分光计调整的教学方法研究

王晓娟，杨秋英

(常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500)

分光计调整的教学方法研究

王晓娟，杨秋英

(常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500)

从分光计调整的特点和教学实践出发，构建思路清晰的调节流程图。并针对其中的重点和难点，给出切实可行、高效简洁的解决方法。通过这种方法能有效提高教学效果，实现分光计的准确快速调整。

分光计；望远镜；教学方法

分光计是一种分光和精确测量角度的精密光学仪器，在大学物理和专业光学实验中都有广泛应用。分光计可以直接测量三棱镜顶角、最小偏向角、光栅衍射角等。也可通过角度的测量来间接测定其他一些光学量，如光谱线波长、液体折射率、光栅常数等。分光计结构特殊精密，使用之前必须经过严格的调整才能得到精确的测量结果。因此，快速准确地将分光计调整至适合测量的状态是后续实验顺利开展的基础。另外，分光计的调整技术和应用具有一定的代表性，摄谱仪、单色仪等许多光学仪器的基本结构都以它为基础，熟练掌握其调整方法对一般光学仪器的使用具有一定的借鉴[1-3]。分光计的调整一直是大学物理实验教学的核心内容之一。本文从分光计的教学实践出发，总结有效的教学实施方案，特别针对调整过程中的关键点给出有效的解决方法，对教学实践提供一定的参考。

1 实验教学中的主要困难

分光计调整的教学之所以具有较大的难度，主要原因有两个方面：一是仪器自身的特殊性；二是调整要求的复杂性。分光计结构特殊，现象只能由操作者一人观察，步骤繁多，调节精度要求高，学生在实际操作过程中通常感觉无从下手[4]。具体表现在分光计的调节螺丝很多，每个螺丝的位置和功能各不相同，需要根据调节目的作相应的选择，而同一个螺丝在不同的实验阶段也需要作相应的锁定或松动变化。学生在实验过程中往往由于不熟悉仪器的各个部件而找不到需要调节的螺丝，或者调错螺丝导致实验失败。因此，熟悉和了解分光计的基本结构是不可忽视的第一步。至于调整要求的复杂性是由于分光计涉及的光学概念较多，原理也不直观，在调整过程中如果没有清晰的物理图像，学生很难将实验现象和调节要求联系起来。只是盲目地按部就班，不知所以然。因此，授课教师须引导学生实现理论和实践的相互转化，将调整要求和调节目标联系起来，锻炼和培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。

常熟理工学院物理学基础实验中心面对全校理工科专业开放，采用网上自主选课的方式。学生根据自己的专业特点和时间安排，选择不同的实验项目和上课时间。因此，同一堂课上的学生大多来自不同的专业，物理基础完全不同；同时，对于非物理专业的理工科学生来说，物理基础不扎实是普遍现象，要在规定的学时内完成分光计的调整和应用两部分内容不是一件容易的事情。对于授课教师而言，一方面要让学生理解基本的光学原理、掌握分光计的调节方法；同时还要兼顾学生的不同学科背景和基础，做到因材施教。无论从学生还是教师的角度而言，实现分光计的快速调整，化解难点，提高效率，是后续实验成功的关键所在。

2 分步实施的教学方法

为了让学生能在较短的时间内熟悉仪器的基本结构并迅速掌握调节要领，在教学过程中必须有清晰的调整思路和步骤，从而引导学生目标明确、方法得当、化繁为简的逐步展开调节。本文从教学实践出发，将分光计的调整过程分为两大部分：第一部分是熟悉仪器，明确调整要求；第二部分是分光计的水平调整，由此构建一个清晰的调节流程图，如图1所示。

2.1 熟悉仪器，明确调整要求

这一部分主要介绍望远镜、载物平台、读数平台和平行光管这四大结构的功能以及相应的调节螺丝。例如对于望远镜的介绍，要明确望远镜的作用是用来观察平行光线的进行方向。它的主要组成部分包括目镜、物镜以及两者之间的分划板。如何改变目镜与分划板之间的距离；如何调节目镜和叉丝分划板相对于物镜的距离。相关调节螺钉主要介绍望远镜倾斜度调节螺丝以及锁紧螺丝。根据不同的实验内容，介绍仪器结构时应具有选择性，做到突出重点，简明扼要。例如测量液体折射率实验中因不需要用到平行光管，这部分结构以及相关的调节螺钉可以暂不作介绍，以免引起混淆。

