分光儀中望遠鏡與載物臺水平調節分析

藍華山

【摘要】分光儀的調整對初學者而言有一定難度，正因為如此，更應該系統的學習并掌握其調節方法，為后續實驗打好基礎。本文分析了具體操作中需要注意的一些事項，在粗調中如何做到聚焦于無窮遠，如何判斷望遠鏡以及載物臺水平，如何從目鏡中找十字像；對在微調中用到的分步到位法以及半調法進行了分析比較；最后對只能看到一個鏡面反射的十字像這一問題進行了說明，并給出了操作建議。為大學物理實驗教師提供一定的參考。

【關鍵詞】分光儀 十字像 分步到位法 半調法

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）24-0246-02

分光儀是一種用來準確測量平行光束之間角度的儀器，分光儀的基本結構和調節原理與其它更復雜的光學儀器有許多相似之處，學習和使用分光儀可為今后使用精密光學儀器打下良好的基礎。分光儀裝置比較精密，結構比較復雜，調節要求也比較高，對于初學者有一定難度[1]。從操作考試來看，這個實驗的及格率也是偏低。表1是我校物理實驗公共課該實驗的某次操作考試成績情況，參考學生302人，60分以下的有86人，約占參考人數的28.5%，其中40分及以下的有45人，約占參考人數的14.9%，意味著有近15%的學生操作有很大的問題。其他學校的老師也指出了對于學生來說調節難度較大這一情況。我校在“分光儀的調整與使用”這一實驗中設置了兩個內容：（1）練習分光儀的調節；（2）測量三棱鏡的頂角。測量三棱鏡的頂角比較簡單，重點是練習分光儀的調節。本文分析如何系統地進行調整。

一、粗調

粗調成功的標準是用望眼鏡分別垂直對準兩個光學面均能看到十字像。而要從任意一光學面均能看到十字像需要做到：（1）望眼鏡調焦于無窮遠；（2）望眼鏡、載物臺基本水平；（3）觀察十字像時望眼鏡與光學面基本垂直。

1.望眼鏡調焦于無窮遠

某些教材在粗調過程中沒有這一步驟，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不到，對初次使用者來說可能會以為沒有十字像，所以筆者認為在觀測十字像之前對“聚焦于無窮遠”進行初步調節很有必要。然而望遠鏡、載物臺水平調節不到位也是看不到十字像的，所以粗調“望眼鏡調焦于無窮遠”不能以十字像為觀測目標。如果有普通玻璃，可貼著望遠鏡物鏡端，然后調節目鏡筒使普通玻璃反射的十字像清晰；如果沒有也可以對遠處的目標進行調整，比如窗外的樓房、樹木等等，如圖1所示，把遠處目標的像調清晰了，“望眼鏡調焦于無窮遠”的初步調節就算完成。

2.望遠鏡與載物臺基本水平

粗調過程中，望遠鏡與載物臺水平程度以兩面都能看到十字像為目標，但調節過程不應以單面看到十字像為依據，單面看到十字像并不能保證望遠鏡與載物臺水平。如圖2所示，望遠鏡與光學面垂直能看到當面的十字像，但兩者都是傾斜的。也就是說粗調兩者水平時眼睛不應一直盯著目鏡看有沒有十字像，而應該直接目測兩者是否水平。

（1）載物臺基本水平

教材上介紹的方法是調節載物臺下方的水平調節螺釘，使它們露出平臺的螺紋數大致相同，即螺絲頂起的縫隙各處基本等厚。有的學生提出可否將水平調節螺釘調到最低，即載物臺下方平臺與載物臺直接接觸。由于載物臺下方平臺基本水平，如果載物臺與下方平臺直接接觸，那么載物臺也基本水平。作為簡化粗調的效果是有的，但是會給后面的微調帶來不便。在沒有縫隙的情況下，微調載物臺水平只能通過升高水平調節螺釘實現；而在有縫隙的情況下則可以升高或降低某一顆水平調節螺釘，微調操作更方便。筆者認為水平調節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各處等厚，可以將各處縫隙的厚度調至2毫米左右，如此既方便微調升降水平調節螺釘，也不會給粗調載物臺水平造成很大困難。

（2）望遠鏡基本水平

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

3.望遠鏡與光學面基本垂直

完成以上兩個步驟之后則需要檢驗望遠鏡分別正對兩邊光學面是否能看到十字像。望遠鏡與光學面是否正對僅憑目測也是不好判斷的，筆者建議找十字像時緩慢旋轉載物臺，在轉動過程中，總有一個位置是望遠鏡剛好正對光學面的。實際上，只要已聚焦無窮遠、載物臺與望遠鏡基本水平，望遠鏡與光學面接近正對就可以看到十字像。

