各半調節法在分光計實驗中的應用

邱淑霞， 江 影

中國計量學院理學院，浙江杭州 310018

分光計（分光儀）是一種精確測量角度和分光的光學儀器。在光學中，許多基本的物理量如棱鏡折射率、光波波長、色散率等都可以直接或間接的表現為光的偏轉角，所以都可以用分光計來精確的測量；除此之外，分光計還能精確測量兩個光學面之間的夾角。

分光計是光學實驗中一種不可缺少的儀器，它的基本光學結構是許多光學儀器(如攝譜儀、單色儀、分光光度計等)的基礎，其調整方法和操作技能在光學儀器中具有一定的普遍意義。分光計實驗既能夠培養學生的基本實驗技能，又能培養學生應用理論知識解決實際問題的能力，因此它是物理實驗的必做實驗。分光計裝置精密，可供調節的螺絲等就有二十幾處，在調節上比其它儀器更為復雜，所以使用時必須嚴格按操作程序調整。

調節好分光計的標準為：1）望遠鏡能夠接收平行光；2）平行光管能夠射出平行光；3）望遠鏡的光軸和平行光管的光軸均與儀器的主軸垂直；4）平行光管主光軸與望遠鏡主光軸同軸等高。

學生普遍認為這個實驗比較難的地方是：1）分光計的調節比較難，覺得綠色的“十”字自準像很難找；2）即使雙面鏡正、反兩個面的反射的小“十”字都找到了，也不能同時調到上十字叉絲的位置。因為在調整分光計時花費了太多時間，所以光學實驗中一個典型的實驗——利用光的反射測三棱鏡的頂角，按照傳統的教學方法，很多同學很難在規定的課時內完成。筆者在物理實驗教學實踐中總結出了一點快速調節分光計的方法，大大縮短了分光計的調節時間，從而使學生有更多的時間來測量三棱鏡的頂角，提高了物理實驗課的效率和教學質量。

1 分光計的結構原理

各種型號的分光計，其光學原理基本相同，主要部件包括：望遠鏡、平行光管、載物臺（臺上安置分光用的三棱鏡或光柵） 、讀數裝置四部分。

1.1 望遠鏡

望遠鏡由物鏡和目鏡組成，物鏡和目鏡之間有分劃板。分劃板緊貼一個直角三棱鏡，在棱鏡的直角面上有一個被光源照亮的綠色小十字，其中心位置與分劃板刻線的上交點對稱。

1.2 平行光管

它的作用是產生平行光。管的一端裝有一個消色差的復合正透鏡，另一端是裝有狹縫的套管。

1.3 載物臺

載物臺是用來放置待測器件的。它的下方有三個螺釘，形成一個正三角，用來調節分光元件的方位。

1.4 讀數裝置

讀數裝置是由一個度盤和一個游標盤所組成。可分別與望遠鏡或載物臺相連。它們的相對轉動角度，可以從左右兩個角游標上讀出。度盤按圓周等分成360個大格，720個小格，其大格值為1°，小格值為360°/720＝30′。小于30′ 的讀數由游標盤根據游標法則讀出。

2 分光計的調節過程

2.1 粗調

用眼睛粗調望遠鏡光軸和平行光管光軸等高共軸，并調節載物臺平面水平（調三個調平螺釘），使三者大致均垂直于分光計中心旋轉軸。目測粗調是調整光學儀器常用的方法，不僅是進一步細調的基礎，還可以縮短調節時間。

2.2 細調

1）調節目鏡，看清測量用十字叉絲；2）用望遠鏡觀察盡量遠處的物體，調節物鏡使遠處物體的像和目鏡中的十字叉絲同時清楚；3）將雙面鏡放在載物平臺上，應用自準直原理調望遠鏡使其適用平行光。所謂自準就是一個物體經過透鏡和雙面鏡組合所成的像與物體在同一位置。分光計的調整是利用望遠鏡中一個小燈泡照亮的十字叉絲作為參照物，它所發出的光線，經過物鏡折射后，到達載物臺上的雙面鏡，經過雙面鏡反射后折回，再通過物鏡成像，這個像我們能夠利用目鏡去觀察。如果望遠鏡的物鏡與目鏡焦點重合，在望遠鏡中觀察到的就是一個清晰的像；4）用各半調節法（逐次逼近法）調望遠鏡光軸，使其與中心軸垂直。

2.3 調節平行光管使其產生平行光，并使其光軸與望遠鏡的光軸重合

用光源照亮準直管狹縫，轉動望遠鏡對準準直管，將狹縫寬度適當調窄，前后移動狹縫，直到從望遠鏡能看到清晰的狹縫像，且狹縫和測量叉絲之間無視差。調整平行光管傾斜度，使狹縫像的中心位于望遠鏡測量叉絲的交點上。這時準直管和望遠鏡的光軸平行，并近似重合。

