分光計(jì)調(diào)節(jié)步驟的簡化與改進(jìn)

穆雪梅,王學(xué)水,苗永平,李芳芳,張珈銘

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

分光計(jì)是一種精密的測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角度的儀器，光波波長、折射率、色散率等物理量都可以用分光計(jì)來進(jìn)行測(cè)量[1]。在調(diào)節(jié)和使用分光計(jì)的過程中，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和耐心，還能培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，所以分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)是理工科學(xué)生的重要實(shí)驗(yàn)部分。學(xué)習(xí)分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用，對(duì)其他光學(xué)儀器的學(xué)習(xí)和使用具有很好的借鑒作用。

但分光計(jì)構(gòu)造精密、調(diào)節(jié)復(fù)雜、操作訓(xùn)練要求較高[2,3]，傳統(tǒng)的分光計(jì)調(diào)節(jié)方法是先利用圓形水平儀和雙平面反射鏡進(jìn)行粗調(diào)，使載物臺(tái)平面和望遠(yuǎn)鏡光軸水平，但這個(gè)過程結(jié)束后，學(xué)生往往不能在兩面都找到反射像又不知道問題出現(xiàn)在哪里。使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程極其漫長，學(xué)生也容易產(chǎn)生焦躁厭煩心理?；诖?，改進(jìn)分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法是十分有必要的。

考慮到調(diào)節(jié)過程的冗長，各部分調(diào)節(jié)步驟之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)使得粗調(diào)結(jié)束后望遠(yuǎn)鏡中觀察不到反射像。本論文創(chuàng)造性的提出單獨(dú)利用雙平面反射鏡調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦在無窮遠(yuǎn)處，只利用圓形水平儀粗調(diào)載物臺(tái)平面和望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)主軸垂直的方法。具體調(diào)節(jié)步驟和原理如下。

1 分光計(jì)粗調(diào)的方法和原理

1.1 望遠(yuǎn)鏡聚焦在無窮遠(yuǎn)處的調(diào)節(jié)

在傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法中，需要將雙平面反射鏡放置在載物臺(tái)上[4],調(diào)節(jié)的前提是完成粗調(diào)，在望遠(yuǎn)鏡的目鏡中可以觀察到雙平面反射鏡反射回來的像。這個(gè)過程的條件太苛刻，而找不到像的原因有很多，除了望遠(yuǎn)鏡本身的聚焦問題之外，也可能是載物臺(tái)平面不完全水平或望遠(yuǎn)鏡光軸不水平，也可能是平面鏡沒有與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直。如果粗調(diào)過程中找不到反射像，對(duì)學(xué)生來說很難確定具體的原因，也沒辦法對(duì)望遠(yuǎn)鏡的聚焦進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本論文提出將平面鏡直接貼在望遠(yuǎn)鏡的物鏡上，可以避免因載物臺(tái)或望遠(yuǎn)鏡光軸的取向?qū)е碌恼也坏较竦膯栴}，直接對(duì)目鏡和物鏡進(jìn)行聚焦調(diào)節(jié)，使得望遠(yuǎn)鏡聚焦在無窮遠(yuǎn)處，接下來則不需要再對(duì)望遠(yuǎn)鏡的聚焦進(jìn)行調(diào)節(jié)。(望遠(yuǎn)鏡物鏡邊沿突出，且邊沿直徑大于平面鏡鏡面直徑小于平面鏡外框直徑，將平面鏡貼在上面不會(huì)磨損物鏡和平面鏡)

1.2 載物臺(tái)平面的調(diào)節(jié)

在傳統(tǒng)的載物臺(tái)方向調(diào)節(jié)過程中，是先將載物臺(tái)平面和望遠(yuǎn)鏡光軸均調(diào)至水平，在望遠(yuǎn)鏡視野中找到反射回來的十字像后轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤180°，應(yīng)仍能在視野中看到反射回來的十字像[5]。但若是分光計(jì)主軸與鉛垂線之間夾角過大，或者第一步粗調(diào)的過程略有偏差，轉(zhuǎn)動(dòng)180°后仍能看到反射像的概率非常小，給學(xué)生的調(diào)節(jié)造成了很大困難。

本論文創(chuàng)新性的提出只通過圓形水平儀輔助進(jìn)行調(diào)節(jié)，使載物臺(tái)平面與分光計(jì)主軸大致垂直。將圓形水平儀放置在載物臺(tái)上，在載物臺(tái)平面與水平面之間偏轉(zhuǎn)角不太大的情況下，可以近似認(rèn)為水平儀氣泡的偏轉(zhuǎn)距離與偏轉(zhuǎn)角成正比。為表述方便，將與分光計(jì)主軸垂直的平面記為A面。以下以載物臺(tái)的其中一個(gè)方向?yàn)槔?，闡述粗調(diào)載物臺(tái)的過程。具體步驟和原理如下：

(1) 如圖1(a) 所示，將圓形水平儀放置在載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)載物臺(tái)下方的a、b、c三個(gè)高低調(diào)節(jié)螺絲，使得氣泡在圓形水平儀的中心位置上，此時(shí)載物臺(tái)平面水平。由于分光計(jì)主軸不是完全豎直的，故此時(shí)水平的載物臺(tái)平面與A面之間有夾角，記為θ；

