一种用分光计测顶角调节方法的探索

张 瑾，马建国

（淮南师范学院 物理与电子信息系，安徽 淮南 232001）

一种用分光计测顶角调节方法的探索

张 瑾，马建国

（淮南师范学院 物理与电子信息系，安徽 淮南 232001）

在讨论分光计载物台对三棱镜不垂直度的角度补偿作用基础上，指出了分光计调节中的认识误区，在此基础上提出了一种调节方法，与其它方法比较，它简洁，高效，实用性强。

分光计；三棱镜；主轴；旋转微调法

一、引言

分光计是一种用于精确测量角度的光学仪器。在大学物理实验中，调整分光计是一个重点、难点。为了精确测量角度，在实验前必须对分光计作必要的调节。但是，在查阅的文献中对于分光计的调节会出现这样一些条件：条件1.望远镜主轴垂直分光计主轴；条件2.待测角平面垂直于分光计主轴；条件3.载物台面垂直于分光计主轴。这些条件是否到要满足？笔者对这些问题加以讨论，并介绍在教学实践中首次总结出的一种解决此类问题的调节方法。

二、问题分析

在《分光计快速调整方法探索》[1]中认为借助水平仪是为了使“载物台面垂直于仪器的中心转轴”。载物台面是否必须要垂直于分光计中心转轴（即分光计主轴）？按照一般教材中的传统方法[2]，将三棱镜放在载物台上，完成调节，然后进行三棱镜顶角的测量。但是实验中我们往往会发现如果将三棱镜转动一个微小的角度，这时候就会出现分光计失调，即使对于同一厂家的三棱镜，仍然会出现类似情况。其实，在光学元件包括三棱镜的光学面底面通常不严格垂直，可以通过调节螺钉来补偿由于不垂直产生的误差，因此，在一定的精度范围内，载物台总是倾斜的[3]。 如图 1，其中，AB、CD 为三棱镜的棱，a、b 、c为载物台的三个调平螺钉，测量前的这种调整的目的就是要使三棱镜主截面AC垂直于分光计主轴N，保证所测角度是三棱镜主截面上的角度。调整的结果必然使得载物台平面作一定角度α的倾斜。而倾斜角是随被测三棱镜底面与棱脊的不垂直度角β的不同而改变，且主截面AC与分光计主轴垂直情况下，倾斜角α与三棱镜不垂直度角β相等。

由此可见，条件3是个伪条件，虽然在调节中可以借助水平仪[1，4]来调节载物小平台、望远镜等，但由于不垂直度角的存在，载物台面就不会垂直于仪器的中心转轴。因此，借助水平仪目的不是为了使所谓的“载物台面垂直于仪器的中心转轴”，而只是辅助更快地找到反射的“十”字像，由于α很小（大约14分左右[5]），这时借助水平仪来使载物台、望远镜等水平，可以有于助实验人员完成粗调，避免盲目调节，从而节省学生在实验中花费在粗调上的时间。同样，《调整分光计的探讨》[5]中，在必须满足望远镜主轴及载物平台必须垂直分光计主轴的条件下得出：“在分光计的调整过程中，不能用待测的三棱镜代替双面反射的平面镜来进行调节”的错误结论。笔者认为该文作者也未能将分光计的主轴和小平台平面的法线很好区分。

图1 分光计棱镜与载物平台侧面示意图

图2 棱镜与载物平台俯视示意图

上述误区在分光计调节中常常会发生。为了避免此类问题在学生调节的出现，笔者结合自己的教学实践，给出一种分光计的调节改进方法。这种方法既考虑到文献[1]中的认识错误，也可以避免文

献[5]中问题，即可以用三棱镜代替双面镜。

三、调节步骤

笔者以三棱镜为例重点对微调作具体介绍，粗调可以参考相关教材[2]。

1.粗调

方法与教材相同，粗调可以用观察法，或借助水平仪来进行。直到望远镜正对两光学面都可以看到清晰的“十”字像。

2.微调

如图2，设1面是磨砂面，2、3面是光学面，在每一光学面所对应的载物台的下方都有一个调平螺钉，而调节某一光学面的绿色反射像与上分划线十字叉丝重合就只要调节相对应的那一个螺钉即可。例如，2面对应调平螺钉c，通过调节调平螺钉c可以调节2面的倾仰。然后通过二分法，反复调节调节载物台下面的调平螺钉b、c和望远镜筒下面的仰角螺钉，当两光学面的绿色反射像都与上分划线十字叉丝重合后，就可以认为望远镜光轴与三棱镜的棱AB垂直。因为当一光学面的绿色反射像与上分划线十字叉丝重合时，可以认为望远镜的光轴与该光学面垂直，而两光学面的绿色反射像都与上分划线十字叉丝重合后，可以认为望远镜的光轴垂直于两光学面的交线（即三棱镜的棱），但是这时分光计主截面AC是否垂直于分光计的主轴还不能确定。传统处理这个问题的方法通常有以下几种：微调一，用二分法使三棱镜三面绿反射十字像都能同时与上分划线十字叉丝重合[2]，这很难有可操作性。微调二，1.先借助双面镜使望远镜光轴与分光计主轴垂直，2.然后换上三棱镜用前面微调中介绍的方法来调节[2]。但是许多学生调节的时候会再次调节仰角螺钉，致使调节前功尽弃。有时用双面镜调节后，再换三棱镜，会导致需要再次粗调，会耽误很多时间。在这里我们提供一种快速有效的方法，即所谓的旋转微调法。

