分光計實驗教學(xué)改進之雙側(cè)像的調(diào)整

□劉植鳳

分光計實驗是《大學(xué)物理實驗》的重要實驗之一，因其儀表精密度高，操作技巧性強，而成為各高校大學(xué)物理實驗的必開項目。分光計作為大學(xué)物理實驗中典型的光學(xué)儀器，在物理實驗中既能夠培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，又能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力[1]。做好這個實驗對于提升學(xué)生的動手能力，訓(xùn)練嚴密的邏輯思維能力都很有裨益。然而，分光計的實驗操作需要進行光路調(diào)整，光路我們不能肉眼可見，這就導(dǎo)致很多學(xué)生在操作過程中沒有直觀標準可供參照，加之學(xué)生沒有儀器操作經(jīng)驗，因此儀器調(diào)整往往反復(fù)操作，反復(fù)失敗，既影響了課堂教學(xué)效果，又打擊學(xué)生參與物理實驗的信心和興趣。為提升實驗效率，2020年，張慶月[2]等人提出了用智能手機協(xié)助調(diào)節(jié)載物臺水平的理論，落實了載物臺平面水平調(diào)試的直觀性；同年，付云飛[3]則以數(shù)學(xué)計算的方式，給出了望遠鏡視野能捕捉到綠“十”字時，允許載物臺偏轉(zhuǎn)的最大角度。這些方法均有助于提升載物臺調(diào)平效果。以此為基礎(chǔ)，針對雙側(cè)像調(diào)整難點，本文將重新設(shè)計分光計的初調(diào)步驟，提出通過仰角螺釘調(diào)節(jié)綠“十”字像至視野兩端，將單側(cè)像調(diào)至雙側(cè)像的方法。本文理論對于學(xué)生掌握分光計調(diào)節(jié)步驟難點，提升實驗速度，增強實驗興趣有一定作用。

一、分光計實驗步驟的重難點分析

按照以往的實驗教材，分光計實驗的第一步是目測粗調(diào)，需要借助眼睛粗略估算，調(diào)節(jié)望遠鏡光軸、平行光管、載物臺，使其均處于水平狀態(tài)。粗調(diào)步驟是細調(diào)的前提，也是整個光路調(diào)整難易、成敗的關(guān)鍵。然而在整個調(diào)整過程中，我們沒有直觀的量化標準作比對，無論是望遠鏡主軸、平行光管，還是載物臺的水平，均需借助視覺經(jīng)驗粗略估算，這就導(dǎo)致不同同學(xué)粗調(diào)完成的效果差異很大。有些同學(xué)粗調(diào)完成，在望遠鏡視野中還是找不到綠色“+”字光標，或只能找到雙面反射鏡一側(cè)反射的綠色“+”字光標，其主要原因是分光計粗調(diào)沒有調(diào)好[4]。然而由于粗調(diào)過程需要借助目測水平和調(diào)節(jié)經(jīng)驗，作為初次接觸設(shè)備的學(xué)生，粗調(diào)略有誤差相當普遍。如何精準調(diào)整光路，使望遠鏡目鏡視野中，能分別捕捉到雙面鏡兩側(cè)反射的綠像、進而通過“各半調(diào)解法”調(diào)至望遠鏡、平行光管主光軸和載物臺法線垂直，是本實驗操作過程的重點、難點。

二、分光計實驗難點步驟的改進

針對以往課堂出現(xiàn)的問題，對分光計實驗重、難點步驟進行了調(diào)整和改進。

(一)不同于以往先進行目測粗調(diào)，把望遠鏡聚焦無窮遠提到第一步。先做目鏡、物鏡的調(diào)整，調(diào)節(jié)目鏡旋鈕使視野中叉絲清晰，調(diào)節(jié)物鏡旋鈕使視野中綠“十”字像清晰。調(diào)整物鏡時手持雙面鏡貼附在望遠鏡鏡頭前端反射綠“十”字光標，用以輔助物鏡焦距調(diào)節(jié)。以往的調(diào)節(jié)方式是粗調(diào)后把反射鏡置于載物臺上觀察“十”字像，如果粗調(diào)不到位的話，視野中很可能根本看不到綠“十”字，這就需要目測粗調(diào)和物鏡焦距反復(fù)調(diào)節(jié)，增加了學(xué)生操作的混亂程度。為避免這種現(xiàn)象，首先調(diào)整望遠鏡聚焦無窮遠。

