各半調(diào)節(jié)法在分光計實驗中的應(yīng)用

邱淑霞， 江 影

中國計量學(xué)院理學(xué)院，浙江杭州 310018

分光計（分光儀）是一種精確測量角度和分光的光學(xué)儀器。在光學(xué)中，許多基本的物理量如棱鏡折射率、光波波長、色散率等都可以直接或間接的表現(xiàn)為光的偏轉(zhuǎn)角，所以都可以用分光計來精確的測量；除此之外，分光計還能精確測量兩個光學(xué)面之間的夾角。

分光計是光學(xué)實驗中一種不可缺少的儀器，它的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)是許多光學(xué)儀器(如攝譜儀、單色儀、分光光度計等)的基礎(chǔ)，其調(diào)整方法和操作技能在光學(xué)儀器中具有一定的普遍意義。分光計實驗既能夠培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，又能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力，因此它是物理實驗的必做實驗。分光計裝置精密，可供調(diào)節(jié)的螺絲等就有二十幾處，在調(diào)節(jié)上比其它儀器更為復(fù)雜，所以使用時必須嚴(yán)格按操作程序調(diào)整。

調(diào)節(jié)好分光計的標(biāo)準(zhǔn)為：1）望遠(yuǎn)鏡能夠接收平行光；2）平行光管能夠射出平行光；3）望遠(yuǎn)鏡的光軸和平行光管的光軸均與儀器的主軸垂直；4）平行光管主光軸與望遠(yuǎn)鏡主光軸同軸等高。

學(xué)生普遍認(rèn)為這個實驗比較難的地方是：1）分光計的調(diào)節(jié)比較難，覺得綠色的“十”字自準(zhǔn)像很難找；2）即使雙面鏡正、反兩個面的反射的小“十”字都找到了，也不能同時調(diào)到上十字叉絲的位置。因為在調(diào)整分光計時花費了太多時間，所以光學(xué)實驗中一個典型的實驗——利用光的反射測三棱鏡的頂角，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，很多同學(xué)很難在規(guī)定的課時內(nèi)完成。筆者在物理實驗教學(xué)實踐中總結(jié)出了一點快速調(diào)節(jié)分光計的方法，大大縮短了分光計的調(diào)節(jié)時間，從而使學(xué)生有更多的時間來測量三棱鏡的頂角，提高了物理實驗課的效率和教學(xué)質(zhì)量。

1 分光計的結(jié)構(gòu)原理

各種型號的分光計，其光學(xué)原理基本相同，主要部件包括：望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺（臺上安置分光用的三棱鏡或光柵） 、讀數(shù)裝置四部分。

1.1 望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡由物鏡和目鏡組成，物鏡和目鏡之間有分劃板。分劃板緊貼一個直角三棱鏡，在棱鏡的直角面上有一個被光源照亮的綠色小十字，其中心位置與分劃板刻線的上交點對稱。

1.2 平行光管

它的作用是產(chǎn)生平行光。管的一端裝有一個消色差的復(fù)合正透鏡，另一端是裝有狹縫的套管。

1.3 載物臺

載物臺是用來放置待測器件的。它的下方有三個螺釘，形成一個正三角，用來調(diào)節(jié)分光元件的方位。

1.4 讀數(shù)裝置

讀數(shù)裝置是由一個度盤和一個游標(biāo)盤所組成?？煞謩e與望遠(yuǎn)鏡或載物臺相連。它們的相對轉(zhuǎn)動角度，可以從左右兩個角游標(biāo)上讀出。度盤按圓周等分成360個大格，720個小格，其大格值為1°，小格值為360°/720＝30′。小于30′ 的讀數(shù)由游標(biāo)盤根據(jù)游標(biāo)法則讀出。

2 分光計的調(diào)節(jié)過程

2.1 粗調(diào)

用眼睛粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸和平行光管光軸等高共軸，并調(diào)節(jié)載物臺平面水平（調(diào)三個調(diào)平螺釘），使三者大致均垂直于分光計中心旋轉(zhuǎn)軸。目測粗調(diào)是調(diào)整光學(xué)儀器常用的方法，不僅是進(jìn)一步細(xì)調(diào)的基礎(chǔ)，還可以縮短調(diào)節(jié)時間。

