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摘 要:在让学生了解分光计结构和深入剖析各个部分测量原理的基础上来讲授分光计的调节方法,会达到事半功倍的教学效果
关键词:分光计结构 原理 调节技巧 待测状态
中图分类号:TH74 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0173-01
分光计是光学中的基本仪器,可以由它来精确地测量平行光的角度偏转,从而计算出其它光学量,如折射率、色散率等。由于分光计的构成包括了光学系统、读数装置和载物平台,在测量角度前必须使得这几部分协调一致,达到所要求的待测状态,所以分光计的调整是测量前必须完成的首要步骤。
由于分光计的调节过程比较繁琐,单纯地让学生记住调节步骤,学生很难从根本上掌握调节方法,所以在调整分光计前,有必要利用一些时间让学生了解分光计的的结构和工作原理,让学生知晓使分光计达到待测状态的基本要求,学生知其然并知其所以然,才会从根本上理解各步骤的调节目的和要达到的要求。这一过程可以利用图示和实物仪器相结合来讲解,将分光计的四个主要部分的构造、功能、应该达到的状态逐一分解开来交待清楚。
调整分光计,主要是要达到以下要求:
(1)各部位倾角的调节,目的是让平行光管中心轴线、望远镜的中心轴线垂直于分光计读数盘的中心轴线,让载物台平面平行于分光计读数盘平面。只有这样,通过待测物体所观测到的光线才会方向准确,使测量得到较高的精确度。
(2)光学系统的调节,要使望远镜系统能够聚焦到无限远处,观测到平行光线,同时要使平行光管能够产生平行光线,提供必要的观测光源。
明确了以上要求,就可以分步讲解调节方法了。
1 粗调
(1)用目测的方法调节平行光管、望远镜、载物台的倾斜角度,使各部分在视觉上粗略地达到水平要求,为进一步细调打下基础。粗调的重点是调节好载物台的水平,这决定后面寻找“+”像的难易程度。
(2)望远镜目镜的调焦。目的是使望远镜镜筒中安放的分划板能处于望远镜目镜的焦平面上,使观测者能清晰看到分划板处所成的像。只需旋转目镜镜筒调焦,能清晰看到分划板上的叉丝即可。
2 细调
细调就是精确调节两光学镜筒的“聚焦”情况,使望远镜能精确聚焦到无限远处,接收平行光线,使平行光管精确地产生平行光线。细调的另一个目的是精确地调整平行光管、载物台、望远镜的倾斜角度,使入射光与出射光所形成的平面与读数盘平面平行,达到精确测量的目的。
2.1 使望远镜能聚焦到无限远处,准确接收平行光线
假设分划板正处于望远镜物镜的焦平面处,那么紧贴分划板的棱镜上的“+”字透光窗口所发出的光线经望远镜物镜后是平行光线,再经载物台上的双面镜反射后仍是平行光线,又经物镜折射后,出射光线会汇聚于物镜焦平面上,即分划板上,则通过目镜观测到的“+”字像就会非常清晰且无视差。反之,如果目镜中看到的“+”字像不清晰或有视差,说明返回的光线不是平行光线,也就是分划板的位置没有在物镜的焦平面上。这样就可以以“+”字像的清晰程度和有无视差为标准,仔细调节分划板套筒到望远镜物镜的距离,直到看到清晰的“+”字像且无视差为止,此时已将分划板调整到物镜的焦平面上了。
2.2 同时调整望远镜及载物台的倾斜角度,这是整个调整过程的难点
这两项调节是利用了望远镜的自准直系统。
假设望远镜光轴已垂直于分光计中心轴线,载物台平面也平行于读数盘平面,则底座平滑的双面反射镜放于载物台上时,镜面与载物台垂直,由此可以推断,此时所观测到的“+”字像与“+”字发光原物一定关于望远镜中心轴线对称,即“+”字像应成在分划板上部叉丝上。当载物台转动180°时,通过双面镜的另一面所反射而成的“+”字像也会成在上述位置。反之,如果“+”字像没有成在分划板的上部叉丝上,则表示望远镜或载物台至少有一个没有调整好倾斜角度或者二者均没有调整好倾斜角度。基于以上原理,当“+”字像不在分划板上部叉丝上时,就可以同时调节望远镜及载物台的倾角螺丝,使两面反射的“+”字像都达到目标位置。