(二)粗調(diào)載物臺水平。載物臺是個平面，如果沒有具體參照物，平面的水平對我們來說，主觀判斷上確實存在困難，為此本文提供兩種較直觀參考方式進行調(diào)整。一是為水平儀法。將水平儀(或者學(xué)生手機上的水平儀)置于載物臺上，通過調(diào)節(jié)臺面下正交分布的三個螺釘，使水平儀中間的氣泡居中，則表明載物臺平面水平。二是上下臺面對比法。載物臺的臺面分黑色臺面和灰色臺面兩層，中間以正交分布的三顆螺釘(A、B、C)支撐分離。調(diào)整時可以觀察兩臺面之間的螺釘間距(螺紋數(shù))，間距幾近相等，則表示黑、灰面近乎平行水平。對兩面間隔的衡量屬于線性對比，相較于平面的水平而言更易把握。

(三)尋找綠“十”字像。在基本保證載物臺水平的情況下，理論上只要調(diào)整望遠鏡主光軸角度，使主光軸垂直于鏡面，一定能在視野中出現(xiàn)綠“十”字。為此，只需將雙面鏡置于載物臺上(雙面鏡壓住螺釘C，望遠鏡筒與另兩個螺釘A、B連線平行[5]，同時確保雙面鏡鏡面與AB連線垂直)，循序調(diào)整望遠鏡仰角螺釘，在視野中搜尋綠“十”字像。搜尋期間，由于不能保證望遠鏡筒與AB連線嚴格平行，可適當微轉(zhuǎn)載物臺，調(diào)整雙面鏡方位協(xié)助捕捉綠“十”字。這個過程中，由于望遠鏡物距的改變，視野中綠“十”字會略顯模糊，緩調(diào)物鏡旋鈕，使綠“十”字清晰即可。粗調(diào)過程結(jié)束。

(四)單側(cè)像調(diào)成雙側(cè)像。本科學(xué)生大多第一次接觸分光計，難免在粗調(diào)過程中有這樣那樣的疏漏，其中最常見的結(jié)果就是只有單側(cè)像，即平面鏡翻轉(zhuǎn)180°之后，看不到反射的綠“十”字。從單側(cè)像調(diào)出雙側(cè)像的過程是學(xué)生操作的難點。很多同學(xué)會返回最初的粗調(diào)、望遠鏡聚焦，甚至開始雜亂無章地嘗試扭動所有旋鈕，這對實驗毫無裨益，還耽誤了大量時間。本文給出的解決方案是借助望遠鏡仰角螺釘調(diào)整法。

按照光學(xué)原理，置于載物臺上的雙面鏡與載物臺垂直，因此雙面鏡兩側(cè)對光線的反射應(yīng)該是一個鏡子兩邊對稱反射的關(guān)系。如果出現(xiàn)了單側(cè)像，一定是無像側(cè)平面鏡反射光線偏離了目鏡接收范圍。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，要么望遠鏡主光軸偏離水平嚴重，要么載物臺某側(cè)傾角明顯，或兩者都偏差輕微但兼而有之(后者居多)。前兩種情況很容易目測糾正，后者則需要一定技巧?，F(xiàn)有教材在這種情況下要求學(xué)生返回粗調(diào)步驟，重新第一步操作。出現(xiàn)這種失誤的同學(xué)，對直線水平和平面水平的判斷本就失準，再次重復(fù)調(diào)節(jié)只能增加他們的心理緊張和挫敗感。對此，本著盡可能量化參照物的原則，現(xiàn)給定如下解決方案：旋轉(zhuǎn)載物臺到平面鏡可見像一側(cè)，調(diào)節(jié)望遠鏡仰角螺釘，使目鏡中的綠“十”字到達望遠鏡圓形視野的最上方，轉(zhuǎn)動載物臺180°，觀察雙面鏡另一側(cè)反射的綠“十”字能否出現(xiàn)，出現(xiàn)則成為雙面有像的情況；否則轉(zhuǎn)180°返回有像一側(cè)，繼續(xù)調(diào)整望遠鏡仰角螺釘，使頂端的像下落到視野最底端(視野中方形亮斑的左下角或右下角)，然后轉(zhuǎn)動載物臺180°，則雙面鏡另一側(cè)反射的綠“十”字像必定出現(xiàn)。

