分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理和方法

楊潔 趙旦

摘要：分光計(jì)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用的一種精確測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角的典型光學(xué)儀器，在光學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用過(guò)程需要調(diào)節(jié)的部分較多，且不易掌握，本文以JJY型分光計(jì)為例，結(jié)合分光計(jì)的結(jié)構(gòu)，探討分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理和方法。

關(guān)鍵詞：分光計(jì);望遠(yuǎn)鏡;載物臺(tái);分劃板

分光計(jì)實(shí)驗(yàn)既能夠培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，又能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，因此它是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的必做實(shí)驗(yàn)。本節(jié)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要內(nèi)容為分光計(jì)的調(diào)節(jié)與三棱鏡頂角的測(cè)量。由于儀器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，注意事項(xiàng)多，分光計(jì)的調(diào)節(jié)過(guò)程需要花費(fèi)大量時(shí)間，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)做不完，做不出來(lái)，或者即使做出來(lái)但對(duì)調(diào)節(jié)原理并不清晰的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果并不理想。因此總結(jié)分光計(jì)調(diào)節(jié)原理和方法，對(duì)熟練掌握分光計(jì)使用十分重要。

1分光計(jì)的結(jié)構(gòu)

分光計(jì)主要由望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物平臺(tái)、讀數(shù)盤和底座等部分組成。為精確測(cè)量角度，需要先對(duì)分光計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到待測(cè)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)：（1）望遠(yuǎn)鏡能接收平行光;（2）平行光管能發(fā)出平行光;（3）望遠(yuǎn)鏡的主光軸和平行光管的主光軸達(dá)到同軸等高并與分光計(jì)中心軸垂直。

2調(diào)節(jié)原理和方法

分光計(jì)的調(diào)節(jié)順序非常關(guān)鍵，使用時(shí)必須嚴(yán)格按操作程序調(diào)節(jié)。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)，由于調(diào)節(jié)平行光管時(shí)需要通過(guò)望遠(yuǎn)鏡才能判斷是否出射的是平行光，因此在選取調(diào)節(jié)步驟時(shí)應(yīng)該首先調(diào)節(jié)較為復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，該部分的調(diào)節(jié)是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。再調(diào)載物臺(tái)，最后調(diào)節(jié)略為簡(jiǎn)單的平行光管系統(tǒng)。

2.1目測(cè)粗調(diào)

調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平行光管的俯仰調(diào)節(jié)螺釘，使它們的光軸大致垂直于分光計(jì)中心軸，并兩個(gè)光軸共軸。關(guān)于載物臺(tái)的粗調(diào)，將載物盤下面的三個(gè)螺釘分別調(diào)到螺釘自身長(zhǎng)度的一半，轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，不斷調(diào)節(jié)三個(gè)螺釘直至觀察到載物盤與載物臺(tái)[1]之間的縫隙寬度均勻，即載物臺(tái)基本調(diào)平。

目測(cè)粗調(diào)非常重要，是細(xì)調(diào)過(guò)程的基礎(chǔ)，也是能否快速調(diào)好分光計(jì)的關(guān)鍵一步。因此需要細(xì)致耐心調(diào)節(jié)。

2.2細(xì)調(diào)

（1）望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)能接收平行光

調(diào)節(jié)方法：轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)焦手輪，以調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡目鏡到分化板的距離，直至望遠(yuǎn)鏡中能清晰地看到分劃板十字十字線，則目鏡焦距已調(diào)好;對(duì)望遠(yuǎn)鏡的物鏡進(jìn)行調(diào)焦，打開小燈的電源，推拉物鏡套筒，用“自準(zhǔn)直法”進(jìn)行，從望遠(yuǎn)鏡中能清晰看到綠“+”字像，說(shuō)明物鏡焦距也已調(diào)好。