在此基础上让学生进一步明确调整要求。要强调分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度的，因此需要将仪器精确调节至适合于平行光的状态。而下面所做的一系列调节工作都是围绕这一要求展开的。一般来说分光计的调节要求包括以下三点：①望远镜调焦无穷远；②调整望远镜光轴、载物平台与分光计中心转轴垂直；③调整平行光管适合平行光，平行光管的光轴与分光计中心转轴垂直。

图1 分光计调节流程图

图2 光学元件在载物平台上的放置

为了让学生进一步理解调整要求，教师应着重激发学生理解调节要求和直观现象之间的因果关系，可借助于CCD成像系统，让教师和学生同时观察到调节现象，这样就能使抽象的调节具体化、形象化，使他们知道每个调节步骤所要达到的效果，做到真正意义上的目标明确。如调节要求②中望远镜光轴与分光计中心转轴垂直所对应的实验现象就是：平面镜两个光学面的反射十字叉丝像均与调整叉丝完全重合。

2.2 望远镜和载物台水平调整的流程图

学生按照图1中的流程进行操作和判断不仅能做到目标明确，减少操作的盲目性，而且能化繁为简，提高实验效率。授课教师按照图1在讲解和示范过程中，可以根据学生的特点和掌握情况进行进度调整并穿插学生练习，以适应学生的不同基础和专业需求，最大限度地调动学生的积极性，加强教与学的交流。

3 主要难点分析和相关对策

针对流程图1中的关键性步骤，着重从以下四点分析可能遇到的困难并给出解决方式。

3.1 自准直法调节望远镜对无穷远处聚焦

在对望远镜和载物台进行水平调节之前必须首先明确一点：如果叉丝分划板没有位于物镜的焦平面上，“反射十字像”是模糊的或根本看不到；如果望远镜与平面镜法线方向不垂直，则“反射十字像”将偏离或同样找不到。为了排除第一种捕捉不到反射像的因素，必须使望远镜对无穷远处聚焦。采用的方法很简单，直接将平面镜或三棱镜的光学面紧贴物镜前端，此时平面镜严格与望远镜光轴垂直，之后松开目镜套筒锁紧螺丝，改变目镜套筒的前后位置，使分划板位于物镜的焦平面上。此时，小灯泡经透光空心十字叉丝发出的光经物镜变为平行光，此平行光由平面镜反射回来经物镜后所成的像恰好在分划板的叉丝平面上。如果在目镜中可以看到反射十字叉丝像与分划板同样清晰且无视差，即表明望远镜已聚焦于无穷远。通过这种方法不但可以快速地调节望远镜对无穷远处聚焦，而且可以让学生很容易观察到反射十字像，提前对绿色十字叉丝像有直观的认识。

3.2 重点强调粗调的重要性

调整望远镜光轴与分光计中心转轴垂直是整个分光计调节中最为关键的一步，也是学生感觉最困难的地方。一般将这部分的调节分为粗调和细调两大环节。教材对于“粗调”只是有所提及并没有具体的阐述，学生在做实验时往往急于求成而忽略粗调这一环节而直接进入细调。其实不然，粗调在某种程度上比细调更重要，它是细调成功的保证。因此，授课教师应事先强调粗调的重要性，鼓励学生认真细致地完成粗调，以确保细调的顺利开展。

解决方法是：首先，从侧面在相同的水平高度观察望远镜镜筒，通过调节望远镜下方的高低调节螺丝将其调至大致的水平状态。其次，转动游标盘带动载物平台一起转动，通过调节载物平台下方的三个螺钉将平台顶起相同的高度，可通过平台下三个螺钉的长度进行判断，一般将高度调至3～5个螺距为宜，这样也能确保三个螺钉处于既可上调也可下调的可调状态。从侧面反复转动载物平台进行观察并微调三个螺钉，直至其高度均匀，此时载物平台大致水平。必要时也可借助水准仪来进行水平调节。只有在望远镜、载物平台和分光计光轴大致垂直的情况下，反射十字叉丝像才会出现在望远镜有限的视场范围内，才可以开展下一步的细调。