這種調(diào)節(jié)方式的基本原理，是先調(diào)節(jié)望遠鏡主光軸的角度，用視野去適應(yīng)平面鏡反射的光線范圍，進而先保證能看到平面鏡兩面反射的雙側(cè)像。而從找到雙側(cè)像到望遠鏡主光軸和載物臺法線垂直的步驟，只需按照“各半調(diào)解法”，先反復(fù)調(diào)整A、B螺釘使雙側(cè)像等高，再調(diào)節(jié)仰角螺釘使等高像居于第一叉絲；平面鏡轉(zhuǎn)90°，調(diào)節(jié)C螺釘使像居于上叉絲即可。這些步驟在各類高校教材上都有詳盡有效的描述，這里不再贅述[5]。

三、雙側(cè)像調(diào)整步驟

圖1 雙側(cè)像調(diào)整步驟框架圖

圖1給出了分光計光路調(diào)整中，從目測粗調(diào)到觀察到平面鏡兩側(cè)反射綠“十”字像的全新流程圖。新的調(diào)整步驟從望遠鏡聚焦開始，先調(diào)整載物臺臺面水平，然后提出借助望遠鏡仰角螺釘，通過調(diào)節(jié)單側(cè)像到望遠鏡目鏡視野的兩端，進而獲得雙側(cè)像的技巧。而從雙側(cè)像到分光計實驗最終要求的望遠鏡主光軸和載物臺法線的垂直，則一如諸多大學(xué)物理實驗教材所述，使用“各半調(diào)解法”。“各半調(diào)解法”操作步驟精準詳盡，與各高?！洞髮W(xué)物理實驗》教材所述一致，流程圖中沒有顯示。

四、學(xué)生實驗課堂反饋

經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)實踐，對比了兩種操作步驟對分光計實驗教學(xué)的影響。按照教學(xué)設(shè)計，首先分別對八個專業(yè)的學(xué)生隨機分組，相同專業(yè)每班的學(xué)生分為兩組，按照相同理論講解和不同的實驗操作步驟分別授課，并在后期針對各班學(xué)生實驗過程，分別歸納了學(xué)生的實驗完成速度、圖像清晰度、以及學(xué)生對實驗難易程度的描述。經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，新的調(diào)節(jié)方式可以有效杜絕學(xué)生因為找不到反射綠“十”字像或者找不到雙側(cè)反射像而出現(xiàn)低效率的返工操作，因此在完成時間上具有更大的優(yōu)勢，相較于對照組大批的學(xué)生拖堂延時，實驗組絕大多數(shù)同學(xué)都能在課上及時完成實驗；因改進后的操作步驟具有更直觀的參照標準，實驗組調(diào)出的圖像效果也更清晰。與對照組相比，實驗組的同學(xué)對實驗認可度高，也沒有那么強烈的畏懼心理。

五、結(jié)語

分光計實驗由于調(diào)節(jié)步驟中光路的不可見性，儀器調(diào)整具有一定難度。本文針對實驗操作難點，即目測粗調(diào)到雙側(cè)綠“十”字像出現(xiàn)的調(diào)整過程，重新設(shè)計了實驗步驟，借助調(diào)整仰角螺釘將單側(cè)像調(diào)至視野兩端的技巧，給出了雙側(cè)像更直觀有效的調(diào)整方式。通過一學(xué)期的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)本文的方法能有效提高學(xué)生操作速度和精度，有助于提高學(xué)生課堂完成實驗的效率，激發(fā)學(xué)生對物理實驗的興趣。