Khóa luận 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 3 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 iii 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 Tài liệu tham khảo 41 iv 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 v 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 vi 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 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 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 = 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 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 sinr (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 Cụm gương 3.1.1 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 f900 (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 76 700 (thật) 170 76f900 76 900 (thật) 180 114f900 114 900 (thật) 440 114f1000 114 1000 (ảo) - 1000 440 150f750 150 750 (ảo) - 1400 650 203f800 203 800 (ảo) - 1500 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 • 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 nghiệm của 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. 14 (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 Cụm nguồn sáng 3.2.1 Nguồn sáng Thực nghiệm cho thấy cường độ sáng không quyết định chất lượng nguồn sáng nên tùy vào mục đích sử dụng mà ta chọn công suất đèn chiếu cho phù hợp. Để dễ dàng nhận ra những nhiễu loạn đến từ sự chênh lệch mật độ phân tử như đã nói ở chương trước, các điểm trên nguồn sáng phải có cùng cường độ sáng giống nhau, tức là nền sángmắt 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 một điểm. 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 để đảm 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 sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ vì chùm sáng sau khi phản xạ ở gương hội tụ tại tiêu điểm [2], như hình 3.3. Hệ schlieren LASER cần được nghiên cứu trong đề 15 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, những photon phát ra từ nguồn sáng không có sự liên hệ về pha. Do đó, sử dụng nguồn sáng 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 linh hoạt tăng giảm cường độ sáng của đèn trong quá trình làm thí nghiệm. Cụm mạch điện nguồn sáng cần có kích thước vừa phải để có thể đặt trên cùng một đế với cụm lưỡi 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 công suất lớn được tạo thành bởi nhiều bóng nhỏ thì các LED đơn có cường độ sáng không quá 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 này nhưng 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 này đi; sau đó, che bớt phần ánh sáng từ chip LED phát ra bằng một tấm chắn có đục lỗ tròn 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 mặt phẳng gần chạm tới chip LED. Do có một dây nối rất nhỏ và mảnh nối từ chip LED 16 (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 hoạt động được. Sau đó, dùng cây kim may đục trên mẩu giấy bạc (dùng để gói thực phẩm) một lỗ tròn 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, trùm đầu 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; 17 Hình 3.5: Dụng cụ làm mạch điện nguồn sáng. • 1 biến trở xoay 1M Ω điều chỉnh dòng điện qua đèn; • 1 bảng điện nhựa; • 1 điện trở bảo vệ 220Ω; • Dây