各半调节法在分光计实验中的应用

摘要 本文系统阐述了分光计的调节过程,重点针对分光计调整的难点,改进调整方法,以便迅速快捷地调好分光计,从而使学生有更多的时间来测量三棱镜的顶角,提高了物理实验课的效率,保证教学质量。

关键词 分光计;各半调节法;十字叉丝

中图分类号O4-33 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)26-0115-02

分光计(分光仪)是一种精确测量角度和分光的光学仪器。在光学中,许多基本的物理量如棱镜折射率、光波波长、色散率等都可以直接或间接的表现为光的偏转角,所以都可以用分光计来精确的测量;除此之外,分光计还能精确测量两个光学面之间的夹角。

分光计是光学实验中一种不可缺少的仪器,它的基本光学结构是许多光学仪器(如摄谱仪、单色仪、分光光度计等)的基础,其调整方法和操作技能在光学仪器中具有一定的普遍意义。分光计实验既能够培养学生的基本实验技能,又能培养学生应用理论知识解决实际问题的能力,因此它是物理实验的必做实验。分光计装置精密,可供调节的螺丝等就有二十几处,在调节上比其它仪器更为复杂,所以使用时必须严格按操作程序调整。

调节好分光计的标准为:1)望远镜能够接收平行光;2)平行光管能够射出平行光;3)望远镜的光轴和平行光管的光轴均与仪器的主轴垂直;4)平行光管主光轴与望远镜主光轴同轴等高。

学生普遍认为这个实验比较难的地方是:1)分光计的调节比较难,觉得绿色的“十”字自准像很难找;2)即使双面镜正、反两个面的反射的小“十”字都找到了,也不能同时调到上十字叉丝的位置。因为在调整分光计时花费了太多时间,所以光学实验中一个典型的实验――利用光的反射测三棱镜的顶角,按照传统的教学方法,很多同学很难在规定的课时内完成。笔者在物理实验教学实践中总结出了一点快速调节分光计的方法,大大缩短了分光计的调节时间,从而使学生有更多的时间来测量三棱镜的顶角,提高了物理实验课的效率和教学质量。

1 分光计的结构原理

各种型号的分光计,其光学原理基本相同,主要部件包括:望远镜、平行光管、载物台(台上安置分光用的三棱镜或光栅) 、读数装置四部分。

1.1 望远镜

望远镜由物镜和目镜组成,物镜和目镜之间有分划板。分划板紧贴一个直角三棱镜,在棱镜的直角面上有一个被光源照亮的绿色小十字,其中心位置与分划板刻线的上交点对称。

1.2 平行光管

它的作用是产生平行光。管的一端装有一个消色差的复合正透镜,另一端是装有狭缝的套管。

1.3 载物台

载物台是用来放置待测器件的。它的下方有三个螺钉,形成一个正三角,用来调节分光元件的方位。

1.4 读数装置

读数装置是由一个度盘和一个游标盘所组成。可分别与望远镜或载物台相连。它们的相对转动角度,可以从左右两个角游标上读出。度盘按圆周等分成360个大格,720个小格,其大格值为1°,小格值为360°/720=30′。小于30′ 的读数由游标盘根据游标法则读出。

2 分光计的调节过程

2.1 粗调

用眼睛粗调望远镜光轴和平行光管光轴等高共轴,并调节载物台平面水平(调三个调平螺钉),使三者大致均垂直于分光计中心旋转轴。目测粗调是调整光学仪器常用的方法,不仅是进一步细调的基础,还可以缩短调节时间。

2.2 细调

1)调节目镜,看清测量用十字叉丝;2)用望远镜观察尽量远处的物体,调节物镜使远处物体的像和目镜中的十字叉丝同时清楚;3)将双面镜放在载物平台上,应用自准直原理调望远镜使其适用平行光。所谓自准就是一个物体经过透镜和双面镜组合所成的像与物体在同一位置。分光计的调整是利用望远镜中一个小灯泡照亮的十字叉丝作为参照物,它所发出的光线,经过物镜折射后,到达载物台上的双面镜,经过双面镜反射后折回,再通过物镜成像,这个像我们能够利用目镜去观察。如果望远镜的物镜与目镜焦点重合,在望远镜中观察到的就是一个清晰的像;4)用各半调节法(逐次逼近法)调望远镜光轴,使其与中心轴垂直。

2.3 调节平行光管使其产生平行光,并使其光轴与望远镜的光轴重合

用光源照亮准直管狭缝,转动望远镜对准准直管,将狭缝宽度适当调窄,前后移动狭缝,直到从望远镜能看到清晰的狭缝像,且狭缝和测量叉丝之间无视差。调整平行光管倾斜度,使狭缝像的中心位于望远镜测量叉丝的交点上。这时准直管和望远镜的光轴平行,并近似重合。

