Báo cáo bài tập lớn vật lí Đại cương 2 Đề tài kính viễn vọng

a Công thức liên hệ giữa vị trí của vật, vị trí của ảnh và tiêu cự của thấu kính b Công thức số phóng đại của thấu kính: c Công thức tính độ tụ của thấu kính: d Số bội giác thấu kính hội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Uv

BAO CÁO BAI TAP LON VẠT LÍ ĐẠI CƯƠNG 2

ĐỀ TÀI : KÍNH VIỄN VỌNG

LOICAMON 3

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

| Kiến thức về ánh sáng 4

1 Sự truyền ánh sáng: 4

2 Khúc xạ và phản xạ: 4

3 Nhiễu xạ ánh sáng: 5

4.Tán sắcánh sáng 6

II Thấu kính ó

1 Phân loại thấu kính: ó

a) Thấu kính hội tụ (Thấu kính lồi): ó

bì Thấu kính phân kì (Thấu kính lõm): 7

2 Các khái niệm cơ bản của thấu kính: 8

3 Công thức thấu kính: 8

CHƯƠNG 2: KÍNH VIỄN VỌNG 9

I Lịch sử hìnhthành 9

Il Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 10

1 Cau tao 10

2 Nguyên lý hoạt động 10

III.Phânloại 11

1 Các loại kính viễn vọng chính 11

a) Kính viễn vọng khúc xạ (Refractingtelescopes) 11

b) Kính viễn vọng phản xạ (Reflectingtelescopes) 11

2 Một số loại kính viễn vọng khác 13

a) Kính viễn vọng tổ hợp (Catadioptric) 13

b) Kính viễn vọng quang phổ ( kính viễn vọng Lamost của Trung Quốc) 14

c) Kính viễn vọngtiaGamma 14

d) Kính viễn vọng tỉaX 15

e) Kính viễn vọng tử ngoại 15

f) Kính viễn vọng hồng ngoại 1ó

ø) Kính viễn vọng vô tuyến 1ó

h) Kính viễn vọng nhiễu xạ hợp chất (NEW) 1ó

IV Ứng dụng của kính viễn vọng: 17

V LỜI KẾT 18

Nguồn tham khảo: 19

LỜI CẢM ƠN

CHƯƠNG |: CO SO LY THUYET

| Kiến thức về ánh sáng

Ánh sáng là các bức xa điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được

bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 760 nm), còn gọi là vùng khả kiến Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả như những đợt sóng hat chuyển động gọi là photon

1 Sự truyền ánh sáng:

Ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ, di chuyển theo đường thẳng trong môi trường đồng nhất

2 Khúc xạ và phản xạ:

[I Khúc xạ:

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện tượng khi ánh sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt, tia sáng bị bẻ gãy khúc (đổi hướng đột ngột) ở mặt phân cách

Định luật khúc xạ ánh sáng:

N°!

- Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và ở bên kia pháp tuyến so với tia tới

- Đối với một cặp môi trường trong suốt nhất định thì tỉ số giữa sỉin của góc tới (sini) với sin của góc khúc xạ (sinr) luôn luôn là một số không đổi Số không đổi này phụ thuộc vào ban chất của hai môi trường và được gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường chứa tỉa khúc xạ (môi trường 2) đối với môi trường chứa tỉa tới (môi trường 1) Kí hiệu là n21

Biểu thức: St ep,

sinr + Nếu n21 > 1 thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới Ta nói môi trường (2) chiết quang kém môi trường (1)

+ Nếu n21 < 1 thì góc khúc xạ lớn hơn góc tới Ta nói môi trường (2) chiết quang hơn môi trường (1) + Nếu ¡ = O thì r = O: tia sáng chiếu vuông góc với mặt phân cách sẽ truyền thẳng

+ Nếu chiếu tia tới theo hướng KI thì tia khúc xạ sẽ đi theo hướng IS (theo nguyên lí về tính thuận nghịch của chiều truyền ánh sáng)

Do dé, ta c6: 24) = —

Ay

[I Phản xạ:

Hiện tượng phản xạ ánh sáng là hiện tượng mà khi chiếu một tia sáng tới một bề mặt, tia sáng đó sẽ

bị hắt trở lại môi trường ban đầu

Định luật phản xạ ánh sáng

- Tỉa sáng tới (SI), tia phản xạ (SR) và pháp tuyến (NI) tại điểm tới I năm trong cùng một mặt phẳng

- Góc phản xạ (ï') bằng góc tới (i)

Hiện tượng phản xạ toàn phần:

Hiện tượng phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ ánh sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt

Điều kiện để có hiện tượng phản xạ toàn phần:

- Tỉa sáng truyền theo chiều từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn (n2 < n1)

- Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần (igh )

+ Góc giới hạn phản xạ toàn phần:

+ Nếu ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất n ra không khí thì:

3 Nhiễu xạ ánh sáng:

Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng mà hiện tượn truyền lệch so với sự truyền thẳng khi ánh sáng gặp vật cản Khi ánh sáng đi qua một khe hở hoặc vật cản nhỏ, nó sẽ bị nhiễu xạ (lan rộng ra)

4 Tán sắc ánh sáng:

Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, nó sẽ bị phân tách thành các màu sắc khác nhau, do các màu sắc

có chiết suất khác nhau Ví dụ: Cầu vồng

Orange Yellow Green Blue Indigo Violet

Glass Prism

II Thấu kính

1 Phân loại thấu kính:

Dựa vào hình dạng mặt cong:

a) Thấu kính hội tụ (Thấu kính lồi):

Hai mặt đều cong hoặc một mặt cong và một mặt phẳng, mép dày hơn phần tâm Có khả năng hội tụ ánh sáng

Sự tạo ảnh qua thấu kính hội tụ:

ˆ my

Tinh chat anh qua thau kinh héi tu:

Vi tri vat AB Tính chat anh A’B’

AB nam ngoai tiéu cy (d > f ) A'B' là ảnh thật, ngược chiều với AB

AB nằm trong tiêu cự (d <f) A'B' là ảnh ảo, cùng chiều và lớn hơn AB

AB nằm trên tiêu cự (d = f}) Không thu được ảnh A'B"

Hai mặt đều cong hoặc một mặt cong và một mặt phẳng, mép mỏng hơn phần tâm Có khả năng phân kỳ ánh sáng

Sự tạo ảnh qua thấu kính phân kì:

B * B B *

Elo 4 oO Fig 3

d>f d=f d<f

Tinh chất anh qua thấu kính phan ki:

Vi tri vat AB Tính chất anh A’B’

AB nam ngoai tiéu cy (d > f ) A'B' là ảnh ảo, luôn cùng chiều và nhỏ hơn AB

AB nằm trong tiêu cự (d < f})

AB nằm trên tiêu cự (d =f})

2 Các khái niệm cơ bản của thấu kính:

Quang tâm O: là điểm chính giữa thấu kính, mọi tỉa sáng đi qua quang tam O của thấu kính đều truyền thẳng

Trục chính của thấu kính: là đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính Tiêu điểm: Điểm mà các tỉa sáng song song với trục chính sau khi qua thấu kính sẽ hội tụ hoặc giao thoa với nhau

Thấu kính hội tụ có hai tiêu điểm, một tiêu điểm trước (F) và một tiêu điểm sau (F')

Thấu kính phân kỳ có hai tiêu điểm ảo, một tiêu điểm trước (F) và một tiêu điểm sau (F'}

Khoảng cách tiêu cự: Khoảng cách từ quang tâm của thấu kính đến mỗi tiêu điểm

a) Công thức liên hệ giữa vị trí của vật, vị trí của ảnh và tiêu cự của thấu kính

b) Công thức số phóng đại của thấu kính:

c) Công thức tính độ tụ của thấu kính:

d) Số bội giác (thấu kính hội tụ):

Khi ngắm chừng ở vô cực (điểm cực viễn):

Khi ngắm ở từng vị trí:

* Giải thích các đại lượng vật lí trong công thức:

- D: độ tụ của thấu kính (dp đọc là điếp)

- f: tiêu cự của thấu kính (m)

- d: khoảng cách từ vị trí của vật đến thấu kính

- d: khoảng cách từ vị trí của ảnh đến thấu kính

- G: số bội giác (thấu kính hội tụ): cho biết ảnh mà mắt thu được khi dùng kính lớn gấp bao nhiêu lần

so với ảnh mà mắt thu được khi quan sát trực tiếp vật mà không dùng kính

- a: Géc trông qua ảnh kính lúp

- do: Góc trông vật có giá trị lớn nhất

Qui ước dấu:

Thấu kinh phan ki: f < 0 k >0: ảnh và vật cùng chiều

CHƯƠNG 2: KÍNH VIỄN VỌNG

Kính viễn vọng là dụng cụ quang học giúp con người quan sát các vật thể ở xa, góp phần mở rộng tầm nhìn và kiến thức về vũ trụ Sau đây là những kiến thức chung về kính viễn vọng

