藍(lán)華山

【摘要】分光儀的調(diào)整對(duì)初學(xué)者而言有一定難度，正因?yàn)槿绱耍鼞?yīng)該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)并掌握其調(diào)節(jié)方法，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。本文分析了具體操作中需要注意的一些事項(xiàng)，在粗調(diào)中如何做到聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)，如何判斷望遠(yuǎn)鏡以及載物臺(tái)水平，如何從目鏡中找十字像；對(duì)在微調(diào)中用到的分步到位法以及半調(diào)法進(jìn)行了分析比較；最后對(duì)只能看到一個(gè)鏡面反射的十字像這一問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，并給出了操作建議。為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】分光儀 十字像 分步到位法 半調(diào)法

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）24-0246-02

分光儀是一種用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量平行光束之間角度的儀器，分光儀的基本結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)原理與其它更復(fù)雜的光學(xué)儀器有許多相似之處，學(xué)習(xí)和使用分光儀可為今后使用精密光學(xué)儀器打下良好的基礎(chǔ)。分光儀裝置比較精密，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)要求也比較高，對(duì)于初學(xué)者有一定難度[1]。從操作考試來(lái)看，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的及格率也是偏低。表1是我校物理實(shí)驗(yàn)公共課該實(shí)驗(yàn)的某次操作考試成績(jī)情況，參考學(xué)生302人，60分以下的有86人，約占參考人數(shù)的28.5%，其中40分及以下的有45人，約占參考人數(shù)的14.9%，意味著有近15%的學(xué)生操作有很大的問(wèn)題。其他學(xué)校的老師也指出了對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)調(diào)節(jié)難度較大這一情況。我校在“分光儀的調(diào)整與使用”這一實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了兩個(gè)內(nèi)容：（1）練習(xí)分光儀的調(diào)節(jié)；（2）測(cè)量三棱鏡的頂角。測(cè)量三棱鏡的頂角比較簡(jiǎn)單，重點(diǎn)是練習(xí)分光儀的調(diào)節(jié)。本文分析如何系統(tǒng)地進(jìn)行調(diào)整。

一、粗調(diào)

粗調(diào)成功的標(biāo)準(zhǔn)是用望眼鏡分別垂直對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)光學(xué)面均能看到十字像。而要從任意一光學(xué)面均能看到十字像需要做到：（1）望眼鏡調(diào)焦于無(wú)窮遠(yuǎn)；（2）望眼鏡、載物臺(tái)基本水平；（3）觀察十字像時(shí)望眼鏡與光學(xué)面基本垂直。

1.望眼鏡調(diào)焦于無(wú)窮遠(yuǎn)

某些教材在粗調(diào)過(guò)程中沒(méi)有這一步驟，然而如果目鏡筒初始位置偏離太多，則可能造成十字像模糊不清甚至觀測(cè)不到，對(duì)初次使用者來(lái)說(shuō)可能會(huì)以為沒(méi)有十字像，所以筆者認(rèn)為在觀測(cè)十字像之前對(duì)“聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)”進(jìn)行初步調(diào)節(jié)很有必要。然而望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)水平調(diào)節(jié)不到位也是看不到十字像的，所以粗調(diào)“望眼鏡調(diào)焦于無(wú)窮遠(yuǎn)”不能以十字像為觀測(cè)目標(biāo)。如果有普通玻璃，可貼著望遠(yuǎn)鏡物鏡端，然后調(diào)節(jié)目鏡筒使普通玻璃反射的十字像清晰；如果沒(méi)有也可以對(duì)遠(yuǎn)處的目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，比如窗外的樓房、樹木等等，如圖1所示，把遠(yuǎn)處目標(biāo)的像調(diào)清晰了，“望眼鏡調(diào)焦于無(wú)窮遠(yuǎn)”的初步調(diào)節(jié)就算完成。

2.望遠(yuǎn)鏡與載物臺(tái)基本水平

粗調(diào)過(guò)程中，望遠(yuǎn)鏡與載物臺(tái)水平程度以兩面都能看到十字像為目標(biāo)，但調(diào)節(jié)過(guò)程不應(yīng)以單面看到十字像為依據(jù)，單面看到十字像并不能保證望遠(yuǎn)鏡與載物臺(tái)水平。如圖2所示，望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)面垂直能看到當(dāng)面的十字像，但兩者都是傾斜的。也就是說(shuō)粗調(diào)兩者水平時(shí)眼睛不應(yīng)一直盯著目鏡看有沒(méi)有十字像，而應(yīng)該直接目測(cè)兩者是否水平。

