一種用分光計測頂角調(diào)節(jié)方法的探索

張 瑾，馬建國

（淮南師范學(xué)院 物理與電子信息系，安徽 淮南 232001）

一種用分光計測頂角調(diào)節(jié)方法的探索

張 瑾，馬建國

（淮南師范學(xué)院 物理與電子信息系，安徽 淮南 232001）

在討論分光計載物臺對三棱鏡不垂直度的角度補(bǔ)償作用基礎(chǔ)上，指出了分光計調(diào)節(jié)中的認(rèn)識誤區(qū)，在此基礎(chǔ)上提出了一種調(diào)節(jié)方法，與其它方法比較，它簡潔，高效，實(shí)用性強(qiáng)。

分光計；三棱鏡；主軸；旋轉(zhuǎn)微調(diào)法

一、引言

分光計是一種用于精確測量角度的光學(xué)儀器。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整分光計是一個重點(diǎn)、難點(diǎn)。為了精確測量角度，在實(shí)驗(yàn)前必須對分光計作必要的調(diào)節(jié)。但是，在查閱的文獻(xiàn)中對于分光計的調(diào)節(jié)會出現(xiàn)這樣一些條件：條件1.望遠(yuǎn)鏡主軸垂直分光計主軸；條件2.待測角平面垂直于分光計主軸；條件3.載物臺面垂直于分光計主軸。這些條件是否到要滿足？筆者對這些問題加以討論，并介紹在教學(xué)實(shí)踐中首次總結(jié)出的一種解決此類問題的調(diào)節(jié)方法。

二、問題分析

在《分光計快速調(diào)整方法探索》[1]中認(rèn)為借助水平儀是為了使“載物臺面垂直于儀器的中心轉(zhuǎn)軸”。載物臺面是否必須要垂直于分光計中心轉(zhuǎn)軸（即分光計主軸）？按照一般教材中的傳統(tǒng)方法[2]，將三棱鏡放在載物臺上，完成調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行三棱鏡頂角的測量。但是實(shí)驗(yàn)中我們往往會發(fā)現(xiàn)如果將三棱鏡轉(zhuǎn)動一個微小的角度，這時候就會出現(xiàn)分光計失調(diào)，即使對于同一廠家的三棱鏡，仍然會出現(xiàn)類似情況。其實(shí)，在光學(xué)元件包括三棱鏡的光學(xué)面底面通常不嚴(yán)格垂直，可以通過調(diào)節(jié)螺釘來補(bǔ)償由于不垂直產(chǎn)生的誤差，因此，在一定的精度范圍內(nèi)，載物臺總是傾斜的[3]。 如圖 1，其中，AB、CD 為三棱鏡的棱，a、b 、c為載物臺的三個調(diào)平螺釘，測量前的這種調(diào)整的目的就是要使三棱鏡主截面AC垂直于分光計主軸N，保證所測角度是三棱鏡主截面上的角度。調(diào)整的結(jié)果必然使得載物臺平面作一定角度α的傾斜。而傾斜角是隨被測三棱鏡底面與棱脊的不垂直度角β的不同而改變，且主截面AC與分光計主軸垂直情況下，傾斜角α與三棱鏡不垂直度角β相等。

由此可見，條件3是個偽條件，雖然在調(diào)節(jié)中可以借助水平儀[1，4]來調(diào)節(jié)載物小平臺、望遠(yuǎn)鏡等，但由于不垂直度角的存在，載物臺面就不會垂直于儀器的中心轉(zhuǎn)軸。因此，借助水平儀目的不是為了使所謂的“載物臺面垂直于儀器的中心轉(zhuǎn)軸”，而只是輔助更快地找到反射的“十”字像，由于α很?。ù蠹s14分左右[5]），這時借助水平儀來使載物臺、望遠(yuǎn)鏡等水平，可以有于助實(shí)驗(yàn)人員完成粗調(diào)，避免盲目調(diào)節(jié)，從而節(jié)省學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中花費(fèi)在粗調(diào)上的時間。同樣，《調(diào)整分光計的探討》[5]中，在必須滿足望遠(yuǎn)鏡主軸及載物平臺必須垂直分光計主軸的條件下得出：“在分光計的調(diào)整過程中，不能用待測的三棱鏡代替雙面反射的平面鏡來進(jìn)行調(diào)節(jié)”的錯誤結(jié)論。筆者認(rèn)為該文作者也未能將分光計的主軸和小平臺平面的法線很好區(qū)分。

