物理实验教学中分光计调平方法和使用方法

分光计是一种常用的分光和精密测角的仪器,在利用光的反射、折射、衍射、干涉和偏振等原理进行的各项实验中用做各种角度测量。例如:利用光的反射原理测量棱镜的顶角,光的折射原理测量棱镜的最小偏向角,从而计算棱镜玻璃的折射率和色散率;和光栅配合,做光的衍射实
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  分光计是一种常用的分光和精密测角的仪器,在利用光的反射、折射、衍射、干涉和偏振等原理进行的各项实验中用做各种角度测量。例如:利用光的反射原理测量棱镜的顶角,光的折射原理测量棱镜的最小偏向角,从而计算棱镜玻璃的折射率和色散率;和光栅配合,做光的衍射实验,测量光波波长;和偏振片、波片配合,做光的偏振实验等[1-2]。它是大学物理实验中光学部分一个重要、基本的测量仪器。使学生掌握基本的分光计调平方法和它的使用方法是分光计实验教学中的重点和难点。

  在分光计实验教学中,我们经常发现即使是在学生充分预习的基础上,学生在实际操作中对分光计进行调平也具有很大的难度,耗时很长;并且,在用分光计测三棱镜折射率实验中,在测量最小偏向角时,学生很难找到折射光线。针对这些问题,我们进行了分析和研究,在多次实验和教学过程中总结出了一套行之有效的解决方法。在此,我们以浙江光学 仪 器 厂 生 产 的JJY-1型 分 光 计 为 例 进 行介绍。

  1分光计的调平过程

  众所周知,分光计的调平主要是调节分光计的三个平面的水平[2]。通常情况下,我们将调节步骤分为以下几个步骤:

  1.1调节载物台平面和望远镜光轴水平

  粗调:

pc蛋蛋   首先对载物台进行粗调,主要是对支撑载物台平面的三根螺丝进行调节[3]。为了能更方便地对三根螺丝的整体高度进行观察和对比,我们所采用的方法是:一边用手转动载物台,一边观察三根螺丝支撑平面的长度是否等长,根据实际情况进行调节。

  这样我们可以很快将三根螺丝支撑平面的长度调到大致等长。

  然后将望远镜转到适合观察的角度,观察望远镜和载物台平面是否平行,并根据实际情况对望远镜俯仰程度进行调节,使望远镜和载物台平面大致平行。

  旋转望远镜目镜手轮,使视场清晰,以看清视场内的两横一竖测量黑线为准。

  在对望远镜目镜调焦时,并不是将望远镜对准远处的物体来调焦[2],因为在望远镜里观察远处物体时有时看不清楚,而且在实验室里很难找到相对较远的物体。我们的做法是将进行细调时用的平面镜直接贴在望远镜的另一端上[4],平面镜此时是严格与望远镜光轴垂直的。根据垂直入射光线反射时的光路可知,此时反射回的十字叉丝像的水平线一定与调节用叉丝重合[2]。再对望远镜目镜进行伸缩调节,当目镜处在某个位置上时,我们会观察到反射回来的清晰的绿色十字叉丝像。这样的做法一可以对目镜进行大致调焦;二可以让学生很容易地观察到反射回的十字叉丝像,提前对它有所认识[5],并很容易理解此时的光路是怎样的;三能够理解接下来的细调是根据什么原理进行的。

  细调:

  我们仍然使用逐次逼近各调一半的方法对载物台和望远镜进行细调[6]。依据粗、细调相结合、细调中不时进行粗调的方法,要求学生必须在平面镜的两个反射面上均能看到叉丝,并再次对望远镜目镜进行严格调焦至叉丝像与测量叉丝间无视差后,再进行细调。在进行细调时,严格按照逐次逼近各调一半的方法进行,不可一味盲目的调节一个螺丝。

  当某个反射面上的叉丝在视场中看不见时,立即停止细调,重新粗调载物台水平和望远镜的俯仰程度。

  这样粗、细调结合起来后,可使学生极少犯极端的调节某个螺丝或某个面而不顾及 整 体 水 平 程 度 的错误。

  1.2望远镜光轴与准直管光轴水平

  在这个步骤中,由于望远镜光轴已经和载物台平面相互平行,不能再调节望远镜的俯仰来破坏这种相互水平,所以要求学生只可对望远镜进行左右位置调节,而不做其他调节。因此只能对准直管进行调节。