（1）載物臺(tái)基本水平

教材上介紹的方法是調(diào)節(jié)載物臺(tái)下方的水平調(diào)節(jié)螺釘，使它們露出平臺(tái)的螺紋數(shù)大致相同，即螺絲頂起的縫隙各處基本等厚。有的學(xué)生提出可否將水平調(diào)節(jié)螺釘調(diào)到最低，即載物臺(tái)下方平臺(tái)與載物臺(tái)直接接觸。由于載物臺(tái)下方平臺(tái)基本水平，如果載物臺(tái)與下方平臺(tái)直接接觸，那么載物臺(tái)也基本水平。作為簡(jiǎn)化粗調(diào)的效果是有的，但是會(huì)給后面的微調(diào)帶來(lái)不便。在沒(méi)有縫隙的情況下，微調(diào)載物臺(tái)水平只能通過(guò)升高水平調(diào)節(jié)螺釘實(shí)現(xiàn)；而在有縫隙的情況下則可以升高或降低某一顆水平調(diào)節(jié)螺釘，微調(diào)操作更方便。筆者認(rèn)為水平調(diào)節(jié)螺釘頂起的縫隙還是該有，但是縫隙不宜太大，縫隙太大不便于估計(jì)各處等厚，可以將各處縫隙的厚度調(diào)至2毫米左右，如此既方便微調(diào)升降水平調(diào)節(jié)螺釘，也不會(huì)給粗調(diào)載物臺(tái)水平造成很大困難。

（2）望遠(yuǎn)鏡基本水平

教材中給出指導(dǎo)方法：調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘，使望遠(yuǎn)鏡光軸基本水平。實(shí)際操作則需要自己尋找合適的參照物。由于觀測(cè)面要與讀值平面平行，所以可以觀察望遠(yuǎn)鏡與游標(biāo)盤是否平行；如果游標(biāo)盤與桌面平行，可以觀察望遠(yuǎn)鏡與桌面是否平行；如果望遠(yuǎn)鏡支臂與游標(biāo)盤平行，可以觀察望遠(yuǎn)鏡與其支臂是否平行。望遠(yuǎn)鏡與游標(biāo)盤是錯(cuò)開的，比較兩者是否平行比較困難。望遠(yuǎn)鏡與支臂較近而與桌面較遠(yuǎn)，以JJY1型分光儀為例，游標(biāo)盤與支臂基本上都是水平的，所以筆者建議優(yōu)先以支臂作為參照物。

3.望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)面基本垂直

完成以上兩個(gè)步驟之后則需要檢驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡分別正對(duì)兩邊光學(xué)面是否能看到十字像。望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)面是否正對(duì)僅憑目測(cè)也是不好判斷的，筆者建議找十字像時(shí)緩慢旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，總有一個(gè)位置是望遠(yuǎn)鏡剛好正對(duì)光學(xué)面的。實(shí)際上，只要已聚焦無(wú)窮遠(yuǎn)、載物臺(tái)與望遠(yuǎn)鏡基本水平，望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)面接近正對(duì)就可以看到十字像。

二、微調(diào)

粗調(diào)的目標(biāo)是使載物臺(tái)與望遠(yuǎn)鏡基本水平，從目鏡上能看到兩個(gè)面的十字像。微調(diào)的目標(biāo)則是將兩個(gè)面的十字像均調(diào)至與分劃板上方十字準(zhǔn)線重合，實(shí)際上就是望遠(yuǎn)鏡嚴(yán)格水平，兩個(gè)光學(xué)面嚴(yán)格豎直。通用的方法有兩個(gè)：（1）分步到位法；（2）半調(diào)法。

1.分步到位法

在望遠(yuǎn)鏡正對(duì)雙平面鏡某一鏡面時(shí)，假設(shè)載物臺(tái)傾斜導(dǎo)致十字像豎直位移偏離了a，望遠(yuǎn)鏡傾斜導(dǎo)致十字像豎直位移偏離了b，則十字像豎直位移偏離了a+b；在望遠(yuǎn)鏡正對(duì)雙平面鏡另一鏡面時(shí)，載物臺(tái)傾斜將導(dǎo)致十字像豎直位移偏離-a，望遠(yuǎn)鏡傾斜導(dǎo)致十字像偏離b，十字像豎直位移偏離-a+b。假如載物臺(tái)嚴(yán)格水平，a=0，兩鏡面反射的十字像等高。所以可以分兩步調(diào)節(jié)：第一步調(diào)節(jié)載物臺(tái)水平，具體操作是仔細(xì)觀察每一面反射的像在分劃板上的位置，調(diào)節(jié)當(dāng)面水平調(diào)節(jié)螺釘，使當(dāng)面反射的像向另一面反射的像靠近一半的垂直距離。理論上只需要這樣調(diào)節(jié)一次便可使兩面反射的像在同一高度。第二步調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡水平，具體操作是調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘，使當(dāng)面十字像與分劃板上方十字準(zhǔn)線重合，由于第一步已使兩面十字像在同一高度，而第二步并沒(méi)有改變載物臺(tái)水平程度，理論上另一面十字像也與分劃板上方十字準(zhǔn)線重合。實(shí)際操作只能看到當(dāng)面的十字像，另一面的像只存在于記憶中，一半的垂直距離也只能目測(cè)估計(jì)，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，所以需反復(fù)調(diào)節(jié)。

