基于各半調(diào)節(jié)法的分光計(jì)調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)

陸　劍，周　群，蔡雄祥

(上海理工大學(xué)，上?！?00093)

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基于各半調(diào)節(jié)法的分光計(jì)調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)

陸劍，周群，蔡雄祥

(上海理工大學(xué)，上海200093)

分光計(jì)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。分光計(jì)是精密測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角度的儀器。其實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)就是儀器的調(diào)節(jié)，其難點(diǎn)就是望遠(yuǎn)鏡光軸與載物平臺(tái)法線垂直的調(diào)節(jié)。本文就是基于各半調(diào)節(jié)法對(duì)其調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)。運(yùn)用本文的方法調(diào)節(jié)能夠很快地將分光計(jì)調(diào)節(jié)到位。

分光計(jì)；望遠(yuǎn)鏡；載物平臺(tái)；各半調(diào)節(jié)法

分光計(jì)是精確測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角度(包括反射角、折射角、衍射角等等)的儀器，也稱測(cè)角儀，很多光學(xué)儀器(光譜儀、單色儀等)的基本結(jié)構(gòu)都是以它為基礎(chǔ)的[1]。分光計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。要想實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，需要把儀器經(jīng)過一系列精確的調(diào)節(jié)。由于并且分光計(jì)上有很多調(diào)節(jié)螺釘，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，調(diào)節(jié)精確度要求高,很多學(xué)生第一次接觸該儀器，都不清楚如何調(diào)節(jié)，因此分光計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中儀器的調(diào)節(jié)是該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

分光計(jì)儀器主要有四個(gè)組成部分：望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物平臺(tái)和讀數(shù)窗口。精確調(diào)節(jié)的目標(biāo)是：望遠(yuǎn)鏡能觀察平行光，平行光管產(chǎn)生平行光，望遠(yuǎn)鏡與平行光管軸線處在同一水平線，并且都與載物平臺(tái)的法線垂直[2]。主要的調(diào)節(jié)步驟分為兩部分：先調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與載物平臺(tái)法線垂直，再調(diào)節(jié)平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡重合。望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括目鏡、分劃板、小燈泡、全反射鏡、物鏡、傾斜度調(diào)節(jié)螺釘。分劃板的坐標(biāo)如圖2所示，圖中最下方是十字光源，坐標(biāo)軸水平方向有兩條，豎直方向只有一條，同時(shí)十字光源和上方的水平線到中央水平線的距離相等。望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)原理是自準(zhǔn)直法，即小燈泡照亮十字產(chǎn)生十字光源，經(jīng)雙面反射鏡返回望遠(yuǎn)鏡的分劃板上，通過判定返回十字像的位置來判定望遠(yuǎn)鏡光軸和平面鏡法線的位置。當(dāng)雙面反射鏡正反面返回的十字像都落在上方的水平線上時(shí)即說明此時(shí)兩者垂直。很多學(xué)生在一開始就會(huì)出現(xiàn)看不到反射回來的十字像。主要原因就是載物平臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡的水平的粗調(diào)沒調(diào)好，由于望遠(yuǎn)鏡的視角范圍很小，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡和稍微偏離一些，反射回來的十字像就落在望遠(yuǎn)鏡的視野范圍之外。關(guān)于分光計(jì)的調(diào)整方法有很多種[3-11]，本文所采用的調(diào)節(jié)方法是基于各半調(diào)節(jié)法的一點(diǎn)改進(jìn)。下面就簡(jiǎn)單介紹一下望遠(yuǎn)鏡光軸與載物平臺(tái)法線垂直的調(diào)節(jié)方法。

圖1　望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　分劃板的坐標(biāo)示意圖

2　望遠(yuǎn)鏡光軸和載物平臺(tái)法線垂直的調(diào)節(jié)方法

2.1粗調(diào)

