分光計調節(jié)方法改進及實驗誤差分析

李翌光　陳澤民　陳康

[摘 要]本文的則是通過傳統(tǒng)的分光計的調節(jié)測量方法以及大學生在做實驗時實際上遇到的一些操作上的問題，提出了一些針對分光計調節(jié)方法上的改進以及相應的誤差分析，則可以大大的加快實驗進程，節(jié)約了教學時間。讓新手更容易的接受和掌握分光計的調節(jié)方法。

[關鍵詞]分光計；調節(jié)方法；誤差分析

中圖分類號：O657.31 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0299-01

1 分光計的調節(jié)要求

分光計作為一種非常精密的光學測量儀器，它的實際調節(jié)操作相當?shù)碾y。不過就理論上而言，它需要達到的要求很簡單，簡單來說就是“三平行”而已，即三個平面：觀察平面（望遠鏡在旋轉時形成的）、光路平面（入射光線和折射光線形成的待測光路）以及讀數(shù)平面（刻度盤和游標盤之間形成的），這三個平面之間需要使得觀察平面和光路平面都要與讀數(shù)平面平行。

這是理論上的要求，但是實際上由于設備在制造時，讀數(shù)平面就已經與分光計的中心軸垂直了，所以，這時候就是要求調節(jié)觀察平面以及光路平面都要與分光計的中心軸垂直才能使得三個平面之間相互平行。因此，就實際操作而言，就必須使得望遠鏡光軸、平行光管光軸垂直于分光計的中心軸，而待測元件（如三棱鏡）的光學平面就必須平行于分光機的中心軸。

2 傳統(tǒng)方法中存在的問題

分光計的傳統(tǒng)方法可以看出[1-3]，其存在相當大的缺陷的，就是出現(xiàn)在第二步中的望遠鏡的調節(jié)當中。由“逐次各半逼近法”得知，此法需要不斷的重復的調節(jié)載物臺旋轉180°，所以由此看出，“逐次各半逼近法”是一個理論上的操作，就相當于數(shù)學當中的積分一樣，它只是個理論值，無法真正意義上的達到我們測量上要求的精準程度；而且旋轉載物臺180°在理論上也是存在缺陷的。下述將進行理論上的推到：

如圖1所示，我們假設載物臺與分光計中心法線不垂直的情況下，載物臺的中心法線為，我們可以將其分解為順著望遠鏡方向的，以及垂直于望遠鏡方向的。根據(jù)分光計傳統(tǒng)調節(jié)方法中的用“逐次各半逼近法”來調節(jié)望遠鏡中心法線垂直于平面鏡的步驟中，我們是通過調節(jié)載物臺旋轉180°，從而調節(jié)平面鏡的另一面。在這里我們可以看出，當載物臺旋轉180°時，我們的和都發(fā)生著對稱的變化。也就是，當我們通過“逐次各半逼近法”完成調節(jié)之后，實際上我們只能消除載物臺中心法線在平行于望遠鏡的方向上的分量，即此時：

（1）

此時，只需要望遠鏡垂直于平面鏡，反射回來的亮“十字”就能與分劃板上半部的十字劃線完全重合，從而造成調節(jié)達成目標的假象。而的值等不等于零相對于來說就顯得毫無作用了。也就是此時是望遠鏡垂直了平面鏡，但是載物臺卻沒有與分光計的中心法線垂直。此時，我們貌似達成了我們的調節(jié)要求，但是實際上并沒有完成我們的調節(jié)要求。

3 分光計調節(jié)方法的改進及誤差分析

3.1 分光計調節(jié)方法的改進

首先我們由第三節(jié)當中分析的分光計傳統(tǒng)調節(jié)方法存在的問題，可以知道分光計調節(jié)的第二步望遠鏡的調節(jié)當中應該是需要調節(jié)的二維分量和都應該為零，而調節(jié)載物臺旋轉180°的情況下只達到了的值為零，垂直分量卻出現(xiàn)了不作為的現(xiàn)象。所以在此調節(jié)步驟上做出的改進如下：

