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 Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Lâm Duy kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực nghiệm quý báu phong cách khoa học mà Thầy tận tình truyền đạt cho tơi suốt q trình thực khóa luận tốt nghiệp Tơi xin gửi lời cảm ơn đến người bạn nhiệt tình hướng dẫn tơi sử dụng cơng cụ LATEXđể trình bày khóa luận cách chuyên nghiệp đưa nhận xét thiết thực để tơi hồn thiện cơng trình Cuối cùng, tơi khơng thể hồn thành khóa luận thiếu đồng hành gia đình q Thầy Cơ 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 Giới thiệu hệ quang học schlieren 1.1 Lịch sử 1.2 Ứng dụng 3 Nguyên lý hoạt động hệ quang học schlieren 2.1 Sự truyền ánh sáng môi trường không đồng chất 2.2 Mối liên hệ chiết suất môi trường mật độ phân tử 2.3 Các cách bố trí kĩ thuật schlieren Toepler 2.3.1 Hệ thấu kính 2.3.2 Hệ hai thấu kính 2.3.3 Hệ gương chữ Z 2.3.4 Hệ gương 2.4 Lý chọn chế tạo hệ schlieren gương 2.5 Nguyên lý hệ schlieren gương phương pháp Toepler Đề xuất xây dựng hệ schlieren gương cầu lõm 3.1 Cụm gương 3.1.1 Gương cầu lõm 3.1.2 Giá đỡ gương 3.2 Cụm nguồn sáng 3.2.1 Nguồn sáng iii 6 7 8 10 10 12 12 12 13 15 15 3.3 3.4 3.5 3.6 3.2.2 Nguồn sáng kết hợp 3.2.3 Đèn diode phát quang (LED) 3.2.4 Mạch điện Cụm đế Lưỡi dao Máy ảnh Cân chỉnh hệ thống Kết 4.1 Kết thu máy ảnh Panasonic Lumix 4.2 Kết thu từ máy ảnh Canon A2500 4.2.1 Thông số kỹ thuật 4.2.2 Hình ảnh quan sát 4.3 Kết thu từ máy ảnh Sony NEX-5N 15 16 17 18 20 23 23 25 25 28 28 28 28 Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy - học trường phổ thông 5.1 Hiện tượng đối lưu 5.1.1 Đặt vấn đề 5.1.2 Dụng cụ 5.1.3 Hiện tượng đối lưu 5.1.4 Kết luận 5.1.5 Giải thích 5.1.6 Định nghĩa 5.2 Mở rộng 5.2.1 Vì lửa ln hướng lên có đầu nhọn ta có cầm nến theo cách nào? 5.2.2 Vì máy lạnh lại đặt cao? 5.2.3 Vì bình đun nước có cục nóng đặt đáy bình? 5.3 Vận dụng 36 36 36 36 36 38 38 38 39 Kết luận hướng phát triển 6.1 Kết luận 6.2 Hướng phát triển 40 40 40 Tài liệu tham khảo 39 39 39 39 41 iv Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hệ schlieren Hooke Kết thí nghiệm Hooke Hơi thở chuột Máy bay hầm gió Sóng xung kích 5 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Hệ thấu kính Hệ hai thấu kính Hệ gương chữ Z Hệ gương Minh họa đường tia sáng thí nghiệm 8 9 10 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Giá đỡ gương Các bước chế tạo hệ gương Công đoạn làm hệ gương Nguồn sáng LASER Chế tạo nguồn sáng điểm Dụng cụ mạch điện Mạch điện Cụm lưỡi dao hoàn chỉnh Cụm đế hoàn chỉnh Vị trí gương nguồn sáng 13 14 15 16 17 18 18 22 23 24 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình ảnh hệ lệch trục nhiều Hình ảnh hệ gần đồng trục Tác dụng lưỡi dao Hình ảnh mỏ hàn Luồng khí nóng qua cầu vách ngăn Thay đổi tốc độ trập Thay đổi ISO 26 26 27 27 28 29 30 v Hình 4.8 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.10 Tác dụng lưỡi dao