圖1 分光計棱鏡與載物平臺側(cè)面示意圖

圖2 棱鏡與載物平臺俯視示意圖

上述誤區(qū)在分光計調(diào)節(jié)中常常會發(fā)生。為了避免此類問題在學(xué)生調(diào)節(jié)的出現(xiàn)，筆者結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，給出一種分光計的調(diào)節(jié)改進(jìn)方法。這種方法既考慮到文獻(xiàn)[1]中的認(rèn)識錯誤，也可以避免文

獻(xiàn)[5]中問題，即可以用三棱鏡代替雙面鏡。

三、調(diào)節(jié)步驟

筆者以三棱鏡為例重點(diǎn)對微調(diào)作具體介紹，粗調(diào)可以參考相關(guān)教材[2]。

1.粗調(diào)

方法與教材相同，粗調(diào)可以用觀察法，或借助水平儀來進(jìn)行。直到望遠(yuǎn)鏡正對兩光學(xué)面都可以看到清晰的“十”字像。

2.微調(diào)

如圖2，設(shè)1面是磨砂面，2、3面是光學(xué)面，在每一光學(xué)面所對應(yīng)的載物臺的下方都有一個調(diào)平螺釘，而調(diào)節(jié)某一光學(xué)面的綠色反射像與上分劃線十字叉絲重合就只要調(diào)節(jié)相對應(yīng)的那一個螺釘即可。例如，2面對應(yīng)調(diào)平螺釘c，通過調(diào)節(jié)調(diào)平螺釘c可以調(diào)節(jié)2面的傾仰。然后通過二分法，反復(fù)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)載物臺下面的調(diào)平螺釘b、c和望遠(yuǎn)鏡筒下面的仰角螺釘，當(dāng)兩光學(xué)面的綠色反射像都與上分劃線十字叉絲重合后，就可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡光軸與三棱鏡的棱AB垂直。因?yàn)楫?dāng)一光學(xué)面的綠色反射像與上分劃線十字叉絲重合時，可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡的光軸與該光學(xué)面垂直，而兩光學(xué)面的綠色反射像都與上分劃線十字叉絲重合后，可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直于兩光學(xué)面的交線（即三棱鏡的棱），但是這時分光計主截面AC是否垂直于分光計的主軸還不能確定。傳統(tǒng)處理這個問題的方法通常有以下幾種：微調(diào)一，用二分法使三棱鏡三面綠反射十字像都能同時與上分劃線十字叉絲重合[2]，這很難有可操作性。微調(diào)二，1.先借助雙面鏡使望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計主軸垂直，2.然后換上三棱鏡用前面微調(diào)中介紹的方法來調(diào)節(jié)[2]。但是許多學(xué)生調(diào)節(jié)的時候會再次調(diào)節(jié)仰角螺釘，致使調(diào)節(jié)前功盡棄。有時用雙面鏡調(diào)節(jié)后，再換三棱鏡，會導(dǎo)致需要再次粗調(diào)，會耽誤很多時間。在這里我們提供一種快速有效的方法，即所謂的旋轉(zhuǎn)微調(diào)法。

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)一光學(xué)面時，微微轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，我們會發(fā)現(xiàn)綠“十”字像沿上分劃線左右移動的時候會出現(xiàn)兩種情況：一是“十”字像嚴(yán)格在上分劃線上左右移動，如圖3（c）；二是“十”字像由左上移動到右下或由左下移動到右上，如圖3（a）（b）。

圖3 十字線移動的不同情況

對于第一種情況，說明分光計已調(diào)節(jié)好，載物小平臺平面傾角α與三棱鏡不垂直度角β相等。相當(dāng)于微調(diào)二中1、2步驟已調(diào)好。對于第二種情況，有兩種可能：

（1）當(dāng)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn) 2 面轉(zhuǎn)動時，出現(xiàn)（a）（或（b）），望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn) 3 面轉(zhuǎn)動時，出現(xiàn)（a）（或（b）），這是由于分劃線不平行于三棱鏡主截面，可調(diào)節(jié)緊固螺釘，沿“十”字像上下移動方向的反向作微小轉(zhuǎn)動即可。

