分光計(jì)調(diào)整教學(xué)方法心得

圣宗強(qiáng)，孟 影，李成龍

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 233001）

分光計(jì)是精確測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角度的儀器，也稱(chēng)測(cè)角儀。光學(xué)中的許多基本物理量如波長(zhǎng)，折射率等都可以直接或間接地表現(xiàn)為光線的偏轉(zhuǎn)角。因而利用它可測(cè)量波長(zhǎng)、折射率等，此外分光計(jì)還能精確地測(cè)量光學(xué)平面間的夾角。分光計(jì)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本儀器之一，許多光學(xué)儀器的基本結(jié)構(gòu)也是以它為基礎(chǔ)。使用分光計(jì)時(shí)必須經(jīng)過(guò)一系列精細(xì)的調(diào)整才能得到精確的結(jié)果。分光計(jì)調(diào)整與應(yīng)用是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)［1－5］。它的調(diào)整技術(shù)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本技術(shù)之一，必須正確掌握。但我們由于分光計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作步驟繁多，調(diào)節(jié)精度要求高，如何讓學(xué)生在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)理解并掌握其調(diào)整技術(shù)，對(duì)授課教師來(lái)講是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，摸索出一套比較實(shí)用的教學(xué)方法。

調(diào)整分光計(jì)，最后要達(dá)到下列要求：

（1）平行光管發(fā)出平行光；

（2）望遠(yuǎn)鏡對(duì)平行光聚焦（即接收平行光）；

（3）望遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸垂直儀器公共軸，載物臺(tái)水平。

在分光計(jì)調(diào)整過(guò)程中最關(guān)鍵的也是最難的就是調(diào)整好望遠(yuǎn)鏡。

下面介紹在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些方法和有實(shí)用價(jià)值的舉措。

1 采用課件教學(xué)和教師示范演示相結(jié)合的教學(xué)方法

對(duì)于分光計(jì)調(diào)整和應(yīng)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們采用課件教學(xué)和教師示范演示相結(jié)合的方法。由于分光計(jì)實(shí)驗(yàn)屬于比較難的實(shí)驗(yàn)，分光計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅調(diào)節(jié)螺釘就有十幾個(gè)。操作步驟多而且繁雜，學(xué)生經(jīng)常覺(jué)得無(wú)從下手，經(jīng)常做了上一步忘了下一步該做什么。以前上課，教師在講臺(tái)上對(duì)著儀器介紹儀器結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方法，坐在后面的同學(xué)很難看清?，F(xiàn)改用利用投影儀用課件來(lái)上課。通過(guò)課件可生動(dòng)詳細(xì)地介紹分光計(jì)各部件的作用，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。再配上一定的動(dòng)畫(huà)效果，可加深學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的印象，對(duì)出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也能有個(gè)清楚的感性認(rèn)識(shí)，使他們能很快理解實(shí)驗(yàn)原理以及操作過(guò)程。一般利用課件講解實(shí)驗(yàn)的過(guò)程約為二十分鐘左右，然后讓學(xué)生自己動(dòng)手做二十分鐘左右。在動(dòng)手做的過(guò)程中，學(xué)生對(duì)儀器就比較熟悉了，但在調(diào)整的過(guò)程中可能還是會(huì)遇到一些困難。接下來(lái)教師再花五分鐘左右將實(shí)驗(yàn)演示一遍。學(xué)生在觀察教師演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候就能做到有的放矢，并迅速掌握調(diào)整的要領(lǐng)。我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)這樣的教學(xué)，絕大部分學(xué)生能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將分光計(jì)調(diào)整好。

2 介紹儀器時(shí)刪繁就簡(jiǎn)

分光計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由四大部分構(gòu)成：望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺(tái)以及讀數(shù)系統(tǒng)。要想在短時(shí)間內(nèi)將分光計(jì)這些部件的所有功能都詳細(xì)介紹是很難做到的，學(xué)生也很難全部都記住。我們?cè)诮榻B儀器時(shí)采用刪繁就簡(jiǎn)的辦法。如在介紹望遠(yuǎn)鏡和平行光管時(shí)，我們只介紹它們的基本調(diào)節(jié)和使用方法，對(duì)于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理不作介紹，這部分留給學(xué)生自己閱讀。分光計(jì)僅調(diào)節(jié)螺釘就有十幾個(gè)，我們?cè)诮榻B的時(shí)候只介紹和實(shí)驗(yàn)操作相關(guān)的螺釘和旋鈕。

3 借助簡(jiǎn)單儀器進(jìn)行分光計(jì)粗調(diào)

對(duì)分光計(jì)的調(diào)整分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)。有的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)書(shū)上對(duì)粗調(diào)只是簡(jiǎn)單一筆帶過(guò)，在一般的教材中粗調(diào)是指用眼睛從側(cè)面觀察載物臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡鏡筒以及平行光管是否大致水平。如不水平則通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)的螺釘使其大致水平。并將望遠(yuǎn)鏡和平行光管對(duì)成直線。而實(shí)際上粗調(diào)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有著非常重要的作用。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)往往忽略粗調(diào)這一步驟而急于求成，實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始就對(duì)著望遠(yuǎn)鏡筒找平面鏡反射回來(lái)的亮十字，直接進(jìn)入細(xì)調(diào)環(huán)節(jié)。有的學(xué)生雖然進(jìn)行了目測(cè)粗調(diào)，但由于只靠眼睛看，沒(méi)有參照物作為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)達(dá)不到理想的效果。為了使粗調(diào)迅速并且達(dá)到理想效果，我們給每個(gè)學(xué)生發(fā)一個(gè)小的水平儀，采用水平儀輔助粗調(diào)的辦法。