Khí nóng Khí lạnh Hơi thở người Khí nóng từ bàn tay 30 32 33 34 35 Hình 5.1 Dịng khí nóng bay lên trên, cuộn xoáy 37 Danh sách bảng Bảng 3.1 Bảng giá tham khảo gương cầu lõm vi 12 Lời mở đầu Lý chọn đề tài Có thật khí nóng bốc lên cao, khí lạnh chìm xuống dưới? Tại máy lạnh ln lắp đặt tường cao? Tại lửa hướng lên trên? Đây câu hỏi tượng chất lưu suốt mà học sinh thắc mắc học chương trình Vật lý bậc Trung học sở Trung học phổ thông Những tượng xảy với chất lưu suốt khó quan sát mắt thường nên phần lớn giáo viên dừng mức cung cấp kiến thức để học sinh chấp nhận sử dụng lời nói hình vẽ để mơ tả minh họa chúng Hệ quang học schlieren công cụ đơn giản hữu ích để giải vấn đề Hệ giúp ta quan sát luồng khí "vơ hình" dựa tượng khúc xạ ánh sáng Ra đời cách khoảng hai kỷ, kĩ thuật quan sát dùng hệ schlieren có nhiều cải tiến Từ hệ quan sát mắt thường thô sơ Robert Hooke hệ sử dụng gương cầu lõm đường kính lớn với máy quay phim tốc độ cao Từ hình ảnh hai màu sáng, tối hình ảnh nhiều màu sắc thực kỹ thuật schlieren phức tạp [1] Vì chất lượng hình ảnh ngày cải thiện thông tin khai thác từ nhiều Mục tiêu đề tài • Thiết kế thành công hệ quang học schlieren thỏa yêu cầu sau: sử dụng vật liệu dễ tìm kiếm có giá thành rẻ quan sát tượng chất khí • Đề xuất cách ứng dụng hệ quang học schlieren vào trình dạy - học Vật lý chất lưu trường phổ thông Nhiệm vụ Tìm hiểu lịch sử phát triển phương pháp quan sát sử dụng hệ schlieren Tìm hiểu ứng dụng hệ schlieren Tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ schlieren vai trò phận hệ Phân tích ưu, nhược điểm cách bố trí hệ schlieren từ chọn cách tối ưu nhất, phù hợp với mục tiêu Thiết kế, chế tạo hệ quang học schlieren Tiến hành làm thí nghiệm ghi lại tượng Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy - học trường phổ thông Đối tượng nghiên cứu Cơ sở lý thuyết cách bố trí, chế tạo hệ schlieren bản; tượng chất lưu chất khí; chương trình Vật lý lớp lớp 10 Phương pháp nghiên cứu • Thu thập thơng tin từ tài liệu ngồi nước Tổng hợp, phân tích, xử lý, chắt lọc thơng tin • Thực nghiệm thiết kế chế tạo • Phân tích chương trình Vật lý lớp lớp 10 Cấu trúc khóa luận Khóa luận chia thành chương: Chương Giới thiệu hệ quang học schlieren; Chương Nguyên lý hoạt động hệ quang học schlieren; Chương Đề xuất xây dựng hệ schlieren; Chương Kết quan sát hệ schlieren; Chương Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào công tác dạy - học trường phổ thông; Chương Kết luận hướng phát triển Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 Sinh viên Nguyễn Việt Hải Chương Giới thiệu hệ quang học schlieren Schliere từ tiếng Đức cổ, dịch tiếng Anh có nghĩa streak (vệt sọc) Ngoài ra, lĩnh vực quang học, từ schliere (số nhiều: schlieren) vùng môi trường có chiết suất khác với mơi trường xung quanh Có lẽ thấy qua schlieren mà Đó vùng mơi trường "khơng bình thường" phía mặt đường nhiệt độ trời cao, chảo nóng hay miệng bình xăng mở nắp