LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM SỐ 4 ĐIỀU CHỈNH VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ QUANG HỌC PHỔ BIẾN

Mục đích của lý thuyết thí nghiệm này là nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm các điều chỉnh các thị kính ống ngắm kính tự chuẩn và ống chuẩn trực các cấu kiện quang học phổ biến các thành phần cơ bản của giác kế mà chúng ta sử dụng ngay nay các điều chỉnh ở các phương pháp phổ biến nhất hiện nay

VậT Lý II Lý thuyết Thí nghiệm Số 4

điều chỉnh và sử dụng các thiết bị quang học phổ biến

Mục đích của bài lý thuyết thí nghiệm này là nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm cách điều chỉnh các thị kính, ống ngắm, kính tự chuẩn và ống chuẩn trực, các cấu kiện quang học phổ biến, các thành phần cơ bản của giác kế mà chúng ta sẽ sử dụng sau này Các cách điều chỉnh này sử dụng các phương pháp điển hình phổ biến nhất

1 THị kính : nguyên lý và cách điều chỉnh

Thị kính (Oculaire) là hệ thống quang học đặt ngay trước mắt (oculus = mắt – tiếng la tinh)

Dạng sơ đẳng nhất của thị kính là một thấu kính hội tụ mỏng sử dụng như kính lúp, chính là kính mắt

Ta đặt trong tiêu diện vật F của thấu kính một tiêu chữ thập hoặc có chia độ micromét sao cho mắt có thể nhìn thấy bình thường không điều tiết

Tiêu chữ thập hoặc chia độ micromét

F

(LC) khoảng ngắm

Tiêu chữ thập

Tiêu chia độ micromét

Hình 1

Đặt mắt sát ngay thị kính (để ánh sáng ra khỏi thị kính đi ngay vào mắt), ta có mắt nằm ngay lân cận tiêu điểm ảnh F’ của kính lúp

Trong thực tiễn, khoảng cách giữa kính mắt và tiêu chữ thập có thể điều chỉnh được : đó là sự điều chỉnh ngắm chừng

 1) Nhận biết một thị kính trong các thiết bị quang học trên bàn thí nghiệm và thực hiện điều chỉnh ngắm chừng so cho thấy rõ tiêu chữ thập (chia độ).

2) Có thể nói gì về vị trí của tiêu chữ thập (chia độ) nếu mắt là bình thường (điểm cực cận ở 25 cm, điểm cực viễn ở vô cực) đặt ở F’ với tiêu cự kính mắt 3 cm ?

Trong thực tiễn, để giảm bớt quang sai và sắc sai, để tăng khoảng ngắm và khẩu độ các chùm tia người ta thường sử

dụng thị kính là lưỡng kính gồm 2 thấu kính hội tụ mỏng, kính mắt và một kính trường (hình 2)

Tiêu chia độ tại tiêu diện vật của kính mắt

F

kính trường

ánh sáng

2

F1

Hình 2

Trong trường hợp hình 2, tiêu điểm vật của lưỡng kính là ảo Ta gọi đó là lưỡng kính âm Trong trường hợp đó tiêu chữ thập (chia độ) được đặt tại tiêu diện vật của kính mắt

Trong trường hợp hình 3, tiêu điểm vật của lưỡng kính là thực Ta gọi đó là lưỡng kính dương Trong trường hợp đó tiêu chữ thập (chia độ) được đặt tại tiêu diện vật của lưỡng kính

kính chia độ tại tiêu diện vật lưỡng kính

F khoảng ngắm

kính mắt kính trường

2

ánh sáng

Hình 3

Đối với những thị kính kép tốt với hai thấu kính hội tụ, ta thường có

f '1 = F1O1 = 3 cm, O1O2 = 2 cm, f '2 = O2F '2 = 1 cm

 3) Chứng tỏ thị kính trên là lưỡng kính âm.

