如何解决分光计实验教与学的难点问题

2023-01-09

大学物理实验教学既具有专门的实验理论, 又具有实际操作性, 实验教学的目标是使学生做到手脑并用, 既要培养学生正确使用仪器并熟练操作的技能, 又要启发学生如何分析问题、解决问题, 运用理论指导实验, 在完成实验的同时, 提高动手能力, 加深对理论知识的掌握。大学物理实验中, 光学实验相对来说是难度较大的实验, 其理论比较深, 仪器调节比较复杂, 也需具有更大的耐心, 能够使学生得到很好的锻炼和提高分析问题、解决问题及动手能力。无论从教学还是学生训练的角度看, 分光计调节实验都具有典型性。分光计的调节过程需要良好的结合几何光学理论的运用、光学仪器的调节和一定的技巧运用, 分析这一实验中的难点问题能够综合反映物理实验教学工作的主要特点。本文以分光计实验为例, 结合实际经验谈谈如何解决分光计实验教学中的难点问题。

1 分光计的调节

1.1 分光计调节的难点

分光计作为一种精确测量光线的偏转角度的光学仪器, 常用来测量折射率、光波波长、色散率和观测光谱等, 在整个光学测量中占据非常重要的位置。分光计使用的望远镜一般采用自准望远镜, 结构如图1所示[1]。

根据教学经验, 发现望远镜未聚焦于无穷远和绿色“+”字叉丝像不在望远镜的视场的情况都存在时, 是学生调节分光计的最大难点。究其原因, 学生对光学知识掌握不牢固, 做实验时心急, 更没有养成良好的运用理论指导实验、分析具体的实验现象地习惯, 所以很难完成这一步实验内容。因此, 指导学生完成这个实验步骤, 能很好地培养学生根据实际情况, 分析实际问题, 理论指导实验, 并且大胆地摸索和动手操作能力。

由上所述, 两个或者一个“+”字叉丝像常不在望远镜的视场中, 无法在望远镜中准确判断反射光的偏离方向和“+”字叉丝像的位置。这给望远镜的聚焦调节和光轴方向调节、载物台的调节增加了的难度。这要根据具体情况, 分析光路, 每个调节步骤都要有针对性和目的性, 不可以盲目地调节。

1.2 粗调载物台台面水平

这里选择分光计中心轴为竖直方向, 要调节望远镜的光轴与分光计中心轴垂直, 因此要把载物台台面调节到水平。首先是粗调载载物台, 如果学生在做这一步时没操作好, 会给后面的实验内容带来了麻烦和难度。通常, 学生不借助于其他物体来判断载物台台面水平与否, 观察时视线方向也有影响, 很难把载物台调节到很接近水平状态。因此, 可以启发学生利用参照物的作用, 借助载物台旁边的物体的某一点作为参照物, 在转动载物台的过程中, 视线方向不变, 如果载物台平面上各点与该参考点相对位置不同, 则载物台台面还没粗调水平, 要调节载物台下的三个螺钉, 直至载物台台面上边缘各点与该参考点相对位置基本不变, 则载物台粗调水平, 即载物台光轴和分光计光轴重合。

1.3 调节绿色“+”字叉丝像进入望远镜视场

载物台台面粗调水平后, 一般地, 载物台上地平面镜两个面反射的“+”字叉丝反射像还不能都进入望远镜视场, 因此接下来要调节使得两个“+”字叉丝反射像进入望远镜视场。学生往往不分析原因, 盲目地调节望远镜和载物台, 把已经粗调水平的载物台台面又调节偏离了水平位置, 这样就更无法调节到望远镜的光轴与分光计中心轴垂直了。还有常出现的问题是, 学生不考虑一个“+”字叉丝像相对于望远镜视场的位置, 只顾调节另一个“+”字叉丝像进入望远镜视场。这样, 往往导致一个“+”字叉丝像就离望远镜视场越远, 望远镜光轴就和分光计光轴偏离垂直关系越远。此时, 要引导学生分析产生这样的现象的原因。“+”字叉丝像在望远镜视场外, 还不能准确判断“+”字叉丝像偏离测量叉丝的位置, 不要着急盲目地调节仪器, 要旋转载物台, 在望远镜周围来回观察, 寻找“+”字叉丝像, 分别找到两个“+”字叉丝像分别相对于调整用叉丝的大致位置, 由此分析载物台上平面镜两面反射“+”字叉丝像相对于调整用叉丝的位置, 运用几何光学, 分析望远镜对载物台光轴的偏离方向和偏离角度的大小, 从而确定如何调节望远镜和载物台。两个“+”字叉丝像相对于在调整用叉丝的偏离位置可分为两种情况:

(1) 两个“+”字叉丝像相对于调整用叉丝的偏离方向相同, 均在调整用叉丝的上方或下方, 如图2, 可知望远镜光轴偏离水平方向的角度大, 载物台台面偏离水平面地角度小。

(2) 两个“+”字叉丝像分别位于调整用叉丝的上方或者下方, 如图3, 此时望远镜光轴偏离水平的角度小, 载物台偏离水平角度大。

调节望远镜和载物台, 使“+”字叉丝像进入望远镜视场。这时调整用叉丝作为参照物, 可以准确判断两个绿色“+”字叉丝像的位置。

若望远镜还没聚焦于无穷远, 即使“+”字叉丝像进入望远镜视场, 由于光斑和实验室的对比度, 可能在望远镜视场中看不见光斑。那么如何观察“+”字叉丝像进入望远镜视场了呢, 这又是一个难点, 要求学生思考如何解决这个问题。显然, 载物台在实验过程中是转动的, “+”字叉丝像相对于望远镜的左右位置是不需要调节的, 只要在和望远镜目镜旁边相同的高度位置观察, 如果能看到“+”字叉丝像, “+”字叉丝像就进入望远镜视场了。确定“+”字叉丝像进入视场后, 再调节叉丝套筒, 就实现望远镜聚焦于无穷远了。

完成了“+”字叉丝像进入望远镜视场的难点问题后, 接着是细调工作, 比起调节“+”字叉丝像进入望远镜视场来说是很容易的, 光路的分析原理和调节“+”字叉丝像进入望远镜视场是相同的, 根据教材中的实验步骤说明便能顺利地完成望远镜的光轴与载物台台面光轴相垂直。

2 结语

本文针对教学中学生普遍认为的实验难点, 启发学生根据具体实验的现象结合理论进行分析, 讨论在调节望远镜的光轴与载物台台面光轴相垂直的过程中, 如何巧妙地粗调载物台台面水平和实现望远镜聚焦于无穷远, 重点解决了调节两个“+”字叉丝像进入望远镜视场的难点问题。引导学生完成实验的同时, 培养了学生实践能力、分析能力和创新能力, 学生通过实验加深对理论知识的掌握。

摘要：针对学生在分光计调节实验中常遇到的问题, 启发学生根据具体实验的现象结合理论分析, 运用理论指导实验, 灵活地粗略调节载物台水平, 重点解决调节两个“+”字叉丝像进入望远镜视场的难点问题, 培养学生的分析问题解决问题的能力和动手能力。

关键词：分光计,光轴,调节