分光计实验教学改进之双侧像的调整

□刘植凤

分光计实验是《大学物理实验》的重要实验之一，因其仪表精密度高，操作技巧性强，而成为各高校大学物理实验的必开项目。分光计作为大学物理实验中典型的光学仪器，在物理实验中既能够培养学生的基本实验技能，又能培养学生应用理论知识解决实际问题的能力[1]。做好这个实验对于提升学生的动手能力，训练严密的逻辑思维能力都很有裨益。然而，分光计的实验操作需要进行光路调整，光路我们不能肉眼可见，这就导致很多学生在操作过程中没有直观标准可供参照，加之学生没有仪器操作经验，因此仪器调整往往反复操作，反复失败，既影响了课堂教学效果，又打击学生参与物理实验的信心和兴趣。为提升实验效率，2020年，张庆月[2]等人提出了用智能手机协助调节载物台水平的理论，落实了载物台平面水平调试的直观性；同年，付云飞[3]则以数学计算的方式，给出了望远镜视野能捕捉到绿“十”字时，允许载物台偏转的最大角度。这些方法均有助于提升载物台调平效果。以此为基础，针对双侧像调整难点，本文将重新设计分光计的初调步骤，提出通过仰角螺钉调节绿“十”字像至视野两端，将单侧像调至双侧像的方法。本文理论对于学生掌握分光计调节步骤难点，提升实验速度，增强实验兴趣有一定作用。

一、分光计实验步骤的重难点分析

按照以往的实验教材，分光计实验的第一步是目测粗调，需要借助眼睛粗略估算，调节望远镜光轴、平行光管、载物台，使其均处于水平状态。粗调步骤是细调的前提，也是整个光路调整难易、成败的关键。然而在整个调整过程中，我们没有直观的量化标准作比对，无论是望远镜主轴、平行光管，还是载物台的水平，均需借助视觉经验粗略估算，这就导致不同同学粗调完成的效果差异很大。有些同学粗调完成，在望远镜视野中还是找不到绿色“+”字光标，或只能找到双面反射镜一侧反射的绿色“+”字光标，其主要原因是分光计粗调没有调好[4]。然而由于粗调过程需要借助目测水平和调节经验，作为初次接触设备的学生，粗调略有误差相当普遍。如何精准调整光路，使望远镜目镜视野中，能分别捕捉到双面镜两侧反射的绿像、进而通过“各半调解法”调至望远镜、平行光管主光轴和载物台法线垂直，是本实验操作过程的重点、难点。

二、分光计实验难点步骤的改进

针对以往课堂出现的问题，对分光计实验重、难点步骤进行了调整和改进。

(一)不同于以往先进行目测粗调，把望远镜聚焦无穷远提到第一步。先做目镜、物镜的调整，调节目镜旋钮使视野中叉丝清晰，调节物镜旋钮使视野中绿“十”字像清晰。调整物镜时手持双面镜贴附在望远镜镜头前端反射绿“十”字光标，用以辅助物镜焦距调节。以往的调节方式是粗调后把反射镜置于载物台上观察“十”字像，如果粗调不到位的话，视野中很可能根本看不到绿“十”字，这就需要目测粗调和物镜焦距反复调节，增加了学生操作的混乱程度。为避免这种现象，首先调整望远镜聚焦无穷远。

(二)粗调载物台水平。载物台是个平面，如果没有具体参照物，平面的水平对我们来说，主观判断上确实存在困难，为此本文提供两种较直观参考方式进行调整。一是为水平仪法。将水平仪(或者学生手机上的水平仪)置于载物台上，通过调节台面下正交分布的三个螺钉，使水平仪中间的气泡居中，则表明载物台平面水平。二是上下台面对比法。载物台的台面分黑色台面和灰色台面两层，中间以正交分布的三颗螺钉(A、B、C)支撑分离。调整时可以观察两台面之间的螺钉间距(螺纹数)，间距几近相等，则表示黑、灰面近乎平行水平。对两面间隔的衡量属于线性对比，相较于平面的水平而言更易把握。

(三)寻找绿“十”字像。在基本保证载物台水平的情况下，理论上只要调整望远镜主光轴角度，使主光轴垂直于镜面，一定能在视野中出现绿“十”字。为此，只需将双面镜置于载物台上(双面镜压住螺钉C，望远镜筒与另两个螺钉A、B连线平行[5]，同时确保双面镜镜面与AB连线垂直)，循序调整望远镜仰角螺钉，在视野中搜寻绿“十”字像。搜寻期间，由于不能保证望远镜筒与AB连线严格平行，可适当微转载物台，调整双面镜方位协助捕捉绿“十”字。这个过程中，由于望远镜物距的改变，视野中绿“十”字会略显模糊，缓调物镜旋钮，使绿“十”字清晰即可。粗调过程结束。