当望远镜对准一光学面时，微微转动望远镜，我们会发现绿“十”字像沿上分划线左右移动的时候会出现两种情况：一是“十”字像严格在上分划线上左右移动，如图3（c）；二是“十”字像由左上移动到右下或由左下移动到右上，如图3（a）（b）。

图3 十字线移动的不同情况

对于第一种情况，说明分光计已调节好，载物小平台平面倾角α与三棱镜不垂直度角β相等。相当于微调二中1、2步骤已调好。对于第二种情况，有两种可能：

（1）当望远镜对准 2 面转动时，出现（a）（或（b）），望远镜对准 3 面转动时，出现（a）（或（b）），这是由于分划线不平行于三棱镜主截面，可调节紧固螺钉，沿“十”字像上下移动方向的反向作微小转动即可。

（2）当望远镜对准2面转动时情况同（1），但是当望远镜对准 3 面转动时，却出现（b）（或（a）），相当于微调二中达到2步骤的要求，1步骤目的还未达到，这时就需要再用二分法反复调节载物台下螺钉a和望远镜仰角螺钉，直到“十”字像作（c）情况移动，1步骤目也达到，分光仪调节完成。

通过以上调节可以确保三棱镜主截面AC垂直于分光计的主轴N。实验中我们发现当三棱镜主截面AC法线与分光计的主轴N偏离时，这时候按照教材[1]上微调步骤，仍然可以达到“调节好”的标准，即文献[6]种所述情况，这时载物小平台平面法线M与分光计主轴N的夹角是大于β的，其直接结果是导致度盘与三棱镜旋转角度对应的弧度不同，而三棱镜主截面与度盘旋转的角度也不相同，通过我们提出的旋转微调法就可以避免这种误差。按照上述方法调节好后，度盘与三棱镜旋转角度对应的弧度虽然不同，而三棱镜主截面与度盘旋转的角度却是相同的。这种方法既考虑载物台面不水平同时又可保证分光计主轴N与分光计主截面AC法线平行。同时本方法对于楔形棱镜也适用。

四、小结

分光计调节中由于没有注意到载物小平台平面倾角的存在，或未能将M、N轴很好区分，这往往会给实验结果带来误差，本方法的特点：1）调节过程简单，整个调节过程只用三棱镜，省去了借助平面镜调节，减少了调整的复杂度，避免了因将平面镜更换为三棱镜而产生的误差。2）步骤清晰。在寻找绿色反射像和各办法调节时。并不用调节过多的螺钉哺1只需调节相应的一个螺钉，调节对象单一，清楚。3）效率高。适用性强。从而避免上述问题的出现，同时本方法减小了对实验各个因素的依赖性，对于一般的实验环境都适用。本文提出的调整方法，在教师讲解和演示的基础上，经过实践教学检验，该方法取得了良好的教学效果。

[2]杨述武.普通物理实验3光学部分[M].北京：高等教育出版社，2000：277

[3]程怡乐.试析分光计载物台的角度补偿作用[J].黄山学院学报， 2004，（3）：39-40

[1]胡孝博，聂丽青，刘扬正.分光计的快速调整方法探索[J].南京工程学院学报（自然科学版），2008，6（1）：69-72

[4]赵丽艳，张法玲.一种简单有效的分光计调节方法[J].实验室科学，2008，（4）：134-135

[5]罗乐，王刚志.调整分光计的探讨[J].实验室研究与探索，2000，19（2）：107-108

The discussion about spectrometer adjustment

ZHANG Jin，MA Jian-guo

Based on the angle compensation of the spectrometer’s carrying platform for the triangular prism’s non-perpendicular， we analyzed the misunderstandings for not realizing the spectrometer’s adjustment of the carrying platform’s out-of-level， at the same time we put forward a adjustment method which is able to avoid the similar problems in this paper.

spectrometer；triangular prism；revolving axis；rotation fine tuning method

O435

A

1009-9530（2011）03-0010-02

2011-03-21

安徽省高等学校省自然基金研究项目（kj2009b271z）；淮南师范学院青年基金项目（2005lkq14）

张瑾（1970-），男，安徽长丰人，淮南师范学院物理与电子信息系讲师，硕士，研究方向为分子光谱。