以前多用“各半法”来调节这两部分的倾角,是利用渐次趋近的方式达到调节目标位的,容易掌握但比较繁琐,需要反复调节。下面的方法会更简捷一些:通过分析可以知道,当载物台有前后方向的倾斜时,双面镜的两个面反射的“+”字像必然不会在同一高度,而这个高度差是由镜面垂线方向的两颗调节螺钉的高度不同造成的,调节一颗螺钉时,两面的“+”字像会沿相反方向上下移动,由此,就可以调节其中的一颗螺钉,同时转动载物台观察两面的像,使其达到同一高度,此时载物台上沿镜面垂线上的两颗螺钉已经等高,镜面垂直于载物台平面,载物台无前后方向倾斜。再分析望远镜,如果望远镜光轴没有与双面镜平面垂直,则“+”字像一定不会成在分划板上部叉丝上,或高或低,而调节望远镜倾角调节螺钉时,“+”字像会向同方向移动,这样,在上步调好两面“+”字像等高的基础上,再调节望远镜的倾角调节螺丝,让“+”字像达到分划板上部叉丝位置就可以了,此时,望远镜倾角调好。
最后,要调节载物台上与镜面重合的螺钉的高度,使载物台平面无左右方向的倾斜,平行于读数盘平面。将镜面在载物台上转过90°角,观察望远镜中的“+”字像,调节原来与镜面重合的那颗螺钉,使“+”字像与分划板上部叉丝重合,此时载物台平面与读数盘平面平行。
2.3 平行光管产生平行光及倾斜角度的调节
平行光管部分的调节是以已经调整到待测状态的望远镜为标准来调节的,由于望远镜已经处于聚焦到无限远处可以观察平行光线的状态,那么如果通过望远镜所观测到的光线非常清晰,则光源为平行光。由此,只需调节平行光管单缝套筒的前后位置,当望远镜中观察到单缝像呈最清晰状态时,则平行光管出射光即为平行光,此时,单缝应该是位于平行光管物镜的焦平面上。
平行光管倾斜角度的调节,依赖于望远镜中分划板的叉丝,由于设计时分划板中心水平叉丝的位置恰是望远镜直径位置,将望远镜孔径一分为二,同时,平行光管的狭缝也应该在平行光管的直径上,把平行光管孔径一分为二,如果两镜共轴,则狭缝水平像应与分划板中心水平叉丝重合。所以,平行光管倾斜角度的调节,只需把狭缝转动呈水平狭缝,通过望远镜观察狭缝像的位置,调节平行光管倾角调节螺丝,使狭缝像与分划板中心水平叉丝重合,再调节平行光管水平调节螺丝使狭缝像被中心竖直叉丝平分,然后将平行光管狭缝转到竖直方向,即完成了平行光管倾角的调节,平行光管与望远镜共轴。
3 结语
实验是在理解原理基础上的操作过程,相信通过以上剖析和分解各个步骤的原理,分光计的调节就不会是那样高深莫测了,会让学生思路清晰地完成整个实验过程,并将这个过程和调节方法牢记在心。
参考文献
[1] 丁慎训,张连芳.物理实验教程[M].北京:清华大学出版社,2002.
[2] 吴利华,梁高永.分光计分步调节法[J].大学物理实验,2011.8.
[3] 樊俊义,王景衡.分光计调节技巧介绍[J].实验室科学,2011.2.
关键词:分光计结构 原理 调节技巧 待测状态
中图分类号:TH74 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0173-01
分光计是光学中的基本仪器,可以由它来精确地测量平行光的角度偏转,从而计算出其它光学量,如折射率、色散率等。由于分光计的构成包括了光学系统、读数装置和载物平台,在测量角度前必须使得这几部分协调一致,达到所要求的待测状态,所以分光计的调整是测量前必须完成的首要步骤。
由于分光计的调节过程比较繁琐,单纯地让学生记住调节步骤,学生很难从根本上掌握调节方法,所以在调整分光计前,有必要利用一些时间让学生了解分光计的的结构和工作原理,让学生知晓使分光计达到待测状态的基本要求,学生知其然并知其所以然,才会从根本上理解各步骤的调节目的和要达到的要求。这一过程可以利用图示和实物仪器相结合来讲解,将分光计的四个主要部分的构造、功能、应该达到的状态逐一分解开来交待清楚。
调整分光计,主要是要达到以下要求:
(1)各部位倾角的调节,目的是让平行光管中心轴线、望远镜的中心轴线垂直于分光计读数盘的中心轴线,让载物台平面平行于分光计读数盘平面。只有这样,通过待测物体所观测到的光线才会方向准确,使测量得到较高的精确度。
(2)光学系统的调节,要使望远镜系统能够聚焦到无限远处,观测到平行光线,同时要使平行光管能够产生平行光线,提供必要的观测光源。
明确了以上要求,就可以分步讲解调节方法了。
1 粗调
(1)用目测的方法调节平行光管、望远镜、载物台的倾斜角度,使各部分在视觉上粗略地达到水平要求,为进一步细调打下基础。粗调的重点是调节好载物台的水平,这决定后面寻找“+”像的难易程度。
(2)望远镜目镜的调焦。目的是使望远镜镜筒中安放的分划板能处于望远镜目镜的焦平面上,使观测者能清晰看到分划板处所成的像。只需旋转目镜镜筒调焦,能清晰看到分划板上的叉丝即可。
2 细调
细调就是精确调节两光学镜筒的“聚焦”情况,使望远镜能精确聚焦到无限远处,接收平行光线,使平行光管精确地产生平行光线。细调的另一个目的是精确地调整平行光管、载物台、望远镜的倾斜角度,使入射光与出射光所形成的平面与读数盘平面平行,达到精确测量的目的。
