分光计调节方法改进及实验误差分析

[摘 要]本文的则是通过传统的分光计的调节测量方法以及大学生在做实验时实际上遇到的一些操作上的问题，提出了一些针对分光计调节方法上的改进以及相应的误差分析，则可以大大的加快实验进程，节约了教学时间。让新手更容易的接受和掌握分光计的调节方法。

[关键词]分光计；调节方法；误差分析

中图分类号：O657.31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0299-01

1 分光计的调节要求

分光计作为一种非常精密的光学测量仪器，它的实际调节操作相当的难。不过就理论上而言，它需要达到的要求很简单，简单来说就是“三平行”而已，即三个平面：观察平面（望远镜在旋转时形成的）、光路平面（入射光线和折射光线形成的待测光路）以及读数平面（刻度盘和游标盘之间形成的），这三个平面之间需要使得观察平面和光路平面都要与读数平面平行。

这是理论上的要求，但是实际上由于设备在制造时，读数平面就已经与分光计的中心轴垂直了，所以，这时候就是要求调节观察平面以及光路平面都要与分光计的中心轴垂直才能使得三个平面之间相互平行。因此，就实际操作而言，就必须使得望远镜光轴、平行光管光轴垂直于分光计的中心轴，而待测元件（如三棱镜）的光学平面就必须平行于分光机的中心轴。

2 传统方法中存在的问题

分光计的传统方法可以看出[1-3]，其存在相当大的缺陷的，就是出现在第二步中的望远镜的调节当中。由“逐次各半逼近法”得知，此法需要不断的重复的调节载物台旋转180°，所以由此看出，“逐次各半逼近法”是一个理论上的操作，就相当于数学当中的积分一样，它只是个理论值，无法真正意义上的达到我们测量上要求的精准程度；而且旋转载物台180°在理论上也是存在缺陷的。下述将进行理论上的推到：

如图1所示，我们假设载物台与分光计中心法线不垂直的情况下，载物台的中心法线为，我们可以将其分解为顺着望远镜方向的，以及垂直于望远镜方向的。根据分光计传统调节方法中的用“逐次各半逼近法”来调节望远镜中心法线垂直于平面镜的步骤中，我们是通过调节载物台旋转180°，从而调节平面镜的另一面。在这里我们可以看出，当载物台旋转180°时，我们的和都发生着对称的变化。也就是，当我们通过“逐次各半逼近法”完成调节之后，实际上我们只能消除载物台中心法线在平行于望远镜的方向上的分量，即此时：

（1）

此时，只需要望远镜垂直于平面镜，反射回来的亮“十字”就能与分划板上半部的十字划线完全重合，从而造成调节达成目标的假象。而的值等不等于零相对于来说就显得毫无作用了。也就是此时是望远镜垂直了平面镜，但是载物台却没有与分光计的中心法线垂直。此时，我们貌似达成了我们的调节要求，但是实际上并没有完成我们的调节要求。

3 分光计调节方法的改进及误差分析

3.1 分光计调节方法的改进

首先我们由第三节当中分析的分光计传统调节方法存在的问题，可以知道分光计调节的第二步望远镜的调节当中应该是需要调节的二维分量和都应该为零，而调节载物台旋转180°的情况下只达到了的值为零，垂直分量却出现了不作为的现象。所以在此调节步骤上做出的改进如下：

（1）消除分量。根据“逐此各半逼近法”调节使得望远镜与载物台中心法线垂直；

（2）消除分量。如图2，为提高调节精度，保持载物台不动，旋转望远镜90度，将双面镜置于载物台上（图中虚线所示）并对正望远镜观察“十”字像位置，此时再旋转载物台180°观察平面镜两面反射回望远镜的“十”字像。若此时反射回的亮“十字”已经出现在分划板上的上半部十字划线的对称位置，则只需要调节螺丝E使得“十字”出现在分划板的十字划线高度上就能消除分量。否则就需要调节螺丝E和望远镜的俯仰螺丝进行各半调节达到要求。

只有达到我们两个分量都等于零时，我们就能保证望远镜的中心轴以及载物台的台面都与分光计的中心法线的严格意义上的垂直。

分光计调节方法在此改进之后，在学生实际操作当中能够减少很多麻烦。消除了调节完望远镜之后进行测量时在望远镜视场当中看不到十字反射像的现象。也避免了学生在换上棱镜时同样的出现看不到反射像的结果。

3.2 改进调节方法的误差分析

误差分析是一个实验做完之后最重要的一个必不可少的步骤，它是用来检验我们实验值与理论值之间的差距。而一个实验如果没有进行误差分析，它的值的存在即使很接近我们的理论值，也不能证明我们的真理，而此实验的存在也就毫无意义可言了。而本文分光计调节方法的改进之后的误差分析和原来的差不多，都是在三个方面进行分析的：1.系统存在的误差；2.调节方法的误差；3.读数带来的误差；4.计算产生的误差。

（1）系统存在的误差。

系统本身存在的误差主要是指仪器方面的。例如，上述的改进方法中，将平面镜贴着三棱镜进行观察。在这里我们就需要要求我们的三棱镜在做工上面需要三棱镜的镜面平整，以及三棱镜与载物台之间成90°的直角。然后平面镜也需要做到一样的要求才能代替三棱镜的镜面。它们之间不能有任何空隙，及角度。

（2）调节方法带来的误差。

在调节过程中，我们首先需要目测望远镜的平行程度，也就说明我们的望远镜的平行也会带来很大的误差，因为这只是简单的目测完成的，并不能标准化。第二，我们需要通过望远镜观察反射像的对称情况，同理这也导致了误差的存在。

（3）读数带来的误差。

由于分光计是采用游标卡尺进行读数的，所以在游标分度与主尺上分度对准时的选择肯定带来了一定的误差。

（4）计算产生的误差。

计算当中由于我们需要进行各种估算值，以及近似值，所以计算也会带来相当一部分的误差。

结论

本文首先提出了此文的研究意义，以及其研究方向。再就说明了分光计的概念和用途、基础结构以及其各部件的名称和用途。然后通过大量的书籍和实验熟知分光计的传统调节方法当中存在的不足之后，再结合大学生在做实验当中实际操作过程中所遇到的问题，寻求一种更加简便，精确的办法。最后本文通过大量的实验得出的经验以及数据上的分析得出了一个更加简洁，容易操作与教学的分光计的调节方法。

参考文献

[1] 赵青山，吕卫星，赵学民.大学物理实验[M].合肥：中国科技大学出版社，1993.

[2] 周殿清.大学物理实验[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[3] 葛松华，唐亚明.大学物理实验教程[M].北京：电子工业出版社，2004.