分光計測量三棱鏡頂角實(shí)驗(yàn)的調(diào)整

分光計測量三棱鏡頂角實(shí)驗(yàn)的調(diào)整

1分光計測量精度的調(diào)整分光計是一種用于精確測量角度的光學(xué)儀器。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,分光計可以測量三棱鏡的頂角、三棱鏡對于某一光線的折射率、光柵常數(shù)以及某一光波的波長等。分光計測量精度在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的光學(xué)儀器中是比較高的,所以在實(shí)驗(yàn)過程中,調(diào)整分光計是一個重點(diǎn)、難點(diǎn)。我們閱讀了大量國內(nèi)實(shí)驗(yàn)教材,并且參考了一些相關(guān)文獻(xiàn),從中受到了一定的啟發(fā)。但發(fā)現(xiàn),除教材中對分光計調(diào)整過程敘述的略顯簡單外,而且對文獻(xiàn)中提到的調(diào)整方法有著不同的看法。我們通過教學(xué)實(shí)踐,總結(jié)出了一套快速調(diào)節(jié)分光計的方法。2分光計的調(diào)整問題在現(xiàn)有的物理實(shí)驗(yàn)教材中,分光計測量三棱鏡頂角實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于使望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器中心轉(zhuǎn)軸垂直(下文稱條件1)。為了滿足條件1,需經(jīng)過一系列調(diào)整:直到放在載物臺上的平面鏡的兩個反射面分別對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡時,都能使亮叉絲的綠色反射像和望遠(yuǎn)鏡上的十字叉絲重合(下文稱條件2)。我們發(fā)現(xiàn),大部分教材在講述實(shí)驗(yàn)調(diào)整的過程中,當(dāng)滿足條件2時并不一定滿足條件1,因此有很大的局限性,并不適用于教學(xué)實(shí)踐。首先,滿足條件2時只能說明望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于平面鏡中心轉(zhuǎn)軸,而如果平面鏡不垂直于載物臺時(可能因?yàn)槠矫骁R與載物臺接觸面并不平滑),平面鏡的中心轉(zhuǎn)軸就與分光計的中心轉(zhuǎn)軸不重合,就無法滿足條件1。其次,假設(shè)平面鏡與載物臺垂直,按照文獻(xiàn)的調(diào)整方法,當(dāng)載物臺面嚴(yán)格水平時,并不能保證載物臺的中心轉(zhuǎn)軸與分光計的中心轉(zhuǎn)軸重合(因放置分光計的桌面不一定水平),這也不能滿足條件1。由此看來,分光計的調(diào)整的確是該實(shí)驗(yàn)的一個難點(diǎn)。我們認(rèn)為,分光計實(shí)驗(yàn)的精確度涉及如實(shí)驗(yàn)臺面平滑、分光計儀器制作精細(xì)、平面鏡和三棱鏡及光柵是否符合標(biāo)準(zhǔn)等諸多因素,理論上只有所有因素都達(dá)到理想條件,測量的誤差才能降到最小值。但實(shí)踐教學(xué)中,這些因素不可能都滿足理想條件,根據(jù)幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),我們總結(jié)出一種較為簡單并且適用的調(diào)整方法,希望與各位老師交流探討。3綠色反射像的檢測分光計實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容很多,但難點(diǎn)在于滿足條件1,而本方法可以通過調(diào)整即使在不滿足條件1的情況下,所測得的結(jié)果也在誤差范圍之內(nèi)。1)使載物臺上的3條直刻線正好位于載物臺下3個調(diào)平螺釘?shù)恼戏饺鐖D1所示,調(diào)節(jié)調(diào)平螺釘,利用水平儀使載物臺水平。2)將三棱鏡放置到載物臺上,并且使三棱鏡的3個頂角與載物臺上的3條直刻線重合,如圖2所示。3)調(diào)節(jié)載物臺高度及望遠(yuǎn)鏡傾角螺釘,使望遠(yuǎn)鏡正對一光學(xué)面(即粗調(diào)),如圖3所示。4)打開電源,調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦旋鈕使望遠(yuǎn)鏡目鏡中的黑色十字叉絲清晰。先通過望遠(yuǎn)鏡目鏡觀察,如果看不到亮叉絲的綠色反射像,則小角度旋轉(zhuǎn)黑色游標(biāo)盤,它可以帶動載物臺上的三棱鏡旋轉(zhuǎn),同時緩慢調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾角螺釘,直到在目鏡中可以觀察到綠色反射像為止。三棱鏡要在使望遠(yuǎn)鏡光軸與三棱鏡光學(xué)面垂直的角度附近來回旋轉(zhuǎn),如圖4所示。