分光計(jì)調(diào)節(jié)方法的優(yōu)化

王文蓮

(大同大學(xué)大同師范分校 物理學(xué)院,山西 大同 037039)

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分光計(jì)調(diào)節(jié)方法的優(yōu)化

王文蓮

(大同大學(xué)大同師范分校 物理學(xué)院,山西 大同 037039)

摘要：對分光計(jì)的常規(guī)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了細(xì)致的分析和探討，并對分光計(jì)的常規(guī)調(diào)節(jié)方法做出了調(diào)整，如調(diào)節(jié)順序更加明確，粗調(diào)的操作要求有所降低，或者儀器(三棱鏡)的放置更加規(guī)范等，從而縮短調(diào)節(jié)分光計(jì)所用的時(shí)間.

關(guān)鍵詞：分光計(jì)；粗調(diào)；細(xì)調(diào)；“十”字叉絲像

分光計(jì)可用來精確測量角度，是常用的儀器.但使用分光計(jì)的要求比較高再加上分光計(jì)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以對于初學(xué)者來說，要在有限的時(shí)間內(nèi)將此光學(xué)儀器調(diào)整好是很困難的，根本就無法完成接下來的任務(wù)，即對某物質(zhì)的角進(jìn)行測量.所以目前我們需要關(guān)注的問題是如何化解分光計(jì)調(diào)節(jié)和使用的難度，從而高效率、快速的調(diào)整好分光計(jì)[1-2].

1分光計(jì)的結(jié)構(gòu)

分光計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　分光計(jì)的結(jié)構(gòu)

2分光計(jì)的原理

讓光線通過狹縫和聚焦透鏡形成一束平行光線，經(jīng)過反射或折射后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡物鏡并成像在望遠(yuǎn)鏡的焦平面上，通過目鏡進(jìn)行觀察和測量各種光線的偏轉(zhuǎn)角度，從而得到光學(xué)參量等.

3分光計(jì)的常規(guī)的調(diào)節(jié)方法

3.1　粗調(diào)

(1) 在正式調(diào)整該儀器之前，第一步是通過目測的方式粗調(diào)：使望遠(yuǎn)鏡與平行光管成一條直線，且這條直線平行于載物臺(tái)，最后通過調(diào)整使得這條直線與軸成90°.直到平面鏡的兩個(gè)面反射回來的“十”字叉絲像呈現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的目鏡視場中，粗調(diào)才結(jié)束.粗調(diào)這一步特別重要，將會(huì)對接下來的細(xì)調(diào)產(chǎn)生影響，粗調(diào)一定要做好，否則細(xì)調(diào)就很難進(jìn)行.

3.2　細(xì)調(diào)

3.2.1調(diào)整望遠(yuǎn)鏡

(1)用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡，使望遠(yuǎn)鏡能夠接收平行光：點(diǎn)亮望遠(yuǎn)鏡下側(cè)的照明小燈泡，通過小三棱鏡的作用將叉絲照亮，調(diào)整目鏡使得叉絲恰好處于目鏡焦平面上，此時(shí)，能夠很清楚的看到叉絲.然后將雙面鏡置于如圖2所示的位置，調(diào)節(jié)載物臺(tái)、分劃板、物鏡.在目鏡視場中有模糊的像出現(xiàn)(如果找不到像，重調(diào)).尋找到像之后調(diào)整分劃板的位置，視場中的像慢慢變成清晰的綠色亮“十”字叉絲像.當(dāng)使分劃板的中點(diǎn)恰好移到物鏡的焦點(diǎn)處時(shí)，在目鏡的視場中又發(fā)現(xiàn)叉絲像，且這個(gè)叉絲像與之前觀察到的綠色叉絲像無視差.同樣的，目鏡套筒、物鏡套筒、叉絲套筒之間的相對位置不用再改變(需要補(bǔ)充的是，在調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的過程中叉絲套筒在移動(dòng)的同時(shí)還應(yīng)做適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)，使得豎直叉絲與分光計(jì)中心軸相互平行).

圖2　平面鏡在載物臺(tái)上的放法

(2)使望遠(yuǎn)鏡鏡筒與分光計(jì)光軸成90°[3]：調(diào)整好望遠(yuǎn)鏡后，該儀器視場中同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)無差別的叉絲像.但一般情況下，綠色小亮“十”字叉絲像并不位于如下圖3所示的aa′線上.以下是可能的原因：望遠(yuǎn)鏡鏡筒與中心軸不成90°，或者是平面鏡鏡面不平行于中心軸，又或者是兩個(gè)原因都存在.為了解決以上遇到的問題，進(jìn)行如下的調(diào)整方法：首先驗(yàn)證雙面鏡兩個(gè)平面分別與望遠(yuǎn)鏡正對時(shí)，都在目鏡視場中看到叉絲像(如果在視場中找不到叉絲像或者只找到一個(gè)叉絲像，就說明第一步的粗調(diào)工作沒有做好，需要重新調(diào)整).然后調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與水平面所成的角度，使得綠色小亮“十”字叉絲像不斷靠近aa′線，接著通過調(diào)節(jié)載物臺(tái)下面的三個(gè)螺絲，使得以上兩個(gè)叉絲像完全重合.同理，調(diào)整載物臺(tái)使平面鏡的反面與望遠(yuǎn)鏡正對，最后依然是兩個(gè)叉絲像完全重合.以上兩步都做好后說明望遠(yuǎn)鏡光軸就垂直于中心軸了.

