分光计调整方法和技巧分析*

2017-04-17厦门海洋职业技术学院厦门理工学院曾胜财1甘亮勤2

海峡科学 2017年2期

关键词：正反面平面镜视场

1.厦门海洋职业技术学院 2.厦门理工学院曾胜财1 甘亮勤2

分光计调整方法和技巧分析*

1.厦门海洋职业技术学院 2.厦门理工学院曾胜财1 甘亮勤2

针对分光计调整难度大、耗费时间长等问题，在分析分光计的调节原理和调节难点的基础上，针对通过望远镜目镜能否看到反射的十字叉丝像的三种不同情况，分别探讨了分光计的调节方法和技巧。

分光计自准直法调整技巧

分光计是大学物理实验和光学专业实验中一个重要的实验仪器，它测量精度高，应用广泛，可用来测折射率、波长，量具角度，衍射角等[1-2]。但分光计结构复杂，操作难度大，是大学物理实验教学中的一个难点[3-6]。大多数大学物理实验教材中介绍的调节方法要求粗调得非常到位，才能在望远镜里面见到平面镜正反两面都反射回来十字叉丝。而现实情况往往是，学生只能见到平面镜一面反射回来的十字叉丝，甚至两个面都看不到。怎么快速地调节分光计使平面镜正反面反射回来的十字叉丝都能在望远镜里看到？针对这一问题，已有一些文献提出了不同的解决方案。有文献使用加装辅助装置的办法[7]，这样确实能大大减少调整的难度，但仪器成本提高，且不能达到增加学生操作水平的目的。燕山大学李建设提出可紧贴望远镜筒，在外围看平面镜反射回来的十字叉丝像与望远镜筒的高度关系，然后根据此高度来调节[8]。文献[9]提出了一个“合理假设”，如果望远镜里只能见平面镜一面反射回来的十字叉丝，则另一面反射回来的十字叉丝在视场上方的可能性要远远大于其出现在视场下方的可能性，也能提高调节效率。本文在这些文献研究的基础上，通过分析分光计的调节原理与难点，针对通过望远镜目镜能否看到反射的十字叉丝像的三种不同情况对分光计的调节方法和技巧进行了探讨。

1 分光计的结构及调节原理

分光计主要由望远镜、平行光管、载物平台和读数系统组成。一台处于正常工作状态的分光计需满足以下三个条件：(1)平行光管能够发出平行光；(2)望远镜适合观察平行光；(3)望远镜与平行光管的光轴共轴，且垂直于仪器的中心转轴，载物台面垂直于仪器的中心转轴。分光计调节的核心是调节望远镜主光轴与分光计中心轴垂直，而这两个轴并不是以实物的形式存在，所以调节过程中需借助双面反射镜。

分光计中的望远镜一般采用自准直望远镜，如图1所示。它由物镜、目镜和分划板组成，分别装在三个套筒内，彼此可相对移动，中间的一个套筒里装有一块分划板,其上刻有“╪”字形叉丝，下方与小棱镜的直角面紧贴着，直角面上刻有一个“十”字形透光孔。小灯泡发出的光经小棱镜斜面反射，改变90°从“十”字形透光孔射出。如果分划板位于透镜的焦平面上，经物镜出射后的光就是平行光束,如果前方有一平面反射镜将这束平行光反射回来,再经物镜成像于分划板上，从目镜中可以同时看到十字叉丝及其反射像，且物和像对称分布，这就是用自准直法调节望远镜适于观察平行光的原理。

图1 自准直望远镜结构图

望远镜光路如图2所示，将平面镜垂直放在载物台上，如果望远镜光轴与载物台面和分光计中心转轴垂直且平面镜法线、望远镜光轴均与水平线重合，十字叉丝发出的光经过平面镜反射进入望远镜后，其反射像出现在十字叉丝的对称位置上，即与“╪”叉丝的上交点重合。平面镜旋转180°后，像的位置不变，这正是望远镜调整好时的状态；反之，如果平面镜法线、望远镜光轴与水平线不重合，当平面镜旋转180°时，两像的位置肯定不同。因此，可以根据通过平面镜旋转180°后，十字叉丝反射像的位置是否变化来判断望远镜光轴是否和分光计中心转轴垂直。

图2 分光计望远镜光路图

2 分光计调节的步骤与技巧

分光计结构复杂，需要的调节螺钉有很多个，有些是止动螺钉，有些是高低调节螺钉，有些则是水平调节螺钉，分别控制不同的构件。调节的步骤繁琐且需要一定的耐心和技巧，给初学者带来很多困难。分光计调节的难点在于通过望远镜找到镜子正反面反射回来的十字叉丝像。本文结合笔者多年的教学经验，根据分光计的调节步骤介绍一些调节技巧。分光计的调节分为粗调和细调，粗调是细调的基础，可以缩短调节时间。

2.1 平面镜放置

将平面镜放置在载物台上，且镜面通过中心转动轴，有两种放置方法（如图3所示），在(a)放置法中，可以通过调节A、B两个螺丝来调节载物台的俯仰。(b)放置法中，可通过调节C螺丝来调节载物台的俯仰。两种放置法各有优缺点，(a)放置法当载物台转至B点正对望远镜时，调节螺丝A，反之，调节螺丝B，调节比较顺手，但操作灵活性大，需要多次反复调节；(b)放置法无论载物台转至平面镜的正面还是反面正对望远镜，都只需调节螺丝C，调节简便，情况变化单一，但对正反两面镜子反射回来的像操作结果相反，不容易控制。本文将以(b)放置法为例介绍一些调整技巧。