2.1 使望远镜能聚焦到无限远处,准确接收平行光线
假设分划板正处于望远镜物镜的焦平面处,那么紧贴分划板的棱镜上的“+”字透光窗口所发出的光线经望远镜物镜后是平行光线,再经载物台上的双面镜反射后仍是平行光线,又经物镜折射后,出射光线会汇聚于物镜焦平面上,即分划板上,则通过目镜观测到的“+”字像就会非常清晰且无视差。反之,如果目镜中看到的“+”字像不清晰或有视差,说明返回的光线不是平行光线,也就是分划板的位置没有在物镜的焦平面上。这样就可以以“+”字像的清晰程度和有无视差为标准,仔细调节分划板套筒到望远镜物镜的距离,直到看到清晰的“+”字像且无视差为止,此时已将分划板调整到物镜的焦平面上了。
2.2 同时调整望远镜及载物台的倾斜角度,这是整个调整过程的难点
这两项调节是利用了望远镜的自准直系统。
假设望远镜光轴已垂直于分光计中心轴线,载物台平面也平行于读数盘平面,则底座平滑的双面反射镜放于载物台上时,镜面与载物台垂直,由此可以推断,此时所观测到的“+”字像与“+”字发光原物一定关于望远镜中心轴线对称,即“+”字像应成在分划板上部叉丝上。当载物台转动180°时,通过双面镜的另一面所反射而成的“+”字像也会成在上述位置。反之,如果“+”字像没有成在分划板的上部叉丝上,则表示望远镜或载物台至少有一个没有调整好倾斜角度或者二者均没有调整好倾斜角度。基于以上原理,当“+”字像不在分划板上部叉丝上时,就可以同时调节望远镜及载物台的倾角螺丝,使两面反射的“+”字像都达到目标位置。
以前多用“各半法”来调节这两部分的倾角,是利用渐次趋近的方式达到调节目标位的,容易掌握但比较繁琐,需要反复调节。下面的方法会更简捷一些:通过分析可以知道,当载物台有前后方向的倾斜时,双面镜的两个面反射的“+”字像必然不会在同一高度,而这个高度差是由镜面垂线方向的两颗调节螺钉的高度不同造成的,调节一颗螺钉时,两面的“+”字像会沿相反方向上下移动,由此,就可以调节其中的一颗螺钉,同时转动载物台观察两面的像,使其达到同一高度,此时载物台上沿镜面垂线上的两颗螺钉已经等高,镜面垂直于载物台平面,载物台无前后方向倾斜。再分析望远镜,如果望远镜光轴没有与双面镜平面垂直,则“+”字像一定不会成在分划板上部叉丝上,或高或低,而调节望远镜倾角调节螺钉时,“+”字像会向同方向移动,这样,在上步调好两面“+”字像等高的基础上,再调节望远镜的倾角调节螺丝,让“+”字像达到分划板上部叉丝位置就可以了,此时,望远镜倾角调好。
最后,要调节载物台上与镜面重合的螺钉的高度,使载物台平面无左右方向的倾斜,平行于读数盘平面。将镜面在载物台上转过90°角,观察望远镜中的“+”字像,调节原来与镜面重合的那颗螺钉,使“+”字像与分划板上部叉丝重合,此时载物台平面与读数盘平面平行。
2.3 平行光管产生平行光及倾斜角度的调节
平行光管部分的调节是以已经调整到待测状态的望远镜为标准来调节的,由于望远镜已经处于聚焦到无限远处可以观察平行光线的状态,那么如果通过望远镜所观测到的光线非常清晰,则光源为平行光。由此,只需调节平行光管单缝套筒的前后位置,当望远镜中观察到单缝像呈最清晰状态时,则平行光管出射光即为平行光,此时,单缝应该是位于平行光管物镜的焦平面上。
平行光管倾斜角度的调节,依赖于望远镜中分划板的叉丝,由于设计时分划板中心水平叉丝的位置恰是望远镜直径位置,将望远镜孔径一分为二,同时,平行光管的狭缝也应该在平行光管的直径上,把平行光管孔径一分为二,如果两镜共轴,则狭缝水平像应与分划板中心水平叉丝重合。所以,平行光管倾斜角度的调节,只需把狭缝转动呈水平狭缝,通过望远镜观察狭缝像的位置,调节平行光管倾角调节螺丝,使狭缝像与分划板中心水平叉丝重合,再调节平行光管水平调节螺丝使狭缝像被中心竖直叉丝平分,然后将平行光管狭缝转到竖直方向,即完成了平行光管倾角的调节,平行光管与望远镜共轴。
3 结语
实验是在理解原理基础上的操作过程,相信通过以上剖析和分解各个步骤的原理,分光计的调节就不会是那样高深莫测了,会让学生思路清晰地完成整个实验过程,并将这个过程和调节方法牢记在心。
参考文献
[1] 丁慎训,张连芳.物理实验教程[M].北京:清华大学出版社,2002.
[2] 吴利华,梁高永.分光计分步调节法[J].大学物理实验,2011.8.
[3] 樊俊义,王景衡.分光计调节技巧介绍[J].实验室科学,2011.2.