調(diào)整時可以每旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡傾角螺釘180°就往復(fù)旋轉(zhuǎn)三棱鏡來做觀察,如果望遠(yuǎn)鏡傾角螺釘順時針(或逆時針)旋轉(zhuǎn)超過720°仍沒有發(fā)現(xiàn)綠色反射像,則改變旋轉(zhuǎn)方向來尋找。若在目鏡中看到一團(tuán)模糊的綠光,是因?yàn)榫G色反射像沒有位于望遠(yuǎn)鏡的焦平面上。旋松目鏡鎖緊螺釘,前后調(diào)節(jié)目鏡的位置,直到綠色反射像清晰時再鎖緊該螺釘。尋找到綠色反射像的快慢與粗調(diào)緊密相關(guān),這一點(diǎn)必須要提醒學(xué)生,使學(xué)生重視粗調(diào)。5)當(dāng)在一個光學(xué)面觀察到綠色反射像后先不需要調(diào)整其位置,旋轉(zhuǎn)載物臺使另一光學(xué)面正對望遠(yuǎn)鏡。根據(jù)第4步操作在另一光學(xué)面也要找到綠色反射像,即要達(dá)到兩光學(xué)面同時可以觀察到綠色反射像。如果三棱鏡制作比較標(biāo)準(zhǔn),則由已觀察到綠色反射像的光學(xué)面轉(zhuǎn)到另一光學(xué)面時,幾乎不需調(diào)整或只做略微調(diào)整即可看到綠色反射像。此步操作要特別提醒學(xué)生,在尋找第2個光學(xué)面的綠色反射像的過程中不能將第1個光學(xué)面的綠色反射像丟失。這就需要學(xué)生操作時耐心,細(xì)致,緩慢,準(zhǔn)確。第4)、5)步操作對于學(xué)生來說是較為復(fù)雜且困難,實(shí)驗(yàn)前需由老師示范并講解。6)當(dāng)兩光學(xué)面同時可以觀察到綠色反射像后,用“各半法”調(diào)節(jié)使2個光學(xué)面的綠色反射像都與黑色十字叉絲重合。根據(jù)步驟2),在每一光學(xué)面后載物臺的下方都有一個調(diào)節(jié)螺釘,而調(diào)節(jié)某一光學(xué)面的綠色反射像與黑色十字叉絲重合就只要調(diào)節(jié)相對應(yīng)的那一個螺釘即可。當(dāng)兩光學(xué)面的綠色反射像都與黑色十字叉絲重合后,就可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡光軸與三棱鏡的中心轉(zhuǎn)軸垂直。因?yàn)楫?dāng)一光學(xué)面的綠色反射像與黑色十字叉絲重合時,可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡的光軸與該光學(xué)面垂直,而兩光學(xué)面的綠色反射像都與黑色十字叉絲重合后,可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直于兩光學(xué)面的交線(即三棱鏡的邊線),而三棱鏡的邊線是與三棱鏡的中心轉(zhuǎn)軸平行的(前提是三棱鏡制作符合標(biāo)準(zhǔn)),所以可以認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直于三棱鏡的中心轉(zhuǎn)軸。文獻(xiàn)對此方法提出了反對,我們反復(fù)研究并多次親手操作實(shí)驗(yàn),得到了以下的結(jié)論:從理論上可以驗(yàn)證,按照本方法操作后,當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的光軸與三棱鏡的中心轉(zhuǎn)軸垂直時是無法保證“平行光管的光軸和望遠(yuǎn)鏡的光軸以及載物平臺垂直于中心轉(zhuǎn)軸”。從實(shí)際測量來討論,即使望遠(yuǎn)鏡的光軸和載物平臺都不垂直于分光計的中心轉(zhuǎn)軸,但只要用本方法使望遠(yuǎn)鏡的光軸與三棱鏡的中心轉(zhuǎn)軸垂直,就可以保證“中心轉(zhuǎn)軸所在的平面與平分三棱鏡某個頂角的平面平行”。而在以后的測量過程中,其直接結(jié)果是導(dǎo)致度盤與三棱鏡旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的弧度不同(實(shí)驗(yàn)中不需要測量),而三棱鏡與度盤旋轉(zhuǎn)的角度卻是相同的,這也正是實(shí)驗(yàn)中需要測量的結(jié)果。文獻(xiàn)的調(diào)整方法中,并不需要將三角形的三個邊都達(dá)到要求,因?yàn)閮蓷l直線確定一個平面,只要兩個邊滿足條件即可。4反射像和各辦法的調(diào)節(jié)方法的特點(diǎn)本方法的特點(diǎn):1)調(diào)節(jié)過程簡單,用三棱鏡代替了平面鏡,減少了調(diào)整的復(fù)雜度,避免了因?qū)⑵矫骁R更換為三棱鏡而產(chǎn)生的誤差。2)步驟清晰,在尋找綠色反射像和各辦法調(diào)節(jié)時,并不用調(diào)節(jié)過多的螺釘只需調(diào)節(jié)相應(yīng)的一個螺釘,調(diào)節(jié)對象單一,清楚。3)效率高,適用性強(qiáng)。本方法減小了對實(shí)驗(yàn)各個因素的依賴性,對于一般的實(shí)驗(yàn)環(huán)境都適