2 Kính ngắm vô cực : nguyên lý và cách điều chỉnh

2.1 Mô tả

thị kính

kính mắt

kính trường

bản bán phản xạ ở vị trí

bản bán phản xạ gập lại

vật kính

Nút điều chỉnh ống ngắm thị kính

Nút điều chỉnh ống ngắm vật kính chữ thập định hướng

Kính ngắm vô cực

ánh sáng

M 1

M 2

Hình 4

Kính ngắm vô cực cơ bản bao gồm

Một thị kính (thường là lưỡng kính)

Một tiêu chữ thập được rọi sáng bằng một nguồn sáng phụ

Một vòng định hướng của kính chữ thập

Hai nút vặn điều chỉnh M1 và M2 hay hai vòng điều chỉnh

Một vật kính

Một đèn phụ trợ

Một bản kính bán phản xạ có thể gâp lại được nhờ một cần kéo : đặt chéo 450 so với trục của kính ngắm, nó rọi sáng kính chữ thập và cho phép ánh sáng truyền dọc theo trục kính ngắm theo hai chiều ngược nhau (xem mũi tên trên hình 4)

Để điều chỉnh, người ta đặt phụ thêm một gương phẳng (MP) sao cho có thể bố trí phí trước kính đối diên với vật kính để phản chiếu ánh sáng đi ra trở lại vào trong kính

Hai nút vặn điều chỉnh M1 và M2 cho phép thay đổi

Khoảng ngắm giữa thị kính và mặt phẳng tiêu chữ thập đối với M1

Khoảng ngắm giữa vật kính và khối còn lại (thị kính + tiêu chữ thập) đối với M2

2.2 Thực hành điều chỉnh

 4) Điều chỉnh thị kính kính ngắm sao cho thấy rõ chữ thập bằng cách sử dụng nút vặn M1 Chỉnh hướng chữ thập bởi vòng định hướng sao cho chữ thập nằm ngang

 5) Mở sáng đèn phụ và đặt kính bán phản xạ nằm 450 so với trục kính ngắm

 6) Đặt ở phía đầu kính ngắm đối diện với vật kính gương phẳng MP Điều chỉnh sao cho ánh sáng phản xạ vào lại một cách chuẩn xác (hai chữ thập trùng khớp nhau, cụ thể như hình 5c) hoặc 5d))

Dịch chuyển gương không tốt

ảnh phản hồi chỉnh không rõ

Dịch chuyển gương không tốt Dịch chuyển gương tốt

ĐIều chỉnh tự chuẩn

lý tưởng

ảnh phản hồi chỉnh không rõ

ảnh phản hồi chỉnh rõ

Dịch chuyển gương tốt

ảnh phản hồi chỉnh rõ

Hình 5

 7) Điều chỉnh M2 sao cho chữ thập phản xạ thấy rõ (hình 5b) và 5d))

Điều chỉnh đạt lý tưởng khi tia phản xạ chuẩn xác và chữ thập thấy rõ nét như trên hình 5d).

8) Chỉ ra rằng nếu người ta có thể không để ý đến khoảng ngắm chừng của thị kính, phương pháp này đảm bảo hệ thị kính – vật kính tương đương với một lưỡng kính vô tiêu, nghĩa là với một chùm sáng thực chiếu từ vật kính đến thị kính, tiêu điểm ảnh F 'obj của vật kính trùng với tiêu điểm vật Foc của thị kính

Từ đây về sau, ta xem kính ngắm vô cực như một lưỡng kính vô tiêu với tiêu cự f 'obj và f 'oc (hình 6)

vật kính thị kính

F ' = F obj oc

ánh sáng

B

B '

 '



Hình 6

 9) Độ bội giác của kính ngắm trên là bao nhiêu ? (G = f 'obj / f 'oc)

3 Kính chuẩn trực : nguyên lý và cách điều chỉnh

3.1 Mô tả

vật kính

nút điều chỉnh khoảng ngắm vật kính - khe

ánh sáng

M

kính chuẩn trực giác kế với khe chiếu sáng

khe điều chỉnh được

đèn chiếu sáng khe

vật kính

nút điều chỉnh khoảng ngắm vật kính - kính chữ thập

M

kính chuẩn trực giác kế với thước chữ thập chiếu sáng

đèn

Hình 7

Hình 7 mô tả cấu trúc của hai loại kính chuẩn trực : loại mà ta có thể gắn dễ dàng trên bàn quang học với tiêu chữ thập

được chiếu sáng bởi đèn phía trong, và loại thường gắn trên các giác kế với khe được chiếu sáng bởi nguồn sáng ngoài 3.2 Thực hành điều chỉnh

Kính chuẩn trực được điều chỉnh với sự hỗ trợ của một kính ngắm vô cực đã được hiệu chỉnh trước

