分光計調節過程的改進

趙欣

[廣州華立學院（原廣東工業大學華立學院），廣東廣州 511325]

分光計是一種精確測量角度的光學儀器，光學中的許多基本量，如折射率、波長、衍射角等可以直接或間接地用分光計來測定[1]。因此，分光計的結構與調整方法在光學儀器中具有代表性。但由于分光計的調節操作復雜、精度要求高，使得學生容易產生厭煩、懼怕心理，要求教師能夠發現學生的難點并采取相應的解決措施和辦法。在疫情影響下，學校教師錄制了相應的物理實驗教學視頻，可以引導學生課前查看提前預習，同時篩選網絡上的優秀教學資源分享給學生，這樣可以增加學生對實驗教學內容的熟悉程度。通過視頻，學生可以知道實驗的操作步驟，但在按照步驟調節的過程中仍然會遇到一些耗時的問題。本文在介紹分光計組成結構、原理的基礎上，針對調整過程中的兩個關鍵問題提出了相應具體的解決辦法[2]。

一、分光計的組成結構、原理

不同型號的分光計其組成結構基本相同，包括：望遠鏡、平行光管、載物臺、讀數裝置4個主要部分。本文以浙江光學儀器制造有限公司生產的JJYI型的分光計為例（圖1）。

圖1 JJYI 型分光計

（一）望遠鏡

分光計所用望遠鏡是阿貝式自準直望遠鏡（圖2），它由物鏡、分劃板和目鏡組成，如圖3所示。

圖2 望遠鏡實物圖

圖3 望遠鏡結構圖

望遠鏡的目鏡可用來觀測像和接收平行光，本次論文通過目鏡觀測像與分劃板橫刻線的位置關系來調節分光計。實驗時，首先通過聚焦于無限遠處，調節目鏡中的視場清晰，保證后續觀測無視差；打開小電珠的電源開關，在目鏡視場中觀察到亮“十”字，電珠的光線會通過望遠鏡筒，穿過物鏡經載物臺上雙面鏡反射，在目鏡視場中觀察到“十”字像。通過判斷“十”字像與分劃板“”的位置關系并調節分光計，最終使得“十”字像與分劃板“”的橫刻線對齊（圖4）。

圖4 “十”字像與分劃板“”的位置關系

（二）平行光管

平行光管是用來產生平行光的，平行光管的一端有一組消色差透鏡，另一端是一個可伸縮的套筒，套筒末端是寬度可調的狹縫，狹縫的寬度由其上的手輪控制。平行光管的傾斜角度由其水平調節螺釘來調節。

圖5 平行光管：實物圖（上）；機構圖（下）

（三）載物臺

載物臺是用于放置平面鏡、棱鏡以及光柵等光學元件的平臺。載物臺下方有三個調節螺釘，可以改變載物臺的高度和傾斜度（圖6）。

圖6 載物臺：側視圖（上）；俯視圖（下）

（四）讀數裝置

讀數裝置由刻度盤和游標盤組成，刻度盤量程為360°，最小刻度為30′，小于30′則用游標讀出。游標位于刻度盤內側，分度值為1′，相隔180°處有兩個游標。

圖7 讀數裝置

二、分光計的調節問題

（一）雙面鏡兩側均觀測到“十”字像

在操作過程中，大部分學生通常僅在雙面鏡一側看到“十”字像就盲目地進行“望遠鏡主光軸與中心軸垂直”的操作，這有可能造成載物臺的傾斜嚴重，導致雙面鏡旋轉180°看不到像，進行多次無效操作從而浪費時間。教師需要向學生強調按照實驗步驟進行的重要性，清楚每步實驗操作的目的及其意義。要達到雙面鏡兩側均觀測到“十”字像的目的，就要求粗調過程必須實現望遠鏡主光軸、載物臺、平行觀光管的三線平行關系。但學生通過肉眼判斷調整的結果往往不理想，無法實現在望遠鏡的視野中觀測到像。可以利用實驗室的氣泡水平儀進行判斷，解決這一問題。

首先將氣泡水平儀置于實驗桌面上，確保操作平臺的水平；接著將氣泡水平儀分別置于讀數刻度盤的兩側，通過調整底座，實現分光計整體與地面的水平關系；最后將氣泡水平儀放置在載物臺的中央，調整載物臺下的三個螺絲釘，使載物臺變得水平。在以上三個水平調整的基礎上，參考分光計上的結構框架，調整望遠鏡、平行光管中心軸線水平。通過借助氣泡水平儀，避免了學生無參考調整的操作問題，為后續的實驗操作打好基礎。

（二）調整望遠鏡主光軸與中心軸垂直

實現分光計的望遠鏡主光軸與中心軸的垂直是使用分光計測量光學物理量的前提，這一步的常用調整方法稱為：“二分法”或“各半分法”。在判斷視野中“十”字像與分劃板“”位置關系的基礎上，通過對應地調整望遠鏡仰望角螺釘或者雙面鏡的前（后）的螺釘，以達到實驗目的。但學生在實驗操作過程中會出現如下問題：

1.學生能夠理解這種調節螺釘的理論，但操作時容易遺忘調節的對象；

2.在完成雙面鏡兩側均觀測到“十”字像，并且雙面鏡A面對應的“十”字像與分劃板“”橫刻線重合，雙面鏡旋轉180°后，B面卻無法觀測到“十”字像。這是由于用“二分法”調整時，學生只調節單個螺釘，導致載物臺出現了明顯的傾斜所致；

通過測試不同的調節辦法，將“二分法”中調節載物臺螺釘“十”字像向分劃板“”逼近一半距離的方法，更改為調整雙面鏡A面的前、后2個螺釘分別向參考線逼近四分之一的方法（圖8）。具體操如下（圖9）：

圖8 雙面鏡A 面對應的前后螺釘

圖9 具體操作

1.首先調整雙面鏡A面的前螺釘，使得“十”字像向分劃板“”逼近的距離；

2.接著調整雙面鏡A面的后螺釘，使得“十”字像向分劃板“”逼近的距離；

3.在完成以上操作后，最后調整望遠鏡的仰望角螺絲釘，使得“十”字像向分劃板“”逼近的距離，完成A面的“十”字像與分劃板“”的一條橫刻線重合。

4.雙面鏡旋轉180°，B面的調整同上。這樣僅需2～3次就可以完成整望遠鏡主光軸與中心軸垂直的調整，減少了實驗操作的時間，有效避免上述問題的發生。

三、總結

分光計的調節是光學實驗中的難點，解決調整過程中的“兩個關鍵問題”就可以幫助學生迅速調好分光計。針對學生操作中的難點，借助水平儀提高了望遠鏡、載物臺、平行觀光管三線平行的準確度，細化“各半分法”中載物臺螺釘的具體調節辦法，減少了重復且盲目的調整過程，增強了學生克服復雜操作的信心，培養學生發現問題、解決問題的能力，從而提升實驗教學效果。