光速测量发展史及其 实验方法

分类
间接方法不是直接测光信号，而 是借助于含c的公式测量相应的物 理量来测算c。它的种类繁多，大 体可分为四类：1天文方法（光行 差法）2单位比值法 3电磁波法 4带 光谱法。
直接法
03光速测量方法
实验原理 光拍法 测量方法
问题分析
方案改进
03光速测量方法 实验原理
利用光拍法进行测定光速实验的光路原理如图1所示.超高频功率信号源输出 频率f为15MHz左右的正弦信号，输入到声光频移器的晶体换能器上，在声光 介质中产生驻波超声场。He-Ne激光器输出波长为632.8nm的激光束，通过该 介质后发生衍射，衍射光中含有频率为2f的拍频光.衍射光经过半反镜1分光 后分成两路，一路（远程光）依次经过平而镜的多次反射后透过半反镜2，另 一路（近程光）直接由半反镜1到达半反镜2，两路汇合后，入射到光电二极 管中。光电二极管把光信号转化为电信号，经过滤波放大电路得到频率为2f 的拍频电信号，将该信号与本振信号混频、选放，得到中频信号输入至示波 器的Y输入端，同时将本振信号经二分频后与来自超高频功率信号源频率为f 的信号混频、选放，得到中频信号输入至示波器的X输入端或“外触发”端， 经调试后在示波器屏上就会有与近程光和远程光相对应的波形出现。
伽利略做了世界 上第 一个测量光 速的实验，没有
罗默第一次提出 有效的光速测量 方法，木-卫蚀法
布莱德雷发现恒 星“光行差”现 象即光行差法测
菲索第一次在地 面上设计实验装 置测量光速—旋
得到肯定结果。
测光速。
光速。
转齿轮法。
02光速测量的发展历程
历史回顾：
186 2 192 6 19 52 197 2
03光速测量方法
实验方法改进后，具有以下几方面的优点: 1)不需要测量平面反射镜之间的距离，也不需要在示波器上直 接测量X和x的值，从而在较大程度上提高了测量的精度。 2)实验中不需要测量光程差，也不需要近程光做参考，也就不 需要对近程光进行调节。可将测定光速实验的光路改为如图4所 示的光路图，从而降低仪器的调节难度，节省了仪器的调节时间. 3)避免了当相位差大于2Π时需要对公式进行的修正。 4)避免了由于假相移而引入的误差。
01前言
究竟什么是光？
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。
02光速测量的发展历程
历史回顾：
160 7 167 6 17 25 184 9
傅科用旋转镜法 测量光速。
迈克耳孙用旋转 棱镜改进了傅科 的实验。
费罗姆用微波干 涉仪法测量光速。
埃文森用微波谐 振腔法测光速。
02光速测量的发展历程
测量光速的方法可分为两大类，即直接法与间接法。其中，直接测光信号或电磁 波信 号的实验，测量的都是群速度。
间接法
直接法又叫时间一飞程法，它所依 据的原理就是伽利略测量光速的原 理。罗默的木星蚀法、菲索齿轮法 、傅科与迈克耳孙的旋转镜法皆属 此类。这种方法后来由于科学技术 的发展得到了很大改进。
03光速测量方法 实验原理图
03光速测量方法 测量方法
在示波器上得到的波形如图2所示，其中②是与远程光相对应的波形，④是与 近程光相对应的波形。光速测量的主要根据是示波器上二光拍信号波形的相 位差与远程光和近程光的光程差成正比，并依据示波器的X轴的线性扫描。测 量光速的公式为
03光速测量方法 测量方法
03光速测量方法 方案改进
为了提高测量的精度，可进行如下改进：对于N的测量可将米尺固定在导轨上 ，并在可移动反射镜的底座上固定一游标，对于n和X的值的测量，可用摄像 头把波形采集下来，再利用图像处理软件进行测量。采集的其中一幅图像， 如图3所示。由于不同位置的波形要分别采集，所以在实验过程中不能移动示 波器和摄像头。
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01前言
西方人对于光的认识： 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）
上述实验方法在实际测量中操作简单方便，仅需要测量两点的相关数据即可得 到实验结果.但是在实际测量中，我们发现利用上述两式测量光速时存在以下 问题: 1)不论用式(1)还是用式(2)，都要多次测量平面反射镜之间的距离，由于调节 过程中光 线不一定都照到反射镜的中心位置，使测得光程差的误差增大. 2)当利用式(1)测量光速时，需要在小波器上测量X和x的值，由于受示波器屏 上刻度和扫描线宽度的影响，使得X和x值的误差较大. 3)当利用式(2)测量光速时，由于光程差变化较小时，很难看出示波器上波形 的变化，也就很难判断出两波形完全重合时可移动反射镜的准确位置. 由于上述几点原因，使得测量结果的离散程度增大，测量的精度降低，从而 增大了测量结果的偶然误差.
其中z为光程差。f为功率源输出信号的频率，X为同一波形上的两相邻同 相点间的距离，x为相位差小于2Π时不同波形上的两相邻同相点间的距 离。当相位差等于2Π时，光程差恰为光拍波的波长，此时示波器上波形 和波形④完全重合，上式变为
光拍法测定光速的实验就是利用式(1)或式(2)。
03光速测量方法
问题分析
光速测量发展史及其 实验方法
目录 CONTENTS
02
光速测量的发展历程
03
光速测量方法
04
结论
01前言
古代中国对于光的认识： “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）
04结论
光速的测定在光学 的研究历程 中有着重要 的意义 ,它 是人们最早测量 的物理常量 。光速测量方法 的进展 ，不仅 标志着光速值在精度上的不断提高 ，还充分反映了近代物 理及其实验方法的惊人发展 。虽然从人们设法测量光速到 人们测量出较为精确的光速共经历 了四百年的时间 ，但其 间每一点进步都大大促进了光学乃至物理学的发展。