(四)单侧像调成双侧像。本科学生大多第一次接触分光计，难免在粗调过程中有这样那样的疏漏，其中最常见的结果就是只有单侧像，即平面镜翻转180°之后，看不到反射的绿“十”字。从单侧像调出双侧像的过程是学生操作的难点。很多同学会返回最初的粗调、望远镜聚焦，甚至开始杂乱无章地尝试扭动所有旋钮，这对实验毫无裨益，还耽误了大量时间。本文给出的解决方案是借助望远镜仰角螺钉调整法。

按照光学原理，置于载物台上的双面镜与载物台垂直，因此双面镜两侧对光线的反射应该是一个镜子两边对称反射的关系。如果出现了单侧像，一定是无像侧平面镜反射光线偏离了目镜接收范围。出现这种现象，要么望远镜主光轴偏离水平严重，要么载物台某侧倾角明显，或两者都偏差轻微但兼而有之(后者居多)。前两种情况很容易目测纠正，后者则需要一定技巧。现有教材在这种情况下要求学生返回粗调步骤，重新第一步操作。出现这种失误的同学，对直线水平和平面水平的判断本就失准，再次重复调节只能增加他们的心理紧张和挫败感。对此，本着尽可能量化参照物的原则，现给定如下解决方案：旋转载物台到平面镜可见像一侧，调节望远镜仰角螺钉，使目镜中的绿“十”字到达望远镜圆形视野的最上方，转动载物台180°，观察双面镜另一侧反射的绿“十”字能否出现，出现则成为双面有像的情况；否则转180°返回有像一侧，继续调整望远镜仰角螺钉，使顶端的像下落到视野最底端(视野中方形亮斑的左下角或右下角)，然后转动载物台180°，则双面镜另一侧反射的绿“十”字像必定出现。

这种调节方式的基本原理，是先调节望远镜主光轴的角度，用视野去适应平面镜反射的光线范围，进而先保证能看到平面镜两面反射的双侧像。而从找到双侧像到望远镜主光轴和载物台法线垂直的步骤，只需按照“各半调解法”，先反复调整A、B螺钉使双侧像等高，再调节仰角螺钉使等高像居于第一叉丝；平面镜转90°，调节C螺钉使像居于上叉丝即可。这些步骤在各类高校教材上都有详尽有效的描述，这里不再赘述[5]。

三、双侧像调整步骤

图1 双侧像调整步骤框架图

图1给出了分光计光路调整中，从目测粗调到观察到平面镜两侧反射绿“十”字像的全新流程图。新的调整步骤从望远镜聚焦开始，先调整载物台台面水平，然后提出借助望远镜仰角螺钉，通过调节单侧像到望远镜目镜视野的两端，进而获得双侧像的技巧。而从双侧像到分光计实验最终要求的望远镜主光轴和载物台法线的垂直，则一如诸多大学物理实验教材所述，使用“各半调解法”。“各半调解法”操作步骤精准详尽，与各高校《大学物理实验》教材所述一致，流程图中没有显示。

四、学生实验课堂反馈

经过一学期的教学实践，对比了两种操作步骤对分光计实验教学的影响。按照教学设计，首先分别对八个专业的学生随机分组，相同专业每班的学生分为两组，按照相同理论讲解和不同的实验操作步骤分别授课，并在后期针对各班学生实验过程，分别归纳了学生的实验完成速度、图像清晰度、以及学生对实验难易程度的描述。经总结发现，新的调节方式可以有效杜绝学生因为找不到反射绿“十”字像或者找不到双侧反射像而出现低效率的返工操作，因此在完成时间上具有更大的优势，相较于对照组大批的学生拖堂延时，实验组绝大多数同学都能在课上及时完成实验；因改进后的操作步骤具有更直观的参照标准，实验组调出的图像效果也更清晰。与对照组相比，实验组的同学对实验认可度高，也没有那么强烈的畏惧心理。

五、结语

分光计实验由于调节步骤中光路的不可见性，仪器调整具有一定难度。本文针对实验操作难点，即目测粗调到双侧绿“十”字像出现的调整过程，重新设计了实验步骤，借助调整仰角螺钉将单侧像调至视野两端的技巧，给出了双侧像更直观有效的调整方式。通过一学期的教学实践，发现本文的方法能有效提高学生操作速度和精度，有助于提高学生课堂完成实验的效率，激发学生对物理实验的兴趣。