分光計調(diào)整的教學方法研究

王曉娟，楊秋英

(常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500)

分光計調(diào)整的教學方法研究

王曉娟，楊秋英

(常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500)

從分光計調(diào)整的特點和教學實踐出發(fā)，構(gòu)建思路清晰的調(diào)節(jié)流程圖。并針對其中的重點和難點，給出切實可行、高效簡潔的解決方法。通過這種方法能有效提高教學效果，實現(xiàn)分光計的準確快速調(diào)整。

分光計；望遠鏡；教學方法

分光計是一種分光和精確測量角度的精密光學儀器，在大學物理和專業(yè)光學實驗中都有廣泛應(yīng)用。分光計可以直接測量三棱鏡頂角、最小偏向角、光柵衍射角等。也可通過角度的測量來間接測定其他一些光學量，如光譜線波長、液體折射率、光柵常數(shù)等。分光計結(jié)構(gòu)特殊精密，使用之前必須經(jīng)過嚴格的調(diào)整才能得到精確的測量結(jié)果。因此，快速準確地將分光計調(diào)整至適合測量的狀態(tài)是后續(xù)實驗順利開展的基礎(chǔ)。另外，分光計的調(diào)整技術(shù)和應(yīng)用具有一定的代表性，攝譜儀、單色儀等許多光學儀器的基本結(jié)構(gòu)都以它為基礎(chǔ)，熟練掌握其調(diào)整方法對一般光學儀器的使用具有一定的借鑒[1-3]。分光計的調(diào)整一直是大學物理實驗教學的核心內(nèi)容之一。本文從分光計的教學實踐出發(fā)，總結(jié)有效的教學實施方案，特別針對調(diào)整過程中的關(guān)鍵點給出有效的解決方法，對教學實踐提供一定的參考。

1 實驗教學中的主要困難

分光計調(diào)整的教學之所以具有較大的難度，主要原因有兩個方面：一是儀器自身的特殊性；二是調(diào)整要求的復(fù)雜性。分光計結(jié)構(gòu)特殊，現(xiàn)象只能由操作者一人觀察，步驟繁多，調(diào)節(jié)精度要求高，學生在實際操作過程中通常感覺無從下手[4]。具體表現(xiàn)在分光計的調(diào)節(jié)螺絲很多，每個螺絲的位置和功能各不相同，需要根據(jù)調(diào)節(jié)目的作相應(yīng)的選擇，而同一個螺絲在不同的實驗階段也需要作相應(yīng)的鎖定或松動變化。學生在實驗過程中往往由于不熟悉儀器的各個部件而找不到需要調(diào)節(jié)的螺絲，或者調(diào)錯螺絲導致實驗失敗。因此，熟悉和了解分光計的基本結(jié)構(gòu)是不可忽視的第一步。至于調(diào)整要求的復(fù)雜性是由于分光計涉及的光學概念較多，原理也不直觀，在調(diào)整過程中如果沒有清晰的物理圖像，學生很難將實驗現(xiàn)象和調(diào)節(jié)要求聯(lián)系起來。只是盲目地按部就班，不知所以然。因此，授課教師須引導學生實現(xiàn)理論和實踐的相互轉(zhuǎn)化，將調(diào)整要求和調(diào)節(jié)目標聯(lián)系起來，鍛煉和培養(yǎng)學生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力。

常熟理工學院物理學基礎(chǔ)實驗中心面對全校理工科專業(yè)開放，采用網(wǎng)上自主選課的方式。學生根據(jù)自己的專業(yè)特點和時間安排，選擇不同的實驗項目和上課時間。因此，同一堂課上的學生大多來自不同的專業(yè)，物理基礎(chǔ)完全不同；同時，對于非物理專業(yè)的理工科學生來說，物理基礎(chǔ)不扎實是普遍現(xiàn)象，要在規(guī)定的學時內(nèi)完成分光計的調(diào)整和應(yīng)用兩部分內(nèi)容不是一件容易的事情。對于授課教師而言，一方面要讓學生理解基本的光學原理、掌握分光計的調(diào)節(jié)方法；同時還要兼顧學生的不同學科背景和基礎(chǔ)，做到因材施教。無論從學生還是教師的角度而言，實現(xiàn)分光計的快速調(diào)整，化解難點，提高效率，是后續(xù)實驗成功的關(guān)鍵所在。

