外视法在基础光学实验中的应用研究

高 艳,王修君

(安徽工业大学 数理科学与工程学院，安徽 马鞍山243002)

外视法在基础光学实验中的应用研究

高 艳,王修君

(安徽工业大学 数理科学与工程学院，安徽 马鞍山243002)

针对学生在光学实验仪器调节上的困难，应指导学生掌握外视法的应用，如利用光杠杆放大法将金属丝在外力作用下的微小形变量精确测量出来的金属杨氏模量的测量、分光计的调整等。

外视法；基础光学实验；光杠杆；分光计

对于基础光学物理实验中的仪器调节来说，由于光学现象相对于电学和力学实验而言不那么直观，学生对于具体的调节步骤和要求就不那么重视，一旦学生调节中不遵循光学仪器的调节步骤，最终就会陷入盲目调节和越调越糊涂的状态。光学仪器调节的难点在于初学者不能够快速准确地将仪器调整到使用状态。本文针对我校大学物理实验中的几个光学实验中的仪器调节上的困难，提出了通用的外视法，帮助学生理清调节步骤和调节关键，熟练掌握外视法在光学仪器调节中的应用，从而达到快速将仪器调整到使用状态的目的。

一、金属杨氏模量的测量

图1 光杠杆放大原理和光杠杆示意图

具体判断方法和调节步骤：(1)如图，当仪器处于可使用状态时，标尺上刻度N0发出的光线经平面镜反射沿原路进入望远镜中，可在望远镜中十字叉丝处读得的标尺读数为N0；因为光是沿直线传播的，为确保足够的视场以及清晰度，需要调整平面镜与望远镜的，中心基本等高，可用卷尺从平面镜和望远镜的外部测量。(2)参照图可知，当平面镜转过α角时，反射光线将偏转过2α角，而望远镜物镜直径只有一元硬币大小，换句话说，反射光线必须基本处于水平状态时才能够顺利进入望远镜，故而应初步将望远镜调至水平状态平面镜调整到与地面垂直状态，即是将望远镜与平面镜粗调至互相垂直的状态。望远镜调至水平状态相对简单易操作，通过外视法调节望远镜下方的倾角螺丝即可完成，而平面镜是否垂直地面的判断和调节，对于初学者不容易掌握。单通过眼睛去观察平面镜是否垂直地面误差较大，可将手放在与望远镜中心等高的标尺上，从与望远镜等高位置处观察平面镜中的像，若手在镜中的像刚好可以被观察到，根据光沿直线传播理论，说明此时平面镜基本与地面垂直；若手需向下移动才能被观察到，则说明平面镜沿铅垂方向向下倾斜，反之则平面镜向上倾斜，对应微调平面镜的角度即可。(3)本实验观察的是平面镜中标尺的像，而非标尺本身或者平面镜等其他物体，此点是学生比较容易模糊的点，就像人的眼睛在前耳朵在后，必须通过照镜子才能观察到耳朵的原理一样。本实验实物的物镜在前标尺在后，通过望远镜观察标尺只能是观察标尺在镜子中的像，又因望远镜的视野范围有限，必须将物镜对准标尺的像才能顺利观察到，因此在镜外进行瞄准就非常的重要。望远镜自带了瞄准系统，瞄准时将目镜上方的“凹槽”、物镜上方的“准星”以及镜中标尺的像这三点连成一线。(4)以上三步都是依据外视法进行调节，外视法结束再调节望远镜的目镜和物镜聚焦看清楚标尺的像即可。测量之前还需要进行一步微调，即是在望远镜中十字叉丝处读得的标尺读数为N0，若不为N0并且数字偏差在±1cm之外，必须通过调节平面镜的倾斜角(大范围调节)使读数范围缩小，若读数偏差在±1cm之内，只需调节望远镜的倾斜角螺丝即可(小范围调节)。

二、分光计的调整

为使仪器满足实验原理对实验条件的要求，使分光计处于正常工作状态，首先要对分光计进行调节，总体为两点光学要求和一点几何要求。光学要求为：平行光管发出平行光；望远镜聚焦于无穷远(即接收平行光)。几何要求为：平行光管和望远镜的光轴与分光计转轴垂直。具体调节步骤如下：

