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三光速的测量


光速的测定
(高中物理第三册P.4-5)

1607年伽利略最早作了测定光速的尝试。

思考题
1、略述光速测定的演变过程。
2、

(高中第三册P.4)

到19世纪初,托马斯· 杨在研究干涉现象时指出,光 在密度大的介质中的速度应比它在密度小的介质中的速度 小.这与主张微粒说的看法正好相反. 如果能确定光在密度不同的介质中的速度,并与真空 中的光速相比,就能确定波动说和微粒说中哪个是正确

的.因此光速成的测量和确定不只是一个物理常数了,而
成为关于光的本质争论中一个具有“判决意义”的实验研 究.

17世纪,伽利略在《两门新科学》中提出
了最早的测量光速的设计:在一个夜晚,伽利略

和他的助手分别站在相距约4500米的两个山头上,
各自手上提一盏带有遮光板的灯,当一人打开自

己的灯光时,另一人看到时立即挪开遮光板.伽
利略设想只要测出从他打开灯到他看见助手的灯 光所经历的时间,再测出两个山头的距离,不就 可以求出光速了吗?“结果我未能确定地弄清楚 对方传来的光是不是即时返回”.

从原理上讲,伽利略实验采用类似测量声速

的方法v=2s/t来测量光速 是对的.伽利略实验的
失败,说明光速如果是有限的,它必定是十分巨

大的,为此必须测出极短时间间隔,或在很长很
长的距离上进行测量.

一、天文上的测量
丹麦天文学家罗默(Olaf Romer,1644-1710)第一个

用天文的实验方法证明了光以有限的速度传播.
由于行星的有规律的运动,卫星蚀也是周期性发生 的.例如,离木星最近的一颗卫星-----木卫1的卫星蚀周 期约为1.76昼夜. 但在长期的天文观测中,罗默注意到,一年之中, 当地球在自己的轨道上朝向木星运动时,木卫蚀的时刻 就逐渐提早;而背离木星运动时,木卫蚀的时刻就逐渐

推迟.

如图,若地球在E1和木星在J1看到一次木卫蚀,当地球在
作自E1向E2运动时,地球与木星的距离在逐渐增大,自木星来 的任一信号都必须比前一信号多走一些距离才到达地球.罗默 观察到,由E1到E2的三个月时间里,所有相邻蚀的时间延迟的 总和约为10分钟.当地球继续由E3经过E4而向E5运动时,地球 与木星的距离在逐渐减小,自木星来的任一信号都比前一信号 少走一些距离.
罗 默 测 光 速 的 原 理 图

罗默认为这种现象是由于光具有速度造成的,进而 推断光速是有限的.罗默从他的测量推断出,光走过与 地球轨道半径等长的距离所需的时间约为11分钟(现代 值为8分钟). 据此,1676年9月,罗默成功地预计了11月9日发生的 木卫蚀要推迟10分钟.巴黎天文台的科学家们怀着将信

将疑的态度,观测并最终证实了罗默的预言.
罗默的理论没有马上被法国科学院接受,但得到了著 名科学家惠更斯的赞同.惠更斯根据罗默的数据和地球 轨道直径(近似值)的数据,计算出科学史上第一个光 速值为227 000千米/秒.

虽然这个数值与目前测得的最精确的数据相 差甚远,但它启发了惠更斯对波动说的研究;更 重要的是这个结果的错误不在于方法的错误,只 是源于罗默对光跨越地球的时间的错误推测,现 代用罗默的方法经过各种校正后得出的结果是 298000千米/秒,很接近于现代实验室所测定的 精确数值.

1728年英国天文学家布拉德雷(James
Bradley,1693-1762)发现在一年中,恒星会发生

一个极小的椭圆形位移.开始,他无法解释这一
现象.

据说,布拉德雷在泰晤士河上航行时,偶然
发现一种现象,当船转弯时,桅杆上的风向标会

改变方向.这使得他联想到观测到的现象,这种
椭圆运动与此很像,他叫做“光行差”现象.