Khi nhìn qua vùng mơi trường này, ta thấy hình ảnh vật thể phía sau "rung động" 1.1 Lịch sử Cha đẻ việc quan sát môi trường không đồng nhất, schlieren, cho nhà Vật lý học tiếng người Anh sống kỉ thứ XVII, Robert Hooke Năm 1665, sách Micrographia mình, Hooke cơng bố thí nghiệm thơ sơ quan sát khí nóng bốc lên từ nến nghiên cứu thay đổi chiết suất [2] Nhờ tảng lý thuyết mình, Hooke trình bày lời giải thích cho tượng như: lấp lánh, đối lưu chất lỏng chất khí, Cụ thể, Hooke bố trí hệ schlieren dùng mắt thường để quan sát hình bên Hình 1.1: Hệ schlieren Robert Hooke sử dụng hai nến, thấu kính quan sát mắt thường.[2] vật ảnh gương trùng lên (a) Khơng thấy khí bốc lên nhiều; khơng có lưỡi dao (b) Độ tương phản hình ảnh tăng sử dụng lưỡi dao Hình 4.3: Tác dụng lưỡi dao Dù chụp thí nghiệm, có khác biệt luồng khí hai hình 4.3 Ở 4.3a, hình ảnh cho thấy khí bốc lên khơng nhiều, 4.3b luồng khí lại nhiều rõ rệt Lưỡi dao gây khác biệt Nó chặn bớt phần ánh sáng từ nguồn, làm giảm cường độ sáng tăng độ tương phản hình ảnh, qua ta thấy rõ luồng khí (a) Đặt mỏ hàn xuống để nhìn rõ khí nóng (b) Tắt mỏ hàn, khí nóng khơng dội trước Hình 4.4: Hình ảnh trước sau tắt mỏ hàn Hình 4.4a chụp mỏ hàn bị bỏ xuống khỏi khung hình để quan sát rõ Ta thấy rõ ràng luồng khí bốc lên cao tượng đối lưu Ở hình 27 4.4b, tắt mỏ hàn, khơng khí xung quanh nguội nên tượng đối lưu không rõ rệt trước 4.2 4.2.1 Kết thu từ máy ảnh Canon A2500 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 qua cầu vách ngăn 4.3 Kết thu từ máy ảnh Sony NEX-5N Thơng số kỹ thuật • Máy ảnh Sony NEX-5N; • Ống kính tiêu cự f = 135 mm; 28 • Đo sáng điểm Với máy ảnh cao cấp hơn, ta tùy chỉnh nhiều thông số quang học nên chất lượng ảnh đầu tốt nhiều so với máy ảnh compact (máy ảnh du lịch nhỏ gọn) sử dụng Tuy vậy, nhược điểm chúng ống kính thường dài nặng mà cụm đế lại thiết kế cho máy ảnh nhỏ Để khắc phục điều này, trình bày, khoảng cách từ lưỡi dao đến ống kính máy ảnh cảm biến ảnh không quan trọng nên tác giả đặt máy Sony lên giá đỡ máy ảnh (tripod), sau điều chỉnh độ cao để máy hứng ảnh nguồn sáng Mỗi tinh chỉnh thông số máy, chất lượng ảnh có thay đổi định, điều quan trọng phải tìm khoảng thơng số ưng ý bắt đầu ghi hình Dưới vài ví dụ Thay đổi tốc độ trập (a) ISO 1600; 1/30 sec; EV = −2 (b) ISO 1600; 1/160 sec; EV = −2 Hình 4.6: Thay đổi tốc độ trập Thay đổi tốc độ trập tức thay đổi thời gian ánh sáng vào cảm biến Thời gian lớn, ánh sáng vào nhiều làm ảnh sáng Nếu chụp vật thể di chuyển với tốc độ cao, ta phải tăng tốc độ trập để bắt kịp chúng Ở hình 4.6a, máy ảnh nhận nhiều sáng làm hình bị cháy vài chỗ Hình 4.6b, tăng tốc độ trập lên ta thu vùng sáng đẹp Thay đổi ISO Trong môi trường tối, để chế độ Auto (Tự động), máy ảnh đẩy ISO cao lên để thấy rõ đối tượng, đánh đổi việc ảnh bị nhiễu Nếu môi trường đầy đủ ánh sáng, ISO trả lại giá trị thấp nhất, trường hợp máy ISO 100 29 Hai hình cho ta thấy khác biệt này: hình