Khóa luận tốt nghiệp Nghiên cứu thiết kế và chế tạo kính thiên văn trường học

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong quá trình thực tập giảng dạy môn Vật lý ở trường phổ thông tôi nhận ra rằng có một số kiến thức vật lý thầy cô giáo không thể diễn tả cho học sinh hiểu rõ thông qua lời nói mà phải biểu diễn dưới dạng các thí nghiệm. Khi tiến hành các thí nghiệm và hướng dẫn các em làm thí nghiệm mục đích đầu tiên là giúp các em hiểu bài và có hứng thú hơn trong việc học môn Vật lý, đồng thời thông qua đó giúp các em tiếp cận về phương pháp nghiên cứu trong khoa học. Nhưng do điều kiện về kinh tế hiện nay, không phải bất kì trường học nào cũng có thể đáp ứng đầy đủ dụng cụ thí nghiệm giảng dạy cho giáo viên. Vì vậy ngành giáo dục đã khuyến khích mỗi giáo viên phải chủ động và sáng tạo trong việc dạy học, tự tạo ra các dụng cụ dạy học để phục vụ cho nhu cầu giảng dạy của bản thân và giúp đỡ nhu cầu giảng dạy của đồng nghiệp. Là một giáo viên tương lai tôi luôn ý thức về việc này và cố gắng sử dụng tối đa các thí nghiệm có được của nhà trường để phục vụ công tác giảng dạy, đồng thời tìm hiểu để tạo ra các thí nghiệm phục vụ cho công tác giảng dạy của bản thân và giúp ích phần nào cho đồng nghiệp. Ngoài mục tiêu mong muốn được quan sát, khám phá những hành tinh, vệ tinh,..trong hệ mặt trời thì tôi cũng tìm hiểu được rằng hiện nay các loại kính thiên văn khó có điều kiện để trang bị trong các phòng Vật lý trung học phổ thông nhất là các vùng khó khăn, dân tộc thiểu số chưa điều kiện học tập, cũng như theo sự tìm hiểu của tôi thì ở một số trường trung học phổ thông trong tỉnh nhà chưa trang bị các loại kính thiên văn quang học để phục vụ việc học tập của học sinh cũng như việc giảng dạy của giáo viên. Các thiết bị thiên văn như kính thiên văn, ống nhòm nghiệp dư phục vụ quan sát trên thị trường thì lại có giá thành khá cao nằm ngoài tầm với của hầu hết sinh viên đam mê thiên văn. Các thiết bị thiên văn giá rẻ với các tính năng được quảng cáo tốt tuy nhiên chất lượng thực tế không đảm bảo. Đó là lý do đặt ra ngăn cản tôi cũng như một số sinh viên khác yêu thích thiên văn quan sát bầu trời. Và tôi đã nhận thấy rằng kính thiên văn trường học chủ yếu là loại quang học gồm khúc xạ và phản xạ, chúng hoàn toàn nằm trong khả năng chế tạo của tôi với những vật liệu sẵn có xung quanh. Với mong muốn chế tạo một kính thiên văn đảm bảo chất lượng với giá thành phù hợp và có thể tận dụng những gì mà trường cũng như tôi sẵn có. Tạo điều kiện cho các bạn yêu thiên văn Đại học Quảng Bình có thể tiếp cận tìm hiểu cũng như nâng cao hiểu biết của mình về thế giới vũ trụ xung quanh chúng ta. Quan trọng hơn hết đó là kết quả của khoá luậ đã tạo ra sản phẩm là hai kính thiên văn quang học cho phòng thí nghiệm trung học phổ thông đáp ứng nhu cầu giảng dạy cũng như học tập của học sinh, vì vậy nên tôi đã lựa chọn thực hiện khoá luận “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo kính thiên văn trường học ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu: - Tổng hợp được tài liệu tổng quan lý thuyết về kính thiên văn. - Thiết kế, chế tạo một kính thiên văn phản xạ, một kính thiên văn khúc xạ trường học trung học phổ thông. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng: Kính thiên văn. - Phạm vi: •Kính thiên văn khúc xạ với đường kính khẩu độ là 90 mm, tiêu cự 900 mm (d90f900). •Kính thiên văn phản xạ với đường kính khẩu độ là 150 mm, tiêu cự 750 mm (d150f750). 4. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài (Nhiệm vụ nghiên cứu): - Tìm hiểu và nắm vững những kiến thức liên quan. - Chế tạo được hai loại kính thiên văn khúc xạ và thiên văn phản xạ nghiệp dư và ứng dụng quan sát các vệ tinh, hành tinh trong hệ mặt trời, các hiện tượng thiên văn, chòm sao. - Tăng hứng thú học tập và nghiên cứu khoa học. - Ứng dụng trong dạy học vật lý trung học phổ thông. 6. Cấu trúc của đề tài - PHẦN MỞ ĐẦU. - PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT. - PHẦN II: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KÍNH THIÊN VĂN TRƯỜNG HỌC. - PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. - PHẦN IV: KẾT LUẬN.