（2）望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光軸與分光計(jì)中心軸垂直

調(diào)節(jié)原理：這是望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)兩個(gè)部分相互配合調(diào)節(jié)的過(guò)程。其調(diào)節(jié)是利用了如圖1所示的望遠(yuǎn)鏡的自準(zhǔn)直系統(tǒng)，假設(shè)望遠(yuǎn)鏡光軸已垂直于分光計(jì)中心軸線，載物臺(tái)平面也平行于讀數(shù)盤平面，則底座平滑的雙面反射鏡放于載物臺(tái)上時(shí)鏡面與載物臺(tái)垂直，由圖1光路可知此時(shí)所觀測(cè)到的“+”字像與“+”字發(fā)光原物一定關(guān)于望遠(yuǎn)鏡中心軸線對(duì)稱[2]，即“+”字像應(yīng)成在分劃板上部十字線處，如圖2所示。當(dāng)載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°時(shí)，通過(guò)雙面鏡的另一面所反射而成的“+”字像也會(huì)成在上述位置。如果“+”字像沒(méi)有成在分劃板的上部十字線處，則表示望遠(yuǎn)鏡或載物臺(tái)至少有一個(gè)沒(méi)有調(diào)節(jié)好俯仰。

調(diào)節(jié)方法：為便于調(diào)節(jié)，平面鏡放置時(shí)使其底座與載物臺(tái)的兩個(gè)螺釘聯(lián)線垂直，而與另一個(gè)螺釘重合。如圖3所示，使平面鏡底座垂直與b、c螺釘連線，同時(shí)與a螺釘重合，這樣只需調(diào)節(jié)b、c螺釘即可改變平面鏡俯仰狀態(tài)。在望遠(yuǎn)鏡能接收平行光的基礎(chǔ)上，根據(jù)反射定律，應(yīng)用“各半調(diào)節(jié)法”進(jìn)行調(diào)節(jié)。多次調(diào)節(jié)，逐漸逼近目標(biāo)。最終將平面鏡兩面的綠十字像分別與分劃板“上部的十字線”重合。

（3）平行光管能出射平行光，其光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線并與分光計(jì)中心軸垂直

調(diào)節(jié)原理：平行光管部分的調(diào)節(jié)是以已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)調(diào)節(jié)的，如果通過(guò)望遠(yuǎn)鏡所觀測(cè)到的光線非常清晰，則出射光為平行光。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：此調(diào)節(jié)過(guò)程，望遠(yuǎn)鏡俯仰、焦距以及載物臺(tái)俯仰不可改變。平行光管俯仰調(diào)節(jié)，依賴于望遠(yuǎn)鏡中分劃板的十字線，由于設(shè)計(jì)時(shí)分劃板中心水平十字線的位置恰是望遠(yuǎn)鏡直徑位置，如果兩鏡共軸，則狹縫水平像應(yīng)與分劃板中心水平十字線重合。

調(diào)節(jié)方法：開啟光源汞燈。只能調(diào)節(jié)平行光管單縫套筒的前后位置，直至望遠(yuǎn)鏡中觀察到單縫像最清晰，此時(shí)單縫位于平行光管物鏡的焦平面上，出射光為平行光。調(diào)節(jié)狹縫寬度使之在望遠(yuǎn)鏡視野中像寬度約為1mm。然后轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫至水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺釘，使狹縫水平像與分劃板中心水平十字線重合，如圖4（a）所示，此時(shí)平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線，也就與分光計(jì)中心軸垂直。最后再把狹縫轉(zhuǎn)至鉛直位置如圖4（b）所示。即可進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量。

3總結(jié)與建議

分光計(jì)是一種精密的平面角測(cè)量?jī)x器，對(duì)其調(diào)節(jié)過(guò)程中，需要實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與平行光管光軸共軸等高，均與中心軸垂直，并實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡觀察到的分劃板十字線、綠色的“十”字像以及平行管狹縫像清晰。由于本實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容難度較大，建議適當(dāng)增加本節(jié)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，或者分兩次授課。讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，理解分光計(jì)調(diào)節(jié)原理，調(diào)節(jié)好分光計(jì)的同時(shí)增加學(xué)生自信心，也有利于提高大學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃建群，胡險(xiǎn)峰，雍志華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（第二版）[M].成都：四川大學(xué)出版社，2005：44.

[2]穆松梅.分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)技巧.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)[J].2012（21）：173