dẫn, chân nối, mỏ hàn, ốc vít và các dụng cụ khác. Công đoạn Lắp mạch điện đơn giản theo sơ đồ sau đây. Hình 3.6:Mạch điện cụm nguồn sáng. 3.3 Cụm đế Cần thử nghiệm nhiều vị trí đặt máy đối với lưỡi dao trước khi thiết kế cụm đế. Trước hết, để hệ thống nhỏ gọn, phần đế sẽ chứa cụm đèn LED - mạch điện, cụm 18 lưỡi dao và máy ảnh. Đây là nơi mà người làm quan sát thao tác nhiều nhất trong quá trình làm thí nghiệm. Vì vậy, phần này phải phải thật vững chãi, không bị rung lắc. Lưu ý Mica là loại vật liệu không những phổ biến với giá thành không quá cao mà còn dễ gia công để có được kích thước như mong muốn, thuận lợi khi khoan lỗ bắt vít. Tuy nhiên, vì mica có tính chất giòn, không chịu được sự biến dạng biên độ lớn nên khi gia công có nhiều điều cần lưu ý. Để có được kích thước như mong muốn, không nên dùng cưa hay dao rọc giấy thông thường mà sử dụng dao cắt mica chuyên dụng. Loại dao này có phần lưỡi đặc biệt cong, móc rất sâu vào tấm mica tạo ra một rãnh thẳng. Sau đó, lật ngược tấm mica, tạo một điểm tựa và bẻ đều tay theo đường rãnh này. Ngoài ra, để đảm bảo an toàn, luôn sử dụng thước gỗ hoặc thước kim loại vừa để giữ mica, vừa định hướng lưỡi dao. Bên cạnh đó, khi khoan phải cố định miếng mica thật chắc để giữ an toàn cho tay, mũi khoan vuông góc với mặt phẳng đồng thời điều chỉnh tốc độ khoan từ từ, tránh làm vỡ hay nứt. Dụng cụ • 1 miếng mica kích thước 20 cm×10 cm, dày 6 mm; • 1 ốc vít Ø6; • 4 ốc vít lớn Ø8 làm chân; • 1 ốc vít Ø6 làm ốc giữ chân máy ảnh; • Máy khoan có mũi khoan kích thước tương ứng với các ốc vít. Công đoạn 1. Dùng mũi khoan lớn khoan 4 lỗ ở 4 góc cách đều mỗi rìa 1 cm; 2. Đo kích thước của máy ảnh, bao gồm: chiều dài và chiều cao máy, độ rộng tối đa khi phóng đại, độ cao của ống kính, vị trí đặt con ốc chân máy cũng như lỗ nối chân máy; kích thước cụm đèn; từ đó đánh dấu vị trí đặt lưỡi dao, cụm đèn và ốc chân máy trên đế; 3. Tiến hành khoan. 19 3.4 Lưỡi dao Lưỡi dao sắc là một bộ phận tạo nên sự khác biệt giữa phương pháp schlieren với các phương pháp khác. Lưỡi dao phải mỏng, phẳng để ánh sáng bị chắn đều. Bên cạnh đó, vị trí chắn lưỡi dao cũng ảnh hưởng tới hình ảnh thu được. Người viết thiết kế cụm lưỡi dao di chuyển được theo chiều dọc. Dụng cụ • 1 lưỡi dao lam mới; • 2 thanh kim loại thật thẳng bằng inox hoặc bằng nhôm, dài 12 cm và có đường kính 2−3 mm; • 6 lò xo cùng loại lấy từ bút bi; • 1 ốc vít dài 30 mm kèm theo đai ốc; • 8 ốc vít ngắn 10 mm kèm theo đai ốc kích cỡ tương đương ốc vít dài; • 3 mảnh mica dày 4 mm, bề rộng 20 mm, hai mảnh dài 8 cm, 1 mảnh dài 90 mm; • 1 mảnh mica dày 2 mm dài 65 mm; • 1 mảnh mica dày 2 mm dài 45 mm, bề rộng 20 mm; • 4 bắt vít chữ L: 2 cái 2 lỗ, 2 cái 4 lỗ; • Máy khoan có mũi khoan xấp xỉ với ốc vít; • Một vài dụng cụ khác. Công đoạn 1. Khoan hai miếng mica dài 8 cm như hình; 2. Khoan miếng mica dài 9 cm như hình; 20 3. Dùng nối L ngắn lắp các đoạn trên thành một chữ U; 4. Dùng nối L dài bắt vít chữ U vào đế (hình đã được xoay ngang); 5. Khoan miếng mica dài 65 mm như hình (hình chiếu ngang); 6. Dùng keo gắn hai miếng thành một hình chữ L; 7. Dán lưỡi dao lên giá chữ L này bằng keo, có thể dán giấy đen lên để dễ tìm ảnh; 8. Lồng hai thanh kim loại dài 12 cm vào hai lỗ đã khoan trên chữ L theo tỉ lệ: trên 4 cm dưới 8 cm rồi cố định bằng keo; 21 9. Lồng vào mỗi bên 3 lò xo. Cố định đầu trên cùng của lò xo ở mỗi bên bằng keo; 10. Gắn chi tiết này vào chữ U trên đế. Chú ý hai thanh kim loại sẽ đi qua hai lỗ ở đế ta đã khoan từ trước. Như vậy, ta đã có một cụm lưỡi dao hoàn chỉnh. Hình 3.7: Cụm lưỡi dao hoàn chỉnh. 