分光計實驗粗調(diào)要求的定量研究

付云飛

分光計實驗粗調(diào)要求的定量研究

付云飛

（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

分光計的調(diào)節(jié)與使用是大學(xué)物理實驗課程中的重點和難點．為了提升實驗教學(xué)的效果，同時也針對學(xué)生在分光計的調(diào)節(jié)和使用實驗中反映的問題，在課堂中采用了粗調(diào)與細(xì)調(diào)并重的兩段式教學(xué)模式，試圖將學(xué)生的主要問題暴露出來．經(jīng)過教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生遇到的困難主要集中在細(xì)調(diào)階段，而出現(xiàn)問題的根源在于粗調(diào)．通過解析實驗光路，發(fā)現(xiàn)問題主要出現(xiàn)在外光路，LED小燈發(fā)出的光從物鏡出射之后，經(jīng)平面鏡反射并未回到望遠(yuǎn)鏡，而是超出了望遠(yuǎn)鏡上下邊緣．通過計算，發(fā)現(xiàn)在2種極限情況下分光計的載物臺傾角分別為3.004°和11.343°，在人眼可識別的范圍內(nèi)，可以通過旋轉(zhuǎn)載物臺的方法對載物臺水平方向進(jìn)行細(xì)致的粗調(diào)，有效降低細(xì)調(diào)難度．

分光計；載物臺；粗調(diào)；大學(xué)物理實驗

分光計的調(diào)節(jié)和使用是大學(xué)物理實驗中的重難點之一．以分光計為實驗平臺可以開展多個實驗項目，如三棱鏡頂角及折射率的測定（自準(zhǔn)直法和分束法）、測量光柵常數(shù)等[1-2]．通過分光計實驗的理論學(xué)習(xí)與實際操作，學(xué)生不僅掌握了物理知識，同時還培養(yǎng)了物理思想，提高了動手和獨立思考的能力[3]．

分光計實驗的難點就在實驗儀器的調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)．為了應(yīng)對學(xué)生在這方面的畏難心理，在教學(xué)實踐過程中，進(jìn)行先粗調(diào)后細(xì)調(diào)的分段式教學(xué)，可以顯著提高課程講授的效率，并且學(xué)生對于本實驗的接受度也顯著提高．通過強(qiáng)調(diào)“精細(xì)”粗調(diào)的重要性，可以顯著改善學(xué)生的調(diào)節(jié)體驗，大幅減少細(xì)調(diào)過程中旋轉(zhuǎn)180°的次數(shù)．但是，粗調(diào)究竟如何進(jìn)行才能減少細(xì)調(diào)過程中繁復(fù)的操作，本文從望遠(yuǎn)鏡以外的光路出發(fā)，通過建模來定量討論目視粗調(diào)分光計是否能達(dá)到預(yù)想的效果．

1 粗調(diào)對于分光計調(diào)節(jié)的輔助作用

學(xué)生在使用分光計進(jìn)行各種光學(xué)參數(shù)的測量前，必須要掌握的基本操作就是分光計的光路調(diào)整．但對于從未使用過分光計的學(xué)生來說，在2學(xué)時內(nèi)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行光路調(diào)整，并測量三棱鏡頂角存在一定難度．分光計調(diào)節(jié)的要求是“三垂直”，即待測光路平面、觀察平面和測量平面，3個面相互平行且垂直于主軸．而在實際教學(xué)中，平行光管已經(jīng)事先調(diào)節(jié)完成，并不允許學(xué)生自行調(diào)節(jié)．因此，實際調(diào)節(jié)目標(biāo)簡化為，調(diào)節(jié)載物臺和望遠(yuǎn)鏡光軸平行并垂直于分光計主軸[4]．目標(biāo)的簡化并不能解決學(xué)生的困境，原因為：分光計可調(diào)的螺絲數(shù)量多達(dá)十幾個，不同的步驟需要松開和固定不同的螺絲，操作相對繁復(fù)信息量大；粗調(diào)要求不明確，方法也不具體[5-7]；實驗光路較為抽象，望遠(yuǎn)鏡光軸是一個假想的概念，實際上并不存在[8]，反射鏡正反面反光十字像的位置與載物臺和望遠(yuǎn)鏡光軸平行度之間的關(guān)系不直觀[9]．

為了應(yīng)對這些困難，將分光計的調(diào)節(jié)按精度要求分成粗調(diào)和細(xì)調(diào)2段進(jìn)行講授，減少信息量提升接受度．對于粗調(diào)，通常的要求為目測望遠(yuǎn)鏡筒和載物臺的水平，調(diào)節(jié)載物臺的3顆螺釘以及望遠(yuǎn)鏡光軸的垂直調(diào)節(jié)螺釘，使得通過平面鏡的正背兩面反射回來的亮“十”字都在望遠(yuǎn)鏡的視野內(nèi)．通過教學(xué)實踐，將粗調(diào)的內(nèi)容具體化，即所提到的“精細(xì)”粗調(diào)．調(diào)節(jié)過程中不滿足于對于載物臺的靜態(tài)觀察，也不急于旋轉(zhuǎn)載物臺確認(rèn)正反兩面的反射像是否都在望遠(yuǎn)鏡視野內(nèi)．而是在觀察的同時，通過轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤來帶動載物臺旋轉(zhuǎn)，仔細(xì)觀察載物臺的起伏情況．選定載物臺下方1~2顆螺絲進(jìn)行調(diào)節(jié)，使載物臺即使在旋轉(zhuǎn)過程中也目視水平．通過課堂教學(xué)的實踐過程，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過“精細(xì)”的粗調(diào)，細(xì)調(diào)過程中將不會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)180°后無法在視野內(nèi)觀察到綠色十字的情況，同時可以顯著減少細(xì)調(diào)過程中載物臺旋轉(zhuǎn)的次數(shù)．