I Lịch sử hình thành

Các nhà khoa học không hoàn toàn chắc chắn ai đã phát minh ra kính viễn vọng, nhưng người ta biết rằng vào năm 1608, một nhà sản xuất Hà Lan, Hans Lipperhey, đã công bố một công cụ nhìn thấy dựa trên ống kính mới làm cho các vật thể ở xa xuất hiện gần hơn nhiều Đây là bằng chứng đầu tiên chúng ta có về việc phát minh ra kính viễn vọng, công cụ khoa học đầu tiên mở rộng một trong những giác quan của con người Kể từ đó, kính viễn vọng đã phát triển như một công cụ khoa học quan trọng đã thay đổi nhận thức của chúng ta về thế giới và vũ trụ xung quanh chúng ta Đặc biệt, trong thiên văn học, kính viễn vọng đã có một tác động rất lớn, bắt đầu với những khám phá của Galileo Galilei, người có công trình bắt đầu thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ

Bản phác thảo cổ nhất mà người ta biết của ống kính Lippershey

trong một là thư viết vào tháng 8 năm 1á09

Mô tả ban đầu của

"kính thiên văn Hà Lan" từ năm 1624 (Nguồn: Wikipedia)

Il Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

1 Cau tao

Cấu tạo cơ bản của kính viễn vọng thường gồm 2 bộ phận chính là vật kính (bộ phận tiếp nhận ánh sáng từ vật thể) và thị kính (bộ phận mà mắt người dùng để quan sát vật thể)

Tuy nhiên, mỗi loại kính viễn vọng khác nhau thì các loại thấu kính được sử dụng để thu nhận ánh sáng và nguyên lý hoạt động của các loại kính viễn vọng này cũng sẽ rất khác nhau

2 Nguyên lý hoạt động

Hướng trục của kính viễn vọng đến vật AB ở rất xa cần quan sát để thu ảnh thật A1B1 trên tiêu diện ảnh của vật kính Sau đó thay đổi khoảng cách giữa vật kính và thị kính để ảnh cuối cùng A2B2 qua

li của mắt

Mắt đặt sau thị kính để quan sát ảnh ảo này

Để có thể quan sát trong một thời gian dài mà không bị mỏi mắt, ta phải đưa ảnh cuối cùng ra vô cực: ngắm chừng ở vô cực

Sơ đồ nguyên lí hoạt động của kính viễn vọng

lll Phân loại

1 Các loại kính viễn vọng chính

Tùy theo hệ thống quang học kính có thể được chia làm 2 loại:

a) Kính viễn vọng khúc xa (Refractingtelescopes)

Kính viễn vọng khúc xạ là hầu hết các kính thiên văn nhỏ, loại kính viễn vọng dùng các thấu kính để thay đổi đường truyền của các bức xạ điện từ, thông qua hiện tượng khúc xạ, tạo ra ảnh rõ nét của vật thể ở xa

Vật kính của kính viễn vọng khúc xạ là thấu kính hội tụ tiêu sắc được ghép từ 1 thấu kính phân kỳ và

1 thấu kính hội tụ Thị kính của kính viễn vọng khúc xạ có thể là thấu kính phân kỳ hoặc hội tụ tiêu sắc Tuy nhiên, hầu hết tất cả các kính viễn vọng hiện nay đều có thị kính là thấu kính hội tụ tiêu sắc

do chúng có trường nhìn rộng

Kính viễn vọng khúc xạ hoạt động theo nguyên lý khúc xạ ánh sáng Ánh sáng từ vật thể là những chùm sáng song song đi vào trong ống kính, sau khi khúc xạ sẽ truyền đến thị kính

———_ Ắnh sáng

`

—

j

Vat kinh TS eee

Cấu tạo của kính viễn vọng khúc xạ

Kính viễn vọng khúc xạ có trở ngại chính là sự tán sắc Vì thủy tỉnh hay các vật liệu làm thấu kính có chiết suất khác nhau cho các bước sóng bức xạ điện từ khác nhau Ví dụ, trong kính thiên văn quang

10

thành tỉnh, được bao quanh bởi những vòng tròn có màu sắc khác nhau

b) Kính viễn vọng phản xạ (Reflectingtelescopes)

Kính viễn vọng phản xạ hoạt động dựa trên sự tạo ảnh của vật ở xa bằng các gương, thông qua hiện tượng phản xạ các bức xạ điện từ

Vật kính của kính viễn vọng phản xạ thường là gương cầu hoặc gương parabol (được gọi là gương sơ cấp), còn thị kính tương tự như kính viễn vọng khúc xạ

Kính viễn vọng phản xạ hoạt động theo nguyên lý phản xạ ánh sáng và sử dụng gương để thu nhận, hội tụ ánh sáng Các chùm tỉa sáng song song khi đi vào bên trong sẽ được gương chính của kính phản xạ lại và hội tụ chúng vào một điểm trên gương phụ tạo thành ảnh đến mắt người xem

| of ` x

Í) ` Se | Guong Cau

| —

© bie =

`

—

Guong Phang hoac Lang Kinh ae

iN

Kinh vién vong phan xa (nguyén ly chung)

