解析分光計快速調(diào)節(jié)的難點與技巧

王愛芳，劉芬，牛晨陽，牟奇，苗智淵

(山東大學 空間科學與物理學院，山東 威海 264209)

0 引言

分光計是一種用于精確測量角度的光學儀器，在光學測量中占有非常重要的作用.例如，對三棱鏡頂角、棱鏡折射率、光波波長和光柵常數(shù)的測量等一系列實驗中都使用了分光計.要想獲得精確的測量結果，必須要嚴格調(diào)整好儀器.但分光計需要調(diào)節(jié)的部件繁多，較其它光學儀器在調(diào)節(jié)上更為復雜，往往需要花費很長一段時間才能完成分光計的調(diào)整.所以，高效地調(diào)節(jié)分光計既是相關實驗的重點又是難點，如何化解這個難點，降低儀器調(diào)節(jié)的操作難度，成為提高實驗效率的關鍵所在.

圖1 分光計結構示意圖

1 分光計調(diào)節(jié)過程中的難點與改進方法

分光計主要由五部分組成，如圖1所示，由下至上依次是：三角底座、讀數(shù)盤、載物臺、望遠鏡與平行光管.三角底座和讀數(shù)盤與中心主軸垂直.分光計的調(diào)整主要包括對讀數(shù)盤、載物臺、望遠鏡與平行光管所在的平面進行調(diào)整，只有使各部件與中心主軸垂直并相互保持平行，才能保證測量的準確性.下面我們主要從六個方面逐一解析調(diào)節(jié)過程中可能遇到的困難和解決辦法.

1.1 在底座上添加水平調(diào)節(jié)螺釘并在讀數(shù)盤上嵌入水平儀

在分光計的調(diào)節(jié)中(尤其是初次使用)，經(jīng)常會遇到這樣的情況：無論如何調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘，都不能把載物臺調(diào)至水平.主要是由于分光計的底座本身不水平，導致儀器中心轉軸傾斜造成的，而這一點在分光計的調(diào)節(jié)中往往被忽視.底座不水平容易造成實驗無法完成，因此應在分光計底座的每個底腳上添加一個水平調(diào)節(jié)螺釘，并在分光計讀數(shù)盤上嵌入水平儀.在調(diào)節(jié)分光計時，首先調(diào)節(jié)分光計底座上的水平調(diào)節(jié)螺釘，保證讀數(shù)盤上的水平儀水平(注意此處確保讀數(shù)盤360°旋轉過程中水平儀始終保持水平)，此時儀器中心轉軸便與水平面垂直，讀數(shù)盤也同時達到水平.

1.2 添加、改進輔助裝置，保證粗調(diào)快速完成

分光計的調(diào)節(jié)步驟分為粗調(diào)和細調(diào)，粗調(diào)的目的是使分光計的望遠鏡光軸大致垂直于儀器的中心轉軸，通過望遠鏡能看到經(jīng)雙面反射鏡反射回來的綠十字像[1].然而，粗調(diào)僅僅是一個籠統(tǒng)的要求，并沒有提供具體的調(diào)節(jié)方法，而實際操作時綠十字像經(jīng)常不能出現(xiàn)在望遠鏡的視場中.為了解決這個難題，我們提出了如下改進方法.

1.2.1 在分光計的載物臺上嵌置水平儀

分光計底座的水平調(diào)節(jié)完成后，再調(diào)節(jié)分光計載物臺上的調(diào)平螺釘，使載物臺上的水平儀氣泡調(diào)至中心，此時載物臺水平.再把水準儀放在望遠鏡筒的上面，調(diào)整望遠鏡筒水平，完成粗調(diào).此時在載物臺上放置雙面反射鏡，綠十字像一般都會出現(xiàn)在望遠鏡的視野中，然后再進一步細調(diào).此方法的優(yōu)點是實驗操作步驟簡單，操作性強.

1.2.2 添加一個與望遠鏡筒共軸的激光輔助調(diào)節(jié)裝置

激光輔助調(diào)節(jié)裝置是依據(jù)光的反射定律設計的，只要將與望遠鏡筒光軸平行的激光投射到雙面反射鏡上，操作者就能直觀地觀察到經(jīng)雙面反射鏡反射回的反射光點，并根據(jù)反射光點的位置進行調(diào)節(jié)，詳見參考文獻[2].此方法的優(yōu)點是在分光計的調(diào)節(jié)中能得到有效的反饋信息，使實驗操作的目的性更強.

1.2.3 擴大望遠鏡的視場范圍

望遠鏡用廣角物鏡頭，使觀測范圍變大，觀測到反射綠十字像的幾率提高.

