分光计调节方法的修正

2014-09-19万伟

大学物理实验 2014年4期

万伟

(西南科技大学，四川绵阳 621010)

分光计是一种测量角度的光学仪器，可用它来测量折射率、光波波长、色散率等，是光学实验中最基本的光学仪器。分光计的调节非常重要，其调节的准确与否直接关系到各物理量的测定精度。其中，调整载物台和望远镜光轴对分光计中心转轴垂直是整个分光计调节的重点和难点［1-4］。在教学和实践中，发现即使按传统的调节方法对载物台和望远镜进行仔细调节到位，测量中将望远镜旋至左、右位置进行多次、对称观察和测量时仍存在较大的偏差。通过理论分析，提出对分光计载物台和望远镜调节的修正方法并在实践中得到验证。

1 传统调节方法

1.1 基本原理

分光计包括四部分:望远镜、平行光管、载物台和读数盘。测量中望远镜用以观察、对正现象;载物台用来放置被测物和连续改变入射角的作用，它们根据需要都可进行大角度旋转。分光计使用前必须进行调节，调节顺序及总体方法为:(1)望远镜自准，接收平行光清晰成像;(2)将专用双面平面镜(底座与镜面垂直)置于载物台上，通过调节望远镜俯仰及载物台台面角度(三颗调节螺丝)，达到载物台面及望远镜光轴都与分光计中心轴垂直［5-8］;(3)用望远镜观察、调节平行光管，使其产生标准平行光，并校正平行光管的俯仰角，使平行光管光轴也垂直于分光计中心轴。三步调节中，(1)、(3)步相对容易调节。图1为第(2)步调节完成后应到达的要求侧视图。

图1 载物台和望远镜调节到位的状态

1.2 存在问题

第(2)步调节必须借助放置在载物台上、对正望远镜的双面平面镜(底座与镜面垂直，也即载物台面中心法线平行于镜面)的反射功能和自准好的望远镜射出平行光，通过双面平面镜反射回望远镜所成“十”字像的高低位置(可直接反映望远镜光轴是否与平面镜面垂直)来调节和判断。望远镜目镜视场见图2，自准完成后望远镜内的透光十字窗口位于望远镜物镜后焦平面下方，它和分划板上的上十字线是以分划板中的下十字线的横线对称的。当双面平面镜镜面与望远镜光轴垂直时，由几何光学知，此时的反射“十”字像应位于上十字线的横线位置高度［9］，正如图2所示。目前，很多物理实验教材在介绍该步调节时，只强调望远镜光轴与分光计中心轴垂直关系的调节，调节方法均采用旋转载物台180°，借助载物台上双面平面镜的两面(A、B面)反射平行光进入望远镜内所成“十”字像的高低位置进行调节，调节时采用各半调节法(望远镜俯仰调节螺丝修正一半、载物台面调节螺丝修正一半)，使双面平面镜A、B两面反射回望远镜的“十”字像的高度位置均在望远镜目镜视场中的上十字线横线高度处即完成调节。实际上，这样的调节并未真正达到所要求的状态。

图2 望远镜目镜视场

图3为第2步调节中的俯视图，图3中分光计中心轴垂直纸面，载物台面与分光计中心轴不垂直，其倾斜状态用载物台面中心点法线表示。总可分解为沿望远镜方向的倾斜和垂直望远镜方向的的倾斜。在反复旋转载物台180°利用双平面镜的A、B面反射作用观察和调节中和都将发生对称变化，且垂直于双平面镜面、平行于镜面。正对望远镜的双平面镜检测的是分量，当通过望远镜、载物台面的“各半调节”完成后=0，即平面镜 A、B两面反射的“十”字像等高，此时若望远镜光轴也垂直于双平面镜，则“十”字像也均位于分划板上十字线横线位置，但分量是否存在、大小如何均不影响此时现象，既载物台面并不垂直于分光计中心轴，见图4。这样的状态在实验中的弊端表现为:①调试好第2步后的分光计，任意转动载物台或望远镜一定角度(不等于180°)，再用双平面镜检查时，“十”字像高低位置发生变化，甚至没有“十”字像，望远镜及载物台面又须重新调节;②当用调节好的分光计进行左右对称观察、测量时，现象非对称，导致观察、测量误差;③由于载物台面与分光计中心轴不垂直，入射光将与介质端面不垂直，使用厚型介质(如三棱镜)实验时，测量误差必然增大。

图3 载物台台面中心法线偏离分光计中心轴俯视图

图4 载物台台面存在分量时望远镜无法判断

1.3 调节修正方法

分光计第2步的观察、调节过程是一个二维平面修正过程，应将两个分量都修正为零，达到载物台面及望远镜光轴都与分光计中心轴垂直，而传统的调节仅强调望远镜光轴与分光计中心轴垂直则演变成一维修正过程，必然导致载物台对垂直望远镜方向的倾斜分量的不作为现象出现。因此，正确的调节方法应对两个垂直方向的倾斜分量进行分步调节、修正。为避免重复调节，具体操作方法为:①将双平面镜置于载物台上，并使镜面垂直于载物台C、D两调节螺丝孔连线，见图5。

图5 分步调节中平面镜放置法

按传统方法反复旋转载物台180°观察和调节C或D螺丝及望远镜俯仰螺丝，直到获得所要求的现象。该步调节使、望远镜与分光计中心轴的垂直偏差趋于零。②为提高调节精度，保持载物台不动，旋转望远镜90度，将双面镜置于载物台上(图5虚线所示)并对正望远镜观察“十”字像位置，此时再旋转载物台180°观察平面镜两面反射回望远镜的“十”字像［10-11］。若平面镜两面反射的“十”字像处于分划板上十字线横线的上下对称位置，说明上步调节已使望远镜光轴垂直于分光计中心轴，只需调节螺丝E完成“十”字像处于上十字线高度实现=0;与之相反，则需使用台面螺丝E和望远镜俯仰调节螺丝再次进行“各半调节”直到达到要求。经过上述两步的调节，即可保证载屋台面、望远镜光轴均与分光计中心轴严格垂直。