2 分步實施的教學方法

為了讓學生能在較短的時間內(nèi)熟悉儀器的基本結(jié)構(gòu)并迅速掌握調(diào)節(jié)要領(lǐng)，在教學過程中必須有清晰的調(diào)整思路和步驟，從而引導學生目標明確、方法得當、化繁為簡的逐步展開調(diào)節(jié)。本文從教學實踐出發(fā)，將分光計的調(diào)整過程分為兩大部分：第一部分是熟悉儀器，明確調(diào)整要求；第二部分是分光計的水平調(diào)整，由此構(gòu)建一個清晰的調(diào)節(jié)流程圖，如圖1所示。

2.1 熟悉儀器，明確調(diào)整要求

這一部分主要介紹望遠鏡、載物平臺、讀數(shù)平臺和平行光管這四大結(jié)構(gòu)的功能以及相應(yīng)的調(diào)節(jié)螺絲。例如對于望遠鏡的介紹，要明確望遠鏡的作用是用來觀察平行光線的進行方向。它的主要組成部分包括目鏡、物鏡以及兩者之間的分劃板。如何改變目鏡與分劃板之間的距離；如何調(diào)節(jié)目鏡和叉絲分劃板相對于物鏡的距離。相關(guān)調(diào)節(jié)螺釘主要介紹望遠鏡傾斜度調(diào)節(jié)螺絲以及鎖緊螺絲。根據(jù)不同的實驗內(nèi)容，介紹儀器結(jié)構(gòu)時應(yīng)具有選擇性，做到突出重點，簡明扼要。例如測量液體折射率實驗中因不需要用到平行光管，這部分結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的調(diào)節(jié)螺釘可以暫不作介紹，以免引起混淆。

在此基礎(chǔ)上讓學生進一步明確調(diào)整要求。要強調(diào)分光計是在平行光中觀察有關(guān)現(xiàn)象和測量角度的，因此需要將儀器精確調(diào)節(jié)至適合于平行光的狀態(tài)。而下面所做的一系列調(diào)節(jié)工作都是圍繞這一要求展開的。一般來說分光計的調(diào)節(jié)要求包括以下三點：①望遠鏡調(diào)焦無窮遠；②調(diào)整望遠鏡光軸、載物平臺與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直；③調(diào)整平行光管適合平行光，平行光管的光軸與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直。

圖1 分光計調(diào)節(jié)流程圖

圖2 光學元件在載物平臺上的放置

為了讓學生進一步理解調(diào)整要求，教師應(yīng)著重激發(fā)學生理解調(diào)節(jié)要求和直觀現(xiàn)象之間的因果關(guān)系，可借助于CCD成像系統(tǒng)，讓教師和學生同時觀察到調(diào)節(jié)現(xiàn)象，這樣就能使抽象的調(diào)節(jié)具體化、形象化，使他們知道每個調(diào)節(jié)步驟所要達到的效果，做到真正意義上的目標明確。如調(diào)節(jié)要求②中望遠鏡光軸與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直所對應(yīng)的實驗現(xiàn)象就是：平面鏡兩個光學面的反射十字叉絲像均與調(diào)整叉絲完全重合。

2.2 望遠鏡和載物臺水平調(diào)整的流程圖

學生按照圖1中的流程進行操作和判斷不僅能做到目標明確，減少操作的盲目性，而且能化繁為簡，提高實驗效率。授課教師按照圖1在講解和示范過程中，可以根據(jù)學生的特點和掌握情況進行進度調(diào)整并穿插學生練習，以適應(yīng)學生的不同基礎(chǔ)和專業(yè)需求，最大限度地調(diào)動學生的積極性，加強教與學的交流。

