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

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 môn
Vật 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 Nguyễn
Xuân Vương đã tận tình giúp đỡ tôi và cùng góp sức hoàn thành hai đề tài về
kính thiên văn quang học trong nội dung nghiên cứu khoa học cấp Khoa, cấp
Trường.
 Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Hoàng Sỹ Tài, người đã hướng
dẫn 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
1


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 Nghiên cứu, lắp ráp kính thiên văn phản xạ...........................................25
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
2

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
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 2.1
Hình 2.2

Kính thiên văn phản xạ…………………………………….....
Kính thiên văn khúc xạ…………………………………….....
Hiện tượng khúc xạ ánh sáng…………………………………
Hiện tượng tán sắc ánh……………………………………......
Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính hội tụ……………………..
Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính phân kì…………………...
Ảnh của một vật tạo bởi gương phẳng…….…………………
Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lõm…..…………………

12
13
15

16
16
17
17
18
19

Ảnh của một vật tạo bởi gương cầu lồi……………………….
Hiện tượng phản xạ toàn phần……………………………….. 20
Sơ đồ kính thiên văn khúc xạ và sự tạo ảnh ở vô cực………... 21
Hiện tượng sắc sai qua thấu kính…………………………….. 22
3


22
22
23
24
25
26
28
29
30
30
30
31

Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5

Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5

Hiện tượng sắc sai của thấu kính chuẩn và không chuẩn……..
Hệ tiêu sắc khi ghép 2 thấu kính……………………………...
Sơ đồ chế tạo kính thiên văn khúc xạ………………………...
Kính thiên văn hoàn chỉnh sau khi chế tạo…………………...
Sơ đồ nguyên lý kính thiên văn phản xạ……………………..
Sơ đồ chế tạo kính thiên văn phản xạ………………………...
Kính thiên văn hoàn chỉnh sau khi chế tạo…………………...
Ảnh chụp các vật thể từ khoảng cách 150 m, 300 m, 4 km…..
Hoa bằng lăng ở sân trường ở khoảng cách gần 150 m………
Cột cờ trước nhà hiệu bộ ở khoảng cách gần 250 m………….
Cột angten ở khoảng cách gần 4 km………………………….
Hình ảnh mặt trăng lúc vừa mọc quan sát bằng kính thiên văn

Hình 3.6

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

Hình 3.7
Hình 3.8

Hình 3.9
Hình 3.10

khúc xạ………………………………………………………..
Một số núi lửa và đại dương xác định được khi quan sát…….
Hình ảnh Mặt Trăng lúc vừa mọc…………………………….
Hình ảnh mặt Mặt Trăng khi lên cao…………………………
Hình ảnh một số miệng núi lửa và đại dường trên Mặt Trăng..

32
33
34
35

4


BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
KTV
THPT
HS
GV

Ý nghĩa
Kính thiên văn
Trung học phổ thông
Học sinh
Giáo viên
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
5


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.

6


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.

7


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 so
với khoảng cách mà con người có thể nhìn thấy được, được ứng dụng trong quan sát
thiên văn.
Người đầu tiên đăng kí bằng sáng chế kính thiên văn là nhà chế tạo kính mắt
người Hà Lan tên là Hans Lippershey (hay Lipperhey). Vào năm 1608, Lippershey đã
cố khẳng định về một dụng cụ có độ phóng đại gấp ba lần. Chiếc kính thiên văn của
ông 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 một
số cải tiến trên thiết kế ban đầu của mình và đã giới thiệu dụng cụ của ông trước Hội
đồng 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 khuếch
8


tán vắt ngang qua bầu trời – tức dải Ngân Hà. Ông còn phát hiện thấy mặt trời có các
vết 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 thiên
văn. Johannes Kepler đã nghiên cứu quang học và thiết kế một chiếc kính thiên văn có
hai thấu kính hội tụ, nó cho ảnh bị lộn ngược. Từ những tác phẩm của Kepler, Isaac
Newton đã lý giải rằng dùng gương thay cho thấu kính sẽ đem đến kính thiên văn tốt
hơn 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 Đài
thiên văn Yerkes ở Vịnh Williams, bang Wisconsin, Mĩ, vào năm 1897. Nhưng thấu
kính thủy tinh đường kính 40 inch tại Yerkes sớm bị lỗi thời trước sự ra đời của những
cái gương lớn. Kính thiên văn phản xạ 100 inch Hooker khánh thành vào năm 1917 tại
Đài 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 không
chỉ riêng ánh sáng, mà cả những bức xạ điện từ khác trong không gian. Một kĩ sư
người Mĩ tên là Karl Jansky là người đầu tiên phát hiện ra bức xạ vô tuyến đến từ vũ
trụ 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 sự
tồn tại của bức xạ nền vi sóng vũ trụ đã xác nhận một tiên đoán trong Thuyết Big
Bang.
Tháng 4 năm 1990, Kính thiên văn vũ trụ Hubble được đưa lên quỹ đạo. Chiếc
kính thiên văn phản xạ này khai thác các camera kĩ thuật số và truyền thông qua vệ
tinh để quan sát vũ trụ bên ngoài tầm nhiễu của khí quyển Trái đất và ô nhiễm ánh
sáng. Hơn 200 năm sau khi Galileo hướng chiếc kính thiên văn của ông lên trời, con

