外視法在基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

高 艷,王修君

(安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002)

外視法在基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

高 艷,王修君

(安徽工業(yè)大學(xué) 數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002)

針對(duì)學(xué)生在光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)上的困難，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生掌握外視法的應(yīng)用，如利用光杠桿放大法將金屬絲在外力作用下的微小形變量精確測(cè)量出來的金屬楊氏模量的測(cè)量、分光計(jì)的調(diào)整等。

外視法；基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn)；光杠桿；分光計(jì)

對(duì)于基礎(chǔ)光學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的儀器調(diào)節(jié)來說，由于光學(xué)現(xiàn)象相對(duì)于電學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)而言不那么直觀，學(xué)生對(duì)于具體的調(diào)節(jié)步驟和要求就不那么重視，一旦學(xué)生調(diào)節(jié)中不遵循光學(xué)儀器的調(diào)節(jié)步驟，最終就會(huì)陷入盲目調(diào)節(jié)和越調(diào)越糊涂的狀態(tài)。光學(xué)儀器調(diào)節(jié)的難點(diǎn)在于初學(xué)者不能夠快速準(zhǔn)確地將儀器調(diào)整到使用狀態(tài)。本文針對(duì)我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的儀器調(diào)節(jié)上的困難，提出了通用的外視法，幫助學(xué)生理清調(diào)節(jié)步驟和調(diào)節(jié)關(guān)鍵，熟練掌握外視法在光學(xué)儀器調(diào)節(jié)中的應(yīng)用，從而達(dá)到快速將儀器調(diào)整到使用狀態(tài)的目的。

一、金屬楊氏模量的測(cè)量

圖1 光杠桿放大原理和光杠桿示意圖

具體判斷方法和調(diào)節(jié)步驟：(1)如圖，當(dāng)儀器處于可使用狀態(tài)時(shí)，標(biāo)尺上刻度N0發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡反射沿原路進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中，可在望遠(yuǎn)鏡中十字叉絲處讀得的標(biāo)尺讀數(shù)為N0；因?yàn)楣馐茄刂本€傳播的，為確保足夠的視場(chǎng)以及清晰度，需要調(diào)整平面鏡與望遠(yuǎn)鏡的，中心基本等高，可用卷尺從平面鏡和望遠(yuǎn)鏡的外部測(cè)量。(2)參照?qǐng)D可知，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)過α角時(shí)，反射光線將偏轉(zhuǎn)過2α角，而望遠(yuǎn)鏡物鏡直徑只有一元硬幣大小，換句話說，反射光線必須基本處于水平狀態(tài)時(shí)才能夠順利進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，故而應(yīng)初步將望遠(yuǎn)鏡調(diào)至水平狀態(tài)平面鏡調(diào)整到與地面垂直狀態(tài)，即是將望遠(yuǎn)鏡與平面鏡粗調(diào)至互相垂直的狀態(tài)。望遠(yuǎn)鏡調(diào)至水平狀態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單易操作，通過外視法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡下方的傾角螺絲即可完成，而平面鏡是否垂直地面的判斷和調(diào)節(jié)，對(duì)于初學(xué)者不容易掌握。單通過眼睛去觀察平面鏡是否垂直地面誤差較大，可將手放在與望遠(yuǎn)鏡中心等高的標(biāo)尺上，從與望遠(yuǎn)鏡等高位置處觀察平面鏡中的像，若手在鏡中的像剛好可以被觀察到，根據(jù)光沿直線傳播理論，說明此時(shí)平面鏡基本與地面垂直；若手需向下移動(dòng)才能被觀察到，則說明平面鏡沿鉛垂方向向下傾斜，反之則平面鏡向上傾斜，對(duì)應(yīng)微調(diào)平面鏡的角度即可。(3)本實(shí)驗(yàn)觀察的是平面鏡中標(biāo)尺的像，而非標(biāo)尺本身或者平面鏡等其他物體，此點(diǎn)是學(xué)生比較容易模糊的點(diǎn)，就像人的眼睛在前耳朵在后，必須通過照鏡子才能觀察到耳朵的原理一樣。本實(shí)驗(yàn)實(shí)物的物鏡在前標(biāo)尺在后，通過望遠(yuǎn)鏡觀察標(biāo)尺只能是觀察標(biāo)尺在鏡子中的像，又因望遠(yuǎn)鏡的視野范圍有限，必須將物鏡對(duì)準(zhǔn)標(biāo)尺的像才能順利觀察到，因此在鏡外進(jìn)行瞄準(zhǔn)就非常的重要。望遠(yuǎn)鏡自帶了瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)時(shí)將目鏡上方的“凹槽”、物鏡上方的“準(zhǔn)星”以及鏡中標(biāo)尺的像這三點(diǎn)連成一線。(4)以上三步都是依據(jù)外視法進(jìn)行調(diào)節(jié)，外視法結(jié)束再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的目鏡和物鏡聚焦看清楚標(biāo)尺的像即可。測(cè)量之前還需要進(jìn)行一步微調(diào)，即是在望遠(yuǎn)鏡中十字叉絲處讀得的標(biāo)尺讀數(shù)為N0，若不為N0并且數(shù)字偏差在±1cm之外，必須通過調(diào)節(jié)平面鏡的傾斜角(大范圍調(diào)節(jié))使讀數(shù)范圍縮小，若讀數(shù)偏差在±1cm之內(nèi)，只需調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的傾斜角螺絲即可(小范圍調(diào)節(jié))。

