分光計調節方法的優化

王文蓮

(大同大學大同師范分校 物理學院,山西 大同 037039)

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分光計調節方法的優化

王文蓮

(大同大學大同師范分校 物理學院,山西 大同 037039)

摘要：對分光計的常規調節方法進行了細致的分析和探討，并對分光計的常規調節方法做出了調整，如調節順序更加明確，粗調的操作要求有所降低，或者儀器(三棱鏡)的放置更加規范等，從而縮短調節分光計所用的時間.

關鍵詞：分光計；粗調；細調；“十”字叉絲像

分光計可用來精確測量角度，是常用的儀器.但使用分光計的要求比較高再加上分光計的結構比較復雜，所以對于初學者來說，要在有限的時間內將此光學儀器調整好是很困難的，根本就無法完成接下來的任務，即對某物質的角進行測量.所以目前我們需要關注的問題是如何化解分光計調節和使用的難度，從而高效率、快速的調整好分光計[1-2].

1分光計的結構

分光計的結構如圖1所示.

圖1　分光計的結構

2分光計的原理

讓光線通過狹縫和聚焦透鏡形成一束平行光線，經過反射或折射后進入望遠鏡物鏡并成像在望遠鏡的焦平面上，通過目鏡進行觀察和測量各種光線的偏轉角度，從而得到光學參量等.

3分光計的常規的調節方法

3.1　粗調

(1) 在正式調整該儀器之前，第一步是通過目測的方式粗調：使望遠鏡與平行光管成一條直線，且這條直線平行于載物臺，最后通過調整使得這條直線與軸成90°.直到平面鏡的兩個面反射回來的“十”字叉絲像呈現在望遠鏡的目鏡視場中，粗調才結束.粗調這一步特別重要，將會對接下來的細調產生影響，粗調一定要做好，否則細調就很難進行.

3.2　細調

3.2.1調整望遠鏡

(1)用自準法調節望遠鏡，使望遠鏡能夠接收平行光：點亮望遠鏡下側的照明小燈泡，通過小三棱鏡的作用將叉絲照亮，調整目鏡使得叉絲恰好處于目鏡焦平面上，此時，能夠很清楚的看到叉絲.然后將雙面鏡置于如圖2所示的位置，調節載物臺、分劃板、物鏡.在目鏡視場中有模糊的像出現(如果找不到像，重調).尋找到像之后調整分劃板的位置，視場中的像慢慢變成清晰的綠色亮“十”字叉絲像.當使分劃板的中點恰好移到物鏡的焦點處時，在目鏡的視場中又發現叉絲像，且這個叉絲像與之前觀察到的綠色叉絲像無視差.同樣的，目鏡套筒、物鏡套筒、叉絲套筒之間的相對位置不用再改變(需要補充的是，在調節望遠鏡的過程中叉絲套筒在移動的同時還應做適當的轉動，使得豎直叉絲與分光計中心軸相互平行).

圖2　平面鏡在載物臺上的放法

(2)使望遠鏡鏡筒與分光計光軸成90°[3]：調整好望遠鏡后，該儀器視場中同時出現兩個無差別的叉絲像.但一般情況下，綠色小亮“十”字叉絲像并不位于如下圖3所示的aa′線上.以下是可能的原因：望遠鏡鏡筒與中心軸不成90°，或者是平面鏡鏡面不平行于中心軸，又或者是兩個原因都存在.為了解決以上遇到的問題，進行如下的調整方法：首先驗證雙面鏡兩個平面分別與望遠鏡正對時，都在目鏡視場中看到叉絲像(如果在視場中找不到叉絲像或者只找到一個叉絲像，就說明第一步的粗調工作沒有做好，需要重新調整).然后調節望遠鏡光軸與水平面所成的角度，使得綠色小亮“十”字叉絲像不斷靠近aa′線，接著通過調節載物臺下面的三個螺絲，使得以上兩個叉絲像完全重合.同理，調整載物臺使平面鏡的反面與望遠鏡正對，最后依然是兩個叉絲像完全重合.以上兩步都做好后說明望遠鏡光軸就垂直于中心軸了.

