当前，原子光谱实验中常用的方法是用光栅或棱镜把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录，一般用光谱仪得到光谱照片。现有光谱仪主要倾向于研究型，很少有教学型，它们不仅价格昂贵，而且存在操作不便、观察不便等缺点。除此之外，现有光谱仪的主要功能大都应用于测量谱线的具体波长数值，但在高中课堂教学中，重要的是看到清晰的光谱，不需要具体测出每条谱线的波长，因此，传统的光谱仪并不适合用于高中课堂教学
［1］。针对这个问题，诸多教师进行了光谱观察仪的小型化研究，并制作用于教学
［2-4］。还有学者结合现代数字化技术，自制教具应用于高中物理教学
［5］。在此背景下，作者基于小型化高压发生器以及光栅成像原理，对光谱管架结构进行改进，设计了一种小型化的便携式原子光谱实验演示仪。实验演示时可以通过观察孔直接观察光谱谱线，也可以在安装摄像头后于一体化教学计算机上显示，供学生同时观察实验现象。
1 光谱基本概念
由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定其化学组成，这种方法叫作光谱分析。高中光谱实验一般利用光谱管组展示氢气、氮气、氩气、氦气、氖气、汞蒸气的放电现象。高中物理首先从较为简单的氢原子光谱展开学习，知道氢原子在可见光区域的４条谱线，会运用巴尔末公式计算光谱线的波长，会用玻尔理论解释氢原子光谱的实验规律是对高中学生的基本要求。用氢灯作为光源，可以观察到氢原子在可见光区域中的４条谱线，谱线中强度较强的为红光和绿光，但两条紫光较难观察到，需要实验者仔细调节分光才能看到。
2 原子光谱教学演示器材的局限性
在高中物理教学中，由于现有教材所采用的实验装置结构复杂，调试难度大，学生很难实现原子光谱的实验探究，从而缺乏对原子光谱的感性认识。当前常规实验器材利用蓄电池或交流电作为电源，采用感应线圈进行电压放大，接入光谱管两极后光谱管在通电情况下内部气体分子被电离而发光，而后通过光栅或棱镜，便可观察到发光玻璃管内原子的特征谱线。如果要通过实验较清楚地看到原子光谱还面临诸多问题。
2.1 高压带来安全隐患
观察原子光谱的先决条件是使稀有气体发光，而稀有气体通过电离发光则需要万伏以上的高压。教材中利用感应线圈来获得高压，连接感应线圈高压的电线暴露在实验环境中，在中学课堂这样的实验环境中交给学生进行实验操作显然不够安全。
2.2 环境光影响观察效果
在点亮光谱管的前提条件下，要看到清晰的光谱应避免环境光对观察效果的影响。应在暗室中通过光栅或棱镜进行观察，在观察过程中保证只有被观察光源光线透过光栅或棱镜，尽量减少自然光的影响才能观察清楚。即使关掉教室灯光并拉上窗帘，室内光线强度还是足以影响实验开展，难以获得较好的观察效果。
2.3 不便于携带及操作
若采用教材上的实验器材在课堂进行实验，需要教师在课前搬运实验器材，同时需要进行大量的实验准备工作。搬运实验演示器材时需要先拆除连接的线缆，设备到位后再重新连接，还需要将实验器材放置在距离电源插座较近的地方，所受限制较多。而光谱这一节的实验教学，需要用更短的时间让学生看到物理现象，这样才能达到更好的实验效果。
2.4 面向课堂教学演示效率低
原实验器材对于教学紧张的中学课堂而言并不理想。光栅或棱镜与光谱管的位置远近、角度大小对要观察谱线的清晰度有决定作用，实验中光栅或棱镜没有固定位置，由观察者手持进行调整，每次在更换观察者后需要重新调整光栅或棱镜与光谱管的位置及角度，调整的效果因观察者而异。如果是教师做演示实验，学生则需要排队一接一个来观察，让所有学生看清楚实验结果需要很长时间，课堂教学演示效率低。
3 原子光谱实验演示仪的初步设计
3.1 高压发生器部分设计
在设计原子光谱实验演示仪时，首要考虑的是如何获得足够点亮稀有气体的高电压。笔者最先想到采用感应线圈来获得高压，同时思考将感应线圈和玻璃管组一体化设计，装在一个封闭的木盒里，实验时通过旋钮开关控制6根光谱管中的1根发光，获得高压的同时又可以利用木盒将高压和操作者分隔，保证操作者的安全。经多番尝试，发现要缩小教材中的实验器材较难实现，感应线圈和6根光谱管安装在一起后盒子体积过大，反而不便于实验。此后还尝试了很多其他能够获得高压的方法，但效果都不理想，最终，在网上查阅大量资料后发现了一种型号为MC-901的脉冲直流型高压发生器是理想选择。