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

 Ban giám hiệu trường Đại học Quảng Bình, Khoa Khoa học tự nhiên, Bộ mônVật lý đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất, thiết bị, thời gian

và các điều kiện khác để tôi có thể hoàn thành khoá luận đúng thời hạn

 Cùng hai bạn sinh viên trong nhóm nghiên cứu là Phan Văn Lộc và NguyễnXuân Vương đã tận tình giúp đỡ tôi và cùng góp sức hoàn thành hai đề tài vềkính thiên văn quang học trong nội dung nghiên cứu khoa học cấp Khoa, cấpTrường

 Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Hoàng Sỹ Tài, người đã hướngdẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành khoá luận này

Đồng Hới, 07/04/2019

Sinh viên thực hiện

Võ Đức Mạnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

1 Lý do chọn đề tài 7

2 Mục tiêu nghiên cứu: 8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 8

4 Phương pháp nghiên cứu: 8

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

6 Cấu trúc của đề tài 9

Phần I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10

1.1 Kính thiên văn 10

1.2 Phân loại kính thiên văn 12

1.2.1 Phận loại theo cơ chế 12

1.2.2 Phân loại theo bước sóng 13

1.3 Một số hiện tượng vật lý, định luật vật lý ứng dụng trong chế tạo kính thiên văn 15

1.3.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng 15

1.3.2 Hiện tượng tán sắc ánh sáng 16

1.3.3 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ và phân kì 16

1.3.4 Ảnh của một vật tạo bởi gương phẳng 17

1.3.5 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lõm 18

1.3.6 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lồi 19

1.3.7 Hiện tượng phản xạ toàn phần 20

Phần II NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KTV TRƯỜNG HỌC 21

2.1 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo kính thiên văn khúc xạ 21

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 21

2.1.2 Sơ đồ chế tạo 23

2.1.3 Kết quả sơ lược 24

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý 25

2.2.2 Sơ đồ chế tạo 26

2.2.3 Kết quả sơ lược 28

Phần III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Ứng dụng kính thiên văn quang học trong quan sát thiên văn 29

3.1.1 Quan sát ban ngày 29

3.1.2 Quang sát thiên văn 31

3.1.3 Đánh giá kết quả 35

3.2 Ứng dụng kính thiên văn trong dạy học bộ môn Vật lý THPT 37

3.2.1 Hướng dẫn sử dụng 37

3.2.2 Ứng dụng trong dạy học bài “Kính thiên văn” Vật lý nâng cao 11 37

PHẦN IV KẾT LUẬN 41

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Kính thiên văn phản xạ……… 12

Hình 1.2 Kính thiên văn khúc xạ……… 13

Hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng……… 15

Hình 1.4 Hiện tượng tán sắc ánh……… 16

Hình 1.5 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ……… 16

Hình 1.6 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính phân kì……… 17

Hình 1.7 Ảnh của một vật tạo bởi gương phẳng…….……… 17

Hình 1.8 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lõm… ……… 18

Hình 1.9 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lồi………

19 Hình 1.10 Hiện tượng phản xạ toàn phần……… 20

Hình 2.1 Sơ đồ kính thiên văn khúc xạ và sự tạo ảnh ở vô cực……… 21

Hình 2.2 Hiện tượng sắc sai qua thấu kính……… 22

Hình 2.3 Hiện tượng sắc sai của thấu kính chuẩn và không chuẩn…… 22

Hình 2.4 Hệ tiêu sắc khi ghép 2 thấu kính……… 22

Hình 2.5 Sơ đồ chế tạo kính thiên văn khúc xạ……… 23

Hình 2.6 Kính thiên văn hoàn chỉnh sau khi chế tạo……… 24

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kính thiên văn phản xạ……… 25

Hình 2.8 Sơ đồ chế tạo kính thiên văn phản xạ……… 26

Hình 2.9 Kính thiên văn hoàn chỉnh sau khi chế tạo……… 28

Hình 3.1 Ảnh chụp các vật thể từ khoảng cách 150 m, 300 m, 4 km… 29

Hình 3.2 Hoa bằng lăng ở sân trường ở khoảng cách gần 150 m……… 30

Hình 3.3 Cột cờ trước nhà hiệu bộ ở khoảng cách gần 250 m………… 30

Hình 3.4 Cột angten ở khoảng cách gần 4 km……… 30

Hình 3.5 Hình ảnh mặt trăng lúc vừa mọc quan sát bằng kính thiên văn khúc xạ………

31 Hình 3.6 Hình ảnh mặt trăng lúc lên cao quan sát bằng kính thiên văn khúc xạ………

31 Hình 3.7 Một số núi lửa và đại dương xác định được khi quan sát…… 32

Hình 3.8 Hình ảnh Mặt Trăng lúc vừa mọc……… 33

Hình 3.9 Hình ảnh mặt Mặt Trăng khi lên cao……… 34

Hình 3.10 Hình ảnh một số miệng núi lửa và đại dường trên Mặt Trăng 35

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình thực tập giảng dạy môn Vật lý ở trường phổ thông tôi nhận rarằng có một số kiến thức vật lý thầy cô giáo không thể diễn tả cho học sinh hiểu rõthông qua lời nói mà phải biểu diễn dưới dạng các thí nghiệm Khi tiến hành các thínghiệm và hướng dẫn các em làm thí nghiệm mục đích đầu tiên là giúp các em hiểubài và có hứng thú hơn trong việc học môn Vật lý, đồng thời thông qua đó giúp các emtiếp cận về phương pháp nghiên cứu trong khoa học

