萬 偉

(西南科技大學(xué)，四川綿陽 621010)

分光計(jì)是一種測量角度的光學(xué)儀器，可用它來測量折射率、光波波長、色散率等，是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最基本的光學(xué)儀器。分光計(jì)的調(diào)節(jié)非常重要，其調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到各物理量的測定精度。其中，調(diào)整載物臺和望遠(yuǎn)鏡光軸對分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸垂直是整個分光計(jì)調(diào)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1-4］。在教學(xué)和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)即使按傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法對載物臺和望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行仔細(xì)調(diào)節(jié)到位，測量中將望遠(yuǎn)鏡旋至左、右位置進(jìn)行多次、對稱觀察和測量時仍存在較大的偏差。通過理論分析，提出對分光計(jì)載物臺和望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)的修正方法并在實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法

1.1 基本原理

分光計(jì)包括四部分:望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺和讀數(shù)盤。測量中望遠(yuǎn)鏡用以觀察、對正現(xiàn)象;載物臺用來放置被測物和連續(xù)改變?nèi)肷浣堑淖饔?，它們根?jù)需要都可進(jìn)行大角度旋轉(zhuǎn)。分光計(jì)使用前必須進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)順序及總體方法為:(1)望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)，接收平行光清晰成像;(2)將專用雙面平面鏡(底座與鏡面垂直)置于載物臺上，通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰及載物臺臺面角度(三顆調(diào)節(jié)螺絲)，達(dá)到載物臺面及望遠(yuǎn)鏡光軸都與分光計(jì)中心軸垂直［5-8］;(3)用望遠(yuǎn)鏡觀察、調(diào)節(jié)平行光管，使其產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)平行光，并校正平行光管的俯仰角，使平行光管光軸也垂直于分光計(jì)中心軸。三步調(diào)節(jié)中，(1)、(3)步相對容易調(diào)節(jié)。圖1為第(2)步調(diào)節(jié)完成后應(yīng)到達(dá)的要求側(cè)視圖。

圖1 載物臺和望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)到位的狀態(tài)

1.2 存在問題

第(2)步調(diào)節(jié)必須借助放置在載物臺上、對正望遠(yuǎn)鏡的雙面平面鏡(底座與鏡面垂直，也即載物臺面中心法線平行于鏡面)的反射功能和自準(zhǔn)好的望遠(yuǎn)鏡射出平行光，通過雙面平面鏡反射回望遠(yuǎn)鏡所成“十”字像的高低位置(可直接反映望遠(yuǎn)鏡光軸是否與平面鏡面垂直)來調(diào)節(jié)和判斷。望遠(yuǎn)鏡目鏡視場見圖2，自準(zhǔn)完成后望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的透光十字窗口位于望遠(yuǎn)鏡物鏡后焦平面下方，它和分劃板上的上十字線是以分劃板中的下十字線的橫線對稱的。當(dāng)雙面平面鏡鏡面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直時，由幾何光學(xué)知，此時的反射“十”字像應(yīng)位于上十字線的橫線位置高度［9］，正如圖2所示。目前，很多物理實(shí)驗(yàn)教材在介紹該步調(diào)節(jié)時，只強(qiáng)調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直關(guān)系的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方法均采用旋轉(zhuǎn)載物臺180°，借助載物臺上雙面平面鏡的兩面(A、B面)反射平行光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡內(nèi)所成“十”字像的高低位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時采用各半調(diào)節(jié)法(望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺絲修正一半、載物臺面調(diào)節(jié)螺絲修正一半)，使雙面平面鏡A、B兩面反射回望遠(yuǎn)鏡的“十”字像的高度位置均在望遠(yuǎn)鏡目鏡視場中的上十字線橫線高度處即完成調(diào)節(jié)。實(shí)際上，這樣的調(diào)節(jié)并未真正達(dá)到所要求的狀態(tài)。

圖2 望遠(yuǎn)鏡目鏡視場

圖3為第2步調(diào)節(jié)中的俯視圖，圖3中分光計(jì)中心軸垂直紙面，載物臺面與分光計(jì)中心軸不垂直，其傾斜狀態(tài)用載物臺面中心點(diǎn)法線表示?？偪煞纸鉃檠赝h(yuǎn)鏡方向的傾斜和垂直望遠(yuǎn)鏡方向的的傾斜。在反復(fù)旋轉(zhuǎn)載物臺180°利用雙平面鏡的A、B面反射作用觀察和調(diào)節(jié)中和都將發(fā)生對稱變化，且垂直于雙平面鏡面、平行于鏡面。正對望遠(yuǎn)鏡的雙平面鏡檢測的是分量，當(dāng)通過望遠(yuǎn)鏡、載物臺面的“各半調(diào)節(jié)”完成后=0，即平面鏡 A、B兩面反射的“十”字像等高，此時若望遠(yuǎn)鏡光軸也垂直于雙平面鏡，則“十”字像也均位于分劃板上十字線橫線位置，但分量是否存在、大小如何均不影響此時現(xiàn)象，既載物臺面并不垂直于分光計(jì)中心軸，見圖4。這樣的狀態(tài)在實(shí)驗(yàn)中的弊端表現(xiàn)為:①調(diào)試好第2步后的分光計(jì)，任意轉(zhuǎn)動載物臺或望遠(yuǎn)鏡一定角度(不等于180°)，再用雙平面鏡檢查時，“十”字像高低位置發(fā)生變化，甚至沒有“十”字像，望遠(yuǎn)鏡及載物臺面又須重新調(diào)節(jié);②當(dāng)用調(diào)節(jié)好的分光計(jì)進(jìn)行左右對稱觀察、測量時，現(xiàn)象非對稱，導(dǎo)致觀察、測量誤差;③由于載物臺面與分光計(jì)中心軸不垂直，入射光將與介質(zhì)端面不垂直，使用厚型介質(zhì)(如三棱鏡)實(shí)驗(yàn)時，測量誤差必然增大。