M

Kính ngắm vô cực

M 1

M 2

Kính chuẩn trực

Hình 8

Ta thử thực hiện cụ thể trong trường hợp kính chuẩn trực của giác kế với khe chiếu sáng

 10) Đặt đối diện nhau kính chuẩn trực và kính ngắm, nhìn vào thị kính sao cho thấy được ảnh của khe chiếu sáng Thông thường viền khe ban đầu mờ Ta hãy điều chỉnh khoảng ngắm của kính chuẩn trực bằng nút vặn M sao cho ảnh của khe được thấy rõ nét trong kính, cũng như thấy rõ nét tiêu chữ thập của kính (hình 9a) và 9b)).

Đường viền khe không sắc Kính chuẩn trực không tốt

Đường viền khe rõ sắc Kính chuẩn trực tốt

Hình 9

 11) Sử dụng một kính chuẩn trực, một màn ảnh và thước decimét đôi, hãy đo nhanh tiêu cự một thấu kính hội tụ bằng phương pháp chuẩn trực theo như sơ đồ hình 10

Kính chuẩn trực với thước chia độ

Thấu kính Màn ảnh

Hình 10

Để có độ chính xác tốt hơn, người ta sử dụng dụng cụ quang học xác định giá trị đo tốt hơn thước decimét

Đó chính là ống ngắm khoảng cách hữu hạn mà ta sẽ nghiên cứu ở phần sau

4 ống ngắm khoảng cách hữu hạn

4.1 Mô tả

Kính ngắm vô cực +NắP đậy = kính ngắm khoảng cách hữu hạn

áá á ánh sáng

Thấu kính nắp đậy Nắp đậy

LB Vật kính

Thước chia độ Kính trường

Kính

mắt

Thị kính

L obj

Hình 11

Trên hình 11 là sơ đồ kính ngắm vô cực bị "cắt" bởi một nắp đậy bao gồm một thấu kính hội tụ được gắn ngay sát phía trước vật kính Kính ngắm vô cực liên hợp mặt phẳng vô cực với mặt phẳng tiêu chữ thập Dưới tác dụng thấu kính nắp

đậy, nó chỉ liên hợp mặt phẳng tiêu với tiêu diện của thấu kính nắp đậy

Ta có sơ đồ tạo ảnh như sau :



FLB   

F 'obj = 

Kính chia độ = FThị kính  

 

điểm vàng

Thấu kính

Trong điều kiện đó ống ngắm thực hiện hiệu chỉnh trên mặt phẳng ứng chứa tiêu điểm thấu kính nắp đậy nằm khoảng 15cm trước nắp đậy Con số đó thường là do nhà sản xuất đưa ra

Cho nên người ta khẳng định trong thực tế không cần phải hiệu chỉnh gì cả : nếu kính ngắm vô cực đã được hiệu chỉnh tốt hoặc đã "cố định" (hiệu chỉnh từ nơi sản xuất), chỉ cần gắn thêm nắp đậy

 12) Sử dụng một kính chuẩn trực và một ống ngắm khoảng cách hữu hạn, hãy đo nhanh và chính xác tiêu cự một thấu kính hội tụ bằng phương pháp chuẩn trực theo sơ đồ hình 10

5 Giác kế : nguyên lý và cách điều chỉnh

5.1 Mô tả

Khe vào

Mâm đặt lăng kính

Kính chuẩn trực thứ cấp chia độ micro

Hình 11

Kính chuẩn trực thứ cấp micromộtrique

Mâm đặt lăng kính (platine) Kính ngắm tự chuẩn Kính chuẩn trực chính

fente

Vòng chia độ

Nguồn sáng

Hình 12

Giác kế về cơ bản gồm có

Một đế cố định gắn với vòng chia độ với trục quay thẳng đứng , có du xích để đọc giá trị góc

Một mâm di động quay xung quanh  mà ta thường đặt trên đó quang cụ tán sắc như lăng kính hoặc cách tử Một kính tự chuẩn có tiêu chữ thập định hướng được, với sự hiệu chỉnh ngắm chừng của thị kính và khối thị kính và tiêu chữ thập

Một kính chuẩn trực điều chỉnh được về độ nghiêng và bề rộng, được chiếu sáng bởi nguồn sáng để phân tích quang phổ

