分光計的全程有目的調節

【摘要】分光儀的調節很困難。最難的是，調節望遠鏡與分光儀中軸線的垂直。本文通過難點分離--調節望遠鏡聚焦于無窮遠、調節望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直，兩個調節完全分離，加手機輔助的方法，規避找不到像的無目的狀態，實現了學生全程有目的的調節。

【關鍵詞】分光計;望遠鏡;載物臺;手機

分光計，是一種重要的角度測量儀器。可以用來測量物質反射角、衍射角、折射率、色散率、光波波長等[1]。在使用分光計之測量各種數據之前，首先要掌握分光計的調節方法。而由于分光計的結構較復雜：有望遠鏡、平行光管、載物臺、讀數裝置四個主要部分[2]，其中平行光管用來產生平行光，望遠鏡用來觀察平行光，載物臺用來放待測物體，讀數裝置用來讀取實驗時角度[3]。另外包括各種鎖緊微調螺絲、焦輪達到19個。學生不容易掌握調節方法。

分光計使用之前首先要達到兩個平行：出入射光都是“平行光”，并且，這個平行光全程都要“平行”于讀數刻度盤。第一個平行：要求調節望遠鏡聚焦于無窮遠、平行光管發射平行光;第二個平行：要求調節望遠鏡、平行光管、載物臺上表面都與分光計中心軸垂直，即與載物臺中軸垂直[4]。

分光計調節順序：先粗調，再細調，細調是由望遠鏡到載物臺，再平行光管。

1.粗調

粗調的好壞，往往決定了細調的效率。所以人們也想了很多方法改善，提高粗調的精度，比如加水準儀[5][6]， 加裝廣角系統，激光準直系統等[4]。只是這些方法需要新加附件，不易推廣，增加了分光儀的復雜程度。還有將載物臺調到最低，強制條平行[1]，只是這種方法的對待測物體高度有要求。

2.細調

由于所要做實驗不同，調節用光學元件有多種：平面鏡，雙面平面鏡，三棱鏡，光柵等。

2.1 調節望遠鏡聚焦于無窮遠

調節望遠鏡聚焦于無窮遠，指的是入射望遠鏡的平行光聚焦于目鏡分劃板。用的是自準直法。都是首先調節目鏡沒有視差后，具體有多種調節方法：

（1）按要求將光學元件放到載物臺上，如圖1所示，粗調望遠鏡光軸與鏡面垂直，旋轉載物臺，找到模糊的綠色“+”字叉絲像，松開目鏡鎖緊螺釘，伸縮目鏡鏡筒，至“+”字叉絲清晰成像于分劃板上。

圖1 載物臺上光學物品的擺放

（2）將光學元件反射面緊貼在望遠鏡筒物鏡前，如圖2所示，伸縮目鏡，至“+”字叉絲清晰成像。

圖2

調整望遠鏡光軸垂直儀器主軸，要找到兩次“+”字叉絲清晰像。對于熟練掌握分光儀調節的人來說，用第一種方法，聚焦無限遠的同時，實現了其中一次成像。而第二種方法在調整望遠鏡光軸垂直儀器主軸時，還得再找一遍“+”字叉絲像。

對于初學者第一種方法有兩個難點：

（1）由于常常由于沒有粗調好望遠鏡光軸與鏡面垂直，導致望遠鏡筒里找不到模糊“+”字叉絲像;

（2）粗調好垂直的，由于實驗進度不同，有些打開了汞燈、鈉燈，這些燈光干擾，初學者不知遮擋燈光，旋轉載物臺時候，非常微弱模糊的綠色“+”字叉絲像一晃而過，就錯過了。

實驗時有些同學卡在這一步達40分鐘。教學體會是：不要將兩個問題，粗調垂直、聚焦無限遠，放在一起解決，互相增加難度。

所以對初學者，用第二種方法，規避了燈光干擾，直接找到“+”字叉絲像，實現了聚焦于無窮遠。由于是清晰“+”字叉絲像，接下來調整望遠鏡光軸與鏡面垂直時，只要粗調好垂直，“+”字叉絲像出現在鏡筒，立刻會發現，減少了粗調難度。

2.2 調節望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直

調節望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直，要使兩個反射面都看到“+”字叉絲清晰像，并且與分劃板上“上十字”重合。難點是先找到像。