圖3　成像原理

3.2.2調整平行光管

(1)通過調整使得平行光管射出平行光：調節平行光管之前，先將反射平面鏡從載物臺上取下來，再點亮汞燈使其光線正照在狹縫上.然后在調節狹縫與透鏡相對距離的同時，用調整好的望遠鏡對準平行光管進行觀察.當分劃板中點與透鏡焦點重合的時候，就出現了平行光.之后，在望遠鏡視場中看到有像出現.此時，在望遠鏡視場中能發現清晰的與叉絲無視差的叉絲像.

(2)使平行光管光軸與分光計的中心軸成90°[4]：調節狹縫寬度的手輪，使得狹縫有一個恰當的寬度.再通過調整狹縫使得狹縫像與水平叉絲成90°，然后調節平行光管上的螺釘，把狹縫像為該位置十字叉絲的放大或縮小像.此時，平行光管和望遠鏡光軸成一條直線且都與分光計中心軸成90°.

4對分光計調整和使用過程中遇到的障礙進行分析

4.1　嚴格調節分光計的螺絲

分光計的的調節螺絲有很多，每個螺絲都有各自的價值[5].有的起固定作用，有的用來調節高低，有的用來調節水平移動.當某螺釘調整好后，一般不再去調動該螺釘.

4.2　使望遠鏡的光軸與中心軸成90°

在調整過程中經常會遇到這個問題，即很難使望遠鏡的光軸與中心軸成90°，這問題嚴重影響了整個實驗的操作[6].根據所查找的文獻以及實驗教材書，筆者了解到分光計的調整方法一般采用各半調整法來進行調節.但是運用上述調節方法有很多的弊端，例如，粗調工作完成后，在視場中沒有出現叉絲像.只能再重新粗調，如果一直是以上情況，那么就一直不能開展細調工作.通過對整個實驗進行分析與探討后發現主要是粗調的問題:1)沒有具體的粗調方法.當看不到平面鏡兩個面反射回來的叉絲像時，就得反復粗調，直到看到為止，就使得學生進入了盲目循環調節的怪圈中.2)粗調的要求太高.僅僅靠目測觀察現象，而沒有具體、有效的粗調方法，是很難完成分光計調整實驗的.

4.3　調整三棱鏡的三個棱與分光鏡中心轉軸平行

在用分光計對三棱鏡頂角進行測量時，很難使三棱鏡的三條棱與望遠鏡光軸成90°[7].以上問題的主要原因有兩個：1)沒有理解清分光計的調節原理，三棱鏡的擺放不對.由于此時已調整好望遠鏡，則望遠鏡光軸已垂直于分光計中心軸.那么接下來只需要調整三棱鏡，通過調節載物臺下的螺釘使得三棱鏡的三條棱與分光計中心轉軸平行.這一步是很關鍵的，若以上工作沒有做好，將無法看到三棱鏡的兩個光學面所反射的叉絲像都重合于分劃板平面的黑十字叉絲.2)看不清反射回來的小“十”字叉絲像.由于實驗室遮光不嚴、有其它光線的影響、三棱鏡兩個光學面的反射率低于平面鏡，使得叉絲像較暗，從而不容易被發現.

5更快調節分光計的方法

為了跨過分光計調節和使用過程中遇到的的障礙，從而使得操作者盡快完成實驗任務，我們需要對分光計的調整方法進行以下的優化.