22 Hình 3.8: Cụm đế hoàn chỉnh. 3.5 Máy ảnh Nếu đặt mắt vào vị trí đằng sau lưỡi dao xa hơn khoảng cách R = 2 f , ta vẫn có thể quan sát thấy hiện tượng. Nhưng để ghi lại hiện tượng và tiện quan sát, ta cần một máy ảnh. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu hiện tượng mà ta sử dụng các loại máy ảnh có tốc độ và kĩ thuật chụp khác nhau. Tốc độ máy càng nhanh, phim quay được sẽ càng mượt mà khi cần làm chậm để phân tích kĩ. Trong luận văn này, tác giả lần lượt sử dụng ba máy ảnh PANASONIC Lumix, CANON Powershot A2500, SONY NEX 5N. Thông số cấu hình của từng máy sẽ được trình bày ở chương sau. 3.6 Cân chỉnh hệ thống Sau khi hoàn thành việc chế tạo các chi tiết, điều cần làm tiếp theo là đặt các cụm vào vị trí chính xác, sau đó căn chỉnh lại khoảng cách giữa các cụm theo tính toán. Đầu tiên, mặt phản xạ của gương phải cách hệ lưỡi dao - nguồn sáng một khoảng bằng hai lần tiêu cự gương, tức 1.8 m. Để hệ gần như đồng trục thì góc tạo bởi lưỡi dao, tâm mặt phản xạ và nguồn sáng phải nhỏ hơn hoặc bằng 10◦. Như vậy, nguồn sáng sẽ được lắp ngang hàng với lưỡi dao và cách vị trí hứng ảnh khoảng 3 cm. Ở hình 3.9b, khi nguồn sáng cách gương đúng 1.8 m, qua máy ảnh ta sẽ thu được 23 (a) Gương cách đèn khoảng ngắn hơn 1.8 m. (b) Gương cách đèn đúng 1.8 m. Hình 3.9: Vị trí giữa gương và nguồn sáng sẽ cho ảnh khác nhau. một trường sáng đều. Từ đây, nếu có bất kì một biến động về mật độ nào đủ lớn gần vùng này đều được máy ảnh ghi nhận lại. Tuy nhiên, nguồn sáng điểm nhỏ dẫn đến ảnh thật của nó cũng rất nhỏ. Điều này gây khó khăn khi hứng ảnh ngay tại lưỡi dao. Do đó, sau khi đã điều chỉnh vị trí đúng như các bước ở trên, chúng ta cần dùng một số tờ giấy tối màu để tạo thành một mặt phẳng ngang hàng với lưỡi dao để hỗ trợ xác định vị trí ảnh trong khi vi chỉnh mặt phản xạ. Ngoài ra, có thể dùng mắt thường tìm ảnh của nguồn sáng trong gương. Khi bắt được ảnh ở trên mặt phẳng lưỡi dao, đúng độ cao với ống kính rồi, di chuyển lưỡi dao sao cho nó cắt một phần ảnh của nguồn sáng. Lúc này, ta bắt đầu làm các thí nghiệm và quan sát. 24 Chương 4 Kết quả Như đã trình bày trong những chương trước, để tạo nên một hệ schliren tiêu chuẩn và đủ nhạy, đòi hỏi những dụng cụ hết sức khắt khe: gương cầu lõm bán kính lớn với mặt phản xạ chất lượng cao; nguồn sáng đều, có cường độ sáng mạnh; máy quay phim tốc độ cao để có thể làm chậm phim, từ đó phân tích chi tiết hiện tượng. Mặc dù có nhiều hạn chế trong vật liệu được sử dụng tạo nên hệ thống schlieren xây dựng ở chương 3, tác giả cũng đã thu được nhiều hình ảnh rất ấn tượng. Tuy nhiên, khóa luận này xin phép được dừng ở mức trình bày kết quả quan sát mà không đi sâu vào phân tích. Khi dùng máy ảnh lấy nét vào mặt gương, máy ảnh sẽ tự động xử lý để làm rõ vùng gương và làm tối vùng ngoài nên dù sử dụng nguồn sáng trắng, ánh sáng máy ảnh thu lại được có màu xám hoặc màu xanh. Nếu làm thí nghiệm trong điều kiện có ánh sáng bên ngoài nên hạn chế sử dụng ánh sáng bóng đèn Neon vì hình ảnh thu được sẽ có sọc ngang. 