分光计调节方法的优化

王文莲

(大同大学大同师范分校 物理学院,山西 大同 037039)



分光计调节方法的优化

王文莲

(大同大学大同师范分校 物理学院,山西 大同 037039)

摘要：对分光计的常规调节方法进行了细致的分析和探讨，并对分光计的常规调节方法做出了调整，如调节顺序更加明确，粗调的操作要求有所降低，或者仪器(三棱镜)的放置更加规范等，从而缩短调节分光计所用的时间.

关键词：分光计；粗调；细调；“十”字叉丝像

分光计可用来精确测量角度，是常用的仪器.但使用分光计的要求比较高再加上分光计的结构比较复杂，所以对于初学者来说，要在有限的时间内将此光学仪器调整好是很困难的，根本就无法完成接下来的任务，即对某物质的角进行测量.所以目前我们需要关注的问题是如何化解分光计调节和使用的难度，从而高效率、快速的调整好分光计[1-2].

1分光计的结构

分光计的结构如图1所示.

图1　分光计的结构

2分光计的原理

让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线，经过反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上，通过目镜进行观察和测量各种光线的偏转角度，从而得到光学参量等.

3分光计的常规的调节方法

3.1　粗调

(1) 在正式调整该仪器之前，第一步是通过目测的方式粗调：使望远镜与平行光管成一条直线，且这条直线平行于载物台，最后通过调整使得这条直线与轴成90°.直到平面镜的两个面反射回来的“十”字叉丝像呈现在望远镜的目镜视场中，粗调才结束.粗调这一步特别重要，将会对接下来的细调产生影响，粗调一定要做好，否则细调就很难进行.

3.2　细调

3.2.1调整望远镜

(1)用自准法调节望远镜，使望远镜能够接收平行光：点亮望远镜下侧的照明小灯泡，通过小三棱镜的作用将叉丝照亮，调整目镜使得叉丝恰好处于目镜焦平面上，此时，能够很清楚的看到叉丝.然后将双面镜置于如图2所示的位置，调节载物台、分划板、物镜.在目镜视场中有模糊的像出现(如果找不到像，重调).寻找到像之后调整分划板的位置，视场中的像慢慢变成清晰的绿色亮“十”字叉丝像.当使分划板的中点恰好移到物镜的焦点处时，在目镜的视场中又发现叉丝像，且这个叉丝像与之前观察到的绿色叉丝像无视差.同样的，目镜套筒、物镜套筒、叉丝套筒之间的相对位置不用再改变(需要补充的是，在调节望远镜的过程中叉丝套筒在移动的同时还应做适当的转动，使得竖直叉丝与分光计中心轴相互平行).

图2　平面镜在载物台上的放法

(2)使望远镜镜筒与分光计光轴成90°[3]：调整好望远镜后，该仪器视场中同时出现两个无差别的叉丝像.但一般情况下，绿色小亮“十”字叉丝像并不位于如下图3所示的aa′线上.以下是可能的原因：望远镜镜筒与中心轴不成90°，或者是平面镜镜面不平行于中心轴，又或者是两个原因都存在.为了解决以上遇到的问题，进行如下的调整方法：首先验证双面镜两个平面分别与望远镜正对时，都在目镜视场中看到叉丝像(如果在视场中找不到叉丝像或者只找到一个叉丝像，就说明第一步的粗调工作没有做好，需要重新调整).然后调节望远镜光轴与水平面所成的角度，使得绿色小亮“十”字叉丝像不断靠近aa′线，接着通过调节载物台下面的三个螺丝，使得以上两个叉丝像完全重合.同理，调整载物台使平面镜的反面与望远镜正对，最后依然是两个叉丝像完全重合.以上两步都做好后说明望远镜光轴就垂直于中心轴了.

图3　成像原理

3.2.2调整平行光管

(1)通过调整使得平行光管射出平行光：调节平行光管之前，先将反射平面镜从载物台上取下来，再点亮汞灯使其光线正照在狭缝上.然后在调节狭缝与透镜相对距离的同时，用调整好的望远镜对准平行光管进行观察.当分划板中点与透镜焦点重合的时候，就出现了平行光.之后，在望远镜视场中看到有像出现.此时，在望远镜视场中能发现清晰的与叉丝无视差的叉丝像.

