分光計(jì)的全程有目的調(diào)節(jié)

【摘要】分光儀的調(diào)節(jié)很困難。最難的是，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡與分光儀中軸線的垂直。本文通過(guò)難點(diǎn)分離--調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)、調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直，兩個(gè)調(diào)節(jié)完全分離，加手機(jī)輔助的方法，規(guī)避找不到像的無(wú)目的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生全程有目的的調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】分光計(jì);望遠(yuǎn)鏡;載物臺(tái);手機(jī)

分光計(jì)，是一種重要的角度測(cè)量?jī)x器?？梢杂脕?lái)測(cè)量物質(zhì)反射角、衍射角、折射率、色散率、光波波長(zhǎng)等[1]。在使用分光計(jì)之測(cè)量各種數(shù)據(jù)之前，首先要掌握分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法。而由于分光計(jì)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜：有望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺(tái)、讀數(shù)裝置四個(gè)主要部分[2]，其中平行光管用來(lái)產(chǎn)生平行光，望遠(yuǎn)鏡用來(lái)觀察平行光，載物臺(tái)用來(lái)放待測(cè)物體，讀數(shù)裝置用來(lái)讀取實(shí)驗(yàn)時(shí)角度[3]。另外包括各種鎖緊微調(diào)螺絲、焦輪達(dá)到19個(gè)。學(xué)生不容易掌握調(diào)節(jié)方法。

分光計(jì)使用之前首先要達(dá)到兩個(gè)平行：出入射光都是“平行光”，并且，這個(gè)平行光全程都要“平行”于讀數(shù)刻度盤。第一個(gè)平行：要求調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)、平行光管發(fā)射平行光;第二個(gè)平行：要求調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺(tái)上表面都與分光計(jì)中心軸垂直，即與載物臺(tái)中軸垂直[4]。

分光計(jì)調(diào)節(jié)順序：先粗調(diào)，再細(xì)調(diào)，細(xì)調(diào)是由望遠(yuǎn)鏡到載物臺(tái)，再平行光管。

1.粗調(diào)

粗調(diào)的好壞，往往決定了細(xì)調(diào)的效率。所以人們也想了很多方法改善，提高粗調(diào)的精度，比如加水準(zhǔn)儀[5][6]， 加裝廣角系統(tǒng)，激光準(zhǔn)直系統(tǒng)等[4]。只是這些方法需要新加附件，不易推廣，增加了分光儀的復(fù)雜程度。還有將載物臺(tái)調(diào)到最低，強(qiáng)制條平行[1]，只是這種方法的對(duì)待測(cè)物體高度有要求。

2.細(xì)調(diào)

由于所要做實(shí)驗(yàn)不同，調(diào)節(jié)用光學(xué)元件有多種：平面鏡，雙面平面鏡，三棱鏡，光柵等。

2.1 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)

調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)，指的是入射望遠(yuǎn)鏡的平行光聚焦于目鏡分劃板。用的是自準(zhǔn)直法。都是首先調(diào)節(jié)目鏡沒(méi)有視差后，具體有多種調(diào)節(jié)方法：

（1）按要求將光學(xué)元件放到載物臺(tái)上，如圖1所示，粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與鏡面垂直，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，找到模糊的綠色“+”字叉絲像，松開目鏡鎖緊螺釘，伸縮目鏡鏡筒，至“+”字叉絲清晰成像于分劃板上。

圖1 載物臺(tái)上光學(xué)物品的擺放

（2）將光學(xué)元件反射面緊貼在望遠(yuǎn)鏡筒物鏡前，如圖2所示，伸縮目鏡，至“+”字叉絲清晰成像。

圖2

調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸垂直儀器主軸，要找到兩次“+”字叉絲清晰像。對(duì)于熟練掌握分光儀調(diào)節(jié)的人來(lái)說(shuō)，用第一種方法，聚焦無(wú)限遠(yuǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了其中一次成像。而第二種方法在調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸垂直儀器主軸時(shí)，還得再找一遍“+”字叉絲像。

對(duì)于初學(xué)者第一種方法有兩個(gè)難點(diǎn)：

（1）由于常常由于沒(méi)有粗調(diào)好望遠(yuǎn)鏡光軸與鏡面垂直，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡筒里找不到模糊“+”字叉絲像;

（2）粗調(diào)好垂直的，由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)度不同，有些打開了汞燈、鈉燈，這些燈光干擾，初學(xué)者不知遮擋燈光，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)時(shí)候，非常微弱模糊的綠色“+”字叉絲像一晃而過(guò)，就錯(cuò)過(guò)了。

實(shí)驗(yàn)時(shí)有些同學(xué)卡在這一步達(dá)40分鐘。教學(xué)體會(huì)是：不要將兩個(gè)問(wèn)題，粗調(diào)垂直、聚焦無(wú)限遠(yuǎn)，放在一起解決，互相增加難度。

