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光速测量发展史与现在实验室光速测量方法


光速的测量
参考文献:《新编大学物理实验教程》浙江大学出版社 陈守川 杜金潮 沈剑峰 编 《近代物理实验》 科学出版社 邬鸿彦 朱明刚 主编 《文明之源——物理学》上海科学与技术出版社 吴翔 沈葹 陆徧征 羊亚平 吴於人 编 网络资源:西安交通大学物理实验精品课程 百度知道

指导老师: PPT整理: 2010 年 6 月

一、光及光速测量的发展史
? 古代中国对于光的认识

? 西方人对于光的认识
? 光速测量的发展史

古代中国
“景,光之人煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足敝下光, 故景障内也。” ——《墨经》(光的直线传播) “阳艘向日照之.则 光聚向内,离镜一二寸,光聚为一点,大如 麻 寂,着物则火发;阳健面洼,以一指迫而照 之则正,渐远则 无所见,过此遂倒。” ——《梦溪笔谈》(小孔成像)

西方历史中对光的认识
崐神说,要有光,就有了光。 ——《圣经》 光是由发光体向四面八方射出的一种东西,这种东西碰到障碍物上就 立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛,就叫人感觉到看见使它最后 被弹开的那个东西。 —— 毕达哥拉斯

光在近代物理学发展过程中的认识
光的颗粒说。 光的波动说。 光是电磁波。 粒子说。 —— 牛顿(1643-1727) ——胡克(1635-1703) ——赫 兹(1857-1894) ——爱因斯坦(1879-1955)

究竟光是什么?

现代科学的认为:光是一种人类眼睛可以见的电磁波 (可见光谱)。在科学上的定义,光有时候是指所有 的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。 具有粒子性与波动性,或称为波粒二象性。光可以在 真空、空气、水等透明的物质中传播。

光速测量的方法
一、伽利略首先提出了光速的测量,但失败了。(1607) 二、天文测定光速 1.罗默的卫星蚀法(1676) 2.布莱德雷的光行差法(1728) 点评:由于当时天文仪器并无现在先进,且凭肉眼观察误差较大,所以测 得的值都不精确 三、大地测定光速(以光行过的路程和时间得出速度c=s/t) 1.斐索旋转齿轮法( 1849) 2.惠更斯旋转镜法( 1834) 3.迈克尔逊旋转棱镜法( 1926) 点评:想要得到越精确的值,就要尽量增大s和t,故实际操作繁琐和精确 度不大是必然的。 四、实验室测光速法(c= λ ?) 1.埃森微波谐振腔法(1950) 2.激光法测光速 点评:是目前最普遍也是最准确测量光速的方法,也是本实验的思想方法。

二、拍光法测光速
? ? ? ? ? 学习目标 实验原理及装置 实验步骤 实验难点及技巧 实验误差分析

7

学习目标:
1、进一步理解光拍频的概念、掌握光拍频法测量光速的 技术, 了解声光调制器的应用; 2、体会到光速也是一个有限值,并了解光年是一个空间 量; 3、进一步学习光路的调整和熟练示波器的使用。

实验原理及装置

本实验装置原理图

实验装置:一、光速测定仪(激光器、光程差台、示波器) 二、钢尺

实验光路图

实验步骤

(1)调节激光器工作电流在5mA左右 (2)细心调节超声波频率,调节激光束,通过声光介质并与驻声场充分互相作用 (可通过调节频移器底座上的螺丝完成)使之产生二级以上明显的衍射光斑。 (3)用光阑选取所需的(零级或一级)光束,调节斩光拍附近两个反光镜,使光 能按预定要求的光路进行。 (4)移动斩光片,使进程光和远程光都能进入接收器,并在示波器上形成清晰地 波形。 (5)接通斩光器电源开关,示波器上将显示相位不同的两列正弦波形。

(6)移动滑动平台,改变两光束的光程差,使两列光拍信号相同,此时的 光程差△ λ。 (7)精确测量两光束的光程,求出它们的光程差,从频率计测出超声波的 频率。 (8)提高实验精度,防止假相移的产生。 为了提高实验的精度,除准确测量超声波频率和光程差外,还要注意对二 束光位相得精确比较。如果实验中调试不当。可能会产生虚假的相移,结果 影响实验的精度。 检查是否产生虚假相移的办法是分别遮挡远、近程光,观察两路光束在光 敏面上反射的光是否经透镜后都成像于光抽上。

