分光計(jì)調(diào)節(jié)技巧分析和裝置改進(jìn)

賴學(xué)輝，熊正燁，師文慶，李永強(qiáng)，黃存友，張?？?/p>

(廣東海洋大學(xué) 理學(xué)院，廣東 湛江 524088)

·儀器設(shè)備研制、改進(jìn)、維護(hù)·

分光計(jì)調(diào)節(jié)技巧分析和裝置改進(jìn)

賴學(xué)輝，熊正燁，師文慶，李永強(qiáng)，黃存友，張海康

(廣東海洋大學(xué) 理學(xué)院，廣東 湛江 524088)

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生難以掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)技巧，導(dǎo)致在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中花費(fèi)的時(shí)間過長。在分析調(diào)節(jié)技巧的基礎(chǔ)上，提出對(duì)儀器進(jìn)行簡單的改裝，即增加一個(gè)粗調(diào)輔助器件。通過在望遠(yuǎn)鏡筒上安裝兩條細(xì)絲，其連線作為輔助的基準(zhǔn)線，可使學(xué)生更容易掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)技巧，更快速地完成分光計(jì)的調(diào)節(jié)。

分光計(jì)；實(shí)驗(yàn)技巧；物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)

分光計(jì)是一種測(cè)量角度的精密儀器，在材料光學(xué)特性測(cè)量等諸多領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用[1-2]。分光計(jì)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[3]。分光計(jì)由望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物平臺(tái)和讀數(shù)系統(tǒng)組成，是較精密的儀器，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，調(diào)節(jié)難度較高。在分光計(jì)的調(diào)節(jié)中，一般要先完成望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)的粗調(diào)。這種粗調(diào)在大多數(shù)情況下是用目測(cè)來進(jìn)行的，對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的教師來說，幾分鐘內(nèi)就可完成。但對(duì)毫無經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，可能搗鼓半小時(shí)還未能在望遠(yuǎn)鏡的視場中找到反射光標(biāo)。本文討論分光計(jì)實(shí)驗(yàn)粗調(diào)教學(xué)中遇到的困難，并提出解決方法。

1 分光計(jì)調(diào)節(jié)教學(xué)中所遇到的困難

在實(shí)驗(yàn)教材中，一般都會(huì)強(qiáng)調(diào)分光計(jì)粗調(diào)的方法和必要性，而分光計(jì)粗調(diào)通常有以下三種方法：

1)先將平行光管對(duì)準(zhǔn)光源，再目測(cè)并調(diào)節(jié)平行光管，望遠(yuǎn)鏡及載物平臺(tái)盡量垂直于旋轉(zhuǎn)主軸，也就是使這三者大致處于水平狀態(tài)。這步很重要，此步驟的好壞將決定整個(gè)調(diào)節(jié)是否順利，并可以減少后面調(diào)節(jié)的盲目性[4]。

2)目測(cè)粗調(diào)。目測(cè)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸(調(diào)整傾仰調(diào)節(jié)螺絲)、平行光管(調(diào)整傾仰調(diào)節(jié)螺絲)、載物臺(tái)平面(調(diào)臺(tái)面下三支撐螺絲等高)，使三者大致垂直于分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸。目測(cè)粗調(diào)是重要的一步，是進(jìn)一步細(xì)調(diào)的基礎(chǔ)，可以縮短調(diào)整時(shí)間[5]。

3)根據(jù)眼睛粗略估算，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平行光管上的高低傾斜的調(diào)整螺絲，使望遠(yuǎn)鏡、平行光管大致呈水平狀態(tài)；調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲，使載物臺(tái)也大致呈水平狀態(tài)。這一步粗調(diào)是細(xì)調(diào)的前提，也是細(xì)調(diào)成功的保證[6]。

