分光计调整教学方法心得

2013-09-19圣宗强李成龙

大学物理实验 2013年4期

圣宗强，孟影，李成龙

（安徽理工大学，安徽淮南 233001）

分光计是精确测定光线偏转角度的仪器，也称测角仪。光学中的许多基本物理量如波长，折射率等都可以直接或间接地表现为光线的偏转角。因而利用它可测量波长、折射率等，此外分光计还能精确地测量光学平面间的夹角。分光计是光学实验的基本仪器之一，许多光学仪器的基本结构也是以它为基础。使用分光计时必须经过一系列精细的调整才能得到精确的结果。分光计调整与应用是大学物理实验课程中的重点也是难点［1－5］。它的调整技术是光学实验中的基本技术之一，必须正确掌握。但我们由于分光计结构复杂，操作步骤繁多，调节精度要求高，如何让学生在规定学时内理解并掌握其调整技术，对授课教师来讲是一个挑战。通过多年的教学实践，摸索出一套比较实用的教学方法。

调整分光计，最后要达到下列要求：

（1）平行光管发出平行光；

（2）望远镜对平行光聚焦（即接收平行光）；

（3）望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴，载物台水平。

在分光计调整过程中最关键的也是最难的就是调整好望远镜。

下面介绍在分光计实验教学中的一些方法和有实用价值的举措。

1 采用课件教学和教师示范演示相结合的教学方法

对于分光计调整和应用这个实验，我们采用课件教学和教师示范演示相结合的方法。由于分光计实验属于比较难的实验，分光计结构复杂，仅调节螺钉就有十几个。操作步骤多而且繁杂，学生经常觉得无从下手，经常做了上一步忘了下一步该做什么。以前上课，教师在讲台上对着仪器介绍仪器结构和调节方法，坐在后面的同学很难看清。现改用利用投影仪用课件来上课。通过课件可生动详细地介绍分光计各部件的作用，以及实验过程中出现的实验现象。再配上一定的动画效果，可加深学生对仪器结构以及实验过程的印象，对出现的实验现象也能有个清楚的感性认识，使他们能很快理解实验原理以及操作过程。一般利用课件讲解实验的过程约为二十分钟左右，然后让学生自己动手做二十分钟左右。在动手做的过程中，学生对仪器就比较熟悉了，但在调整的过程中可能还是会遇到一些困难。接下来教师再花五分钟左右将实验演示一遍。学生在观察教师演示实验的时候就能做到有的放矢，并迅速掌握调整的要领。我们发现通过这样的教学，绝大部分学生能够在规定的时间内将分光计调整好。

2 介绍仪器时删繁就简

分光计结构复杂，主要由四大部分构成：望远镜、平行光管、载物台以及读数系统。要想在短时间内将分光计这些部件的所有功能都详细介绍是很难做到的，学生也很难全部都记住。我们在介绍仪器时采用删繁就简的办法。如在介绍望远镜和平行光管时，我们只介绍它们的基本调节和使用方法，对于它们的内部结构以及工作原理不作介绍，这部分留给学生自己阅读。分光计仅调节螺钉就有十几个，我们在介绍的时候只介绍和实验操作相关的螺钉和旋钮。

3 借助简单仪器进行分光计粗调

对分光计的调整分为粗调和细调两个环节。有的大学物理实验书上对粗调只是简单一笔带过，在一般的教材中粗调是指用眼睛从侧面观察载物台、望远镜镜筒以及平行光管是否大致水平。如不水平则通过调节相关的螺钉使其大致水平。并将望远镜和平行光管对成直线。而实际上粗调在实验过程中有着非常重要的作用。学生做实验时往往忽略粗调这一步骤而急于求成，实验刚开始就对着望远镜筒找平面镜反射回来的亮十字，直接进入细调环节。有的学生虽然进行了目测粗调，但由于只靠眼睛看，没有参照物作为标准，调节达不到理想的效果。为了使粗调迅速并且达到理想效果，我们给每个学生发一个小的水平仪，采用水平仪辅助粗调的办法。

首先用水平仪调节分光计的主轴竖直，分光计其他部分的调节都是以其主轴为参照的，主轴是否垂直关系到整个分光计调节的效果。分光计放在实验桌上，如实验桌不水平则分光计主轴就不竖直。我们首先将水平仪放在游标盘上，看游标盘是否水平，如游标盘水平则分光计主轴竖直。一般实验桌是固定的，不容易调整水平，这时我们可以通过调整分光计三只脚的高度来调节游标盘水平，具体做法可在分光计支撑脚下垫些纸块，使游标盘水平。

