分光计实验粗调要求的定量研究

付云飞

分光计实验粗调要求的定量研究

付云飞

（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）

分光计的调节与使用是大学物理实验课程中的重点和难点．为了提升实验教学的效果，同时也针对学生在分光计的调节和使用实验中反映的问题，在课堂中采用了粗调与细调并重的两段式教学模式，试图将学生的主要问题暴露出来．经过教学实践，发现学生遇到的困难主要集中在细调阶段，而出现问题的根源在于粗调．通过解析实验光路，发现问题主要出现在外光路，LED小灯发出的光从物镜出射之后，经平面镜反射并未回到望远镜，而是超出了望远镜上下边缘．通过计算，发现在2种极限情况下分光计的载物台倾角分别为3.004°和11.343°，在人眼可识别的范围内，可以通过旋转载物台的方法对载物台水平方向进行细致的粗调，有效降低细调难度．

分光计；载物台；粗调；大学物理实验

分光计的调节和使用是大学物理实验中的重难点之一．以分光计为实验平台可以开展多个实验项目，如三棱镜顶角及折射率的测定（自准直法和分束法）、测量光栅常数等[1-2]．通过分光计实验的理论学习与实际操作，学生不仅掌握了物理知识，同时还培养了物理思想，提高了动手和独立思考的能力[3]．

分光计实验的难点就在实验仪器的调节和校准．为了应对学生在这方面的畏难心理，在教学实践过程中，进行先粗调后细调的分段式教学，可以显著提高课程讲授的效率，并且学生对于本实验的接受度也显著提高．通过强调“精细”粗调的重要性，可以显著改善学生的调节体验，大幅减少细调过程中旋转180°的次数．但是，粗调究竟如何进行才能减少细调过程中繁复的操作，本文从望远镜以外的光路出发，通过建模来定量讨论目视粗调分光计是否能达到预想的效果．

1 粗调对于分光计调节的辅助作用

学生在使用分光计进行各种光学参数的测量前，必须要掌握的基本操作就是分光计的光路调整．但对于从未使用过分光计的学生来说，在2学时内快速、准确地进行光路调整，并测量三棱镜顶角存在一定难度．分光计调节的要求是“三垂直”，即待测光路平面、观察平面和测量平面，3个面相互平行且垂直于主轴．而在实际教学中，平行光管已经事先调节完成，并不允许学生自行调节．因此，实际调节目标简化为，调节载物台和望远镜光轴平行并垂直于分光计主轴[4]．目标的简化并不能解决学生的困境，原因为：分光计可调的螺丝数量多达十几个，不同的步骤需要松开和固定不同的螺丝，操作相对繁复信息量大；粗调要求不明确，方法也不具体[5-7]；实验光路较为抽象，望远镜光轴是一个假想的概念，实际上并不存在[8]，反射镜正反面反光十字像的位置与载物台和望远镜光轴平行度之间的关系不直观[9]．

为了应对这些困难，将分光计的调节按精度要求分成粗调和细调2段进行讲授，减少信息量提升接受度．对于粗调，通常的要求为目测望远镜筒和载物台的水平，调节载物台的3颗螺钉以及望远镜光轴的垂直调节螺钉，使得通过平面镜的正背两面反射回来的亮“十”字都在望远镜的视野内．通过教学实践，将粗调的内容具体化，即所提到的“精细”粗调．调节过程中不满足于对于载物台的静态观察，也不急于旋转载物台确认正反两面的反射像是否都在望远镜视野内．而是在观察的同时，通过转动游标盘来带动载物台旋转，仔细观察载物台的起伏情况．选定载物台下方1~2颗螺丝进行调节，使载物台即使在旋转过程中也目视水平．通过课堂教学的实践过程，发现经过“精细”的粗调，细调过程中将不会出现旋转180°后无法在视野内观察到绿色十字的情况，同时可以显著减少细调过程中载物台旋转的次数．

