分光計調(diào)整方法和技巧分析*

1.廈門海洋職業(yè)技術學院 2.廈門理工學院 曾勝財1 甘亮勤2

分光計調(diào)整方法和技巧分析*

1.廈門海洋職業(yè)技術學院 2.廈門理工學院 曾勝財1 甘亮勤2

針對分光計調(diào)整難度大、耗費時間長等問題，在分析分光計的調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)難點的基礎上，針對通過望遠鏡目鏡能否看到反射的十字叉絲像的三種不同情況，分別探討了分光計的調(diào)節(jié)方法和技巧。

分光計 自準直法 調(diào)整技巧

分光計是大學物理實驗和光學專業(yè)實驗中一個重要的實驗儀器，它測量精度高，應用廣泛，可用來測折射率、波長，量具角度，衍射角等[1-2]。但分光計結(jié)構復雜，操作難度大，是大學物理實驗教學中的一個難點[3-6]。大多數(shù)大學物理實驗教材中介紹的調(diào)節(jié)方法要求粗調(diào)得非常到位，才能在望遠鏡里面見到平面鏡正反兩面都反射回來十字叉絲。而現(xiàn)實情況往往是，學生只能見到平面鏡一面反射回來的十字叉絲，甚至兩個面都看不到。怎么快速地調(diào)節(jié)分光計使平面鏡正反面反射回來的十字叉絲都能在望遠鏡里看到？針對這一問題，已有一些文獻提出了不同的解決方案。有文獻使用加裝輔助裝置的辦法[7]，這樣確實能大大減少調(diào)整的難度，但儀器成本提高，且不能達到增加學生操作水平的目的。燕山大學李建設提出可緊貼望遠鏡筒，在外圍看平面鏡反射回來的十字叉絲像與望遠鏡筒的高度關系，然后根據(jù)此高度來調(diào)節(jié)[8]。文獻[9]提出了一個“合理假設”，如果望遠鏡里只能見平面鏡一面反射回來的十字叉絲，則另一面反射回來的十字叉絲在視場上方的可能性要遠遠大于其出現(xiàn)在視場下方的可能性，也能提高調(diào)節(jié)效率。本文在這些文獻研究的基礎上，通過分析分光計的調(diào)節(jié)原理與難點，針對通過望遠鏡目鏡能否看到反射的十字叉絲像的三種不同情況對分光計的調(diào)節(jié)方法和技巧進行了探討。

1 分光計的結(jié)構及調(diào)節(jié)原理

分光計主要由望遠鏡、平行光管、載物平臺和讀數(shù)系統(tǒng)組成。一臺處于正常工作狀態(tài)的分光計需滿足以下三個條件：(1)平行光管能夠發(fā)出平行光；(2)望遠鏡適合觀察平行光；(3)望遠鏡與平行光管的光軸共軸，且垂直于儀器的中心轉(zhuǎn)軸，載物臺面垂直于儀器的中心轉(zhuǎn)軸。分光計調(diào)節(jié)的核心是調(diào)節(jié)望遠鏡主光軸與分光計中心軸垂直，而這兩個軸并不是以實物的形式存在，所以調(diào)節(jié)過程中需借助雙面反射鏡。

分光計中的望遠鏡一般采用自準直望遠鏡，如圖1所示。它由物鏡、目鏡和分劃板組成，分別裝在三個套筒內(nèi)，彼此可相對移動，中間的一個套筒里裝有一塊分劃板,其上刻有“╪”字形叉絲，下方與小棱鏡的直角面緊貼著，直角面上刻有一個“十”字形透光孔。小燈泡發(fā)出的光經(jīng)小棱鏡斜面反射，改變90°從“十”字形透光孔射出。如果分劃板位于透鏡的焦平面上，經(jīng)物鏡出射后的光就是平行光束,如果前方有一平面反射鏡將這束平行光反射回來,再經(jīng)物鏡成像于分劃板上，從目鏡中可以同時看到十字叉絲及其反射像，且物和像對稱分布，這就是用自準直法調(diào)節(jié)望遠鏡適于觀察平行光的原理。

圖1 自準直望遠鏡結(jié)構圖

望遠鏡光路如圖2所示，將平面鏡垂直放在載物臺上，如果望遠鏡光軸與載物臺面和分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直且平面鏡法線、望遠鏡光軸均與水平線重合，十字叉絲發(fā)出的光經(jīng)過平面鏡反射進入望遠鏡后，其反射像出現(xiàn)在十字叉絲的對稱位置上，即與“╪”叉絲的上交點重合。平面鏡旋轉(zhuǎn)180°后，像的位置不變，這正是望遠鏡調(diào)整好時的狀態(tài)；反之，如果平面鏡法線、望遠鏡光軸與水平線不重合，當平面鏡旋轉(zhuǎn)180°時，兩像的位置肯定不同。因此，可以根據(jù)通過平面鏡旋轉(zhuǎn)180°后，十字叉絲反射像的位置是否變化來判斷望遠鏡光軸是否和分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直。

