淺談分光計實驗教學中的問題

楊端翠 唐國強

摘 要：在分光計實驗教學中，最困難的問題是如何調節望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直。針對這一難點問題，文章提出了一種切實可行的辦法。

關鍵詞：分光計；望遠鏡；LED；調節

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）18-0101-03

Abstract： In the experimental teaching of spectrometers， the most difficult problem is how to adjust the optical axis of the telescope perpendicular to the center axis of the spectrometer. In view of this difficult problem， the article proposes one kind of feasible method.

Keywords： spectrometer； telescope； LED； adjustment

一、概述

分光計是一種精密測量角度的光學儀器，分光計包括望遠鏡、載物平臺，平行光管和讀數裝置、底座五部分構成。其基本原理是，讓光線通過狹縫和聚焦透鏡形成一束平行光線，經過光學元件的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，從而得到光學參量例如折射率、波長、色散率、衍射角等。

分光計能進行精確測量，必須經過仔細調節：使平行光管發出平行光，望遠鏡接受平行光（即聚焦至無窮遠）；平行光管和望遠鏡的光軸與分光計的轉軸垂直。而望遠鏡的調節是整個分光計調節的核心，它也是分光計儀器調節的難點。

二、望遠鏡的調節原理

分光計上采用的通常是阿貝式自準直望遠鏡， 其結構如圖1所示。分光計中采用的是自準直望遠鏡，它由目鏡、分劃板和物鏡組成。分劃板上刻有雙十字叉絲，其底部粘有一塊全反射小棱鏡，鏡上涂有不透明膜，膜上刻有一空心十字窗口。若在物鏡前放一平面鏡，前后調節目鏡（連同分劃板）與物鏡的距離，使分劃板位于物鏡的焦平面上時，小燈泡發出的光透過十字空心叉形窗口經物鏡折射后成平行光射向平面鏡，其反射光又經物鏡后在分劃板上形成亮的十字像。如望遠鏡與分光計轉軸垂直，此像將落在雙十字叉絲的上十字叉絲處。

調望遠鏡時，首先目測粗調，使望遠鏡光軸與分光計轉軸大致垂直，要求在望遠鏡目鏡視場中能看見雙面反射鏡的2個面都有反射回來的“十”字叉絲像。粗調目標達到之后，然后再細調，調節望遠鏡傾斜度螺釘和載物臺上的調節螺釘， 逐步使“十”字叉絲的兩個反射像重合于叉絲的上交點，這就是“逐步減半”調整法。而學生普遍遇到的困難是粗調后看不到雙面反射鏡的2個面反射回來的“十”字叉絲像，或者只能找到1個面反射的“十”字像，導致實驗無法進行下去。

三、望遠鏡的調節方法

針對怎樣調整望遠鏡光軸與分光計的中心軸垂直，實驗課本中一般采用“逐步減半”調整法[1-3]，但前提是望遠鏡粗調要成功，即從望遠鏡中要能夠看到“十”字叉絲的兩個反射像，而關鍵是學生無法快速完成望遠鏡粗調工作， 導致實驗無法進行下去。因此，學者王小懷[4]總結了分光計調節和使用中的困難及解決措施， 賈虎[5]撰寫分光計的一種新調節方法及儀器的改進，葛松華，唐亞明[6]撰寫的分光計的一種簡單調整方法，有效地提供學者們一些好方法，提高了學生實驗興趣。

根據多年的實驗教學經驗發現，學生利用自準直法對望遠鏡進行調試時，導致望遠鏡粗調困難的原因主要有兩點，首先是照亮分光計自準直望遠鏡的鎢絲燈泡容易壞，鎢絲燈泡亮度不合適；其次課本寫的望遠鏡粗調調整方法比較含糊，學生不易理解。從而導致學生無法按時完成分光計實驗的調節，影響實驗教學和實驗進度。針對小燈泡亮度不夠，而且燈泡易壞的缺陷，如圖2只要用一個LED發光二極管串聯一個電阻，通過dc插座接電源適配器，就可以克服上述缺陷。該設計結構簡單，有益于改造，它為分光計自準直望遠鏡的照明提供了合適的亮度，它不僅發光均勻穩定，且壽命長，節能環保，方便使用者調節，提高了實驗效率。

如圖3所示，望遠鏡目鏡的底部通過空心圓柱形金屬套筒固定連接LED照明系統，空心圓柱形金屬套筒里面是dc-005單孔插座，單孔插座正極接限流電阻一端，限流電阻另一端接LED的正極，LED的負極接單孔插座負極，空心圓柱形金屬套筒的外面插6v400mA的電源適配器，通過旋轉空心圓柱形金屬套筒就可以使它固定在分光計上。

針對課本寫的望遠鏡粗調調整方法比較含糊問題，課本告訴學生粗調目標是：經雙平面反射鏡的2個面反射回來的“十”字叉絲像通過望遠鏡的目鏡能清晰看到，否則，說明粗調不合格，必須重新進行粗調，但并沒有提供具體的調節方法，針對這個問題，具體方法如下：若雙平面反射鏡的2個面反射回來的“十”字叉絲像都看不見如圖4a，則旋轉望遠鏡傾斜度調節螺絲，且緩慢來回旋轉載物臺，觀察目鏡視場中是否出現“十”字反射像，若望遠鏡目鏡端已明顯傾斜，還未見“十”字叉絲反射像，則反向旋轉望遠鏡傾斜度螺釘，目鏡視場中肯定會出現“十”字反射像；若只看見雙平面反射鏡的1個面反射回來的“十”字叉絲像如圖4b、4c，則旋轉望遠鏡傾斜度調節螺絲把反射回來的“十”字叉絲像調到目鏡視場最上面或者最下面，則另一面反射回來的“十”字叉絲像肯定出現。然后采用“逐步減半逼近”調整法再進行細調，將兩面“十”字反射像調至與叉絲的上交點重合處出，如圖4d，此時望遠鏡的調節工作已完成，可以繼續往下實驗。

針對上述兩點采取改進措施后，學生可以快速的實現分光計粗調目標，然后利用“逐步減半”調整法進行細調，學生完全可以在規定時間內順利完成實驗任務，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]軒植華，霍劍青，姚 ，等.大學物理實驗（第三冊）[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]凌亞文，華中文，史彭.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2005.

[3]趙青生，呂衛星，趙學民.大學物理實驗[M].合肥：中國科技大學出版社，1993.

[4]王小懷.分光計調節和使用中的困難及解決措施[J].實驗室研究與探索，2007，26（2）：35-37.

[5]賈虎.分光計的一種新調節方法及儀器的改進[J].物理與工程，2009：27-32.

[6]葛松華，唐亞明.分光計的一種簡單調整方法[J].實驗科學與技術，2006（06）：32-63.