分光计调节方法的改进

2022-09-11

分光计是一种精密的光学仪器, 可用作测量物质的许多光学特性。例如, 用分光计测量三棱镜的顶角、棱镜的折射率以及光波波长等。分光计是光学实验中不可缺少的一种仪器, 但它可供调节的螺丝较多, 比其它仪器在调节上更为复杂, 所以分光计的调节具有很大的难度。对分光计的调节最关键的是要求望远镜的光轴与分光计的中心轴相垂直, 目前几乎所有的实验教材对分光计的调节都是机械的套用“渐进法”[1]。由于这种方法解释得不清楚, 使学生在调节时比较盲目, 经常不能在规定时间内调整好仪器。因此为了改进传统调节方法——“渐进法”, 缩短调节时间, 提高实验效率, 进行了本实验。

1 实验方法

1.1 粗调

首先, 用水准仪进行粗调, 使望远镜、平行光管和载物台面基本垂直于中心轴。然后, 调节望远镜的目镜, 使视场中能清晰地看到黑叉丝。再将平面镜放在载物台上 (参照图1放置) 。轻缓地转动载物台, 从望远镜中能看到平面镜反射回来的“十”字光斑 (如图2) 。如果找不到“十”字光斑, 说明粗调没有达到要求, 应重新进行粗调。也可采用镜外辅助调节法[1]:眼睛沿望远镜光轴外测向平面镜望去, 视线上、下、左、右移动, 可在某一处看到平面镜反射过来的亮“十”字像, 将目光移到与望远镜等高位置, 不论亮“十”字像位于望远镜光轴的水平面上方或下方, 均用“渐进法”使亮“十”字像处于光轴水平面等高位置。平面镜旋转180°, 重复上述方法调节, 经过反复转动载物台几次, 认真耐心地观察调节, 就会使得平面镜前后两个面反射的像均能进入望远镜的视场。至此, 望远镜光轴与分光计中心轴大致垂直。在找到“十”字光斑反射回来的像后, 调节望远镜中的黑叉丝套筒, 使在望远镜中能十分清晰地看到“十”字光斑的像。这样, 望远镜就可以适合接收平行光了。

1.2 细调

首先, 调节望远镜光轴垂直于分光计主轴。经过以上的粗调, 平面镜前后两个面反射的像均能在望远镜的视场中观察到, 这时要针对两个亮“十”字像的情况采用不同方法进行细调, 切不可盲目乱调。两个亮“十”字像的相对位置有三种: (1) 均在上准线的上方; (2) 均在上准线的下方; (3) 一个在上准线的上方, 一个在下方。情况 (1) 和 (2) 主要是由于望远镜的倾斜引起的, 此时应先单独调节望远镜高度调节螺丝使一个反射像在黑叉丝的上横线上方, 另一个在下方, 再应用“渐进法”调节望远镜仰俯角螺丝和载物台调平螺丝c, 使两反射像同时向黑叉丝上横线逼近, 最后调至与其无视差重合。对于情况 (3) , 主要是由于载物台不水平引起的。对于这种情况直接反复运用“渐进法”把两个亮“十”字像均调到黑叉丝上横线处即可, 这样就满足了望远镜水平, 并且与平面镜垂直。

然后调节载物平台的水平。上面调整已使望远镜光轴垂直于分光计主轴, 但载物台法线还可能与分光计主轴未重合。可将平面镜转动一个角度, 放在螺丝a、b连线的中垂线上, 应用“渐进法”调节螺丝a、b, 注意只调节靠近望远镜的螺丝或者只调节远离望远镜的螺丝, 即如果调节螺丝a, 它现在位于远离望远镜的一侧, 平面镜旋转180°后, 螺丝b位于螺丝a刚才所处的位置, 这时只调节螺丝b, 使两面的亮“十”字像均与黑叉丝的上横线交叉点重合。此时载物台才处于水平状态, 与分光计中心轴真正垂直, 调节完毕。

1.3 光波波长的测量

采用改进后的调整方法进行钠光波长的测量, 将衍射光栅置于载物台上, 测出0级、±1级明纹位置左、右读数。分别求出左、右衍射角的平均值、, 则为一级明纹衍射角, 根据光栅公式可求出波长。本实验应用分光计测钠光波长, 由于钠光具有两个波长, 所以分别求出其波长值。

2 结果与分析

采用改进后的调整方法进行测量钠光波长的实验, 具体数据如下:

按照光栅衍射公式 (光栅常数为mm) :

可得,

用传统方法测得, 以上数据与传统方法测得的数据比较, 可以减少误差0.004%左右, 提高了实验的准确性。由此可见, 正确的调节方法可以提高实验成功率。

3 讨论

分光计的调节最关键的是要求望远镜的光轴与分光计的中心轴相垂直, 几乎所有的物理实验教材都是机械的套用“渐进法”, 该方法在调节过程中存在两个缺陷:第一, 使用这种方法有一个前提, 就是保证平面镜旋转一周从望远镜中能够看到“十”字叉丝的两个反射像, 然后才能用“渐进法”调节。但是在实验教学中经常出现根本看不到“十”字叉丝的反射像, 或者一面能看到但平面镜转了1 8 0°后又看不到“十”字叉丝反射像的情况, 这种情况使得调节无法继续;第二, 并不能保证载物台水平, 而只能说光栅所在的a、b连线的中垂线处于水平, 至于a、b连线的方向还是不能排除倾斜的, 如果用光栅测光波的波长, 由于光栅的刻痕在竖直面上倾斜, 也会造成很大的误差。

通过改进的调节方法可以弥补传统调节方法的不足:第一、镜外辅助调节法使得平面镜两面对准望远镜时, 视野中都可以找到亮“十”字像;第二、根据亮“十”字像的不同位置, 灵活的应用“渐进法”调节, 并在传统方法基础上再将平面镜置于a、b中垂线上继续调节。可确保载物台与望远镜的真正水平, 弥补了只在一条线上的水平视即为载物台的缺陷。由实验数据可知, 正确的调节方法可以大大缩短凋节时间, 提高实验的速度, 并提高了实验成功率。

分光计的调节要注意以下三点: (1) 明确调节的先后项序; (2) 明确粗调是细调的前提, 也是细调的成功保证; (3) 在实验中针对具体情况采取适当的调节方法, 具体情况具体分析。同时在实验过程中, 良好的心理素质也不能忽视。在实验时应注重向学生强调操作顺序的重要性, 不能急功近利。再加上正确的操作方法, 可以大大提高学生的实验信心和耐心, 从而保障实验的成功。

摘要：分光计可以用来测三棱镜的顶角、棱镜的折射率以及光波波长等实验, 因此, 分光计的调节非常重要。分光计调节的准确与否直接关系到各物理量的测定精度。针对分光计调整中传统操作存在的问题, 对其进行了改进:一、采用镜外辅助调节法使平面镜两面对准望远镜时都能看到亮“十”字叉丝;二、采用平行载物台两螺丝及“渐进法”使亮“十”字叉丝均与黑叉丝上横线交叉点完全重合。这种方法优化了调节操作, 大大降低了分光计调节的难度, 使初学者在较短时间里完成调节任务, 提高了教学质量。

关键词：分光计,调节,渐进法,“十”字叉丝反射像,螺丝,平面镜