3 分光計調節的難點

在分光計調節中，難點是掌握使望遠鏡軸線與平臺轉軸垂直的方法與技巧。認真細致的粗調是實現這一調節的前提，“各半調節法”則是基礎。

3.1 尋找雙面鏡反射的小“十”字

欲調整好分光計，前提是必須找到雙面鏡正反兩個面反射的小“十”字[4]，因為只有找到它們，才能繼續后面的工作。我們采用粗調的方法來找尋小“十”字，一面用手來回旋轉分光計的刻度盤或平臺，使平臺上雙面鏡法線方向在望遠鏡的軸線方向左右來回通過，同時用眼睛在望遠鏡附近上下來回移動，耐心地尋找，直到找到由雙面鏡反射回的光斑，這是尋找到雙面鏡反射小“十”字的關鍵。

找到光斑后，進一步要判斷看到的光斑在望遠鏡的上方還是下方。從而有目的地調節望遠鏡的俯仰角或平臺的傾斜度，使看到光斑的眼睛與望遠鏡在同一平面上（注意在調節仰角或傾斜度時必須同時看住光斑，以免光斑“跑掉”）。總之，先從望遠鏡外面找到光斑，然后逐步調節光斑接近望遠鏡軸線方向，最后讓光斑進入望遠鏡內，再進一步在望遠鏡內調節。

3.2 將雙面鏡正、反兩個面反射的小“十”字同時調到上十字叉絲的位置

在實驗時，雙面鏡正反兩個面反射的小“十”字偏離上十字叉絲時，很難區分是望遠鏡還是載物臺的原因引起的。因此，在調節時應采用各調一半的方法。傳統調節方法中，將望遠鏡垂直對準雙面鏡的一個反射面，就可以從望遠鏡視場中觀察到經雙面鏡反射回的亮綠小“十”字，如果亮綠小“十”字與望遠鏡上十字叉絲不重合，調節載物平臺的調平螺釘使二叉絲間垂直距離減少一半，然后再調節望遠鏡俯仰角使二叉絲重合。轉動載物平面使雙面鏡轉180°，使另—鏡面對準望遠鏡，同理，使二叉絲垂直距離各調一半至重合。反復進行以上調整，直至不論轉到哪一反射面，使十字叉絲均能和調整叉絲重合，即達到望遠鏡光軸與分光計主軸垂直。此方法稱為各半調節法或逐次逼近法。

這里存在的問題是：1）調整好一個面之后，轉180°，另一個面反射的亮綠小“十”字位置偏離上十字叉絲；2）調整好雙面鏡的一個面之后，轉180°，甚至可能找不到另一個面反射的亮綠小“十”字。學生在反復調整的過程中，由于不熟練，不僅會浪費很多時間，也很難調整好。

經過多次實驗驗證，筆者將各半調節法做了一些拓展，以便學生能更快的將載物臺和望遠鏡調整好。具體步驟如下：

1）采用3.1所講述的粗調方法調整望遠鏡的俯仰角和載物臺的傾斜度，直到雙面鏡正反兩個面反射的亮綠小“十”字都出現在望遠鏡的視場中。

2）記清楚正反兩個面反射的亮綠小“十”字的位置，確定兩者的垂直距離的中點，通過調平螺釘調整載物臺的傾斜度，將上面的小“十”字調低至中點位置（或將下面的小“十”字調高至中點位置），此時，雙面鏡正反兩個面反射的亮綠小“十”字就大致在同一水平線上了；再調整望遠鏡的俯仰角，將兩個面反射的亮綠小“十”字同時調至上十字叉絲位置（因為在確定正反兩個面反射的亮綠小“十”字的中點位置時并不精確，因此不可避免存在些微的偏差）。如果還存在偏差，則重復上述方法，直到正反兩個面反射的亮綠小“十”字均與上十字叉絲重合。

經過上述調節,分光計實驗中最難調節的一部分就完成了，此方法是建立在分光計結構特點、調節規律和實踐經驗的基礎上的。只要深入理解操作要領,就可以迅速快捷地調好分光計，對學生有效完成實驗幫助很大。

4 結論

光學實驗中，分光計的調整是個難點,各半調節法是一種比較好的分光計調節方法，只要深入理解操作要領，就可以迅速快捷地調好分光計。使用分光計時，根據光學規律，分析清楚其道理，思考后再動手，會收到事半功倍的效果，給實驗者帶來很大的方便。

實驗方法的改進，不僅有利于課堂教學效率的提高，更有利于學生從不同的角度去理解實驗原理，對實驗原理的理解更加透徹。而且能夠激發學生做實驗的興趣。啟發學生開動腦筋，并在原有實驗的基礎上不斷探索，不斷創新。

[1]江影.新編物理實驗教程(上冊)[M].北京：科學出版社，2009.

[2]隋成華，施建青.大學基礎物理實驗教程[M].杭州：浙江工業大學出版社，2003.

[3]林洪文.分光計實驗與學生實驗能力的培養[J].高教研究：西南科技大學學報，2004，20(3)：44-45.

[4]陳紅，張偉森.分光計實驗研究[J].長春大學學報，2006，16(4)：23-25.

[5]劉文莉.談分光計實驗的改進[J].嘉興學院學報，2004，16(6)：113-114.