光速并非无限,地球也有一定的速度,光行差就是两种 速度叠加的结果. 布拉德雷对此写道:“假想CA是一 条光线,垂直地落到直线BD上,如果研 究(指观察者)静止于A点,那么不管 光的传播需要时间还是只需瞬间,物体 必然出现在AC方向上.但是,如果眼睛

(观察者)从B向A运动,而光的传播又
需要时间,而光的传播速度与眼睛(观 察者)的速度之比等于CA与BA之比,

则当眼睛(观察者)从B运动到A时,光
从C传播到A……”

光行差原理图

布拉德雷用地球公转的速度与光速的比估算 出了太阳光到达地球需要8分13秒.这个数值较罗 默法测定的要精确一些.布拉德雷测定值证明了

罗默有关光速有限性的说法.
应用光行差法测得光速为301 000千米/秒.天

文学家测量光速的成功,也极大地鼓舞了物理学
家去发明实验室测光速的方法.

二、菲索与傅科的测量

1849年,菲索(Armand Hippolyte Louis Fizeau,
1819-1896)首先在地面上测得光速值,其值为315

300千米/秒.他的装置及原理如下 :

原理大致是:在透镜与光源之间放一个齿轮,在透镜的另
一测较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜,平面镜位于第 二个透镜的焦点处.光源发出的光经半镀银膜镜m反射后,经

第一个透镜的焦点射向齿轮和透镜后变成平行光,平行光经过
第二个透镜后又在平面镜上聚于一点,在平面镜上反射后按原 路返回.当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光.由齿轮 的转速,可计算从开始到返回的光第一次消失的时间,也就是 光往返一次所用的时间,从而计算出光速值.

为了延长光行的时间,菲索的旋轮装置放在一
个山顶,反射镜M放在另一个山顶,二者相距8633米,

光程超过17千米.菲索测得的光速是315000千米/
秒.由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确的 测出光速.

1850年,法国科学家傅科(Jean
Bernard Leon Foucault,1819-1868)利用旋转

镜比较水中和空气中的光速.他的装置及原
理如图:

原理大致是:光线经旋转镜m反射到M和M,,T管中
装有水.一束光经空气返回,一束光经水返回. 结果证明,光线通过水所用时间大于通过空气所用时间, 即光速在水中变慢,这与托马斯· 杨的预见相符合.

傅 科 比 较 光 速 的 实 验

1862年,傅科改进了装置,用于直接
测量光在空气中的行进速度.其装置及原

理如下:

原理:光从S发出,穿过半镀银膜M1和会聚透镜L,到达
旋转镜M2,经反射到凹面镜M3,再沿原路返回.被M1再反射 并成像S ;如果旋转镜M2作高速旋转,则光线由M3返回到M2 时,M2在这一段时间内有稍许偏转,由此引起的像S”产生一 个位置差△S,借此可以算出光速值.
,

傅科用五架庞大的凹面镜,以延长光路,

即使如此光程也只有20米,旋转镜转速为
400米/秒,因此产生的位移只有0.7毫米, 由此测出的光速值为298 000千米/秒.

三、迈克耳逊的测量
美国实验物理学家迈克耳逊(AlbertAbraham
Michelson,1852-1931)的一生几乎都花在测量光速

上了, 他不断改进测量方法, 以提高测量精确
度.他的精确测量为狭义相对论的建立打下实验 基础. 迈克耳逊由于在光学精密测量和光谱学上的 研究,获得了1907年的诺贝尔物理奖,成为美国

历史上第一个获此殊荣的科学家.

旋转棱镜法:迈克耳逊选择了两个山峰,测出两山峰间的

距离,在第一个山峰上安装一个强光源S和一个正八面棱镜A
(见下图)光源S发出的光,经过狭缝射到八面镜A的面1上,反 射后射到放置在另一个山峰上的凹镜B上,又反射到平面镜M上, 经过M反射后,再由B反射回第一个山峰.如果八面镜静止不动, 反射回来的光就射到八面镜的另一个面3上,经面3反射后,通

过望远镜C进入观察者的眼中,看到光源S的像.

如果使八面镜转动,那么光反射回来时,八面镜的面3 已经偏离了原来的取向,经面3反射后的光不再进入望远

镜中,观察者就观察不到光源S的像了.适当调节八面镜
的转速,使反射回来的光到达八面镜时,八面镜恰好转过,

面2正好转到面3原来的位置,经面2反射后的光进入望远
镜中,就可以重新看到S的像.根据八面镜转过1/8转所用 的时间和两山峰间的距离.就可以算出光在空气里的速 度.迈克耳逊经过校正,得出光在真空中的传播速度 (299796±4)km/s.