圖3 載物臺臺面中心法線偏離分光計(jì)中心軸俯視圖

圖4 載物臺臺面存在分量時望遠(yuǎn)鏡無法判斷

1.3 調(diào)節(jié)修正方法

分光計(jì)第2步的觀察、調(diào)節(jié)過程是一個二維平面修正過程，應(yīng)將兩個分量都修正為零，達(dá)到載物臺面及望遠(yuǎn)鏡光軸都與分光計(jì)中心軸垂直，而傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)僅強(qiáng)調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸垂直則演變成一維修正過程，必然導(dǎo)致載物臺對垂直望遠(yuǎn)鏡方向的傾斜分量的不作為現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，正確的調(diào)節(jié)方法應(yīng)對兩個垂直方向的傾斜分量進(jìn)行分步調(diào)節(jié)、修正。為避免重復(fù)調(diào)節(jié)，具體操作方法為:①將雙平面鏡置于載物臺上，并使鏡面垂直于載物臺C、D兩調(diào)節(jié)螺絲孔連線，見圖5。

圖5 分步調(diào)節(jié)中平面鏡放置法

按傳統(tǒng)方法反復(fù)旋轉(zhuǎn)載物臺180°觀察和調(diào)節(jié)C或D螺絲及望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲，直到獲得所要求的現(xiàn)象。該步調(diào)節(jié)使、望遠(yuǎn)鏡與分光計(jì)中心軸的垂直偏差趨于零。②為提高調(diào)節(jié)精度，保持載物臺不動，旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡90度，將雙面鏡置于載物臺上(圖5虛線所示)并對正望遠(yuǎn)鏡觀察“十”字像位置，此時再旋轉(zhuǎn)載物臺180°觀察平面鏡兩面反射回望遠(yuǎn)鏡的“十”字像［10-11］。若平面鏡兩面反射的“十”字像處于分劃板上十字線橫線的上下對稱位置，說明上步調(diào)節(jié)已使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸，只需調(diào)節(jié)螺絲E完成“十”字像處于上十字線高度實(shí)現(xiàn)=0;與之相反，則需使用臺面螺絲E和望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺絲再次進(jìn)行“各半調(diào)節(jié)”直到達(dá)到要求。經(jīng)過上述兩步的調(diào)節(jié)，即可保證載屋臺面、望遠(yuǎn)鏡光軸均與分光計(jì)中心軸嚴(yán)格垂直。

3 結(jié)束語

分光計(jì)作為高精度的角測工具，實(shí)驗(yàn)前對各功能部件的調(diào)節(jié)是否到位將直接影響后續(xù)的觀察及測量精度。載物臺作為放置介質(zhì)及連續(xù)改變?nèi)肷浣嵌鹊闹匾考?，調(diào)節(jié)中又與望遠(yuǎn)鏡相互參照，它們與分光計(jì)中心軸的垂直關(guān)系必須通過上述的二維面調(diào)節(jié)方法進(jìn)行。

［1］趙凱華，鐘錫華.光學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，1984.

［2］沈元華.設(shè)計(jì)性研究性物理實(shí)驗(yàn)教程［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

［3］黃建群，胡險峰，雍志華.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.成都:四川大學(xué)出版社，2005.

［4］周志剛，趙富海.新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［5］葛松華.唐亞明.分光計(jì)的一種簡單調(diào)整方法［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2006(12):62-63.

［6］楊百愚，馮大毅.分光計(jì)調(diào)整實(shí)驗(yàn)中望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整技巧［J］.大學(xué)物理，2005，24(4):45-47.

［7］於黃中，陳明光，等.分光計(jì)調(diào)節(jié)難點(diǎn)探討［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2004，17(2):19-20.

［8］張淑麗.快速調(diào)解分光計(jì)的新方法［J］.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2000(21):96-97.

［9］高林海.分光計(jì)調(diào)節(jié)中的難點(diǎn)突破［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2007(12):154-155.

［10］王素紅.分光計(jì)電子顯示系統(tǒng)的研究［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26(4):30-32.

［11］許飛.分光計(jì)調(diào)整教學(xué)的方法心得［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26(4):60-62.