首先用水平儀調(diào)節(jié)分光計(jì)的主軸豎直，分光計(jì)其他部分的調(diào)節(jié)都是以其主軸為參照的，主軸是否垂直關(guān)系到整個(gè)分光計(jì)調(diào)節(jié)的效果。分光計(jì)放在實(shí)驗(yàn)桌上，如實(shí)驗(yàn)桌不水平則分光計(jì)主軸就不豎直。我們首先將水平儀放在游標(biāo)盤(pán)上，看游標(biāo)盤(pán)是否水平，如游標(biāo)盤(pán)水平則分光計(jì)主軸豎直。一般實(shí)驗(yàn)桌是固定的，不容易調(diào)整水平，這時(shí)我們可以通過(guò)調(diào)整分光計(jì)三只腳的高度來(lái)調(diào)節(jié)游標(biāo)盤(pán)水平，具體做法可在分光計(jì)支撐腳下墊些紙塊，使游標(biāo)盤(pán)水平。

其次，調(diào)節(jié)載物臺(tái)水平，首先通過(guò)調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的三個(gè)螺釘將載物臺(tái)上面的黑鐵塊頂起來(lái)一點(diǎn)，使其和下面的鐵塊之間的間隔大致在半厘米左右，這樣載物臺(tái)下的三個(gè)調(diào)平螺釘既可上調(diào)也可下調(diào)。再?gòu)膫?cè)面觀察上下兩個(gè)鐵塊之間的間距是否比較均勻，如均勻則載物臺(tái)已經(jīng)大致水平了。將水平儀放在載物臺(tái)上，微調(diào)載物臺(tái)下的三個(gè)調(diào)平螺釘使載物臺(tái)的水平度進(jìn)一步提高。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡下的高低調(diào)節(jié)螺釘，從側(cè)面觀察望遠(yuǎn)鏡鏡筒是否大致水平。這時(shí)再將水平儀放在望遠(yuǎn)鏡的鏡筒上來(lái)檢驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡鏡筒是否水平。

4 采用望遠(yuǎn)鏡筒外觀測(cè)法和各半調(diào)節(jié)法細(xì)調(diào)

目測(cè)粗調(diào)進(jìn)行完之后，接下來(lái)進(jìn)行細(xì)調(diào)。細(xì)調(diào)的目的是使望遠(yuǎn)鏡光軸和載物臺(tái)完全水平，需要借助一塊雙面平面鏡調(diào)節(jié)。平面鏡放在載物臺(tái)上的位置非常講究，各種教材中也有一些不同的方法。我們選擇的是常用的方法，其特點(diǎn)是容易理解和掌握。如圖1所示。

圖1 平面鏡放置圖

a1、a2和a3表示載物臺(tái)下的三顆螺釘，這三顆螺釘構(gòu)成一等邊三角形。將平面鏡的邊放在此等邊三角形的一條高上，也即a1、a2連線的中垂線上。這一步的目的是將望遠(yuǎn)鏡的光軸調(diào)垂直于儀器公共軸，也即是將望遠(yuǎn)鏡的光軸調(diào)水平（這里已假定前一步分光計(jì)的主軸已調(diào)垂直）。平面鏡如圖1擺放，如果其不豎直，只需要調(diào)節(jié)a1、a2兩個(gè)螺釘之一就能迅速地將其調(diào)豎直，而螺釘a3不需要調(diào)節(jié)。一般這時(shí)在望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)可看到平面鏡正反面反射回來(lái)的亮十字像，這樣就可以進(jìn)行下一步的調(diào)節(jié)。但有的學(xué)生由于前面的粗調(diào)精度不高也可能兩個(gè)面都找不到像或只能找到其中的一個(gè)，這種情況是很普遍的。如出現(xiàn)這樣的情況，我們一般要求學(xué)生重新粗調(diào)再試試看，如還不行則必須要用望遠(yuǎn)鏡筒外觀測(cè)法將兩個(gè)面的亮十字像找出來(lái)。這一步對(duì)同學(xué)來(lái)說(shuō)不太好掌握，也是我們講解實(shí)驗(yàn)操作步驟的重點(diǎn)和難點(diǎn)。有些實(shí)驗(yàn)教材或文獻(xiàn)中也會(huì)提及望遠(yuǎn)鏡筒外觀測(cè)法，但一般只是簡(jiǎn)單說(shuō)兩句，沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)和步驟。我們具體的做法是：先將望遠(yuǎn)鏡的鏡筒稍稍向右偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，和平面鏡錯(cuò)開(kāi)一點(diǎn)。用左眼順著筒壁左側(cè)水平向前看，高度和望遠(yuǎn)鏡軸線在同一個(gè)水平面上。一直向前看到載物臺(tái)上的平面鏡，一般這時(shí)在平面鏡里可以看到望遠(yuǎn)鏡前面物鏡鏡頭的像，在這個(gè)鏡頭的像里面可以看到一個(gè)亮十字。如果此時(shí)亮十字和望遠(yuǎn)鏡的光軸在同一個(gè)水平面上，將平面鏡和望遠(yuǎn)鏡正對(duì)放，在目鏡里應(yīng)該就能看到亮十字。如在目鏡里沒(méi)有看到亮十字則表明從外面看亮十字和望遠(yuǎn)鏡的光軸不在同一個(gè)水平面上，偏高或偏低了。這樣導(dǎo)致平面鏡反射回來(lái)的亮十字像也偏低或偏高了而不能進(jìn)入到望遠(yuǎn)鏡的鏡筒里去，所以從目鏡里就看不到亮十字的像。這時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)載物臺(tái)下靠近實(shí)驗(yàn)者的螺釘以及望遠(yuǎn)鏡鏡筒下的高度調(diào)節(jié)螺釘采用各半調(diào)節(jié)法（后面再解釋各半調(diào)節(jié)法）使亮十字和望遠(yuǎn)鏡的光軸正好同一個(gè)水平面上。這時(shí)再將平面鏡和望遠(yuǎn)鏡正對(duì)放，應(yīng)該就能從目鏡里看到亮十字。同樣的方法也可找到平面鏡另一個(gè)面的亮十字。