chụp ISO 100 độ sáng khơng dễ nhìn (a) ISO 3200; 1/800 sec; EV = −2 (b) ISO 100; 1/800 sec; EV = −2 Hình 4.7: Thay đổi ISO Vai trò lưỡi dao (a) Nguồn sáng mạnh, ISO 3200; 1/160 sec; EV = −2, khơng 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 vai trò lưỡi dao Ở hình 4.8a, tương phản vùng khơng khí khơng nhiều Sau giảm cường độ sáng nguồn đồng thời điều chỉnh lưỡi dao xuống chắn phần ảnh nguồn sáng, ta kết 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 = (d) ISO 2500, 1/800 sec, EV = Hình 4.8: Luồng khí nóng lửa đèn cồn 32 (a) (b) Hình 4.9: Luồng khí xung quanh ly nước đá lạnh nên xuống phía 33 (a) Hơi thở từ miệng (b) Hơi thở thoát từ miệng mũi Hình 4.10: Một số hình ảnh schlieren thu từ 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 Gợi ý ứng dụng hệ schlieren vào dạy học trường phổ thông Nhằm minh họa cho ứng dụng hệ quang học schlieren, chương này, người viết gợi ý cách sử dụng hệ vào công tác dạy học Vật lý chất lưu lớp 10 phần kiến thức Hiện tượng đối lưu Trong chương trình Vật lý trung học sở trung học phổ thông Việt Nam nay, tượng đề cập ở: • lớp 8; 22 Đối lưu xạ nhiệt; • lớp 10 bản; 32 Nội biến thiên nội năng; Ngoài ra, mục 2.2 chương trình bày điều kiện để quan sát thấy tượng chất lưu hệ schlieren Các phần kiến thức lại định luật Pascal, đường dịng, ống dịng khơng thích hợp sử dụng hệ để quan sát ta chưa có cách tạo luồng khí di chuyển với tốc độ cao 5.1 5.1.1 Hiện tượng đối lưu Đặt vấn đề Vì lửa hướng lên cách ta cầm nến? Vì máy lạnh lại phải đặt tường cao? Vì bình đun nước điện có cục nóng đặt 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 Học sinh nhắc lại tính chất khơng khí bình thường: suốt, khơng thể nhìn thấy mà cảm nhận tồn cách di chuyển cánh tay thật nhanh khoảng không Giáo viên giới thiệu sơ lược hệ schlieren: quan sát dịng khơng khí chuyển động Giáo viên lắp đặt trình chiếu hệ quang học schlieren để học sinh quan sát, trước hết với vùng khơng khí bình thường Giáo viên đốt đèn cồn cho học sinh quan sát: không thấy tượng phía lửa Đặt đèn cồn vào vị trí để quan sát với hệ schlieren Học sinh nhận xét luồng khí nóng xung quanh lửa di chuyển Nhận xét: Luồng khí xung quanh lửa bị làm nóng, bay lên (a) (b) (c) Hình 5.1: Dịng khí nóng bay lên cuộn xốy 37 Hoạt động 2: Quan sát khí lạnh Học sinh quan sát dịng khí xung quanh ly nước đá mắt thường qua hệ schlieren nhận xét hướng di chuyển Nhận xét: Luồng khí xung quanh ly nước đá lạnh hơn, xuống 5.1.4 Kết luận Khí nóng di chuyển lên trên, khí lạnh chìm xuống 5.1.5 Giải thích Kết hợp kiến thức thuyết động học phân tử, lực Archimedes điều kiện để vật hay chìm để giải thích tượng đối lưu • Xét khối chất lưu có khối lượng khơng đổi Khi đun nóng cách để nguồn nhiệt dưới, theo thuyết động học phân tử, 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, Lực đẩy Archimedes (lớp 10) đề cập đến điều kiện để vật hay chìm Bằng cách so sánh trọng lượng riêng (tương đương với