Một kính chuẩn trực thứ cấp chia độ micromét cho phép chiếu một thước micromét đã được chia độ và đánh số dành cho sự định chuẩn và đo bước sóng ánh sáng

Hãy làm quen với sự chỉ dẫn của giáo viên, sau đó mô tả cẩn thận cấu tạo cơ học và chức năng

Các vít cố định

Các vít thực hiện sự quay mịn (chính xác)

Các vít thực hiện sự nghiêng

Thiết bị bật sáng nguồn sáng trong của kính tự chuẩn

Thiết bị điều chỉnh ngắm chừng của kính ngắm và hai kính chuẩn trực

Thiết bị điều chỉnh các tiêu

Thiết bị điều chỉnh khe vào

Thiết bị định hướng kính ngắm và hai kính chuẩn trực

Thiết bị cố định kính ngắm, hai kính chuẩn trực, đế quay di động

Có thể thực hiện các sự điều chỉnh qua lại nhiều lần để hiểu rõ chức năng hoạt động các bộ phận trên

 13) Xem kỹ các ảnh minh họa và xác định các thành phần cơ bản của giác kế

5.2 Cách điều chỉnh cơ bản

 14) Theo thứ tự

Điều chỉnh thị kính của kính ngắm tự chuẩn bằng cách hiệu chỉnh rõ nét trên tiêu

Điều chỉnh vật kính của kính ngắm tự chuẩn bằng phương pháp tự chuẩn

Điều chỉnh kính chuẩn trực bằng cách hiệu chỉnh rõ nét khe sáng với sự trợ giúp của kính ngắm tự chuẩn

Mặt khác cố định giác kế trên bàn sao cho mặt vòng chia độ luôn luôn nằm ngang (có thể điều chỉnh bằng thiết bị bọt nước) Cố gắng giữ tốt nhất sự song song của mâm quay và đế cố định bằng cách điều chỉnh các vít nghiêng Cố gắng giữ tốt nhất khi quay mâm xung quanh , các trục kính ngắm và kính chuẩn trực luôn giữ trạng thái song song với mặt phẳng ngang của đế

Sự điều chỉnh nằm ngang đó khá là tinh tế và cần thực hiện sao cho tốt nhất : tiêu chuẩn cuối cùng là sao cho tâm chữ

thập của tiêu và của thước chia độ micro tập trung vào tâm vòng ngắm của kính ngắm trong mọi thao tác quay xung quanh trục  Điều đó đòi hỏi một chút khéo léo

6 các Điều chỉnh phụ

6.1 Du xích

Cách đọc giá trị góc  được thực hiện theo 2 bước

18

120

121

120° 30

'

Vạch đọc

121

Vạch đọc n° 2

Hình 13

Bước 1 : đọc giá trị trên thước đo chính ngay trước vạch 0 của du xích : trên hình 13 là giá trị 1210

Bước 2 : tìm giá trị lẻ trên du xích bằng vạch trùng nhau tốt nhất trên du xích và thước chính : trên hình 13 là giá trị 18 Giá trị cuối cùng của hình 13 là 121° 18 ' = 121° + 18 '

Cẩn thận để đừng dễ lầm với trường hợp hình 14 121° 48 ' = 121° + 30 ' +18 '

18

121

121° 30

'

Vạch đọc

n°1 121°

Vạch đọc n°2

Hình 14

6.2 Sử dụng kính chuẩn trực chia độ micro

Ta thực hiện điều chỉnh giống như ống chuẩn trực chính với sự trợ giúp của kính ngắm tự chuẩn, nhưng vật chiếu sáng

là một thước chia độ micro thay vì là khe sáng

Sau đó ta sử dụng nó bằng cách phản xạ trên mặt tia ra của quang cụ tán sắc (lăng kính hoặc cách tử), sao cho thu hồi

được trong thị kính của ống ngắm ảnh của thước chia độ micro

15) Giả thiết là kính ngắm tự chuẩn và kính chuẩn trực chính đã được hiệu chỉnh tốt Hãy điều chỉnh kính chuẩn trực thứ cấp với điểm ngắm micro

16) Đặt một lăng kính trên mâm giác kế và chiếu sáng khe với ánh sáng đèn hơi thủy ngân, hãy điều chỉnh sao cho vạch thước đo micro, giả dụ vạch số 8 trùng với vạch xanh vàng 546,1nm, vạch rõ nhất của đèn hơi thủy ngân