người đã có thể quan sát vũ trụ từ trên trời (trên quỹ đạo).

9


Tại Việt Nam, đài thiên văn Nha Trang khởi công xây dựng từ năm 2014 bao
gồm một kính thiên văn quang học có đường kính kích thước 0,5 mét. Kính thiên văn
của Đài thiên văn Nha Trang là kính thiên văn quang học phản xạ do Công ty Marcon
thiết 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 giải
hình ảnh và quang phổ cao trong vùng bước sóng rộng. Một số nghiên cứu dự kiến có
thể được thực hiện trên hệ kính này là: quan sát những sao biến quang, từ đó thực hiện
nghiên cứu khí quyển (bề dầy, mây, mù); đo phổ vạch của các sao để thu thông tin về
loại sao, tốc độ quay và độ lớn từ trường trên bề mặt sao; đo vận tốc xuyên tâm của
sao chủ để tìm kiếm ngoại hành tinh; đo tốc độ quay của một số hành tinh; nghiên cứu
hình thái của các thiên hà; tìm kiếm thiên thể gần Trái đất, siêu tân tinh hay phát xạ
quang 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 thực
hiện chế tạo và thu được những kết quả nhất định. Có thể kể đến như hội thiên văn
nghiệp dư Hà Nội (HAS), Hội thiên văn nghiệp dư TP Hồ Chí Minh (HAAC)… đã chế
tạo được những sản phẩm chất lượng như các loại kính thiên văn khúc xạ, phản xạ với
khẩu 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

Hình 1.1 Kính thiên văn phản xạ.

gương phụ trợ.
Kính thiên văn phản xạ có ưu điểm lớn là tránh hiện tượng tán sắc.
10


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

Hình 1.2 Kính thiên văn khúc xạ.

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 vật
liệu làm thấu kính có chiết suất khác nhau cho các bước sóng bức xạ điện từ khác
nhau.
1.2.2 Phân loại theo bước sóng
1.2.2.1 Kính thiên văn quang học

11


Kính thiên văn quang học là một loại kính thiên văn thu thập và tập trung ánh
sáng, chủ yếu từ phần quang phổ điện từ nhìn thấy và lân cận, tạo ra một hình ảnh
phóng to để quan sát trực tiếp, hoặc chụp ảnh hoặc thu thập dữ liệu qua cảm biến hình
ảnh 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
Khả năng thu thập ánh sáng của kính thiên văn và khả năng phân giải các chi tiết

nhỏ liên quan trực tiếp đến đường kính (hoặc khẩu độ) của vật kính của nó (ống kính
chính hoặc gương thu và tập trung ánh sáng). Vật kính càng lớn thì kính thiên văn sẽ
thu 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 kính
thiên 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 và
trong liên lạc thông tin trong công nghệ vũ trụ.
Đối với quan sát thiên văn, các kính thiên văn quang học, trong ứng dụng quan
sát bầu trời từ Trái Đất, chỉ dùng được trong những đêm bầu trời không có mây và ban
ngày không quan sát được vì Mặt Trời chiếu sáng. Các kính thiên văn vô tuyến có thể
giúp vượt qua trở ngại này, do tín hiệu vô tuyến ít bị nhiễu hơn vào ban ngày và đi
xuyên qua các đám mây.
Trở ngại chính của các kính thiên văn vô tuyến là do bước sóng của sóng vô
tuyến thường dài cỡ mét, để đạt độ phân giải cao, cần xây dựng các gương có đường
kính khổng lồ. Cách giải quyết là dùng kỹ thuật của kính thiên văn giao thoa, sử dụng
những 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
12


