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几种测量光速的方法


几种测量光速的方法

引言: 光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义。它不仅推动 了光学实验,也打破了光速无限的传统观念;在物理学理论研究的发展里程中, 它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据, 而且最终推动了爱因斯坦相 对论理论的发展。 摘要: 光速的测定,经过了几百年的历史,最初的光速是由惠更斯根据丹麦科 学家罗曼的理论测出的,但是很不精确。随后的科学家为了的到更精确的结果, 便发明并运用不同的方法去测定光速, 其中最先较精确的结果是法国科学家菲索 旋转齿轮法, 接着的是迈克尔逊的旋转镜和干涉仪的测法,还有生活中运用微波 炉测定光速的方法。 关键字:光速的测定 正文: 一. 惠更斯的测定的光速

丹麦青年科学家罗默。罗默生于奥尔胡斯,在哥本哈根受过教育,后来移居 巴黎。在罗默来巴黎的 30 年前,意大利天文学家卡西尼应路易十四聘请也来到 巴黎,他对木星系进行了长期系统的观察和研究。他告诉人们,木星和地球一样 也是围绕着太阳运行的行星,但它绕太阳运行的周期是 12 年。在它的周围有 12 颗卫星, 其中有 4 颗卫星特别亮, 地球上的人借助于望远镜就可以看清楚它们的 位置。由于这些卫星绕木星运行,隔一段时间就会被木星遮食一次,其中最近木 星的那颗卫星二次被木星遮食的平均时间间隔为 42 小时 28 分 16 秒。 罗默在仔 细观察和测量之后发现, 这个时间间隔在一年之内的各个时间里并不是完全相同 的,并且当木星的视角变小时,这个时间间隔要大于平均值。

1676 年 9 月,罗默向巴黎科学院宣布,原来预计 11 月 9 日上午 5 点 25 分 45 秒发生的木卫食将推迟 10 分钟。巴黎天文台的天文学家们虽然怀疑罗默的神秘 预言,但还是作了观测并证实了木卫食的推迟。11 月 22 日罗默在解释这个现象 时说,这是因为光穿越地球的轨道需要时间,最长时间可达 22 分钟。后来惠更 斯利用罗默的数据和地球轨道直径的数据,第一次计算出光速为 2×108 米/秒。

虽然这个结果很不精确,但为光速的测定迈出了一大步。 二.法国科学家菲索的旋转齿轮法 菲索为法国科学家, 他让光源发出的光从转动齿轮的间隙中通过,再通过透镜变 成平行光束, 这光束聚焦于安装在一定距离的平面镜上,被平面镜反射后再沿着 相反的方向返回齿轮,进入观察者的眼睛。

当齿轮以某一速度转动时, 观察者将看不到返回的光,这是因为光线从齿轮到达 平面镜再回到齿轮时,恰好为下一个移来的齿所遮蔽,倘若使轮的转速增加 1 倍,光点又重新被看到了,因为返回的光恰好穿过下一个齿缝。设轮的 如果光 速为 C,齿轮与平面镜间的距离为 l,那么, 进行的。齿轮的齿数是 720 个, 计算光速为 313,300 公里/秒, 可以看出结果与今天的精确值比较接近。 三. 迈克尔逊旋转镜和干涉仪测法如图 7 所示是迈克尔逊用转动八面镜法测光速 的实验示意图,图中 S 为发光点,T 是望远镜,平面镜 O 与凹面镜 B 构成了反射 系统。八面镜距反射系统的距离为 AB=L(L 可长达几十千米),且远大于 OB 以及 S 和 T 到八面镜的距离。现使八面镜转动起来,并缓慢增大其转速,当转动 频率达到 f0 并可认为是匀速转动时,恰能在望远镜中第一次看见发光点 S,由此 迈克尔逊测出光速 C。

具体的算法为,此时八面镜转过角度为

即可得出 C=16 l

f

0

以上为迈克尔逊的测定光速的原理及计算方法。 四.巧用微波炉测光速 光速的测量并不一定要用科学的仪器,其实在生活中我们可以利用身边的东西进 行测量,我们知道电磁波的传播速度等于光速,因此我们可以运用微波炉发出的 微波进行光速的测量。具体做法如下: 把旋转托盘从你的微波炉中拿出来,再把一块巧克力放在托盘上。用最大的功率 加热,直到巧克力上有两到三处出现融化——这仅仅只需 20 秒钟的时间。然后, 从微波炉中拿出巧克力,测量两个融化处之间的距离,再将此距离乘以 2,在乘 以 2,450,000,000(即 2450 兆赫兹,如果你的微波炉是标准厂家生产的,那么多 半就是这个频率)。接下来,你会惊奇地发现,算出的结果非常接近 299,792,458 ——若加上米/秒的单位,即是光速。 我们知道,微波炉每秒产生 24 亿 5 千万次的超高频率,快速震荡炉中事 物所含有的蛋白质、脂肪、水等成分的分子,使分子之间互相碰撞、挤压、摩擦, 重新排列组合。简而言之,它是靠事物内部的摩擦生热原理来烹调的。由于巧克 力棒静止不动地停留在微波炉里,微波持续地震荡相同的部位——即迅速变热并 融化的地方。而相邻两个融化点之间的距离即是波长的一半,因为微波穿过巧克 力块时是上下波动的。将两个融化点之间的距离乘以 2,即为一个完整的波长。 而微波和光波一样,它们都是以光速行驶的电磁波。在你的炉子里,它们的频率 为 2450 兆赫兹,这就意味着它们每秒钟上下跳跃的次数为 24.5 亿次。我们已经 计算出它们的波长——经历完整的一轮上升和下降的波动说走过的距离。因此我 们可以计算出这样的微波经历 24.5 亿次上升和下降说走过的长度,也就是说,它 们在一秒钟内所走过的长度。这样,我们的数据就足够了:如果你发现巧克力的 融化点之间的距离是 6 厘米,那么用 0.06*2*2.45*1,000,000,000 讲会得到

294,000,000——这个结果与物理学家们用了半个世纪测出的结果及其相似。 小结:以上为测量光速的几种方法,得出的结果的精确度不同,但总的来说都是 人类智慧的结晶以及人类对科学进行探究的见证。



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