实验难点及技巧
难点分析: (1)调节光路是本实验的最难点。首先要保证近远程光都能准确无误 的抵达接收器。这就需要我们耐心细致的对每一个反光镜进行调节。 然当近远程光抵达接收器后,示波器的屏幕上并没有显示波形或者显 示的波形并不清楚,这时就需要再次调节光路,尤其是第一面和最后 一面反光镜。 (2)光程差的测量也是本实验的一个难点。由于装置上的零部件比较 密集,而测量工具用的是量程为1米的钢尺,所以很多数据都需要由两 根钢尺拼接进行测量。并且,光路的实际反射点的准确测量是产生误 差主要原因之一。

实验技巧分析: (1)调节各个透镜的螺旋时,应该轻缓。因为透镜上螺旋的细小变化对光路 的变化都影响很大。 (2)若在调节近程光时,就发现示波器上没有显示波形或者显示的波形并不 清楚时,则需观察接收盒所接受的光源是否汇聚于一点,若不是,则需再次 调节靠近斩光片附近的反光镜(主要)和调节接受器上的焦距,直至光线汇 聚成一点为止。 (3)在进行光路调节时,由于在灯光下操作实验,故光源在反光镜上显示并 不清楚,所以可以用加透明塑料片的方法来明确光点的位置。 (4)在用钢尺进行拍光法测量光程差时,分清光的实际距离是关键,因此起 始和末端若为了防止损坏仪器,都应该提高相同的距离,且多次测量。

实验误差分析
△数据记录与处理

已知光速:2.998×10? m/s
n 1 2

高频信号发生器输出频率 14.9MHz
3 4 5

△L(m)
?(Hz) C=λ? (m/s)

10.14
2.98x10? 3.022x10?
8

10.24
2.98x10? 3.052x10?

10.13
2.98x10? 3.019x10?

10.07
2.98x10? 3.000x10?

10.09
2.98x10? 3.007x10?

c ? 3 . 02 ? 10 m / s
E ? c测 ? c标 c标 ? 100 % ? 0 . 7 %



? L ? 10 . 134 m

钢尺的仪器误差:

? 0 .5 mm

S ?L ?

?
2

( xi ? X ) n ?1

2

? 0 . 066 m

u ?L ?

S ?(

?仪 3

) ? 0 . 066 m
2

? L ? L ? 2 u ? (10 . 13 ? 0 . 07 ) m
C ? ( 3 . 02 ? 0 . 03 ) ? 10 m / s
8

△误差分析 (1)由于计算时数值的近似取值而产生的理论误差与方法误差; (2)仪器误差,光速测定仪本身存在的仪器误差; (3)由于远程光在空气中经过多次反射,能量消耗,且光路调整并非完全精 确,致使在示波器上显示的波形图较为模糊,所以在移动滑动平台时不能准确 判定两列波的重合位置; (4)因为其理论值是在真空环境中所得,而实验室为标准大气压下所测得的 值,其速度应小于理论值,但反观测量值却大于理论值,究其原因可能是实验 中的人为误差所造成的; (5)钢尺的量程只有1米,所以在测量光程差时,两根钢尺在衔接上会有疏忽, 造成测量的误差。

三、实验心得
? 拍光法测光速实验的实际意义

? 拍光法测光速的思想以及延伸

拍光法测光速实验的实际意义
利用拍光法测光速,很好的解决了实验室测量光速值的困 难。让我们学生了解了其光速同样也是一个有限的值,并 可以通过自己动手进行测量。虽然我们并不能够完全掌握 其原理部分的推导和技巧,但光拍法测量光速的大致思想 是我们值得学习和借鉴的。尤其是在实验的光路调节中, 很好的锻炼了我们每个学生的耐心和细心。同时,在光程 差的测量中,也锻炼了相互同学之间的协作意识。

光拍法测光速的思想以及延伸
△实验思想的启迪

化烦为易,化整体为部分,使一些看似不可能的事情成为可能。从光 拍法测光速这个实验中,令我想到了曹冲称象的故事。由于光速的频 率高达10??,目前的仪器设备无法达到如此高的测量水平。故人们想 到了在不破坏其原有频率的情况下,用“拍”的方法使其降到可以测 量的水平值。在日常的学习,当我们碰到一些无法用直接或者说现成 的方法解决时,应该试图寻找新的途径。在生活中,这种思想的理解 和运用尤为显得突出。

谢 谢!


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