Kính thiên văn hồng ngoại thường áp dụng thiết kế cơ bản của kính thiên văn
phản 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 đại
thường nằm trong dải hồng ngoại. Do vậy kính thiên văn hồng ngoại giúp quan sát các
vật thể nóng ấm ở xa, đặc biệt là trong đêm tối, khi không có bức xạ hồng ngoại của
Mặt Trời gây nhiễu. Kính thiên văn hồng ngoại được ứng dụng trong quan sát trong
ban 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 do
ngay cả vào ban đêm, tín hiệu đến từ không gian vũ trụ bên ngoài bị hấp thụ mạnh bởi
khí quyển Trái Đất. Ngoài ra, tín hiệu còn có thể bị nhiễu do các nguồn nhiệt trên Trái
Đất. Chúng được dùng nhiều hơn cho quan sát thiên văn từ không gian, thường kèm
theo kỹ thuật loại bỏ bức xạ hồng ngoại nền của môi trường xung quanh. Bức xạ nền
được thu riêng và ghi nhớ lại, sau đó hình ảnh không gian sẽ được trừ đi phần bức xạ
nền. Kính thiên văn hồng ngoại thường được giữ ở nhiệt độ rất thấp khi vận hành, để
hạn 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

Hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng.

cho tia sáng bị đổi hướng gây ra hiện tương khúc xạ ánh sáng.
Công thức:

=
13

với:và n2 lần lượt là chiết suất của môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai.
và lần lượt là vân tốc của ánh sáng trong môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai
1.3.2 Hiện tượng tán sắc ánh sáng
Hiện tượng tán sắc ánh sáng là
hiện tượng ánh sáng trắng khi đi qua
lăng kính không những bị khúc xạ về
phía đáy của lăng kính, mà còn bị tán ra
thành nhiều chùm sáng 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 khác nhau và bước sóng của các

Hình 1.4 Hiện tượng tán sắc ánh.
sáng.

ánh sáng đơn sắc khác nhau ở môi trong trong suốt. Nên khi đi qua lăng kính các ánh
sáng đơn sắc khác nhau sẽ bị lệch một góc khác nhau tạo thành 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 hai
mặt cầu hoặc một mặt phẳng và một mặt cầu. Thấu kính hội tụ là thấu kính mà
chùm tia sáng song song sau khi đi qua kính sẽ được hội tụ tại một tâm nhất định.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.5 Ảnh của một vật tạo bởi thấu kính.
hội..tụ.
14


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).
– 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:Hình
Thấu 1.6
kínhẢnh
phân
là thấu
kínhbởi
có thấu

phầnkính
rìa dày
hơn
củakìmột
vật tạo
phân
kì.phần giữa, chùm
tia sáng song song sau khi đi qua thấu kính thì cho ta các tia ló kéo dài gặp nhau tại
tiêu 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

15


Hình 1.7 Ảnh của một vật tạo bởi gương phẳng.
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 đối
xứng với vật qua gương, nghĩa là khoảng cách từ vật đến gương bằng gương đến
vật.

-

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 thì
ảnh 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]

Hình 1.8 Ảnh của

một vật tạo bởi gương

cầu lõm.
- Gương cầu

lõm có tác dụng biến

một chùm sáng song song thành một chùm sáng phản xạ hội tụ tại một điểm trước
gương và ngược lại, biến đổi một chùm tia tới phân kì thích hợp thành một chùm tia
phản xạ song song.
 Gương cầu lõm cho ảnh ảo, cùng chiều, lớn hơn vật khi khoảng cách từ vật
đến gương nhỏ hơn khoảng cách từ tiêu điểm đến gương (d < f).

16


 Gương cầu lõm cho ảnh thật, ngược chiều vật trên màn chắn trước gương và
lớn hơn vật khi vật nằm ở khoảng giữa tâm của gương và tiêu điểm (f < d <
2f).
 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 từ
tâm của gương đến gương (d > 2f).
 Gương cầu lõm có thể biến đổi một chùm tia sáng tới song song thành chùm
tia phản xạ hội tụ, từ một chùm tia sáng phân kì hay hội tụ thành một chùm
tia phản xạ song song, từ chùm tia sáng phân kì thành chùm tia phản xạ hội
tụ 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 một
phần 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 đặt
càng gần bề mặt phản xạ và tiến tới xấp xỉ bằng kích thích của vật khi vật tiến sát
bề mặt phản xạ.
17


Thị trường của gương cầu lồi rộng hơn thị trường của gương phẳng có cùng



kích thước.
Gương cầu lồi có thể biến một chùm tia sáng song song thành chùm tia phản xạ



phân kì, từ chùm tia hội tụ thành chùm tia phản xạ phân kì hay song song.
Ảnh ảo của gương cầu lồi không hứng được trên màn chắn.