该高压发生器理论上可以将3.7 V电压升压至80万伏左右，在实际组装后，即使利用3.7 V的可充电锂电池也完全可以将光谱管点亮。该高压发生器体积小、功率大，内部不易散热，需要注意的是不可连续长时间工作，工作时采用间歇性放电方式，将单次放电时间控制在5 s以内。该高压发生器可采用18650锂电池供电。
3.2 光谱分光设计
经查阅大量资料，比较光栅与棱镜的优势，发现采用光栅作为光谱观察的分光设备更为有利。光栅通过光的衍射实现分光，棱镜则通过光的折射原理分光，棱镜分光后光谱是非均匀光谱，光栅分光色散率大，分辨率高，色散率不随波长变化，所以光栅分光后光谱为均匀光谱。在精度方面，光栅通常比棱镜更精确。因此光谱实验演示仪采用透光衍射光栅片替代棱镜。考虑性价比，最终选用塑料材质的透光衍射光栅，尺寸为35 mm×23 mm，光栅线数600，光栅片实物如
图1所示。
3.3 光栅光路可调节设计
为了避免光在光谱实验仪盒体内反射、散射对光栅分光效果产生干扰，光谱管组和光栅之间采用只开了一个狭缝的板隔开。该狭缝的作用是保证少量的光线进入光栅，光栅分光后产生多级衍射光谱。经光栅分光后的光谱需要观察者调整观察位置后才能有效观测，为便于观察，光谱实验仪设计固定观察孔，采用方便调节的万向节进行光栅位置和角度的调节，万向节安装透光光栅后效果如
图2所示。
3.4 光谱管架结构改进设计
经过多次研究后，将光谱管架结构设计为圆柱形，利用Soildworks软件对光谱管架建立3D结构模型，将6根光谱管对称安装在直径为8 cm的圆柱形架内，光谱管架结构体积减小（高25 cm，半径4 cm）。为减小光线漫反射，圆柱形支架采用黑色亚克力材料，光谱管之间用黑色亚克力挡板隔开。光谱管组可以借助中心轴旋转，通过旋转光谱管组，发光的光谱管完全能对准光栅，同时解决了原光谱管组体积大、光谱管无法移动的问题，利用Soildworks软件建立的光谱管架3D模型如
图3所示。
3.5 光谱实验演示仪功能集成
高压发生器不仅解决了高压问题，同时由于其体积小的特点，便于将教具一体化集成。为避免环境灯光的干扰，将锂电池、微型高压发生器、光谱管、旋钮开关和导线等在盒内空间进行布局并设计定制盒体，将器件连接好后固定在盒内。将光谱实验演示仪分为2个腔体，一个为光谱管组安装腔体，另一个为光栅分光观察腔体。将高压发生器、电池及电池盒安装在盒体内壁，通过旋钮及盒体外面的电源开关控制，使得只要一根光谱管通电发光。对准狭缝的光谱管处于导通状态，而其他光谱管处于非导通状态。选择好光谱管以后按下盒体外面的电源开关，光谱管发光。光线到达光栅分光观察腔体安装的光栅以后，适当调整光栅位置，使得一级衍射光正好对准观察孔位置，通过衍射将不同波长的光分开。实验演示仪集成结构如
图4所示。
考虑到电池更换、光栅位置调整等操作的便利性，实验仪外壳采用六面体螺帽固定的方式安装而成，可以很方便地对任何一面拆装而不对其他几面造成影响。集成后的光谱实验演示仪外观如
图5所示，其最大面面积小于高中物理教材面积，便于携带。
（2） 提升实验教具的集成性和一体化。曾有心理学专家分析，学生对于实验教学的兴趣和关注度与课堂等待时间是成反比的，也就是说，如果一个实验要看到实验现象或结果所需要的时间越久，则实验教学的效果则越差。如果教具结构复杂且使用时需要长时间的调试或等待才能看到实验现象，那么实验教学的效果一定会大打折扣。该演示仪的设计减少了实验装置组装和调试的过程，为实验教学大大节约了时间，学生拿到仪器便可以简单、快速地看到实验现象，非常直观。因此，在开发和改进教具时，可以尽量将结构较为复杂或组装较为烦琐的教具进行一体化设计，以方便学生学习和使用。
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