có tiêu cự dài. 7 Hình 2.2: Hệ schlieren một thấu kính[2]. 2.3.2 Hệ hai thấu kính Cải tiến từ hệ trên bằng cách sử dụng thêm một thấu kính, làm cho ánh sáng trong vùng thử gồm những tia sáng song song, hình ảnh schlieren thu được sẽ chính xác hơn. Thêm một thấu kính phân kì được ghép cùng với thấu kính hội tụ để tránh hiện tượng sắc sai. Hình 2.3: Hệ schlieren hai thấu kính[2]. 2.3.3 Hệ gương chữ Z Bên cạnh thấu kính thì những loại gương cầu lõm chất lượng tốt thường được sử dụng trong các loại kính thiên văn cũng có thể tạo nên được một hệ schlieren như ý. Hệ chữ Z này có được ưu điểm của hệ hai thấu kính: vùng thử gồm những tia sáng song song giúp thu được hình ảnh tốt nhất. Không những thế, vùng thử lớn hơn nhiều so với các cách trên, thích hợp để quan sát vật có kích thước lớn. Tuy vậy, cách bố trí hệ trên không hề dễ vì ta cần phải điều chỉnh tất cả các chi tiết cùng lệch trục một góc bằng nhau để ảnh bớt méo. 8 Hình 2.4: Hệ schlieren gương chữ Z[2]. 2.3.4 Hệ một gương Hệ sử dụng một gương cầu lõm tuy đơn giản hơn nhiều nhưng gặp một hạn chế nhỏ như hệ một thấu kính, ánh sáng qua vùng thử không phải ánh sáng song song. Hình 2.5: Hệ schlieren một gương[4]. Nếu hệ đồng trục nguồn sáng được đặt cách gương khoảng cách R = 2 f cho ảnh thật, ngược chiều, lớn bằng nguồn sáng và nằm ngay tại vị trí đặt nguồn. Vậy làm sao quan sát hiện tượng? Điều này được khắc phục bằng cách đặt nguồn sáng lệch trục chính một khoảng chấp nhận được, ảnh sẽ không bị méo hoặc méo rất ít. Góc hợp bởi nguồn sáng, gương và máy ảnh lúc này là θ . Thực nghiệm cho thấy góc θ < 10◦ thì đạt [4]. 9 2.4 Lý do chọn chế tạo hệ schlieren một gương Hệ schlieren dùng thấu kính có cách bố trí giản nhất vì có thể điều chỉnh đồng trục một cách dễ dàng. Tuy nhiên, cách này vấp phải một số trở ngại. Qua tham khảo, tác giả nhận thấy các loại thấu kính có đường kính lớn không được bán nhiều trên thị trường. Ngoài ra, khi sử dụng nguồn sáng không đơn sắc kèm với thấu kính có chất lượng không tốt sẽ gặp phải hiện tượng sắc sai ảnh hưởng đến chất lượng hình mà cách khắc phục khá phức tạp. Hệ schlieren hai gương lõm cũng không khả thi vì chi phí cao và cân chỉnh phức tạp. Tóm lại hệ một gương lõm có thể đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Dù vẫn có nhược điểm như chùm tia phản xạ không song song như hệ chữ Z nhưng cách khắc phục đơn giản hơn nên tác giả đã chọn để đề xuất chế tạo nó trong khóa luận này. 2.5 Nguyên lý hệ schlieren một gương phương pháp Toepler Gọi tiêu cự của gương cầu lõm là f . Đặt nguồn sáng tại vị trí đồng trục với mặt phản xạ gương, cách gương một khoảng R = 2 f . Sau đó, dịch chuyển nguồn sáng - màn hứng ảnh sao cho chúng cùng nằm trên mặt phẳng vuông góc với trục chính của gương và góc hợp bởi nguồn sáng - gương - màn hứng ảnh là θ < 10◦ . Hình 2.6: Minh họa đường đi tia sáng trong thí nghiệm. Ngoài ra, tiêu cự gương f càng dài thì vùng thử càng dài, đồng thời chùm sáng đi 10 qua đây gần như song song làm cho ảnh ít bị méo hơn . Từng điểm trên nguồn sáng phát ra nhiều tia sáng, qua gương cầu lõm, hội tụ tại những điểm tương ứng nằm trên mặt phẳng chứa nguồn sáng tạo nên một ảnh thật, ngược chiều và có kích thước bằng nguồn sáng. Nguồn