试验30光速测定.PDFVIP

实验30 光速测定 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,普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数,第二辐射常数,质 子、中子、电子、μ子等 本粒子的质量等常数都与光速C 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。 【实验目的】 1．了解调制光法测量光速的原理。 2 ．学习使用示波器测量同频正弦信号位相差的方法。 3 ．测量光在空气中的速度。 【实验原理】 1、利用波长和频率测速度 物理学告诉我们，任何波的波长是一个周期内波传播的距离。波的频率是1 秒种内发生 了多 次周期振动，用波长乘频率得1 秒钟内波传播的距离，即波速 c l f (1) λ 图6.14 中，第 1 列波在 1 秒内经历3 个周 波1 期，第2 列波在1 秒内经历1 个周期，在1 秒内 二列传播相同距离，所以波速相同，仅仅第2 列 波的波长是第1 列的3 倍。 波2 利用这种方法，很容易测得声波的传播速 度。但直接用来测量光波的传播速度，还存在很 λ t1 t0 多技术上的困难，主要是光的频率高达 图 6.14 两列不同的波 1014 HZ ，目前的光电接收器中无法响应频率如 8 此高的光强变化，迄今仅能响应频率在10 HZ 左右的光强变化并产生相应的光电流。 2、利用调制波波长和频率测速度 如果直接测量河中水流的速度有困难，可以采用一种方法，周期性地向河中投放小木 块(f ) ，再设法测量出相邻两小木块间的距离(l) ，侧依据公式 （1）即可算出水流的速度 来。 周期性地向河中投放小木块，为的是在水流上作一特殊标记。我们也可以在光波上一 些特殊标记，称作 “调制”。调制波的频率可以比光波的频率低很多，就可以用常规器件未 - 191 - 接收。与木块的移动速度就是水流流动的速度一样，调制波的传播速度就是光波传播的速度。 调制波的频率可以用频率计精确的测定，所以测量光速就转化为如何测量调制波的波长，然 后利用公式 （1）即可算得光传播的速度了。 3、位相法测定调制波的波长 波长为0.65mm 的载波,其强度受频率为f 的正弦型调制波的调制,表达式为 x I I 0 [1 m cos 2pf (t )] c x 式中m 为调制度，cos 2pf (t ) 表示光在测线上传播的过程中,其强度的变化犹如一 c 个频率为f 的正