最新光拍法测光速

光拍法测光速

光拍法测量光速

前言

光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有密切的关系。麦克斯韦的光的电磁理论中的常数c,一方面等于电荷的电磁单位与静电单位的比值,另一方面它又预示了电磁场的传播速度,即电磁波以光速传播,光是一种电磁波.此后首先被赫兹的实验所证实。历史上围绕运动介质对光的传播速度的影响问题，曾做过许多重要实验；同时在实验上和理论上作过各种探讨，最终导致了爱因斯坦相对论的建立。

光的速度与许多物理量有关，例如电磁学中的真空电容率ε0与真空磁导率μ0，里德伯常数R，质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等。因此光速值的精确测量将关系到许多物理量值精度的提高，它是一项十分重要的课题。自17世纪伽利略第一次测定光速以来，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速。

1941年美国人安德森用电光调制法，即利用克尔盒作为一个光开关，调制光束，使光强产生1.9×107赫的变化，测得光速值为2.99766×108m/s。此值的前四位与现在的公认值一致。

1966年卡洛路斯，赫姆伯格用声光频移法，产生光拍频波，测量光拍频波的波长和频率，测得光速c=(299,792.47±0.15)×103m/s。

1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先用激光作了光速测定。根据波动基本公式c=λυ，之间测量光波波长与光波频率而求得c的数值。光的波长是用迈克耳孙干涉仪来直接测定;光波的频率是通过一系列混频、倍频、差频技术，利用较低频率的电磁波去测量较高频率，再以较高频率测量更高频率，最后达到测得光频的目

的。因此，于1975年第十五届国际计量大会提出了真空中光速为：c=(299,792,458±1) m/s。

1983年国际计量局召开的第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中«Skip Record If...»秒时间间隔内所传播的距离，作为长度单位米的定义。这样，光速c=(299,792,458m/s就成了定义性常数，这个值被定义为精确值。

直到现在，不少科学发达的国家仍集中了一批优秀的科学家，在提高光速的精确度方面进行着工作。

本实验是用声光频移法获得光拍，通过测量光拍的波长和频率，来确定光速。通过实验，学习光拍法测光速的原理和实验方法，同时对声光效应有一初步的了解。

一、实验目的：

通过光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法，并对声光效应有初步了解。

二、实验仪器：

GSY-IV型光速测定仪、示波器、数字频率计。

三、原理和方法：

（一）仪器装置图：

1、GSY-IIIV型光速测定仪原理方框图：

图一

2、G-IIIV 型光速测定仪光路图：

图二

（二）光拍的产生与传播

根据振动叠加原理，两列速度相同、振面相同、频率较小而同向传播的简谐波叠加即形成拍。

光电接收He-Ne 激光

声光移频半反镜 半反镜 斩光器 滑动平台

若有振幅相同为E0、圆频率分别为ω1和ω2（频差△ω=ω1-ω2较小）的两列沿x轴方向传播的平面光波：

«Skip Record If...»

«Skip Record If...»

若这两列光的偏振方向相同，则叠加后的总场为：

«Skip Record If...»

上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为«Skip Record If...»，振幅为：

«Skip Record If...»

E的振幅是时间和空间的函数，以频率«Skip Record If...»周期性的变化，称这种低频率的行波为光拍频波，«Skip Record If...»就是拍频,振幅的空间分布周期就是拍频波长，以«Skip Record If...»表示。

E1+E2 «Skip Record If...»

用光电探测器接收光的频波，探测器光敏面上光照反应与光强（即电场强度的平方）成反比。由于光波频率f0高达1014Hz，光敏面来不及反映如此快的光强变化，迄今为止能反映频率108Hz左右的光强变化（其响应时间«Skip Record If...»为10-8秒）。因此，任何探测器所产生的光电流只能是在响应时间«Skip Record If...»内的平均值。

«Skip Record If...»

式中g为探测器的光电转换常数，«Skip Record If...»是与拍频«Skip Record If...»相应的圆频率，为初相位。在某一时刻，光电流«Skip Record If...»的空间分布(«Skip Record If...»)为正弦波，x方向上两相邻波谷之间的距离为«Skip Record If...»，探测器输出的光

电流含有直流和光拍信号两种成分。将直流成分滤掉，即得频率为拍频«Skip Record If...»的光拍信号。

光拍信号的位相又与空间位置x有关，即处在不同位置的探测器所输出的光拍信号具有不同的位相。设空间某两点之间的光程差为«Skip Record If...»，该两点的光拍信号的位相差为«Skip Record If...»，根据上式应有：

«Skip Record If...»

如果将光拍频波分为两路，使其通过不同的光程后如射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差«Skip Record If...»与两路的光程差«Skip Record If...»之间的关系仍由上式确定。当«Skip Record If...»时，«Skip Record If...»，即光程差恰为光拍波长，有：

«Skip Record If...»

只要测定了«Skip Record If...»和«Skip Record If...»，即可确定光速c。

«Skip Record If...» «Skip Record If...»为高频信号发生器的输出频率。

此时测出的光速是光在空气中的速度，若计算真空中的光速，应乘以空气的折射率，空气的折射率由下式确定：

«Skip Record If...»

式中n是空气的折射率，t是室温（0c）,p是气压（«Skip Record If...»），e是水蒸汽压（«Skip Record If...»），«Skip Record If...»=(1/273)0c,

p0=760«Skip Record If...»,b=5.5«Skip Record If...»10-8«Skip Record If...»-1,n g由下式决定： «Skip Record If...»

其中，A=2876.04«Skip Record If...»10-7,B=16.288«Skip Record If...»10-7«Skip Record If...»,C=0.136«Skip Record If...»10-7«Skip Record If...»,«Skip Record If...»为载波波长，单位为«Skip Record If...»。对于氦氖激光器，«Skip Record If...»=632.8nm。

四、实验步骤：