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

4 2 Nguyên lý hoạt động của hệ quang học schlieren 6 2.1 Sự truyền ánh sáng trong môi trường không đồng chất.. • Đề xuất được cách ứng dụng hệ quang học schlieren vào trong quá trình dạy

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 nhữngkiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực nghiệm quý báu và cả phong cách khoahọc mà Thầy đã tận tình truyền đạt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luậntốt nghiệp này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã nhiệt tình hướng dẫn tôi sửdụng công cụ LATEXđể trình bày khóa luận một cách chuyên nghiệp và đưa ra nhữngnhận 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 củagia 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

1.1 Lịch sử 3

1.2 Ứng dụng 4

2 Nguyên lý hoạt động của hệ quang học schlieren 6 2.1 Sự truyền ánh sáng trong môi trường không đồng chất 6

2.2 Mối liên hệ giữa chiết suất môi trường và mật độ phân tử 7

2.3 Các cách bố trí kĩ thuật schlieren của Toepler 7

2.3.1 Hệ một thấu kính 7

2.3.2 Hệ hai thấu kính 8

2.3.3 Hệ gương chữ Z 8

2.3.4 Hệ một gương 9

2.4 Lý do chọn chế tạo hệ schlieren một gương 10

2.5 Nguyên lý hệ schlieren một gương phương pháp Toepler 10

3 Đề xuất xây dựng hệ schlieren một gương cầu lõm 12 3.1 Cụm gương 12

3.1.1 Gương cầu lõm 12

3.1.2 Giá đỡ gương 13

3.2 Cụm nguồn sáng 15

3.2.1 Nguồn sáng 15

3.2.2 Nguồn sáng kết hợp 15

3.2.3 Đèn diode phát quang (LED) 16

3.2.4 Mạch điện 17

3.3 Cụm đế 18

3.4 Lưỡi dao 20

3.5 Máy ảnh 23

3.6 Cân chỉnh hệ thống 23

4 Kết quả 25 4.1 Kết quả thu được bằng máy ảnh Panasonic Lumix 25

4.2 Kết quả thu được từ máy ảnh Canon A2500 28

4.2.1 Thông số kỹ thuật 28

4.2.2 Hình ảnh quan sát 28

4.3 Kết quả thu được từ máy ảnh Sony NEX-5N 28

5 Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy - học ở trường phổ thông 36 5.1 Hiện tượng đối lưu 36

