陸　劍，周　群，蔡雄祥

(上海理工大學(xué)，上?！?00093)

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基于各半調(diào)節(jié)法的分光計調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)

陸劍，周群，蔡雄祥

(上海理工大學(xué)，上海200093)

分光計實驗是大學(xué)物理實驗的重要組成部分。分光計是精密測量光線偏轉(zhuǎn)角度的儀器。其實驗的重點(diǎn)就是儀器的調(diào)節(jié)，其難點(diǎn)就是望遠(yuǎn)鏡光軸與載物平臺法線垂直的調(diào)節(jié)。本文就是基于各半調(diào)節(jié)法對其調(diào)節(jié)方法的改進(jìn)。運(yùn)用本文的方法調(diào)節(jié)能夠很快地將分光計調(diào)節(jié)到位。

分光計；望遠(yuǎn)鏡；載物平臺；各半調(diào)節(jié)法

分光計是精確測量光線偏轉(zhuǎn)角度(包括反射角、折射角、衍射角等等)的儀器，也稱測角儀，很多光學(xué)儀器(光譜儀、單色儀等)的基本結(jié)構(gòu)都是以它為基礎(chǔ)的[1]。分光計的相關(guān)實驗是大學(xué)物理實驗的重要組成部分。要想實現(xiàn)精密測量，需要把儀器經(jīng)過一系列精確的調(diào)節(jié)。由于并且分光計上有很多調(diào)節(jié)螺釘，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，調(diào)節(jié)精確度要求高,很多學(xué)生第一次接觸該儀器，都不清楚如何調(diào)節(jié)，因此分光計相關(guān)實驗中儀器的調(diào)節(jié)是該實驗的關(guān)鍵。

分光計儀器主要有四個組成部分：望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物平臺和讀數(shù)窗口。精確調(diào)節(jié)的目標(biāo)是：望遠(yuǎn)鏡能觀察平行光，平行光管產(chǎn)生平行光，望遠(yuǎn)鏡與平行光管軸線處在同一水平線，并且都與載物平臺的法線垂直[2]。主要的調(diào)節(jié)步驟分為兩部分：先調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與載物平臺法線垂直，再調(diào)節(jié)平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡重合。望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括目鏡、分劃板、小燈泡、全反射鏡、物鏡、傾斜度調(diào)節(jié)螺釘。分劃板的坐標(biāo)如圖2所示，圖中最下方是十字光源，坐標(biāo)軸水平方向有兩條，豎直方向只有一條，同時十字光源和上方的水平線到中央水平線的距離相等。望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)原理是自準(zhǔn)直法，即小燈泡照亮十字產(chǎn)生十字光源，經(jīng)雙面反射鏡返回望遠(yuǎn)鏡的分劃板上，通過判定返回十字像的位置來判定望遠(yuǎn)鏡光軸和平面鏡法線的位置。當(dāng)雙面反射鏡正反面返回的十字像都落在上方的水平線上時即說明此時兩者垂直。很多學(xué)生在一開始就會出現(xiàn)看不到反射回來的十字像。主要原因就是載物平臺和望遠(yuǎn)鏡的水平的粗調(diào)沒調(diào)好，由于望遠(yuǎn)鏡的視角范圍很小，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡和稍微偏離一些，反射回來的十字像就落在望遠(yuǎn)鏡的視野范圍之外。關(guān)于分光計的調(diào)整方法有很多種[3-11]，本文所采用的調(diào)節(jié)方法是基于各半調(diào)節(jié)法的一點(diǎn)改進(jìn)。下面就簡單介紹一下望遠(yuǎn)鏡光軸與載物平臺法線垂直的調(diào)節(jié)方法。

圖1　望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　分劃板的坐標(biāo)示意圖

2　望遠(yuǎn)鏡光軸和載物平臺法線垂直的調(diào)節(jié)方法

2.1粗調(diào)

