基于各半调节法的分光计调节方法的改进

陆　剑，周　群，蔡雄祥

(上海理工大学，上海　200093)



基于各半调节法的分光计调节方法的改进

陆剑，周群，蔡雄祥

(上海理工大学，上海200093)

分光计实验是大学物理实验的重要组成部分。分光计是精密测量光线偏转角度的仪器。其实验的重点就是仪器的调节，其难点就是望远镜光轴与载物平台法线垂直的调节。本文就是基于各半调节法对其调节方法的改进。运用本文的方法调节能够很快地将分光计调节到位。

分光计；望远镜；载物平台；各半调节法

分光计是精确测量光线偏转角度(包括反射角、折射角、衍射角等等)的仪器，也称测角仪，很多光学仪器(光谱仪、单色仪等)的基本结构都是以它为基础的[1]。分光计的相关实验是大学物理实验的重要组成部分。要想实现精密测量，需要把仪器经过一系列精确的调节。由于并且分光计上有很多调节螺钉，其结构复杂，调节步骤繁琐，调节精确度要求高,很多学生第一次接触该仪器，都不清楚如何调节，因此分光计相关实验中仪器的调节是该实验的关键。

分光计仪器主要有四个组成部分：望远镜、平行光管、载物平台和读数窗口。精确调节的目标是：望远镜能观察平行光，平行光管产生平行光，望远镜与平行光管轴线处在同一水平线，并且都与载物平台的法线垂直[2]。主要的调节步骤分为两部分：先调节望远镜光轴与载物平台法线垂直，再调节平行光管光轴与望远镜重合。望远镜的结构如图1所示，主要包括目镜、分划板、小灯泡、全反射镜、物镜、倾斜度调节螺钉。分划板的坐标如图2所示，图中最下方是十字光源，坐标轴水平方向有两条，竖直方向只有一条，同时十字光源和上方的水平线到中央水平线的距离相等。望远镜的调节原理是自准直法，即小灯泡照亮十字产生十字光源，经双面反射镜返回望远镜的分划板上，通过判定返回十字像的位置来判定望远镜光轴和平面镜法线的位置。当双面反射镜正反面返回的十字像都落在上方的水平线上时即说明此时两者垂直。很多学生在一开始就会出现看不到反射回来的十字像。主要原因就是载物平台和望远镜的水平的粗调没调好，由于望远镜的视角范围很小，当望远镜和稍微偏离一些，反射回来的十字像就落在望远镜的视野范围之外。关于分光计的调整方法有很多种[3-11]，本文所采用的调节方法是基于各半调节法的一点改进。下面就简单介绍一下望远镜光轴与载物平台法线垂直的调节方法。

图1　望远镜的结构示意图

图2　分划板的坐标示意图

2　望远镜光轴和载物平台法线垂直的调节方法

2.1粗调

首先放置平面镜。平面镜放置之前先要转动载物平台上方的薄层，使薄层表面的三条直线与下方的三颗水平调节螺钉对齐，将双面反射镜沿着某一条直线对齐置于载物平台的正中央。如图3所示，图中红色的虚线圆表示下方水平调节螺钉的位置。借助着三条直线就能使平镜压着一颗水平调节螺钉，处在另外两颗水平调节螺钉的连线的中垂线上。我们就可以通过调节载物平台双面反射镜前后的这两颗螺钉来细调载物平台的水平。粗调载物平台的水平很简单，只要调节载物平台下面的三颗水平调节螺钉使载物平台上方的薄层与下方的厚层紧密的贴合在一起，不留狭缝。因为桌面是大致水平的，这么做要比课本上使载物平台薄层与厚层等厚的操作方法要简单的多。

图3　平面镜在载物平台的放置位置示意图

其次粗调望远镜的光轴。眼睛从侧面水平方向观察望远镜，调节望远镜的倾斜度调节螺钉，使望远镜光轴大致水平。同样可以借助水平仪辅助调节[3]。另外要将望远镜的棱镜套筒逆时针旋转90度，使十字光源落在望远镜的水平轴的右侧，如图4所示，这样是为了防止十字光源遮住返回的十字像。

图4　逆时针旋转90度之后的分划板坐标示意图

最后转动载物平台，寻找十字光源经双面反射镜正反面返回的十字像。要求是在望远镜中能够看到平面镜正反面返回的十字像。注意寻找十字像的时候，先转动载物平台(下方的厚层)使平面镜与望远镜水平方向大致垂直，接下来观察望远镜，载物平台转动的速度要慢一些，因为只有当平面镜与望远镜在水平方向严格垂直的时候才能看到十字像。如果此时只能看到一个面返回的十字像或者一个都看不到，那就要重新粗调望远镜镜筒。只有看到两个面返回的十字像，说明粗调已经调节完毕，才能进行接下来的细调。

