分光計快速調節方法探討

許 飛 朱江轉（華東理工大學物理系，上海 200237）

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分光計快速調節方法探討

許 飛 朱江轉
（華東理工大學物理系，上海 200237）

摘 要在分光計調節實驗中，調節望遠鏡光軸與分光計中心軸相互正交是最關鍵也是最困難的一步，針對實驗中經常出現的觀察不到“十”字叉絲反射像的問題，本文提出了一個新的簡單有效的調整方法——調節望遠鏡俯仰螺絲的同時不斷地轉動游標盤（連同載物臺），在此過程中用眼睛一直觀察望遠鏡視場是否有綠色十字像出現（簡稱“一看二動法”）．“一看二動法”快速找到兩個綠色十字像后，再利用“減半逐步逼近法”進行細調，從而大大地提高了課堂的實驗教學效率．

關鍵詞分光計；“一看二動法”；快速調節；三棱鏡；逐步減半逼近法

分光計是光學實驗中最基本的光學儀器，可以用它來精確測定光線偏轉角，如三棱鏡的頂角、最小偏向角、光柵衍射角等，還可通過角度測量來測定其他一些光學量，如棱鏡玻璃的折射率、光柵常量、光波波長等［1，2］；分光計也是攝譜儀、單色儀等光譜分析儀器的重要部件．分光計結構復雜，使用過程中必須要經過一系列精細的調整才能得到較高精度的測量結果．分光計的調節方法技巧在光學儀器中具有代表性，必須正確掌握．在分光計實驗教學中，由于分光計結構復雜調節精度要求高，操作步驟繁多，如何讓學生在規定的教學時間內理解分光計原理并掌握其調節技巧，成為教學中的重點和難點．本文提出了“一看二動法”調節方法，與通常調節方法相比更容易讓學生接受和掌握，大大縮短實驗調節時間，有助于整個實驗教學過程在規定的時間內完成并取得了較好的效果．

1 分光計實驗要求

分光計實驗教學中，在分光計使用之前學生先對分光計進行調節，要求做到：（1）調節望遠鏡聚焦無窮遠；（2）調節望遠鏡的光軸與分光計中心軸線正交；（3）載物臺平面垂直于分光計的中心軸；（4）平行光管出射平行光，平行光管光軸垂直于分光計中心軸［3］．在這些調節要求中，望遠鏡光軸與分光計中心軸線相互正交這一調節是學生完成整個實驗的前提．具體到實驗當中，要求學生利用載物臺上的三棱鏡，在望遠鏡視場里快速找到三棱鏡兩個光面反射回來的綠色小十字像，并將其調至與分劃板準線的上部十字線重合．由于分光計調節螺絲繁多，學生操作起來難度重重，通常會出現以下情況：①望遠鏡視場中找不到綠色小十字像；②找到一面的像卻又丟失了另外一面的像．這些情況一直是實際教學中困擾學生的難題．［4，5］這一難題不僅影響了學生的實驗興趣，還影響實驗能否在規定的時間內完成．因此，有很多文獻［6－9］總結了各種快速調節分光計的方法與技巧，利用這些方法和技巧，提高了學生的課堂效率，加深了學生對實驗的一些方法和技巧的理解掌握．我們在實驗教學過程中，根據自己的經驗也總結了一種學生比較容易掌握理解的方法，即“一看二動法”．這種方法在實驗教學中對學生的分光計調節有一定的幫助．

2 分光計調節

在調節望遠鏡光軸與分光計中心軸線相互正交的過程中，先要求學生目測粗調，再用三棱鏡完成細調．所謂“目測粗調”，是指用眼睛去觀察望遠鏡、載物臺以及平行光管是否大致水平，觀察載物臺上的三棱鏡與望遠鏡、平行光管是否大致等高；實驗中通過調節望遠鏡與平行光管的俯仰螺絲以及載物臺的3個螺絲使其達到此要求．目測粗調，精確程度雖然不是很高，但這一步在整個實驗中有著非常重要的作用．相關文獻［10，11］指出，實驗中借助水平儀輔助調節，將會縮短調節時間而且調節精度大大提高．中能夠看到光面反射回來的清晰綠十字像，此時望遠鏡聚焦于無窮遠處，或者說望遠鏡可以接受平行光了．準備工作做好以后，將三棱鏡放置于載物臺上，轉動載物臺，接下來采用本文提出的“一看二動法”能夠保證在很短的時間內找到兩個光面反射回來的綠色小十字像．方法如下：三棱鏡放置位置如圖1所示，使載物臺下的三顆螺絲a，b，c中兩兩連線與三棱鏡鏡面正交，光滑面AC與BC面這里充當平面鏡作用．放置完成以后，利用“一看二動法”尋找綠色十字像．“一看二動法”中“一看”是指在調節中用眼睛一直觀察望遠鏡視場，觀察是否有綠色十字像出現，“二動”是指一邊調節望遠鏡俯仰螺絲一邊轉動游標盤（連同載物臺）；望遠鏡俯仰螺絲調節時如圖2（a）所示，從仰視狀態調節到俯視狀態，與此同時，另一只手調節游標盤（連同載物臺）如圖2（b）所示從正對望遠鏡的左邊調節到正對望遠鏡的右邊；調節過程中，由于望遠鏡的仰角是逐步調節，所以在慢慢調節望遠鏡仰角時要不斷來回的轉動載物臺．在這個“二動”過程中，必然包括了望遠鏡與三棱鏡鏡面相互正交這一位置，視場中必能看到綠色十字像．當觀察到視場中有綠色十字像出現后，再微調望遠鏡俯仰螺絲與載物臺下方三個螺絲，具體方法