1878年开始实验时测得的光速值为300
140千米/秒;1882年,他测得的光速值为

(2.99860±0.00030)×108米/秒.这个值被
作为国际标准沿用了40年之久.

四、微波谐振腔法
1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来

确定光速.在他的实验中,将微波输入到圆柱形的谐振
腔中,当微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时,谐振腔 的圆周长πD和波长之比有如下的关系:πD=2.404825λ, 因此可以通过谐振腔直径的测定来确定波长,而直径则 用干涉法测量;频率用逐级差频法测定.测量精度




在埃森的实验中,所用微波的波长为10厘米,所得

光速的结果: (299792.5±1)km/s.

五.激光测光速法
1790年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运 用激光测定光速.这个方法的原理是同时测定激光的波长 和频率来确定光速(c=νλ).由于激光的频率和波长的测

量精确度已大大提高,所以用激光测速法的测量精度可
达 10 ? 9 ,比以前已有的最精密的实验方法提高精度约100 倍.

总之,光速测量实验已经历了300多年的历史.从
1676年丹麦天文学罗默在观察木星的卫星食中,指出光 速是有限的以来,许多科学家采用不同手段对光速进行 了测量.

当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求 得的. 1958年,弗鲁姆求出光速的精确值: C=299792.5±0.1Km/s.

1972年,埃文森测得了真空中光速的数值:
C=299792457.4±0.1m/s. 1974年英国国家物理实验室用二氧化碳激光器来

测定得到光速值为299792.4588千米/秒.

光速是有限还是无限,到17世纪还有争议,笛卡尔认为
是无限的,伽利略认为是有限的. 17世纪初,伽利略用类似测量声速的方法来测量光速, 伽利略让两个人各提一盏有遮光板的灯,并分别站在相距 约为1.6千米的地方,令第一个人先打开他的灯,同时开始

计时;第二个人见到第一个人的灯亮时,立刻打开自己的
灯;当第一个人看见第二个人的灯亮时,停止计时,这样 测出光从第一个人到第二个人再返回所用的时间,再测出

两地的距离,就可以计算出光的速度.

从原理上讲,伽利略实验采用v=2s/t 的方法是对的,

但是实验失败了.这是因为光速太大,1/7秒能绕
地球一周多,靠当时的条件在地球上用通常测量声

速的方法测量光速是难以实现的.在伽利略去世后
约30年,丹麦天文学家罗默在观察木星的卫星食中, 于1676年他指出光速是有限的.

光速测定的方法很多,有光速测定的天文学方法

(罗默的卫星蚀法、布莱德雷的光行差法等 ) ;光速
测定的大地测量方法(伽利略测定光速的方法、旋转

齿轮法、转棱镜法等) 和光速测定的实验室方法(微
波谐振腔法、激光测速法等) . 在这里主要介绍光速测定的大地测量方法(伽利 略测定光速的方法和转棱镜法 ) 、光速测定的实验 室方法(微波谐振腔法、激光测光速法) .

一、光速测定的大地测量方法 1 伽利略测定光速的方法

在物理学发展史上,最早提出测量光速的是意大
利物理学家伽利略.1607年在他的实验中,让相距甚

远的两个观察者,各执一盏能遮闭的灯,观察者A打
开灯光,经过一定时间后,光到达观察者B,B立即 打开自己的灯光,过了某一时间后,此信号回到A, 于是A可以记下从他自己开灯的一瞬间,到信号从B 返回到A的一瞬间所经过的时间间隔t.若两观察者的

距离为S,则光的速度为 c=2 S /t .

因为光速很大,加之观察者还要有一定的反

应时间,所以伽利略的尝试没有成功.如果用反
射镜来代替B,那么情况有所改善,这样就可以避 免观察者所引入的误差. 这种测量原理长远地保留在后来的一切测定 光速的实验方法之中.甚至在现代测定光速的实

验中仍然采用.但在信号接收上和时间测量上,
要采用可靠的方法.使用这些方法甚至能在不太

长的距离上测定光速,并达到足够高的精确度.

2、转棱镜法
下面简略地介绍美国物理学家迈克耳逊(1852~1931)

的旋转棱镜法.迈克耳逊选择了两个山峰,测出两山峰间
的距离,在第一个山峰上安装一个强光源S和一个正八面棱 镜A(见上图)光源S发出的光,经过狭缝射到八面镜A的面 1上,反射后射到放置在另一个山峰上的凹镜B上,又反射 到平面镜M上,经过M反射后,再由B反射回第一个山 峰.如果八面镜静止不动,反射回来的光就射到八面镜的 另一个面3上,经面3反射后,通过望远镜C进入观察者的眼 中,看到光源S的像.