4.1 Kết quả thu được bằng máy ảnh Panasonic Lumix Thông số kỹ thuật • Máy ảnh: Panasonic Lumix DMC-F3; • ISO 800; • Bù trừ sáng EV -2; • Tốc độ 1/320; • Cường độ nguồn sáng: mạnh nhất. 25 Hình 4.1 dưới đây là của một mỏ hàn đang được bật. Có thể nhìn thấy rõ ràng luồng khí nóng bốc lên từ đầu mỏ hàn này. Tuy nhiên, luồng khí này bị nhân đôi. Đây là hệ quả của việc chỉnh hệ không đồng trục mà khoảng cách vật - ảnh (hay còn gọi là thị sai) quá lớn. Máy ảnh sẽ vừa thu được hình ảnh của vật nóng cùng luồng khí mà nó gây ra, vừa thu ảnh của chúng trong gương. (a) Khi hệ lệch trục quá nhiều, máy ảnh sẽ nhận được hai hình ảnh. (b) 1 là hình ảnh của vật nóng và luồng khí của nó, 2 là hình ảnh trong gương. Hình 4.1: Hình ảnh thu được khi hệ lệch trục nhiều. (a) Khi hệ gần như đồng trục, chỉ nhìn thấy một mỏ hàn. (b)Một luồng khí nóng bốc lên cao. Hình 4.2: Hình ảnh thu được khi hệ gần như đồng trục. Để khắc phục lỗi như hình 4.1, dịch chuyển nguồn sáng lại gần lưỡi dao hơn. Hình 4.2 được chụp khi khoảng cách này là 3 cm. Rõ ràng, chỉ thấy một mỏ hàn vì 26 vật và ảnh trong gương trùng lên nhau. (a) Không thấy khí bốc lên nhiều; không có lưỡi dao. (b) Độ tương phản hình ảnh tăng khi sử dụng lưỡi dao. Hình 4.3: Tác dụng của lưỡi dao. Dù chụp trong cùng một thí nghiệm, nhưng có sự khác biệt trong luồng khí ở hai hình 4.3. Ở 4.3a, hình ảnh cho thấy khí bốc lên không nhiều, trong khi 4.3b luồng khí này lại nhiều và rõ rệt hơn. Lưỡi dao gây ra sự khác biệt này. Nó chặn bớt một phần ánh sáng từ nguồn, làm giảm cường độ sáng và tăng độ tương phản hình ảnh, qua đó ta thấy rõ các luồng khí hơn. (a) Đặt mỏ hàn xuống để nhìn rõ khí nóng hơn (b) Tắt mỏ hàn, khí nóng không dữ dội như trước. Hình 4.4: Hình ảnh trước và sau khi tắt mỏ hàn. Hình 4.4a được chụp khi mỏ hàn đã bị bỏ xuống khỏi khung hình để quan sát rõ hơn. Ta thấy rất rõ ràng rằng luồng khí bốc lên cao do hiện tượng đối lưu. Ở hình 27 4.4b, khi tắt mỏ hàn, không khí xung quanh nguội đi nên hiện tượng đối lưu không rõ rệt như trước. 4.2 Kết quả thu được từ máy ảnh Canon A2500 4.2.1 Thông số kỹ thuật • Máy ảnh: Canon Powershot A2500; • Tiêu cự 25 mm • ISO 400; • Khẩu độ f/6.9 • Bù trừ sáng EV = −0.3; • Tốc độ 1/320; • Lấy nét theo vùng; 4.2.2 Hình ảnh quan sát (a) Quả cầu. (b) Vách ngăn. Hình 4.5: Hình ảnh luồng khí nóng máy sấy tóc đi qua quả cầu và vách ngăn. 4.3 Kết quả thu được từ máy ảnh Sony NEX-5N Thông số kỹ thuật • Máy ảnh Sony NEX-5N; • Ống kính tiêu cự f = 135 mm; 28 • Đo sáng điểm Với các máy ảnh cao cấp hơn, ta có thể tùy chỉnh rất nhiều thông số quang học nên chất lượng ảnh đầu ra tốt hơn nhiều so với máy ảnh compact (máy ảnh du lịch nhỏ gọn) sử dụng ở trên. Tuy vậy, nhược điểm của chúng là ống kính thường dài và nặng mà cụm đế lại được thiết kế cho máy ảnh nhỏ. Để khắc phục điều này, như đã trình bày, khoảng cách từ lưỡi dao đến ống kính máy ảnh và cảm biến ảnh không quá quan trọng nên tác giả đặt máy Sony lên giá đỡ máy ảnh (tripod), sau đó điều chỉnh độ cao để máy có thể hứng được ảnh của nguồn sáng. Mỗi khi tinh chỉnh