Nhưng do điều kiện về kinh tế hiện nay, không phải bất kì trường học nào cũng

có thể đáp ứng đầy đủ dụng cụ thí nghiệm giảng dạy cho giáo viên Vì vậy ngành giáodục đã khuyến khích mỗi giáo viên phải chủ động và sáng tạo trong việc dạy học, tựtạo ra các dụng cụ dạy học để phục vụ cho nhu cầu giảng dạy của bản thân và giúp đỡnhu cầu giảng dạy của đồng nghiệp Là một giáo viên tương lai tôi luôn ý thức về việcnày và cố gắng sử dụng tối đa các thí nghiệm có được của nhà trường để phục vụ côngtác giảng dạy, đồng thời tìm hiểu để tạo ra các thí nghiệm phục vụ cho công tác giảngdạy của bản thân và giúp ích phần nào cho đồng nghiệp

Ngoài mục tiêu mong muốn được quan sát, khám phá những hành tinh, vệtinh, trong hệ mặt trời thì tôi cũng tìm hiểu được rằng hiện nay các loại kính thiên vănkhó có điều kiện để trang bị trong các phòng Vật lý trung học phổ thông nhất là cácvùng khó khăn, dân tộc thiểu số chưa điều kiện học tập, cũng như theo sự tìm hiểu củatôi thì ở một số trường trung học phổ thông trong tỉnh nhà chưa trang bị các loại kínhthiên văn quang học để phục vụ việc học tập của học sinh cũng như việc giảng dạy củagiáo viên

Các thiết bị thiên văn như kính thiên văn, ống nhòm nghiệp dư phục vụ quan sáttrên thị trường thì lại có giá thành khá cao nằm ngoài tầm với của hầu hết sinh viênđam mê thiên văn Các thiết bị thiên văn giá rẻ với các tính năng được quảng cáo tốttuy nhiên chất lượng thực tế không đảm bảo Đó là lý do đặt ra ngăn cản tôi cũng nhưmột số sinh viên khác yêu thích thiên văn quan sát bầu trời Và tôi đã nhận thấy rằng

kính thiên văn trường học chủ yếu là loại quang học gồm khúc xạ và phản xạ, chúnghoàn toàn nằm trong khả năng chế tạo của tôi với những vật liệu sẵn có xung quanh.Với mong muốn chế tạo một kính thiên văn đảm bảo chất lượng với giá thànhphù hợp và có thể tận dụng những gì mà trường cũng như tôi sẵn có Tạo điều kiện chocác bạn yêu thiên văn Đại học Quảng Bình có thể tiếp cận tìm hiểu cũng như nâng caohiểu biết của mình về thế giới vũ trụ xung quanh chúng ta Quan trọng hơn hết đó làkết quả của khoá luậ đã tạo ra sản phẩm là hai kính thiên văn quang học cho phòng thínghiệm trung học phổ thông đáp ứng nhu cầu giảng dạy cũng như học tập của học

sinh, vì vậy nên tôi đã lựa chọn thực hiện khoá luận “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo kính thiên văn trường học ”.

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Tổng hợp được tài liệu tổng quan lý thuyết về kính thiên văn

- Thiết kế, chế tạo một kính thiên văn phản xạ, một kính thiên văn khúc xạ trườnghọc trung học phổ thông

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: Kính thiên văn

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài (Nhiệm vụ nghiên cứu):

- Tìm hiểu và nắm vững những kiến thức liên quan

- Chế tạo được hai loại kính thiên văn khúc xạ và thiên văn phản xạ nghiệp dư vàứng dụng quan sát các vệ tinh, hành tinh trong hệ mặt trời, các hiện tượng thiên văn,chòm sao

- Tăng hứng thú học tập và nghiên cứu khoa học.

- Ứng dụng trong dạy học vật lý trung học phổ thông

6 Cấu trúc của đề tài

Phần I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Kính thiên văn

Kính thiên văn là một dụng cụ giúp quan sát các vật thể nằm ở khoảng cách xa sovới khoảng cách mà con người có thể nhìn thấy được, được ứng dụng trong quan sátthiên văn

Người đầu tiên đăng kí bằng sáng chế kính thiên văn là nhà chế tạo kính mắtngười Hà Lan tên là Hans Lippershey (hay Lipperhey) Vào năm 1608, Lippershey đãcố khẳng định về một dụng cụ có độ phóng đại gấp ba lần Chiếc kính thiên văn củaông có một thị kính phân kì sắp đồng trục với một vật kính hội tụ

Năm 1609, Galileo Galilei thiết kế kính thiên văn của riêng mình Ông đã có mộtsố cải tiến trên thiết kế ban đầu của mình và đã giới thiệu dụng cụ của ông trước Hộiđồng thành phố Venice Galileo là người đầu tiên hướng kính thiên văn lên trời Ông