首先放置平面鏡。平面鏡放置之前先要轉(zhuǎn)動載物平臺上方的薄層，使薄層表面的三條直線與下方的三顆水平調(diào)節(jié)螺釘對齊，將雙面反射鏡沿著某一條直線對齊置于載物平臺的正中央。如圖3所示，圖中紅色的虛線圓表示下方水平調(diào)節(jié)螺釘?shù)奈恢谩＝柚龡l直線就能使平鏡壓著一顆水平調(diào)節(jié)螺釘，處在另外兩顆水平調(diào)節(jié)螺釘?shù)倪B線的中垂線上。我們就可以通過調(diào)節(jié)載物平臺雙面反射鏡前后的這兩顆螺釘來細(xì)調(diào)載物平臺的水平。粗調(diào)載物平臺的水平很簡單，只要調(diào)節(jié)載物平臺下面的三顆水平調(diào)節(jié)螺釘使載物平臺上方的薄層與下方的厚層緊密的貼合在一起，不留狹縫。因為桌面是大致水平的，這么做要比課本上使載物平臺薄層與厚層等厚的操作方法要簡單的多。

圖3　平面鏡在載物平臺的放置位置示意圖

其次粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡的光軸。眼睛從側(cè)面水平方向觀察望遠(yuǎn)鏡，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘，使望遠(yuǎn)鏡光軸大致水平。同樣可以借助水平儀輔助調(diào)節(jié)[3]。另外要將望遠(yuǎn)鏡的棱鏡套筒逆時針旋轉(zhuǎn)90度，使十字光源落在望遠(yuǎn)鏡的水平軸的右側(cè)，如圖4所示，這樣是為了防止十字光源遮住返回的十字像。

圖4　逆時針旋轉(zhuǎn)90度之后的分劃板坐標(biāo)示意圖

最后轉(zhuǎn)動載物平臺，尋找十字光源經(jīng)雙面反射鏡正反面返回的十字像。要求是在望遠(yuǎn)鏡中能夠看到平面鏡正反面返回的十字像。注意尋找十字像的時候，先轉(zhuǎn)動載物平臺(下方的厚層)使平面鏡與望遠(yuǎn)鏡水平方向大致垂直，接下來觀察望遠(yuǎn)鏡，載物平臺轉(zhuǎn)動的速度要慢一些，因為只有當(dāng)平面鏡與望遠(yuǎn)鏡在水平方向嚴(yán)格垂直的時候才能看到十字像。如果此時只能看到一個面返回的十字像或者一個都看不到，那就要重新粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡鏡筒。只有看到兩個面返回的十字像，說明粗調(diào)已經(jīng)調(diào)節(jié)完畢，才能進(jìn)行接下來的細(xì)調(diào)。

2.2細(xì)調(diào)

當(dāng)把十字光源轉(zhuǎn)到水平軸的右側(cè)時，平面鏡和望遠(yuǎn)鏡垂直的判定依據(jù)要隨之改變，此時望遠(yuǎn)鏡光軸和平面鏡豎直方向垂直的判定依據(jù)是平面鏡正反面返回的十字像要都落在水平軸上。

細(xì)調(diào)的調(diào)節(jié)方法是以各半調(diào)節(jié)法為基礎(chǔ)的。所謂各半調(diào)節(jié)法是通過載物平臺和望遠(yuǎn)鏡兩者組合調(diào)節(jié)，每次各調(diào)節(jié)總誤差的一半，又稱1/2調(diào)法[11]。本文的細(xì)調(diào)過程，為了簡便起見，載物平臺每次只調(diào)節(jié)平面鏡前下方的那顆水平調(diào)節(jié)螺釘，以及望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘這兩部分。同時還需注意，之前粗調(diào)載物平臺的水平時已經(jīng)將載物平臺薄層與厚層貼在一起，所以載物平臺前下方的這顆螺釘只能向上調(diào)，不能向下調(diào)，對應(yīng)的調(diào)節(jié)十字像的位置是只能將十字像向上調(diào)不能向下調(diào)。所以這邊細(xì)調(diào)的總規(guī)則是：當(dāng)返回的十字像位于水平軸的上方時，只能調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡使十字像落在水平軸上；當(dāng)十字像位于水平軸下方時，采用各半調(diào)節(jié)法使十字像落在水平軸上。