thông số của máy, chất lượng ảnh đều có thay đổi nhất định, điều quan trọng là phải tìm được khoảng thông số ưng ý nhất rồi mới bắt đầu ghi hình. Dưới đây là một vài ví dụ. Thay đổi tốc độ màn trập (a) ISO 1600; 1/30 sec; EV = −2. (b) ISO 1600; 1/160 sec; EV = −2. Hình 4.6: Thay đổi tốc độ màn trập. Thay đổi tốc độ màn trập tức là thay đổi thời gian ánh sáng đi vào trong cảm biến. Thời gian càng lớn, ánh sáng vào nhiều làm ảnh sáng hơn. Nếu chụp vật thể di chuyển với tốc độ cao, ta phải tăng tốc độ màn trập để bắt kịp chúng. Ở hình 4.6a, máy ảnh nhận quá nhiều sáng làm hình bị cháy một vài chỗ. Hình 4.6b, khi tăng tốc độ màn trập lên ta thu được một vùng sáng đều rất đẹp. Thay đổi ISO Trong môi trường tối, nếu để chế độ Auto (Tự động), máy ảnh sẽ đẩy ISO cao lên để thấy rõ đối tượng, đánh đổi bằng việc ảnh có thể bị nhiễu. Nếu môi trường đầy đủ ánh sáng, ISO được trả lại giá trị thấp nhất, trong trường hợp máy này là ISO 100. 29 Hai hình trên cho ta thấy sự khác biệt này: hình chụp ở ISO 100 tuy độ sáng không bằng nhưng dễ nhìn hơn. (a) ISO 3200; 1/800 sec; EV = −2. (b) ISO 100; 1/800 sec; EV = −2. Hình 4.7: Thay đổi ISO. Vai trò của lưỡi dao (a) Nguồn sáng mạnh, ISO 3200; 1/160 sec; EV =−2, không có lưỡi dao. (b) Nguồn sáng yếu hơn, ISO 3200; 1/160 sec; EV =−2; có lưỡi dao. Hình 4.8: Thay đổi cường độ nguồn sáng và vai trò của lưỡi dao. Ở hình 4.8a, sự tương phản giữa các vùng không khí là không nhiều. Sau khi giảm cường độ sáng của nguồn đồng thời điều chỉnh lưỡi dao đi xuống chắn một phần ảnh nguồn sáng, ta được kết quả ở hình 4.8b. 30 (a) ISO 1600, 1/160 sec, EV = −2. (b) ISO 1600, 1/250 sec, EV = −2. 31 (c) ISO 1600, 1/320, EV = 0. (d) ISO 2500, 1/800 sec, EV = 0. Hình 4.8: Luồng khí nóng trên ngọn lửa đèn cồn 32 (a) (b) Hình 4.9: Luồng khí xung quanh ly nước đá lạnh hơn nên đi xuống phía dưới. 33 (a) Hơi thở thoát ra từ miệng. (b) Hơi thở thoát ra từ cả miệng và mũi. Hình 4.10:Một số hình ảnh schlieren thu được từ hơi thở người. 34 (c) Khí nóng xung quanh bàn tay. (d) Gập tay lại, ta thấy luồng khí chuyển động chuyển. Hình 4.10: Khí nóng xung quanh bàn tay. 35 Chương 5 Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy - học ở trường phổ thông Nhằm minh họa cho ứng dụng của hệ quang học schlieren, trong chương này, người viết sẽ gợi ý cách sử dụng hệ này vào công tác dạy và học Vật lý chất lưu đối với lớp 10 và phần kiến thức Hiện tượng đối lưu. Trong chương trình Vật lý trung học cơ sở và trung học phổ thông Việt Nam hiện nay, hiện tượng này được đề cập ở: • lớp 8; bài 22. Đối lưu và bức xạ nhiệt; • lớp 10 cơ bản; bài 32. Nội năng và sự biến thiên nội năng; Ngoài ra, mục 2.2 chương 2 đã trình bày điều kiện để quan sát thấy các hiện tượng chất lưu bằng hệ schlieren. Các phần kiến thức còn lại về định luật Pascal, đường dòng, ống dòng không thích hợp sử dụng hệ này để quan sát vì ta chưa có cách tạo luồng khí di chuyển đều với tốc độ cao. 5.1 Hiện tượng đối lưu 5.1.1 Đặt vấn đề Vì sao ngọn lửa luôn hướng lên trên bất kể cách ta cầm cây nến? Vì sao máy lạnh lại phải đặt trên tường cao? Vì sao bình đun nước bằng điện có cục nóng đặt ở sát đáy bình? 5.1.2 Dụng cụ Hệ quang học schlieren, đèn cồn, nước đá. 5.1.3 Hiện tượng đối lưu Hoạt động 1: Quan sát khí nóng 36 1. Học sinh nhắc lại tính chất của không khí bình thường: trong suốt, không thể nhìn thấy mà chỉ có thể cảm nhận được sự tồn tại của nó bằng cách di chuyển cánh tay thật nhanh trong khoảng không. 