3.3 准确放置光学元件

细调需要借助一平面镜或者三棱镜。平面镜或三棱镜在载物平台上的放置也是授课教师必须提醒学生注意的关键点。通常教材要求与载物台螺钉间的连线垂直或平行放置。但是载物台上只有三个螺钉与中心的连线，粗略的判断往往给细调带来一定的影响。教学中可以通过添加ab、bc、ac三条辅助线的方法来较精确地确定光学元件的位置(见图2)。比如在调节望远镜光轴与分光计中心轴线垂直时，首先将载物平台上的三根刻度线与下方的三个螺钉分别对齐，然后将平面镜如图2a所示置于载物平台上，使平面镜平面垂直平分ac连线。这样放置的好处是平面镜法线方向的改变只需要通过调节与之垂直的螺钉(a或c)来实现，而螺钉b则不需要调节，做到分工明确，减少相互之间的影响，提高调节效率。

3.4 望远镜与分光计中心转轴垂直的快速调节

经过粗调，望远镜和载物台一般均能达到大致的水平状态，此时如果两个反射面的十字叉丝像都能找到，这是一种最理想的情况，说明前面的粗调很到位。可以直接用 “二分之一法”进行调节。但在教学中发现，出现更多的是只能找到一个反射像的情况。能否快速找到另一个反射像成为关键的一步，教学中发现这是出现问题最多、也是耗时最长的一步。

解决方法是：使望远镜镜筒正对有反射像的一面，调节望远镜高低调节螺钉将反射像调至视场的最上方(要确保此反射像依然能看到)，然后将载物台转动180°，在另外一个光学反射面寻找反射像；如果仍然找不到十字反射像，则再转回第一个反射面将十字像调至视场最下方，再转至第二个反射面寻找反射像。一般而言通过这种方法都能找到另一反射面的反射叉丝像。这样就能在保证不丢失已有反射像的前提下快速找出另一面的反射像。

4 结语

通过对分光计调整方法和步骤的梳理，将分光计调整的主体内容简化为流程图的形式，对其中的难点进行剖析并提出了有效的应对方法。为了使不同学科专业和不同知识基础的学生都能迅速掌握分光计调整的基本要领和相关光学原理，教师根据流程图并结合实际授课情况可以穿插演示和学生练习。由于大学物理实验中很多光学量的测量都需要使用分光计，可以对照以上的流程将分光计的调整制作成8～10 min的微课。通过生动的情景和图像演示，使学生在课前的预习和自学中了解并大致掌握分光计的调整，从而提高课堂的教学效率，激发学生的学习兴趣。

[1] 张平. 大学物理实验[M]. 南京：南京大学出版社，2006：86-90.

[2] 杨述武.普通物理实验(光学部分)[M]. 北京：高等教育出版社，2007：21-28.

[3] 章韦芳，赵敏，强晓明. 分光计实验教学中的一些难点探究[J].合肥师范学院学报，2014，32(3)：81-82.

[4] 圣宗强，孟影，李成龙. 分光计调整教学方法心得[J]. 大学物理实验，2013，26(4)：60-62.

(责任编辑：沈凤英)

Teaching Method Research on the Adjustment of Spectrometer

WANG Xiaojuan，YANG Qiuying

(College of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China)

The cumbersome regulating steps of spectrometer were arranged into a flowsheet based on its distinguishing features and teaching practice. Many practical and highly efficient solutions were provided according to the difficulties and emphases in the process of experiment teaching. These methods can significantly improve teaching effect and also realize fast and accurate adjustment of spectrometer.

spectrometer；telescope；teaching method

O435.1

A

1008-5475(2017)01-0079-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.01.017

2016-08-10；

2016-09-08

王晓娟(1981- )，女，江苏常熟人，实验师，博士，主要从事大学物理实验教学研究。

王晓娟，杨秋英.分光计调整的教学方法研究[J].苏州市职业大学学报，2017，28(1)：79-82.