đã có thể thấy rõ những ngọn núi và miệng hố trên mặt trăng, và cả dải sáng khuếchtán vắt ngang qua bầu trời – tức dải Ngân Hà Ông còn phát hiện thấy mặt trời có cácvết đen, và Mộc tinh thì có 4 vệ tinh riêng của nó

Ở những nơi khác thuộc châu Âu, các nhà khoa học bắt đầu cải tiến kính thiênvăn Johannes Kepler đã nghiên cứu quang học và thiết kế một chiếc kính thiên văn cóhai thấu kính hội tụ, nó cho ảnh bị lộn ngược Từ những tác phẩm của Kepler, IsaacNewton đã lý giải rằng dùng gương thay cho thấu kính sẽ đem đến kính thiên văn tốthơn và ông đã chế tạo chiếc kính thiên văn phản xạ nổi tiếng của mình vào năm 1668.Hàng thế kỉ sau đó, kính thiên văn phản xạ đã thống lĩnh thiên văn học

Chiếc kính thiên văn khúc xạ lớn nhất từng được chế tạo đi vào hoạt động tại Đàithiên văn Yerkes ở Vịnh Williams, bang Wisconsin, Mĩ, vào năm 1897 Nhưng thấukính thủy tinh đường kính 40 inch tại Yerkes sớm bị lỗi thời trước sự ra đời của nhữngcái gương lớn Kính thiên văn phản xạ 100 inch Hooker khánh thành vào năm 1917 tạiĐài thiên văn Núi Wilson ở Pasadena, bang California của Mĩ Đó chính là nơi nhà

thiên văn học Edwin Hubble đã xác định khoảng cách đến Tinh vân Andromeda – nằm

xa bên ngoài dải Ngân Hà [3]

Với sự phát triển của radio, các nhà khoa học có thể bắt đầu nghiên cứu khôngchỉ riêng ánh sáng, mà cả những bức xạ điện từ khác trong không gian Một kĩ sưngười Mĩ tên là Karl Jansky là người đầu tiên phát hiện ra bức xạ vô tuyến đến từ vũtrụ vào năm 1931 Ông tìm thấy một nguồn nhiễu vô tuyến từ tâm của dải Ngân Hà

Kể từ đó, các kính thiên văn vô tuyến đã lập bản đồ hình dạng của các thiên hà các sựtồn tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã xác nhận một tiên đoán trong Thuyết BigBang

Tháng 4 năm 1990, Kính thiên văn vũ trụ Hubble được đưa lên quỹ đạo Chiếckính thiên văn phản xạ này khai thác các camera kĩ thuật số và truyền thông qua vệtinh để quan sát vũ trụ bên ngoài tầm nhiễu của khí quyển Trái đất và ô nhiễm ánhsáng Hơn 200 năm sau khi Galileo hướng chiếc kính thiên văn của ông lên trời, conngười đã có thể quan sát vũ trụ từ trên trời (trên quỹ đạo)

Tại Việt Nam, đài thiên văn Nha Trang khởi công xây dựng từ năm 2014 baogồm một kính thiên văn quang học có đường kính kích thước 0,5 mét Kính thiên văncủa Đài thiên văn Nha Trang là kính thiên văn quang học phản xạ do Công ty Marconthiết kế và chế tạo Cấu trúc dẫn động của kính được đồng bộ với mái vòm điều khiển

tự động Kính được trang bị một máy ảnh và một bộ phân tích phổ có độ phân giảihình ảnh và quang phổ cao trong vùng bước sóng rộng Một số nghiên cứu dự kiến cóthể được thực hiện trên hệ kính này là: quan sát những sao biến quang, từ đó thực hiệnnghiên cứu khí quyển (bề dầy, mây, mù); đo phổ vạch của các sao để thu thông tin vềloại sao, tốc độ quay và độ lớn từ trường trên bề mặt sao; đo vận tốc xuyên tâm củasao chủ để tìm kiếm ngoại hành tinh; đo tốc độ quay của một số hành tinh; nghiên cứuhình thái của các thiên hà; tìm kiếm thiên thể gần Trái đất, siêu tân tinh hay phát xạquang đi kèm với những bùng phát vô tuyến nhanh

Về kính thiên văn nghiệp dư, hiện nay có khá nhiều câu lạc bộ thiên văn thựchiện chế tạo và thu được những kết quả nhất định Có thể kể đến như hội thiên văn

tạo được những sản phẩm chất lượng như các loại kính thiên văn khúc xạ, phản xạ vớikhẩu độ lớn, độ phóng đại cao [1]