圖1 調(diào)節(jié)步驟

(2) 旋轉(zhuǎn)游標(biāo)盤180°。載物臺(tái)的旋轉(zhuǎn)以分光計(jì)主軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)之后如圖1(b) 所示，此時(shí)載物臺(tái)平面與A面之間的夾角仍為θ，而A面與水平面之間的夾角也仍為θ，則載物臺(tái)平面與水平面之間的夾角為2θ，此時(shí)氣泡在圓形水平儀中偏轉(zhuǎn)了距離x；

(3) 調(diào)節(jié)載物臺(tái)下方的三個(gè)高低調(diào)節(jié)螺絲，將圓形水平儀氣泡的偏轉(zhuǎn)距離變?yōu)?/2x，如圖1(c) 所示。在小角度下近似認(rèn)為水平儀中氣泡的偏轉(zhuǎn)距離與偏轉(zhuǎn)角成正比，則此時(shí)載物臺(tái)平面與水平面之間的夾角為1/2θ(2θ)=θ，而A面與水平面間的夾角也為θ，如圖1(c) 所示，所以此時(shí)載物臺(tái)平面與A面平行，也就是垂直于分光計(jì)主軸的方向。

實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)如圖2所示。首先將氣泡調(diào)節(jié)至圓形水平儀中心如圖2(a) 所示。旋轉(zhuǎn)游標(biāo)盤180°后，氣泡位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖2(b) 所示，然后調(diào)節(jié)載物臺(tái)高低調(diào)節(jié)螺絲使得氣泡位置由 (x，y)變?yōu)?(1/2x，1/2y)，如圖2(c) 所示，此時(shí)載物臺(tái)平面與A面平行，也就是與分光計(jì)主軸垂直。

圖2 氣泡位置變化

1.3 望遠(yuǎn)鏡光軸方向的調(diào)節(jié)

此過程仍借助圓形水平儀，手拿圓形水平儀貼在與望遠(yuǎn)鏡光軸平行的表面上，使氣泡沿著望遠(yuǎn)鏡光軸方向的偏移量為1/2x(所選x方向與望遠(yuǎn)鏡光軸在同一方向，1/2x為調(diào)節(jié)后水平儀在載物臺(tái)上沿著望遠(yuǎn)鏡光軸的偏轉(zhuǎn)距離)，則望遠(yuǎn)鏡光軸與水平面間的夾角為θ，也就是與分光計(jì)主軸垂直。

2 細(xì)調(diào)分光計(jì)主軸與載物臺(tái)平面及望遠(yuǎn)鏡光軸的垂直

上述調(diào)節(jié)過程基于對(duì)圓形水平儀氣泡中心位置的目測(cè)和水平儀氣泡偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)角度之間的近似正比關(guān)系，只能大致使得載物臺(tái)平面與分光計(jì)主軸垂直，望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)主軸垂直，但足以保證在放置三棱鏡后在目鏡中觀測(cè)到反射像。更為精密的調(diào)節(jié)仍需借助光學(xué)的方法，也就是各半調(diào)節(jié)法。

調(diào)節(jié)過程中不需要再利用雙平面反射鏡輔助進(jìn)行細(xì)調(diào)，直接將待測(cè)三棱鏡放置在載物臺(tái)上，用各半調(diào)節(jié)法進(jìn)行細(xì)調(diào)，直至三棱鏡兩個(gè)反射面反射回來的十字像都與上方的水平準(zhǔn)線對(duì)齊，具體過程與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法一致，此處不再贅述。

3 結(jié) 語

簡化后的調(diào)節(jié)過程有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦在無窮遠(yuǎn)處、調(diào)節(jié)載物臺(tái)平面與分光計(jì)主軸垂直、調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)主軸垂直三個(gè)步驟是分開的，使得調(diào)節(jié)的各個(gè)步驟之間的關(guān)聯(lián)性變?nèi)?，幾乎每一步都可以單?dú)調(diào)節(jié)，便于排查問題；

(2) 粗調(diào)結(jié)束后放置三棱鏡于載物臺(tái)上，在兩個(gè)反射面上都找到反射像的概率幾乎為100%，極大提高了實(shí)驗(yàn)成功率；

(3) 大大簡化調(diào)節(jié)步驟，不需要分別用各半調(diào)節(jié)法對(duì)雙平面反射鏡和三棱鏡進(jìn)行兩次細(xì)調(diào)，放置三棱鏡找到反射像后直接進(jìn)行細(xì)調(diào)測(cè)量即可。

在實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)之前，大約一半的學(xué)生在調(diào)試過程中轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤180°后，找不到反射回來的綠色十字像，對(duì)學(xué)生來說也很難找到具體出錯(cuò)的步驟。也有相當(dāng)一部分同學(xué)在接近下課時(shí)間仍不能自己找到反射像，調(diào)試過程非常艱難，極大的打擊學(xué)生的自信心。加上測(cè)量三棱鏡頂角的時(shí)候需要重新調(diào)節(jié)載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡光軸的方向，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程所需時(shí)間一般是>2.5 h。很多同學(xué)在下課的時(shí)候不能自主完成實(shí)驗(yàn)。

在改進(jìn)調(diào)節(jié)過程之后，簡化了調(diào)節(jié)過程，各步驟之間的關(guān)聯(lián)性變?nèi)酰l(fā)現(xiàn)問題后能迅速排查出是哪一部分出現(xiàn)了問題，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中能發(fā)現(xiàn)問題，并能自主解決問題，即培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，也增強(qiáng)了學(xué)生解決問題的自信心。用改進(jìn)過的方法，超過80%的同學(xué)可以在1.5 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，為以后的光學(xué)實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。