5.1.1 Đặt vấn đề 36

5.1.2 Dụng cụ 36

5.1.3 Hiện tượng đối lưu 36

5.1.4 Kết luận 38

5.1.5 Giải thích 38

5.1.6 Định nghĩa 38

5.2 Mở rộng 39

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? 39

5.2.2 Vì sao máy lạnh lại được đặt ở trên cao? 39

5.2.3 Vì sao bình đun nước có cục nóng được đặt ở dưới đáy bình? 39 5.3 Vận dụng 39

6 Kết luận và hướng phát triển 40 6.1 Kết luận 40

6.2 Hướng phát triển 40

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1 Hệ schlieren Hooke 3

Hình 1.2 Kết quả thí nghiệm Hooke 4

Hình 1.3 Hơi thở của chuột 5

Hình 1.4 Máy bay trong hầm gió 5

Hình 1.5 Sóng xung kích 5

Hình 2.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng 6

Hình 2.2 Hệ một thấu kính 8

Hình 2.3 Hệ hai thấu kính 8

Hình 2.4 Hệ gương chữ Z 9

Hình 2.5 Hệ một gương 9

Hình 2.6 Minh họa đường đi tia sáng trong thí nghiệm 10

Hình 3.1 Giá đỡ gương 13

Hình 3.2 Các bước chế tạo hệ gương 14

Hình 3.2 Công đoạn làm hệ gương 15

Hình 3.3 Nguồn sáng LASER 16

Hình 3.4 Chế tạo nguồn sáng điểm 17

Hình 3.5 Dụng cụ mạch điện 18

Hình 3.6 Mạch điện 18

Hình 3.7 Cụm lưỡi dao hoàn chỉnh 22

Hình 3.8 Cụm đế hoàn chỉnh 23

Hình 3.9 Vị trí gương và nguồn sáng 24

Hình 4.1 Hình ảnh khi hệ lệch trục nhiều 26

Hình 4.2 Hình ảnh khi hệ gần như đồng trục 26

Hình 4.3 Tác dụng của lưỡi dao 27

Hình 4.4 Hình ảnh mỏ hàn 27

Hình 4.5 Luồng khí nóng qua quả cầu và vách ngăn 28

Hình 4.6 Thay đổi tốc độ màn trập 29

Hình 4.7 Thay đổi ISO 30

Hình 4.8 Tác dụng của lưỡi dao 30

Hình 4.8 Khí nóng 32

Hình 4.9 Khí lạnh 33

Hình 4.10 Hơi thở của người 34

Hình 4.10 Khí nóng từ bàn tay 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 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 lạnhluôn được lắp đặt trên tường cao? Tại sao ngọn lửa luôn hướng lên trên? Đây lànhững câu hỏi về những hiện tượng chất lưu trong suốt mà học sinh có thể thắc mắckhi học chương trình Vật lý bậc Trung học cơ sở và Trung học phổ thông Nhữnghiện tượng xảy ra với chất lưu trong suốt rất khó quan sát bằng mắt thường nên phầnlớn giáo viên sẽ chỉ dừng ở mức cung cấp kiến thức để học sinh chấp nhận như sửdụng 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 đềtrên 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 sátdùng hệ schlieren đã có rất nhiều cải tiến Từ một hệ quan sát bằng mắt thường rấtthô sơ của Robert Hooke cho đến hệ sử dụng gương cầu lõm đường kính lớn với máyquay phim tốc độ cao Từ những hình ảnh hai màu sáng, tối cho đến những hình ảnhnhiều màu sắc thực hiện bởi kỹ thuật schlieren phức tạp hơn [1] Vì vậy chất lượnghình 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 cácvật liệu dễ tìm kiếm có giá thành rẻ và quan sát được hiện tượng đối với chấtkhí

• 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

2 Tìm hiểu ứng dụng của hệ schlieren.

3 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ schlieren và vai trò của từng bộ phậntrong hệ

4 Phân tích ưu, nhược điểm của những cách bố trí hệ schlieren rồi từ đó chọn racách 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 chấtlưu 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

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 trênmiệng bình xăng đang mở nắp Khi nhìn qua vùng môi trường này, ta sẽ thấy hìnhảnh của các vật thể ở phía sau "rung động"

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 sátkhí nóng bốc lên từ ngọn nến cùng nghiên cứu về sự thay đổi chiết suất [2] Nhờ nềntảng 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]

Hình 1.2: Luồng khí nóng được

quan sát bằng cách bố trí của Hooke.[2]

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

Sau Hooke không lâu, Christian Huyghens phát

minh một hệ schlieren khác để phát hiện các vạch sọc

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 giánđoạn 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 ápdụng nó vào hệ schlieren tạo nên sự khác biệt của phương pháp schlieren so với cácphương 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 trướcmột 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 quayphim tốc độ cao, cùng sức mạnh xử lý vượt trội của máy tính điện tử, đã hình thànhnên những công cụ quan sát mới dựa trên hệ quang học schlieren cơ bản

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 vàomôi trường quan sát, thích hợp quan sát những hiện tượng xảy ra nhanh Kỹ thuậtnày 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; đốilưu 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;

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 (103hình/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].

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 hợpvới mục tiêu đề ra và nguyên lý chi tiết của nó

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=3.108m/s Khitương tác với vật chất thì truyền chậm hơn Cụ thể, vận tốc ánh sáng phụ thuộc vàobản 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= cv 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 đổiphương đột ngột tại mặt phân cách giữa chúng, hiện tượng này gọi là khúc xạ ánh

sáng Định luật Snell-Decartes cho ta mối liên hệ sau:

trong đó: n1 là chiết suất tuyệt đối của môi trường tới, n2 là chiết suất tuyệt đối củamôi 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 rahiện tượng đối lưu nhiệt, dòng khí nén chuyển động với tốc độ cao, Những biếnđộng này làm thay đổi mật độ phân tử môi trường kéo theo sự thay đổi chiết suất Cụthể, 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]

với K là hằng số Gladstone-Dale, phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ khí cũng nhưbước 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 thưahơn 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 mộtđơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian Nếu áp suất thay đổicàng 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 thayđổi 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 chungcác dụng cụ sau: một nguồn sáng có dạng điểm sáng hoặc bị chắn bởi một khe hẹpsong song với lưỡi dao; một lưỡi dao đặt tại tiêu diện ảnh của thấu kính; một mànquan 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 quansát 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

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 trongvùng thử gồm những tia sáng song song, hình ảnh schlieren thu được sẽ chính xáchơn Thêm một thấu kính phân kì được ghép cùng với thấu kính hội tụ để tránh hiệntượng sắc sai

Hình 2.3: Hệ schlieren hai thấu kính[2].

bố trí hệ trên không hề dễ vì ta cần phải điều chỉnh tất cả các chi tiết cùng lệch trụcmột góc bằng nhau để ảnh bớt méo