3 分光计调节的难点

在分光计调节中,难点是掌握使望远镜轴线与平台转轴垂直的方法与技巧。认真细致的粗调是实现这一调节的前提,“各半调节法”则是基础。

3.1 寻找双面镜反射的小“十”字

欲调整好分光计,前提是必须找到双面镜正反两个面反射的小“十”字[4],因为只有找到它们,才能继续后面的工作。我们采用粗调的方法来找寻小“十”字,一面用手来回旋转分光计的刻度盘或平台,使平台上双面镜法线方向在望远镜的轴线方向左右来回通过,同时用眼睛在望远镜附近上下来回移动,耐心地寻找,直到找到由双面镜反射回的光斑,这是寻找到双面镜反射小“十”字的关键。

找到光斑后,进一步要判断看到的光斑在望远镜的上方还是下方。从而有目的地调节望远镜的俯仰角或平台的倾斜度,使看到光斑的眼睛与望远镜在同一平面上(注意在调节仰角或倾斜度时必须同时看住光斑,以免光斑“跑掉”)。总之,先从望远镜外面找到光斑,然后逐步调节光斑接近望远镜轴线方向,最后让光斑进入望远镜内,再进一步在望远镜内调节。

3.2 将双面镜正、反两个面反射的小“十”字同时调到上十字叉丝的位置

在实验时,双面镜正反两个面反射的小“十”字偏离上十字叉丝时,很难区分是望远镜还是载物台的原因引起的。因此,在调节时应采用各调一半的方法。传统调节方法中,将望远镜垂直对准双面镜的一个反射面,就可以从望远镜视场中观察到经双面镜反射回的亮绿小“十”字,如果亮绿小“十”字与望远镜上十字叉丝不重合,调节载物平台的调平螺钉使二叉丝间垂直距离减少一半,然后再调节望远镜俯仰角使二叉丝重合。转动载物平面使双面镜转180°,使另―镜面对准望远镜,同理,使二叉丝垂直距离各调一半至重合。反复进行以上调整,直至不论转到哪一反射面,使十字叉丝均能和调整叉丝重合,即达到望远镜光轴与分光计主轴垂直。此方法称为各半调节法或逐次逼近法。

这里存在的问题是:1)调整好一个面之后,转180°,另一个面反射的亮绿小“十”字位置偏离上十字叉丝;2)调整好双面镜的一个面之后,转180°,甚至可能找不到另一个面反射的亮绿小“十”字。学生在反复调整的过程中,由于不熟练,不仅会浪费很多时间,也很难调整好。

经过多次实验验证,笔者将各半调节法做了一些拓展,以便学生能更快的将载物台和望远镜调整好。具体步骤如下:

1)采用3.1所讲述的粗调方法调整望远镜的俯仰角和载物台的倾斜度,直到双面镜正反两个面反射的亮绿小“十”字都出现在望远镜的视场中。

2)记清楚正反两个面反射的亮绿小“十”字的位置,确定两者的垂直距离的中点,通过调平螺钉调整载物台的倾斜度,将上面的小“十”字调低至中点位置(或将下面的小“十”字调高至中点位置),此时,双面镜正反两个面反射的亮绿小“十”字就大致在同一水平线上了;再调整望远镜的俯仰角,将两个面反射的亮绿小“十”字同时调至上十字叉丝位置(因为在确定正反两个面反射的亮绿小“十”字的中点位置时并不精确,因此不可避免存在些微的偏差)。如果还存在偏差,则重复上述方法,直到正反两个面反射的亮绿小“十”字均与上十字叉丝重合。

经过上述调节,分光计实验中最难调节的一部分就完成了,此方法是建立在分光计结构特点、调节规律和实践经验的基础上的。只要深入理解操作要领,就可以迅速快捷地调好分光计,对学生有效完成实验帮助很大。

4 结论

光学实验中,分光计的调整是个难点,各半调节法是一种比较好的分光计调节方法,只要深入理解操作要领,就可以迅速快捷地调好分光计。使用分光计时,根据光学规律,分析清楚其道理,思考后再动手,会收到事半功倍的效果,给实验者带来很大的方便。

实验方法的改进,不仅有利于课堂教学效率的提高,更有利于学生从不同的角度去理解实验原理,对实验原理的理解更加透彻。而且能够激发学生做实验的兴趣。启发学生开动脑筋,并在原有实验的基础上不断探索,不断创新。

参考文献

[1]江影.新编物理实验教程(上册)[M].北京:科学出版社, 2009.

[2]隋成华,施建青.大学基础物理实验教程[M].杭州:浙江 工业大学出版社,2003.

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