1.2 Phân loại kính thiên văn [5]

1.2.1 Phân loại theo cơ chế

1.2.1.1 Kính thiên văn phản xạ

Kính thiên văn 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

Một trong các kính thiên văn phản

xạ đầu tiên do nhà thiên văn người

Scotland James Gregory phát minh năm

1663, dùng một mặt gương lõm hội tụ

thay vì thấu kính hội tụ để thu gom ánh

sáng tới tạo ảnh Ảnh có thể được thu

thập hay được phóng đại thêm qua các gương phụ trợ

Kính thiên văn phản xạ có ưu điểm lớn là tránh hiện tượng tán sắc

Với mọi kính thiên văn, số photon thu được tỷ lệ thuận với diện tích phần thu(gương đối với kính thiên văn phản xạ và thấu kính với kính thiên văn khúc xạ) Đồngthời độ phân giải tỷ lệ với đường kính của phần thu Ví dụ, khi dùng gương có bánkính 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 thướcthấu kính Đây cũng là ưu điểm của kính thiên văn phản xạ

Đa số các kính thiên văn ngày nay, có đường kính cỡ từ vài chục xentimét trởlên, phục vụ cho quan sát thiên văn, đều là kính thiên văn phản xạ

Hình 1.1 Kính thiên văn phản xạ

1.2.1.2 Kính thiên văn khúc xạ

Kính thiên văn khúc xạ là loại kính thiên văn dùng các thấu kính để thay đổiđường truyền của các bức xạ điện từ, thông qua hiện tượng khúc xạ, tạo ra ảnh rõ nétcủa vật thể ở xa

Một trong các kính thiên văn khúc xạ đầu

tiên do Galileo (1564–1642) chế tạo, sử dụng

một vật kính, là thấu kính hội tụ để gom các tia

sáng vào một mặt phẳng cách thấu kính hội tụ

một khoảng được gọi là tiêu cự Ánh sáng bị

khúc xạ tạo ra một ảnh rất nhỏ của một vì sao

hay hành tinh Kế tiếp, ảnh đi qua thị kính, trong

kính của Galileo là thấu kính phân kì Hiện nay,

ảnh đi qua vật kính còn được phóng đại qua thị

kính là một thấu kính hội tụ

Kính thiên văn khúc xạ có trở ngại chính là sự tán sắc Vì thủy tinh hay các vậtliệu làm thấu kính có chiết suất khác nhau cho các bước sóng bức xạ điện từ khácnhau

1.2.2 Phân loại theo bước sóng

1.2.2.1 Kính thiên văn quang học

Kính thiên văn quang học là một loại kính thiên văn thu thập và tập trung ánhsáng, chủ yếu từ phần quang phổ điện từ nhìn thấy và lân cận, tạo ra một hình ảnhphóng to để quan sát trực tiếp, hoặc chụp ảnh hoặc thu thập dữ liệu qua cảm biến hìnhảnh điện tử

Có ba loại chính của kính thiên văn quang học:

+ Khúc xạ, sử dụng các thấu kính

+ Phản xạ, sử dụng gương cầu

+ Kết hợp ống kính và gương

Hình 1.2 Kính thiên văn khúc xạ.

Khả năng thu thập ánh sáng của kính thiên văn và khả năng phân giải các chi tiếtnhỏ liên quan trực tiếp đến đường kính (hoặc khẩu độ) của vật kính của nó (ống kínhchính hoặc gương thu và tập trung ánh sáng) Vật kính càng lớn thì kính thiên văn sẽthu thập được càng nhiều và chi tiết nó sẽ phân giải tốt hơn.

1.2.2.2 Kính thiên văn vô tuyến

Kính thiên văn vô tuyến là các kính thiên văn hoạt động với cơ chế như kínhthiên văn giao thoa hoặc kính thiên văn phản xạ, trong dải sóng vô tuyến

Kính thiên văn vô tuyến được ứng dụng chủ yếu trong quan sát thiên văn vàtrong liên lạc thông tin trong công nghệ vũ trụ

Đối với quan sát thiên văn, các kính thiên văn quang học, trong ứng dụng quansát bầu trời từ Trái Đất, chỉ dùng được trong những đêm bầu trời không có mây và banngày không quan sát được vì Mặt Trời chiếu sáng Các kính thiên văn vô tuyến có thểgiúp vượt qua trở ngại này, do tín hiệu vô tuyến ít bị nhiễu hơn vào ban ngày và đixuyên qua các đám mây

Trở ngại chính của các kính thiên văn vô tuyến là do bước sóng của sóng vôtuyến thường dài cỡ mét, để đạt độ phân giải cao, cần xây dựng các gương có đườngkính khổng lồ Cách giải quyết là dùng kỹ thuật của kính thiên văn giao thoa, sử dụngnhững tín hiệu đồng bộ thu được từ những kính thiên văn phản xạ nằm xa nhau.Khoảng cách lớn giữa từng kính thiên văn phản xạ đơn lẻ có thể coi tương đương với

"đường kính" của hệ các kính

1.2.2.3 Kính thiên văn hồng ngoại

Kính thiên văn hồng ngoại thường áp dụng thiết kế cơ bản của kính thiên vănphản xạ, nhưng có một bộ phận ở tiêu điểm để chỉ ghi nhận tia hồng ngoại