如果使八面镜转动,那么光反射回来时,八面镜的面3 已经偏离了原来的取向,经面3反射后的光不再进入望远镜

中,观察者就观察不到光源S的像了.适当调节八面镜的转
速,使反射回来的光到达八面镜时,八面镜恰好转过,面2 正好转到面3原来的位置,经面2反射后的光进入望远镜中,

就可以重新看到S的像.根据八面镜转过1/8转所用的时间和
两山峰间的距离.就可以算出光在空气里的速度.迈克耳逊 经过校正,得出光在真空中的传播速度: c=(299796±4)km/s

二、光速测定的实验室方法(高中课本有)
光速测定的天文学方法和大地测量方法,都是采用测定 光信号的传播距离和传播时间来确定光速的.这就要求要尽 可能地增加光程,改进时间测量的准确性.这在实验室里一

般是受时空限制的,而只能在大地野外进行,如斐索的旋轮
齿轮法当时是在巴黎的苏冷与达蒙玛特勒相距8633米的两地 进行的.傅科的旋转镜法当时也是在野外,迈克耳逊当时是

在相距35373.21米的两个山峰上完成的.现代科学技术的发展,
使人们可以使用更小更精确地实验仪器在实验室中进行光速 的测量.

1.微波谐振腔法
1950年埃森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定

光速.在他的实验中,将微波输入到圆柱形的谐振腔中,当
微波波长和谐振腔的几何尺寸匹配时,谐振腔的圆周长πD和 波长之比有如下的关系:πD=2.404825λ,因此可以通过谐振 腔直径的测定来确定波长,而直径则用干涉法测量;频率用 逐级差频法测定.测量精度达 的结果: 299792.5±1km/s. . 在埃森的实验中,所用微波的波长为10厘米,所得光速

2. 激光测光速法(大学课本)
1790年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激

光测定光速.这个方法的原理是同时测定激光的波长和频率来
确定光速(c=νλ).由于激光的频率和波长的测量精确度已大 大提高,所以用激光测速法的测量精度可达
?9 10 ,比以前已

有的最精密的实验方法提高精度约100倍.
总之,光速测量实验已经历了300多年的历史.从1676年 丹麦天文学罗默在观察木星的卫星食中,指出光速是有限的以 来,许多科学家采用不同手段对光速进行了测量:包括荷兰物 理学家惠更斯、英国天文学家布拉德雷等;法国人菲索采用旋 转齿轮法,法国物理学家傅科则利用旋转镜法测空气中的光 速.

1874年考尔纽也对光速进行了测量.最有名的是
迈克尔逊,他以光速测量为终生目标,自己设计

了?.
1879年,他测得光速为299910±5Km/s; 1882年,他测得光速299853±6Km/s; 这个结果被公认为国际标准并沿用了40年.他因 此在1907年获得诺贝尔物理学奖.

但人类对光速的测量并未结束,1928年,卡洛拉斯和米

太斯塔德首次提出用可尔盒法测定光速,直到1951年贝奇
斯传德用这种方法测出光速为:299793Km/s. 由于光波是电磁波,所以艾森提出了用空腔共振法来测 量光速.其原理是:微波通过空腔时,当它的频率为某一 值时发生共振.根据空腔的长度可以求出共振腔的波长,

再将共振腔的波长换算成光在真空中的波长,由波长和频
率(c=νλ),可计算出光速.

当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得

的.
1958年,弗鲁姆求出光速的精确值: c=299792.5±0.1Km/s.

1972年,埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值:
C=299792457.4±0.1m/s. 除了以上介绍的几种测量光速外,根据1975年第十五 届国际计量大会的决议,现代真空中光速的最可靠值是: c=299792.458±0.001km/s.

1907年诺贝尔物理学奖授 予美国芝加哥大学的迈克尔逊 (Albert Abraham Michelson, 1852—1931),以表彰他对光 学精密仪器及用之于光谱学与 计量学研究所作的贡献.迈克 尔逊是著名的实验物理学 家.他以精密测量光的速度和 以空前的精确度进行以太漂移 实验而闻名于世.他发明的以 他的名字命名的干涉仪至今还 有广泛应用.

迈克尔逊
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