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 đồngtrục 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 trênthị trường Ngoài ra, khi sử dụng nguồn sáng không đơn sắc kèm với thấu kính cóchất 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 vìchi 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 cónhược điểm như chùm tia phản xạ không song song như hệ chữ Z nhưng cách khắcphục đơn giản hơn nên tác giả đã chọn để đề xuất chế tạo nó trong khóa luận này

Gọi tiêu cự của gương cầu lõm là f Đặt nguồn sáng tại vị trí đồng trục với mặtphản 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 chínhcủa 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

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 tạinhững 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 ảnhđiểm Đặt mắt hứng ảnh điểm này tại vị trí cách gương khoảng D > 2 f ta thấy mộtvùng sáng đều

Đốt đèn cồn nằm ở vị trí như hình 2.6 Mật độ không khí bên trên ngọn lửa thayđổi liên tục làm chiết suất của vùng môi trường này cũng thay đổi Một số tia sánggặp phải vùng không khí này sẽ bị khúc xạ, lệch ra khỏi đường truyền cũ và tạothành một điểm sáng khác trên màn Một số tia sáng không gặp vùng môi trườngnày 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 nguồnsáng, những tia nào bị lệch khỏi đường truyền cũ sẽ bị chặn lại, để lại phía sau mộtđiểm tối Nhờ vậy mà độ tương phản hình ảnh tăng lên [8] (vai trò cụ thể của lưỡidao sẽ được làm rõ hơn ở chương 4)

3.1.1 Gương cầu lõm

Gương cầu lõm là vật liệu quan trọng nhất trong hệ Gương có tiêu cự càng dài thìchất lượng ảnh cho ra càng cao (mục 2.5) Trong luận văn này, tác giả sử dụng loạigương 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, ngườiviết nhận thấy gương cầu lõm đáp ứng được yêu cầu của hệ schlieren hiện ở ViệtNam 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)

Ngoài ra, chất lượng mặt phản xạ của gương ảnh hưởng trực tiếp đến hình ảnh taquan sát Vì thế mặt phản xạ phải được tráng đều và tuyệt đối không bị gồ ghề Nếutrên mặt gương có dị vật, dù rất nhỏ như hạt bụi hay giọt nước, cũng gây nhiễu hìnhảnh Do đó, trong quá trình lau gương hoặc làm thí nghiệm ta phải cẩn thận để tránhlàm bẩn hoặc xước gương Nếu gương bị bẩn thì nên dùng loại khăn lau bằng sợimicrofiber 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 nguồnsáng 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 nhạycảm với các yếu tố xung quanh nên giá đỡ cần phải đảm bảo giữ chắc gương nhưngkhông 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;

• 4 vít đầu oval dài, có thể cắt;

• 3 vít đầu oval ngắn để giữ gương trong đầu bịt Ø90 mm;

• 1 giá đỡ thấu kính trong bộ thí nghiệm quang học có sẵn ở các phòng thí nghiệmcủa các trường phổ thông;

• 1 lò xo nén đường kính 9 mm dài 5 cm;

• Máy khoan có mũi khoan vừa với ốc vít, súng bắn keo và một số dụng cụ khác

Công đoạn

Dưới đây là các bước để làm giá đỡ gương

(a) Đánh dấu tâm của từng nắp bịt, tại đó khoan một lỗ để

lắp trục;

(b) Trên thành của nắp nhỏ, cách mép 7 mm, đánh dấu ba vị

trí sao cho góc ở đỉnh của chúng bằng nhau và bằng 120◦;

(c) Trên nắp lớn, khoan hai lỗ nằm trên hai đường thẳng

vuông góc nhau, cách đều tâm 2 cm;

(d) Dùng keo nóng dính chặt hai lò xo vào hai vị trí đối xứng

với với hai lỗ ở trên qua tâm nắp, để keo khô;

Hình 3.2: Các bước chế tạo hệ gương.

(e) Lấy một ốc vít dài xuyên qua hai lỗ chính giữa của hai

nắp làm trục Cố định lại bằng hai đai ốc để tránh trượt;

(f) Lắp hai ốc vít dài khác vào hai lỗ còn lại trên nắp lớn.

Đây là nút điều khiển mặt phản xạ của gương theo hai bậc

tự do: lên - xuống và trái - phải;

Hình 3.2: Các bước chế tạo hệ gương (tiếp theo).

