萬 偉

(西南科技大學，四川綿陽 621010)

分光計是一種測量角度的光學儀器，可用它來測量折射率、光波波長、色散率等，是光學實驗中最基本的光學儀器。分光計的調節(jié)非常重要，其調節(jié)的準確與否直接關系到各物理量的測定精度。其中，調整載物臺和望遠鏡光軸對分光計中心轉軸垂直是整個分光計調節(jié)的重點和難點［1-4］。在教學和實踐中，發(fā)現(xiàn)即使按傳統(tǒng)的調節(jié)方法對載物臺和望遠鏡進行仔細調節(jié)到位，測量中將望遠鏡旋至左、右位置進行多次、對稱觀察和測量時仍存在較大的偏差。通過理論分析，提出對分光計載物臺和望遠鏡調節(jié)的修正方法并在實踐中得到驗證。

1 傳統(tǒng)調節(jié)方法

1.1 基本原理

分光計包括四部分:望遠鏡、平行光管、載物臺和讀數(shù)盤。測量中望遠鏡用以觀察、對正現(xiàn)象;載物臺用來放置被測物和連續(xù)改變入射角的作用，它們根據(jù)需要都可進行大角度旋轉。分光計使用前必須進行調節(jié)，調節(jié)順序及總體方法為:(1)望遠鏡自準，接收平行光清晰成像;(2)將專用雙面平面鏡(底座與鏡面垂直)置于載物臺上，通過調節(jié)望遠鏡俯仰及載物臺臺面角度(三顆調節(jié)螺絲)，達到載物臺面及望遠鏡光軸都與分光計中心軸垂直［5-8］;(3)用望遠鏡觀察、調節(jié)平行光管，使其產(chǎn)生標準平行光，并校正平行光管的俯仰角，使平行光管光軸也垂直于分光計中心軸。三步調節(jié)中，(1)、(3)步相對容易調節(jié)。圖1為第(2)步調節(jié)完成后應到達的要求側視圖。

圖1 載物臺和望遠鏡調節(jié)到位的狀態(tài)

1.2 存在問題

第(2)步調節(jié)必須借助放置在載物臺上、對正望遠鏡的雙面平面鏡(底座與鏡面垂直，也即載物臺面中心法線平行于鏡面)的反射功能和自準好的望遠鏡射出平行光，通過雙面平面鏡反射回望遠鏡所成“十”字像的高低位置(可直接反映望遠鏡光軸是否與平面鏡面垂直)來調節(jié)和判斷。望遠鏡目鏡視場見圖2，自準完成后望遠鏡內的透光十字窗口位于望遠鏡物鏡后焦平面下方，它和分劃板上的上十字線是以分劃板中的下十字線的橫線對稱的。當雙面平面鏡鏡面與望遠鏡光軸垂直時，由幾何光學知，此時的反射“十”字像應位于上十字線的橫線位置高度［9］，正如圖2所示。目前，很多物理實驗教材在介紹該步調節(jié)時，只強調望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直關系的調節(jié)，調節(jié)方法均采用旋轉載物臺180°，借助載物臺上雙面平面鏡的兩面(A、B面)反射平行光進入望遠鏡內所成“十”字像的高低位置進行調節(jié)，調節(jié)時采用各半調節(jié)法(望遠鏡俯仰調節(jié)螺絲修正一半、載物臺面調節(jié)螺絲修正一半)，使雙面平面鏡A、B兩面反射回望遠鏡的“十”字像的高度位置均在望遠鏡目鏡視場中的上十字線橫線高度處即完成調節(jié)。實際上，這樣的調節(jié)并未真正達到所要求的狀態(tài)。