圖3　成像原理

3.2.2調(diào)整平行光管

(1)通過調(diào)整使得平行光管射出平行光：調(diào)節(jié)平行光管之前，先將反射平面鏡從載物臺(tái)上取下來，再點(diǎn)亮汞燈使其光線正照在狹縫上.然后在調(diào)節(jié)狹縫與透鏡相對距離的同時(shí)，用調(diào)整好的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平行光管進(jìn)行觀察.當(dāng)分劃板中點(diǎn)與透鏡焦點(diǎn)重合的時(shí)候，就出現(xiàn)了平行光.之后，在望遠(yuǎn)鏡視場中看到有像出現(xiàn).此時(shí)，在望遠(yuǎn)鏡視場中能發(fā)現(xiàn)清晰的與叉絲無視差的叉絲像.

(2)使平行光管光軸與分光計(jì)的中心軸成90°[4]：調(diào)節(jié)狹縫寬度的手輪，使得狹縫有一個(gè)恰當(dāng)?shù)膶挾?再通過調(diào)整狹縫使得狹縫像與水平叉絲成90°，然后調(diào)節(jié)平行光管上的螺釘，把狹縫像為該位置十字叉絲的放大或縮小像.此時(shí)，平行光管和望遠(yuǎn)鏡光軸成一條直線且都與分光計(jì)中心軸成90°.

4對分光計(jì)調(diào)整和使用過程中遇到的障礙進(jìn)行分析

4.1　嚴(yán)格調(diào)節(jié)分光計(jì)的螺絲

分光計(jì)的的調(diào)節(jié)螺絲有很多，每個(gè)螺絲都有各自的價(jià)值[5].有的起固定作用，有的用來調(diào)節(jié)高低，有的用來調(diào)節(jié)水平移動(dòng).當(dāng)某螺釘調(diào)整好后，一般不再去調(diào)動(dòng)該螺釘.

4.2　使望遠(yuǎn)鏡的光軸與中心軸成90°

在調(diào)整過程中經(jīng)常會(huì)遇到這個(gè)問題，即很難使望遠(yuǎn)鏡的光軸與中心軸成90°，這問題嚴(yán)重影響了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作[6].根據(jù)所查找的文獻(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)教材書，筆者了解到分光計(jì)的調(diào)整方法一般采用各半調(diào)整法來進(jìn)行調(diào)節(jié).但是運(yùn)用上述調(diào)節(jié)方法有很多的弊端，例如，粗調(diào)工作完成后，在視場中沒有出現(xiàn)叉絲像.只能再重新粗調(diào)，如果一直是以上情況，那么就一直不能開展細(xì)調(diào)工作.通過對整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析與探討后發(fā)現(xiàn)主要是粗調(diào)的問題:1)沒有具體的粗調(diào)方法.當(dāng)看不到平面鏡兩個(gè)面反射回來的叉絲像時(shí)，就得反復(fù)粗調(diào)，直到看到為止，就使得學(xué)生進(jìn)入了盲目循環(huán)調(diào)節(jié)的怪圈中.2)粗調(diào)的要求太高.僅僅靠目測觀察現(xiàn)象，而沒有具體、有效的粗調(diào)方法，是很難完成分光計(jì)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的.

4.3　調(diào)整三棱鏡的三個(gè)棱與分光鏡中心轉(zhuǎn)軸平行

在用分光計(jì)對三棱鏡頂角進(jìn)行測量時(shí)，很難使三棱鏡的三條棱與望遠(yuǎn)鏡光軸成90°[7].以上問題的主要原因有兩個(gè)：1)沒有理解清分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理，三棱鏡的擺放不對.由于此時(shí)已調(diào)整好望遠(yuǎn)鏡，則望遠(yuǎn)鏡光軸已垂直于分光計(jì)中心軸.那么接下來只需要調(diào)整三棱鏡，通過調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的螺釘使得三棱鏡的三條棱與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸平行.這一步是很關(guān)鍵的，若以上工作沒有做好，將無法看到三棱鏡的兩個(gè)光學(xué)面所反射的叉絲像都重合于分劃板平面的黑十字叉絲.2)看不清反射回來的小“十”字叉絲像.由于實(shí)驗(yàn)室遮光不嚴(yán)、有其它光線的影響、三棱鏡兩個(gè)光學(xué)面的反射率低于平面鏡，使得叉絲像較暗，從而不容易被發(fā)現(xiàn).

5更快調(diào)節(jié)分光計(jì)的方法

為了跨過分光計(jì)調(diào)節(jié)和使用過程中遇到的的障礙，從而使得操作者盡快完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，我們需要對分光計(jì)的調(diào)整方法進(jìn)行以下的優(yōu)化.