首先放置平面鏡。平面鏡放置之前先要轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)上方的薄層，使薄層表面的三條直線與下方的三顆水平調(diào)節(jié)螺釘對(duì)齊，將雙面反射鏡沿著某一條直線對(duì)齊置于載物平臺(tái)的正中央。如圖3所示，圖中紅色的虛線圓表示下方水平調(diào)節(jié)螺釘?shù)奈恢?。借助著三條直線就能使平鏡壓著一顆水平調(diào)節(jié)螺釘，處在另外兩顆水平調(diào)節(jié)螺釘?shù)倪B線的中垂線上。我們就可以通過調(diào)節(jié)載物平臺(tái)雙面反射鏡前后的這兩顆螺釘來細(xì)調(diào)載物平臺(tái)的水平。粗調(diào)載物平臺(tái)的水平很簡(jiǎn)單，只要調(diào)節(jié)載物平臺(tái)下面的三顆水平調(diào)節(jié)螺釘使載物平臺(tái)上方的薄層與下方的厚層緊密的貼合在一起，不留狹縫。因?yàn)樽烂媸谴笾滤降模@么做要比課本上使載物平臺(tái)薄層與厚層等厚的操作方法要簡(jiǎn)單的多。

圖3　平面鏡在載物平臺(tái)的放置位置示意圖

其次粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡的光軸。眼睛從側(cè)面水平方向觀察望遠(yuǎn)鏡，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘，使望遠(yuǎn)鏡光軸大致水平。同樣可以借助水平儀輔助調(diào)節(jié)[3]。另外要將望遠(yuǎn)鏡的棱鏡套筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，使十字光源落在望遠(yuǎn)鏡的水平軸的右側(cè)，如圖4所示，這樣是為了防止十字光源遮住返回的十字像。

圖4　逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度之后的分劃板坐標(biāo)示意圖

最后轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)，尋找十字光源經(jīng)雙面反射鏡正反面返回的十字像。要求是在望遠(yuǎn)鏡中能夠看到平面鏡正反面返回的十字像。注意尋找十字像的時(shí)候，先轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)(下方的厚層)使平面鏡與望遠(yuǎn)鏡水平方向大致垂直，接下來觀察望遠(yuǎn)鏡，載物平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度要慢一些，因?yàn)橹挥挟?dāng)平面鏡與望遠(yuǎn)鏡在水平方向嚴(yán)格垂直的時(shí)候才能看到十字像。如果此時(shí)只能看到一個(gè)面返回的十字像或者一個(gè)都看不到，那就要重新粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡鏡筒。只有看到兩個(gè)面返回的十字像，說明粗調(diào)已經(jīng)調(diào)節(jié)完畢，才能進(jìn)行接下來的細(xì)調(diào)。

2.2細(xì)調(diào)

當(dāng)把十字光源轉(zhuǎn)到水平軸的右側(cè)時(shí)，平面鏡和望遠(yuǎn)鏡垂直的判定依據(jù)要隨之改變，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸和平面鏡豎直方向垂直的判定依據(jù)是平面鏡正反面返回的十字像要都落在水平軸上。

細(xì)調(diào)的調(diào)節(jié)方法是以各半調(diào)節(jié)法為基礎(chǔ)的。所謂各半調(diào)節(jié)法是通過載物平臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡兩者組合調(diào)節(jié)，每次各調(diào)節(jié)總誤差的一半，又稱1/2調(diào)法[11]。本文的細(xì)調(diào)過程，為了簡(jiǎn)便起見，載物平臺(tái)每次只調(diào)節(jié)平面鏡前下方的那顆水平調(diào)節(jié)螺釘，以及望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘這兩部分。同時(shí)還需注意，之前粗調(diào)載物平臺(tái)的水平時(shí)已經(jīng)將載物平臺(tái)薄層與厚層貼在一起，所以載物平臺(tái)前下方的這顆螺釘只能向上調(diào)，不能向下調(diào)，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)十字像的位置是只能將十字像向上調(diào)不能向下調(diào)。所以這邊細(xì)調(diào)的總規(guī)則是：當(dāng)返回的十字像位于水平軸的上方時(shí)，只能調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡使十字像落在水平軸上；當(dāng)十字像位于水平軸下方時(shí)，采用各半調(diào)節(jié)法使十字像落在水平軸上。