Kính viễn vọng phản xạ có ưu điểm lớn là tránh hiện tượng tán sắc Với mọi kính viễn vọng, số photon thu được tỷ lệ thuận với diện tích phần thu (gương đối với kính viễn vọng phản xạ và thấu kính với kính viễn vọng khúc xạ) Đồng thời độ phân giải tỷ lệ với đường kính của phần thu Ví dụ, khi dùng gương có bán kính gấp đôi, khả năng thu gom ánh sáng lên gấp bốn lần và độ phân giải tăng hai lần Việc tăng kích thước gương có thể được thực hiện dễ dàng hơn so với tăng kích thước thấu kính Đây cũng là ưu điểm của kính viễn vọng phản xạ

Có nhiều kiểu khác nhau kính viễn vọng phản xạ ở chỗ đặt thêm kính phụ tại tiêu điểm nhằm tăng thêm khả năng tạo ảnh của kính Có nhiều kiểu như kiểu Newton, kiểu Cassegrain, kiểu Grigorian,

11

Ngoài ra còn có các loại kính hỗn hợp để tăng cường khả năng của kính, khử độ méo, tăng thị trường Hệ vật kính hỗn hợp gồm cả những gương và thấu kính Đó là các kính như: Kiểu Schmidt, kiểu Schmidt-Cassegrain, kiểu Maksakov-Bouwer, kiểu Questar v.v

¡ Kính viễn vọng phản xạ Hì Kính viễn vọng phản xạ

2 Một số loại kính viễn vọng khác

Dựa theo cơ chế, bước sóng mà các nhà khoa học đã tạo ra được nhiều loại kính viễn vọng đặc biệt

sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau:

a) Kính viễn vọng tổ hợp (Catadioptric)

Là một sự kết hợp giữa kính viễn vọng khúc xạ (thấu kính) và phản xạ (gương) trong hệ thống quang học của kính Hệ thống quang học này được tối ưu hóa để tạo ra hình ảnh của các vật thể ở khoảng cách vô hạn

Ưu điểm của kính viễn vọng tổ hợp đó là khắc phục được các nhược điểm của 2 dòng kính viễn vọng truyền thống, đem lại hình ảnh rõ nét, màu sắc chính xác hơn, đặc biệt có thể chụp ảnh những thiên thể ở xa

12

Hinh 3.1 k Kính viễn vọng tổ hop (Catadioptric) hiện đại

b) Kính viễn vọng quang phổ ( kính viễn vọng Lamost của Trung Quốc)

Là kính viễn vọng thu được số liệu quang phổ thiên thể nhiều nhất trên thế giới, LAMOST có thể thu được số liệu khoa học khổng lồ, chỉ trong vài năm ngắn ngủi sẽ có thể hoàn thành nhiệm vụ quan trắc mà trước đây phải bỏ ra hàng trăm năm mới có thể hoàn thành

Kính quang phổ thường tách ánh sáng thành những dải màu tiếp nối nhau, với nhiều đường sậm chạy ngang được gọi là đường Fraunhofer Mỗi tổ hợp các đường sậm tương ứng với một nguyên tố của vì sao đã hấp thụ những màu bị mất đi Ví dụ: nguyên tố H cho một đường đỏ sậm, Na cho một cặp đường vàng sậm, Fe cho những đường của hầu hết các màu Mỗi nguyên tố trong tầng khí quanh vì sao tạo nên những đường phổ đậm đặc trưng, tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí Vì thế mà ta có thể quan sát những phổ của hàng trăm ngàn vì sao

( ` 2 A `

| AMOACT va dai ngan ha

c) Kinh vién vong tia Gamma

Tỉa gamma là bức xạ điện từ với độ dài sóng ngắn hơn cả tỉa X Vì tia gamma không thé thâm nhập bầu khí quyển của Trái Đất, phải đưa kính viễn vọng tỉa gamma vào không gian Kính này phát hiện các bức xạ ở những bước sóng ngắn nhất trong bức xạ vũ trụ Những tỉa Gamma này đi vào kính, xuyên qua một bộ phận phát hiện các hạt điện tích và đi qua những lớp vật liệu để biến đổi tia gamma thành các hạt điện tử e- và phản điện tử e+ Các điện tử và phản điện tử này có điện tích, gây ra những phóng điện khi các hạt điện tích này đi xuyên qua buồng phóng điện ở phần dưới của kính Các bộ phận phát hiện và đo sáng đặt dưới đáy của ống kính để ghi nhận những phóng điện này

13