有線性刻度的分光計(jì)

張巖+苗松娟

摘 要：傳統(tǒng)分光計(jì)的主刻度具有周期性，所以利用其測量角度時(shí)，在某些情況下需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。為解決這一問題，國家發(fā)明專利GVZ-4ZL201710343376.6設(shè)計(jì)了一套修正裝置，將傳統(tǒng)分光計(jì)的周期性刻度轉(zhuǎn)化成了線性刻度。改進(jìn)后的分光計(jì)保留了傳統(tǒng)分光計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定性和測量精度的基礎(chǔ)上，確保在任何情況下進(jìn)行測量，都無需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：分光計(jì)；周期性刻度；線性刻度

中圖分類號(hào)：O436.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）33-0018-02

Abstract： The main scale of the traditional spectrometer is periodic. Under certain circumstances， it results in correcting raw data measured by the traditional spectrometer. To avoid this kind of situations， the traditional spectrometer is improved. The improvement has been granted with a national invention patent. The scale of the improved spectrometer is linear. It has an advantage on avoiding correcting raw data over the traditional Spectrometer. Over the digital Spectrometer， it has advantages on higher precision， training the student's practical ability and experimental qualities.

Keywords： spectrometer； periodic scale； linear scale

引言

分光計(jì)是精確測量角度的光學(xué)儀器，在光學(xué)類實(shí)驗(yàn)中具有重要作用。由于分光計(jì)的主刻度具有周期性，所以利用分光計(jì)測量，當(dāng)主刻度盤的零刻度與角游標(biāo)的零刻度交會(huì)時(shí)，所得數(shù)據(jù)需要修正[1-2]。為避免對(duì)原始數(shù)據(jù)的修正，只有將周期性的刻度轉(zhuǎn)換為線性刻度。國家發(fā)明專利（張巖 GVZ-4ZL201710343376.6）[3]設(shè)計(jì)了一套由光發(fā)生器、光接收器、控制器和顯示器組成的修正裝置。利用該修正裝置，可以將傳統(tǒng)分光計(jì)的周期性刻度轉(zhuǎn)換為線性刻度，從而解決了利用傳統(tǒng)分光計(jì)測量時(shí)原始數(shù)據(jù)需要修正的問題。

1 傳統(tǒng)型分光計(jì)的周期性刻度及其弊端

傳統(tǒng)分光計(jì)的讀數(shù)系統(tǒng)包括主角刻度和角游標(biāo)，如圖1所示。外側(cè)白色大圓環(huán)的內(nèi)圓周邊上有主角刻度，角度值范圍為0°～360°。內(nèi)側(cè)黑色圓盤的外圓周邊緣有兩個(gè)角游標(biāo)，角游標(biāo)的角度值范圍均為1′～30′，兩個(gè)角游標(biāo)的相同刻度值間的角距離為 180°。角游標(biāo)和主角刻度構(gòu)成讀數(shù)窗口，從圖2可知，主角刻度的0°和360°重合，主角刻度具有周期性。

由于傳統(tǒng)分光計(jì)的主角刻度具有周期性，這就導(dǎo)致在某些情況下測量角度時(shí)，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。以測量圖3中角A的大小為例，在測得邊1和邊2過程中，如果角游標(biāo)的0刻度與主角刻度的0刻度發(fā)生交會(huì)，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。國家發(fā)明專利GVZ-4ZL201710343376.6設(shè)計(jì)了一套修正裝置，可將傳統(tǒng)分光計(jì)的周期性刻度轉(zhuǎn)化成線性刻度，避免對(duì)原始數(shù)據(jù)修正的問題。

2 對(duì)傳統(tǒng)分光計(jì)的改進(jìn)

該修正裝置包括光發(fā)射器1和2、第一光接收器3和第二光接收器4、控制器和顯示器共六部分，圖4為其安裝示意圖。光發(fā)射器固定裝配在角游標(biāo)下方，對(duì)應(yīng)角游標(biāo)的零刻度位置。第一光接收器和第二光接收器分別固定裝配在主角刻度下方，對(duì)應(yīng)主角刻度的零刻度位置兩側(cè)。第一光接收器和第二光接收器電連接控制器和顯示器。

在測量過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使主角刻度的0刻度與角游標(biāo)的0刻度交會(huì)時(shí)，首先，第一光接收器（或第二光接收器）接收光發(fā)射器發(fā)出的光信號(hào)后，發(fā)出一脈沖信號(hào)輸送到控制器；然后第二光接收器（或第一光接收器）接收光發(fā)射器發(fā)出的光信號(hào)后，發(fā)出另一脈沖信號(hào)輸送到控制器；控制器根據(jù)接收到的兩個(gè)脈沖信號(hào)的先后順序，給顯示器發(fā)送修正指令，并將修正方式加360°（或減360°）顯示在顯示器上，如圖5所示。

3 修正后分光計(jì)的線性刻度

利用修正裝置對(duì)傳統(tǒng)分光計(jì)進(jìn)行修正后，其周期性刻度就轉(zhuǎn)化成為線性刻度。利用改進(jìn)后的分光計(jì)進(jìn)行測量時(shí)，主角刻度的刻度值分為三類情況：

（1）首次測量時(shí)，主角刻度的刻度值不變，其角度值范圍仍為0°～360°，如圖3所示。

（2）如在測量過程中，望遠(yuǎn)鏡順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（圖5上所示）使主角刻度的0刻度與角游標(biāo)的0刻度交會(huì)，顯示器上顯示“+360”。則意味著在記錄原始數(shù)據(jù)時(shí)，所用的主角刻度的0°變?yōu)?60°，其后的10°、20°、30°等均增加360°，變?yōu)?70°、380°、390°等。

（3）經(jīng)（2）修正后的主角刻度與（1）中的主角刻度構(gòu)成一個(gè)完整的線性刻度。

（4）如在測量過程中，望遠(yuǎn)鏡逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（圖5下所示）使主角刻度的0刻度與角游標(biāo)的0刻度交會(huì)，顯示器上顯示“-360”。此時(shí)，意味著在記錄原始數(shù)據(jù)時(shí)，主角刻度的0°不變，其后的350°、340°、330°等均減小360°，變?yōu)?10°、-20°、-30°等。

（5）經(jīng)（4）修正后的主角刻度與（1）中的主角刻度構(gòu)成一個(gè)完整的線性刻度。

修正后的分光計(jì)具有線性刻度，利用其對(duì)角度或角位移進(jìn)行測量時(shí)，無需對(duì)原始數(shù)據(jù)修正即可求得正確結(jié)果。直接從原始數(shù)據(jù)求得正確測量結(jié)果進(jìn)而探究其蘊(yùn)含的物理規(guī)律，符合物理實(shí)驗(yàn)的探究規(guī)律，便于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。改進(jìn)后的分光計(jì)保留著傳統(tǒng)分光計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有較高的測量精度，卻無需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]張巖，張勝海，王素紅，等.一種分光計(jì)：中國，ZL201710343376.6[P].2017-05-16.endprint