圖2 分光計望遠鏡光路圖

2 分光計調(diào)節(jié)的步驟與技巧

分光計結(jié)構復雜，需要的調(diào)節(jié)螺釘有很多個，有些是止動螺釘，有些是高低調(diào)節(jié)螺釘，有些則是水平調(diào)節(jié)螺釘，分別控制不同的構件。調(diào)節(jié)的步驟繁瑣且需要一定的耐心和技巧，給初學者帶來很多困難。分光計調(diào)節(jié)的難點在于通過望遠鏡找到鏡子正反面反射回來的十字叉絲像。本文結(jié)合筆者多年的教學經(jīng)驗，根據(jù)分光計的調(diào)節(jié)步驟介紹一些調(diào)節(jié)技巧。分光計的調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和細調(diào)，粗調(diào)是細調(diào)的基礎，可以縮短調(diào)節(jié)時間。

2.1 平面鏡放置

將平面鏡放置在載物臺上，且鏡面通過中心轉(zhuǎn)動軸，有兩種放置方法（如圖3所示），在(a)放置法中，可以通過調(diào)節(jié)A、B兩個螺絲來調(diào)節(jié)載物臺的俯仰。(b)放置法中，可通過調(diào)節(jié)C螺絲來調(diào)節(jié)載物臺的俯仰。兩種放置法各有優(yōu)缺點，(a)放置法當載物臺轉(zhuǎn)至B點正對望遠鏡時，調(diào)節(jié)螺絲A，反之，調(diào)節(jié)螺絲B，調(diào)節(jié)比較順手，但操作靈活性大，需要多次反復調(diào)節(jié)；(b)放置法無論載物臺轉(zhuǎn)至平面鏡的正面還是反面正對望遠鏡，都只需調(diào)節(jié)螺絲C，調(diào)節(jié)簡便，情況變化單一，但對正反兩面鏡子反射回來的像操作結(jié)果相反，不容易控制。本文將以(b)放置法為例介紹一些調(diào)整技巧。

圖3 平面鏡的兩種放置圖

2.2 粗調(diào)

粗調(diào)時按照以下三個步驟進行。

(1)目測調(diào)整望遠鏡和平行光管的仰角調(diào)整螺釘，使望遠鏡和平行光管盡可能保持水平。同時還應調(diào)節(jié)望遠鏡和平行光管的水平調(diào)節(jié)螺釘，使它們的光軸盡可能地在一條直線上。

(2)調(diào)整載物臺臺基升降螺釘,根據(jù)待測物件將載物臺調(diào)整到合適的高度,以便從平行光管發(fā)出的平行光能對準待測物件中間部位。

(3)將載物臺盡可能調(diào)水平，通過調(diào)節(jié)載物臺下面的三個調(diào)平螺釘來調(diào)整載物臺水平。有的文獻通過調(diào)整載物臺下面的三個螺釘來調(diào)整載物臺水平,但筆者認為這種方法沒有參考物,調(diào)整起來有一定的困難,特別是對于初次調(diào)節(jié)的學生,更難把握。最簡單的方法是旋松載物臺下面的三個調(diào)整螺釘，使載物臺緊貼臺基，因為載物臺臺基面在出廠時基本上是與儀器中心轉(zhuǎn)軸垂直的。

經(jīng)過粗調(diào)，在載物臺放上雙面反射平面鏡后，大多數(shù)情況下可以有一面能看到反射的十字叉絲像，有些甚至兩面都能看到反射的十字叉絲像，但也有個別情況兩面反射的十字叉絲像都看不到。

2.3 細調(diào)

分光計經(jīng)過粗調(diào)之后，首先調(diào)節(jié)望遠鏡的目鏡，通過旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)手輪，調(diào)整目鏡與分劃板的相對位置，使十字透光窗和分劃板上的刻線叉絲變清晰；其次是調(diào)節(jié)物鏡，其目的是將分劃板上刻線叉絲調(diào)整到物鏡的焦平面上，也就是望遠鏡對無窮遠聚焦。既然望遠鏡已調(diào)焦到無窮遠，那么就能觀察平行光了。通過望遠鏡目鏡觀察反射的十字叉絲像無非是以下三種情況：（1）正反面都沒有反射的十字叉絲像；（2）正反面只有一面有反射的十字叉絲像；（3）正反面兩面都有反射的十字叉絲像。這三種情況可以由正反面都沒有反射的十字叉絲像開始討論，并逐次推進，直到正反兩面都有反射十字叉絲像，以下分別論述。