（2）當(dāng)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)2面轉(zhuǎn)動時情況同（1），但是當(dāng)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn) 3 面轉(zhuǎn)動時，卻出現(xiàn)（b）（或（a）），相當(dāng)于微調(diào)二中達(dá)到2步驟的要求，1步驟目的還未達(dá)到，這時就需要再用二分法反復(fù)調(diào)節(jié)載物臺下螺釘a和望遠(yuǎn)鏡仰角螺釘，直到“十”字像作（c）情況移動，1步驟目也達(dá)到，分光儀調(diào)節(jié)完成。

通過以上調(diào)節(jié)可以確保三棱鏡主截面AC垂直于分光計的主軸N。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)三棱鏡主截面AC法線與分光計的主軸N偏離時，這時候按照教材[1]上微調(diào)步驟，仍然可以達(dá)到“調(diào)節(jié)好”的標(biāo)準(zhǔn)，即文獻(xiàn)[6]種所述情況，這時載物小平臺平面法線M與分光計主軸N的夾角是大于β的，其直接結(jié)果是導(dǎo)致度盤與三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的弧度不同，而三棱鏡主截面與度盤旋轉(zhuǎn)的角度也不相同，通過我們提出的旋轉(zhuǎn)微調(diào)法就可以避免這種誤差。按照上述方法調(diào)節(jié)好后，度盤與三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的弧度雖然不同，而三棱鏡主截面與度盤旋轉(zhuǎn)的角度卻是相同的。這種方法既考慮載物臺面不水平同時又可保證分光計主軸N與分光計主截面AC法線平行。同時本方法對于楔形棱鏡也適用。

四、小結(jié)

分光計調(diào)節(jié)中由于沒有注意到載物小平臺平面傾角的存在，或未能將M、N軸很好區(qū)分，這往往會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差，本方法的特點(diǎn)：1）調(diào)節(jié)過程簡單，整個調(diào)節(jié)過程只用三棱鏡，省去了借助平面鏡調(diào)節(jié)，減少了調(diào)整的復(fù)雜度，避免了因?qū)⑵矫骁R更換為三棱鏡而產(chǎn)生的誤差。2）步驟清晰。在尋找綠色反射像和各辦法調(diào)節(jié)時。并不用調(diào)節(jié)過多的螺釘哺1只需調(diào)節(jié)相應(yīng)的一個螺釘，調(diào)節(jié)對象單一，清楚。3）效率高。適用性強(qiáng)。從而避免上述問題的出現(xiàn)，同時本方法減小了對實(shí)驗(yàn)各個因素的依賴性，對于一般的實(shí)驗(yàn)環(huán)境都適用。本文提出的調(diào)整方法，在教師講解和演示的基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)踐教學(xué)檢驗(yàn)，該方法取得了良好的教學(xué)效果。

[2]楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)3光學(xué)部分[M].北京：高等教育出版社，2000：277

[3]程怡樂.試析分光計載物臺的角度補(bǔ)償作用[J].黃山學(xué)院學(xué)報， 2004，（3）：39-40

[1]胡孝博，聶麗青，劉揚(yáng)正.分光計的快速調(diào)整方法探索[J].南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，6（1）：69-72

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[5]羅樂，王剛志.調(diào)整分光計的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000，19（2）：107-108

The discussion about spectrometer adjustment

ZHANG Jin，MA Jian-guo

Based on the angle compensation of the spectrometer’s carrying platform for the triangular prism’s non-perpendicular， we analyzed the misunderstandings for not realizing the spectrometer’s adjustment of the carrying platform’s out-of-level， at the same time we put forward a adjustment method which is able to avoid the similar problems in this paper.

spectrometer；triangular prism；revolving axis；rotation fine tuning method

O435

A

1009-9530（2011）03-0010-02

2011-03-21

安徽省高等學(xué)校省自然基金研究項(xiàng)目（kj2009b271z）；淮南師范學(xué)院青年基金項(xiàng)目（2005lkq14）

張瑾（1970-），男，安徽長豐人，淮南師范學(xué)院物理與電子信息系講師，碩士，研究方向?yàn)榉肿庸庾V。