sáng điểm sẽ cho một ảnh điểm. Đặt mắt hứng ảnh điểm này tại vị trí cách gương khoảng D > 2 f ta thấy một vùng sáng đều. Đốt đèn cồn nằm ở vị trí như hình 2.6. Mật độ không khí bên trên ngọn lửa thay đổi liên tục làm chiết suất của vùng môi trường này cũng thay đổi. Một số tia sáng gặp phải vùng không khí này sẽ bị khúc xạ, lệch ra khỏi đường truyền cũ và tạo thành một điểm sáng khác trên màn. Một số tia sáng không gặp vùng môi trường này thì vẫn tạo thành một điểm sáng như trước. Khi ta đặt lưỡi dao ngay tại vị trí cho ảnh rõ nét và chắn một phần ảnh của nguồn sáng, những tia nào bị lệch khỏi đường truyền cũ sẽ bị chặn lại, để lại phía sau một điểm tối. Nhờ vậy mà độ tương phản hình ảnh tăng lên [8] (vai trò cụ thể của lưỡi dao sẽ được làm rõ hơn ở chương 4). 11 Chương 3 Đề xuất xây dựng hệ schlieren một gương cầu lõm Hệ schlieren một gương cầu lõm được chia làm bốn cụm: cụm gương, cụm nguồn sáng, cụm lưỡi dao và cụm đế. Dưới đây là đề xuất các dụng cụ cần sử dụng, công đoạn chế tạo và lắp ráp các bộ phận của hệ schlieren. 3.1 3.1.1 Cụm gương Gương cầu lõm Gương cầu lõm là vật liệu quan trọng nhất trong hệ. Gương có tiêu cự càng dài thì chất lượng ảnh cho ra càng cao (mục 2.5). Trong luận văn này, tác giả sử dụng loại gương lõm có thông số 76 f 900 (tức là tiêu cự f = 900 mm, đường kính d = 76 mm) chuyên dùng làm vật kính phản xạ cho kính thiên văn. Qua quá trình tìm hiểu, người viết nhận thấy gương cầu lõm đáp ứng được yêu cầu của hệ schlieren hiện ở Việt Nam có giá tương đối cao và thường có những loại sau: Bảng 3.1: Bảng giá tham khảo gương cầu lõm. Ký hiệu Đường kính (mm) Tiêu cự (mm) Giá tham khảo (nghìn VNĐ) 76f700 76f900 114f900 114f1000 150f750 203f800 76 76 114 114 150 203 700 (thật) 900 (thật) 900 (thật) 1000 (ảo) - 1000 750 (ảo) - 1400 800 (ảo) - 1500 170 180 440 440 650 1500 Bên cạnh những gương cầu lõm có tiêu cự thật còn có những gương cầu lõm có tiêu cự ảo. Đối với loại này, để đạt được thông số tiêu cự như trên nhãn mác cần phải có thấu kính bổ trợ, hệ schlieren sẽ phức tạp hơn. Do đó, trước khi mua, ta cần kiểm tra thật kĩ tiêu cự và chất lượng gương để đảm bảo đúng thông số đã tính toán. 12 Ngoài ra, chất lượng mặt phản xạ của gương ảnh hưởng trực tiếp đến hình ảnh ta quan sát. Vì thế mặt phản xạ phải được tráng đều và tuyệt đối không bị gồ ghề. Nếu trên mặt gương có dị vật, dù rất nhỏ như hạt bụi hay giọt nước, cũng gây nhiễu hình ảnh. Do đó, trong quá trình lau gương hoặc làm thí nghiệm ta phải cẩn thận để tránh làm bẩn hoặc xước gương. Nếu gương bị bẩn thì nên dùng loại khăn lau bằng sợi microfiber kết hợp với ống thổi để làm sạch nhẹ nhàng. 3.1.2 Giá đỡ gương Do phải bố trí nguồn sáng cách gương cầu lõm khá xa (gấp hai lần tiêu cự gương) nên nếu cố định cả hai bộ phận thì ta sẽ gặp khó khăn khi điều chỉnh ảnh của nguồn sáng hiện trên màn chắn. Vì vậy, cần một cơ chế vi chỉnh mặt phản xạ theo hai bậc tự do là lên - xuống và trái - phải. Bên cạnh đó, hệ quang học nào cũng rất nhạy cảm với các yếu tố xung quanh nên giá đỡ cần phải đảm bảo giữ chắc gương nhưng không làm biến dạng mặt phản xạ. Dụng cụ Hình 3.1: Dụng cụ làm giá đỡ gương. • 1 nắp ống nước (đầu bịt) có đường kính Ø90 mm; • 1 nắp ống nước Ø114 mm; 13