3 主要難點分析和相關(guān)對策

針對流程圖1中的關(guān)鍵性步驟，著重從以下四點分析可能遇到的困難并給出解決方式。

3.1 自準直法調(diào)節(jié)望遠鏡對無窮遠處聚焦

在對望遠鏡和載物臺進行水平調(diào)節(jié)之前必須首先明確一點：如果叉絲分劃板沒有位于物鏡的焦平面上，“反射十字像”是模糊的或根本看不到；如果望遠鏡與平面鏡法線方向不垂直，則“反射十字像”將偏離或同樣找不到。為了排除第一種捕捉不到反射像的因素，必須使望遠鏡對無窮遠處聚焦。采用的方法很簡單，直接將平面鏡或三棱鏡的光學面緊貼物鏡前端，此時平面鏡嚴格與望遠鏡光軸垂直，之后松開目鏡套筒鎖緊螺絲，改變目鏡套筒的前后位置，使分劃板位于物鏡的焦平面上。此時，小燈泡經(jīng)透光空心十字叉絲發(fā)出的光經(jīng)物鏡變?yōu)槠叫泄?，此平行光由平面鏡反射回來經(jīng)物鏡后所成的像恰好在分劃板的叉絲平面上。如果在目鏡中可以看到反射十字叉絲像與分劃板同樣清晰且無視差，即表明望遠鏡已聚焦于無窮遠。通過這種方法不但可以快速地調(diào)節(jié)望遠鏡對無窮遠處聚焦，而且可以讓學生很容易觀察到反射十字像，提前對綠色十字叉絲像有直觀的認識。

3.2 重點強調(diào)粗調(diào)的重要性

調(diào)整望遠鏡光軸與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直是整個分光計調(diào)節(jié)中最為關(guān)鍵的一步，也是學生感覺最困難的地方。一般將這部分的調(diào)節(jié)分為粗調(diào)和細調(diào)兩大環(huán)節(jié)。教材對于“粗調(diào)”只是有所提及并沒有具體的闡述，學生在做實驗時往往急于求成而忽略粗調(diào)這一環(huán)節(jié)而直接進入細調(diào)。其實不然，粗調(diào)在某種程度上比細調(diào)更重要，它是細調(diào)成功的保證。因此，授課教師應(yīng)事先強調(diào)粗調(diào)的重要性，鼓勵學生認真細致地完成粗調(diào)，以確保細調(diào)的順利開展。

解決方法是：首先，從側(cè)面在相同的水平高度觀察望遠鏡鏡筒，通過調(diào)節(jié)望遠鏡下方的高低調(diào)節(jié)螺絲將其調(diào)至大致的水平狀態(tài)。其次，轉(zhuǎn)動游標盤帶動載物平臺一起轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)載物平臺下方的三個螺釘將平臺頂起相同的高度，可通過平臺下三個螺釘?shù)拈L度進行判斷，一般將高度調(diào)至3～5個螺距為宜，這樣也能確保三個螺釘處于既可上調(diào)也可下調(diào)的可調(diào)狀態(tài)。從側(cè)面反復(fù)轉(zhuǎn)動載物平臺進行觀察并微調(diào)三個螺釘，直至其高度均勻，此時載物平臺大致水平。必要時也可借助水準儀來進行水平調(diào)節(jié)。只有在望遠鏡、載物平臺和分光計光軸大致垂直的情況下，反射十字叉絲像才會出現(xiàn)在望遠鏡有限的視場范圍內(nèi)，才可以開展下一步的細調(diào)。