同時注意粗調(diào)是看到的兩個十字像的位置可能出現(xiàn)三種情況：1水平軸的上方、下方各一個；2兩個都在水平軸的上方；3兩個都在水平軸的下方[5]。對應(yīng)3種情況的調(diào)節(jié)次序不一樣。如果是一上一下，調(diào)節(jié)次序無關(guān)，只要遵循前面細(xì)調(diào)的總規(guī)則就行。如果是落在水平軸的同一側(cè)，就要先調(diào)誤差大的十字像。如出現(xiàn)圖5(2)所示的情形時，就要先調(diào)節(jié)最上方的十字像，通過轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘使十字像下降到水平軸上；如出現(xiàn)圖5(3)的情況，就先調(diào)節(jié)最下方的十字像，用各半調(diào)節(jié)法，通過轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡的傾斜度調(diào)節(jié)螺釘和載物平臺平面鏡前下方的螺釘使十字像上升到水平軸上。接下來就是按照細(xì)調(diào)的規(guī)則調(diào)節(jié)平面鏡正反面的十字像，一面調(diào)好轉(zhuǎn)動載物平臺180度，再調(diào)平面鏡另一面返回的十字像，這樣重復(fù)2-3次基本都能將平面鏡正反面返回的兩個十字像調(diào)到水平軸上。當(dāng)兩個十字像都在水平軸上時，就說明望遠(yuǎn)鏡光軸與平面鏡在豎直方向是垂直的，接下來再調(diào)節(jié)水平方向的垂直時，只要轉(zhuǎn)動載物平臺使十字像落在左側(cè)短Y軸與水平軸交點(diǎn)即可，此時說明平面鏡與望遠(yuǎn)鏡光軸完全垂直。

圖5　平面鏡正反面返回的兩個十字像的位置可能出現(xiàn)的三種情況

3　結(jié)　　論

本文關(guān)于望遠(yuǎn)鏡與載物平臺法線垂直的調(diào)節(jié)方法是在各半調(diào)節(jié)法的基礎(chǔ)上作了一些細(xì)節(jié)的改進(jìn)，運(yùn)用本文所說的方法大部分學(xué)生都能在粗調(diào)之后看到兩個十字像，接下來的細(xì)調(diào)就能夠比較容易的完成。至此分光計實驗的最難部分就可以調(diào)節(jié)完畢，接下來的實驗內(nèi)容就可以順利完成。

[1]王小平.大學(xué)物理實驗[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]肖蘇.大學(xué)物理實驗[M].合肥：中國科技大學(xué)出版社，2004.

[3]石延梅.“三位水平法”快速調(diào)節(jié)分光計[J].大學(xué)物理實驗,2015(28):53-54.

[4]葛松華，唐亞明.分光計的一種簡單調(diào)整方法[J].實驗室科學(xué)與技術(shù)，2006(6):62-63.

[5]陳群宇.分光計的簡單調(diào)整方法[J].實驗室科學(xué)與技術(shù)，2013(6):23-56.

[6]諸揮明，梁路光，付妍.分光計實驗中望遠(yuǎn)鏡和載物臺調(diào)整的一種快速方法[J].大學(xué)物理實驗，2006(19)：51-54.

[7]楊百愚，馮大毅.分光計調(diào)整實驗中望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整技巧[J].大學(xué)物理，2005(24)：45-47.

[8]楊麗，董有爾.關(guān)于分光計調(diào)節(jié)過程的探討[J].實驗室科學(xué)，2008(1):155-156.

[9]高海林，高揚(yáng).分光計的調(diào)整技巧[J].實驗室科學(xué)，2008(6):143-145.

[10] 張茜.分光計調(diào)整方法的探討[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2007(12):142-144.

[11] 郭玉獻(xiàn)，張學(xué)勇，黃凱，等.改進(jìn)“各半調(diào)節(jié)法”實現(xiàn)分光計的快速調(diào)整[J].實驗室科學(xué)與技術(shù)，2012(10):16-17.

The Improvement of the Spectrometer AdjustmentMethodBasedonHalfAdjustmentMethod

LU Jian,ZHOU Qun,CAI Xiong-xiang

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)

Spectrometerexperimentisanimportantpartofuniversityphysicsexperiment.Spectrometerisaprecisioninstrumentmeasureslightdeflectionangle.Thefocusofthisexperimentistheadjustmentoftheinstrument,thedifficultytoadjusttheopticalaxisoftelescopeandthenormalaxisofcarry-thingplatformtomakethemperpendiculartoeachother.Thisarticleistomakesomeimprovementbasedonthehalfadjustment.Spectrometercanbequicklyadjustedwiththemethodmentionedinthepaper.

spectrometer；telescope；carry-thingplatform；halfadjustment

2016-02-26

上海市教委重點(diǎn)課程項目(1K-16-204-001)；上海理工大學(xué)“精品本科”教學(xué)改革項目(2015-JPBKZ-017)

1007-2934(2016)04-0036-03

O4-33

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.012