圖2 望遠鏡目鏡視場

圖3為第2步調節(jié)中的俯視圖，圖3中分光計中心軸垂直紙面，載物臺面與分光計中心軸不垂直，其傾斜狀態(tài)用載物臺面中心點法線表示?？偪煞纸鉃檠赝h鏡方向的傾斜和垂直望遠鏡方向的的傾斜。在反復旋轉載物臺180°利用雙平面鏡的A、B面反射作用觀察和調節(jié)中和都將發(fā)生對稱變化，且垂直于雙平面鏡面、平行于鏡面。正對望遠鏡的雙平面鏡檢測的是分量，當通過望遠鏡、載物臺面的“各半調節(jié)”完成后=0，即平面鏡 A、B兩面反射的“十”字像等高，此時若望遠鏡光軸也垂直于雙平面鏡，則“十”字像也均位于分劃板上十字線橫線位置，但分量是否存在、大小如何均不影響此時現(xiàn)象，既載物臺面并不垂直于分光計中心軸，見圖4。這樣的狀態(tài)在實驗中的弊端表現(xiàn)為:①調試好第2步后的分光計，任意轉動載物臺或望遠鏡一定角度(不等于180°)，再用雙平面鏡檢查時，“十”字像高低位置發(fā)生變化，甚至沒有“十”字像，望遠鏡及載物臺面又須重新調節(jié);②當用調節(jié)好的分光計進行左右對稱觀察、測量時，現(xiàn)象非對稱，導致觀察、測量誤差;③由于載物臺面與分光計中心軸不垂直，入射光將與介質端面不垂直，使用厚型介質(如三棱鏡)實驗時，測量誤差必然增大。

圖3 載物臺臺面中心法線偏離分光計中心軸俯視圖

圖4 載物臺臺面存在分量時望遠鏡無法判斷

1.3 調節(jié)修正方法

分光計第2步的觀察、調節(jié)過程是一個二維平面修正過程，應將兩個分量都修正為零，達到載物臺面及望遠鏡光軸都與分光計中心軸垂直，而傳統(tǒng)的調節(jié)僅強調望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直則演變成一維修正過程，必然導致載物臺對垂直望遠鏡方向的傾斜分量的不作為現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，正確的調節(jié)方法應對兩個垂直方向的傾斜分量進行分步調節(jié)、修正。為避免重復調節(jié)，具體操作方法為:①將雙平面鏡置于載物臺上，并使鏡面垂直于載物臺C、D兩調節(jié)螺絲孔連線，見圖5。

圖5 分步調節(jié)中平面鏡放置法

按傳統(tǒng)方法反復旋轉載物臺180°觀察和調節(jié)C或D螺絲及望遠鏡俯仰螺絲，直到獲得所要求的現(xiàn)象。該步調節(jié)使、望遠鏡與分光計中心軸的垂直偏差趨于零。②為提高調節(jié)精度，保持載物臺不動，旋轉望遠鏡90度，將雙面鏡置于載物臺上(圖5虛線所示)并對正望遠鏡觀察“十”字像位置，此時再旋轉載物臺180°觀察平面鏡兩面反射回望遠鏡的“十”字像［10-11］。若平面鏡兩面反射的“十”字像處于分劃板上十字線橫線的上下對稱位置，說明上步調節(jié)已使望遠鏡光軸垂直于分光計中心軸，只需調節(jié)螺絲E完成“十”字像處于上十字線高度實現(xiàn)=0;與之相反，則需使用臺面螺絲E和望遠鏡俯仰調節(jié)螺絲再次進行“各半調節(jié)”直到達到要求。經(jīng)過上述兩步的調節(jié)，即可保證載屋臺面、望遠鏡光軸均與分光計中心軸嚴格垂直。

3 結束語

分光計作為高精度的角測工具，實驗前對各功能部件的調節(jié)是否到位將直接影響后續(xù)的觀察及測量精度。載物臺作為放置介質及連續(xù)改變入射角度的重要部件，調節(jié)中又與望遠鏡相互參照，它們與分光計中心軸的垂直關系必須通過上述的二維面調節(jié)方法進行。

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