張雷明, 張 園, 宋 寧, 張 偉

(1.中國礦業(yè)大學徐海學院 基礎教學部,江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業(yè)大學 物理學院,江蘇 徐州 221116)

分光計是一種能精確測量角度的典型光學儀器,又稱光學測角儀,可以直接測定反射角、折射角、衍射角、棱鏡頂角等角度,從而測量折射率、光波波長、色散率等光學參量。分光計的基本部件和調節(jié)原理與一些復雜的光學儀器(如攝譜儀、單色儀)有許多相似之處,學會對它的調節(jié)和使用,有助于掌握操作更為復雜的光學儀器。因此,分光計的調節(jié)與應用實驗是大學物理實驗中一項重要的實驗內容[1,2]。分光計裝置比較精密,結構也比較復雜,學生對它的基本結構和光路不夠了解,在使用分光計做實驗時,對分光計的調節(jié)和測量感到困難,操作缺少章法。本文分析了分光計的光學原理,給出分光計反射“十”像成像的光路,提出了簡單有效的調節(jié)方法。同時設計制作了分光計調節(jié)輔助裝置,提高調節(jié)的效率。最后對分光計測量讀數(shù)過程進行分析討論。

1 分光計調節(jié)的分析和措施

為獲得較高精度的測量結果,調整分光計要求達到:(1)望遠鏡聚焦無窮遠,能接收平行光;(2)望遠鏡和平行光管共軸,且均與分光計中心軸垂直;(3)平行光管出射平行光[3]。

1.1 調節(jié)望遠鏡對平行光聚焦

首先介紹反射“十”像出現(xiàn)在視場中的光學原理。在物鏡前放置一平面鏡,前后調節(jié)分劃板套筒的位置,使分劃板位于物鏡的焦平面上,“十”形刻線發(fā)出的光經(jīng)物鏡后形成平行光,平行光被反射回來,再經(jīng)物鏡聚焦在分劃板上方“十”字叉絲處形成綠“十”像。轉動載物臺會引起反射綠“十”像向同方向水平轉動。

調節(jié)望遠鏡對平行光聚焦的實質是將分劃板調到望遠鏡物鏡焦平面上,有一個簡單有效的方法,將平面鏡緊貼著望遠鏡物鏡,移動目鏡筒,直到分劃板上的反射綠“十”像清晰、無視差,此時望遠鏡能接收平行光。

1.2 粗調輔助裝置

在調節(jié)要求中使望遠鏡光軸與分光計中心轉軸垂直是調節(jié)的難點,很多教材和文獻對這個調節(jié)過程進行了討論[1-5],一般分為粗調和細調兩個步驟,粗調是通過目測使分光計的望遠鏡光軸大致垂直于分光計的中心轉軸,通過望遠鏡能看到雙平面鏡的兩個面反射回來的綠“十”像,只有粗調完成后才能進行細調?？墒怯捎谕h鏡的視場較小,綠“十”像經(jīng)常不在望遠鏡的視場中,即不能在分劃板上看到綠“十”像。學生缺乏調節(jié)經(jīng)驗,又無法直觀地判斷反射光的偏離方向,導致調節(jié)有很大的盲目性。分光計望遠鏡的視場范圍小于3°24′,僅靠目測一般很難在望遠鏡視場范圍內看到綠“十”像。

利用激光的準直性和激光光斑的可見性,在原有JJY1型分光計上加裝一套自行設計的激光輔助裝置[6,7],基本結構如圖1所示。在望遠鏡的物鏡端安裝觀察屏,觀察屏上設有與望遠鏡物鏡大小配套的圓形孔,套在望遠鏡前端時觀察屏與望遠鏡光軸垂直。同時,在望遠鏡鏡筒上設置十字棱形定位架,用來固定激光器,使激光光束與望遠鏡光軸處于同一平面。在觀察屏上設有透光窗口,激光器發(fā)出的光束能通過透光窗口入射到平面鏡上。

圖1 實驗裝置示意圖

首次使用激光輔助裝置時要進行校準,調整好分光計并記錄觀察屏上反射光斑的位置,并在其位置做“X”號,使用時觀察激光反射光斑與記號中心的相對位置,就可以判斷望遠鏡光軸的傾斜情況。調節(jié)載物臺的三顆螺絲和望遠鏡傾斜調節(jié)螺絲使激光反射光斑處于記號中心,此時望遠鏡光軸與分光計中心轉軸基本垂直,通常反射的綠“十”像就會出現(xiàn)在望遠鏡的視場范圍內。

利用激光反射光斑作為調節(jié)的參照,學生在粗調時就不會盲目調節(jié)。實踐表明,大多數(shù)學生借助輔助調節(jié)裝置能較快的在望遠鏡分劃板上看到反射綠“十”像。從而能順利地進行下一步調節(jié),提高了實驗效果。

