分光計(jì)的各半調(diào)節(jié)法及其原理

黃海深等

摘 要： 本文在對(duì)分光計(jì)光路圖分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹分光計(jì)的各半調(diào)節(jié)法，推導(dǎo)出各半調(diào)節(jié)法的幾何原理，最后提出幾條可使分光計(jì)易于調(diào)節(jié)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞： 分光計(jì) 各半調(diào)節(jié)法 改進(jìn)措施

一、引言

分光計(jì)是一種測(cè)量光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度的精密儀器，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著廣泛應(yīng)用，常用來(lái)測(cè)量反射角、折射角、衍射角、棱鏡的折射率及觀(guān)察光譜等。該儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)學(xué)生動(dòng)手調(diào)節(jié)能力要求高，大多數(shù)學(xué)生調(diào)節(jié)起來(lái)比較困難，即使老師認(rèn)真講解和演示，仍然不能在規(guī)定的課時(shí)內(nèi)完成調(diào)節(jié)，后續(xù)測(cè)量工作無(wú)法正常進(jìn)行。造成這種后果的原因是，學(xué)生未認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，而老師常常只顧講解調(diào)節(jié)方法和技巧，并未講解這樣調(diào)節(jié)的原因，造成學(xué)生對(duì)各半調(diào)節(jié)法不理解，不能盡快掌握并運(yùn)用這種方法。目前關(guān)于分光計(jì)實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)較多[1-3]，但大多數(shù)只關(guān)注調(diào)節(jié)方法本身，并未對(duì)各半調(diào)節(jié)法原理進(jìn)行分析研究?；诖?，本文重點(diǎn)介紹各半調(diào)節(jié)法，并推導(dǎo)出其中幾何原理。

二、各半調(diào)節(jié)法及其原理

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的光軸與雙面反射鏡垂直時(shí)，十字透光窗發(fā)出的光通過(guò)雙面反射鏡后會(huì)聚在分劃板上方的十字刻線(xiàn)處，形成十字反射像，即亮十字，這時(shí)十字透光窗和亮十字分居于光軸上下，對(duì)稱(chēng)于光軸，如圖1所示。

設(shè)此時(shí)分光計(jì)已進(jìn)行了粗調(diào)，各部分都沒(méi)有明顯傾斜，且分光計(jì)的主軸垂直于水平面。望遠(yuǎn)鏡光軸與水平面夾角為α，雙面反射鏡與主軸的夾角為β，望遠(yuǎn)鏡分劃板與雙面反射鏡的距離為D，望遠(yuǎn)鏡的光軸與雙面反射鏡不垂直，亮十字像與分劃板上方的十字刻線(xiàn)有一距離h，如圖2所示。夾角α和β都比較小，滿(mǎn)足關(guān)系tanα≈α，tanβ≈β，tan（α+β）≈α+β。

采用各半調(diào)節(jié)法的調(diào)節(jié)步驟如下：

1.調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的水平調(diào)節(jié)螺釘使高度差h減小到原來(lái)的一半，設(shè)此時(shí)α變?yōu)棣痢?，而β不變，方程?）變?yōu)椋?/p>

此時(shí)望遠(yuǎn)鏡的光軸與雙面反射鏡已經(jīng)垂直，若α=β，則α′=0，β′=0，調(diào)節(jié)已經(jīng)結(jié)束。但一般情況下α≠β，則α′≠0，β′≠0，望遠(yuǎn)鏡的光軸與水平面的夾角不為零，雙面反射鏡與主軸夾角也不為零，還需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

3.轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使雙面反射鏡旋轉(zhuǎn)180°，設(shè)高度差變?yōu)閔′，α′不變，β′則變?yōu)?β′，各物理量之間的關(guān)系為：

