分光计调节过程的改进

赵欣

[广州华立学院（原广东工业大学华立学院），广东广州 511325]

分光计是一种精确测量角度的光学仪器，光学中的许多基本量，如折射率、波长、衍射角等可以直接或间接地用分光计来测定[1]。因此，分光计的结构与调整方法在光学仪器中具有代表性。但由于分光计的调节操作复杂、精度要求高，使得学生容易产生厌烦、惧怕心理，要求教师能够发现学生的难点并采取相应的解决措施和办法。在疫情影响下，学校教师录制了相应的物理实验教学视频，可以引导学生课前查看提前预习，同时筛选网络上的优秀教学资源分享给学生，这样可以增加学生对实验教学内容的熟悉程度。通过视频，学生可以知道实验的操作步骤，但在按照步骤调节的过程中仍然会遇到一些耗时的问题。本文在介绍分光计组成结构、原理的基础上，针对调整过程中的两个关键问题提出了相应具体的解决办法[2]。

一、分光计的组成结构、原理

不同型号的分光计其组成结构基本相同，包括：望远镜、平行光管、载物台、读数装置4个主要部分。本文以浙江光学仪器制造有限公司生产的JJYI型的分光计为例（图1）。

图1 JJYI 型分光计

（一）望远镜

分光计所用望远镜是阿贝式自准直望远镜（图2），它由物镜、分划板和目镜组成，如图3所示。

图2 望远镜实物图

图3 望远镜结构图

望远镜的目镜可用来观测像和接收平行光，本次论文通过目镜观测像与分划板横刻线的位置关系来调节分光计。实验时，首先通过聚焦于无限远处，调节目镜中的视场清晰，保证后续观测无视差；打开小电珠的电源开关，在目镜视场中观察到亮“十”字，电珠的光线会通过望远镜筒，穿过物镜经载物台上双面镜反射，在目镜视场中观察到“十”字像。通过判断“十”字像与分划板“”的位置关系并调节分光计，最终使得“十”字像与分划板“”的横刻线对齐（图4）。

图4 “十”字像与分划板“”的位置关系

（二）平行光管

平行光管是用来产生平行光的，平行光管的一端有一组消色差透镜，另一端是一个可伸缩的套筒，套筒末端是宽度可调的狭缝，狭缝的宽度由其上的手轮控制。平行光管的倾斜角度由其水平调节螺钉来调节。

图5 平行光管：实物图（上）；机构图（下）

（三）载物台

载物台是用于放置平面镜、棱镜以及光栅等光学元件的平台。载物台下方有三个调节螺钉，可以改变载物台的高度和倾斜度（图6）。

图6 载物台：侧视图（上）；俯视图（下）

（四）读数装置

读数装置由刻度盘和游标盘组成，刻度盘量程为360°，最小刻度为30′，小于30′则用游标读出。游标位于刻度盘内侧，分度值为1′，相隔180°处有两个游标。

图7 读数装置

二、分光计的调节问题

（一）双面镜两侧均观测到“十”字像

在操作过程中，大部分学生通常仅在双面镜一侧看到“十”字像就盲目地进行“望远镜主光轴与中心轴垂直”的操作，这有可能造成载物台的倾斜严重，导致双面镜旋转180°看不到像，进行多次无效操作从而浪费时间。教师需要向学生强调按照实验步骤进行的重要性，清楚每步实验操作的目的及其意义。要达到双面镜两侧均观测到“十”字像的目的，就要求粗调过程必须实现望远镜主光轴、载物台、平行观光管的三线平行关系。但学生通过肉眼判断调整的结果往往不理想，无法实现在望远镜的视野中观测到像。可以利用实验室的气泡水平仪进行判断，解决这一问题。

首先将气泡水平仪置于实验桌面上，确保操作平台的水平；接着将气泡水平仪分别置于读数刻度盘的两侧，通过调整底座，实现分光计整体与地面的水平关系；最后将气泡水平仪放置在载物台的中央，调整载物台下的三个螺丝钉，使载物台变得水平。在以上三个水平调整的基础上，参考分光计上的结构框架，调整望远镜、平行光管中心轴线水平。通过借助气泡水平仪，避免了学生无参考调整的操作问题，为后续的实验操作打好基础。

（二）调整望远镜主光轴与中心轴垂直

实现分光计的望远镜主光轴与中心轴的垂直是使用分光计测量光学物理量的前提，这一步的常用调整方法称为：“二分法”或“各半分法”。在判断视野中“十”字像与分划板“”位置关系的基础上，通过对应地调整望远镜仰望角螺钉或者双面镜的前（后）的螺钉，以达到实验目的。但学生在实验操作过程中会出现如下问题：

1.学生能够理解这种调节螺钉的理论，但操作时容易遗忘调节的对象；

2.在完成双面镜两侧均观测到“十”字像，并且双面镜A面对应的“十”字像与分划板“”横刻线重合，双面镜旋转180°后，B面却无法观测到“十”字像。这是由于用“二分法”调整时，学生只调节单个螺钉，导致载物台出现了明显的倾斜所致；

通过测试不同的调节办法，将“二分法”中调节载物台螺钉“十”字像向分划板“”逼近一半距离的方法，更改为调整双面镜A面的前、后2个螺钉分别向参考线逼近四分之一的方法（图8）。具体操如下（图9）：

图8 双面镜A 面对应的前后螺钉

图9 具体操作

1.首先调整双面镜A面的前螺钉，使得“十”字像向分划板“”逼近的距离；

2.接着调整双面镜A面的后螺钉，使得“十”字像向分划板“”逼近的距离；

3.在完成以上操作后，最后调整望远镜的仰望角螺丝钉，使得“十”字像向分划板“”逼近的距离，完成A面的“十”字像与分划板“”的一条横刻线重合。

4.双面镜旋转180°，B面的调整同上。这样仅需2～3次就可以完成整望远镜主光轴与中心轴垂直的调整，减少了实验操作的时间，有效避免上述问题的发生。

三、总结

分光计的调节是光学实验中的难点，解决调整过程中的“两个关键问题”就可以帮助学生迅速调好分光计。针对学生操作中的难点，借助水平仪提高了望远镜、载物台、平行观光管三线平行的准确度，细化“各半分法”中载物台螺钉的具体调节办法，减少了重复且盲目的调整过程，增强了学生克服复杂操作的信心，培养学生发现问题、解决问题的能力，从而提升实验教学效果。