一是粗调。从实验装置外侧用眼睛观察，调节望远镜和平行光管基本处于水平，并且基本等高，调节载物台下的三个调节螺钉，使小平台大致成为水平平面，并且当双面镜放置在载物台面时，双面镜的中心基本与望远镜中心等高。此处利用外视法进行初调的目的是希望平行光管可以发出基本水平的平行光，望远镜可以接受处于水平状态的平行光，双面镜反射的像的光线基本沿着水平方向可以顺利进入望远镜。粗调在分光计的调节中非常重要，若粗调没有完成或者调整不到位，都会导致下面的步骤难以顺利开展。[1]

二是调节望远镜聚焦于无穷远(自准直法)，并且与分光计转轴垂直。此部分实验要求的调节步骤是本实验中的难点，原因是由于光的直线传播特性，而光线微小的偏离(±α)，经由平面镜后都会带来2倍的偏转，同时经过长程传播后，位移量(ΔX)就会较大(原理同杨氏模量中光杠杆放大原理)，而观察光线所用望远镜的视野范围有限，一旦位移稍大即会越过望远镜，无法在望远镜中看到预期图像，所以前提要做好粗调，确保光线能够顺利进入望远镜。

若粗调完成，双面镜的两面像均可在望远镜中观察到，此时我们按照望远镜的两步调节方法，先聚焦目镜看清分化板，再聚焦物镜看清“十”字叉丝。调节望远镜的光轴与分光计的转轴互相垂直，可以采用较直观易掌握的各半调节法，如图2所示，分别使双面镜两面的像均与分化板居上的分划线重合即可。

若粗调完成得不是很理想，只能找到一面“十”字叉丝像，此时要借助外视法找另一面像，另外一面像未进入望远镜，但只可能在望远镜视野范围的上方或者下方，故先以有像的一面做参考，用眼睛来替代望远镜观察像，从望远镜的外侧观察像的高度作为比较的依据，再将双面镜旋转180°，从望远镜外侧观察未知的像与在刚才已知像的相对位置。相对位置确定好，此时仍然采用各半调节法，将未知像向已知像的方向调整，调到基本等高的状态，再回到望远镜中观察，找到两面像。此方法虽直观但对初学者仍有一定难度，调整时，若把握住以下两点，可以帮助其快速掌握：第一，必须从望远镜外侧观察，很多学生观察时不由自主就回到望远镜中观察了；第二，望远镜与双面镜不能完全垂直，否则由于光沿直线传播的原因，外侧无法看到像，只需将双面镜向观察侧旋转，使得双面镜与望远镜之间的夹角为钝角，反射光线可以顺利进入视野。

图2 逐步逼近法示意图

三是调节平行光管发平行光，并且与分光计转轴垂直。利用已经调整好的望远镜来判断平行光管发平行光，将平行光管狭缝正对光源，在目镜视野中看到狭缝的像，松开狭缝套筒锁定螺钉，沿光轴方向移动狭缝(即调焦)，直到狭缝像清晰呈现在分化板上，此时平行光管发出的光即为平行光。再利用已调好与分光计转轴垂直的望远镜光轴为标准，只要平行光管的光轴与望远镜光轴平行，则平行光管的光轴与分光计转轴必定垂直，旋转平行光管的仰角螺钉调节平行光管的仰角，在望远镜目镜视场中，看到狭缝像相对于分划板的中央横线上下对称，此时平行光管光轴与望远镜光轴平行，即平行光管光轴与分光计转轴垂直。

虽然大学物理实验课程中的各实验原理是互相独立的，知识的分立性很强，但在某些仪器调整方法上有很多共通之处，需要在各实验中给学生传递共性和整体性的概念和认知，便于学生融会贯通，更好锻炼学生的动手能力和逻辑思维能力。

[1]王宏波，曹文.如何解决学生在分光计调整中的困惑[J].大学物理实验，2012,25(5):61-63.

(责任编辑 文双全)

An Application Study on Exterior Vision Method in Basic Optical Experiment

GAO Yan, WANG Xiu-jun

(School of Mathematical Science and Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, Anhui, China)

Aiming at difficulties in the adjustments of the optical experimental equipment, students should be guided to master the application of exterior vision method, such as the measured metal of Yang's modulus which takes advantage of optical lever magnification method in the metal wire under the external force of small deformation to obtain precise measurement and how to adjust spectrometer etc.

exterior vision method; basic optical experiment; optical lever; spectrometer

2016-01-13

国家自然科学基金资助项目(61402008)；安徽省自然科学基金资助项目(1408085QF128)

高 艳(1984-)，女，安徽淮南人，安徽工业大学数理科学与工程学院助教，硕士。

G642.0

A

1671-9247(2016)03-0076-02