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光速测定


高级物理实验报告

高 级 物 理 实 验 报 告
实验名称:光速测定实验 实验人员:邢赛博 周昕 武子骞 2110405022 2110405028 2110405021

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高级物理实验报告

光速测定实验
一、 实验背景:
从 16 世纪伽利略第一次尝试测量光速以来, 各个时期人们都采用最先进的 技术来测量光速。 现在, 光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单 位标准,即“米的长度等于真空中光在 1/299792458 秒的时间间隔中所传播的 距离。 ”光速也已直接用于距离测量,在国民经济建设和国防事业上大显身手, 光的速度又与天文学密切相关, 光速还是物理学中一个重要的基本常数,许多其 它常数都与它相关, 例如光谱学中的里德堡常数,电子学中真空磁导率与真空电 导率之间的关系,普朗克黑体辐公式中的第一辐射常数,第二辐射常数,质子、 中子、电子、 子等基本粒子的质量等常数都与光速 相关。正因为如此,巨大的 魅力把科学工作者牢牢地吸引到这个课题上来,几十年如一日,兢兢业业地埋头 于提高光速测量精度的事业。

二、 实验目的:
1. 掌握用示波器测量光速的原理和方法; 2. 掌握运用相关软件对数据进行处理的方法; 3. 掌握相关传感器的基本知识及用法。

三、 实验仪器:
信号发生器,示波器,小车,光传感器,平面镜,滑轨

四、 实验原理:
1、 单踪示波器法 将示波器的扫描同步方式选择在外触发同步,极性为+或-, “参考”相 位信号接至外触发同步输入端, “信号”相位信号接至 Y 轴的输入端,调节 “触发”电平,使波形稳定;调节 Y 轴增益,使有一个适合的波幅:调节 “时基” ,使在屏上只显示一个完整的波形,并尽可能地展开,如一个波形 在 x 方向展开为 10 大格,即 10 大格代表为 3600,每大格为 360,可以估 读至 0.1 大格,即 3.60。 开始测量时,记住波形某特征点的起始位置,移动棱镜小车,波形移 动,移动一大格即表示参考相位与信号相位之间的相位差变化了 360。 有些示波器无法将一个完整的波形正好调至 10 大格, 此时可以按下式 求得参考相位与信号相位的变化量,参见图 1: ?= ·360° 0

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图 1 示波器侧相位

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测量原理: 信号源发射一列光信号,在在空气中行进一段距离后,通过小车上的 平面镜进行反射,反射信号被光传感器接收,通过二通道输入示波器,在 示波器上产生另一波形。反射信号的波形和发射信号的波形显然会有一定 的相位差,此相位差对应的时间即为光在空气中行进两倍小车移动距离需 要的时间。利用公式: ? = ? 即可得到光在空气中传播的速度。

五、 实验步骤:
1. 打开信号发生器和示波器,把信号发生器的信号频率调至 3000Hz 后输 入示波器; 2. 调整示波器的灵敏度, 使信号源产生的信号在示波器上的波形尽可能展 开,并在波形上寻找一特征点,记住位置; 3. 调节光路,使通过平面镜反射回来的光斑可以射入光传感器的小孔,此 时示波器将会接收到反射回来的信号,此信号与信号源信号同频率,同 波长,同振幅,但存在相位差; 4. 将小车分别向远离信号源的方向分别移动, (移动的距离通过瓷砖的块 数和每块瓷砖的宽度估算) 从示波器上读出初始信号和反射信号对应点 之间的格数,并记录; 5. 根据示波器上调节的精度和记录的格数, 计算信号发生器发出的信号在 出射和反射的整个过程中时间 t,而小车移动的距离的两倍即为时间 t 内的光程; 6. 利用软件绘制 S-t 图线,并求出图线的斜率。

六、 实验数据记录及处理:
1. 数据记录:
S/m 格数/格 t/× 10?9s 2.4 1.6 8.0 7.2 4.8 24 12.0 8.0 40.0 16.8 11.3 56.5

2. 数据处理(见附录) 用 Data studio 软件的数据处理功能对数据进行拟合,得到 S 与 t 近似的一 次线性图像。 由 S-t 图线得,图线的斜率为 0.286,绝对误差为 0.021;
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查资料有光速:299792458m/s; 相对误差:σ = 0.021/0.2998 × 100% = 7.0% 3. 实验结果: 经测定,空气中光速为 2.86× 108 ± 0.21 × 108 m/s,相对误差 7.0%。

七、 误差分析:
1. 由于光速很快, 移动有限的距离, 产生的光程不可能产生很长的时间差, 用示波器测量这个时间差产生的相位差产生误差对最后的时间影响很 大; 2. 在实验室中,我们通过小车移动的距离产生光程。对小车移动的距离没 有进行精确测定, 只通过瓷砖的块数和每块瓷砖的宽度进行粗略的估算, 在这个过程中会产生很大的误差; 3. 实验室中各个地方的室温不一样,导致空气密度有差别,从而导致各个 地方光速有差别,从而在测定过程中也产生误差; 4. 此外,由于实验者采集数据的原因,而且对同一距离没有进行多次的测 量,会产生一定的误差。

八、 实验总结:
在本次实验中, 本组测得了比较准确的光速,虽然实验设计本身会产生很大 的误差,但最后测得的结果比较合理。 光速测量实验是所有高级物理实验中,较为简单的一个,实验原理简单,主 要注意实验过程中误差的控制, 探索性不是很强,但在实验中对光路的调节却是 一个非常复杂的过程,而且很难调好,这也是光学实验普遍存在上的难点。 通过实验,我们的动手能力,合作能力,设计并搭建实验平台的能力,误差 分析能力得到了很好的锻炼, 引起了我们做实验的兴趣,为我们以后的学习和工 作奠定了很好的基础。

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