分光計的各半調節法及其原理

黃海深等

摘 要： 本文在對分光計光路圖分析的基礎上，詳細介紹分光計的各半調節法，推導出各半調節法的幾何原理，最后提出幾條可使分光計易于調節的改進措施。

關鍵詞： 分光計 各半調節法 改進措施

一、引言

分光計是一種測量光線偏轉角度的精密儀器，在光學實驗中有著廣泛應用，常用來測量反射角、折射角、衍射角、棱鏡的折射率及觀察光譜等。該儀器結構復雜，對學生動手調節能力要求高，大多數學生調節起來比較困難，即使老師認真講解和演示，仍然不能在規定的課時內完成調節，后續測量工作無法正常進行。造成這種后果的原因是，學生未認真預習實驗，而老師常常只顧講解調節方法和技巧，并未講解這樣調節的原因，造成學生對各半調節法不理解，不能盡快掌握并運用這種方法。目前關于分光計實驗的文獻較多[1-3]，但大多數只關注調節方法本身，并未對各半調節法原理進行分析研究。基于此，本文重點介紹各半調節法，并推導出其中幾何原理。

二、各半調節法及其原理

當望遠鏡的光軸與雙面反射鏡垂直時，十字透光窗發出的光通過雙面反射鏡后會聚在分劃板上方的十字刻線處，形成十字反射像，即亮十字，這時十字透光窗和亮十字分居于光軸上下，對稱于光軸，如圖1所示。

設此時分光計已進行了粗調，各部分都沒有明顯傾斜，且分光計的主軸垂直于水平面。望遠鏡光軸與水平面夾角為α，雙面反射鏡與主軸的夾角為β，望遠鏡分劃板與雙面反射鏡的距離為D，望遠鏡的光軸與雙面反射鏡不垂直，亮十字像與分劃板上方的十字刻線有一距離h，如圖2所示。夾角α和β都比較小，滿足關系tanα≈α，tanβ≈β，tan（α+β）≈α+β。

采用各半調節法的調節步驟如下：

1.調節望遠鏡的水平調節螺釘使高度差h減小到原來的一半，設此時α變為α′，而β不變，方程（1）變為：

此時望遠鏡的光軸與雙面反射鏡已經垂直，若α=β，則α′=0，β′=0，調節已經結束。但一般情況下α≠β，則α′≠0，β′≠0，望遠鏡的光軸與水平面的夾角不為零，雙面反射鏡與主軸夾角也不為零，還需要進一步調節。

3.轉動載物臺，使雙面反射鏡旋轉180°，設高度差變為h′，α′不變，β′則變為-β′，各物理量之間的關系為：

α″為零，表明望遠鏡的光軸已經水平；β″為零，表明雙面反射鏡所在平面豎直，即與雙面反射鏡平行的高AB垂直的中位線CD在水平面內。載物臺上的一條線段水平，并不能保證載物臺水平，要使其水平，還需使其內另一條線段水平。接下來，把雙面反射鏡旋轉90°（載物臺不動），使其平行于載物臺上的中位線CD，重復剛才的第1步至第5步（第2步和第5步中改調節螺釘1），可保證望遠鏡的光軸水平及三角形的高AB在水平面內。載物臺上的兩條相交線段都在水平面內，表明載物臺已經水平，望遠鏡和載物臺都已經調節好，可以進行各種測量工作了。

三、改進措施

1.底座和載物臺上分別裝上氣泡水準儀。現在一般載物臺只能靠肉眼大致估計其傾斜程度，常常造成粗調不能滿足要求，無法順利進行接下來的細調步驟。底座上的水準儀可使主軸呈豎直狀態，載物臺上的水準儀可使載物臺粗調時的水平程度提高。

2.望遠鏡一側裝上準星。望遠鏡視野太小，光源一般不能在分劃板上成像，常使學生無從下手。如果能在望遠鏡右側或左側上裝上準星，就可以對望遠鏡進行粗調，使視野里出現亮十字。

3.載物臺上刻上與調平螺釘相對應的等邊三角形及高和中位線。

一般情況下，載物臺上只有三個調平螺釘，并沒有對應的三角形，所以大多數學生擺放雙面反射鏡時，只是隨便估計一個高或中位線的位置，這樣造成的直接后果是經過上述各半調節法的調節之后，載物臺并未水平。原因是第一次各半調節法在載物臺上找到的呈水平狀態的線段，會在雙面反射鏡旋轉之后的調節過程中變傾斜。如果刻上三角形及高和中位線后之后，就不會出現這種情況，原因是只調節螺釘2或螺釘3不會改變高AB的狀態，而只調節螺釘1不會改變中位線CD的狀態。

四、結語

本文詳細介紹分光計的各半調節法，該方法較復雜，每一步應該調節哪個螺釘都有嚴格的規定，不利于學生快速掌握。為了使學生理解這種調節方法，在對分光計光路圖分析的基礎上，推導出各半調節法的幾何原理，最后提出幾條可使分光計易于調節的改進措施。

參考文獻：

[1]劉洋.淺議分光計調整實驗方法的改進[J].考試周刊，2010，47：173.

[2]陳霞，計晶晶，陸改玲，羅利霞，周澐.分光計的快速調節方法探討[J].物理通報，2015，02：52-53.

[3]王仁洲，楊濤.三棱鏡在分光計載物臺上擺放位置的研究[J].大學物理實驗，2014，05：42-43.