首先看第一個反射面。按標準要求放置好雙面平面鏡、光柵或三棱鏡等，再次粗調，用肉眼觀察這些物體的反射面，是否與望遠鏡垂直，調節垂直。調節的結果有兩個，一個看到“+”字叉絲像，一個看不到。看到的，只要按照“各半法”繼續調節。

對于初學者這時往往忽視粗調重要性，導致不垂直。有經驗者也有一定概率粗調失敗，肉眼相對誤差較大[4]。這時只有向下或向上微調望遠鏡傾斜螺釘，同時旋轉載物臺，看不到像，再向相反方向微調，轉載物臺。[7]這種微調程度方向的具有不確定性，初學者不好把握。

圖3 手機輔助調節垂直示意圖，及手機成像示意圖

筆者從尺讀度望遠鏡的調節得到靈感，采用人人都有的手機輔助。如圖3.1所示，將手機調至白屏，放在望遠鏡目鏡一端，光通過望遠鏡筒達到反射鏡面上，旋轉載物臺，利用人眼的大視野，找到手機成像—圓形手機像素點群。如圖3.2所示，人眼要在手機成像和筒內壁成像同心時，停止移動。這時如果人眼在目鏡水平下方，可以微調望遠鏡傾斜螺釘，使目鏡端降一點，同時調載物臺上揚一點。各半法的一種體現。反之向相反方向調節。總之，最后使手機成像與目鏡等高。這種方法找“+”字叉絲像有的放矢，不需經驗判斷調整程度方向，學生容易掌握。

旋轉載物臺，找第二個十字叉絲像，找到的繼續用各半調節法調節，如果找不到第二個叉絲像，重復先前的步驟，手機輔助。

唯一需要注意的是，無論怎么調節，結果都不要使望遠鏡和載物臺明顯脫離水平。

由于不同光學元件調節不能互相代替[8]，為了避免二次調垂直，如果做“用最小偏向角法測三棱鏡材料的折射率”實驗，就要用三棱鏡調垂直，如果做 “用透射光柵測定光波波長”實驗，調垂直光學元件就要用光柵。接下來是平行光管的調節，較簡單。伸縮豎直狹縫，調好的望遠鏡中看到清晰像，就實現了平行光的調節;狹縫旋轉九十度，調節狹縫使其與望遠鏡分劃板中央水平線重合，就實現了與望遠鏡共軸，即與分光儀中軸線垂直[9]。

3.結論

分光儀作為光學中一種重要的基礎性儀器，它結構復雜，調節困難。最難的是，調節望遠鏡與分光儀中軸線的垂直。本文通過難點分離，手機輔助的方法，規避了找不到像的無目的狀態，實現學生全程有目的的調節。其實，所有的難點都是對初學者，實驗課短短的幾小時，不足以使學生熟練掌握一臺儀器。目前有的虛擬現實技術，用電腦軟件架構出分光儀，如果這種軟件在有條件的地方推廣，學生在自己的電腦上隨時練習長時間，相信這些困難將不攻自破。

參考文獻

[1]陳麗娜.分光儀調節的一種簡單方法[J].實驗科學與技術，2011，9（1）：20-21.

[2]王興福，葛智勇，張文，張海燕.分光計調節創新教法[J].科技信息，2009，26（11）：128+107.

[3]胡孝博，聶麗青，劉揚正.分光計的快速調整方法探索[J].南京工程學院學報（ 自然科學版），2008，6（1）：69-72.

[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]許飛，羅鍛斌.分光計調節實驗中的教學方法探討[J].大學物理實驗，2013，26（4）：35-36.

[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，2006，4（6）：62-63.

[7]諸揮明，梁路光，付妍.分光計實驗中望遠鏡和載物臺調整的一種快速方法[J].大學物理實驗，2006，19（1）：51-54.

[8]王 敏.分光計的調節難點、調節方法及其遷移應用[J].電子世界，2014，36（1）：87.

[9]陳群宇.分光計的簡單調節方法[J].實驗科學與技術，2013，11（5）：207-208.

作者簡介：楊靜瑜（1983—），女，蒙古族，畢業于東北師范大學，實驗師，現供職于沈陽師范大學實驗教學中心，專修凝聚態物理。