5.1　調(diào)節(jié)順序

分光計(jì)的有很多不同功能的螺釘，而且它的調(diào)節(jié)步驟也比較多，因此需要我們理清分光計(jì)的調(diào)整順序[8].①調(diào)整望遠(yuǎn)鏡，使平行光射入望遠(yuǎn)鏡；②調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于儀器中心軸；③調(diào)整平行光管，使其出射出平行光，并使平行光管光軸重合于望遠(yuǎn)鏡光軸；

5.2　不苛求粗調(diào)，從而快速使望遠(yuǎn)鏡鏡筒與分光計(jì)自身轉(zhuǎn)軸成90°

在一些文獻(xiàn)中有提到，加入輔助調(diào)節(jié)裝置可以跨過分光計(jì)調(diào)節(jié)過程中遇到的障礙[9].但經(jīng)過不斷的探討后發(fā)現(xiàn)，在不對分光計(jì)進(jìn)行改裝的情況下，通過對調(diào)節(jié)方法進(jìn)行優(yōu)化，也會(huì)達(dá)到以上目標(biāo)目的[10].具體的調(diào)節(jié)方法見如下所述：1)用眼睛觀察使得載物臺(tái)大致水平，再調(diào)整望遠(yuǎn)鏡鏡筒與平行光管光軸大致成一條直線，且該直線與載物臺(tái)平行，再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡目鏡手輪，直到我們清楚的看到叉絲像.2)在載物臺(tái)上加上平面鏡，通過調(diào)節(jié)使平面鏡的兩面都與以上那條線成90°.同時(shí)，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡與載物臺(tái)，關(guān)注像的出現(xiàn).若沒有像，但望遠(yuǎn)鏡已不平行于水平面，那么逆向做剛剛對螺絲的調(diào)節(jié).像即刻就會(huì)出現(xiàn)，繼續(xù)調(diào)節(jié)使像重合于叉絲的上交點(diǎn)(如圖a所示).此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸與雙面鏡的一面成90°.3)讓雙面鏡的另一面正朝著望遠(yuǎn)鏡，繼續(xù)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡.同時(shí)進(jìn)行以下兩個(gè)工作：首先，記錄螺釘被擰過的圈數(shù)；其次，調(diào)整載物臺(tái)，之后還是關(guān)注像的出現(xiàn).假如知道螺釘被擰了n圈，且望遠(yuǎn)鏡光軸也明顯不水平，卻還是沒有像的出現(xiàn)，那就再反向擰螺釘m+n圈，必然會(huì)有像出現(xiàn).繼續(xù)調(diào)節(jié)，直到使像重合于叉絲的上交點(diǎn)(如圖b所示).此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸與雙面鏡的另一面成90°.3)繼續(xù)反向調(diào)節(jié)以上螺釘，同時(shí)調(diào)節(jié)載物臺(tái)下面的三個(gè)螺釘，直到通過目鏡發(fā)現(xiàn)像，記錄螺釘被擰過幾圈.當(dāng)擰過m圈螺釘，然后通過調(diào)節(jié)載物臺(tái)來調(diào)整平面鏡傾角，使得兩個(gè)像都能重合于叉絲的上交點(diǎn)(如圖c所示).此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡調(diào)整工作結(jié)束.

5.3　嚴(yán)格放置三棱鏡

將三棱鏡的每個(gè)面與載物臺(tái)下面的3個(gè)螺絲b1b2b3的連線相互平行[11](如圖4所示)，從而使問題簡單化.假設(shè)先用望遠(yuǎn)鏡正對AB面，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)b1或b2螺絲，使像重合于調(diào)整叉絲.然后，把望遠(yuǎn)鏡正對AC面，調(diào)節(jié)b3螺絲(不會(huì)影響之前做出的調(diào)整)，使出現(xiàn)的像與調(diào)整叉絲重合[12].

圖4　望遠(yuǎn)鏡不同狀態(tài)示意圖

圖5　三棱鏡放置示意圖

6結(jié)束語

分光計(jì)作為物理實(shí)驗(yàn)中如此常見的儀器，需要我們熟練操作.只要了解其結(jié)構(gòu)以及原理，并多次實(shí)驗(yàn)，反復(fù)思考，不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)方法.采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，我們足以克服調(diào)節(jié)和使用過程中遇到的困難，從而更加高效率的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù).

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Optimization of the Spectrometer's Adjusting Method

WANG Wen-Lian

(Datong Normal Branch School of Datong University,Datong City 037039,China)

Abstract:In this paper,the general regulation of spectrometer methods has carried on the detailed analysis and discussion,and the conventional adjusting method for spectrometer,such as adjusting the order more clear,reducing the requirements which the operation of the coarse tuning,or instruments(prism)placed more specification,etc,so as to shorten the time required for adjusting spectrometer.

Key words:spectrometer；coarse tuning；fine tuning；"ten" word fork like silk

文章編號：1007-2853(2015)11-0084-03

作者簡介：曲銘鐳(1986-)，男，吉林省吉林市人，吉林化工學(xué)院理學(xué)院助教，碩士，主要從事凝聚態(tài)物理方面的研究.

收稿日期：2015-07-10

中圖分類號：O 43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.020