平面鏡的正反兩個(gè)面都找到亮十字后，接下來(lái)就是大部分教材上介紹的各半調(diào)節(jié)法將望遠(yuǎn)鏡的光軸調(diào)水平（和分光計(jì)主軸垂直）：以分劃板上方四分之一處的橫線為準(zhǔn)線，通過(guò)調(diào)節(jié)載物臺(tái)下靠近實(shí)驗(yàn)者的螺釘以及望遠(yuǎn)鏡鏡筒下的高度調(diào)節(jié)螺釘分兩次將看到的亮十字調(diào)到那道橫線上，如圖2所示的位置。每次調(diào)節(jié)的距離是總距離的一半。反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)對(duì)平面鏡的正反面調(diào)節(jié)，最終的目標(biāo)是平面鏡正反兩個(gè)面反射回來(lái)的亮十字都在上方四分之一處的橫線上。這就表明望遠(yuǎn)鏡的光軸調(diào)水平了。

圖2 分劃板及亮十字圖

圖3 平面鏡放置圖

接下來(lái)就是將載物臺(tái)調(diào)水平（和分光計(jì)主軸垂直）。關(guān)于這一步的調(diào)節(jié)也有不同的方法。有的用三棱鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，也有的用平面鏡調(diào)節(jié)。用平面鏡調(diào)節(jié)更簡(jiǎn)潔明了一些，平面鏡也有不同的擺法。我們采用的是如圖3的放置，讓平面鏡的邊處在由a1、a2和a3構(gòu)成的三角形的中位線上，和a1、a2連線平行。這時(shí)望遠(yuǎn)鏡已不能再調(diào)節(jié)，螺釘a1、a2也不能再調(diào)。這時(shí)只能調(diào)節(jié)a3這一個(gè)螺釘。將平面鏡和望遠(yuǎn)鏡正對(duì)，通過(guò)調(diào)節(jié)a3使看到的亮十字達(dá)到分劃板上方四分之一處的橫線，這就表明載物臺(tái)調(diào)水平了。

5 其他一些小措施

（1）分光計(jì)實(shí)驗(yàn)并不需要在完全黑暗的環(huán)境中進(jìn)行。但為了使學(xué)生能夠清晰地觀察到平面鏡反射的亮十字以及測(cè)三棱鏡頂角或測(cè)折射率時(shí)的狹縫的像，要求實(shí)驗(yàn)室的光線不能太亮。我們給實(shí)驗(yàn)室安裝了遮光窗簾，再給每組實(shí)驗(yàn)配備一把小手電筒方便學(xué)生讀數(shù)。

（2）在測(cè)三棱鏡頂角或測(cè)折射率時(shí)，容易受到其他實(shí)驗(yàn)組燈光或其他一些自然光的干擾，我們要求學(xué)生在觀測(cè)時(shí)用書(shū)或白紙將這些光擋住。

（3）由于三棱鏡是玻璃制品，容易摔壞，如果教師要求不嚴(yán)格，一學(xué)期實(shí)驗(yàn)下來(lái)會(huì)有很多三棱鏡的邊角被碰壞或摔壞。在講解實(shí)驗(yàn)時(shí)要特別強(qiáng)調(diào)保護(hù)三棱鏡，告誡學(xué)生們拿到三棱鏡后一定要輕拿輕放，三棱鏡一定要往實(shí)驗(yàn)桌中間擺放，切勿放在桌子邊緣或放在書(shū)上。

將以上改進(jìn)措施應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生一般都能掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用。從而能按時(shí)自主地完成實(shí)驗(yàn)，明顯提高分光計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

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