3.2.1 Nguồn sáng

Thực nghiệm cho thấy cường độ sáng không quyết định chất lượng nguồn sángnên tùy vào mục đích sử dụng mà ta chọn công suất đèn chiếu cho phù hợp Để dễdàng nhận ra những nhiễu loạn đến từ sự chênh lệch mật độ phân tử như đã nói ởchương trước, các điểm trên nguồn sáng phải có cùng cường độ sáng giống nhau,

tức là nền sáng mắt nhận được khi hứng ảnh của nguồn qua gương đều nhau Vì vậy,

nguồn sáng điểm sẽ được sử dụng trong hệ này

Nguồn sáng điểm là nguồn sáng có dạng chấm tròn, ánh sáng tập trung từ mộtđiểm Những loại đèn như đèn dây tóc, đèn thủy ngân không đáp ứng được điều này.Trong những hệ schlieren đã đề cập, cụm nguồn sáng được thiết kế khá phức tạp:các loại đèn có công suất lớn được sử dụng cùng với thấu kính hội tụ và màng lọc đểđảm bảo đầu ra đạt yêu cầu

3.2.2 Nguồn sáng kết hợp

Đèn LASER phát ra ánh sáng có độ chuẩn trực và cường độ tập trung rất cao.Tuy nhiên, chính vì sự tập trung này dẫn đến việc ảnh bị cháy sáng (dư sáng) Ngoài

ra, nguồn LASER phát ra những photon đồng pha và cùng tần số (đơn sắc) nên nó

là một nguồn sáng kết hợp [9] Vì vậy, khi sử dụng đèn LASER làm nguồn sáng sẽxảy ra hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ vì chùm sáng sau khi phản xạ ở gương hội tụtại tiêu điểm [2], như hình 3.3 Hệ schlieren LASER cần được nghiên cứu trong đề

tài khác.

Ánh sáng trắng phát ra từ nguồn sáng thông thường không phải ánh sáng kết hợp.Thứ nhất, nó là tập hợp của nhiều loại ánh sáng có tần số khác nhau Thứ hai, nhữngphoton phát ra từ nguồn sáng không có sự liên hệ về pha Do đó, sử dụng nguồnsáng thông thường thì ta không thấy hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ

Tóm lại, nguồn sáng đạt yêu cầu phải là nguồn sáng trắng, dạng điểm, có thể linhhoạt tăng giảm cường độ sáng của đèn trong quá trình làm thí nghiệm Cụm mạchđiện nguồn sáng cần có kích thước vừa phải để có thể đặt trên cùng một đế với cụmlưỡi dao Cuối cùng, tác giả đơn giản hóa hệ thống bằng cách sử dụng đèn LED

Hình 3.3: Ảnh cho bởi nguồn sáng LASER có những vân giao thoa [2].

3.2.3 Đèn diode phát quang (LED)

Đèn LED đa dạng về màu sắc và công suất Ngoại trừ loại LED siêu sáng côngsuất lớn được tạo thành bởi nhiều bóng nhỏ thì các LED đơn có cường độ sáng khôngquá mạnh, nhỏ gọn, dễ tùy biến Phần chóp của chụp đèn LED có dạng một bán cầu(hình 3.4a) Ánh sáng từ chip LED phát ra sẽ tập trung chủ yếu ở phần chóp nàynhưng không cụ thể ở một điểm nào mà phân tán đều ra các phía của bán cầu

Để sử dụng LED như một nguồn sáng điểm, trước hết, ta cần loại bỏ bán cầu nàyđi; sau đó, che bớt phần ánh sáng từ chip LED phát ra bằng một tấm chắn có đục lỗtròn nhỏ Lúc này, nguồn sáng ta có được mới là nguồn sáng điểm

Chế tạo nguồn sáng điểm từ đèn LED

Dùng giũa hoặc giấy nhám mài bỏ phần chóp đèn cho đến khi tạo được một mặtphẳng gần chạm tới chip LED Do có một dây nối rất nhỏ và mảnh nối từ chip LED

(a) Phần chóp đèn LED có dạng bán cầu; (b) Dùng giấy nhám mài bỏ bán cầu đến khi thấy chip

LED;

(c) Dùng giấy bạc đã đục lỗ bọc đèn lại;

Hình 3.4: Nguồn sáng điểm từ đèn LED.

sang chân anode nên ta nếu mài quá tay sẽ làm đứt phần dây này, đèn sẽ không hoạtđộng được

Sau đó, dùng cây kim may đục trên mẩu giấy bạc (dùng để gói thực phẩm) một lỗtròn nhỏ bằng đúng đường kính cây kim Nên sử dụng giấy bạc vì có thể dễ dàng bọc

nó vào đầu đèn nhỏ mà không cần dùng keo dán cố định Nếu giấy bạc quá mỏng, lỗ

sẽ không tròn đều như ý muốn Nếu quá dày thì khó bọc vào đèn Cuối cùng, trùmđầu đèn LED bằng tờ giấy bạc này sao cho lỗ tròn khớp với chip LED (hình 3.4b)

3.2.4 Mạch điện

Dụng cụ

• 1 đèn LED(3 V);

• 1 pin 9 V và một đế đặt pin 9 V;