同時(shí)注意粗調(diào)是看到的兩個(gè)十字像的位置可能出現(xiàn)三種情況：1水平軸的上方、下方各一個(gè)；2兩個(gè)都在水平軸的上方；3兩個(gè)都在水平軸的下方[5]。對(duì)應(yīng)3種情況的調(diào)節(jié)次序不一樣。如果是一上一下，調(diào)節(jié)次序無關(guān)，只要遵循前面細(xì)調(diào)的總規(guī)則就行。如果是落在水平軸的同一側(cè)，就要先調(diào)誤差大的十字像。如出現(xiàn)圖5(2)所示的情形時(shí)，就要先調(diào)節(jié)最上方的十字像，通過轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘使十字像下降到水平軸上；如出現(xiàn)圖5(3)的情況，就先調(diào)節(jié)最下方的十字像，用各半調(diào)節(jié)法，通過轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘和載物平臺(tái)平面鏡前下方的螺釘使十字像上升到水平軸上。接下來就是按照細(xì)調(diào)的規(guī)則調(diào)節(jié)平面鏡正反面的十字像，一面調(diào)好轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)180度，再調(diào)平面鏡另一面返回的十字像，這樣重復(fù)2-3次基本都能將平面鏡正反面返回的兩個(gè)十字像調(diào)到水平軸上。當(dāng)兩個(gè)十字像都在水平軸上時(shí)，就說明望遠(yuǎn)鏡光軸與平面鏡在豎直方向是垂直的，接下來再調(diào)節(jié)水平方向的垂直時(shí)，只要轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)使十字像落在左側(cè)短Y軸與水平軸交點(diǎn)即可，此時(shí)說明平面鏡與望遠(yuǎn)鏡光軸完全垂直。

圖5　平面鏡正反面返回的兩個(gè)十字像的位置可能出現(xiàn)的三種情況

3　結(jié)　　論

本文關(guān)于望遠(yuǎn)鏡與載物平臺(tái)法線垂直的調(diào)節(jié)方法是在各半調(diào)節(jié)法的基礎(chǔ)上作了一些細(xì)節(jié)的改進(jìn)，運(yùn)用本文所說的方法大部分學(xué)生都能在粗調(diào)之后看到兩個(gè)十字像，接下來的細(xì)調(diào)就能夠比較容易的完成。至此分光計(jì)實(shí)驗(yàn)的最難部分就可以調(diào)節(jié)完畢，接下來的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就可以順利完成。

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The Improvement of the Spectrometer AdjustmentMethodBasedonHalfAdjustmentMethod

LU Jian,ZHOU Qun,CAI Xiong-xiang

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)

Spectrometerexperimentisanimportantpartofuniversityphysicsexperiment.Spectrometerisaprecisioninstrumentmeasureslightdeflectionangle.Thefocusofthisexperimentistheadjustmentoftheinstrument,thedifficultytoadjusttheopticalaxisoftelescopeandthenormalaxisofcarry-thingplatformtomakethemperpendiculartoeachother.Thisarticleistomakesomeimprovementbasedonthehalfadjustment.Spectrometercanbequicklyadjustedwiththemethodmentionedinthepaper.

spectrometer；telescope；carry-thingplatform；halfadjustment

2016-02-26

上海市教委重點(diǎn)課程項(xiàng)目(1K-16-204-001)；上海理工大學(xué)“精品本科”教學(xué)改革項(xiàng)目(2015-JPBKZ-017)

1007-2934(2016)04-0036-03

O4-33

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.012