分光計實驗中的載物臺傾斜問題研究

董雪藺

（常熟理工學院物理與電子工程學院，江蘇常熟 215500）

分光計實驗中的載物臺傾斜問題研究

董雪藺

（常熟理工學院物理與電子工程學院，江蘇常熟 215500）

針對學生在分光計實驗中提出的載物臺傾斜問題，通過理論分析與實驗驗證得出載物臺傾斜程度與可能產生的誤差之間的對應關系，并提出應如何引導學生去處理類似的問題。

分光計；載物臺；三棱鏡頂角；實驗教學

分光計是一種精密的測角儀，在測量之前必須按要求將分光計調整到可測量狀態(tài)。而所謂的可測量狀態(tài)，就是利用三棱鏡或平面鏡將觀察平面與讀值平面調節(jié)至相互平行，即載物臺平面（對應于觀察平面）應平行于刻度盤所在平面（對應于讀值平面）。而在實際過程中，即使完全按照實驗要求進行操作，也無法保證二者的嚴格平行。那么這種“不平行”將對測量結果產生多大的影響呢？筆者對此進行了分析研究，并指出了應當如何引導學生做好這一實驗。

一、理論分析

自準法測量三棱鏡頂角是一個典型的測角實驗，其原理如圖1所示。按要求將三棱鏡置于載物臺上，用“二分之一法”仔細調節(jié)望遠鏡的傾角和載物臺下的三個螺釘，使望遠鏡位于T1、T2位置時，其光軸DO 與OE都能與三棱鏡的反射面AB和AC相垂直。此時，通常認為分光計的載物臺平面和讀值平面就達到了相互平行。而望遠鏡從T1到T2所轉過的角度φ就等于三棱鏡頂角A的補角，即A=1 8 00—φ。但在實驗操作中，由于存在各種系統(tǒng)誤差或其它原因，故而不能保證望遠鏡光軸掃過的平面（觀察平面）與讀值平面嚴格平行，即載物臺平面與刻度盤平面間存在一個夾角β。因而，望遠鏡光軸所轉過角度φ0并不等于通過在刻度盤上讀數(shù)再作計算得出的值φ。下面分析φ0和φ二者之間的具體關系，并估計由此帶來的測量誤差。

T 圖1 分光計的測角原理

如圖2所示，設載物臺傾斜角度為β，∠C A D= φ0為望遠鏡實際轉過的角度，∠C B D=φ為∠C A D =φ0在刻度盤平面內的投影。

圖2 實際角與其投影的關系

現(xiàn)以測量三棱鏡頂角為例來說明。設待測三棱鏡實際頂角A=6 0°，相應的補角φ0=1 2 00，傾角β取不同數(shù)值時可得到測量數(shù)據如表1：

從表1中可看出，隨著傾角β的增大，理論上可能產生的誤差也越大。其中β=2°時，理論上可能產生的誤差在［-1′49″，54″］之間。而一般情況下，依據人眼的分辨力，當物體傾斜的角度大于2°，人眼就能感覺出傾斜了。因此在實驗中雖然無法保證將載物臺調節(jié)至與刻度盤平面嚴格平行，但是結合人眼對載物臺平面的觀察能夠將由此產生的測量誤差控制在一個很小的范圍內。

二、實驗驗證

三、問題總結

在分光計測量三棱鏡頂角這一實驗中，依照實驗原理的要求，望遠鏡轉過的平面與載物臺平面相平行。但是在實際的實驗操作中，即使嚴格運用二分之一調節(jié)法進行調節(jié)也無法保證兩個平面嚴格平行，由此可能引入一定的誤差。通過以上的理論分析與實驗驗證可知,載物臺越是傾斜，相應的三棱鏡頂角測量值的誤差也會隨之增大。但是依據人眼的分辨力，當傾斜角度大于2°時，人眼就能夠觀察到載物臺的傾斜，從而采取措施予以調整，因此在實際操作中采用二分之一調節(jié)法再結合人眼對載物臺水平狀況的監(jiān)督，雖然無法做到使載物臺平面嚴格平行于刻度盤平面，但仍能將測量誤差控制在可接受的范圍內。

表1 不同傾角β下理論上可能產生的測量誤差范圍

表2 人眼觀察到載物臺水平的前提下的實驗數(shù)據

四、教學改革

在實際的實驗教學中除了指導學生按書本上的要求完成實驗外，還應引導學生開動腦筋，多提出實驗中可能存在的問題以及驗證與解決的方法。

以分光計實驗為例，載物臺的傾斜問題是較容易被發(fā)現(xiàn)的，就此可按以下幾步來引導學生：

（1）在講解完實驗原理和二分之一調節(jié)法后提出問題，讓學生思考一下二分之一調節(jié)法是否能夠滿足本實驗所要求的嚴格平行；

（2）如果無法滿足那么會對測量結果產生怎樣的影響，就此讓學生自己設計實驗步驟來予以驗證；

（3）對所得的數(shù)據進行分析比較得出結果；

（4）實際的實驗中如何來避免這一誤差，如果無法避免又應對結果進行怎樣的修正，使測量結果更加接近實際值。

總之，整個過程應以學生為主，教師只是從旁起輔導作用。要讓學生不再是機械的按照書本去做實驗，而是開動腦筋，更深入的參與到實驗中來，從而提高學生提出問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

［1］毛愛霞，劉匯慧，陳慶東.用分光計測量三棱鏡折射率的幾個問題［J］.大學物理實驗，2009，22（2）：35-37.

［2］張平.大學物理實驗［M］.南京：南京大學出版社，2008：90-91.

The Problem of Tilt Table in Spectrometer Experiment

DONG Xue-lan

(College of Physics＆Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

According to the problem of the tilt table in spectrometer experiment discovered by students,this paper analyzes the relations between the degree of the tilt table and the possible differences existing in the results of experiments from both theoretical analysis and experimental verification,which gives students good guidance for dealing with the similar problems.

spectrometer；stage;vertex angle of triple prism;experiment teaching

O435.2

A

1008-2794（2010）12-0113-03

2010-11-06

董雪藺（1978—），女，浙江余姚人，常熟理工學院物理與電子工程學院助教。