綜觀以上的三種粗調(diào)方法，都是以目光的估計(jì)來進(jìn)行判斷。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說，由于沒有固定可靠的標(biāo)準(zhǔn)，很多學(xué)生說粗調(diào)調(diào)好了，但還是找不著反射光標(biāo)；或是能在雙面鏡的一面找到反射像，在另一面找不著反射像。其主要原因是分光計(jì)的粗調(diào)沒有真正調(diào)好，同時(shí)由于望遠(yuǎn)鏡視場太小，使得學(xué)生在有限視場內(nèi)不能及時(shí)地找到反射叉絲，調(diào)節(jié)起來有一定困難。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和加裝

針對(duì)上述現(xiàn)象，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行簡單的加裝。以浙江光學(xué)儀器制造有限公司的JJYI型分光計(jì)為例，安裝方法是：首先，根據(jù)以上存在的問題，在載物臺(tái)上放雙面鏡，先讓有經(jīng)驗(yàn)的老師將分光計(jì)調(diào)好；然后，在分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡筒上一前一后安裝A、B兩條細(xì)線，使A、B的重合線與調(diào)整后的雙面鏡中十字反射像橫線重合，并將兩條細(xì)線固定。這兩條固定線就作為調(diào)準(zhǔn)的基準(zhǔn)線。實(shí)際上，相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡內(nèi)所發(fā)出的光線就在這兩條基準(zhǔn)線所在的平面上。裝置的光路示意圖如圖1所示。

圖1 加裝兩基準(zhǔn)線側(cè)視光路示意圖

3 調(diào)節(jié)原理分析

在載物臺(tái)上放雙面鏡，雙面鏡與a、b二腳連線即y軸垂直，如圖2所示。圖2中，a、b、c腳為載物臺(tái)下方的調(diào)節(jié)螺釘。由于AB連線相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡的傾角線，因此用目光看AB線重合，適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，并調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡下方的傾仰調(diào)節(jié)螺絲和載物臺(tái)的a、b腳，在AB重合線附近找雙面鏡中的十字反射像。找到十字反射像后，若反射像在AB重合線的下方，如圖3所示。

圖2 雙面鏡和載物平臺(tái)

圖3 十字反射像在重合基準(zhǔn)線下方

出現(xiàn)該現(xiàn)象既可能是載物臺(tái)y軸水平調(diào)節(jié)不夠好，也可能是望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)節(jié)不夠好，還可能是兩種兼具。光路示意圖如圖4所示。

圖4 十字反射像出現(xiàn)在重合基準(zhǔn)線下方可能的光路

如何判斷到底是望遠(yuǎn)鏡未調(diào)水平還是載物臺(tái)未調(diào)水平而導(dǎo)致如圖3所示的結(jié)果呢？這時(shí)，只需將載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)180o，觀察雙面反射鏡中另一面的十字反射像。若望遠(yuǎn)鏡水平基本調(diào)好，雙面鏡另一面的反射像必然會(huì)出現(xiàn)在重合線的上方；若載物臺(tái)水平基本調(diào)好，則雙面鏡另一面的反射像仍然會(huì)出現(xiàn)在重合線的下方，光路示意圖如圖4(b)所示。

由于我們不能直接地感知望遠(yuǎn)鏡中射出光線的路徑，通過加裝兩條基準(zhǔn)線后，根據(jù)兩點(diǎn)一線的原理，就可使學(xué)生直觀地感知望遠(yuǎn)鏡的出射光線，從而使分光計(jì)的調(diào)節(jié)變得簡單明了。這與在望遠(yuǎn)鏡中加裝激光器[7]以直觀顯示出射光有異曲同工之妙。

4 具體調(diào)節(jié)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過前面的討論，直接用眼睛是容易看到十字反射像的。檢查雙面反射鏡前后兩面反射的十字反射像，若兩反射像高度不同時(shí)，選擇較低的一面反射像，通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰角，使該反射像與兩條細(xì)重合線重合。

將載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)180o，可觀測(cè)到另一面的十字反射像。設(shè)重合線與十字反射像距離為h，則用各半調(diào)節(jié)法消除h(即調(diào)節(jié)載物臺(tái)下如圖2所示的a或b兩螺絲之一，使h縮短為h/2；再調(diào)望遠(yuǎn)鏡的俯仰角，使反射像與兩條細(xì)重合線重合)。

轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，回到剛才的一面，用同樣的各半調(diào)節(jié)法，使反射像與兩條細(xì)重合線重合。反復(fù)幾遍后，當(dāng)正反兩面反射像高度都與兩條細(xì)重合線基本重合，則認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡光軸已經(jīng)基本垂直于中心轉(zhuǎn)軸，且載物臺(tái)的y軸亦垂直于中心轉(zhuǎn)軸。

將雙面鏡在載物臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)90o，使鏡面與y軸平行放置，觀測(cè)到十字反射像后，適當(dāng)調(diào)節(jié)螺絲c，使反射像與兩條細(xì)重合線重合。至此，粗調(diào)就算結(jié)束。

經(jīng)過這樣調(diào)節(jié)后適當(dāng)旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，一定能在望遠(yuǎn)鏡視場中看到十字反射像，且反射像與分劃板上的十字叉絲基本重合。

通過加裝了粗調(diào)的輔助設(shè)備，可使初次接觸分光計(jì)的操作者能較快上手，因?yàn)榻處熢谥v解粗調(diào)時(shí)可以給學(xué)生一個(gè)明確的操作標(biāo)準(zhǔn)。而完成了粗調(diào)后，再進(jìn)入細(xì)調(diào)時(shí)，上下反射十字光標(biāo)像就會(huì)在望遠(yuǎn)鏡視場內(nèi)了，而且光標(biāo)高度與分劃板上的叉絲線已基本重合，很快就可以完成細(xì)調(diào)，使望遠(yuǎn)鏡光軸嚴(yán)格地垂直于中心轉(zhuǎn)軸。這使初次使用分光計(jì)的學(xué)生們能夠快速順利完成實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)束語

通過系統(tǒng)分析分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理，在分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡上加裝了輔助調(diào)節(jié)器件。根據(jù)兩點(diǎn)一線的原理，可使學(xué)生直觀地感知望遠(yuǎn)鏡的出射光線，從而使分光計(jì)的調(diào)節(jié)變得簡單明了。

加裝輔助調(diào)節(jié)器件后，教師可給學(xué)生很明確的調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，而不再是用估計(jì)的方法，可使學(xué)生很快掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)技巧。

給分光計(jì)加裝的輔助調(diào)節(jié)器件，不需要改變實(shí)驗(yàn)儀器的基本結(jié)構(gòu)，簡單方便。該改裝可有效地解決學(xué)生分光計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間過長的問題。

[1] 熊正燁，徐家躍，李永強(qiáng)，等. 四硼酸鋰晶體的介電頻域譜研究[J].廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(1): 89-92.

[2]王鋼,馮饒慧,崔新圖，等.稀土彩色日光燈在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014,34(1):27-29.

[3] 張書敏，許景周，李冀. 普通物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4] 周殿清.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[5] 周瑞華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[6] 張兆奎，繆連元，張立主.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2001.

[7] 夏湘芳,陳光偉,李陵伶.分光計(jì)的激光輔助調(diào)節(jié)裝置[J].物理實(shí)驗(yàn)，2007,27(4)：34-36.

Analysis of Adjustment Technique and Apparatus Improvement of Spectrometer

LAI Xuehui，XIONG Zhengye，SHI Wenqing，LI Yongqiang，HUANG Cunyou，ZHANG Haikang

(School of Science，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088, China)

It is difficult for students to master the adjustment skills of spectrometer in the university physics experiment, which leading to spend too much time in the actual adjustment process. Based on the analysis on the adjustment skills, some simple instrument modifications are put forward, that is adding some auxiliary devices. Through the installation of two filaments in the telescope barrel, the line of two filaments can be seen as a datum line of telescope barrel. This can make it easier for students to master the adjusting skills of the spectrometer, so the students can complete spectrometer adjusting more quickly.

spectrometer; experiment technique; physics experiment; teaching

2014-10-08；修改日期: 2014-10-28

賴學(xué)輝(1965-)，男，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作。

熊正燁(1972-)，男，博士，副教授，研究方向：電子材料與輻射物理。

TH741

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.068