2.2 細(xì)調(diào)

1）調(diào)節(jié)目鏡，看清測量用十字叉絲；2）用望遠(yuǎn)鏡觀察盡量遠(yuǎn)處的物體，調(diào)節(jié)物鏡使遠(yuǎn)處物體的像和目鏡中的十字叉絲同時清楚；3）將雙面鏡放在載物平臺上，應(yīng)用自準(zhǔn)直原理調(diào)望遠(yuǎn)鏡使其適用平行光。所謂自準(zhǔn)就是一個物體經(jīng)過透鏡和雙面鏡組合所成的像與物體在同一位置。分光計的調(diào)整是利用望遠(yuǎn)鏡中一個小燈泡照亮的十字叉絲作為參照物，它所發(fā)出的光線，經(jīng)過物鏡折射后，到達(dá)載物臺上的雙面鏡，經(jīng)過雙面鏡反射后折回，再通過物鏡成像，這個像我們能夠利用目鏡去觀察。如果望遠(yuǎn)鏡的物鏡與目鏡焦點重合，在望遠(yuǎn)鏡中觀察到的就是一個清晰的像；4）用各半調(diào)節(jié)法（逐次逼近法）調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸，使其與中心軸垂直。

2.3 調(diào)節(jié)平行光管使其產(chǎn)生平行光，并使其光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸重合

用光源照亮準(zhǔn)直管狹縫，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)準(zhǔn)直管，將狹縫寬度適當(dāng)調(diào)窄，前后移動狹縫，直到從望遠(yuǎn)鏡能看到清晰的狹縫像，且狹縫和測量叉絲之間無視差。調(diào)整平行光管傾斜度，使狹縫像的中心位于望遠(yuǎn)鏡測量叉絲的交點上。這時準(zhǔn)直管和望遠(yuǎn)鏡的光軸平行，并近似重合。

3 分光計調(diào)節(jié)的難點

在分光計調(diào)節(jié)中，難點是掌握使望遠(yuǎn)鏡軸線與平臺轉(zhuǎn)軸垂直的方法與技巧。認(rèn)真細(xì)致的粗調(diào)是實現(xiàn)這一調(diào)節(jié)的前提，“各半調(diào)節(jié)法”則是基礎(chǔ)。

3.1 尋找雙面鏡反射的小“十”字

欲調(diào)整好分光計，前提是必須找到雙面鏡正反兩個面反射的小“十”字[4]，因為只有找到它們，才能繼續(xù)后面的工作。我們采用粗調(diào)的方法來找尋小“十”字，一面用手來回旋轉(zhuǎn)分光計的刻度盤或平臺，使平臺上雙面鏡法線方向在望遠(yuǎn)鏡的軸線方向左右來回通過，同時用眼睛在望遠(yuǎn)鏡附近上下來回移動，耐心地尋找，直到找到由雙面鏡反射回的光斑，這是尋找到雙面鏡反射小“十”字的關(guān)鍵。

找到光斑后，進(jìn)一步要判斷看到的光斑在望遠(yuǎn)鏡的上方還是下方。從而有目的地調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰角或平臺的傾斜度，使看到光斑的眼睛與望遠(yuǎn)鏡在同一平面上（注意在調(diào)節(jié)仰角或傾斜度時必須同時看住光斑，以免光斑“跑掉”）?？傊葟耐h(yuǎn)鏡外面找到光斑，然后逐步調(diào)節(jié)光斑接近望遠(yuǎn)鏡軸線方向，最后讓光斑進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡內(nèi)，再進(jìn)一步在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.2 將雙面鏡正、反兩個面反射的小“十”字同時調(diào)到上十字叉絲的位置