2. Giáo viên giới thiệu sơ lược về hệ schlieren: quan sát được dòng không khí chuyển động. 3. Giáo viên lắp đặt và trình chiếu hệ quang học schlieren để học sinh quan sát, trước hết với vùng không khí bình thường. 4. Giáo viên đốt đèn cồn cho học sinh quan sát: không thấy hiện tượng gì phía trên ngọn lửa. 5. Đặt đèn cồn vào vị trí để quan sát với hệ schlieren. Học sinh nhận xét luồng khí nóng xung quanh ngọn lửa di chuyển như thế nào. Nhận xét: Luồng khí xung quanh ngọn lửa bị làm nóng, bay lên trên. (a) (b) (c) Hình 5.1: Dòng khí nóng bay lên trên và cuộn xoáy. 37 Hoạt động 2: Quan sát khí lạnh Học sinh quan sát dòng khí xung quanh ly nước đá bằng mắt thường và qua hệ schlieren rồi nhận xét hướng di chuyển của nó. Nhận xét: Luồng khí xung quanh ly nước đá lạnh hơn, đi xuống dưới. 5.1.4 Kết luận Khí nóng di chuyển lên trên, khí lạnh chìm xuống dưới. 5.1.5 Giải thích Kết hợp các kiến thức về thuyết động học phân tử, lực Archimedes và điều kiện để một vật nổi hay chìm để giải thích hiện tượng đối lưu. • Xét một khối chất lưu có khối lượng không đổi. Khi đun nóng bằng cách để nguồn nhiệt ở dưới, theo thuyết động học phân tử, các phân tử chất lưu chuyển động nhanh dần làm tăng thể tích đồng thời giảm mật độ phân tử (đồng nghĩa với giảm trọng lượng riêng). • Mặt khác, trong bài Lực đẩy Archimedes (lớp 10) đã đề cập đến điều kiện để một vật nổi hay chìm. Bằng cách so sánh trọng lượng riêng (tương đương với mật độ phân tử) của vật đó với trọng lượng riêng của môi trường xung quanh: nếu nhỏ hơn thì vật nổi, lớn hơn thì vật chìm, tương đương thì vật lơ lửng. • Khối chất lưu gần nguồn nhiệt nở ra, mật độ phân tử giảm dần, nhỏ hơn so với những vùng khác nên nó đi lên, chiếm chỗ của những khối chất lưu lạnh hơn. Trong khi khối vừa bị đẩy xuống được làm nóng thì khối chất lưu bên trên nguội đi dần. Cứ như vậy dòng khí nóng và dòng khí lạnh tạo thành một dòng chảy khép kín lặp đi lặp lại đến khi nhiệt độ của các vùng trong chất lưu là như nhau. • Giải thích tương tự cho trường hợp chất lưu được làm lạnh. 5.1.6 Định nghĩa Đối lưu là hiện tượng trao đổi nhiệt khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng trong một chất lưu. Các vùng có nhiệt độ cao đi lên trên, vùng có nhiệt độ thấp hơn đi xuống dưới. 38 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? Khối không khí xung quanh ngọn lửa được làm nóng luôn di chuyển lên phía trên vì mật độ phân tử ở đây nhỏ hơn mật độ của vùng không khí xa ngọn lửa. Điều này làm cho ngọn lửa luôn hướng lên. Ngoài ra, vận tốc di chuyển của khối khí này tăng dần từ ngoài vào trong, tạo nên ngọn lửa có dạng đầu nhọn. 5.2.2 Vì sao máy lạnh lại được đặt ở trên cao? Như trong thí nghiệm 2 ở trên ta đã thấy khí lạnh gần nước đá chìm xuống dưới. Khí từ máy lạnh thổi ra có nhiệt độ thấp hơn so với không khí trong phòng, nên chìm xuống. Nếu đặt máy lạnh ở dưới, khí đi ra sẽ chỉ chuyển động thấp gần sàn nhà, khó làm toàn bộ căn phòng mát hết được. 5.2.3 Vì sao bình đun nước có cục