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 . Khi
một tia sáng đi trong môi trường 1 tới bề mặt phân cách giữa môi trường 1 với môi
trường 2 mà có góc tới đạt giá trị đủ lớn ( i > igh ), với igh là góc khúc xạ giới hạn) thì
tia sáng sẽ phản xạ ngược trở lại môi trường cũ (thay vì khúc xạ ánh sáng môi trường
mới).
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 ()

18


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 đổi
đường truyền của các bức xạ điện từ, thông qua hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tạo ra
ảnh rõ nét của vật thể ở xa. Ở phần này tôi xin trình bày các quy trình thiết kế của kính
thiên văn khúc xạ có tiêu cự 90 mm và có khẩu độ 900 mm và sử dụng các vật liệu dễ
tìm 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.
19


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 f 2, tùy thuộc vào mục đích và khoảng cách
quan 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 kính
cho 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 tượng
ảnh 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 ánh

sáng 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 kính
chúng sẽ có các sai lệch khác nhau. Từ đó dẫn đến hiện tượng hội tụ ánh sáng không
chính xác. Mức sai khác sẽ phụ thuộc vào chiết suất của loại kính và chất lượng gia
công. [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 trong như kính hội tụ và cũng là góc khúc
20

Hình 2.4 Hệ tiêu sắc khi ghép 2 thấu kính.


xạ của tia có bước sóng càng ngắn như
tia tím sẽ lớn hơn các tia có bước sóng
dài như tia đỏ. Tính toán bù trừ nhau
sao cho các tia 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 như
trên, tôi đã sử dụng những vật liệu dễ tìm kiếm và giá thành rẻ như các loại ống nhựa
PVC, 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 hai
mặt 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 dụng
nối đai giữ vật kính (ống nối ϕ 100 mm -100 mm) với ống nối phía sau, ống có chiều
dài 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 phận
21


khác như chân đế, bộ phận chỉnh góc, kính tìm mục tiêu ta khoan trên thân kính các lỗ
nhỏ 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 110
mm.
- 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, cùng
phía với người quan sát đã được chuẩn trực chính xác, chúng làm bằng thủy tinh khi
ghép lại có tiêu cự dài f1= 0.9 m, ở giữa có ba miếng băng keo hai mặt trong suốt dán
cách 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 kính
thiên văn d80f900 cũ, là bộ phận nối giữa ống ϕ 80 mm và thị kính, nó có thể thay đổi
chiều dài thông qua một rãnh răng cưa và một bánh xe được lắp vào thân ống, việc có
thể 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 cho
việc quan sát với các khoảng cách khác nhau nên sẽ sử dụng nhiều thị kính trong các
mục 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, phần

vật 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 đây là chất liệu gỗ. Sau khi hoàn thành sơ lược toàn bộ kính có trọng
lượng khoảng 7 kg, chiều cao khoảng 160 cm.
22

Hình 2.6 Kính thiên văn hoàn chỉnh
sau khi chế tạo.


2.2

Nghiên cứu, lắp ráp kính thiên

văn phản xạ
Kính thiên văn phản xạ hoạt động
dựa trên sự tảo ảnh của vật ở xa bằng
các gương cầu lõm, thông qua hiện
tượng phản xạ các bức xạ điện từ. Trong
phần này tôi xin trình bày cách lắp ráp
một kính thiên văn phản xạ có tiêu cự f
=150 mm và có khẩu đổ kính cũng như
đường kính của gương cầu lõm là d = 750 mm. Không ngoài mục tiêu đặt ra ban đầu ,
với kích thước được lựa chọn này thì kính phải đạt được chất lượng quan sát tốt và đạt
tới trình độ của kính thiên văn nghiệp dư mà vẫn đảm bảo chi phí lắp ráp phù hợp.
Ngoài ra việc lựa chọn khẩu độ lớn hơn cũng cải thiện được chất lượng hình ảnh quan
sát hơn so với kính thiên văn khúc xạ d90f900 đã được trình bày ở trên.

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý [2]

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kính thiên văn phản xạ.
* Bộ phận quan trọng nhất của kính thiên văn phản xạ gồm 3 thành phần chính:
+ Gương cầu lõm: là gương hội tụ ánh sáng lại tại tiêu cự của gương.
+ Gương chéo: bộ phận đổi hướng tia sáng đến tiêu cự của thị kính.
+ Thị kính: là thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn (thường là một hệ thấu kính).
* Một số công thức;
- Độ phóng đại:
K∞ =
với f1 là tiêu cự gương cầu, f2 là tiêu cự vật kính.
- Khoảng cách giữa vật kính và thị kính khi quan sát các thiên thể hay vật thể ở
rất xa (vô cực).
23


l∞ = f1 + f2
2.2.2 Chế tạo
Với mục tiêu chế tạo kính thiên văn phản xạ dựa theo nguyên lý hoạt động như
trên, tôi đã sử dụng những vật liệu dễ tìm kiếm và giá thành rẻ như các loại ống nhựa
pvc, các bộ phận, chi tiết từ các thiết bị cũ.