Các vật thể có nhiệt độ khoảng vài trăm độ K có bức xạ vật đen với cực đạithường nằm trong dải hồng ngoại Do vậy kính thiên văn hồng ngoại giúp quan sát cácvật thể nóng ấm ở xa, đặc biệt là trong đêm tối, khi không có bức xạ hồng ngoại củaMặt Trời gây nhiễu Kính thiên văn hồng ngoại được ứng dụng trong quan sát trongban đêm các sinh vật, người hay vật thể có nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn môi trường,đặc biệt trong do thám quân sự

Đối với quan sát thiên văn học, loại kính này có ít ứng dụng trên Trái Đất dongay cả vào ban đêm, tín hiệu đến từ không gian vũ trụ bên ngoài bị hấp thụ mạnh bởikhí quyển Trái Đất Ngoài ra, tín hiệu còn có thể bị nhiễu do các nguồn nhiệt trên TráiĐất Chúng được dùng nhiều hơn cho quan sát thiên văn từ không gian, thường kèmtheo kỹ thuật loại bỏ bức xạ hồng ngoại nền của môi trường xung quanh Bức xạ nềnđược thu riêng và ghi nhớ lại, sau đó hình ảnh không gian sẽ được trừ đi phần bức xạnền Kính thiên văn hồng ngoại thường được giữ ở nhiệt độ rất thấp khi vận hành, đểhạn chế bức xạ nền phát ra từ chính nó.

1.3 Một số hiện tượng vật lý, định luật vật lý ứng dụng trong chế tạo kính thiên văn[2]

1.3.1 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng khúc xạ ánh sáng là hiện

tương ánh sáng bị gãy khúc khi truyền xiên

một góc khi đi từ môi trường này đến môi

trường khác

Do môi trường khác nhau là chiết

xuất khác nhau, nên tốc độ truyền ánh sáng

trong các môi trường là khác nhau Theo

Nguyên lý Huyghen khi đến mặt phân cách

của hai môi trường theo phương xiên góc

vận tốc ánh sáng thay đổi đột ngột khiến cho tia sáng bị đổi hướng gây ra hiện tươngkhúc xạ ánh sáng

Công thức:

n2

n1 = v1

v2

với:n1và n2 lần lượt là chiết suất của môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai

v1và v2 lần lượt là vân tốc của ánh sáng trong môi trường thứ nhất và môi trường thứhai

1.3.2 Hiện tượng tán sắc ánh sáng

Hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Hiện tượng tán sắc ánh sáng là hiện tượng ánh sáng trắng khi đi qua lăng kínhkhông những bị khúc xạ về phía đáy của lăng kính, mà còn bị tán ra thành nhiều chùmsáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím.

Bởi vì chiết suất chất làm lăng kính khác nhau đối với các ánh sáng đơn sắc khácnhau và bước sóng của các ánh sáng đơn sắc khác nhau ở môi trong trong suốt Nênkhi đi qua lăng kính các ánh sáng đơn sắc khác nhau sẽ bị lệch một góc khác nhau tạothành một dải màu từ đỏ đến tím

1.3.3 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ và phân kì

*Thấu kính hội tụ

Khái niệm: Thấu kính hội tụ có phần rìa mỏng hơn phần giữa, giới hạn bởi haimặt cầu hoặc một mặt phẳng và một mặt cầu Thấu kính hội tụ là thấu kính màchùm tia sáng song song sau khi đi qua kính sẽ được hội tụ tại một tâm nhất định

(a) (b) (c)

Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ:

– Vật đặt ngoài khoảng tiêu cự cho ảnh thật, ngược chiều với vật

– Khi vật đặt rất xa thấu kính cho ảnh thật, ngược chiều với vật và có vị trí nằm trên tiêu cự (hình 1.5a)

– Vật đặt trong khoảng tiêu cự cho ảnh ảo, lớn hơn vật và cùng chiều với vật(hình 1.5b)

Hình 1.4 Hiện tượng tán sắc ánh

sáng

Hình 1.5 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính.

hội tụ.

– Khi vật đặt trên tiêu cự cho ảnh thật, ở rất xa thấu kính (hình 1.5c).

*Thấu kính phân kì

(a) (b) (c)

Khái niệm: Thấu kính phân kì là thấu kính có phần rìa dày hơn phần giữa, chùmtia sáng song song sau khi đi qua thấu kính thì cho ta các tia ló kéo dài gặp nhau tạitiêu điểm F của thấu kính

Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính phân kì:

– Vật đặt tại mọi vị trí trước thấu kính phân kì luôn cho ảnh ảo, cùng chiều,nhỏ hơn vật và luôn nằm trong khoảng tiêu cự d’ của thấu kính

1.3.4 Ảnh của một vật tạo bởi gương phẳng

Hình 1.7 Ảnh của một vật tạo bởi gương phẳng.

Hình 1.6 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính phân kì.