2.3.1 正反面都沒有反射的十字叉絲像

如果目測粗調(diào)做的比較好，這種情況很少出現(xiàn)。如果出現(xiàn)這種情況，有兩種調(diào)節(jié)方法，一種方法是調(diào)整望遠鏡傾斜螺絲，將望遠鏡對準平面鏡，由于反射回的十字叉絲像不是在視場之外的偏上方就是在視場之外的偏下方，逆時針或順時針調(diào)整望遠鏡下方的傾斜螺絲，使十字叉絲像朝下移動或朝上移動，總能使十字叉絲像進入視場之內(nèi)；另一種方法是調(diào)整載物臺傾斜螺絲，首先將平面鏡向前或向后傾斜，并從望遠鏡內(nèi)觀測十字叉絲像，如果發(fā)現(xiàn)十字叉絲像在平面鏡向前傾斜時會在視場內(nèi)出現(xiàn)，則僅需升高載物臺螺絲C即可使十字叉絲像在視場內(nèi)出現(xiàn)，如果發(fā)現(xiàn)十字叉絲像在平面鏡向后傾斜時會在視場內(nèi)出現(xiàn)，則僅需降低載物臺螺絲C即可使十字叉絲像在視場內(nèi)出現(xiàn)。

2.3.2 正反面只有一面有反射的十字叉絲像

經(jīng)過上述情況的調(diào)節(jié)，總能使正反面中的一面出現(xiàn)十字叉絲像。此時的任務是找到?jīng)]有十字叉絲像的那一面，十字叉絲到底是在視場之外的偏上方還是在視場之外的偏下方，如果正面有十字叉絲像，并且十字叉絲像在視場的偏上方位置，轉(zhuǎn)動到反面沒有十字叉絲像。在沒有十字叉絲像的反面，通過向前或向后傾斜平面鏡，同時通過望遠鏡觀測十字叉絲像，如果十字叉絲像從視場的偏上方閃現(xiàn)，則說明十字叉絲在視場之外的偏上方。此時將載物臺轉(zhuǎn)動180°到正面，考慮到正面的十字叉絲像在視場內(nèi)的偏上方位置，而且反面的十字叉絲像在視場外偏上方位置，可以通過調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜螺絲，將正面的十字叉絲向下調(diào)整到視場之內(nèi)偏下方位置，反面十字叉絲也會朝下移動。轉(zhuǎn)動載物臺180°觀察反面十字叉絲像是否進入視場，如果反面十字叉絲像還沒有進入視場，考慮到正面的十字叉絲像已移至視場內(nèi)偏下方位置，而且反面的十字叉絲像還在視場外偏上方位置，根據(jù)僅僅調(diào)節(jié)載物臺傾斜螺絲C時正反面十字叉絲像將向相反方向移動，應將載物臺轉(zhuǎn)動180°到正面，并調(diào)節(jié)載物臺的螺絲C，將正面的十字叉絲像從視場之內(nèi)的偏下方移動到視場之內(nèi)的偏上方，反面的十字叉絲像會再一次朝下移動，轉(zhuǎn)動載物臺180°觀察反面十字叉絲像是否進入視場之內(nèi)。如果還沒有進入視場，可再一次調(diào)節(jié)望遠鏡的傾斜螺絲將正面十字叉絲像朝下移動，如此反復調(diào)節(jié)望遠鏡和載物臺的傾斜螺絲，直至反面的十字叉絲像進入視場之內(nèi)。

2.3.3 正反面兩面都有反射的十字叉絲像

當平面鏡正反面反射回來的十字叉絲像都能通過望遠鏡目鏡看到，但是不與分劃板的上交點重合，則兩面反射回來的十字叉絲像不是圖4中的情形(a)就是情形(b)，即正反面的反射的十字叉絲像要么一個在分劃板的上交點的上面，一個在下面，要么兩個都在分劃板的上交點的上面或都在下面。對于情形(a)，只需要調(diào)節(jié)載物臺的螺絲C，這時，對平面鏡正面反射回來的十字叉絲，此調(diào)節(jié)使像向上運動，對而于反面反射回來的十字叉絲來說，此調(diào)節(jié)使它向下運動，反復調(diào)節(jié)幾次，最后正反面的十字叉絲像都與分劃板的上交點重合為止。對于情形(b1)或(b2)，只需要調(diào)節(jié)望遠鏡的俯仰螺絲，使平面鏡正反面反射回來的像同時向上或者向下移動，最后正反面的十字叉絲像都與分劃板的上交點重合。如果不考慮平行光管的調(diào)節(jié)，至此分光計即已調(diào)節(jié)好。

圖4 平面鏡正反面反射十字叉絲像的情況

3 結(jié)束語

本文在分析分光計調(diào)節(jié)原理及難點的基礎上，針對通過望遠鏡目鏡能否看到反射的十字叉絲像的三種不同情況，對分光計的調(diào)節(jié)方法和技巧進行了探討，提出了簡單、有效和有針對性的調(diào)節(jié)方法與技巧,使學生在調(diào)節(jié)時有規(guī)律可循，減小了調(diào)節(jié)的難度，提高了課堂教學效率。

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福建省教育廳中青年科研項目（JA15750），福建省教育廳中青年科研項目（JA15378），廈門理工學院網(wǎng)絡課程建設基金（30015125）。