分光計實驗粗調要求的定量研究

付云飛

分光計實驗粗調要求的定量研究

付云飛

（江漢大學 物理與信息工程學院，湖北 武漢 430056）

分光計的調節與使用是大學物理實驗課程中的重點和難點．為了提升實驗教學的效果，同時也針對學生在分光計的調節和使用實驗中反映的問題，在課堂中采用了粗調與細調并重的兩段式教學模式，試圖將學生的主要問題暴露出來．經過教學實踐，發現學生遇到的困難主要集中在細調階段，而出現問題的根源在于粗調．通過解析實驗光路，發現問題主要出現在外光路，LED小燈發出的光從物鏡出射之后，經平面鏡反射并未回到望遠鏡，而是超出了望遠鏡上下邊緣．通過計算，發現在2種極限情況下分光計的載物臺傾角分別為3.004°和11.343°，在人眼可識別的范圍內，可以通過旋轉載物臺的方法對載物臺水平方向進行細致的粗調，有效降低細調難度．

分光計；載物臺；粗調；大學物理實驗

分光計的調節和使用是大學物理實驗中的重難點之一．以分光計為實驗平臺可以開展多個實驗項目，如三棱鏡頂角及折射率的測定（自準直法和分束法）、測量光柵常數等[1-2]．通過分光計實驗的理論學習與實際操作，學生不僅掌握了物理知識，同時還培養了物理思想，提高了動手和獨立思考的能力[3]．

分光計實驗的難點就在實驗儀器的調節和校準．為了應對學生在這方面的畏難心理，在教學實踐過程中，進行先粗調后細調的分段式教學，可以顯著提高課程講授的效率，并且學生對于本實驗的接受度也顯著提高．通過強調“精細”粗調的重要性，可以顯著改善學生的調節體驗，大幅減少細調過程中旋轉180°的次數．但是，粗調究竟如何進行才能減少細調過程中繁復的操作，本文從望遠鏡以外的光路出發，通過建模來定量討論目視粗調分光計是否能達到預想的效果．

1 粗調對于分光計調節的輔助作用

學生在使用分光計進行各種光學參數的測量前，必須要掌握的基本操作就是分光計的光路調整．但對于從未使用過分光計的學生來說，在2學時內快速、準確地進行光路調整，并測量三棱鏡頂角存在一定難度．分光計調節的要求是“三垂直”，即待測光路平面、觀察平面和測量平面，3個面相互平行且垂直于主軸．而在實際教學中，平行光管已經事先調節完成，并不允許學生自行調節．因此，實際調節目標簡化為，調節載物臺和望遠鏡光軸平行并垂直于分光計主軸[4]．目標的簡化并不能解決學生的困境，原因為：分光計可調的螺絲數量多達十幾個，不同的步驟需要松開和固定不同的螺絲，操作相對繁復信息量大；粗調要求不明確，方法也不具體[5-7]；實驗光路較為抽象，望遠鏡光軸是一個假想的概念，實際上并不存在[8]，反射鏡正反面反光十字像的位置與載物臺和望遠鏡光軸平行度之間的關系不直觀[9]．

為了應對這些困難，將分光計的調節按精度要求分成粗調和細調2段進行講授，減少信息量提升接受度．對于粗調，通常的要求為目測望遠鏡筒和載物臺的水平，調節載物臺的3顆螺釘以及望遠鏡光軸的垂直調節螺釘，使得通過平面鏡的正背兩面反射回來的亮“十”字都在望遠鏡的視野內．通過教學實踐，將粗調的內容具體化，即所提到的“精細”粗調．調節過程中不滿足于對于載物臺的靜態觀察，也不急于旋轉載物臺確認正反兩面的反射像是否都在望遠鏡視野內．而是在觀察的同時，通過轉動游標盤來帶動載物臺旋轉，仔細觀察載物臺的起伏情況．選定載物臺下方1~2顆螺絲進行調節，使載物臺即使在旋轉過程中也目視水平．通過課堂教學的實踐過程，發現經過“精細”的粗調，細調過程中將不會出現旋轉180°后無法在視野內觀察到綠色十字的情況，同時可以顯著減少細調過程中載物臺旋轉的次數．

結合粗調的要求，對2種極限情況進行簡單的定量分析．

2 定量分析

經過粗調之后的載物臺在細調過程中超出望遠鏡視場與否，是驗證粗調是否有效的依據．因此，嘗試使用定量分析的方式，通過考慮2種極限情況，來確定精細粗調的意義．

在分析過程中，平面鏡、載物臺與望遠鏡的位置關系見圖1．對光路做了2個處理：（1）僅考慮望遠鏡外部光路，即LED發出的光通過望遠鏡物鏡出射之后，經平面鏡反射回到物鏡為止，而不考慮在望遠鏡光學系統內部的光路．（2）認為望遠鏡已經調到目視水平，這樣影響光路的因素只有載物臺傾角．實際上，由于望遠鏡鏡筒長度相對載物臺直徑來說較大，更容易調節到目視水平．

圖1 望遠鏡與平面鏡的位置關系

將分劃板等比例放大，并將視場平移到望遠鏡物鏡前端．同時為了進行定量分析，選定JJY型分光計的參數進行研究，主要參數見表1，分劃板視場示意圖及參數見圖2．

表1 分光計重要參數

圖2 分劃板視場參數

圖3 綠色十字中心恰好反射到望遠鏡物鏡上緣和下緣的光路

將式（1）（3）的角度關系帶入式（2）得

幾何關系為

帶入角度關系

3 結語

對于分光計調節這一重要基礎實驗的難點，認真收集學生的意見，改進教學方式．通過教學實踐，發現旋轉載物臺進行目視調節，經過目視進行精細的粗調是可行的和有效的，顯著提高了“分光計調節與三棱鏡頂角測量”實驗的課堂效率．

[1] 吳鐵山，李道銀．大學物理實驗[M]．武漢：湖北科學技術出版社，2014：149-156，166-170

[2] 袁煥麗．分光計測量折射率的探討[J]．基礎及前沿，2005（6）：24-25

[3] 陳美霞，張霆，劉成岳．分光計實驗中不容忽視的幾個細節[J]．物理通報，2018（10）：103-106

[4] 徐國旺，江銘波，江濤．分光計調整中的推理過程[J]．高師理科學刊，2018，38（10）：33-35

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

[6] 鮑軍委，張廣斌．分光計快速調節的三部逼近法即理論分析[J]．大學物理實驗，2017，30（4）：54-57

[7] 彭雪城．分光計的分步調節[J]．大學物理實驗，2017，30（4）：78-80

[8] 劉玉華．淺談分光計調整的教學研究[J]．新智慧，2018（8）：15-16

[9] 唐笑，周賢菊，相國濤，等．圖解分光計的光路調整[J]．大學物理實驗，2018，31（6）：35-38

[10] 郁道銀，談恒英．工程光學[M]．2版．北京：機械工業出版社，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

付云飛（1989-），男，湖北武漢人，實驗員，碩士，從事光電材料，大學物理實驗研究．E-mail：yffu89@jhun.edu.cn