Gương phẳng là gương có bề mặt là một phần của mặt phẳng hay không

có mặt cong, từ một tấm kính và đằng sau được tráng một lớp bạc phản xạ tốt hơn nên

có thể phản xạ lại toàn bộ ánh sáng

- Gương phẳng cho ta ảnh ảo cùng chiều với vật và có độ lớn bằng vật

- Khoảng cách từ ảnh đến gương bằng khoảng cách từ vật đến gương hay ảnh đốixứng với vật qua gương, nghĩa là khoảng cách từ vật đến gương bằng gương đếnvật

- Ảnh ảo, không hứng được trên màn chắn

- Nếu hai vật cùng kích thước đứng trước gương, vật 1 cách gương xa hơn vật 2 thìảnh của vật 1 nhỏ hơn của vật 2

- Hình của một vật quan sát được trong guơng gọi là ảnh của vật tạo bởi gương

1.3.5 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lõm[7]

 Gương cầu lõm cho ảnh thật và ngược chiều vật trên màn chắn trước gương

và nhỏ hơn vật khi khoảng cách từ vật đến gương lớn hơn khoảng cách từtâm của gương đến gương (d > 2f)

 Gương cầu lõm có thể biến đổi một chùm tia sáng tới song song thành chùmtia phản xạ hội tụ, từ một chùm tia sáng phân kì hay hội tụ thành một chùmtia phản xạ song song, từ chùm tia sáng phân kì thành chùm tia phản xạ hộitụ hay từ chùm tia sáng hội tụ thành chùm tia phản xạ phân kì

1.3.6 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lồi[8]

Hình 1.9 Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lồi.

Gương cầu lồi, gương mắt cá hoặc gương phân kì, là gương có bề mặt là mộtphần của hình cầu và bề mặt cong phản xạ hướng về phía nguồn sáng

 Gương cầu lồi luôn cho ta ảnh ảo, cùng chiều và nhỏ hơn vật vì cả tiêu điểm (F)

và tâm của gương (O) đều nằm khác phía với ảnh thật Ảnh càng lớn nếu vật đặtcàng gần bề mặt phản xạ và tiến tới xấp xỉ bằng kích thích của vật khi vật tiến sát

1.3.7 Hiện tượng phản xạ toàn phần

Hình 1.10 Hiện tượng phản xạ toàn phần.

Hiện tượng phản xạ toàn phần (còn được gọi là phản xạ nội toàn phần) (tiếng Anh: total internal reflection) là một hiện tượng quang học Nó được phát biểu thành

định luật sau:

Cho hai môi trường 1 và 2 với độ chiết suất tương ứng là n1 và n2 và n2 < n1 Khimột tia sáng đi trong môi trường 1 tới bề mặt phân cách giữa môi trường 1 với môitrường 2 mà có góc tới đạt giá trị đủ lớn ( i > igh ), với igh là góc khúc xạ giới hạn) thìtia sáng sẽ phản xạ ngược trở lại môi trường cũ (thay vì khúc xạ ánh sáng môi trườngmới)

Trong định luật trên, góc khúc xạ giới hạn (còn được gọi là góc khúc xạ tới hạn)

được tính theo công thức:

igh = arcsin (n n2

1)

Phần II

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KÍNH THIÊN VĂN TRƯỜNG HỌC

2.1 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo kính thiên văn khúc xạ

Kính thiên văn khúc xạ là loại kính thiên văn dùng các thấu kính để thay đổiđường truyền của các bức xạ điện từ, thông qua hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tạo raảnh rõ nét của vật thể ở xa Ở phần này tôi xin trình bày các quy trình thiết kế của kínhthiên văn khúc xạ có tiêu cự 90 mm và có khẩu độ 900 mm và sử dụng các vật liệu dễtìm kiếm, có giá thành rẻ mà vẫn đảm bảo được chất lượng hình ảnh quan sát

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý [2]

Hình 2.1 Sơ đồ kính thiên văn khúc xạ và sự tạo ảnh ở vô cực.

Bộ phận quan trọng nhất của kính thiên văn khúc xạ gồm 2 thấu kính hội tụ:+ Vật kính có tiêu cự lớn có f1

+ Thị kính có tiêu cự nhỏ có tiêu cự f2, tùy thuộc vào mục đích và khoảng cáchquan sát ta có thể thay đổi các loại thị kính sao cho phù hợp

Khi ta hướng ống kính về phía cần quan sát AB xem như ở xa vô cực, vật kínhcho một ảnh thật A1B1 nằm ở tiêu điểm ảnh của vật kính Thị kính cho ảnh cuối cùng

A2B2 là một ảnh ảo, ngược chiều với vật AB

Theo sơ đồ nguyên lý ta vẫn có thể chế tạo kính thiên văn theo lý thuyết nhưng

so với thực tế khi lắp hai thấu kính hội tụ đồng trục với nhau thì xảy ra các hiện tượngảnh hưởng tới kết quả thu được như:

Hình 2.2 Hiện tượng sắc sai qua thấu kính Hình 2.3 Hiện tượng sắc sai của thấu

kính chuẩn và không chuẩn.