1.3 在載物臺上添加輔助線

在分光計的細調(diào)中，經(jīng)典教材通常要求平面鏡與載物臺螺釘間的連線平行或垂直放置[3]，但是在載物臺上并沒有明顯的標志供利用，僅僅用肉眼大致判斷是很不準確的，這增加了實驗調(diào)節(jié)難度.所以為了細調(diào)時能在載物臺上準確放置雙面反射鏡和三棱鏡，可以在載物臺上添加了ab、bc、ca三條輔助線，如圖2(a)所示.在輔助線的幫助下可以方便準確地把平面鏡放在適當位置，圖2(b)表示雙面反射鏡與螺釘連線ab平行時的放法，圖2(c)表示平面鏡與螺釘連線ab垂直時的放法.

1.4 規(guī)范三棱鏡放置位置

當調(diào)平三棱鏡時，望遠鏡光軸已調(diào)好，光軸俯仰調(diào)節(jié)螺釘不能再調(diào)動，只能靠載物臺下的三顆螺釘來完成三棱鏡調(diào)平操作，因此三棱鏡放置位置就顯得至關重要.有了ab、bc、ca三條輔助線，可以比較容易的放置三棱鏡，使ab垂直BC，如圖3所示.當折射面BC正對望遠鏡時調(diào)節(jié)連線與其垂直的兩顆螺絲a和b，而當望遠鏡對準折射面AC時，則只調(diào)節(jié)另外一顆螺絲c，這樣可以做到在調(diào)整一個折射面時，盡量減少對另一個面的影響，提高調(diào)節(jié)的效率.

1.5 采用“分別調(diào)節(jié)法”進行細調(diào)

細調(diào)就是把雙面反射鏡兩面反射回來的綠十字像都調(diào)整到上十字叉絲的位置.很多教材都介紹了“各半調(diào)節(jié)法”[4]，這種方法是指在不知道望遠鏡與載物臺的傾斜度各占多少比例的情況下，假定二者各占一半，然后對二者進行反復調(diào)節(jié).這種調(diào)節(jié)的目的性差，耗費時間長.

其實雙面反射鏡的兩個面反射回來的綠十字像不在上十字叉絲交點，是可以準確找到原因所在的.如果載物臺面與度盤面是平行的，則雙面反射鏡的兩個面與度盤面都是垂直關系，兩個面對于同一入射光線的入射角都是相同的，在望遠鏡鏡筒里觀察到的雙面鏡兩個面反射回來的綠十字像應處于分劃板的同一高度.如果兩個面反射回來的像不處于同一高度，則說明鏡面與度盤面是不垂直的.所以雙面鏡兩面反射的綠十字像在分劃板上是否處于同一高度，反映著鏡面與讀數(shù)盤面是否垂直；綠十字像是否處在分劃板上十字叉絲處，則反映著鏡面與望遠鏡光軸是否達到垂直[5].

圖5 分別調(diào)節(jié)法示意圖

根據(jù)以上原理可利用“分別調(diào)節(jié)法”調(diào)節(jié)分光計.首先，對分光計的分劃板進行改進，設計成如圖4所示樣式.在圖4中以分劃板中央水平線為零點，以中央豎直線為軸建立一個坐標系，并標出刻度.假設在雙面反射鏡的鏡面與度盤面不垂直，同時望遠鏡光軸與度盤面也不平行的情況下.先調(diào)節(jié)雙面反射鏡的鏡面使之與度盤面垂直，如圖5所示.設某一面反射的綠十字像位于圖5(a)所示位置x1,另一面反射的綠十字像位于圖5(b)所示位置x2.調(diào)節(jié)螺絲使綠十字像位于圖5(c)所示位置(x1+x2)/2處，則另一面反射的綠十字像也必然位于此位置，即雙面鏡的鏡面已經(jīng)與度盤面垂直.接下來再調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與鏡面垂直，即調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜螺絲，使綠十字像位于分劃板上十字叉絲即可.

1.6 游標編號

為了消除偏心差，游標盤上設置了兩個游標，因此對應起始位置有兩個讀數(shù)，轉動以后也有兩個讀數(shù).但在實際讀數(shù)過程中，由于兩個游標并沒有明顯的標識，容易混淆，使計算結果出錯.為此，分別給兩個游標分別標注上“1”和“2”，可避免因兩個游標混淆引起的錯誤.而且有了明顯的標識，只要確保同一游標的兩次讀數(shù)都用相同的下標表示，就可避免混亂.

2 結語

關于分光計的調(diào)節(jié)和使用一直以來都是實驗的重點、難點，本文詳細歸納了實驗過程中出現(xiàn)的困難并給出了相應的既合理又快速的解決方法，以保證在規(guī)定學時內(nèi)順利完成實驗.

[1]王小懷.分光計調(diào)節(jié)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.

[2]夏湘芳,陳光偉,李陵伶.分光計的激光輔助調(diào)節(jié)裝置[J].物理實驗,2007,27(4):34.

[3]王愛芳,楊田林.普通物理實驗[M].青島:中國海洋大學出版社，2007.

[4]謝銀月.分光計調(diào)整方法的改進[J].物理與工程,2010,20(4):36.

[5]賈虎.分光計的一種新調(diào)節(jié)方法及儀器的改進[J].物理與工程,2009,19(5):27.