结合粗调的要求，对2种极限情况进行简单的定量分析．

2 定量分析

经过粗调之后的载物台在细调过程中超出望远镜视场与否，是验证粗调是否有效的依据．因此，尝试使用定量分析的方式，通过考虑2种极限情况，来确定精细粗调的意义．

在分析过程中，平面镜、载物台与望远镜的位置关系见图1．对光路做了2个处理：（1）仅考虑望远镜外部光路，即LED发出的光通过望远镜物镜出射之后，经平面镜反射回到物镜为止，而不考虑在望远镜光学系统内部的光路．（2）认为望远镜已经调到目视水平，这样影响光路的因素只有载物台倾角．实际上，由于望远镜镜筒长度相对载物台直径来说较大，更容易调节到目视水平．

图1 望远镜与平面镜的位置关系

将分划板等比例放大，并将视场平移到望远镜物镜前端．同时为了进行定量分析，选定JJY型分光计的参数进行研究，主要参数见表1，分划板视场示意图及参数见图2．

表1 分光计重要参数

图2 分划板视场参数

图3 绿色十字中心恰好反射到望远镜物镜上缘和下缘的光路

将式（1）（3）的角度关系带入式（2）得

几何关系为

带入角度关系

3 结语

对于分光计调节这一重要基础实验的难点，认真收集学生的意见，改进教学方式．通过教学实践，发现旋转载物台进行目视调节，经过目视进行精细的粗调是可行的和有效的，显著提高了“分光计调节与三棱镜顶角测量”实验的课堂效率．

[1] 吴铁山，李道银．大学物理实验[M]．武汉：湖北科学技术出版社，2014：149-156，166-170

[2] 袁焕丽．分光计测量折射率的探讨[J]．基础及前沿，2005（6）：24-25

[3] 陈美霞，张霆，刘成岳．分光计实验中不容忽视的几个细节[J]．物理通报，2018（10）：103-106

[4] 徐国旺，江铭波，江涛．分光计调整中的推理过程[J]．高师理科学刊，2018，38（10）：33-35

[5] 王小怀．分光计调节和使用中的困难和解决措施[J]．实验室研究与探索，2007，26（2）：35-37

[6] 鲍军委，张广斌．分光计快速调节的三部逼近法即理论分析[J]．大学物理实验，2017，30（4）：54-57

[7] 彭雪城．分光计的分步调节[J]．大学物理实验，2017，30（4）：78-80

[8] 刘玉华．浅谈分光计调整的教学研究[J]．新智慧，2018（8）：15-16

[9] 唐笑，周贤菊，相国涛，等．图解分光计的光路调整[J]．大学物理实验，2018，31（6）：35-38

[10] 郁道银，谈恒英．工程光学[M]．2版．北京：机械工业出版社，2006：130-135

Ａquantitative discussion of the rough regulation of spectrometer

FU Yunfei

（School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，China）

The adjustment and use of the spectrometer is the focus and difficulty of the university physics experiment course．In order to improve the effectiveness of the experimental teaching，it also addresses the problems that students reflect in the adjustment and use of the spectrometer．In the classroom，adopted a two-stage teaching mode with both coarse and fine adjustments，trying to expose the main problems of students．After teaching practice，it is found that the difficulties encountered by students are mainly concentrated in the fine-tuning stage，and the root of the problem，it is a rough adjustment．By analyzing the experimental light path，it is found that the problem mainly occurred in the external light path．After the light emitted by the LED small light emerged from the objective lens， it was reflected by the plane mirror and did not return to the telescope，but exceeded the upper and lower edges of the telescope．Through calculation，it is found that the tilt angle of the stage of the spectrometer can be 3.004°and 11.343°respectively under two extreme conditions．In the range identifiable by the human eye，the horizontal direction of the stage can be performed by rotating the stage．Coarse adjustments to prepare for subsequent fine-tuning work．

spectrometer；object stage；rough adjustment；college physics experiment

1007-9831（2020）07-0086-04

O43∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.021

2020-04-09

付云飞（1989-），男，湖北武汉人，实验员，硕士，从事光电材料，大学物理实验研究．E-mail：yffu89@jhun.edu.cn