α″為零，表明望遠(yuǎn)鏡的光軸已經(jīng)水平；β″為零，表明雙面反射鏡所在平面豎直，即與雙面反射鏡平行的高AB垂直的中位線(xiàn)CD在水平面內(nèi)。載物臺(tái)上的一條線(xiàn)段水平，并不能保證載物臺(tái)水平，要使其水平，還需使其內(nèi)另一條線(xiàn)段水平。接下來(lái)，把雙面反射鏡旋轉(zhuǎn)90°（載物臺(tái)不動(dòng)），使其平行于載物臺(tái)上的中位線(xiàn)CD，重復(fù)剛才的第1步至第5步（第2步和第5步中改調(diào)節(jié)螺釘1），可保證望遠(yuǎn)鏡的光軸水平及三角形的高AB在水平面內(nèi)。載物臺(tái)上的兩條相交線(xiàn)段都在水平面內(nèi)，表明載物臺(tái)已經(jīng)水平，望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)都已經(jīng)調(diào)節(jié)好，可以進(jìn)行各種測(cè)量工作了。

三、改進(jìn)措施

1.底座和載物臺(tái)上分別裝上氣泡水準(zhǔn)儀。現(xiàn)在一般載物臺(tái)只能靠肉眼大致估計(jì)其傾斜程度，常常造成粗調(diào)不能滿(mǎn)足要求，無(wú)法順利進(jìn)行接下來(lái)的細(xì)調(diào)步驟。底座上的水準(zhǔn)儀可使主軸呈豎直狀態(tài)，載物臺(tái)上的水準(zhǔn)儀可使載物臺(tái)粗調(diào)時(shí)的水平程度提高。

2.望遠(yuǎn)鏡一側(cè)裝上準(zhǔn)星。望遠(yuǎn)鏡視野太小，光源一般不能在分劃板上成像，常使學(xué)生無(wú)從下手。如果能在望遠(yuǎn)鏡右側(cè)或左側(cè)上裝上準(zhǔn)星，就可以對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行粗調(diào)，使視野里出現(xiàn)亮十字。

3.載物臺(tái)上刻上與調(diào)平螺釘相對(duì)應(yīng)的等邊三角形及高和中位線(xiàn)。

一般情況下，載物臺(tái)上只有三個(gè)調(diào)平螺釘，并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的三角形，所以大多數(shù)學(xué)生擺放雙面反射鏡時(shí)，只是隨便估計(jì)一個(gè)高或中位線(xiàn)的位置，這樣造成的直接后果是經(jīng)過(guò)上述各半調(diào)節(jié)法的調(diào)節(jié)之后，載物臺(tái)并未水平。原因是第一次各半調(diào)節(jié)法在載物臺(tái)上找到的呈水平狀態(tài)的線(xiàn)段，會(huì)在雙面反射鏡旋轉(zhuǎn)之后的調(diào)節(jié)過(guò)程中變傾斜。如果刻上三角形及高和中位線(xiàn)后之后，就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，原因是只調(diào)節(jié)螺釘2或螺釘3不會(huì)改變高AB的狀態(tài)，而只調(diào)節(jié)螺釘1不會(huì)改變中位線(xiàn)CD的狀態(tài)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹分光計(jì)的各半調(diào)節(jié)法，該方法較復(fù)雜，每一步應(yīng)該調(diào)節(jié)哪個(gè)螺釘都有嚴(yán)格的規(guī)定，不利于學(xué)生快速掌握。為了使學(xué)生理解這種調(diào)節(jié)方法，在對(duì)分光計(jì)光路圖分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出各半調(diào)節(jié)法的幾何原理，最后提出幾條可使分光計(jì)易于調(diào)節(jié)的改進(jìn)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洋.淺議分光計(jì)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)[J].考試周刊，2010，47：173.

[2]陳霞，計(jì)晶晶，陸改玲，羅利霞，周澐.分光計(jì)的快速調(diào)節(jié)方法探討[J].物理通報(bào)，2015，02：52-53.

[3]王仁洲，楊濤.三棱鏡在分光計(jì)載物臺(tái)上擺放位置的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014，05：42-43.