+ Hiên tượng sắc sai: là hiện tượng ánh sáng trắng sau khi đi qua thấu kính ánhsáng bị sai lệch biến thành một chùm sáng với phân bố từ đỏ đến tím Nguyên nhân là

do ánh sáng trắng (là tập hợp của 7 màu cơ bản: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím)các tia sáng này có bước sóng khác nhau và khi khúc xạ qua lăng kính hoặc thấu kínhchúng sẽ có các sai lệch khác nhau Từ đó dẫn đến hiện tượng hội tụ ánh sáng khôngchính xác Mức sai khác sẽ phụ thuộc vào chiết suất của loại kính và chất lượng giacông [6]

Để hạn chế hiện tượng sắc sai và

cầu sai tôi đã thực hiện ghép hai thấu

kính với nhau trong đó gồm một thấu

kính hội tụ ghép sát với một thấu kính

phân kì có chiết xuất khác nhau tạo

thành một hệ tiêu sắc Khi qua thấu

kính phân kì thì các tia sáng bị bẻ ra

phía ngoài quang trục thay vì bẻ vào Hình 2.4 Hệ tiêu sắc khi ghép 2 thấu kính.

trong như kính hội tụ và cũng là góc khúc xạ của tia có bước sóng càng ngắn như tiatím sẽ lớn hơn các tia có bước sóng dài như tia đỏ Tính toán bù trừ nhau sao cho cáctia sẽ cùng hội tụ tại một điểm Hệ thấu kính như vậy gọi là hệ tiêu sắc.

2.1.2 Chế tạo

Với mục tiêu chế tạo kính thiên văn khúc xạ dựa theo nguyên lý hoạt động nhưtrên, tôi đã sử dụng những vật liệu dễ tìm kiếm và giá thành rẻ như các loại ống nhựaPVC, các bộ phận, chi tiết từ các thiết bị cũ

Hình 2.5 Sơ đồ chế tạo kính thiên văn khúc xạ.

- Ống nối ϕ 100 mm có tác dụng cố định vật kính bằng cách dùng băng keo haimặt quấn quanh viền vật kính sao cho khi cho vật kính vào ống nối thì vừa khít, ngoài

ra ống nối cũng có tác dụng nối vật kính với ống ϕ 90 mm Ống ϕ 90 mm có tác dụngnối đai giữ vật kính (ống nối ϕ 100 mm -100 mm) với ống nối phía sau, ống có chiềudài khoảng 35 cm Ống ϕ 80 mm giúp nối đai giữ vật kính với ống nối ϕ 90 mm - 90

mm, ống có độ dài khoảng 30 cm Ống nối ϕ 90 mm - ϕ 90 mm có vai trò nối ống ϕ 80

mm với bộ chỉnh nét, ống có độ dài khoảng 7.5 cm Để nối thân kính với các bộ phậnkhác như chân đế, bộ phận chỉnh góc, kính tìm mục tiêu ta khoan trên thân kính các lỗnhỏ có đường kính 3 mm để bắt đinh vít

- Phần ống giữ vật kính là một ống nối có ϕ 100 mm được bóp nhỏ từ ống ϕ 110mm.

- Vật kính thiên văn khúc xạ gồm phần thấu kính mỏng (thấu kính hội tụ) hướng

về phía vật cần quan sát, phần thấu kính dày (thấu kính phân kì) sẽ nằm phía sau, cùngphía với người quan sát đã được chuẩn trực chính xác, chúng làm bằng thủy tinh khighép lại có tiêu cự dài f1= 0.9 m, ở giữa có ba miếng băng keo hai mặt trong suốt dáncách đều ba hướng tại rìa mép của các thấu kính nhằm cố định hai kính lại với nhau,ngoài ra nó sẽ giữ cho các thấu kính khỏi bị va chạm vào nhau gây sứt vỡ hoặc nứt rạn

- Ở phía cuối ống ϕ 80mm có một ống nối ngắn được làm bằng nhựa pvc

- Để chỉnh nét khi quan sát ta sử dụng một bộ chỉnh nét được lấy từ một kínhthiên văn d80f900 cũ, là bộ phận nối giữa ống ϕ 80 mm và thị kính, nó có thể thay đổichiều dài thông qua một rãnh răng cưa và một bánh xe được lắp vào thân ống, việc cóthể thay đổi chiều dài dẫn đến có thể tinh chỉnh để lấy độ nét hình ảnh

- Thị kính được lấy từ một số ống nhòm, máy ảnh cũ Ngoài ra, để thuận tiện choviệc quan sát với các khoảng cách khác nhau nên sẽ sử dụng nhiều thị kính trong cácmục đích khác nhau Thông thường thông số thị kính kí hiệu theo độ phóng đại của nó(5X, 10X, 16X…)

- Kính tìm mục tiêu được lấy từ một bộ ống nhòm đồ chơi có độ phóng đại x5.Thân kính gồm một ống nhựa dài 13 cm ở, hai đầu được đặt vật kính và thị kính, phầnvật kính phía trước có các vạch để dễ dàng tìm xác định tâm khi ngắm

2.1.3 Kết quả sơ lược

Để đảm bảo tính thẫm mỹ, tôi tiến

hành sơn toàn bộ kính thiên văn Tuy

nhiên qua quá trình sử dụng tôi thấy

chất lượng sơn không đảm bảo để sơn

lên bề mặt ống PVC, dễ trầy xước khi

sử dụng, do đó tôi tiến hành dán đề can

toàn bộ thân kính, chỉ sơn chân kính vì

23