  在对准直管的结构进行讲解时,由于准直管和望远镜的结构有很多相似之处,可将望远镜和准直管并在一起,将两者进行对比,分析它们的异同,使学生更容易理解这两种部件,也使接下来的准直管调节变得更容易。

  在整个调节过程中,会多次要求学生调节反射回的十字叉丝像与测量叉丝间无视差[2],但很多学生在学完分光计之后都对这个概念没有实际印象。

  在准直管的调节部分,我们特地在这里插入这个学习环节,使学生在调焦完成和故意破坏一点的两种情况下,前后水平移动眼睛,来观察像和测量叉丝之间的距离是否有变化,进行对比观察,从而理解无视差的概念。

  由于分光计的调节方法步骤繁多,在讲解完后,学生还是无法记住并按顺序完成每个调节步骤,所以可采用讲解一段就让学生操作一段的方法进行。

  教学中还可使用分光计示教仪进行示范[5],它能将教师分光计的望远镜视场中的图像在屏幕上清晰地显示给学生观看,使学生对整个过程都能事先有个清晰的认识,而不再盲目地进行调节。

  2测三棱镜玻璃折射率时快速观察到折射光线的方法

  在利用分光计测量三棱镜玻璃折射率时,我们需要找到钠光经过三棱镜两次折射后的光线,学生在载物台上放置三棱镜时,如果不事先分析折射时的光路,就很可能在放置时让入射角偏小(如图1),使得第一次折射后的光线进入了三棱镜的毛面而无法观察到出射光线。

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pc蛋蛋   所以在放置三棱镜时,一定要强调入射光线的入射角尽可能大一些,这样才能保证能从望远镜中观察到两次折射后的折射光线[1]。由图1可看出,在相同入射角的情况下,入射部位靠近顶角时较靠近底部时更易观察到折射光线。

  在观察到折射光线后,我们再缓慢移动载物台、望远镜跟踪观察,从而确定最小偏向角的位置[1]。

  3读数问题

  在分光计的读数过程中,学生经常有两个地方容易犯错。一是在0.5度刻度线上容易将它们读成整刻度线,对此我们只有在实验中反复强调这一易错的地方,并检查学生的实验数据以判断他们是否犯了这种错误。二是在望远镜过零刻度线时的读数问题,对此,我们要求学生在前后两次的读数中要做到数据是增还是减心中有数,当第一次读数偏大(假设为350°)而且第二次读数增加时,我们认为读数是一直增加的,当第二次读数时显示为10°时,我们将读数仍然记为370°(10°+360=370°),认为读数是从350°、360°一直增加到370°的(如图2)。反之,当第一次读数偏小,而读数又一直减小时,我们将第一次的较小的数据加360°,然后再与第二次的较大的数据进行计算。通过这样讲解和在分光计上进行读数演示后,学生对分光计的测角原理和读数规则都能很好的掌握了。

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  4结束语

  在分光计的调平过程、三棱镜玻璃折射率的测量和分光计的读数过程中,我们采用了从实际教学经验中总结的方法和心得,使教学效果得到了很大的提高。

  [参考文献

  [1] 章韦芳,李大创,訾振发.大学物理实验[M].北京:人民邮电出版社,2013:127-134.

  [2] 杨述武,赵立竹,沈国土.普通物理实验(光学部分)[M].北京:高等教育出版社,2007:8-13,33-34.

  [3] 张锐波,潘克宇,刘建平.分光计调整难点原理图析[J].山西师范大学学报:(自然科学版),2005,19(1):61-63.

  [4] 王颖.分光计实验教学方法研究[J].实验室科学,2008(1):136-137.

  [5] 廖艳林,赵艳,赵青生等.一直快速调节分光计的方法[J].大学物理实验,20110,23(1):28-29,40.

  [6] 赵青生.大学物理实验[M].合肥:安徽大学出版社,2004.211-217.

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