2.半調(diào)法

具體操作方法為：一、用望遠(yuǎn)鏡找到雙平面鏡一面反射的像，先調(diào)當(dāng)面調(diào)平螺釘，使像向分劃板上方十字準(zhǔn)線靠近一半的垂直距離，再調(diào)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘，使像與上方十字準(zhǔn)線重合。此步驟完成后望遠(yuǎn)鏡與鏡面是垂直的，但是可能是如圖2所示的情形。二、用望遠(yuǎn)鏡找到另一面反射的像執(zhí)行以上同樣的操作。如圖3所示需降低當(dāng)面調(diào)平螺釘（減小鏡面與豎直方向的夾角），升高望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘（減小望遠(yuǎn)鏡與水平方向的夾角）。反復(fù)進(jìn)行這兩個(gè)步驟，直至每一面的十字像均與上方十字準(zhǔn)線重合。

3.兩種方法的比較

理論上分步到位法先調(diào)載物臺(tái)水平，再調(diào)望遠(yuǎn)鏡水平，兩步可完成；半調(diào)法第一步操作將減小望遠(yuǎn)鏡與水平方向及鏡面與豎直方向的夾角，完成后當(dāng)面十字像與上方十字準(zhǔn)線重合，第二步操作中“調(diào)載物臺(tái)水平調(diào)節(jié)螺釘使像向上方十字準(zhǔn)線靠近一半的垂直距離”其實(shí)也就是向另一面的十字像靠近一半的垂直距離。因此半調(diào)法第二步操作效果和分步到位法一樣，所以也是兩步可完成。

實(shí)踐上則會(huì)受諸多因素影響，對(duì)分步到位法而言，影響較大的是兩面的像不能同時(shí)存在，調(diào)節(jié)過(guò)程缺乏參照物。但第二步完成后十字像與上方十字準(zhǔn)線重合，第二次操作時(shí)“另一面像”的位置其實(shí)也就是上方十字準(zhǔn)線的位置。半調(diào)法第一次第一步就已經(jīng)將十字像調(diào)到了上方十字準(zhǔn)線位置，不存在缺乏參照物的情況，但一半的距離仍需估計(jì)。因此兩種方法都需要反復(fù)調(diào)節(jié)且所需要的次數(shù)差不多。

綜上所述，兩種方法沒(méi)有優(yōu)劣之分，在教學(xué)過(guò)程中可任選一種方法。

三、只能看到一個(gè)鏡面反射的十字像怎么辦

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，已有作者進(jìn)行過(guò)分析[2]，筆者認(rèn)為還有需要補(bǔ)充的。如果只能看到一個(gè)鏡面反射的十字像，說(shuō)明望遠(yuǎn)鏡與此鏡面基本垂直，但是望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)并不水平。應(yīng)該仔細(xì)觀察望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)，如果肉眼能分辨哪里偏高或偏低則直接再次調(diào)整；如果肉眼已無(wú)法分辨則說(shuō)明另一個(gè)像偏離視野不多，但是無(wú)法確定偏上還是偏下?？蓢L試調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺釘使十字像靠近上邊緣或下邊緣再觀察是否可以看到另一面的十字像，如圖4所示，實(shí)十字表示當(dāng)面看到的十字像，虛十字表示另一鏡面反射的十字像。在左圖中另一鏡面反射的十字像不在視野，調(diào)節(jié)俯仰螺釘將十字像調(diào)至下邊緣則對(duì)準(zhǔn)另一面鏡面時(shí)十字像下降進(jìn)入視野。如果還是看不到說(shuō)明望遠(yuǎn)鏡或載物臺(tái)離水平相差較大，建議仔細(xì)觀察直接調(diào)整而不是借助十字像作微調(diào)，如果仍然看不出載物臺(tái)與望遠(yuǎn)鏡不水平，也可先把載物臺(tái)三顆水平調(diào)節(jié)螺釘調(diào)至最低使載物臺(tái)與下方平臺(tái)直接接觸，微調(diào)時(shí)通過(guò)升高載物臺(tái)的水平調(diào)節(jié)螺釘使載物臺(tái)進(jìn)一步水平[3]。

四、 結(jié)語(yǔ)

本文分析了在粗調(diào)中具體操作需要注意的一些事項(xiàng)，對(duì)微調(diào)常用的兩種方法進(jìn)行了比較，分步到位法與半調(diào)法本質(zhì)是一樣的。對(duì)只能看到一個(gè)鏡面反射的十字像這一問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，并給出了操作建議。

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