圖1　細調過程中三棱鏡的放置

圖2　“一看二動法”調節示意圖

完成目測粗調以后，可利用三棱鏡的一個光面緊貼望遠鏡物鏡，旋轉目鏡、伸縮鏡筒使望遠鏡如下：（1）先轉動載物臺觀察三棱鏡兩個反射面是否都能看到反射十字像，還是能看到一個面反射的十字像，如果有一個面能看到，則先調節看不到的那一面；（2）采用二動法調節，看到十字像出現在視野中后，調節載物臺上離觀察者最近的那顆螺絲，例如觀察圖1中的BC面，則只調節c螺絲，采用減半調節法，使十字像從視野邊緣移動到離視野中心一半處，然后調節望遠鏡仰角螺絲，使十字像移動到視野中心；（3）再轉動載物臺，使望遠鏡對準另一個反射面，同樣采用減半調節法只調節載物臺上離自己最近的那顆螺絲和望遠鏡仰角調整十字像到視野中心位置；（4）再利用逐步減半法調節兩個鏡面反射十字像到上面叉絲位置．此時望遠鏡光軸和分光計中心軸線已經完全正交．

3 結語

在分光計實驗教學過程中，在目測粗調以后，利用“一看二動法”，學生能夠很快地找到小綠色十字像，再利用“減半逐步逼近法”進行細調，完成望遠鏡光軸和分光計中心軸線相互正交的過程，只需要10分鐘左右的時間．在華東理工大學物理實驗教學中心，我們對實驗班C51和D51的48名學生進行實踐教學，在實驗室關燈的情況下，利用本文介紹的“一看二動法”，約有40名學生能夠在10分鐘左右的時間內通過望遠鏡清晰地找到十字反射像以完成望遠鏡光軸與分光計中心軸線相互正交的調節，（專家意見：本文敘述的重點是“一看二動”快速調節方法，該方法省略了反光鏡而直接使用三棱鏡進行調節，但三棱鏡對亮十字的反射是比較弱的，實際實驗中學生是否能很快觀察到還有待商榷，因此請作者給出實際實驗教學中是實踐效果，例如通過對××班多少學生的教學實踐取得了什么樣的教學效果．）從而讓學生均有充足的時間完成后續的頂角和最小偏向角的測量等實驗內容，進一步提高學生的學習效率，培養學生對物理實驗的濃厚興趣．

參考文獻

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［2］ 蔣學華．測量透明液體折射率的一種實驗方法［J］．大學物理，2002，21（5）：33－34．

［3］ 張兆奎，繆連元，張立．大學物理實驗［M］．北京：高等教育出版社，2011：102－104．

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［11］ 尤德紅．水平儀在分光計調節中的應用［J］．技術物理教學，2008，16（4）：43－44．

A METHOD FOR RAPIDLY ADJUSTING SPECTROMETERS

Xu Fei Zhu Jiangzhuan
（Department of Physics，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237）

AbstractIn the experiment of spectrometer adjustment，it is very important and difficult to adjust optical axis of telescope perpendicular to central axis of spectrometer．A simple and effective method called“one－looking and two－moving”is presented in this article for the problem of no reflected cross－shaped image visible that often appears in the experiment．According to this method，we rotate the cursor disc constantly while adjusting telescope pitch screw，and meanwhile we observe whether cross－shaped image appears in the visual field of the telescope．After the green cross image is found by the“one－looking and two－moving”method，the“bothhalf”method is used to do fine－tuning．With the help of the above methods，the efficiency of the experimental teaching is greatly improved．

Key wordsspectrometer；“one－looking and two－moving”method；rapidly adjusting；triple prism；“both－half”method

通訊作者：朱江轉，女，助理實驗師，主要從事物理實驗教學管理，研究方向為非線性光學．jzzhu＠ecust．edu．cn

作者簡介：許飛，男，實驗師，主要從事物理實驗教學管理，研究方向為ZnO薄膜的制備及光電性質研究．xfei＠ecust．edu．cn

收稿日期：2015－05－05