二、分光計(jì)的調(diào)整

為使儀器滿足實(shí)驗(yàn)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求，使分光計(jì)處于正常工作狀態(tài)，首先要對(duì)分光計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，總體為兩點(diǎn)光學(xué)要求和一點(diǎn)幾何要求。光學(xué)要求為：平行光管發(fā)出平行光；望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)(即接收平行光)。幾何要求為：平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直。具體調(diào)節(jié)步驟如下：

一是粗調(diào)。從實(shí)驗(yàn)裝置外側(cè)用眼睛觀察，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平行光管基本處于水平，并且基本等高，調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，使小平臺(tái)大致成為水平平面，并且當(dāng)雙面鏡放置在載物臺(tái)面時(shí)，雙面鏡的中心基本與望遠(yuǎn)鏡中心等高。此處利用外視法進(jìn)行初調(diào)的目的是希望平行光管可以發(fā)出基本水平的平行光，望遠(yuǎn)鏡可以接受處于水平狀態(tài)的平行光，雙面鏡反射的像的光線基本沿著水平方向可以順利進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。粗調(diào)在分光計(jì)的調(diào)節(jié)中非常重要，若粗調(diào)沒有完成或者調(diào)整不到位，都會(huì)導(dǎo)致下面的步驟難以順利開展。[1]

二是調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)(自準(zhǔn)直法)，并且與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直。此部分實(shí)驗(yàn)要求的調(diào)節(jié)步驟是本實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)，原因是由于光的直線傳播特性，而光線微小的偏離(±α)，經(jīng)由平面鏡后都會(huì)帶來2倍的偏轉(zhuǎn)，同時(shí)經(jīng)過長(zhǎng)程傳播后，位移量(ΔX)就會(huì)較大(原理同楊氏模量中光杠桿放大原理)，而觀察光線所用望遠(yuǎn)鏡的視野范圍有限，一旦位移稍大即會(huì)越過望遠(yuǎn)鏡，無法在望遠(yuǎn)鏡中看到預(yù)期圖像，所以前提要做好粗調(diào)，確保光線能夠順利進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。

若粗調(diào)完成，雙面鏡的兩面像均可在望遠(yuǎn)鏡中觀察到，此時(shí)我們按照望遠(yuǎn)鏡的兩步調(diào)節(jié)方法，先聚焦目鏡看清分化板，再聚焦物鏡看清“十”字叉絲。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)的轉(zhuǎn)軸互相垂直，可以采用較直觀易掌握的各半調(diào)節(jié)法，如圖2所示，分別使雙面鏡兩面的像均與分化板居上的分劃線重合即可。