2.2细调

当把十字光源转到水平轴的右侧时，平面镜和望远镜垂直的判定依据要随之改变，此时望远镜光轴和平面镜竖直方向垂直的判定依据是平面镜正反面返回的十字像要都落在水平轴上。

细调的调节方法是以各半调节法为基础的。所谓各半调节法是通过载物平台和望远镜两者组合调节，每次各调节总误差的一半，又称1/2调法[11]。本文的细调过程，为了简便起见，载物平台每次只调节平面镜前下方的那颗水平调节螺钉，以及望远镜的倾斜度调节螺钉这两部分。同时还需注意，之前粗调载物平台的水平时已经将载物平台薄层与厚层贴在一起，所以载物平台前下方的这颗螺钉只能向上调，不能向下调，对应的调节十字像的位置是只能将十字像向上调不能向下调。所以这边细调的总规则是：当返回的十字像位于水平轴的上方时，只能调节望远镜使十字像落在水平轴上；当十字像位于水平轴下方时，采用各半调节法使十字像落在水平轴上。

同时注意粗调是看到的两个十字像的位置可能出现三种情况：1水平轴的上方、下方各一个；2两个都在水平轴的上方；3两个都在水平轴的下方[5]。对应3种情况的调节次序不一样。如果是一上一下，调节次序无关，只要遵循前面细调的总规则就行。如果是落在水平轴的同一侧，就要先调误差大的十字像。如出现图5(2)所示的情形时，就要先调节最上方的十字像，通过转望远镜的倾斜度调节螺钉使十字像下降到水平轴上；如出现图5(3)的情况，就先调节最下方的十字像，用各半调节法，通过转动望远镜的倾斜度调节螺钉和载物平台平面镜前下方的螺钉使十字像上升到水平轴上。接下来就是按照细调的规则调节平面镜正反面的十字像，一面调好转动载物平台180度，再调平面镜另一面返回的十字像，这样重复2-3次基本都能将平面镜正反面返回的两个十字像调到水平轴上。当两个十字像都在水平轴上时，就说明望远镜光轴与平面镜在竖直方向是垂直的，接下来再调节水平方向的垂直时，只要转动载物平台使十字像落在左侧短Y轴与水平轴交点即可，此时说明平面镜与望远镜光轴完全垂直。

图5　平面镜正反面返回的两个十字像的位置可能出现的三种情况

3　结　　论

本文关于望远镜与载物平台法线垂直的调节方法是在各半调节法的基础上作了一些细节的改进，运用本文所说的方法大部分学生都能在粗调之后看到两个十字像，接下来的细调就能够比较容易的完成。至此分光计实验的最难部分就可以调节完毕，接下来的实验内容就可以顺利完成。

[1]王小平.大学物理实验[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]肖苏.大学物理实验[M].合肥：中国科技大学出版社，2004.

[3]石延梅.“三位水平法”快速调节分光计[J].大学物理实验,2015(28):53-54.

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[5]陈群宇.分光计的简单调整方法[J].实验室科学与技术，2013(6):23-56.

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[9]高海林，高扬.分光计的调整技巧[J].实验室科学，2008(6):143-145.

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The Improvement of the Spectrometer AdjustmentMethodBasedonHalfAdjustmentMethod

LU Jian,ZHOU Qun,CAI Xiong-xiang

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)

Spectrometerexperimentisanimportantpartofuniversityphysicsexperiment.Spectrometerisaprecisioninstrumentmeasureslightdeflectionangle.Thefocusofthisexperimentistheadjustmentoftheinstrument,thedifficultytoadjusttheopticalaxisoftelescopeandthenormalaxisofcarry-thingplatformtomakethemperpendiculartoeachother.Thisarticleistomakesomeimprovementbasedonthehalfadjustment.Spectrometercanbequicklyadjustedwiththemethodmentionedinthepaper.

spectrometer；telescope；carry-thingplatform；halfadjustment

2016-02-26

上海市教委重点课程项目(1K-16-204-001)；上海理工大学“精品本科”教学改革项目(2015-JPBKZ-017)

1007-2934(2016)04-0036-03

O4-33

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.012