5.1　調節順序

分光計的有很多不同功能的螺釘，而且它的調節步驟也比較多，因此需要我們理清分光計的調整順序[8].①調整望遠鏡，使平行光射入望遠鏡；②調整望遠鏡光軸垂直于儀器中心軸；③調整平行光管，使其出射出平行光，并使平行光管光軸重合于望遠鏡光軸；

5.2　不苛求粗調，從而快速使望遠鏡鏡筒與分光計自身轉軸成90°

在一些文獻中有提到，加入輔助調節裝置可以跨過分光計調節過程中遇到的障礙[9].但經過不斷的探討后發現，在不對分光計進行改裝的情況下，通過對調節方法進行優化，也會達到以上目標目的[10].具體的調節方法見如下所述：1)用眼睛觀察使得載物臺大致水平，再調整望遠鏡鏡筒與平行光管光軸大致成一條直線，且該直線與載物臺平行，再調節望遠鏡目鏡手輪，直到我們清楚的看到叉絲像.2)在載物臺上加上平面鏡，通過調節使平面鏡的兩面都與以上那條線成90°.同時，調整望遠鏡與載物臺，關注像的出現.若沒有像，但望遠鏡已不平行于水平面，那么逆向做剛剛對螺絲的調節.像即刻就會出現，繼續調節使像重合于叉絲的上交點(如圖a所示).此時，望遠鏡光軸與雙面鏡的一面成90°.3)讓雙面鏡的另一面正朝著望遠鏡，繼續調節望遠鏡.同時進行以下兩個工作：首先，記錄螺釘被擰過的圈數；其次，調整載物臺，之后還是關注像的出現.假如知道螺釘被擰了n圈，且望遠鏡光軸也明顯不水平，卻還是沒有像的出現，那就再反向擰螺釘m+n圈，必然會有像出現.繼續調節，直到使像重合于叉絲的上交點(如圖b所示).此時，望遠鏡光軸與雙面鏡的另一面成90°.3)繼續反向調節以上螺釘，同時調節載物臺下面的三個螺釘，直到通過目鏡發現像，記錄螺釘被擰過幾圈.當擰過m圈螺釘，然后通過調節載物臺來調整平面鏡傾角，使得兩個像都能重合于叉絲的上交點(如圖c所示).此時，望遠鏡調整工作結束.

5.3　嚴格放置三棱鏡

將三棱鏡的每個面與載物臺下面的3個螺絲b1b2b3的連線相互平行[11](如圖4所示)，從而使問題簡單化.假設先用望遠鏡正對AB面，調節調節b1或b2螺絲，使像重合于調整叉絲.然后，把望遠鏡正對AC面，調節b3螺絲(不會影響之前做出的調整)，使出現的像與調整叉絲重合[12].

圖4　望遠鏡不同狀態示意圖

圖5　三棱鏡放置示意圖

6結束語

分光計作為物理實驗中如此常見的儀器，需要我們熟練操作.只要了解其結構以及原理，并多次實驗，反復思考，不斷優化調節方法.采取適當的改進措施，我們足以克服調節和使用過程中遇到的困難，從而更加高效率的完成實驗任務.

參考文獻：

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[3]蔣永忠,梁一志.分光計調整方法的改進[J].玉林師范學院學報,2003(4).

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[10] 蔣永忠，梁一志.分光計調整方法的改進[J].玉林師范學院學報：自然科學版，2003，24(4)：65-66.

[11] 曹惠賢.普通物理實驗[M].北京:北京師范大學出版社,2007(8).

[10] 楊述武.普通物理實驗(力學、熱學部分)[M].北京:高等教育出版社,2007(12).

Optimization of the Spectrometer's Adjusting Method

WANG Wen-Lian

(Datong Normal Branch School of Datong University,Datong City 037039,China)

Abstract:In this paper,the general regulation of spectrometer methods has carried on the detailed analysis and discussion,and the conventional adjusting method for spectrometer,such as adjusting the order more clear,reducing the requirements which the operation of the coarse tuning,or instruments(prism)placed more specification,etc,so as to shorten the time required for adjusting spectrometer.

Key words:spectrometer；coarse tuning；fine tuning；"ten" word fork like silk

文章編號：1007-2853(2015)11-0084-03

作者簡介：曲銘鐳(1986-)，男，吉林省吉林市人，吉林化工學院理學院助教，碩士，主要從事凝聚態物理方面的研究.

收稿日期：2015-07-10

中圖分類號：O 43

文獻標志碼：B DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.020