mật độ phân tử) vật với trọng lượng riêng môi trường xung quanh: nhỏ vật nổi, lớn vật chìm, tương đương vật lơ lửng • Khối chất lưu gần nguồn nhiệt nở ra, mật độ phân tử giảm dần, nhỏ so với vùng khác nên lên, chiếm chỗ khối chất lưu lạnh Trong khối vừa bị đẩy xuống làm nóng khối chất lưu bên nguội dần Cứ dịng khí nóng dịng khí lạnh tạo thành dịng chảy khép kín lặp lặp lại đến nhiệt độ vùng chất lưu • Giải thích tương tự cho trường hợp chất lưu làm lạnh 5.1.6 Định nghĩa Đối lưu tượng trao đổi nhiệt có chênh lệch nhiệt độ vùng chất lưu Các vùng có nhiệt độ cao lên trên, vùng có nhiệt độ thấp xuống 38 5.2 Mở rộng 5.2.1 Vì lửa ln hướng lên có đầu nhọn ta có cầm nến theo cách nào? Khối khơng khí xung quanh lửa làm nóng ln di chuyển lên phía mật độ phân tử nhỏ mật độ vùng khơng khí xa lửa Điều làm cho lửa ln hướng lên Ngồi ra, vận tốc di chuyển khối khí tăng dần từ ngồi vào trong, tạo nên lửa có dạng đầu nhọn 5.2.2 Vì máy lạnh lại đặt cao? Như thí nghiệm ta thấy khí lạnh gần nước đá chìm xuống Khí từ máy lạnh thổi có nhiệt độ thấp so với khơng khí phịng, nên chìm xuống Nếu đặt máy lạnh dưới, khí chuyển động thấp gần sàn nhà, khó làm tồn phịng mát hết 5.2.3 Vì bình đun nước có cục nóng đặt đáy bình? Giáo viên mở rộng tượng cho chất lỏng Phần chất lỏng gần sợi đốt nóng bình nước di chuyển thành dịng lên Phần chất lỏng vốn bên lạnh di chuyển thành dịng xuống để tiếp tục làm nóng Nếu đặt sợi đốt phần nước lâu sôi 5.3 Vận dụng Giáo viên hướng dẫn học sinh sử dụng hệ schlieren để quan sát tượng đối lưu xảy với số vật tỏa nhiệt: biến áp máy tính xách tay, điện thoại nóng, bàn tay người, 39 Chương Kết luận hướng phát triển 6.1 Kết luận Trong khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp này, tác giả thiết kế thành công hệ quang học schlieren nhỏ gọn, đơn giản với chi phí thấp nhằm mục tiêu áp dụng vào cơng tác dạy - học nghiên cứu khoa học trường phổ thông Tuy khai thác phần nhỏ khả hệ song quy trình chế tạo kết bước đầu nghiên cứu tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn sinh viên khoa Vật lý, giáo viên, kể học sinh hay độc giả quan tâm xây dựng cho riêng hệ schlieren, từ sử dụng cách hiệu 6.2 Hướng phát triển Hệ schlieren gợi ý xây dựng khóa luận áp dụng cho chất khí Bên cạnh đó, hạn chế thời gian điều kiện, tác giả chưa thể tiến hành thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu việc sử dụng hệ quang học cơng tác dạy - học Vì vậy, hướng phát triển đề tài nâng cấp hệ để quan sát tượng chất lỏng 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 giáo viên có kinh nghiệm với học sinh để có điều chỉnh, cải tiến, mở rộng để phù hợp với mục tiêu đặt 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: http://www.cems.uvm.edu/~jmmeyers/ME123/Lectures/ME% 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_12_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 Diệp Ngọc Anh Quang học Đại học Sư phạm TP HCM, 2004, pp 245–250 41