分光计调节实验中的教学方法探讨

2013-09-19罗锻斌

大学物理实验 2013年4期

许飞，罗锻斌

（华东理工大学，上海 200237）

分光计是一种精确测量角度的光学仪器，可以用来测量三棱镜的顶角、最小偏向角、光栅的衍射角等，并通过角度测量来测定其他一些光学量，如棱镜玻璃的折射率、光栅常量、光波的波长等［1－2］。同时，分光计也是摄谱仪、单色仪等光谱分析仪器的重要部件。分光计比较精密，结构比较复杂，使用时必须严格按照一定的步骤进行调整，才能得到较高精度的测量结果［3］。分光计的调整原理、方法和技巧，在光学仪器中具有一定的代表性。因此分光计的调整与应用实验是所有大学物理实验中不可或缺的基本实验，学会对它的调整和使用方法有助于掌握更为复杂的光学仪器［1，4］。

1 分光计实验要求

在分光计的调节实验中，要求学生做到：（1）望远镜聚焦无穷远，即接收平行光；（2）望远镜光轴与分光计的中心轴相互正交；（3）平行光管出射平行光，其光轴与分光计的中心轴线相互正交；（4）望远镜与平行光管等高共轴［5］。在这些要求中，望远镜光轴与分光计的中心轴相互正交这一要求是学生实验操作中的难点。如果没有相对简单有效的实验方法和技巧，学生很难在规定的有限实验时间内完成相关实验内容［6］。也正是如此，很多同行在实验教学过程中总结了不少分光计实验中如何快速调节的实验方法和技巧［7］，其中既有通过光路分析或者建模讨论有效的调节方法［8－12］，也有对实验仪器的改进［13－15］，包括利用辅助装置等以提高调节速度［16］。同时介绍了一些方法。根据这些方法，方便了学生对仪器的调节，提高了实验效率，同时也加深了学生对一些实验方法和技巧的理解掌握。

2 分光计调节

对于分光计调节中的难点，即望远镜光轴与分光计的中心轴相互正交，要求学生遵循先“粗调”后“细调”的原则。所谓“粗调”，就是在“细调”之前，先通过相关调节，让载物台和自准直望远镜水平。在“粗调”这一环节，增加了辅助仪器：水准仪。“粗调”步骤如下：（1）先把水准仪放在自准直望远镜镜筒上，如图1所示，通过望远镜倾斜度调节螺丝让水准仪的气泡居中（平行光管的水平调节也可通过这种方式进行）；（2）把水准仪放在载物台上，水准仪与载物台水平调节螺丝的a、b、c的相对位置如图2所示，先调节图2（a）中的a让载物台水平，再将水准仪转90度（图2（b）），调节a和c让载物台水平；直至载物台两个方向均水平。

图1 水准仪辅助望远镜水平调节

图2 水准仪辅助载物台水平调节

完成上述“粗调”后，用三棱镜置于载物台上，很快便可在望远镜的视场中看到绿色小十字的像。接着利用三棱镜完成“细调”。三棱镜的放置如图3所示，其中三棱镜AB面为打磨面，其他两面为光滑镜面。三棱镜放置时，使载物台下的三个螺丝a、b、c中每两个的连线与三棱镜的镜面正交，如图3所示。

图3 “细调”过程中三棱镜的放置

放松控制游标盘（连同载物台）转动的制动螺丝，转动游标盘（连同载物台）使三棱镜的两个镜面分别正对望远镜，在保证前面“粗调”完成的基础上，在望远镜的视场中均可看到三棱镜的两个镜面分别反射回来的绿色小十字的像，它与分划板上部的十字丝一般并不重合。假如图4是三棱镜AC面反射回的绿色小十字像，通过仔细缓慢转动游标盘，使得小十字调至视场中央并且与竖的准线重合，如图4（a）。然后采用“减半逐步逼近调节法”进行“细调”：调整望远镜高低倾斜螺丝，使两水平线的间距由h减半缩小为h／2，如图4（b）所示；然后调节该三棱镜镜面AC下方载物台下的水平调节螺丝，使两水平线“完全重合”，如图4（c）所示。再转动游标盘（连同载物台），使三棱镜BC面对准望远镜，以同样方法调整成“完全重合”。通过上述步骤反复调整AC面、BC面反射回来的小十字像，直到三棱镜不论哪一面对准望远镜时，反射回来的小十字像均能和分划板准线的上部十字线重合为止。这时望远镜光轴与分光计中心轴线已经完全正交了。