(2)使平行光管光轴与分光计的中心轴成90°[4]：调节狭缝宽度的手轮，使得狭缝有一个恰当的宽度.再通过调整狭缝使得狭缝像与水平叉丝成90°，然后调节平行光管上的螺钉，把狭缝像为该位置十字叉丝的放大或缩小像.此时，平行光管和望远镜光轴成一条直线且都与分光计中心轴成90°.

4对分光计调整和使用过程中遇到的障碍进行分析

4.1　严格调节分光计的螺丝

分光计的的调节螺丝有很多，每个螺丝都有各自的价值[5].有的起固定作用，有的用来调节高低，有的用来调节水平移动.当某螺钉调整好后，一般不再去调动该螺钉.

4.2　使望远镜的光轴与中心轴成90°

在调整过程中经常会遇到这个问题，即很难使望远镜的光轴与中心轴成90°，这问题严重影响了整个实验的操作[6].根据所查找的文献以及实验教材书，笔者了解到分光计的调整方法一般采用各半调整法来进行调节.但是运用上述调节方法有很多的弊端，例如，粗调工作完成后，在视场中没有出现叉丝像.只能再重新粗调，如果一直是以上情况，那么就一直不能开展细调工作.通过对整个实验进行分析与探讨后发现主要是粗调的问题:1)没有具体的粗调方法.当看不到平面镜两个面反射回来的叉丝像时，就得反复粗调，直到看到为止，就使得学生进入了盲目循环调节的怪圈中.2)粗调的要求太高.仅仅靠目测观察现象，而没有具体、有效的粗调方法，是很难完成分光计调整实验的.

4.3　调整三棱镜的三个棱与分光镜中心转轴平行

在用分光计对三棱镜顶角进行测量时，很难使三棱镜的三条棱与望远镜光轴成90°[7].以上问题的主要原因有两个：1)没有理解清分光计的调节原理，三棱镜的摆放不对.由于此时已调整好望远镜，则望远镜光轴已垂直于分光计中心轴.那么接下来只需要调整三棱镜，通过调节载物台下的螺钉使得三棱镜的三条棱与分光计中心转轴平行.这一步是很关键的，若以上工作没有做好，将无法看到三棱镜的两个光学面所反射的叉丝像都重合于分划板平面的黑十字叉丝.2)看不清反射回来的小“十”字叉丝像.由于实验室遮光不严、有其它光线的影响、三棱镜两个光学面的反射率低于平面镜，使得叉丝像较暗，从而不容易被发现.

5更快调节分光计的方法

为了跨过分光计调节和使用过程中遇到的的障碍，从而使得操作者尽快完成实验任务，我们需要对分光计的调整方法进行以下的优化.

5.1　调节顺序

分光计的有很多不同功能的螺钉，而且它的调节步骤也比较多，因此需要我们理清分光计的调整顺序[8].①调整望远镜，使平行光射入望远镜；②调整望远镜光轴垂直于仪器中心轴；③调整平行光管，使其出射出平行光，并使平行光管光轴重合于望远镜光轴；

