趙欣

[廣州華立學(xué)院（原廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院），廣東廣州 511325]

分光計(jì)是一種精確測(cè)量角度的光學(xué)儀器，光學(xué)中的許多基本量，如折射率、波長(zhǎng)、衍射角等可以直接或間接地用分光計(jì)來(lái)測(cè)定[1]。因此，分光計(jì)的結(jié)構(gòu)與調(diào)整方法在光學(xué)儀器中具有代表性。但由于分光計(jì)的調(diào)節(jié)操作復(fù)雜、精度要求高，使得學(xué)生容易產(chǎn)生厭煩、懼怕心理，要求教師能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生的難點(diǎn)并采取相應(yīng)的解決措施和辦法。在疫情影響下，學(xué)校教師錄制了相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，可以引導(dǎo)學(xué)生課前查看提前預(yù)習(xí)，同時(shí)篩選網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)秀教學(xué)資源分享給學(xué)生，這樣可以增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的熟悉程度。通過(guò)視頻，學(xué)生可以知道實(shí)驗(yàn)的操作步驟，但在按照步驟調(diào)節(jié)的過(guò)程中仍然會(huì)遇到一些耗時(shí)的問(wèn)題。本文在介紹分光計(jì)組成結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)調(diào)整過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提出了相應(yīng)具體的解決辦法[2]。

一、分光計(jì)的組成結(jié)構(gòu)、原理

不同型號(hào)的分光計(jì)其組成結(jié)構(gòu)基本相同，包括：望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物臺(tái)、讀數(shù)裝置4個(gè)主要部分。本文以浙江光學(xué)儀器制造有限公司生產(chǎn)的JJYI型的分光計(jì)為例（圖1）。

圖1 JJYI 型分光計(jì)

（一）望遠(yuǎn)鏡

分光計(jì)所用望遠(yuǎn)鏡是阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（圖2），它由物鏡、分劃板和目鏡組成，如圖3所示。

圖2 望遠(yuǎn)鏡實(shí)物圖

圖3 望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖

望遠(yuǎn)鏡的目鏡可用來(lái)觀測(cè)像和接收平行光，本次論文通過(guò)目鏡觀測(cè)像與分劃板橫刻線的位置關(guān)系來(lái)調(diào)節(jié)分光計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)聚焦于無(wú)限遠(yuǎn)處，調(diào)節(jié)目鏡中的視場(chǎng)清晰，保證后續(xù)觀測(cè)無(wú)視差；打開(kāi)小電珠的電源開(kāi)關(guān)，在目鏡視場(chǎng)中觀察到亮“十”字，電珠的光線會(huì)通過(guò)望遠(yuǎn)鏡筒，穿過(guò)物鏡經(jīng)載物臺(tái)上雙面鏡反射，在目鏡視場(chǎng)中觀察到“十”字像。通過(guò)判斷“十”字像與分劃板“”的位置關(guān)系并調(diào)節(jié)分光計(jì)，最終使得“十”字像與分劃板“”的橫刻線對(duì)齊（圖4）。

圖4 “十”字像與分劃板“”的位置關(guān)系

（二）平行光管

平行光管是用來(lái)產(chǎn)生平行光的，平行光管的一端有一組消色差透鏡，另一端是一個(gè)可伸縮的套筒，套筒末端是寬度可調(diào)的狹縫，狹縫的寬度由其上的手輪控制。平行光管的傾斜角度由其水平調(diào)節(jié)螺釘來(lái)調(diào)節(jié)。

圖5 平行光管：實(shí)物圖（上）；機(jī)構(gòu)圖（下）

（三）載物臺(tái)

載物臺(tái)是用于放置平面鏡、棱鏡以及光柵等光學(xué)元件的平臺(tái)。載物臺(tái)下方有三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，可以改變載物臺(tái)的高度和傾斜度（圖6）。

圖6 載物臺(tái)：側(cè)視圖（上）；俯視圖（下）

（四）讀數(shù)裝置

讀數(shù)裝置由刻度盤(pán)和游標(biāo)盤(pán)組成，刻度盤(pán)量程為360°，最小刻度為30′，小于30′則用游標(biāo)讀出。游標(biāo)位于刻度盤(pán)內(nèi)側(cè)，分度值為1′，相隔180°處有兩個(gè)游標(biāo)。