图3 平面镜的两种放置图

2.2 粗调

粗调时按照以下三个步骤进行。

(1)目测调整望远镜和平行光管的仰角调整螺钉，使望远镜和平行光管尽可能保持水平。同时还应调节望远镜和平行光管的水平调节螺钉，使它们的光轴尽可能地在一条直线上。

(2)调整载物台台基升降螺钉,根据待测物件将载物台调整到合适的高度,以便从平行光管发出的平行光能对准待测物件中间部位。

(3)将载物台尽可能调水平，通过调节载物台下面的三个调平螺钉来调整载物台水平。有的文献通过调整载物台下面的三个螺钉来调整载物台水平,但笔者认为这种方法没有参考物,调整起来有一定的困难,特别是对于初次调节的学生,更难把握。最简单的方法是旋松载物台下面的三个调整螺钉，使载物台紧贴台基，因为载物台台基面在出厂时基本上是与仪器中心转轴垂直的。

经过粗调，在载物台放上双面反射平面镜后，大多数情况下可以有一面能看到反射的十字叉丝像，有些甚至两面都能看到反射的十字叉丝像，但也有个别情况两面反射的十字叉丝像都看不到。

2.3 细调

分光计经过粗调之后，首先调节望远镜的目镜，通过旋转目镜调节手轮，调整目镜与分划板的相对位置，使十字透光窗和分划板上的刻线叉丝变清晰；其次是调节物镜，其目的是将分划板上刻线叉丝调整到物镜的焦平面上，也就是望远镜对无穷远聚焦。既然望远镜已调焦到无穷远，那么就能观察平行光了。通过望远镜目镜观察反射的十字叉丝像无非是以下三种情况：（1）正反面都没有反射的十字叉丝像；（2）正反面只有一面有反射的十字叉丝像；（3）正反面两面都有反射的十字叉丝像。这三种情况可以由正反面都没有反射的十字叉丝像开始讨论，并逐次推进，直到正反两面都有反射十字叉丝像，以下分别论述。

2.3.1 正反面都没有反射的十字叉丝像

如果目测粗调做的比较好，这种情况很少出现。如果出现这种情况，有两种调节方法，一种方法是调整望远镜倾斜螺丝，将望远镜对准平面镜，由于反射回的十字叉丝像不是在视场之外的偏上方就是在视场之外的偏下方，逆时针或顺时针调整望远镜下方的倾斜螺丝，使十字叉丝像朝下移动或朝上移动，总能使十字叉丝像进入视场之内；另一种方法是调整载物台倾斜螺丝，首先将平面镜向前或向后倾斜，并从望远镜内观测十字叉丝像，如果发现十字叉丝像在平面镜向前倾斜时会在视场内出现，则仅需升高载物台螺丝C即可使十字叉丝像在视场内出现，如果发现十字叉丝像在平面镜向后倾斜时会在视场内出现，则仅需降低载物台螺丝C即可使十字叉丝像在视场内出现。

2.3.2 正反面只有一面有反射的十字叉丝像

经过上述情况的调节，总能使正反面中的一面出现十字叉丝像。此时的任务是找到没有十字叉丝像的那一面，十字叉丝到底是在视场之外的偏上方还是在视场之外的偏下方，如果正面有十字叉丝像，并且十字叉丝像在视场的偏上方位置，转动到反面没有十字叉丝像。在没有十字叉丝像的反面，通过向前或向后倾斜平面镜，同时通过望远镜观测十字叉丝像，如果十字叉丝像从视场的偏上方闪现，则说明十字叉丝在视场之外的偏上方。此时将载物台转动180°到正面，考虑到正面的十字叉丝像在视场内的偏上方位置，而且反面的十字叉丝像在视场外偏上方位置，可以通过调节望远镜倾斜螺丝，将正面的十字叉丝向下调整到视场之内偏下方位置，反面十字叉丝也会朝下移动。转动载物台180°观察反面十字叉丝像是否进入视场，如果反面十字叉丝像还没有进入视场，考虑到正面的十字叉丝像已移至视场内偏下方位置，而且反面的十字叉丝像还在视场外偏上方位置，根据仅仅调节载物台倾斜螺丝C时正反面十字叉丝像将向相反方向移动，应将载物台转动180°到正面，并调节载物台的螺丝C，将正面的十字叉丝像从视场之内的偏下方移动到视场之内的偏上方，反面的十字叉丝像会再一次朝下移动，转动载物台180°观察反面十字叉丝像是否进入视场之内。如果还没有进入视场，可再一次调节望远镜的倾斜螺丝将正面十字叉丝像朝下移动，如此反复调节望远镜和载物台的倾斜螺丝，直至反面的十字叉丝像进入视场之内。

2.3.3 正反面两面都有反射的十字叉丝像

当平面镜正反面反射回来的十字叉丝像都能通过望远镜目镜看到，但是不与分划板的上交点重合，则两面反射回来的十字叉丝像不是图4中的情形(a)就是情形(b)，即正反面的反射的十字叉丝像要么一个在分划板的上交点的上面，一个在下面，要么两个都在分划板的上交点的上面或都在下面。对于情形(a)，只需要调节载物台的螺丝C，这时，对平面镜正面反射回来的十字叉丝，此调节使像向上运动，对而于反面反射回来的十字叉丝来说，此调节使它向下运动，反复调节几次，最后正反面的十字叉丝像都与分划板的上交点重合为止。对于情形(b1)或(b2)，只需要调节望远镜的俯仰螺丝，使平面镜正反面反射回来的像同时向上或者向下移动，最后正反面的十字叉丝像都与分划板的上交点重合。如果不考虑平行光管的调节，至此分光计即已调节好。