用光路分析實(shí)現(xiàn)分光計(jì)的快速調(diào)節(jié)

王仁洲

（南京郵電大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210023）

分光計(jì)[1]的調(diào)節(jié)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生最難以掌握的實(shí)驗(yàn)之一。針對(duì)分光計(jì)調(diào)節(jié)的困難，作者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，與其它一些研究者提出的教學(xué)方法[2-7]不同，采用光路分析的方法，讓學(xué)生理解分光計(jì)中的成像過(guò)程從而掌握分光計(jì)調(diào)節(jié)中的技巧，收到了非常好的教學(xué)效果。

1 光路分析及調(diào)節(jié)技巧

分光計(jì)調(diào)節(jié)的要求：望遠(yuǎn)鏡的光軸，載物臺(tái)平面和平行光管的光軸都垂直于儀器的轉(zhuǎn)軸；而其中的一個(gè)難點(diǎn)是：將望遠(yuǎn)鏡的光軸與雙面鏡平面調(diào)垂直。根據(jù)自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)造，我們用一個(gè)凸透鏡代表望遠(yuǎn)鏡中物鏡，凸透鏡的主軸即望遠(yuǎn)鏡的光軸，用一個(gè)點(diǎn)表示位于透鏡的焦平面上的“十”字光源，對(duì)分光計(jì)調(diào)節(jié)過(guò)程中，可能出現(xiàn)的三種情況進(jìn)行分析：

1.1 雙面鏡平面與望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直

圖1 雙面鏡平面與望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直

從凸透鏡的焦平面上的點(diǎn)S畫(huà)兩條光線，光經(jīng)過(guò)透鏡后變成平行光射出[8]，該平行光經(jīng)雙面鏡的B平面反射后再經(jīng)透鏡會(huì)聚在焦平面上的S'點(diǎn)，此時(shí)物像恰好關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng)如圖1（a）所示，所以人從目鏡中觀察到此時(shí)“十”字光源的像與分劃板的上刻度線恰好重合。按分光計(jì)的調(diào)節(jié)步驟，將載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，光線的傳播方向都不變，所以A平面反射回來(lái)的“十”字光源的像也與分劃板上刻度線重合，如圖1（b）所示。

1.2 雙面鏡平面豎直，望遠(yuǎn)鏡的光軸和水平方向有一個(gè)夾角

圖2 望遠(yuǎn)鏡的光軸和水平方向有一個(gè)夾角

同上，S發(fā)出的光仍然會(huì)聚在焦平面上，但物S與像S'不再關(guān)于凸透鏡的主軸對(duì)稱(chēng)，如圖2（a）所示。此時(shí)，人從目鏡中觀察到“十”字光源的像在分劃板上刻度線的上方；將載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，圖中光線的傳播方向也不變，A平面反射回來(lái)的“十”字光源的像與B面反射的像位置相同，如圖2（b）所示。若望遠(yuǎn)鏡的光軸和水平方向的夾角變化時(shí)，經(jīng)雙面鏡反射后的兩個(gè)“十”字光源像的位置將會(huì)同向移動(dòng)。分光計(jì)的調(diào)節(jié)過(guò)程中遇到這種情況，我們只需調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘，將其中一個(gè)“十”字光源像的位置移動(dòng)到與分劃板上刻度線重合的位置，另一面的“十”字光源像的位置自然也與分劃板上刻度線重合。

1.3 望遠(yuǎn)鏡的光軸水平，雙面鏡平面與豎直方向有一個(gè)夾角

圖3 雙面鏡平面與豎直方向有一個(gè)夾角

如圖3（a）所示，S發(fā)出的光經(jīng)透鏡和雙面鏡反射，在焦平面上形成像S'，此時(shí)像在分劃板上刻度線的上方。將載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，這時(shí)A面反射鏡反射回來(lái)的“十”字像應(yīng)在分劃板上刻度線的下方，并且A面與B面反射像位置關(guān)于上刻度線對(duì)稱(chēng)，如圖3（b）所示。當(dāng)載物平臺(tái)平面的轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角變化時(shí)，兩面的“十”字像將會(huì)相向移動(dòng)。分光計(jì)的調(diào)節(jié)過(guò)程中看到該情況，我們只要調(diào)節(jié)載物平臺(tái)下的調(diào)平螺釘，使兩面的“十”字像相向移動(dòng)到分劃板上刻度線上。

實(shí)際在分光計(jì)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，我們遇到是望遠(yuǎn)鏡的光軸不水平，雙面鏡平面又與豎直方向有夾角的情況：即從目鏡中觀察到，經(jīng)A B兩面反射得到的“十”字像位置既不相同也不關(guān)于上刻度線對(duì)稱(chēng)。這時(shí)，我們先用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)載物平臺(tái)下的調(diào)平螺釘，使兩個(gè)“十”字像相向移動(dòng)到同一水平線上，再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘，將“十”字光源像的位置移動(dòng)到與分劃板上刻度線重合的位置，即可將望遠(yuǎn)鏡的光軸與雙面鏡平面調(diào)垂直。

2 結(jié)論

分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容。本文分析了望遠(yuǎn)鏡的光軸與雙面鏡平面之間在不同情況下，“十”字光源的光成像在分劃板上的位置特點(diǎn)以及調(diào)節(jié)方法，有助于學(xué)生掌握分光計(jì)快速調(diào)節(jié)的技巧，大幅提高的課堂效率。

［1］李三龍.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].高等教育出版社，2012，2：128-131.

［2］王小懷.分光計(jì)調(diào)節(jié)和使用中的困難及解決措施[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007,26（2）：35-37.

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［4］葛松華，唐亞明.分光計(jì)的一種簡(jiǎn)單調(diào)整方法[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2006,4（6）：62-63.

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［6］朱志立，郭娟，莫炯.分光計(jì)調(diào)整和使用的難點(diǎn)及解決方法[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（1）：84-87.

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