1.3 細調過程的光路分析和調節(jié)方法

粗調后望遠鏡光軸與分光計中心轉軸基本垂直,為了精確測量,必須使望遠鏡光軸與分光計中心轉軸完全垂直,還需對分光計進行細調。如果不對反射綠“十”像的高度進行光路分析,即使粗調成功,學生在進行細調操作時也往往覺得無從下手,不理解在調節(jié)過程中觀察到的一些現(xiàn)象,對應某種現(xiàn)象應該調節(jié)什么、如何調節(jié)、調節(jié)到什么程度都比較困惑,往往需要較長的時間摸索調節(jié)規(guī)律,影響課堂效率和實驗效果。下面結合光路分析簡述細調的過程。

1.3.1 載物臺傾角沒調好的表現(xiàn)及調節(jié)

假設望遠鏡光軸已垂直分光計中心轉軸,但載物臺傾角沒有調好,如圖2所示。平面鏡A面反射光偏下(圖2(b)),載物臺轉180°后,B面反射光偏上(圖2(a)),在望遠鏡中看到的現(xiàn)象是A面反射像在B面反射像的上方。采用漸近法各半調節(jié),即把A面像(或B面像)向上(或向下)調到兩像距離的一半位置,反復操作,直至鏡面A和B的像處在分劃板上相同高度處(圖2(c))。

圖2 載物臺傾斜的表現(xiàn)及調整原理

1.3.2 望遠鏡光軸沒調好的表現(xiàn)及調節(jié)

假設載物臺已調好,但望遠鏡光軸不垂直分光計中心轉軸,如圖3所示。在圖3(a)中,無論平面鏡A面還是B面反射光都偏上,反射像落在分劃板“十”字叉絲的上方。在圖3(b)中,鏡面反射光都偏下,反射像都落在分劃板“十”字叉絲的下方。調整方法是只要調節(jié)望遠鏡傾斜程度,把像調到分劃板“十”字叉絲上即可,如圖3(c)所示。

圖3 望遠鏡傾斜的表現(xiàn)及調整原理

1.3.3 載物臺傾角和望遠鏡光軸沒調好的表現(xiàn)及調節(jié)

轉動載物臺,使望遠鏡先對著平面鏡的A面,如果從望遠鏡中看到反射綠“十”像和分劃板“十”字叉絲不重合,它們的交點在高低方面相差一段距離h,如圖4(a)。這時調節(jié)望遠鏡傾斜度,使差距減小一半h/2,如圖4(b);再調節(jié)載物臺螺絲,消除另一半距離使反射綠“十”像和分劃板“十”字叉絲重合,重復調整數(shù)次,直至轉動載物臺時從平面鏡兩個面反射回來的綠“十”像都能與分劃板“十”字叉絲重合[1],如圖4(c)所示。

望遠鏡調節(jié)好后望遠鏡傾斜調節(jié)螺絲不可以再調。

圖4 自準法調整望遠鏡

2 望遠鏡轉動角度測量及消除偏心差

根據(jù)多年的教學經(jīng)歷,很多學生在使用分光計進行測量時會對讀數(shù)感到困難。由于儀器中心軸和刻度盤在裝配時不可能完全重合,且軸套之間也總是存在間隙,所以望遠鏡的實際轉角與刻度盤上讀到的角度不完全一致,稱為分光計的偏心差,如圖5所示。圖中,O為儀器轉軸中心、O′為刻度盤中心、φ為望遠鏡實際轉角、θ1和θ2分別為通過游標讀到的角度值。偏心差一般通過安裝在轉軸直徑上的兩個對稱的游標來消除。從圖5中的幾何關系可知:

φ+∠1=θ1+∠2,

(1)

φ+∠2=θ2+∠1.

(2)

兩式相加得

2φ+(∠1+∠2)=θ1+θ2+(∠1+∠2).

(3)

所以

2φ=θ1+θ2,

(4)

即

(5)

圖5 偏心差示意圖

(6)

測量過程中當某個游標越過刻度盤的零刻度線時,實際轉過的角度應按下式來計算

(7)

3 結束語

分析分光計的基本調節(jié)過程和測量方法，設計制作了調節(jié)輔助裝置。使調節(jié)有直觀的指示,避免操作的盲目性,從而較快地調節(jié)分光計達到實驗要求,提高實驗效率。通過分析分光計的光學原理,幫助學生判斷調節(jié)過程中出現(xiàn)某種現(xiàn)象的原因,明確調節(jié)方向,更好地理解和掌握調節(jié)方法。分析了分光計測量角度時產(chǎn)生偏心差的原因,幫助學生理解分光計測量角度的讀數(shù)方法,并提出兩個避免角度計算出現(xiàn)差錯的方法,提高實驗的準確性。掌握分光計的基本調節(jié)和測量方法,可以在規(guī)定時間內順利完成實驗并取得較好的實驗效果。