所以對(duì)初學(xué)者，用第二種方法，規(guī)避了燈光干擾，直接找到“+”字叉絲像，實(shí)現(xiàn)了聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)。由于是清晰“+”字叉絲像，接下來(lái)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與鏡面垂直時(shí)，只要粗調(diào)好垂直，“+”字叉絲像出現(xiàn)在鏡筒，立刻會(huì)發(fā)現(xiàn)，減少了粗調(diào)難度。

2.2 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直

調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直，要使兩個(gè)反射面都看到“+”字叉絲清晰像，并且與分劃板上“上十字”重合。難點(diǎn)是先找到像。

首先看第一個(gè)反射面。按標(biāo)準(zhǔn)要求放置好雙面平面鏡、光柵或三棱鏡等，再次粗調(diào)，用肉眼觀察這些物體的反射面，是否與望遠(yuǎn)鏡垂直，調(diào)節(jié)垂直。調(diào)節(jié)的結(jié)果有兩個(gè)，一個(gè)看到“+”字叉絲像，一個(gè)看不到?？吹降?，只要按照“各半法”繼續(xù)調(diào)節(jié)。

對(duì)于初學(xué)者這時(shí)往往忽視粗調(diào)重要性，導(dǎo)致不垂直。有經(jīng)驗(yàn)者也有一定概率粗調(diào)失敗，肉眼相對(duì)誤差較大[4]。這時(shí)只有向下或向上微調(diào)望遠(yuǎn)鏡傾斜螺釘，同時(shí)旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，看不到像，再向相反方向微調(diào)，轉(zhuǎn)載物臺(tái)。[7]這種微調(diào)程度方向的具有不確定性，初學(xué)者不好把握。

圖3 手機(jī)輔助調(diào)節(jié)垂直示意圖，及手機(jī)成像示意圖

筆者從尺讀度望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)得到靈感，采用人人都有的手機(jī)輔助。如圖3.1所示，將手機(jī)調(diào)至白屏，放在望遠(yuǎn)鏡目鏡一端，光通過(guò)望遠(yuǎn)鏡筒達(dá)到反射鏡面上，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，利用人眼的大視野，找到手機(jī)成像—圓形手機(jī)像素點(diǎn)群。如圖3.2所示，人眼要在手機(jī)成像和筒內(nèi)壁成像同心時(shí)，停止移動(dòng)。這時(shí)如果人眼在目鏡水平下方，可以微調(diào)望遠(yuǎn)鏡傾斜螺釘，使目鏡端降一點(diǎn)，同時(shí)調(diào)載物臺(tái)上揚(yáng)一點(diǎn)。各半法的一種體現(xiàn)。反之向相反方向調(diào)節(jié)?？傊詈笫故謾C(jī)成像與目鏡等高。這種方法找“+”字叉絲像有的放矢，不需經(jīng)驗(yàn)判斷調(diào)整程度方向，學(xué)生容易掌握。

旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，找第二個(gè)十字叉絲像，找到的繼續(xù)用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)，如果找不到第二個(gè)叉絲像，重復(fù)先前的步驟，手機(jī)輔助。

唯一需要注意的是，無(wú)論怎么調(diào)節(jié)，結(jié)果都不要使望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)明顯脫離水平。

由于不同光學(xué)元件調(diào)節(jié)不能互相代替[8]，為了避免二次調(diào)垂直，如果做“用最小偏向角法測(cè)三棱鏡材料的折射率”實(shí)驗(yàn)，就要用三棱鏡調(diào)垂直，如果做 “用透射光柵測(cè)定光波波長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)，調(diào)垂直光學(xué)元件就要用光柵。接下來(lái)是平行光管的調(diào)節(jié)，較簡(jiǎn)單。伸縮豎直狹縫，調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡中看到清晰像，就實(shí)現(xiàn)了平行光的調(diào)節(jié);狹縫旋轉(zhuǎn)九十度，調(diào)節(jié)狹縫使其與望遠(yuǎn)鏡分劃板中央水平線重合，就實(shí)現(xiàn)了與望遠(yuǎn)鏡共軸，即與分光儀中軸線垂直[9]。

3.結(jié)論

分光儀作為光學(xué)中一種重要的基礎(chǔ)性儀器，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難。最難的是，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡與分光儀中軸線的垂直。本文通過(guò)難點(diǎn)分離，手機(jī)輔助的方法，規(guī)避了找不到像的無(wú)目的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生全程有目的的調(diào)節(jié)。其實(shí)，所有的難點(diǎn)都是對(duì)初學(xué)者，實(shí)驗(yàn)課短短的幾小時(shí)，不足以使學(xué)生熟練掌握一臺(tái)儀器。目前有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用電腦軟件架構(gòu)出分光儀，如果這種軟件在有條件的地方推廣，學(xué)生在自己的電腦上隨時(shí)練習(xí)長(zhǎng)時(shí)間，相信這些困難將不攻自破。

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作者簡(jiǎn)介：楊靜瑜（1983—），女，蒙古族，畢業(yè)于東北師范大學(xué)，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)供職于沈陽(yáng)師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，專修凝聚態(tài)物理。