Hình 2.8 Sơ đồ chế tạo kính thiên văn phản xạ.
- Phần chính của kính thiên văn gồm một ống trụ dài được làm bằng ống nhựa
pvc có ϕ 170 mm, dài 80 cm. Một đầu của thân kính có một nắp đậy nhằm mục đích
tránh bụi bẩn và bảo vệ các bộ phận bên trong kính, đầu kia của thân kính thì cũng
được đậy một nắp đậy khác nhưng nắp đậy có kèm theo gương cầu lõm. Trên thân ống
có đục một lỗ có ϕ70 mm, lỗ này cách một đầu của thân kính một khoảng 20 cm . Lỗ
này có tác dụng để gắn bộ chỉnh nét vào thân kính.
- Phần nắp giữ gương cầu lõm là một nặp đậy PVC của ống ϕ 170 mm, bên trong

nắp đậy được khoét ba lỗ nhỏ để kết nối phần gương cầu lõm của kính với nắp đậy. Để
ghép giá để gương vào nặp đậy ϕ 170 mm sao cho chắc chắn và mặt khác có thể tuỳ
chỉnh được góc nghiêng của gương tôi tiến hành đục ba lỗ nhỏ có kích thước ϕ 3 mm
trên nắp đậy sao cho ba lỗ này trùng với ba lỗ trên miếng nhựa tam giác ở trên. Sau đó
dùng ba cặp bu lông ốc vít cố định giá để gương với nắp đậy, trong khi cố định thì ta
đặt ba lò xo dài 30 mm lồng vào ba bu lông, ba lò xo này sẽ nằm ở giữa nắp đậy và
miếng nhựa.
24


- Gương phản xạ là một gương cầu lõm, có ϕ150 mm, được đặt đồng trục với
thân kính và được gắn vào nắp giữ gương. Qua đó giúp phản xạ nguồn sáng và tạo ra
ảnh khác với gương phẳng và gương cầu lồi.
- Gương chéo là một gương phẳng được đặt nghiêm một góc 45 so vơi trục của
thân kính, có tác dụng phản xạ ánh sáng từ gương cầu lõm sang bộ phận chỉnh nét.
- Spider gồm ba thanh sắt một đầu được nối xuyên với thân kính, chúng lệch
nhau một góc 120, đầu kia của ba thanh được kết nối với nhau bởi một trục sắt. Trên
trục này được bố trí bốn ốc vít như hình, mục đích của chúng là kết nối spider với
gương chéo và chỉnh gốc nghiêng của gương chéo so với trục dọc của kính thiên văn.
- Để chỉnh nét khi quan sát ta sử dụng một bộ chỉnh nét d150mm được lấy từ một
kính thiên văn d80f750 cũ. Nó có thể thay đổi chiều dài thông qua một rãnh răng cưa
và một bánh xe được lắp vào thân ống, việc có thể 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 cũ. Ngoài ra để thuận tiện cho việc quan
sát với các khoảng cách khác nhau nên sẽ sử dụng nhiều thị kính trong các mục đích
khác nhau.
- 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, phần
vật kính phía trước có các vạch để dễ dàng tìm xác đinh tậm khi ngắm. Để nối kính
tìm mục tiêu với thân kính ta dùng chân đế làm bằng nhựa cao 5 cm, phía trên chân đế

có ba lỗ để lắp ống kính, để điều chỉnh góc nhìn ta điều chỉnh các ốc vít ở ba lỗ này.
Phần chân đế này được đính chặt vào lớp vỏ thân kính thiên văn thông qua một ốc vít
nhỏ có độ dài 1 cm, ở giữa có một tấm đệm xốp làm cho kính tìm mục tiêu được cố
định hơn.
- Chân đế gồm 2 bộ phận chính gồm một bộ phận giữ thân kính và bàn xoay.
+ Bộ phận giữ thân kính gồm: 2 tấm ván gỗ nhỏ có kích thước 60 x 19 (cm)
được đục lỗ nhỏ ở hai bên để gắn thân kính vào, khoảng cách giữa chúng là 17 cm, 2
tấm ván này được cố định trên một tấm ván khác có kích thước 17 x 53 (cm), tấm ván
này có tác dụng nối 2 tấm phía trên với trục quay được cố đinh với nhau bằng đinh.
Sau đó bộ phận giữ thân kính sẽ được cố định vào bàn xoay bằng đinh.
25