3.3 準確放置光學元件

細調(diào)需要借助一平面鏡或者三棱鏡。平面鏡或三棱鏡在載物平臺上的放置也是授課教師必須提醒學生注意的關(guān)鍵點。通常教材要求與載物臺螺釘間的連線垂直或平行放置。但是載物臺上只有三個螺釘與中心的連線，粗略的判斷往往給細調(diào)帶來一定的影響。教學中可以通過添加ab、bc、ac三條輔助線的方法來較精確地確定光學元件的位置(見圖2)。比如在調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與分光計中心軸線垂直時，首先將載物平臺上的三根刻度線與下方的三個螺釘分別對齊，然后將平面鏡如圖2a所示置于載物平臺上，使平面鏡平面垂直平分ac連線。這樣放置的好處是平面鏡法線方向的改變只需要通過調(diào)節(jié)與之垂直的螺釘(a或c)來實現(xiàn)，而螺釘b則不需要調(diào)節(jié)，做到分工明確，減少相互之間的影響，提高調(diào)節(jié)效率。

3.4 望遠鏡與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直的快速調(diào)節(jié)

經(jīng)過粗調(diào)，望遠鏡和載物臺一般均能達到大致的水平狀態(tài)，此時如果兩個反射面的十字叉絲像都能找到，這是一種最理想的情況，說明前面的粗調(diào)很到位?？梢灾苯佑?“二分之一法”進行調(diào)節(jié)。但在教學中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)更多的是只能找到一個反射像的情況。能否快速找到另一個反射像成為關(guān)鍵的一步，教學中發(fā)現(xiàn)這是出現(xiàn)問題最多、也是耗時最長的一步。

解決方法是：使望遠鏡鏡筒正對有反射像的一面，調(diào)節(jié)望遠鏡高低調(diào)節(jié)螺釘將反射像調(diào)至視場的最上方(要確保此反射像依然能看到)，然后將載物臺轉(zhuǎn)動180°，在另外一個光學反射面尋找反射像；如果仍然找不到十字反射像，則再轉(zhuǎn)回第一個反射面將十字像調(diào)至視場最下方，再轉(zhuǎn)至第二個反射面尋找反射像。一般而言通過這種方法都能找到另一反射面的反射叉絲像。這樣就能在保證不丟失已有反射像的前提下快速找出另一面的反射像。

4 結(jié)語

通過對分光計調(diào)整方法和步驟的梳理，將分光計調(diào)整的主體內(nèi)容簡化為流程圖的形式，對其中的難點進行剖析并提出了有效的應(yīng)對方法。為了使不同學科專業(yè)和不同知識基礎(chǔ)的學生都能迅速掌握分光計調(diào)整的基本要領(lǐng)和相關(guān)光學原理，教師根據(jù)流程圖并結(jié)合實際授課情況可以穿插演示和學生練習。由于大學物理實驗中很多光學量的測量都需要使用分光計，可以對照以上的流程將分光計的調(diào)整制作成8～10 min的微課。通過生動的情景和圖像演示，使學生在課前的預(yù)習和自學中了解并大致掌握分光計的調(diào)整，從而提高課堂的教學效率，激發(fā)學生的學習興趣。

[1] 張平. 大學物理實驗[M]. 南京：南京大學出版社，2006：86-90.

[2] 楊述武.普通物理實驗(光學部分)[M]. 北京：高等教育出版社，2007：21-28.

[3] 章韋芳，趙敏，強曉明. 分光計實驗教學中的一些難點探究[J].合肥師范學院學報，2014，32(3)：81-82.

[4] 圣宗強，孟影，李成龍. 分光計調(diào)整教學方法心得[J]. 大學物理實驗，2013，26(4)：60-62.

(責任編輯：沈鳳英)

Teaching Method Research on the Adjustment of Spectrometer

WANG Xiaojuan，YANG Qiuying

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

The cumbersome regulating steps of spectrometer were arranged into a flowsheet based on its distinguishing features and teaching practice. Many practical and highly efficient solutions were provided according to the difficulties and emphases in the process of experiment teaching. These methods can significantly improve teaching effect and also realize fast and accurate adjustment of spectrometer.

spectrometer；telescope；teaching method

O435.1

A

1008-5475(2017)01-0079-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.01.017

2016-08-10；

2016-09-08

王曉娟(1981- )，女，江蘇常熟人，實驗師，博士，主要從事大學物理實驗教學研究。

王曉娟，楊秋英.分光計調(diào)整的教學方法研究[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2017，28(1)：79-82.