若粗調(diào)完成得不是很理想，只能找到一面“十”字叉絲像，此時(shí)要借助外視法找另一面像，另外一面像未進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，但只可能在望遠(yuǎn)鏡視野范圍的上方或者下方，故先以有像的一面做參考，用眼睛來替代望遠(yuǎn)鏡觀察像，從望遠(yuǎn)鏡的外側(cè)觀察像的高度作為比較的依據(jù)，再將雙面鏡旋轉(zhuǎn)180°，從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)觀察未知的像與在剛才已知像的相對(duì)位置。相對(duì)位置確定好，此時(shí)仍然采用各半調(diào)節(jié)法，將未知像向已知像的方向調(diào)整，調(diào)到基本等高的狀態(tài)，再回到望遠(yuǎn)鏡中觀察，找到兩面像。此方法雖直觀但對(duì)初學(xué)者仍有一定難度，調(diào)整時(shí)，若把握住以下兩點(diǎn)，可以幫助其快速掌握：第一，必須從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)觀察，很多學(xué)生觀察時(shí)不由自主就回到望遠(yuǎn)鏡中觀察了；第二，望遠(yuǎn)鏡與雙面鏡不能完全垂直，否則由于光沿直線傳播的原因，外側(cè)無法看到像，只需將雙面鏡向觀察側(cè)旋轉(zhuǎn)，使得雙面鏡與望遠(yuǎn)鏡之間的夾角為鈍角，反射光線可以順利進(jìn)入視野。

圖2 逐步逼近法示意圖

三是調(diào)節(jié)平行光管發(fā)平行光，并且與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直。利用已經(jīng)調(diào)整好的望遠(yuǎn)鏡來判斷平行光管發(fā)平行光，將平行光管狹縫正對(duì)光源，在目鏡視野中看到狹縫的像，松開狹縫套筒鎖定螺釘，沿光軸方向移動(dòng)狹縫(即調(diào)焦)，直到狹縫像清晰呈現(xiàn)在分化板上，此時(shí)平行光管發(fā)出的光即為平行光。再利用已調(diào)好與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直的望遠(yuǎn)鏡光軸為標(biāo)準(zhǔn)，只要平行光管的光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸平行，則平行光管的光軸與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸必定垂直，旋轉(zhuǎn)平行光管的仰角螺釘調(diào)節(jié)平行光管的仰角，在望遠(yuǎn)鏡目鏡視場(chǎng)中，看到狹縫像相對(duì)于分劃板的中央橫線上下對(duì)稱，此時(shí)平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸平行，即平行光管光軸與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直。

雖然大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的各實(shí)驗(yàn)原理是互相獨(dú)立的，知識(shí)的分立性很強(qiáng)，但在某些儀器調(diào)整方法上有很多共通之處，需要在各實(shí)驗(yàn)中給學(xué)生傳遞共性和整體性的概念和認(rèn)知，便于學(xué)生融會(huì)貫通，更好鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和邏輯思維能力。

[1]王宏波，曹文.如何解決學(xué)生在分光計(jì)調(diào)整中的困惑[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012,25(5):61-63.

(責(zé)任編輯 文雙全)

An Application Study on Exterior Vision Method in Basic Optical Experiment

GAO Yan, WANG Xiu-jun

(School of Mathematical Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, Anhui, China)

Aiming at difficulties in the adjustments of the optical experimental equipment, students should be guided to master the application of exterior vision method, such as the measured metal of Yang's modulus which takes advantage of optical lever magnification method in the metal wire under the external force of small deformation to obtain precise measurement and how to adjust spectrometer etc.

exterior vision method; basic optical experiment; optical lever; spectrometer

2016-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61402008)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085QF128)

高 艷(1984-)，女，安徽淮南人，安徽工業(yè)大學(xué)數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院助教，碩士。

G642.0

A

1671-9247(2016)03-0076-02