二、微調

粗調的目標是使載物臺與望遠鏡基本水平，從目鏡上能看到兩個面的十字像。微調的目標則是將兩個面的十字像均調至與分劃板上方十字準線重合，實際上就是望遠鏡嚴格水平，兩個光學面嚴格豎直。通用的方法有兩個：（1）分步到位法；（2）半調法。

1.分步到位法

在望遠鏡正對雙平面鏡某一鏡面時，假設載物臺傾斜導致十字像豎直位移偏離了a，望遠鏡傾斜導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；在望遠鏡正對雙平面鏡另一鏡面時，載物臺傾斜將導致十字像豎直位移偏離-a，望遠鏡傾斜導致十字像偏離b，十字像豎直位移偏離-a+b。假如載物臺嚴格水平，a=0，兩鏡面反射的十字像等高。所以可以分兩步調節：第一步調節載物臺水平，具體操作是仔細觀察每一面反射的像在分劃板上的位置，調節當面水平調節螺釘，使當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節一次便可使兩面反射的像在同一高度。第二步調節望遠鏡水平，具體操作是調節望遠鏡俯仰螺釘，使當面十字像與分劃板上方十字準線重合，由于第一步已使兩面十字像在同一高度，而第二步并沒有改變載物臺水平程度，理論上另一面十字像也與分劃板上方十字準線重合。實際操作只能看到當面的十字像，另一面的像只存在于記憶中，一半的垂直距離也只能目測估計，無法進行準確的測量，所以需反復調節。

2.半調法

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

3.兩種方法的比較

理論上分步到位法先調載物臺水平，再調望遠鏡水平，兩步可完成；半調法第一步操作將減小望遠鏡與水平方向及鏡面與豎直方向的夾角，完成后當面十字像與上方十字準線重合，第二步操作中“調載物臺水平調節螺釘使像向上方十字準線靠近一半的垂直距離”其實也就是向另一面的十字像靠近一半的垂直距離。因此半調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。

實踐上則會受諸多因素影響，對分步到位法而言，影響較大的是兩面的像不能同時存在，調節過程缺乏參照物。但第二步完成后十字像與上方十字準線重合，第二次操作時“另一面像”的位置其實也就是上方十字準線的位置。半調法第一次第一步就已經將十字像調到了上方十字準線位置，不存在缺乏參照物的情況，但一半的距離仍需估計。因此兩種方法都需要反復調節且所需要的次數差不多。

綜上所述，兩種方法沒有優劣之分，在教學過程中可任選一種方法。

三、只能看到一個鏡面反射的十字像怎么辦

關于這個問題，已有作者進行過分析[2]，筆者認為還有需要補充的。如果只能看到一個鏡面反射的十字像，說明望遠鏡與此鏡面基本垂直，但是望遠鏡和載物臺并不水平。應該仔細觀察望遠鏡和載物臺，如果肉眼能分辨哪里偏高或偏低則直接再次調整；如果肉眼已無法分辨則說明另一個像偏離視野不多，但是無法確定偏上還是偏下?？蓢L試調節望遠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，實十字表示當面看到的十字像，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，調節俯仰螺釘將十字像調至下邊緣則對準另一面鏡面時十字像下降進入視野。如果還是看不到說明望遠鏡或載物臺離水平相差較大，建議仔細觀察直接調整而不是借助十字像作微調，如果仍然看不出載物臺與望遠鏡不水平，也可先把載物臺三顆水平調節螺釘調至最低使載物臺與下方平臺直接接觸，微調時通過升高載物臺的水平調節螺釘使載物臺進一步水平[3]。

四、 結語

本文分析了在粗調中具體操作需要注意的一些事項，對微調常用的兩種方法進行了比較，分步到位法與半調法本質是一樣的。對只能看到一個鏡面反射的十字像這一問題進行了說明，并給出了操作建議。

參考文獻：

[1] 張懷作.大學物理實驗[M]. 北京： 科學出版社， 2011： 136.

[2] 吳興達，徐秋燕，呂群松. 分光儀十字像調節過程的光路分析[J]. 實驗室科學，2017，20（2）：54-56.

[3]陳麗娜 .分光計調節的一種簡單方法[J] .實驗科學與技術，2011，9（1）：20-21.