（1）消除分量。根據(jù)“逐此各半逼近法”調節(jié)使得望遠鏡與載物臺中心法線垂直；

（2）消除分量。如圖2，為提高調節(jié)精度，保持載物臺不動，旋轉望遠鏡90度，將雙面鏡置于載物臺上（圖中虛線所示）并對正望遠鏡觀察“十”字像位置，此時再旋轉載物臺180°觀察平面鏡兩面反射回望遠鏡的“十”字像。若此時反射回的亮“十字”已經出現(xiàn)在分劃板上的上半部十字劃線的對稱位置，則只需要調節(jié)螺絲E使得“十字”出現(xiàn)在分劃板的十字劃線高度上就能消除分量。否則就需要調節(jié)螺絲E和望遠鏡的俯仰螺絲進行各半調節(jié)達到要求。

只有達到我們兩個分量都等于零時，我們就能保證望遠鏡的中心軸以及載物臺的臺面都與分光計的中心法線的嚴格意義上的垂直。

分光計調節(jié)方法在此改進之后，在學生實際操作當中能夠減少很多麻煩。消除了調節(jié)完望遠鏡之后進行測量時在望遠鏡視場當中看不到十字反射像的現(xiàn)象。也避免了學生在換上棱鏡時同樣的出現(xiàn)看不到反射像的結果。

3.2 改進調節(jié)方法的誤差分析

誤差分析是一個實驗做完之后最重要的一個必不可少的步驟，它是用來檢驗我們實驗值與理論值之間的差距。而一個實驗如果沒有進行誤差分析，它的值的存在即使很接近我們的理論值，也不能證明我們的真理，而此實驗的存在也就毫無意義可言了。而本文分光計調節(jié)方法的改進之后的誤差分析和原來的差不多，都是在三個方面進行分析的：1.系統(tǒng)存在的誤差；2.調節(jié)方法的誤差；3.讀數(shù)帶來的誤差；4.計算產生的誤差。

（1）系統(tǒng)存在的誤差。

系統(tǒng)本身存在的誤差主要是指儀器方面的。例如，上述的改進方法中，將平面鏡貼著三棱鏡進行觀察。在這里我們就需要要求我們的三棱鏡在做工上面需要三棱鏡的鏡面平整，以及三棱鏡與載物臺之間成90°的直角。然后平面鏡也需要做到一樣的要求才能代替三棱鏡的鏡面。它們之間不能有任何空隙，及角度。

（2）調節(jié)方法帶來的誤差。

在調節(jié)過程中，我們首先需要目測望遠鏡的平行程度，也就說明我們的望遠鏡的平行也會帶來很大的誤差，因為這只是簡單的目測完成的，并不能標準化。第二，我們需要通過望遠鏡觀察反射像的對稱情況，同理這也導致了誤差的存在。

（3）讀數(shù)帶來的誤差。

由于分光計是采用游標卡尺進行讀數(shù)的，所以在游標分度與主尺上分度對準時的選擇肯定帶來了一定的誤差。

（4）計算產生的誤差。

計算當中由于我們需要進行各種估算值，以及近似值，所以計算也會帶來相當一部分的誤差。

結論

本文首先提出了此文的研究意義，以及其研究方向。再就說明了分光計的概念和用途、基礎結構以及其各部件的名稱和用途。然后通過大量的書籍和實驗熟知分光計的傳統(tǒng)調節(jié)方法當中存在的不足之后，再結合大學生在做實驗當中實際操作過程中所遇到的問題，尋求一種更加簡便，精確的辦法。最后本文通過大量的實驗得出的經驗以及數(shù)據(jù)上的分析得出了一個更加簡潔，容易操作與教學的分光計的調節(jié)方法。

參考文獻

[1] 趙青山，呂衛(wèi)星，趙學民.大學物理實驗[M].合肥：中國科技大學出版社，1993.

[2] 周殿清.大學物理實驗[M].武漢：武漢大學出版社，2002.

[3] 葛松華，唐亞明.大學物理實驗教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.