圖7 讀數(shù)裝置

二、分光計(jì)的調(diào)節(jié)問(wèn)題

（一）雙面鏡兩側(cè)均觀測(cè)到“十”字像

在操作過(guò)程中，大部分學(xué)生通常僅在雙面鏡一側(cè)看到“十”字像就盲目地進(jìn)行“望遠(yuǎn)鏡主光軸與中心軸垂直”的操作，這有可能造成載物臺(tái)的傾斜嚴(yán)重，導(dǎo)致雙面鏡旋轉(zhuǎn)180°看不到像，進(jìn)行多次無(wú)效操作從而浪費(fèi)時(shí)間。教師需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行的重要性，清楚每步實(shí)驗(yàn)操作的目的及其意義。要達(dá)到雙面鏡兩側(cè)均觀測(cè)到“十”字像的目的，就要求粗調(diào)過(guò)程必須實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡主光軸、載物臺(tái)、平行觀光管的三線平行關(guān)系。但學(xué)生通過(guò)肉眼判斷調(diào)整的結(jié)果往往不理想，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的視野中觀測(cè)到像?？梢岳脤?shí)驗(yàn)室的氣泡水平儀進(jìn)行判斷，解決這一問(wèn)題。

首先將氣泡水平儀置于實(shí)驗(yàn)桌面上，確保操作平臺(tái)的水平；接著將氣泡水平儀分別置于讀數(shù)刻度盤(pán)的兩側(cè)，通過(guò)調(diào)整底座，實(shí)現(xiàn)分光計(jì)整體與地面的水平關(guān)系；最后將氣泡水平儀放置在載物臺(tái)的中央，調(diào)整載物臺(tái)下的三個(gè)螺絲釘，使載物臺(tái)變得水平。在以上三個(gè)水平調(diào)整的基礎(chǔ)上，參考分光計(jì)上的結(jié)構(gòu)框架，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡、平行光管中心軸線水平。通過(guò)借助氣泡水平儀，避免了學(xué)生無(wú)參考調(diào)整的操作問(wèn)題，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作打好基礎(chǔ)。

（二）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡主光軸與中心軸垂直

實(shí)現(xiàn)分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡主光軸與中心軸的垂直是使用分光計(jì)測(cè)量光學(xué)物理量的前提，這一步的常用調(diào)整方法稱為：“二分法”或“各半分法”。在判斷視野中“十”字像與分劃板“”位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)應(yīng)地調(diào)整望遠(yuǎn)鏡仰望角螺釘或者雙面鏡的前（后）的螺釘，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。但學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：

1.學(xué)生能夠理解這種調(diào)節(jié)螺釘?shù)睦碚?，但操作時(shí)容易遺忘調(diào)節(jié)的對(duì)象；

2.在完成雙面鏡兩側(cè)均觀測(cè)到“十”字像，并且雙面鏡A面對(duì)應(yīng)的“十”字像與分劃板“”橫刻線重合，雙面鏡旋轉(zhuǎn)180°后，B面卻無(wú)法觀測(cè)到“十”字像。這是由于用“二分法”調(diào)整時(shí)，學(xué)生只調(diào)節(jié)單個(gè)螺釘，導(dǎo)致載物臺(tái)出現(xiàn)了明顯的傾斜所致；

通過(guò)測(cè)試不同的調(diào)節(jié)辦法，將“二分法”中調(diào)節(jié)載物臺(tái)螺釘“十”字像向分劃板“”逼近一半距離的方法，更改為調(diào)整雙面鏡A面的前、后2個(gè)螺釘分別向參考線逼近四分之一的方法（圖8）。具體操如下（圖9）：

圖8 雙面鏡A 面對(duì)應(yīng)的前后螺釘

圖9 具體操作

1.首先調(diào)整雙面鏡A面的前螺釘，使得“十”字像向分劃板“”逼近的距離；

2.接著調(diào)整雙面鏡A面的后螺釘，使得“十”字像向分劃板“”逼近的距離；

3.在完成以上操作后，最后調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的仰望角螺絲釘，使得“十”字像向分劃板“”逼近的距離，完成A面的“十”字像與分劃板“”的一條橫刻線重合。

4.雙面鏡旋轉(zhuǎn)180°，B面的調(diào)整同上。這樣僅需2～3次就可以完成整望遠(yuǎn)鏡主光軸與中心軸垂直的調(diào)整，減少了實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間，有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生。

三、總結(jié)

分光計(jì)的調(diào)節(jié)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)，解決調(diào)整過(guò)程中的“兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題”就可以幫助學(xué)生迅速調(diào)好分光計(jì)。針對(duì)學(xué)生操作中的難點(diǎn)，借助水平儀提高了望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、平行觀光管三線平行的準(zhǔn)確度，細(xì)化“各半分法”中載物臺(tái)螺釘?shù)木唧w調(diào)節(jié)辦法，減少了重復(fù)且盲目的調(diào)整過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)生克服復(fù)雜操作的信心，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。