nóng được đặt ở dưới đáy bình? Giáo viên mở rộng hiện tượng cho chất lỏng. Phần chất lỏng gần sợi đốt nóng của bình nước di chuyển thành dòng đi lên trên. Phần chất lỏng vốn ở bên trên lạnh hơn di chuyển thành dòng xuống dưới để tiếp tục được làm nóng. Nếu đặt sợi đốt ở trên thì phần nước dưới lâu sôi hơn. 5.3 Vận dụng Giáo viên hướng dẫn học sinh sử dụng hệ schlieren để quan sát hiện tượng đối lưu xảy ra với một số vật tỏa nhiệt: bộ biến áp máy tính xách tay, điện thoại đang nóng, bàn tay người,... 39 Chương 6 Kết luận và hướng phát triển 6.1 Kết luận Trong khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp này, tác giả đã thiết kế thành công hệ quang học schlieren nhỏ gọn, đơn giản với chi phí thấp nhằm mục tiêu áp dụng nó vào trong công tác dạy - học cũng như nghiên cứu khoa học ở trường phổ thông. Tuy mới chỉ khai thác được một phần nhỏ trong khả năng của hệ này song quy trình chế tạo và kết quả bước đầu của nghiên cứu là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn sinh viên khoa Vật lý, giáo viên, kể cả học sinh hay những độc giả quan tâm có thể xây dựng cho riêng mình một hệ schlieren, từ đó sử dụng một cách hiệu quả. 6.2 Hướng phát triển Hệ schlieren gợi ý xây dựng trong khóa luận này khi mới chỉ áp dụng được cho chất khí. Bên cạnh đó, do hạn chế về thời gian và điều kiện, tác giả chưa thể tiến hành thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng hệ quang học này trong công tác dạy - học. Vì vậy, hướng phát triển của đề tài là nâng cấp hệ để có thể quan sát hiện tượng đối với chất lỏng và xây dựng tiến trình dạy học cụ thể có sử dụng hệ schlieren, tiến hành thực nghiệm sư phạm khảo sát đồng thời xin ý kiến phản hồi của những giáo viên có kinh nghiệm cùng với học sinh để có được những điều chỉnh, cải tiến, mở rộng để phù hợp với mục tiêu đã đặt ra. 40 Tài liệu tham khảo [1] G.E. Elsinga et al. “Assessment and application of quantitative schlieren methods: Calibrated color schlieren and background oriented schlieren”. In: Experiments in Fluids 36.2 (2004), pp. 309–325. [2] G.S. Settles. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in transparent media. Springer Science & Business Media, 2001. [3] J. M. Meyers and D. G. Fletcher. “Fluids Laboratory 7: Optical Characterization of Density”. University of Vermont Lecture. 2013. URL: 20123%20Optical%20Characterization%20of%20Density.pdf. [4] V. Gopal et al. “Visualizing the invisible: the construction of three low-cost schlieren imaging systems for the undergraduate laboratory”. In: European Journal of Physics 29.3 (2008), p. 607. [5] Wikipedia, the free encyclopedia. An airplane model with straight wings. [Online; accessed April 12,2016]. 2005. URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schlierenfoto_Mach_1- 2_gerader_Fl%C3%BCgel_-_NASA.jpg. [6] W. Merzkirch. Flow visualization. Elsevier, 1987, pp. 115–151. [7] Y.A. C¸engel et al. Fluid mechanics fundamentals and applications. Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. TA357. C4318 2006. 2006. [8] A. Mazumdar. “Principles and Techniques of Schlieren Imaging Systems”. In: (2013). [9] Nguyễn Trần Trác và Diệp Ngọc Anh. Quang học. Đại học Sư phạm TP. HCM, 2004, pp. 245–250. 41