浅谈分光计实验教学中的问题

杨端翠 唐国强

摘 要：在分光计实验教学中，最困难的问题是如何调节望远镜光轴与分光计中心轴垂直。针对这一难点问题，文章提出了一种切实可行的办法。

关键词：分光计；望远镜；LED；调节

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）18-0101-03

Abstract： In the experimental teaching of spectrometers， the most difficult problem is how to adjust the optical axis of the telescope perpendicular to the center axis of the spectrometer. In view of this difficult problem， the article proposes one kind of feasible method.

Keywords： spectrometer； telescope； LED； adjustment

一、概述

分光计是一种精密测量角度的光学仪器，分光计包括望远镜、载物平台，平行光管和读数装置、底座五部分构成。其基本原理是，让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线，经过光学元件的反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上，通过目镜进行觀察和测量各种光线的偏转角度，从而得到光学参量例如折射率、波长、色散率、衍射角等。

分光计能进行精确测量，必须经过仔细调节：使平行光管发出平行光，望远镜接受平行光（即聚焦至无穷远）；平行光管和望远镜的光轴与分光计的转轴垂直。而望远镜的调节是整个分光计调节的核心，它也是分光计仪器调节的难点。

二、望远镜的调节原理

分光计上采用的通常是阿贝式自准直望远镜， 其结构如图1所示。分光计中采用的是自准直望远镜，它由目镜、分划板和物镜组成。分划板上刻有双十字叉丝，其底部粘有一块全反射小棱镜，镜上涂有不透明膜，膜上刻有一空心十字窗口。若在物镜前放一平面镜，前后调节目镜（连同分划板）与物镜的距离，使分划板位于物镜的焦平面上时，小灯泡发出的光透过十字空心叉形窗口经物镜折射后成平行光射向平面镜，其反射光又经物镜后在分划板上形成亮的十字像。如望远镜与分光计转轴垂直，此像将落在双十字叉丝的上十字叉丝处。

调望远镜时，首先目测粗调，使望远镜光轴与分光计转轴大致垂直，要求在望远镜目镜视场中能看见双面反射镜的2个面都有反射回来的“十”字叉丝像。粗调目标达到之后，然后再细调，调节望远镜倾斜度螺钉和载物台上的调节螺钉， 逐步使“十”字叉丝的两个反射像重合于叉丝的上交点，这就是“逐步减半”调整法。而学生普遍遇到的困难是粗调后看不到双面反射镜的2个面反射回来的“十”字叉丝像，或者只能找到1个面反射的“十”字像，导致实验无法进行下去。

三、望远镜的调节方法

针对怎样调整望远镜光轴与分光计的中心轴垂直，实验课本中一般采用“逐步减半”调整法[1-3]，但前提是望远镜粗调要成功，即从望远镜中要能够看到“十”字叉丝的两个反射像，而关键是学生无法快速完成望远镜粗调工作， 导致实验无法进行下去。因此，学者王小怀[4]总结了分光计调节和使用中的困难及解决措施， 贾虎[5]撰写分光计的一种新调节方法及仪器的改进，葛松华，唐亚明[6]撰写的分光计的一种简单调整方法，有效地提供学者们一些好方法，提高了学生实验兴趣。

根据多年的实验教学经验发现，学生利用自准直法对望远镜进行调试时，导致望远镜粗调困难的原因主要有两点，首先是照亮分光计自准直望远镜的钨丝灯泡容易坏，钨丝灯泡亮度不合适；其次课本写的望远镜粗调调整方法比较含糊，学生不易理解。从而导致学生无法按时完成分光计实验的调节，影响实验教学和实验进度。针对小灯泡亮度不够，而且灯泡易坏的缺陷，如图2只要用一个LED发光二极管串联一个电阻，通过dc插座接电源适配器，就可以克服上述缺陷。该设计结构简单，有益于改造，它为分光计自准直望远镜的照明提供了合适的亮度，它不仅发光均匀稳定，且寿命长，节能环保，方便使用者调节，提高了实验效率。

如图3所示，望远镜目镜的底部通过空心圆柱形金属套筒固定连接LED照明系统，空心圆柱形金属套筒里面是dc-005单孔插座，单孔插座正极接限流电阻一端，限流电阻另一端接LED的正极，LED的负极接单孔插座负极，空心圆柱形金属套筒的外面插6v400mA的电源适配器，通过旋转空心圆柱形金属套筒就可以使它固定在分光计上。

针对课本写的望远镜粗调调整方法比较含糊问题，课本告诉学生粗调目标是：经双平面反射镜的2个面反射回来的“十”字叉丝像通过望远镜的目镜能清晰看到，否则，说明粗调不合格，必须重新进行粗调，但并没有提供具体的调节方法，针对这个问题，具体方法如下：若双平面反射镜的2个面反射回来的“十”字叉丝像都看不见如图4a，则旋转望远镜倾斜度调节螺丝，且缓慢来回旋转载物台，观察目镜视场中是否出现“十”字反射像，若望远镜目镜端已明显倾斜，还未见“十”字叉丝反射像，则反向旋转望远镜倾斜度螺钉，目镜视场中肯定会出现“十”字反射像；若只看见双平面反射镜的1个面反射回来的“十”字叉丝像如图4b、4c，则旋转望远镜倾斜度调节螺丝把反射回来的“十”字叉丝像调到目镜视场最上面或者最下面，则另一面反射回来的“十”字叉丝像肯定出现。然后采用“逐步减半逼近”调整法再进行细调，将两面“十”字反射像调至与叉丝的上交点重合处出，如图4d，此时望远镜的调节工作已完成，可以继续往下实验。

针对上述两点采取改进措施后，学生可以快速的实现分光计粗调目标，然后利用“逐步减半”调整法进行细调，学生完全可以在规定时间内顺利完成实验任务，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]轩植华，霍剑青，姚 ，等.大学物理实验（第三册）[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]凌亚文，华中文，史彭.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2005.

[3]赵青生，吕卫星，赵学民.大学物理实验[M].合肥：中国科技大学出版社，1993.

[4]王小怀.分光计调节和使用中的困难及解决措施[J].实验室研究与探索，2007，26（2）：35-37.

[5]贾虎.分光计的一种新调节方法及仪器的改进[J].物理与工程，2009：27-32.

[6]葛松华，唐亚明.分光计的一种简单调整方法[J].实验科学与技术，2006（06）：32-63.