5.2　不苛求粗调，从而快速使望远镜镜筒与分光计自身转轴成90°

在一些文献中有提到，加入辅助调节装置可以跨过分光计调节过程中遇到的障碍[9].但经过不断的探讨后发现，在不对分光计进行改装的情况下，通过对调节方法进行优化，也会达到以上目标目的[10].具体的调节方法见如下所述：1)用眼睛观察使得载物台大致水平，再调整望远镜镜筒与平行光管光轴大致成一条直线，且该直线与载物台平行，再调节望远镜目镜手轮，直到我们清楚的看到叉丝像.2)在载物台上加上平面镜，通过调节使平面镜的两面都与以上那条线成90°.同时，调整望远镜与载物台，关注像的出现.若没有像，但望远镜已不平行于水平面，那么逆向做刚刚对螺丝的调节.像即刻就会出现，继续调节使像重合于叉丝的上交点(如图a所示).此时，望远镜光轴与双面镜的一面成90°.3)让双面镜的另一面正朝着望远镜，继续调节望远镜.同时进行以下两个工作：首先，记录螺钉被拧过的圈数；其次，调整载物台，之后还是关注像的出现.假如知道螺钉被拧了n圈，且望远镜光轴也明显不水平，却还是没有像的出现，那就再反向拧螺钉m+n圈，必然会有像出现.继续调节，直到使像重合于叉丝的上交点(如图b所示).此时，望远镜光轴与双面镜的另一面成90°.3)继续反向调节以上螺钉，同时调节载物台下面的三个螺钉，直到通过目镜发现像，记录螺钉被拧过几圈.当拧过m圈螺钉，然后通过调节载物台来调整平面镜倾角，使得两个像都能重合于叉丝的上交点(如图c所示).此时，望远镜调整工作结束.

5.3　严格放置三棱镜

将三棱镜的每个面与载物台下面的3个螺丝b1b2b3的连线相互平行[11](如图4所示)，从而使问题简单化.假设先用望远镜正对AB面，调节调节b1或b2螺丝，使像重合于调整叉丝.然后，把望远镜正对AC面，调节b3螺丝(不会影响之前做出的调整)，使出现的像与调整叉丝重合[12].

图4　望远镜不同状态示意图

图5　三棱镜放置示意图

6结束语

分光计作为物理实验中如此常见的仪器，需要我们熟练操作.只要了解其结构以及原理，并多次实验，反复思考，不断优化调节方法.采取适当的改进措施，我们足以克服调节和使用过程中遇到的困难，从而更加高效率的完成实验任务.

参考文献：

[1]顾岱泉，王震，薛猛.普通物理实验教学中学生存在的问题及原因分析[J].吉林化工学院学报，2014，31(2)：54-57.

[2]郎成，解玉鹏.课题型研究性物理实验中对学生进行科学思维方法的培养[J]. 吉林化工学院学报，2013，30(12)：99-102.

[3]蒋永忠,梁一志.分光计调整方法的改进[J].玉林师范学院学报,2003(4).

[4]邱荒逸.分光计望远镜的分布快速调整[J].长春师范学院学报,2005(9).

[5]葛松华,唐亚明.分光计的一种简单调整方法[J].物理实验,1993(1).

[6]周幼华,许阳,吴铁山.大学物理实验的微观教学模式及实践[J].物理实验,2000(11).

[7]曾贻伟.普通物理实验教材[M].北京:北京师范大学出版社,1989.

[8]沈元华.基础物理实验[M].北京:高等教育出版社,2003.

[9]杨俊才,何焰蓝.大学物理实验[M].北京:机械工业出版社,2004.

[10] 蒋永忠，梁一志.分光计调整方法的改进[J].玉林师范学院学报：自然科学版，2003，24(4)：65-66.

[11] 曹惠贤.普通物理实验[M].北京:北京师范大学出版社,2007(8).

[10] 杨述武.普通物理实验(力学、热学部分)[M].北京:高等教育出版社,2007(12).

Optimization of the Spectrometer's Adjusting Method

WANG Wen-Lian

(Datong Normal Branch School of Datong University,Datong City 037039,China)

Abstract:In this paper,the general regulation of spectrometer methods has carried on the detailed analysis and discussion,and the conventional adjusting method for spectrometer,such as adjusting the order more clear,reducing the requirements which the operation of the coarse tuning,or instruments(prism)placed more specification,etc,so as to shorten the time required for adjusting spectrometer.

Key words:spectrometer；coarse tuning；fine tuning；"ten" word fork like silk

文章编号：1007-2853(2015)11-0084-03

作者简介：曲铭镭(1986-)，男，吉林省吉林市人，吉林化工学院理学院助教，硕士，主要从事凝聚态物理方面的研究.

收稿日期：2015-07-10

中图分类号：O 43

文献标志码：B DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.020