在實驗時，雙面鏡正反兩個面反射的小“十”字偏離上十字叉絲時，很難區(qū)分是望遠(yuǎn)鏡還是載物臺的原因引起的。因此，在調(diào)節(jié)時應(yīng)采用各調(diào)一半的方法。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法中，將望遠(yuǎn)鏡垂直對準(zhǔn)雙面鏡的一個反射面，就可以從望遠(yuǎn)鏡視場中觀察到經(jīng)雙面鏡反射回的亮綠小“十”字，如果亮綠小“十”字與望遠(yuǎn)鏡上十字叉絲不重合，調(diào)節(jié)載物平臺的調(diào)平螺釘使二叉絲間垂直距離減少一半，然后再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰角使二叉絲重合。轉(zhuǎn)動載物平面使雙面鏡轉(zhuǎn)180°，使另—鏡面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，同理，使二叉絲垂直距離各調(diào)一半至重合。反復(fù)進(jìn)行以上調(diào)整，直至不論轉(zhuǎn)到哪一反射面，使十字叉絲均能和調(diào)整叉絲重合，即達(dá)到望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計主軸垂直。此方法稱為各半調(diào)節(jié)法或逐次逼近法。

這里存在的問題是：1）調(diào)整好一個面之后，轉(zhuǎn)180°，另一個面反射的亮綠小“十”字位置偏離上十字叉絲；2）調(diào)整好雙面鏡的一個面之后，轉(zhuǎn)180°，甚至可能找不到另一個面反射的亮綠小“十”字。學(xué)生在反復(fù)調(diào)整的過程中，由于不熟練，不僅會浪費很多時間，也很難調(diào)整好。

經(jīng)過多次實驗驗證，筆者將各半調(diào)節(jié)法做了一些拓展，以便學(xué)生能更快的將載物臺和望遠(yuǎn)鏡調(diào)整好。具體步驟如下：

1）采用3.1所講述的粗調(diào)方法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的俯仰角和載物臺的傾斜度，直到雙面鏡正反兩個面反射的亮綠小“十”字都出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的視場中。

2）記清楚正反兩個面反射的亮綠小“十”字的位置，確定兩者的垂直距離的中點，通過調(diào)平螺釘調(diào)整載物臺的傾斜度，將上面的小“十”字調(diào)低至中點位置（或?qū)⑾旅娴男　笆弊终{(diào)高至中點位置），此時，雙面鏡正反兩個面反射的亮綠小“十”字就大致在同一水平線上了；再調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的俯仰角，將兩個面反射的亮綠小“十”字同時調(diào)至上十字叉絲位置（因為在確定正反兩個面反射的亮綠小“十”字的中點位置時并不精確，因此不可避免存在些微的偏差）。如果還存在偏差，則重復(fù)上述方法，直到正反兩個面反射的亮綠小“十”字均與上十字叉絲重合。

經(jīng)過上述調(diào)節(jié),分光計實驗中最難調(diào)節(jié)的一部分就完成了，此方法是建立在分光計結(jié)構(gòu)特點、調(diào)節(jié)規(guī)律和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的。只要深入理解操作要領(lǐng),就可以迅速快捷地調(diào)好分光計，對學(xué)生有效完成實驗幫助很大。

4 結(jié)論

光學(xué)實驗中，分光計的調(diào)整是個難點,各半調(diào)節(jié)法是一種比較好的分光計調(diào)節(jié)方法，只要深入理解操作要領(lǐng)，就可以迅速快捷地調(diào)好分光計。使用分光計時，根據(jù)光學(xué)規(guī)律，分析清楚其道理，思考后再動手，會收到事半功倍的效果，給實驗者帶來很大的方便。

實驗方法的改進(jìn)，不僅有利于課堂教學(xué)效率的提高，更有利于學(xué)生從不同的角度去理解實驗原理，對實驗原理的理解更加透徹。而且能夠激發(fā)學(xué)生做實驗的興趣。啟發(fā)學(xué)生開動腦筋，并在原有實驗的基礎(chǔ)上不斷探索，不斷創(chuàng)新。

[1]江影.新編物理實驗教程(上冊)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]隋成華，施建青.大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教程[M].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]林洪文.分光計實驗與學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[J].高教研究：西南科技大學(xué)學(xué)報，2004，20(3)：44-45.

[4]陳紅，張偉森.分光計實驗研究[J].長春大學(xué)學(xué)報，2006，16(4)：23-25.

[5]劉文莉.談分光計實驗的改進(jìn)[J].嘉興學(xué)院學(xué)報，2004，16(6)：113-114.