其次，调节载物台水平，首先通过调节载物台下的三个螺钉将载物台上面的黑铁块顶起来一点，使其和下面的铁块之间的间隔大致在半厘米左右，这样载物台下的三个调平螺钉既可上调也可下调。再从侧面观察上下两个铁块之间的间距是否比较均匀，如均匀则载物台已经大致水平了。将水平仪放在载物台上，微调载物台下的三个调平螺钉使载物台的水平度进一步提高。调节望远镜下的高低调节螺钉，从侧面观察望远镜镜筒是否大致水平。这时再将水平仪放在望远镜的镜筒上来检验望远镜镜筒是否水平。

4 采用望远镜筒外观测法和各半调节法细调

目测粗调进行完之后，接下来进行细调。细调的目的是使望远镜光轴和载物台完全水平，需要借助一块双面平面镜调节。平面镜放在载物台上的位置非常讲究，各种教材中也有一些不同的方法。我们选择的是常用的方法，其特点是容易理解和掌握。如图1所示。

图1 平面镜放置图

a1、a2和a3表示载物台下的三颗螺钉，这三颗螺钉构成一等边三角形。将平面镜的边放在此等边三角形的一条高上，也即a1、a2连线的中垂线上。这一步的目的是将望远镜的光轴调垂直于仪器公共轴，也即是将望远镜的光轴调水平（这里已假定前一步分光计的主轴已调垂直）。平面镜如图1摆放，如果其不竖直，只需要调节a1、a2两个螺钉之一就能迅速地将其调竖直，而螺钉a3不需要调节。一般这时在望远镜筒内可看到平面镜正反面反射回来的亮十字像，这样就可以进行下一步的调节。但有的学生由于前面的粗调精度不高也可能两个面都找不到像或只能找到其中的一个，这种情况是很普遍的。如出现这样的情况，我们一般要求学生重新粗调再试试看，如还不行则必须要用望远镜筒外观测法将两个面的亮十字像找出来。这一步对同学来说不太好掌握，也是我们讲解实验操作步骤的重点和难点。有些实验教材或文献中也会提及望远镜筒外观测法，但一般只是简单说两句，没有具体的标准和步骤。我们具体的做法是：先将望远镜的镜筒稍稍向右偏转一个小角度，和平面镜错开一点。用左眼顺着筒壁左侧水平向前看，高度和望远镜轴线在同一个水平面上。一直向前看到载物台上的平面镜，一般这时在平面镜里可以看到望远镜前面物镜镜头的像，在这个镜头的像里面可以看到一个亮十字。如果此时亮十字和望远镜的光轴在同一个水平面上，将平面镜和望远镜正对放，在目镜里应该就能看到亮十字。如在目镜里没有看到亮十字则表明从外面看亮十字和望远镜的光轴不在同一个水平面上，偏高或偏低了。这样导致平面镜反射回来的亮十字像也偏低或偏高了而不能进入到望远镜的镜筒里去，所以从目镜里就看不到亮十字的像。这时通过调节载物台下靠近实验者的螺钉以及望远镜镜筒下的高度调节螺钉采用各半调节法（后面再解释各半调节法）使亮十字和望远镜的光轴正好同一个水平面上。这时再将平面镜和望远镜正对放，应该就能从目镜里看到亮十字。同样的方法也可找到平面镜另一个面的亮十字。

平面镜的正反两个面都找到亮十字后，接下来就是大部分教材上介绍的各半调节法将望远镜的光轴调水平（和分光计主轴垂直）：以分划板上方四分之一处的横线为准线，通过调节载物台下靠近实验者的螺钉以及望远镜镜筒下的高度调节螺钉分两次将看到的亮十字调到那道横线上，如图2所示的位置。每次调节的距离是总距离的一半。反复转动载物台对平面镜的正反面调节，最终的目标是平面镜正反两个面反射回来的亮十字都在上方四分之一处的横线上。这就表明望远镜的光轴调水平了。

图2 分划板及亮十字图

图3 平面镜放置图

接下来就是将载物台调水平（和分光计主轴垂直）。关于这一步的调节也有不同的方法。有的用三棱镜进行调节，也有的用平面镜调节。用平面镜调节更简洁明了一些，平面镜也有不同的摆法。我们采用的是如图3的放置，让平面镜的边处在由a1、a2和a3构成的三角形的中位线上，和a1、a2连线平行。这时望远镜已不能再调节，螺钉a1、a2也不能再调。这时只能调节a3这一个螺钉。将平面镜和望远镜正对，通过调节a3使看到的亮十字达到分划板上方四分之一处的横线，这就表明载物台调水平了。