結(jié)合粗調(diào)的要求，對2種極限情況進(jìn)行簡單的定量分析．

2 定量分析

經(jīng)過粗調(diào)之后的載物臺在細(xì)調(diào)過程中超出望遠(yuǎn)鏡視場與否，是驗證粗調(diào)是否有效的依據(jù)．因此，嘗試使用定量分析的方式，通過考慮2種極限情況，來確定精細(xì)粗調(diào)的意義．

在分析過程中，平面鏡、載物臺與望遠(yuǎn)鏡的位置關(guān)系見圖1．對光路做了2個處理：（1）僅考慮望遠(yuǎn)鏡外部光路，即LED發(fā)出的光通過望遠(yuǎn)鏡物鏡出射之后，經(jīng)平面鏡反射回到物鏡為止，而不考慮在望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的光路．（2）認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)調(diào)到目視水平，這樣影響光路的因素只有載物臺傾角．實際上，由于望遠(yuǎn)鏡鏡筒長度相對載物臺直徑來說較大，更容易調(diào)節(jié)到目視水平．

圖1 望遠(yuǎn)鏡與平面鏡的位置關(guān)系

將分劃板等比例放大，并將視場平移到望遠(yuǎn)鏡物鏡前端．同時為了進(jìn)行定量分析，選定JJY型分光計的參數(shù)進(jìn)行研究，主要參數(shù)見表1，分劃板視場示意圖及參數(shù)見圖2．

表1 分光計重要參數(shù)

圖2 分劃板視場參數(shù)

圖3 綠色十字中心恰好反射到望遠(yuǎn)鏡物鏡上緣和下緣的光路

將式（1）（3）的角度關(guān)系帶入式（2）得

幾何關(guān)系為

帶入角度關(guān)系

3 結(jié)語

對于分光計調(diào)節(jié)這一重要基礎(chǔ)實驗的難點，認(rèn)真收集學(xué)生的意見，改進(jìn)教學(xué)方式．通過教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)載物臺進(jìn)行目視調(diào)節(jié)，經(jīng)過目視進(jìn)行精細(xì)的粗調(diào)是可行的和有效的，顯著提高了“分光計調(diào)節(jié)與三棱鏡頂角測量”實驗的課堂效率．

[1] 吳鐵山，李道銀．大學(xué)物理實驗[M]．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2014：149-156，166-170

[2] 袁煥麗．分光計測量折射率的探討[J]．基礎(chǔ)及前沿，2005（6）：24-25

[3] 陳美霞，張霆，劉成岳．分光計實驗中不容忽視的幾個細(xì)節(jié)[J]．物理通報，2018（10）：103-106

[4] 徐國旺，江銘波，江濤．分光計調(diào)整中的推理過程[J]．高師理科學(xué)刊，2018，38（10）：33-35

[5] 王小懷．分光計調(diào)節(jié)和使用中的困難和解決措施[J]．實驗室研究與探索，2007，26（2）：35-37

[6] 鮑軍委，張廣斌．分光計快速調(diào)節(jié)的三部逼近法即理論分析[J]．大學(xué)物理實驗，2017，30（4）：54-57

[7] 彭雪城．分光計的分步調(diào)節(jié)[J]．大學(xué)物理實驗，2017，30（4）：78-80

[8] 劉玉華．淺談分光計調(diào)整的教學(xué)研究[J]．新智慧，2018（8）：15-16

[9] 唐笑，周賢菊，相國濤，等．圖解分光計的光路調(diào)整[J]．大學(xué)物理實驗，2018，31（6）：35-38

[10] 郁道銀，談恒英．工程光學(xué)[M]．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：130-135

Ａquantitative discussion of the rough regulation of spectrometer

FU Yunfei

（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，China）

The adjustment and use of the spectrometer is the focus and difficulty of the university physics experiment course．In order to improve the effectiveness of the experimental teaching，it also addresses the problems that students reflect in the adjustment and use of the spectrometer．In the classroom，adopted a two-stage teaching mode with both coarse and fine adjustments，trying to expose the main problems of students．After teaching practice，it is found that the difficulties encountered by students are mainly concentrated in the fine-tuning stage，and the root of the problem，it is a rough adjustment．By analyzing the experimental light path，it is found that the problem mainly occurred in the external light path．After the light emitted by the LED small light emerged from the objective lens， it was reflected by the plane mirror and did not return to the telescope，but exceeded the upper and lower edges of the telescope．Through calculation，it is found that the tilt angle of the stage of the spectrometer can be 3.004°and 11.343°respectively under two extreme conditions．In the range identifiable by the human eye，the horizontal direction of the stage can be performed by rotating the stage．Coarse adjustments to prepare for subsequent fine-tuning work．

spectrometer；object stage；rough adjustment；college physics experiment

1007-9831（2020）07-0086-04

O43∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.021

2020-04-09

付云飛（1989-），男，湖北武漢人，實驗員，碩士，從事光電材料，大學(xué)物理實驗研究．E-mail：yffu89@jhun.edu.cn